Tener un conocimiento suficiente de los códigos y estándares de diseño más recientes y aplicables permite a un ingeniero estructural preparar soluciones de diseño rentables y seguras para diferentes estructuras. En esencia, las estructuras como los edificios de hormigón y acero deben diseñarse para resistir las fuerzas aplicadas en diversas combinaciones / condiciones de carga. Esto es especialmente cierto para los sitios de proyectos donde ocurren con frecuencia desastres naturales como tormentas / tifones y terremotos.
Se consideran cuatro (4) casos de carga básica al diseñar edificios de acero. Los dos primeros se aplican predominantemente a l
o largo de la dirección de la gravedad, mientras que las cargas siguientes se aplican predominantemente en la dirección lateral. Una explicación más detallada de estos casos de carga básica es la siguiente:
1. Cargas Muertas (D)
Las cargas muertas son cargas aplicadas a la estructura a lo largo de la dirección de la gravedad. Estos incluyen el peso propio de la estructura (toda construcción permanente) y otros materiales fijados permanentemente a la estructura.
2. Cargas Vivas (L)
También se aplican cargas vivas a lo largo de la dirección de la gravedad. Estas son cargas que se calculan en función de la ocupación de la estructura. Las cargas vivas pueden variar en diferentes ubicaciones de la estructura. Por ejemplo, la magnitud de la carga viva para un espacio / sala de oficinas debe ser diferente de la del área de almacenamiento de un edificio en particular.
3. Cargas de Viento (W)
Las cargas de viento son una combinación de cargas laterales y verticales aplicadas a las superficies de contacto del edificio. El cálculo de la carga de viento para una estructura específica considera varios factores. La geometría de la estructura, la velocidad máxima del viento en el sitio del proyecto, la categoría de exposición, el efecto de ráfaga, la direccionalidad y la topografía son solo algunos de los principales factores a considerar al diseñar edificios.
4. Cargas de Terremotos (E)
Las cargas sísmicas / sísmicas son fuerzas calculadas debido a los eventos sísmicos a los que estará sujeta la estructura. Factores como la fuente sísmica más cercana, la magnitud del terremoto, el tipo de suelo y el tipo de sistema resistente a la fuerza sísmica que se utilizará son algunos de los factores a considerar en el cálculo de las cargas sísmicas de diseño para una estructura.
El principio básico del diseño estructural es seleccionar la mejor sección de un miembro estructural que pueda resistir de manera segura y económica las cargas que se le aplican. Estas cargas incluyen varias combinaciones de fuerzas de gravedad y laterales de acuerdo con las disposiciones del código de referencia. Una sección de acero estructural se considera económica si puede resistir cargas mientras mantiene un peso propio óptimo (generalmente expresado en masa por unidad de longitud). Un peso propio optimizado de la sección implica que se requiere la fabricación de secciones de acero más ligeras y reduce efectivamente el costo del material. En la actualidad, hay dos filosofías de diseño que se utilizan al diseñar estructuras de acero. Estos son el método de diseño de esfuerzo permisible (ASD) y el método de diseño de factor de carga y resistencia (LRFD).
En el método de diseño de esfuerzo permisible, la sección de acero que se seleccionará deberá tener propiedades de sección transversal (es decir, área y momento de inercia) adecuadas para resistir las cargas máximas aplicadas por debajo de un valor permisible. Las cargas aplicadas pueden adoptar la forma de fuerzas axiales de compresión o tracción, fuerzas cortantes, momentos flectores y torsión. Cada forma de la carga aplicada se compara con un valor permisible de resistencia seccional.
Este valor permisible se denomina resistencia permisible. La resistencia permitida se define tomando la resistencia nominal de la sección de acero y dividiéndola por un factor de seguridad (FS).
El valor de FS varía para diferentes tipos de condiciones de carga. Por ejemplo, el factor de seguridad para la capacidad de momento flector debe ser diferente del factor de seguridad para la capacidad de corte de la sección.
En el diseño de factor de carga y resistencia, se considera la resistencia en sección de un miembro en condiciones de falla. El proceso de diseño bajo LRFD se realiza tomando la suma de las cargas de servicio aplicadas y multiplicándola con un factor de carga individual para cada tipo de carga. Las cargas factorizadas se aplican luego a la estructura. La selección del tamaño del miembro se determina calculando la resistencia de la sección de acero elegida y multiplicándola por un factor de reducción. Para ilustrar esto mejor, el principio de funcionamiento detrás de LRFD se expresa de la siguiente manera:
Las cargas factorizadas suelen ser mayores que las cargas de servicio, lo que hace que los factores de carga sean superiores a 1,0. La resistencia factorizada es siempre menor que la resistencia nominal de la sección de acero, lo que hace que el factor de resistencia sea inferior a 1,0
En este punto, la discusión se centró en la determinación de la resistencia seccional de un miembro estructural. A pesar de satisfacer los requisitos de resistencia de las cargas aplicadas, la capacidad de servicio también es un criterio importante para determinar el diseño correcto para una estructura. Dos de los factores más comunes a considerar en la capacidad de servicio son la desviación del miembro y la desviación del piso. Dependiendo del código de diseño que rige, el criterio de deflexión se satisface tomando la deflexión máxima de un miembro estructural debido a las cargas aplicadas y comparándola con la deflexión permitida prescrita en el código. La deflexión permitida se expresa como una fracción de la longitud sin apoyo del miembro. Esta fracción también varía dependiendo de la condición de carga que se esté considerando (por ejemplo, solo D, solo L, D más L).
El segundo factor que se considera al verificar la capacidad de servicio es la deriva de la estructura. La deriva se define como el desplazamiento lateral del edificio cuando se somete a combinaciones de carga que involucran cargas transitorias (cargas de viento y terremotos). En la práctica, la deriva se calcula en las juntas viga-columna de la estructura, por piso. El desplazamiento de una articulación en un piso en relación con uno debajo de él se llama deriva entre pisos.
Para combinaciones de carga de servicio que involucran cargas de viento, la deriva permitida entre pisos se valora como H / 600 a H / 400, donde H es la altura del piso. El valor permisible se refiere al Apéndice CC (Consideraciones de capacidad de servicio) de ASCE 7-16 (Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras).
Para combinaciones de carga de servicio que involucran cargas sísmicas / sísmicas, la deriva sísmica entre pisos no debe ser mayor al 2.50% de la altura del piso que se considera para estructuras que tienen un período fundamental de menos de 0.70 s. Para estructuras con un período fundamental de 0.70 so mayor, la deriva sísmica entre pisos no debe ser mayor al 2.00% de la altura del piso en consideración. La deriva sísmica es de naturaleza inelástica debido a la respuesta inelástica del sistema de resistencia a la fuerza sísmica. La deriva inelástica se calcula utilizando la siguiente ecuación:
Donde Δm es la deriva inelástica, R es el factor de modificación de la respuesta sísmica y Δs es la deriva elástica. Los límites de deriva prescritos se basaron en estudios que determinan la tolerancia de los elementos estructurales y no estructurales de un edificio contra los desplazamientos laterales bajo eventos sísmicos.
Es importante tener en cuenta la seguridad y la economía al diseñar edificios de cualquier tipo de material (es decir, hormigón armado, acero estructural o una combinación de ambos). Estos dos factores deben ir de la mano para llegar a diseños de edificios eficientes de diferentes ocupaciones. El ingeniero estructural debe observar los límites adecuados de resistencia seccional y capacidad de servicio según lo prescrito por los códigos estructurales locales / gubernamentales, especialmente en áreas afectadas con frecuencia por desastres naturales como terremotos y tifones fuertes. La implementación estricta de estos códigos de diseño de referencia asegura el desempeño óptimo del edificio mientras se mantiene la seguridad y el bienestar del público en general.
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