1. Etapas en
el proceso del diseño
2. Conceptos
Fundamentales
3. Métodos del diseño
estructural
4. Acciones y sus efectos sobre los
sistemas estructurales
1. Etapas en el proceso del
diseño
Proceso creativo mediante el cual se le da forma a un
sistema
estructural para que cumpla una función
determinada con un grado de seguridad
razonable y que en condiciones normales de servicio tenga
un comportamiento
adecuado. Es importante considerar ciertas restricciones que
surgen de la interacción con otros aspectos del proyecto global;
las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de
ejecución así como de satisfacer determinadas
exigencias estéticas. Entonces, la solución al
problema de diseño
no puede obtenerse mediante un proceso
matemático rígido, donde se aplique rutinariamente
un determinado conjunto de reglas y formulas.
a)Etapa de estructuración
Es probable la etapa mas importante del diseño
estructural pues, la optimización del resultado final del
diseño depende de gran medida del acierto que se haya
obtenido en adoptar la estructura
esqueletal mas adecuada para una edificación
específica.
En esta etapa de estructuración se seleccionan
los materiales que
van a constituir la estructura, se
define el sistema
estructural principal y el arreglo y dimensiones preliminares de
los elementos estructurales mas comunes. El objetivo debe
ser el de adoptar la solución optima dentro de un conjunto
de posibles opciones de estructuración.
b)Estimación de las solicitaciones o
acciones
En esta segunda etapa del proyecto, se
identifican las acciones que
se consideran que van a incidir o que tienen posibilidad de
actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil.
Entre estas acciones se
encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga
muerta, acciones variables como
la carga viva. Acciones accidentales como el viento y el sismo.
Cuando se sabe de antemano que en el diseño se tienen que
considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en
base a la experiencia la estructuración mas adecuada para
absorber dichas acciones.
c) Análisis estructural
Procedimiento que lleva la determinación de la
respuesta del sistema estructural ante la solicitación de
las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La
respuesta de una estructura o de un elemento es su comportamiento
bajo una acción determinada; está en función
de sus propias características y puede expresarse en
función de deformaciones, agrietamiento, vibraciones,
esfuerzos, reacciones, etc.
Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los
siguientes aspectos:
Idealización de la estructura.
Seleccionar un modelo
teórico y analítico factible de ser analizado con
los procedimientos de
calculo disponible. La selección
del modelo
analítico de la estructura puede estar integrado de las
siguientes partes:
I.- Modelo geométrico. Esquema que representa las
principales características geométricas de la
estructura.
II.- Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras.
Debe establecerse como cada elemento esta conectado a sus
adyacentes y cuales son las condiciones de apoyo de la
estructura.
III.- Modelo del comportamiento de los materiales.
Debe suponerse una relación acción – respuesta o
esfuerzo – deformación del material que compone la
estructura.
IV.- Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan
la estructura para una condición dada de funcionamiento se
representan por fuerzas o deformaciones impuestas.
Determinar las acciones de diseño
En muchas situaciones las cargas y otras acciones que
introducen esfuerzos en la estructura están definidos por
los reglamentos de las construcciones y es obligación del
proyectista sujetarse a ellos.
Determinar la respuesta de las acciones de diseño
en el modelo elegido para la estructura.
Es necesario obtener los elementos mecánicos y los
desplazamientos en el sistema estructural.
Dimensionamiento
En esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se
cumple con los requisitos de seguridad
adoptados.
La principal función de un sistema estructural es
la de absorber las acciones o solicitaciones que se derivan del
funcionamiento de la construcción.
Acciones:
Son todos los agentes externos que inducen en la estructura
fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones.
Respuestas:
Se representa por un conjunto de parámetros físicos
que describen el comportamiento de la estructura ante las
acciones que le son aplicadas.
Estado límite:
Es cualquier etapa en el comportamiento de la estructura a partir
de la cual su respuesta se considera inaceptable.
Tipos de estados limite
Estado límite de falla
Son los que se relacionan con la seguridad y corresponden a
situaciones en que la estructura sufre una falla total o parcial
o que presenta daños que afectan su capacidad para
resistir nuevas acciones.
Estado límite de servicio
Son los que se asocian con la afectación del correcto
funcionamiento de la construcción y comprenden deflexiones,
agrietamientos y vibraciones excesivas.
Resistencia:
Es la intensidad de una acción hipotética que
conduce a la estructura o alguna sección a un estado
límite de falla. Por ejemplo, la resistencia a
flexión será el momento máximo que es capaz
de resistir la sección.
3. Métodos
del diseño estructural
Diseño por medio de modelos
Se recomienda en el diseño de elementos
estructurales de forma muy compleja que no son fáciles de
analizar por medio de los modelos
matemáticos usuales.
Método de los esfuerzos de trabajo o de esfuerzos
permisibles o teoría
elástica
Los elementos mecánicos producidos en los
distintos elementos por las solicitaciones de servicio o de
trabajo se calculan por medio de un análisis elástico. Se determinan
después los esfuerzos en las distintas secciones debido a
los elementos mecánicos, por métodos
también basados en hipótesis elásticas. Los esfuerzos
de trabajo así calculados, deben mantenerse por debajo de
ciertos esfuerzos permisibles que se consideran aceptables, el
método es
razonable en estructuras de
materiales con un comportamiento esencialmente
elástico.
Método de la resistencia o
método de
factores de carga y de reducción de resistencia o teoría
plástica
Los elementos mecánicos se determinan por medio
de un análisis elástico-lineal. Las secciones se
dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas
acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sean igual a
dichas acciones multiplicadas por factores de carga, de acuerdo
con el grado de seguridad deseado o especificado. La resistencia
de la sección se determina prácticamente en la
falla o en su plastificación completa.
Métodos basados en el análisis al
limite
En este criterio se determinan los elementos
mecánicos correspondientes a la resistencia de colapso de
la estructura. (Formación de suficientes articulaciones
plásticas para llegar a la falla total de la
estructura).
Se hace un análisis estructural plástico.
Métodos probabilisticos
Las solicitaciones que actúan sobre las estructuras,
así como las resistencias
de estas son cantidades en realidad de naturaleza
aleatoria, que no pueden calcularse por métodos
deterministicos como se supone en los criterios de diseño
anteriores. Esto nos conduce a pensar en métodos basados
en la teoría de las probabilidades.
Las principales limitaciones que se tienen en la
actualidad son que no se tiene suficiente información sobre las variaciones tanto de
las solicitaciones que deben de considerarse como la resistencia
de los materiales y de las estructuras construidas con
ellos.
4. Acciones y sus efectos
sobre los sistemas
estructurales
Clasificación:
Atendiendo los conceptos de seguridad estructural y de
los criterios de diseño, la clasificación mas
racional de las acciones se hace en base a la variación de
su intensidad con el tiempo. Se
distinguen así los siguientes tipos de
acciones:
Acciones permanentes.
Son las que actúan en forma continua sobre la
estructura y cuya intensidad pude considerarse que no
varía con el tiempo. Pertenecen a este grupo las
siguientes.
1.- Cargas muertas debidas al propio peso de la
estructura y al de los elementos no estructurales de la
construcción
2.- Empujes estáticos de líquidos y tierras
3.- Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto
del pre-esfuerzo y a movimientos diferenciales permanentes en los
apoyos
4.- Contracción por fraguado del concreto,
flujo plástico del concreto,
etc.
Acciones variables.
Son aquellas que inciden sobre la estructura con una
intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores
importantes durante lapsos grandes
Se pueden considerar las siguientes:
1.- Cargas vivas, o sea aquellas que se deben al
funcionamiento propio de la construcción y que no tienen
carácter permanente
2.- Cambios de temperaturas
3.- Cambios volumétricos
Acciones accidentales.
Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de
la construcción y que puede tomar valores
significativos solo durante algunos minutos o segundos, a lo mas
horas en toda la vida útil de la estructura.
Se consideran las siguientes
1.-Sismos
2.-Vientos
3.-Oleajes
4.-Explosiones
Para evaluar el efecto de las acciones sobre la
estructura requerimos modelar dichas acciones como fuerzas
concentradas, lineales o uniformemente distribuidas.
Si la acción es de carácter
dinámico podemos proponer un sistema de fuerzas
equivalentes o una excitación propiamente dinámica.
Autor:
Miguel Lopez Gonzalez