Bases de Proyecto

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Estructuras Metálicas

Tema :

Grado en Ingeniería de Obras Públicas

Bases de proyecto1. Criterios de seguridad

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Seguridad estructural

‐ Este concepto aparece cuando el proyectista no conoce de forma exacta algún aspecto relacionado con la capacidad resistente de la estructura

‐ Surge el concepto de incertidumbre: imposibilidad de conocer con total exactitud un determinado valor, pero sí sus valores más probables

Imprecisión de los datos utilizados:‐ En los datos externos: indefiniciones geométricas, propiedades de materiales,   cargas, etc…

‐ En las herramientas de cálculo utilizadas: modelo, hipótesis simplificativas, tipo de análisis

Bases de proyecto

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Estados límiteDefinición: situación que en caso de ser superada, la estructura no cumple alguna de las funciones para las que fue diseñada.

• Estados límite de servicio (ELS)         Funcionalidad, comodidad, aspecto 

• Estados límite últimos (ELU)           Fallo de la estructura por colapso o rotura

( ) ( ) ( )g R E X X X( ) 0( ) 0

XX

g región de fallog región de seguridad

X: vector de variables aleatorias o deterministas

Formas de aumentar la seguridad estructural

1. Reducir incertidumbre2. Mayor dimensionamiento de la estructura

1. Criterios de seguridad

Bases de proyecto

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Métodos de análisis de la seguridad estructural

‐ Determinista: R – E > 0‐ Basado en coeficientes parciales de seguridad (Nivel I)

‐Métodos probabilistas (Nivel II y Nivel III)

( ) ( ) ( ) 0g R E X X XSituación de fallo:

Si R(X) y E(X) son lineales y las variables aleatorias están normalmente distribuidas se puede afirmar que g(X) también esta normalmente distribuida

20 0 1 1[ 0] ( ) exp

22

gf g

gg

gP P g f g dg dg

g

g

gu

21 1exp ( )22

g g

g gg

fg

P u du u du

fP β=μg/σg Índice de fiabilidad (Cornell, 1969)

1; 1i i j j i ji j

R E

1. Criterios de seguridad

Bases de proyecto

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Métodos de análisis de la seguridad estructural

( ) ( ) ( ) 0 X X Xg R SSituación de fallo:

20 0 1 1( ) exp

22g

f ggg

gP f g dg dg

g

g

gu

21 1exp ( )22

g g

g gg

fg

P u du u du

fP β=μg/σg Índice de fiabilidad

Si R(X) y S(X) son lineales y las variables aleatorias están normalmente distribuidas se puede afirmar que g(X) también esta normalmente distribuida

1. Criterios de seguridad

Bases de proyecto

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Ejemplo (análisis determinista vs análisis probabilista)

Datos: P=10 kN; L=5 m; Mu=70 kNm

Resultados: V= 10 kN; M= 50 kNm

Datos: P=N(10, 2); L=5 m; Mu=70 kNm

Resultados: V=N(10,2); M=N(50,10) kNm

Pf = P[M>Mu]= P[M>70]=0.0228

Entrada de datos deterministaEntrada de datos determinista

Respuesta deterministaRespuesta determinista

Superior/Inferior al límite establecido Superior/Inferior al límite establecido 

Entrada de datos probabilistaEntrada de datos probabilista

Respuesta probabilistaRespuesta probabilista

Propiedades estadísticas de la respuesta

Probabilidad de fallo

Propiedades estadísticas de la respuesta

Probabilidad de fallo

1. Criterios de seguridad

Bases de proyecto

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Situaciones de proyecto en la EAE (Art. 7)‐ Situaciones persistentes‐ Situaciones transitorias‐ Situaciones accidentales

Estados límite considerados en la EAE (Art. 8)Será necesario verificar el cumplimiento de los Estados Límite tanto para las Fases de construcción como para la fase de servicio

Estados Límite Últimos:‐ De Equilibrio‐ De Resistencia de las secciones‐ De Inestabilidad‐ De Resistencia de las uniones‐ De Fatiga‐ De Resistencia al fuego‐ De Resistencia al sismo

Estados Límite de Servicio:‐ De Deformaciones‐ De Vibraciones‐ De Deslizamiento de uniones con 

tornillos de alta resistencia‐ De Deformaciones de paneles esbeltos‐ De Plastificaciones locales

2. Bases de cálculo

Bases de proyecto

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Durabilidad (Art. 8)Un estructura de acero debe soportar las condiciones físico‐químicas a las que está expuesta durante su vida útil de proyecto.

‐ Tipo de ambiente  Clases de exposición

‐ Establecer medidas de protección

2. Bases de cálculo

Bases de proyecto

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Clasificación (Art. 9)

‐ Naturaleza

3. Acciones

Acciones directas se aplican directamente sobre la estructuraAcciones indirectas  deformaciones o aceleraciones impuestas

‐ Variación en el tiempoAcciones Permanentes (G): peso propio, cargas muertas, …Acciones Permanentes de valor no constante (G*): movimientos diferidos, pretensado en piezas de hormigón, acciones reológicas,…Acciones Variables (Q): sobrecargas de uso, acciones climáticas (viento, nieve, temperatura),… Acciones Accidentales (A): impactos, explosiones, sismos

‐ Variación en el espacioAcciones fijas: peso propio, cargas muertas, …Acciones libres: sobrecargas de uso

Bases de proyecto

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Valores característicos de las acciones (Art. 10)

3. Acciones

Definición: valor de referencia a efectos de proyecto. Valor medio, nominal, criterios estadísticos f(T)

Si existe mucha dispersión: [Valor máx. ; Valor mín]

Valores representativos de las acciones

Definición: valor de la acción utilizado para la comprobación de los Estados Límite

Para acciones permanentes y accidentales:

Valor Representativo = Valor Característico 

Para acciones variables

Valor Representativo = ψ · Valor Característico 

Valor de combinación ψ0 Q

Valor frecuente  ψ1 Q

Valor cuasi‐permanente             ψ2 Q

(Art. 11)

Bases de proyecto

Definición: Valor Representativo x γf

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Valores de cálculo de las acciones (Art. 12)

3. Acciones

Coeficiente parcial de seguridad

Estados Límite Últimos

Estados Límite de Servicio

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Combinaciones de acciones (Art. 13)

3. Acciones

Estados Límite Últimos (ELU)

En situaciones persistentes o transitorias

En situaciones accidentales:

En situaciones con acción sísmica Combinación cuasi‐permanente

Combinación frecuente:

Combinación poco probable:

Estados Límite de Servicio (ELS)

Bases de proyecto

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4. Resistencias

‐ Aumento del valor característico de las acciones

‐ Reducción de la resistencia característica del material

Comprobaciones de seguridad en la EAE (Art. 15): basadas en utilización de coeficientes parciales de seguridad

kd

M

RR

Bases de proyecto5. Estados Límite de Servicio (ELS)

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ELS de Deformaciones (Art. 37)

Se debe verificar que los movimientos de una estructura o elemento estructural sean menores queunos valores establecidos:

max ; ( , , , , , )x y zu v w u u u

Objetivos: estética, funcionalidad, durabilidad, confort, sensación de seguridad 

Los valores límite fijados en la EAE son semiempíricos e indicativos  se pueden fijar otros valores entre la propiedad y el autor del proyecto o en su caso la Administración

Definición de flechas verticalesDefinición de flechas horizontales

wc: contraflecha de ejecuciónw1: flecha inicial bajo cargas permanentesw2: flecha diferida bajo cargas permanentesw3: flecha debida a sobrecargas o combinaciones de acciones

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Edificios (ver Código Técnico Edificación)

La flecha relativa (después de la puesta en obra) será inferior a:a) 1/500 en pisos con tabiques frágiles (como los de gran formato, rasillones, o placas) o pavimentos rígidos sin juntas;b) 1/400 en pisos con tabiques ordinarios o pavimentos rígidos con juntas;c) 1/300 en el resto de los casos.

CTE

Limitación de flechas

Limitación de desplazamientos horizontales

‐ Integridad de los elementos:desplome total: H/500desplome local: h/250

Apariencia: h/250

H=h=

5. Estados Límite de Servicio (ELS)

ELS de Deformaciones (Art. 37)

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Puentes y Pasarelas (IAP, IAPF)

Objetivo:‐ Limitar efectos dinámicos amplificados‐ Evitar daños en capa de rodadura‐ Evitar alteraciones en el funcionamiento del drenaje‐ Evitar impresiones visuales no adecuadas‐ Confort‐ Evitar alteraciones de la rasante‐ Buen funcionamiento de juntas, instalaciones, etc…

Normas de construcción:‐ La contraflecha de ejecución debe contrarrestar el efecto de la carga permanente, la parte 

de sobrecargas para combinación cuasipermanente y la mitad de los efectos reológicos‐ La variación en los procesos constructivos pueden modificar la contraflecha necesaria y 

deberá tenerse en cuenta dicha modificación

Limitación de flechas‐ L/1000 en puentes de carretera‐ L/1200 en puentes de carretera urbanos con aceras transitables‐ L/1200 en pasarelas‐ Ver IAPF para puentes de ferrocarril

5. Estados Límite de Servicio (ELS)

ELS de Deformaciones (Art. 37)

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5. Estados Límite de Servicio (ELS)

ELS de Vibraciones (Art. 38)Objetivo:‐ Confort de los usuarios‐ Evitar deterioros de la estructura‐ Durabilidad de instalaciones, servicios, etc…

Causas de vibraciones en estructuras‐ Maquinarias‐ Movimiento sincronizados de gente‐ Sobrecargas de tráfico, viento

Criterio general para evitar vibraciones:  alejar las frecuencias fundamentales de la estructura de las frecuencias de excitación de la estructura.  /k m

El cumplimiento de esta tabla garantiza aceleraciones máx. entre 0.05g ‐ 0.1g

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5. Estados Límite de Servicio (ELS)

Si las frecuencias naturales están fuera de estos rangos no es necesario realizar un estudio dinámico específico:• Rango crítico para vibraciones verticales y longitudinales: de 1,25 a 4,60 Hz • Rango crítico para vibraciones laterales: de 0,50 a 1,20 Hz 

Pasarelas (IAP)

Será necesario en cualquier caso un estudio dinámico específico si se da alguno de estos casos:• Luz superior a 50 m Anchura útil superior a 3,0 m• Tipología estructural singular o nuevos materiales • Ubicación en zona urbana donde sea previsible un tráfico intenso de peatones o exista 

riesgo de concentración de personas sobre la propia pasarela 

ELS de Vibraciones (Art. 38)

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5. Estados Límite de Servicio (ELS)

Puentes de carretera (IAP)

Puentes de ferrocarril (ver IAPF) 

Será necesario comprobar el ELS de vibraciones si:‐ No se satisface el estado límite de deformaciones‐ En puentes urbanos con tráfico peatonal intenso‐ En puentes con voladizos laterales transitables esbeltos‐ En puentes de tipologías estructurales singulares o nuevos materiales 

Comprobación: que la aceleración vertical máxima bajo el paso de un camión de 400 kN de peso sobre la plataforma, a distintas velocidades: de 20 a 80 km/h con incrementos de 10 en 10 km/h, no supere los valores límite, función del nivel de confort exigido, que se establecen para el caso de pasarelas.

Vibraciones inducidas por el viento

‐ Bataneo‐ Desprendimiento de torbellinos‐ Flameo‐ Galope, galope inducido‐ Divergencia torsional

Puente sobre el embalse de Alcántara

ELS de Vibraciones (Art. 38)

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5. Estados Límite de Servicio (ELS)

ELS de deformaciones transversales en paneles esbeltos (Art. 40)Objetivo:‐ Evitar excesivas combaduras‐ Evitar cambios bruscos de la configuración equilibrio‐ Evitar el Respiro Transversal (fisuraciones por fatiga)Comprobación:

‐ En paneles rigidizados puede hacerse la comprobación anterior para los subpanelesresultantes

‐ Si las tensiones normal y tangencial varían a lo largo del panel se puede tomar un valor situado a 0.4a o 0.5b, siendo a la dimensión long. y b la transversal

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5. Estados Límite de Servicio (ELS)

Objetivo:‐ Garantizar una respuesta cuasi‐lineal‐ Evitar deformaciones plásticas remanentes‐ Evitar fatiga oligocíclica bajo un número reducido de ciclos

Comprobación:Debe realizarse:‐ En elementos estructurales de puentes y aquellos que soporten cargas repetitivas  de entidad

‐ En losas ortótropas solicitadas transversalmente a su plano‐ Zonas singulares de responsabilidad (zonas de concentración de tensiones)

ELS de plastificaciones locales (Art. 41)

ELS de deslizamiento en uniones con tornillos pretensados de alta resistencia (Art. 39)‐ En este tipo de tornillos se admite deslizamiento de la unión en ELU‐ No se admite deslizamiento en ELS para la combinación de acciones poco probable