CARGAS MUERTAS (D)

Son aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la estructura. Incluyen todos aquellos elementos de la estructura como vigas, pisos, techos, columnas, cubiertas y los elementos arquitectónicos como ventanas, acabados, divisiones permanentes. También se denominan cargas permanentes. Su símbolo “D”, corresponde a la inicial en inglés de Dead (muerto).1

La principal carga muerta es el peso propio de la estructura. Sus valores se obtienen considerando el peso específico del material de la estructura y el volumen de la estructura. Aunque es el tipo de carga más fácil de evaluar, su monto depende de las dimensiones de los miembros de la estructura las cuales no se conocen al inicio del proceso. Es necesario recurrir entonces a estimaciones del valor inicial. Esta acción será más o menos aproximada, dependiendo de la experiencia del diseñador. En los casos comunes esta estimación inicial será suficiente; pero en casos no rutinarios, será necesario evaluar de nuevo el peso de la estructura y revisar el diseño.

Para elementos longitudinales (vigas), la carga se evalúa por unidad de longitud. Ha sido costumbre evaluarla en sistema MKS: “kg/m , t/m”. Sin embargo a partir de la vigencia de la norma NSR-98 se debería hacer en el Sistema Internacional (SI): N/m, kN/m.

El control de las cargas muertas es muy importante en estructuras de concreto reforzado construidas «in situ», pues el volumen de los concretos colocados puede ser muy variable, conduciendo a sobreespesores que producen masas adicionales a las contempladas en el diseño, afectando la evaluación de las cargas de sismo. En el acero estructural se controlan más fácilmente, pues los perfiles vienen de fábrica con tolerancias de peso pequeñas.

Figura 2.1 fuerzas distribuidas

Para elementos de gran área, como las placas o pisos se evalúa por metro cuadrado: kN/m2, (kgf/m2 en sistema MKS).

Algunos ejemplos corrientes de pesos propios, propuestos por la norma NSR-98 y el Código Colombiano de Puentes (CCP-95) son:

MATERIAL PESO DENSIDADConcreto simple 23 kN/m3 2300 Kg/m3

Concreto reforzado 24 kN/m3 2400 Kg/m3

Mampostería de ladrillo 18 kN/m3 1800 Kg/m3

Acero 78 kN/m3 7850 Kg/m3

Madera laminada 6 kN/m3 600 Kg/m3

Madera, densa, seca 7,5 kN/m3 750 Kg/m3

Arena, grava, tierra suelta 16 kN/m3 1600 Kg/m3

Arena, grava compactada 19 kN/m3 1900 Kg/m3

Macadam 22 kN/m3 2200 Kg/m3

Mampostería de piedra 27 kN/m3 2700 Kg/m3

Mortero de pega 21 kN/m3 2100 Kg/m3

 

OTRAS CARGAS MUERTAS (Por unidad de área)

Pisos de baldosa de cemento 1,0 kN/m2 100 kgf/m2

Entrepisos de madera 1,2 kN/m2 120 kgf/m2

Cielorrasos de mortero 0,8 a 1,0 kN/m2 80 a 100 kgf/m2

Cielorrasos de madera 0,1 a 0,5 kN/m2 10 a 50 kgf/m2

Teja de barro con mortero 0,75 kN/m2 75 kgf/m2

Placa ondulada a-c 0,18 kN/m2 18 kgf/m2

CARGAS VIVAS (L)

Son aquellas debidas al uso u ocupación de la construcción y que la identifican. Incluyen personas, objetos móviles o divisiones que puedan cambiar de sitio. Generalmente actúan durante períodos cortos de la vida de la estructura. También incluyen el impacto. Su símbolo corresponde a la inicial de Live (vivo). También se denominan cargas de “ocupación”. Debido a la dificultad de evaluarlas, se especifican por los Códigos de Construcción, en kN/m2 en el SI o en kgf/m2 en el MKS. Usualmente se considera que ocupan toda el área del piso como cargas uniformes, aunque en algunos casos puedan estar concentradas en un área especifica. Para la NSR-98 algunos valores típicos son:

  S.I. MKSVivienda 1,8 kN/m2 180 kgf/m2

Oficinas 2,0 kN/m2 2 200 kgf/m2

Escaleras 3,0 kN/m2 300 kgf/m2

Salones de reunión: 3,0 kN/m2 300 kgf/m2 (fijos)  5,0 kN/m2 500 kgf/m2 (sin fijar)Hospitales: 2,0 kN/m2 2 200 kgf/m2 (cuartos)  4,0 kN/m2 400 kgf/m2(sala operaciones)Coliseos 4,0 kN/m2 400 kgf/m2 (gradería)  5,0 kN/m2 500 kgf/m2 (escaleras)Garajes 2,5 kN/m2 250 kgf/m2 (autos)Hoteles 2,0 kN/m2 200 kgf/m2

Escuelas, univ.: 2,0 kN/m2 200 kgf/m2

Bibliotecas: 2,0 kN/m2 200 kgf/m2 (lectura)  5,0 kN/m2 500 kgf/m2 (estante)

Para bodegas, los valores dependen del material y de la altura de almacenamiento, por lo cual es conveniente que se señalen en forma visible los valores máximos de la carga viva de diseño, para evitar sobrecargas cuando hay cambio de dueño. En general, es conveniente que los elementos muy pesados se almacenen directamente sobre el terreno y así evitar cargas concentradas muy pesadas en la estructura.

Las cargas vivas para PUENTES constituyen un campo muy especial y común para la Ingeniería Estructural. Generalmente es muy difícil predecir el tipo de vehículo que circulará por un puente. Solo en casos especiales, en explotaciones mineras con volquetas de gran capacidad, serán conocidas. Casi siempre es una mezcla de vehículos livianos y pesados (automóviles, camiones, tractomulas). En los puentes de gran luz el efecto producido por el tránsito de los vehículos puede simularse adecuadamente por una carga uniforme por unidad de longitud y una carga concentrada, la denominada «franja de carga por carril». En los puentes cortos la influencia de la carga de los ejes traseros es mayor y se acostumbra definir un vehículo tipo2.

En Colombia había sido tradicional asumir para el diseño de los puentes los vehículos estándar de la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), tipo “H” y HS”. El 20 de junio de 1996 el Ministerio de Transporte expidió la resolución 3600 por la cual se adoptó el Código Colombiano de Puentes CCP-95, que en su capítulo A.3 fija el camión estándar y la franja de carga obligatorios para el diseño de los puentes de la red vial nacional (figura 2.2).

Figura 2.2 Ensayo de carga de puente, situación de máxima carga viva

Mientras que en el código AASHTO se señalan camiones estándar de dos y tres ejes, en el CCP-95 se fija un solo tipo de vehículo, de tres ejes, con peso superior, el denominado C 40-95, con peso de 40 t ; adicionalmente, se establece el C 32-95, con peso del 80 % del anterior. El vehículo de la AASHTO tipo HS 20-44 tiene tres ejes y peso de 33 t (ver figura 10.1).

Cuando un vehículo pasa por un puente se presentan deflexiones elásticas que varían en magnitud y posición según el avance del vehículo; se presentan vibraciones debido a irregularidades de la superficie que se aumentan con el efecto vertical de la suspensión del vehículo, denominado “muelleo”. Estos efectos aumentan los esfuerzos producidos por la carga viva. Este efecto dinámico ha sido costumbre llamarlo impacto y su magnitud se evalúa en función de la luz del puente. Es mayor para luces cortas y el valor máximo fijado por el CCP-95 es del 30% de la carga viva. Además de la fuerza vertical se especifican fuerzas horizontales. Una para tener en cuenta la fuerza centrífuga en sentido radial en los puentes curvos y otra la acción de frenado en sentido longitudinal.

CARGAS ACCIDENTALESParte fundamental de diseño en estructuras es el análisis de cargas accidentales, ya que este tipo de acciones pueden afectar los elementos responsables de la capacidad de carga de una edificación e incluso llevarla a la falla.Una carga accidental es aquella que sucede eventualmente en la vida de una estructura, no es contante y puede alcanzar grandes magnitudes. Esta no se debe al funcionamiento normal del inmueble y se presenta solo durante lapsos breves. Una carga accidental puede ser la ocasionada por sismo, viento, explosiones, incendios y otros fenómenos extraordinarios que pueden presentarse.

Sobrecargas : Son aquellas originadas por el uso y ocupación de un edificio u otra estructura, y no incluye cargas debidas a la construcción o provocadas por efectos ambientales, tales como nieve, viento, acumulación de agua, sismo, etc. Las sobrecargas en cubiertas son aquellas producidas por materiales, equipos o personal durante el mantenimiento, y por objetos móviles o personas durante la vida útil de la estructura.

Cargas de viento: cuando las estructuras impiden el flujo del viento, la energía cinética de este se convierte en energía potencial de presión, lo que causa la carga de viento. El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y velocidad del aire, del Angulo de incidencia del viento, de la forma y rigidez de la estructura y de la rugosidad de su superficie. Para propósitos de diseño, las cargas de viento pueden tratarse usando un procedimiento estático o uno dinámico.Enel procedimiento estático, la fluctuación de la presión causada por un viento soplando continuamente se aproxima por una presión media que actúa sobre los lados de barlovento y sotavento de la estructura. Esta presión q se define por su energía cinética.

DondeEs la densidad del aire.Si tomamos slug/ y especificamos la velocidad del viento en millas por hora, tenemos después de convertir unidades, q psf=0.00256 (v mi/h)2 aquí q se mide en libras por pie cuadrado y actua sobre una superficie plana perpendicular a la velocidad del viento. Un viento de 100 mph suele usarse para el diseño de muchas estructuras de poca altura. Sin embargo valores mas exactos de la velocidad, que depende de la localización geográfica de la estructura y de su elevación desde el suelo, pueden obtenerse en los mapas de zonificación eólica. La elevación sobre el terreno es aquí importante ya que la velocidad del viento crece con la elevación. En consecuencia, cuanto mas alta es la estructura, mas severa resulta la carga de viento.

La fuerza del viento aumenta con la altura

Cargas de nieve: en algunas regiones, las cargas en techos debidas a la nieve pueden ser muy severas, por lo que la protección contra posibles fallas resultan muy importantes. Las cargas de diseño dependen típicamente de la forma general del edificio y geometría del techo, de la exposición al viento y de la localización. Igual que en el caso del viento, las cargas de nieve se determinan generalmente con ayuda de un mapa de zonas, en el cual suele registrar intervalosde recurrencia de 50 años de alturas extremas de nieve.

Cargas de sismo: los sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la interacción del movimiento del suelo y las características de respuesta de la estructura. Esas cargas resultan de la distorsión en la estructura causada por el movimiento del suelo y la resistencia lateral de esta. Sus magnitudes dependen de la cantidad y tipo de aceleraciones del suelo, así como de la masa y rigidez de la estructura. Para adquirir una idea de la naturaleza de las cargas sísmicas, considere el modelo simple estructural. Durante un sismo, el suelo vibra tanto horizontal como verticalmente. El movimiento vertical es ligero y usualmente se desprecia en el diseño. Como consecuencia de las aceleraciones horizontales, las fuerzas cortantes en la columna tratan

de poner el bloque en movimiento secuencial con el suelo. Si la columna es rígida y el bloque tiene una masa pequeña, el periodo de vibración del bloque será corto y el bloque se acelerara con el mismo movimiento que el suelo y sufrirá solo ligeros desplazamientos relativos. Para una estructura esto es benéfico, ya que se desarrollan menores esfuerzos en los miembros. Por otra parte, si la columna es muy flexible y el bloque tiene una gran masa, entonces el movimiento inducido por el sismo causara pequeñas aceleraciones del bloque y grandes desplazamientos relativos.

Presión hidrostática y presión del suelo: Cuando la estructura se usa para retener agua, suelo o materiales granulares, la presión desarrollada por esascargas es un criterio importante para su diseño. Ejemplos de tales tipos de estructuras son los tanques, presas, barcos, malecones y los muros de contención. Las leyes de la hidrostática y de la mecánica de suelos se aplican para definir la intensidad de las cargas sobre la estructura.

Otras cargas naturales: otros distintos tipos de cargas también deben considerarse en el diseño de una estructura, dependiendo de su localización o uso. Entre estas se cuentan el efecto de explosiones, cambios de temperatura y los asentamientos diferenciales de la cimentación.

Cargas accidentales ActivasConsideramos cargas accidentales a las fuerzas que actúan en una construcción, que no son gravitacionales y no tienen carácter permanente. Las cargas accidentales que comúnmente se utilizan en el análisis y diseño de estructuras son las del viento y de los sismos. Las cargas de viento que actúan sobre una estructura resultan del movimiento del aire contra las superficies que se interponen. Supongamos que el viento actúa perpendicularmente a una barda. Esta estructura estará sujeta a un empuje por el lado que actúa el viento y a una succión por el lado contrario; pero las dos fuerzas tienen el mismo sentido, por lo que deben sumarse.

El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y velocidad del aire, el ángulo de incidencia del viento, de la forma y rigidez de la estructura y de la rugosidad de su superficie. Cabe señalar que cuanto más alta sea la estructura, más severa resulta la carga del viento. En laactualidad, las cargas de viento no se manejan uniformemente en los diversos reglamentos de edificios. Para estructuras poco usuales, se recomiendan pruebas en túnel de viento para establecer las magnitudes y distribuciones de las cargas de viento. La evaluación de las cargas de viento está basada en la zona de la construcción. Una carga dinámica común que deben resistir las estructuras es la que está asociada con los movimientos sísmicos. Aquí, las cargas no se aplican a la estructura en la forma normal. En vez de ello, la base de la estructura se sujeta a un movimiento repentino. Como la parte superior de la estructura resiste el movimiento debido a su inercia hay una deformación inducida en la estructura. Esta deformación, a su vez, induce una vibración horizontal que produce fuerzas cortantes horizontales a lo largo de toda la estructura. Para fines de análisis estructural, los efectos de un sismo pueden expresarse como un conjunto de fuerzas laterales estáticas equivalentes. Estas fuerzas laterales dependen de las aceleraciones asociadas con el movimiento del terreno, las características dinámicas del sistema y la distribución de la masa a través de toda la estructura.Los sistemas también producen movimientos verticales que se han ignorado generalmente. Sin embargo, observaciones recientes han indicado que estos efectos pueden ser importantes, y que en el futuro indudablemente debe dársele mayor atención a estos movimientos.

La carga de sismo es una carga importante que se debe considerar, dado que en muchos casos es laque determina las dimensiones y resistencia de las piezas de una construcción (columnas, trabes, etc.). Es importante hacer notar que las cargas de viento y sismo actúan de manara contraria en las estructuras. En general, el viento produce poco efecto en una construcción que el sismo afecta. Si tenemos una construcción con una gran masa, la

acción del sismo será muy fuerte; pero, por su solidez, el viento le afectará poco. Por lo contrario, tenemos una construcción de poco peso, el viento podrá ser una carga fuerte pero el sismo no. En general, puede decirse que las estructuras d madera y de acero son más afectadas por el viento que las estructuras de concreto, y que el sismo les provoca cargas de menor magnitud. La magnitud de las fuerzas depende de factores como altitud, forma de la estructura y topografía.

Parte fundamental del diseño de estructuras es el análisis de cargas accidentales, ya que este tipo de acciones pueden afectar los elementos responsables de la capacidad de carga de una edificación en incluso llevarla a la falla.Una carga accidental es aquella que sucede eventualmente en la vida de una estructura, no es constante y puede alcanzar grandes magnitudes. Ésta no se debe al funcionamiento normal del inmueble y se presenta solo durante lapsos breves. Una carga accidental puede ser ocasionada por sismo, viento, explosiones, incendios y otros fenómenos extraordinarios que puedan presentarse.Cargas accidentales: Son aquellas que están representadas por la fuerza sísmica, por la fuerza del viento, por el pesode la nieve, etc.Por la forma en que actúan:Las cargas activas, las cargas reactivas y las cargas internas.

Cargas activas:Están representadas por el sistema de cargas externo (y = mx; y = mx²) que están actuando sobre el elemento estructuralLas cargas activas o solicitaciones es la fuerza a la que está sometida una construcción la cual debe soportar; cargas vivas, cargas muertas y cargas accidentales.

Para que una viga este en equilibrio estático, es necesario que tenga dos cargas verticales concentradas provocadas las columnas.Las cargas son todos los pesos o reacciones que debe soportar una edificacion tanto grandes como un rascacielos o puentes a desnivel como pequenas como una casa o un pavimento.

La cargas accidentales son aquellas que se presentan pero no de una manera permanente ni son comunes como las cargas vivas, son cargas que pueden presentarse como la acción del viento, un sismo o nieve en la estructura, donde estas fuerzas se colocan como cargas por área de edificio en el caso de las cargas de viento.

Una clara diferencia es que las cargas muertas o vivas se representan generalmente de manera vertical hacia abajo y estas cargas accidentales se colocan de manera que incidan horizontalmente en la estructura, como intentando provocar volteo.Cargas Accidentales-Reactivas

Las cargas muertas incluyen el peso del mismo edificio y de los elementos mayores del equipamiento fijo. Siempre ejercen una fuerza descendente de manera constante y acumulativa desde la parte más alta del edificio hastasu base. Las sobrecargas usadas en el proyecto de edificios y otras estructuras serán las máximas esperadas para el destino deseado en la vida útil de la construcción, en general se indican en valores de carga superficial (kN/m²) en función del destino del local o en el caso de cubiertas en función de la accesibilidad (accesible o no accesible) y de la pendiente. Como criterio general las sobrecargas que recomiendan los reglamentos se determinan en base a estudios estadísticos, son valores cuya probabilidad de ser superados durante la vida útil de la estructura es menor que un porcentaje determinado. La incertidumbre sobre la real utilización del local para el fin proyectado sumado a la variabilidad de los valores medidos llevan a considerar en los Reglamentos modernos valores de mayoración superiores para las sobrecargas que para las cargas permanentes, esto no ocurre con el Reglamento Cirsoc vigente que data de los años 80 y cuya base fue la norma DIN.

Por ejemplo en la nueva reglamentación CIRSOC en trámite, para la combinación de acciones permanentes con accidentales las cargas de tipo D (dead) llevan un coeficiente de mayoración de 1.2 mientras que las sobrecargas L(live) 1.6, la expresión resultante es: C= 1.2 D + 1.6 L

La variación de la carga es constante sobre el claro "L" donde está actuandoCarga no uniforme:La variación de la carga no es constante sobre el claro "L" donde está actuando. Por ejemplo, una carga de variación lineal sobre el tramo "a" y con una variacióncuadrática sobre el tramo "b"

Por su permanencia:Las cargas vivas, las cargas muertas y las cargas accidentales.

Cargas vivas: Para una simple identificación y un tanto coloquial, se definen como aquellas que se mueven; por ejemplo en un salón de clases la carga viva esta representada por el peso de los alumnos que se expresan en unidades de longitud al cuadrado.

Cargas muertas: Están representadas por el peso propio del elemento estructural

Cargas accidentales: Son aquellas que están representadas por la fuerza sísmica, por la fuerza del viento, por el peso de la nieve, etc.Por la forma en que actúan:Las cargas activas, las cargas reactivas y las cargas internas.

Cargas activas: Están representadas por el sistema de cargas externo (y = mx; y = mx²) que están actuando sobre el elemento estructural.Cargas reactivas: Están representadas por las componentes de cada uno de los apoyos que soportan al elemento estructural (RA; RB) identificándose también como vínculos o reacciones.

Cargas internas: Son las que actúan dentro del elemento estructural, mismas que se oponen a la acción de las cargas externas. Dentro de ésta clasificación se distinguen: La fuerza normal, es una fuerza interna que esta actuando perpendicularmente a la sección transversal del elemento estructural. La fuerza cortante, es una fuerza interna que está actuando paralelamente a la sección transversal del elemento estructural. Por los efectos que generan éstas fuerzas internas, se les asocia con los elementos mecánicos del elemento estructural.