Combinaciones de acciones y estados límite de servicio en el diseño estructural - Prof. Pa, Diapositivas de Derecho

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NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS

SOBRE CRITERIOS Y ACCIONES PARA EL DISEÑO

ESTRUCTURAL DE LAS EDIFICACIONES

ÍNDICE

Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones ...................................................................

NOTACIÓN .........................................................................

**1. CONSIDERACIONES GENERALES ...................... 1.1 Alcance ......................................................................... 1.2 Unidades .......................................................................

2. ACCIONES DE DISEÑO ........................................... 2.1 Tipos de acciones, según su duración ........................ 2.2 Intensidades de diseño ................................................ 2.3 Combinaciones de acciones.........................................
3. CRITERIOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL ........... 3.1 Estados límite ............................................................... 3.2 Resistencias de diseño .................................................** 3.2.1 Definición ................................................................... 3.2.2 Determinación de resistencias de diseño .................... 3.3 Condiciones de diseño .................................................

3.4 Factores de carga.........................................................

**4. ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO ......................... 4.1 Desplazamientos .......................................................... 4.2 Vibraciones .................................................................. 4.3 Otros estados límite .....................................................

5. ACCIONES PERMANENTES ..................................** 5.1 Cargas muertas ............................................................ 5.1.1 Definición y evaluación .............................................. 5.1.2 Peso muerto de losas de concreto ............................... **5.2 Empujes estáticos de tierras y líquidos ......................
6. CARGAS VARIABLES .............................................. 6.1 Cargas vivas .................................................................** 6.1.1 Definiciones................................................................ 6.1.2 Disposiciones generales.............................................. 6.1.3 Cargas vivas transitorias ............................................. 6.1.4 Cambios de uso .......................................................... 6.2 Cambios de temperatura ............................................ 6.3 Deformaciones impuestas ........................................... 6.4 Vibraciones de maquinaria.........................................

a) Para acciones permanentes se tomará en cuenta la variabilidad de las dimensiones de los elementos, de los pesos volumétricos y de las otras propiedades relevantes de los materiales, para determinar un valor máximo probable de la intensidad. Cuando el efecto de la acción permanente sea favorable a la estabilidad de la estructura, se determinará un valor mínimo probable de la intensidad; b) Para acciones variables se determinarán las intensidades siguientes que correspondan a las combinaciones de acciones para las que deba revisarse la estructura:

1. La intensidad máxima se determinará como el valor máximo probable durante la vida esperada de la edificación. Se empleará para combinación con los efectos de acciones permanentes;
2. La intensidad instantánea se determinará como el valor máximo probable en el lapso en que pueda presentarse una acción accidental, como el sismo, y se empleará para combinaciones que incluyan acciones accidentales o más de una acción variable;
3. La intensidad media se estimará como el valor medio que puede tomar la acción en un lapso de varios años y se empleará para estimar efectos a largo plazo; y
4. La intensidad mínima se empleará cuando el efecto de la acción sea favorable a la estabilidad de la estructura y se tomará, en general, igual a cero. c) Para las acciones accidentales se considerará como intensidad de diseño el valor que corresponde a un periodo de retorno de cincuenta años.

Las intensidades supuestas para las acciones no especificadas deberán justificarse en la memoria de cálculo y consignarse en los planos estructurales.

2.3 Combinaciones de acciones

La seguridad de una estructura deberá verificarse para el efecto combinado de todas las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente, considerándose dos categorías de combinaciones:

a) Para las combinaciones que incluyan acciones permanentes y acciones variables, se considerarán todas las acciones permanentes que actúen sobre la estructura y las distintas acciones variables, de las cuales la más desfavorable se tomará con su intensidad máxima y el resto con su intensidad instantánea, o

bien todas ellas con su intensidad media cuando se trate de evaluar efectos a largo plazo. Para la combinación de carga muerta más carga viva, se empleará la intensidad máxima de la carga viva de la sección 6.1, considerándola uniformemente repartida sobre toda el área. Cuando se tomen en cuenta distribuciones de la carga viva más desfavorables que la uniformemente repartida, deberán tomarse los valores de la intensidad instantánea especificada en la mencionada sección; y b) Para las combinaciones que incluyan acciones permanentes, variables y accidentales, se considerarán todas las acciones permanentes, las acciones variables con sus valores instantáneos y únicamente una acción accidental en cada combinación.

En ambos tipos de combinación los efectos de todas las acciones deberán multiplicarse por los factores de carga apropiados de acuerdo con la sección 3.4.

c) Los criterios de diseño para cargas de viento y sismo, así como para el de cimentaciones, se presentan en las normas técnicas correspondientes. Se aplicarán los factores de carga que se presentan en la sección 3.4.

3. CRITERIOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL

3.1 Estados límite

Para fines de aplicación de estas Normas, se alcanza un estado límite de comportamiento en una construcción cuando se presenta una combinación de fuerzas, desplazamientos, niveles de fatiga, o varios de ellos, que determina el inicio o la ocurrencia de un modo de comportamiento inaceptable de dicha construcción. De acuerdo con los artículos 148 y 149 del Reglamento, tales estados límite se clasifican en dos grupos: estados límite de falla y estados límite de servicio. Los primeros se refieren a modos de comportamiento que ponen en peligro la estabilidad de la construcción o de una parte de ella, o su capacidad para resistir nuevas aplicaciones de carga. Los segundos incluyen la ocurrencia de daños económicos o la presentación de condiciones que impiden el desarrollo adecuado de las funciones para las que se haya proyectado la construcción.

3.2 Resistencias de diseño

3.2.1 Definición

Se entenderá por resistencia la magnitud de una acción, o de una combinación de acciones, que provocaría la aparición de un estado límite de falla de la estructura o cualesquiera de sus componentes.

En general, la resistencia se expresará en términos de la fuerza interna, o combinación de fuerzas internas, que corresponden a la capacidad máxima de las secciones críticas de la estructura. Se entenderá por fuerzas internas las fuerzas axiales y cortantes y los momentos de flexión y torsión que actúan en una sección de la estructura.

3.2.2 Determinación de resistencias de diseño

La determinación de la resistencia podrá llevarse a cabo por medio de ensayes diseñados para simular, en modelos físicos de la estructura o de porciones de ella, el efecto de las combinaciones de acciones que deban considerarse de acuerdo con las secciones 3.3 y 3.4.

Cuando se trate de estructuras o elementos estructurales que se produzcan en forma industrializada, los ensayes se harán sobre muestras de la producción o de prototipos. En otros casos, los ensayes podrán efectuarse sobre modelos de la estructura en cuestión.

La selección de las partes de la estructura que se ensayen y del sistema de carga que se aplique deberá hacerse de manera que se obtengan las condiciones más desfavorables que puedan presentarse en la práctica, tomando en cuenta la interacción con otros elementos estructurales.

Con base en los resultados de los ensayes, se deducirá una resistencia de diseño, tomando en cuenta las posibles diferencias entre las propiedades mecánicas y geométricas medidas en los especímenes ensayados y las que puedan esperarse en las estructuras reales.

El tipo de ensaye, el número de especímenes y el criterio para la determinación de la resistencia de diseño se fijará con base en criterios probabilísticos y deberán ser aprobados por la Administración, la cual podrá exigir una comprobación de la resistencia de la estructura mediante una prueba de carga de acuerdo con el Capítulo XII del Título Sexto del Reglamento.

3.3 Condiciones de diseño

Se revisará que para las distintas combinaciones de acciones especificadas en la sección 2.3 y para cualquier estado límite de falla posible, la resistencia de diseño sea mayor o igual al efecto de las acciones que intervengan en la combinación de cargas en estudio, multiplicado por los factores de carga correspondientes, según lo especificado en la sección 3.4.

También se revisará que no se rebase ningún estado límite de servicio bajo el efecto de las posibles combinaciones de acciones, sin multiplicar por factores de carga.

3.4 Factores de carga

Para determinar el factor de carga, FC , se aplicarán las reglas siguientes:

a) Para combinaciones de acciones clasificadas en el

inciso 2.3.a, se aplicará un factor de carga de 1.

Cuando se trate de edificaciones del Grupo A, el factor de carga para este tipo de combinación se tomará igual a

b) Para combinaciones de acciones clasificadas en el inciso 2.3.b, se tomará un factor de carga de

c) Para acciones o fuerzas internas cuyo efecto sea favorable a la resistencia o estabilidad de la estructura, el factor de carga se tomará igual a

aplicado a los efectos de todas las acciones que intervengan en la combinación;

d) Para revisión de estados límite de servicio se tomará en todos los casos un factor de carga unitario.

; además, se tomará como intensidad de la acción el valor mínimo probable de acuerdo con la sección 2.2; y

4. ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO

4.1 Desplazamientos

En las edificaciones comunes sujetas a acciones permanentes o variables, la revisión del estado límite de desplazamientos se cumplirá si se verifica que no exceden los valores siguientes:

a) Un desplazamiento vertical en el centro de trabes en el que se incluyen efectos a largo plazo, igual al claro

entre 240 más 5 mm; además, en miembros en los

cuales sus desplazamientos afecten a elementos no estructurales, como muros de mampostería, que no sean capaces de soportar desplazamientos apreciables, se considerará como estado límite a un desplazamiento vertical, medido después de colocar los elementos no

estructurales, igual al claro de la trabe entre 480 más

b) Un desplazamiento horizontal relativo entre dos niveles sucesivos de la estructura, igual a la altura del entrepiso dividido entre

mm. Para elementos en voladizo los límites anteriores se duplicarán.

500 , para edificaciones en las

cuales se hayan unido los elementos no estructurales capaces de sufrir daños bajo pequeños desplazamientos; en otros casos, el límite será igual a

la altura del entrepiso dividido entre 250. Para diseño

sísmico o por viento se observará lo dispuesto en las Normas correspondientes.

d) Cuando el efecto de la carga viva sea favorable para la estabilidad de la estructura, como en el caso de problemas de flotación, volteo y de succión por viento, su intensidad se considerará nula sobre toda el área, a menos que pueda justificarse otro valor acorde con la definición de la sección 2.2.

Las cargas uniformes de la tabla 6.1 se considerarán distribuidas sobre el área tributaria de cada elemento.

6.1.3 Cargas vivas transitorias

Durante el proceso de edificación deberán considerarse las cargas vivas transitorias que puedan producirse. Éstas incluirán el peso de los materiales que se almacenen temporalmente, el de los vehículos y equipo, el de colado de plantas superiores que se apoyen en la planta que se analiza y del personal necesario, no siendo este último

peso menor de 1.5 kN/m² (150 kg/m² ). Se considerará,

además, una concentración de 1.5 kN (150 kg) en el lugar

más desfavorable.

6.1.4 Cambios de uso

El propietario o poseedor será responsable de los perjuicios que ocasione el cambio de uso de una edificación, cuando produzca cargas muertas o vivas mayores o con una distribución más desfavorable que las del diseño aprobado.

6.2 Cambios de temperatura

En los casos en que uno o más componentes o grupos de ellos en una construcción estén sujetos a variaciones de temperatura que puedan introducir esfuerzos significativos en los miembros de la estructura, estos esfuerzos deberán considerarse al revisar las condiciones de seguridad ante los estados límite de falla y de servicio de la misma, en combinación con los debidos a los efectos de las acciones permanentes.

Los esfuerzos debidos a variaciones de temperatura se calcularán como la superposición de dos estados de esfuerzo:

a) Un estado inicial, el que se obtendrá suponiendo los esfuerzos internos que resultan de considerar impedidos los desplazamientos asociados a todos los grados de libertad del sistema. En un miembro estructural tipo barra, es decir, que tenga dos dimensiones pequeñas en comparación con su longitud, este estado inicial consistirá en un esfuerzo axial igual al producto

E ct ∆

donde

t

E es el módulo de elasticidad del material, ct es su coeficiente de dilatación térmica y ∆t el valor del incremento de temperatura. Este esfuerzo será de compresión si la variación de temperatura es positiva, y de tensión en caso contrario. En un miembro estructural tipo placa, caracterizado por una dimensión pequeña en comparación con las otras dos, el estado inicial de esfuerzos corresponderá a un estado de esfuerzo plano isotrópico, caracterizado por una magnitud idéntica en cualquier dirección contenida en el plano medio del elemento considerado. Dicha magnitud es igual a

E ν ct ∆t

donde

/(E + ν)

ν

b) Una configuración correctiva, que resulte de suponer que sobre la estructura actúa un conjunto de fuerzas iguales en magnitud a las que se requiere aplicar externamente a la misma para impedir los desplazamientos debidos a los esfuerzos internos del estado inicial, pero con signo contrario.

es la relación de Poisson del material y las demás variables se definieron antes. Estos esfuerzos son de compresión si se trata de un incremento de temperatura y de tensión en caso contrario.

6.3 Deformaciones impuestas

Los efectos de las deformaciones impuestas sobre una estructura, tales como las causadas por asentamientos diferenciales de los apoyos o alguna acción similar, se obtendrán mediante un análisis estructural que permita determinar los estados de esfuerzos y deformaciones que se generan en los miembros de dicha estructura cuando se aplican sobre sus apoyos las fuerzas necesarias para mantener las deformaciones impuestas, mientras los demás grados de libertad del sistema pueden desplazarse libremente. Para fines de realizar este análisis, el módulo de elasticidad de cualquier miembro de la estructura podrá tomarse igual al que corresponde a cargas de larga duración. Los efectos de esta acción deberán combinarse con los de las acciones permanentes, variables y accidentales establecidas en otras secciones de estas Normas.

6.4 Vibraciones de maquinaria

En el diseño de toda estructura que pueda verse sujeta a efectos significativos por la acción de vibración de maquinaria, sea que esta se encuentre directamente apoyada sobre la primera, o que pueda actuar sobre ella a través de su cimentación, se determinarán los esfuerzos y deformaciones causados por dichas vibraciones empleando los principios de la dinámica estructural. Las amplitudes

tolerables de tales respuestas no podrán tomarse mayores que las establecidas en la sección 4.2.

Tabla 6.1 Cargas vivas unitarias, kN/m² (kg/m²)

Destino de piso o cubierta W Wa W (^) m

Obser- vacio- nes

a) Habitación (casa – habitación, departa- mentos, viviendas, dormitorios, cuartos de hotel, internados de escuelas, cuarteles, cárceles, correccionales, hospitales y similares)

(70)

(90)

(170)

1

b) Oficinas, despachos y laboratorios

(100)

(180)

(250)

2

c) Aulas 1. (100)

(180)

(250)

d) Comunicación para peatones (pasillos, escaleras, rampas, vestíbulos y pasajes de acceso libre al público)

(40)

(150)

(350)

3 y 4

e) Estadios y lugares de reunión sin asientos individuales

(40)

(350)

(450)

5

f) Otros lugares de reunión (bibliotecas, templos, cines, teatros, gimnasios, salones de baile, restaurantes, salas de juego y similares)

(40)

(250)

(350)

5

g) Comercios, fábricas y bodegas

0.8Wm 0.9Wm W (^) m 6

h) Azoteas con pendiente no mayor de 5 %

(15)

(70)

(100)

4 y 7

i) Azoteas con pendiente mayor de 5 %; otras cubiertas, cualquier pendiente.

(5)

(20)

(40)

4, 7, 8 y 9

j) Volados en vía pública (marquesinas, balcones y similares)

(15)

(70)

3 (300)

k) Garajes y estacionamientos (exclusivamente para automóviles)

(40)

(100)

(250)

10

(^1) Para elementos con área tributaria mayor de 36 m², W m

A

4. 2
5. 0 +

podrá reducirse, tomando su valor en kN/m² igual a

 



A

420 100 ; en kg/m²

 



donde A es el área tributaria en m². Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de Wm , una carga de

5 kN (500 kg) aplicada sobre un área de 500 × 500

Para sistemas de piso ligeros con cubierta rigidizante, se considerará en lugar de

mm en la posición más crítica.

Wm , cuando sea

más desfavorable, una carga concentrada de 2.5 kN (

kg) para el diseño de los elementos de soporte y de 1 kN

(100 kg)

Se considerarán sistemas de piso ligero aquéllos formados por tres o más miembros aproximadamente paralelos y separados entre sí no más de

para el diseño de la cubierta, en ambos casos ubicadas en la posición más desfavorable.

800 mm y unidos

con una cubierta de madera contrachapada, de duelas de madera bien clavadas u otro material que proporcione una rigidez equivalente. 2 Para elementos con área tributaria mayor de 36 m², Wm

A

8. 5
9. 1 +

podrá reducirse, tomando su valor en kN/m² igual a

 



A

850 110 ; en kg/m²

 



donde A es el área tributaria en m². Cuando sea más desfavorable se considerará en lugar de Wm , una carga de

10 kN (1000 kg) aplicada sobre un área de 500 × 500

Para sistemas de piso ligero con cubierta rigidizante, definidos como en la nota 1, se considerará en lugar de

mm en la posición más crítica.

Wm , cuando sea más desfavorable, una carga

concentrada de 5 kN (500 kg) para el diseño de los

elementos de soporte y de 1.5 kN (150 kg) para el diseño

de la cubierta, ubicadas en la posición más desfavorable. (^3) En áreas de comunicación de casas de habitación y edificios de departamentos se considerará la misma carga viva que en el inciso (a) de la tabla 6.1. (^4) Para el diseño de los pretiles y barandales en escaleras, rampas, pasillos y balcones, se deberá fijar una carga por

metro lineal no menor de 1 kN/m (100 kg/m) actuando al

nivel de pasamanos y en la dirección más desfavorable. 5 En estos casos deberá prestarse particular atención a la revisión de los estados límite de servicio relativos a vibraciones.