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Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y.

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1 Métodos de Diseño Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

2 CONTENIDO Métodos de Diseño 1.Introducción 2.Principios del diseño estructural 3.Filosofías de diseño 4.Cargas y combinaciones de carga 5.Métodos de análisis

3 1. Introducción El Diseño Estructural es un proceso creativo basado en el conocimiento de los principios de estática, dinámica, mecánica de sólidos y análisis estructural. Producto es una estructura segura y económica que cumple su propósito (requisitos de diseño). DISEÑO ESTRUCTURAL

4 1. Introducción Resistencia. Deformación máxima. Estabilidad. Vibraciones. Costo mínimo. –P–Peso mínimo. –M–Mano de obra requerida mínima. Tiempo de construcción mínimo. Máxima facilidad de mantenimiento. Máxima eficiencia de operación. REQUISITOS DE DISEÑO

5 1. Introducción 1.Definición conceptual. 2.Definición de solicitaciones a considerar. 3.Estructuración. 4.Selección de elementos. 5.Análisis. 6.Evaluación. 7.Emisión de planos y especificaciones. ETAPAS DE UN DISEÑO

6 1. Introducción Cargas muertas. Cargas vivas estáticas. Cargas vivas móviles. Impacto. Nieve. Viento. Sismos. Lluvia. Empuje de suelos. Inundación. Otros. SOLICITACIONES

7 2. Principios del diseño estructural Modelos de cargaModelo estructuralModelos de resistencia Análisis estructural Comparar respuesta vs. resistencia No cumple Cumple Fin Revisar diseño Proceso de diseño estructural PROCESO DE DISEÑO

8 2. Principios del diseño estructural Variabilidad de las solicitaciones –Cambio de uso –Estimación poco conservativa de las solicitaciones –Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido a simplificaciones excesivas durante análisis –Diferencias en el proceso constructivo INCERTEZAS SOLICITACIONES Q Solicitaciones QcQc Probabilidad de exceder Q c

9 2. Principios del diseño estructural Variabilidad de la resistencia –Imperfecciones geométricas –Tensiones residuales –Variabilidad de la resistencia del material –Defectos en el proceso constructivo –Deterioro de resistencia con el tiempo –Aproximación en fórmula para determinar la resistencia INCERTEZAS RESISTENCIA R Resistencia RcRc Probabilidad de tener resistencia menor que R c

10 2. Principios del diseño estructural Diseño estructural debe proveer confiabilidad adecuada para el caso de solicitaciones mayores que las consideradas o baja resistencia OBJETIVO DEL DISEÑO QR QmQm RmRm Falla

11 2. Principios del diseño estructural QR QmQm RmRm Q c R c CONFIABILIDAD ESTRUCTURAL Probabilidad de falla: Falla

12 2. Principios del diseño estructural ln(R/Q) [ln(R/Q)] m ln(R/Q) 0 INDICE DE CONFIABILIDAD Índice de Confiabilidad Falla

13 2. Principios del diseño estructural AISC-LRFD INDICE DE CONFIABILIDAD Combinaciones de carga objetivo Carga permanente + carga viva (o nieve)3 para miembros 4.5 para uniones Carga permanente + carga viva + viento2.5 para miembros Carga permanente + carga viva + sismo1.75 para miembros

14 3. Filosofías de diseño Diseño por tensiones admisibles (tensiones de trabajo) –Cargas de servicio –Tensiones admisibles Diseño por estados límite –Estados límite últimos Resistencia última –Estados límite de servicio Deformaciones Vibraciones METODOS DE DISEÑO

15 3. Filosofías de diseño Método de Diseño por tensiones admisibles (ASD): Asume la misma variabilidad para todas las solicitaciones ( = cte.) Escrito en otro formato TENSIONES ADMISIBLES

16 3. Filosofías de diseño Método de Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) Basado en: –Modelo probabilístico –Calibración con ASD –Evaluación de experiencias previas FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA

17 3. Filosofías de diseño LRFD: –Es una herramienta disponible. –Más racional que ASD. –Permite cambios más fácilmente que ASD. –Puede ser adaptado para solicitaciones no consideradas. –Permite compatibilizar diseños con distintos materiales. ASD: –Aún se sigue utilizando como método de diseño –Rehabilitación/reparación de estructuras antiguas. VENTAJAS COMPARATIVAS

18 4. Cargas y combinaciones de carga Especificaciones –SEI/ASCE 7-02: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures: Reglamentos o códigos de construcción –Eurocode 1: Basis of Design and Actions on Structures. –Códigos nacionales o regionales. NORMAS Y GUIAS

19 4. Cargas y combinaciones de carga Cargas muertas (D). Cargas vivas estáticas (L, Lr). Cargas vivas móviles (L). Impacto (I). Nieve (S). Viento (W). Sismos (E). Lluvia (R). Empuje de suelos (H). Inundación (F). Otros. CARGAS

20 4. Cargas y combinaciones de carga Peso propio de la estructura. Peso propio de las terminaciones de pisos y muros. Peso de ductos y servicios. Peso de tabiques. CARGAS MUERTAS Losa estructural

21 4. Cargas y combinaciones de carga Cargas vivas estáticas: Sobrecargas de uso –habitacional, –de oficinas, –de almacenamiento, –de estacionamiento Tráfico peatonal o vehicular –Cargas distribuidas –Cargas móviles CARGAS VIVAS

22 4. Cargas y combinaciones de carga Velocidad máxima v max de viento esperada (en N años) –Localización geográfica –Irregularidad del terreno Presión básica q = q(v max ). Variación de la presión en altura. Modificación por –Dirección de incidencia –Inclinación de superficies CARGAS DE VIENTO C2·qC2·q C1·qC1·q C3·qC3·q C4·qC4·q q(h) Viento

23 4. Cargas y combinaciones de carga Método elástico estático Q = C s · W CARGAS SISMICAS W1W1 M·aM·a Movimiento del suelo W2W2 W1W1 Q 1 + Q 2 = Q Cortante basal W2W2 Q2Q2 Q1Q1

24 4. Cargas y combinaciones de carga Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02) 1.1.4(D + F) 2.1.2(D + F + T ) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R) 3.1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W) 4.1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R) 5.1.2D + 1.0E + L + 0.2S 6.0.9D + 1.6W + 1.6H 7.0.9D + 1.0E + 1.6H COMBOS DE CARGA

25 4. Cargas y combinaciones de carga Combinaciones de carga ASD (ASCE 7-02) –D + F –D + H + F + L + T –D + H + F + (Lr or S or R) –D + H + F (L + T ) (Lr or S or R) –D + H + F + (W or 0.7E) –D + H + F (W or 0.7E) L (Lr or S or R) –0.6D + W + H –0.6D + 0.7E + H COMBOS DE CARGA

26 5. Métodos de análisis Método elástico –Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo. –Miembros elásticos –Pequeñas deformaciones METODO ELÁSTICO y E

27 5. Métodos de análisis Método elástico –Límite de aplicación está dado por primera fluencia de la sección METODO PLÁSTICO MyMy Fy -Fy

28 5. Métodos de análisis Método elástico –Resistencia de la estructura está dada por primera fluencia o límite de deformación METODO PLÁSTICO Py max

29 5. Métodos de análisis Existe reserva de resistencia en la sección METODO PLÁSTICO M 1 >M y Fy -Fy MyMy Fy -Fy

30 5. Métodos de análisis Existe reserva de resistencia en la estructura (hiperestaticidad) METODO PLÁSTICO Rango elástico P 1 Py Plastificación de viga P 2 >Py Colapso P u >P 2

31 5. Métodos de análisis Método plástico –Material es elástico-perfectamente plástico. –No hay inestabilidad –No hay fractura –No hay fatiga METODO PLÁSTICO y E

32 5. Métodos de análisis Método plástico –Estado límite en la sección es plastificación METODO PLÁSTICO MpMp Fy -Fy

33 5. Métodos de análisis Método plástico –Estado límite en la estructura es colapso METODO PLÁSTICO PuPu


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