Mtodos de Diseo Ricardo Herrera Mardones Departamento de

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 f Rc g Qc Q Qm Rm Falla Probabilidad de falla: R CONFIABILIDAD ESTRUCTURAL

2. Principios del diseño estructural 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

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

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

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) C 2·q C 3·q a C 1·q C 4·q

4. Cargas y combinaciones de carga • Método elástico estático Q = Cs · W W 1 W 2 W 1 Q 1 M·a W 2 Q 1 + Q 2 = 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. 2 D + 1. 6(Lr or S or R) + (L or 0. 8 W) 1. 2 D + 1. 6 W + L + 0. 5(Lr or S or R) 1. 2 D + 1. 0 E + L + 0. 2 S 0. 9 D + 1. 6 W + 1. 6 H 0. 9 D + 1. 0 E + 1. 6 H 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. 7 E) D + H + F + 0. 75(W or 0. 7 E) + 0. 75 L + 0. 75(Lr or S or R) 0. 6 D + W + H 0. 6 D + 0. 7 E + 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 M 1>My -Fy

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