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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 locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con
coordinación del Ing. Ricardo Herrera
Métodos de Diseño
1.
2.
3.
4.
5.
Introducción
Principios del diseño estructural
Filosofías de diseño
Cargas y combinaciones de carga
Métodos de análisis
CONTENIDO
1. Introducción
DISEÑO
ESTRUCTURAL
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).
1. Introducción
•
•
•
•
•
Resistencia.
Deformación máxima.
Estabilidad.
Vibraciones.
Costo mínimo.
– Peso mínimo.
– Mano de obra requerida mínima.
• Tiempo de construcción mínimo.
• Máxima facilidad de mantenimiento.
• Máxima eficiencia de operación.
REQUISITOS
DE DISEÑO
1. Introducción
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Definición conceptual.
Definición de solicitaciones a considerar.
Estructuración.
Selección de elementos.
Análisis.
Evaluación.
Emisión de planos y especificaciones.
ETAPAS DE
UN DISEÑO
1. Introducción
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cargas muertas.
Cargas vivas estáticas.
Cargas vivas móviles.
Impacto.
Nieve.
Viento.
Sismos.
Lluvia.
Empuje de suelos.
Inundación.
Otros.
SOLICITACIONES
2. Principios del diseño estructural
Modelos de carga
Modelo estructural
PROCESO DE
DISEÑO
Modelos de resistencia
Análisis estructural
Revisar diseño
No cumple
Comparar
respuesta vs.
resistencia
Cumple
Proceso de diseño estructural
Fin
2. Principios del diseño estructural
INCERTEZAS
SOLICITACIONES
• 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
Q
Qc
Solicitaciones
Probabilidad de exceder Qc
2. Principios del diseño estructural
INCERTEZAS
RESISTENCIA
• 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
R
Rc
Probabilidad de tener
resistencia menor que Rc
Resistencia
2. Principios del diseño estructural
OBJETIVO DEL
DISEÑO
• Diseño estructural debe proveer confiabilidad adecuada
para el caso de solicitaciones mayores que las
consideradas o baja resistencia
Q
Qm
R
Rm
Falla
2. Principios del diseño estructural
CONFIABILIDAD
ESTRUCTURAL
fRc
gQc
Q
Qm
R
Rm
Falla


Probabilidad de falla: P  R  Q  0   P  R  1   P  ln  R   0 
 Q

  Q

2. Principios del diseño estructural
b 
ln  R m Q m 
2
V R  VQ
2
Índice de
Confiabilidad
ln(R/Q)
Falla
0
bsln(R/Q)
[ln(R/Q)]m
INDICE DE
CONFIABILIDAD
2. Principios del diseño estructural
INDICE DE
CONFIABILIDAD
• AISC-LRFD
Combinaciones de carga
b objetivo
Carga permanente + carga viva (o nieve)
3 para miembros
4.5 para uniones
Carga permanente + carga viva + viento
2.5 para miembros
Carga permanente + carga viva + sismo
1.75 para miembros
3. Filosofías de diseño
METODOS 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
TENSIONES
ADMISIBLES
3. Filosofías de diseño
Método de Diseño por tensiones admisibles (ASD):
Asume la misma variabilidad para todas las
solicitaciones (g = cte.)
fR n
g

Q
i
Escrito en otro formato
R adm 
Rn
FS
Q
FACTORES DE CARGA
Y RESISTENCIA
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
fRn 
g
i
Qi  Qu
3. Filosofías de diseño
VENTAJAS
COMPARATIVAS
• 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.
4. Cargas y combinaciones de carga
NORMAS
Y GUIAS
• 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.
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
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.
Losa
estructural
CARGAS
MUERTAS
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
4. Cargas y combinaciones de carga
CARGAS
DE VIENTO
• Velocidad máxima vmax de viento esperada (en N años)
– Localización geográfica
– Irregularidad del terreno
• Presión básica q = q(vmax).
• Variación de la presión en altura.
• Modificación por
– Dirección de incidencia
– Inclinación de superficies
Viento
q(h)
C2·q
C3·q
a
C1·q
C4·q
4. Cargas y combinaciones de carga
• Método elástico estático
Q = Cs · W
W1
W2
W1
Q1
M·a
W2
Q2
Q1 + Q2 = Q
Movimiento del suelo
Cortante basal
CARGAS
SISMICAS
4. Cargas y combinaciones de carga
•
Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1.4(D + F)
1.2(D + F + T ) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R)
1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W)
1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R)
1.2D + 1.0E + L + 0.2S
0.9D + 1.6W + 1.6H
0.9D + 1.0E + 1.6H
COMBOS
DE CARGA
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 + 0.75(L + T ) + 0.75(Lr or S or R)
D + H + F + (W or 0.7E)
D + H + F + 0.75(W or 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr or S or R)
0.6D + W + H
0.6D + 0.7E + H
COMBOS
DE CARGA
5. Métodos de análisis
• Método elástico
– Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo.
sy
s
E
e
– Miembros elásticos
– Pequeñas deformaciones
METODO
ELÁSTICO
METODO
PLÁSTICO
5. Métodos de análisis
• Método elástico
– Límite de aplicación está dado por primera fluencia de la sección
Fy
My
-Fy
5. Métodos de análisis
METODO
PLÁSTICO
• Método elástico
– Resistencia de la estructura está dada por primera fluencia o
límite de deformación
Dmax
Py
METODO
PLÁSTICO
5. Métodos de análisis
• Existe reserva de resistencia en la sección
Fy
My
Fy
M1>My
-Fy
-Fy
METODO
PLÁSTICO
5. Métodos de análisis
• Existe reserva de resistencia en la estructura
(hiperestaticidad)
P1≤Py
Rango elástico
P2>Py
Plastificación de viga
Pu>P2
Colapso
5. Métodos de análisis
• Método plástico
– Material es elástico-perfectamente plástico.
sy
s
E
– No hay inestabilidad
– No hay fractura
– No hay fatiga
e
METODO
PLÁSTICO
METODO
PLÁSTICO
5. Métodos de análisis
• Método plástico
– Estado límite en la sección es plastificación
Fy
Mp
-Fy
5. Métodos de análisis
• Método plástico
– Estado límite en la estructura es colapso
Pu
METODO
PLÁSTICO