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Se entiende por análisis de una estructura el proceso sistemático que concluye con el conocimiento de las características de su comportamiento bajo un cierto estado de cargas; se incluye, habitualmente, bajo la denominación genérica de estudio del comportamiento tanto el estudio del análisis de los estados tensional y deformacional alcanzados por los elementos y componentes físicos de la estructura como la obtención de conclusiones sobre la influencia recíproca con el medio ambiente o sobre sus condiciones de seguridad
Tipologia: Esquemas
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v. RESOLUCIÓN DE EJERCICIOS DE IDENTIFICACIÓN DE CARGAS (Aplicando Principios y Normativa)
ii. ANTECEDENTES SOBRE EL ANÁLISIS DE CARGAS EN EDIFICACIONES El análisis de cargas en edificaciones es un aspecto fundamental en la ingeniería estructural, ya que permite determinar los esfuerzos y deformaciones que pueden sufrir los materiales bajo diferentes condiciones. Su correcta evaluación es esencial para garantizar la seguridad y estabilidad de las construcciones. Origen y Evolución Desde la antigüedad, los constructores han desarrollado métodos para calcular las cargas sobre edificaciones. Las civilizaciones egipcias, griega y romana utilizaban técnicas empíricas basadas en la experiencia para distribuir cargas y evitar el colapso de estructuras como templos y puentes. Con el desarrollo de la mecánica de materiales en los siglos XVII y XVIII, se establecieron principios matemáticos y físicos para el cálculo de cargas. Galileo Galilei estudió la resistencia de los materiales, mientras que Robert Hooke formuló la ley de elasticidad, permitiendo un análisis más preciso de los esfuerzos internos en estructuras. Teorías sobre el Análisis de Cargas en Edificaciones El análisis de cargas en edificaciones se basa en diversas teorías estructurales que permiten evaluar la resistencia y estabilidad de los materiales ante diferentes tipos de esfuerzos. Algunas de las principales teorías aplicadas en este campo incluyen:
cuando están sometidos a cargas externas. Se basa en la relación entre esfuerzo y deformación, establecida por la Ley de Hooke , que indica que la deformación de un material es proporcional a la carga aplicada dentro de su límite elástico.
prever el comportamiento de los materiales ante cargas extremas y evitar fallos catastróficos.
3.1 Definiciones: Estructura y Carga Estructural Una estructura es un sistema físico conformado por elementos interconectados cuya función principal es soportar cargas, resistirlas y transmitirlas de manera segura hacia los apoyos o cimientos. En ingeniería civil, las estructuras más comunes son las edificaciones, puentes, torres, entre otros. Las cargas estructurales son todas aquellas acciones externas que generan esfuerzos en los elementos de la estructura. Estas pueden ser constantes o variables, y actúan en distintas direcciones y magnitudes. El adecuado análisis de estas cargas permite garantizar la seguridad, funcionalidad y durabilidad de las obras de infraestructura. El análisis de cargas estructurales constituye una etapa crítica dentro del proceso de diseño estructural, ya que de ello depende la correcta determinación de los esfuerzos internos y deformaciones que sufrirá cada elemento. 3.2 Clasificación de Cargas según la Normativa Peruana (RNE E.020) De acuerdo con la Norma Técnica Peruana E.020 “Cargas” , las cargas estructurales se clasifican en las siguientes categorías:
4.2.1 Cargas Muertas (CM): Son aquellas cargas permanentes que no cambian con el tiempo. Comprenden el peso propio de la estructura, acabados, tabiques fijos, instalaciones empotradas, techos, y otros elementos queforman parte integral de la edificación. Se calculan multiplicando el volumen del elemento por su peso específico. Ejemplo: peso del concreto armado ≈ 24 kN/m³. 4.2.2 Cargas Vivas (CV): Son cargas variables que resultan de la ocupación humana o uso del edificio: personas, mobiliario, maquinaria móvil, etc. La norma asigna valores estándar de carga viva dependiendo del uso del edificio (vivienda, hospital, oficina, aula, etc.). Ejemplo: para aulas, la carga viva es de 300 kg/m².
4.2.3 Cargas de Sismo (CS - Norma E.030): Estas cargas representan las fuerzas horizontales y verticales generadas por la aceleración sísmica. Son determinadas mediante el espectro de diseño sísmico y dependen de la zona geográfica, tipo de suelo y categoría de importancia del edificio. En Perú, la Norma E.030 regula su cálculo utilizando el coeficiente sísmico: Fs=C⋅WF_s = C \cdot WFs=C⋅W Donde CCC es el coeficiente sísmico y WWW el peso sísmico de la estructura.
Incluyen el peso del edificio (peso del techo, columnas, vigas, losas, etc.). Estos componentes son permanentes en el edificio. CARGAS VIVAS también llamadas cargas variables) son aquellas que pueden cambiar en magnitud, posición o frecuencia a lo largo del tiempo durante el uso normal de una estructura
Una carga distribuida uniformemente sobre una losa puede modelarse como una carga puntual equivalente en la viga que la sostiene. Las cargas vivas pueden ser consideradas uniformemente distribuidas aunque en la práctica varíen. Cargas de viento y sismo se idealizan como fuerzas horizontales actuando en los niveles de los pisos. La correcta idealización permite que las estructuras sean analizadas mediante métodos estáticos o dinámicos, simplificando el cálculo sin comprometer la precisión del resultado. 4.4 Metrados de Cargas: Procedimiento El metrado de cargas es el proceso mediante el cual se cuantifican las cargas actuantes sobre cada elemento estructural. Este paso es esencial antes de realizar cualquier análisis. Pasos generales para el metrado:
Estas combinaciones ayudan a evaluar la estructura ante los peores escenarios posibles , lo cual es vital para garantizar la seguridad. En el caso peruano, debido a la alta sismicidad, es común que la combinación con carga sísmica gobierne el diseño. 3.6 Transmisión de Cargas La transmisión de cargas es el proceso por el cual las acciones que inciden en los diferentes elementos de una estructura se transfieren hasta llegar a la cimentación y luego al suelo. Etapas del proceso de transmisión:
Enunciado: Una losa maciza de 4 m × 4 m está apoyada en vigas en todo su perímetro. Calcular la carga muerta que recibe una de las vigas. Datos: Espesor de la losa: 15 cm (0.15 m) Peso específico del concreto: 24 kN/m³ Carga viva (RNE E.020, uso vivienda): 200 kg/m² = 2.0 kN/m² Ejercicio 2: Carga sobre una Columna Enunciado: Una columna de concreto soporta una losa de 5 m × 5 m distribuida entre 4 columnas. Calcular la carga muerta total que recibe la columna. Datos: Espesor de losa: 0.15 m Peso del concreto: 24 kN/m³ Carga viva: 2.0 kN/m²
Ejercicio 3: Metrado de Carga sobre una Losa Enunciado: Se desea calcular la carga total de una losa aligerada de 0.20 m de espesor (0.06 m concreto, 0.14 m con ladrillos), de 10 m². Datos: Peso del concreto: 24 kN/m³ Peso del ladrillo aligerado: 7 kN/m³ Carga viva: 2.0 kN/m² Ejercicio 4: Carga Muerta de la Viga
o Momento de la carga distribuida (actúa en el centro de su recorrido a 1.5 m ):
o Momento de la carga concentrada en D (a 4.5 m de A):
o Momento de reacción en B:
=12kN
Paso 3: Cálculo de momentos en C y D
Resultado Final Momento en C: 21 kN·m Momento en D: 18 kN·m
4.3 Consideraciones según Material El tipo de material afecta directamente los valores de carga muerta, resistencia y comportamiento estructural. Normas aplicables: Concreto: RNE E. Acero: RNE E. Mampostería: RNE E. Madera: RNE E. 4.4 Errores Comunes en la Identificación de Cargas En muchos trabajos de estudiantes de ingeniería y profesionales en campo se observan errores recurrentes que comprometen la seguridad estructural:
o Carga viva distribuida de la losa: wCV,losa=4.0 kN/m (Nota: Para un análisis completo de la viga, se debería añadir el peso propio de la viga a la carga muerta wCM,losa ). EJERCICIO 2: Cálculo de Carga Muerta de una Viga de Concreto Armado Enunciado: Calcular la carga muerta correspondiente al peso propio de una viga de concreto armado con una sección transversal de 0.25 m de base por 0.50 m de peralte. [Imagen de Sección transversal de la viga con dimensiones b y h] Datos de Referencia: Base de la viga (b): 0.25 m Peralte de la viga (h): 0.50 m Peso específico del concreto armado (γc): 24 kN/m Resolución:
● El análisis de cargas es una etapa primordial e ineludible en el diseño de cualquier estructura, ya que la seguridad y el comportamiento adecuado de la misma dependen directamente de la precisión con que se identifiquen y cuantifiquen todas las solicitaciones a las que estará sometida. ● Una metodología rigurosa, que parta de la correcta interpretación de los planos arquitectónicos y estructurales, la definición clara de áreas tributarias y el conocimiento de los usos previstos para la edificación, es crucial para evitar omisiones o subestimaciones de cargas que podrían comprometer la integridad estructural. ● El metrado detallado de cargas muertas, basado en los pesos específicos de los materiales, y la selección adecuada de cargas vivas y ambientales, conforme a los principios de la ingeniería y los mínimos establecidos en las normativas técnicas pertinentes (como la E. en Perú), constituyen la base para un análisis estructural fiable. ● La consideración de las combinaciones de carga más desfavorables, según lo estipulado por los códigos de diseño, es esencial para asegurar que la estructura posea la capacidad necesaria para resistir los escenarios críticos que pueda enfrentar durante su vida útil, garantizando así la seguridad de sus ocupantes y la protección de la inversión.
