ANALISIS ESTRUCTURAL
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Una estructura puede concebirse como un conjunto de partes o componentes que se combinan en forma ordenada para cumplir una función dada;
Una estructura debe cumplir : 1. La función para la que fue destinada 2. Un costo dentro de los limites
Como: Salvar un claro. (puentes , vigas, techos) Encerrar un espacio (edificios, casas, etc.) Contener un empuje contención , albercas, etc.)
(muros
3. Debe soportar las condiciones seguras. 4. Satisfacer determinadas estéticas (arquitectura).
cargas
en
exigencias
de
3
Ejemplo . Considérese, la armadura de techo apoyada sobre columnas de la fig. 1-1. El objetivo de esta estructura, por una parte, es el de mantenerse en equilibrio bajo su propio peso, y todas las acciones accidentales a las que este expuesta (lluvia, nieve, viento, sismo, etc.) y, por otra parte, suministrar espacio para vivienda, fabricas u otros usos.
Fig. 1-1
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Podemos definir al diseño estructural como un conjunto de actividades a desarrollar para determinar las características físicas de una estructura, de tal manera que nos permita garantizar la absorción de las cargas a las que esta va a estar sujeta en las diferentes etapas de vida útil, sin sufrir daño alguno; es decir, la función adecuada de una estructura en condiciones de servicio.
Todos estos sistemas deben interactuar de tal manera que en el diseño tomen en cuenta la relación existente entre ellos y así, poder lograr el objetivo final del diseño estructural, el cual es: producir estructuras que den un mejor rendimiento, es decir, que sean SEGURAS y ECONÓMICAS.
A una obra determinada la debemos concebir como un sistema global, el cual, a su vez, está integrado por un conjunto de subsistemas que deben combinar en forma precisa para cumplir con la función a la que fueron destinados. 5
Una metodología muy eficiente para hacer un buen diseño estructural, es como se observa a continuación. 1. ESTRUCTURACIÓN 2. ANÁLISIS
a. Modelación b. Determinación de las acciones de diseño. c. Obtención de los elementos mecánicos de diseño. 3. DIMENSIONAMIENTO
1. ESTRUCTURACIÓN En esta fase del diseño estructural se seleccionan los materiales que compondrán la estructura para poder conocer el peso de la misma y sus resistencias, así como la forma general de estas. 2. ANÁLISIS
Dentro de esta actividad se tendrá que determinar la respuesta de la estructura ante las diferentes acciones a las cuales será sometida y, para realizar esta etapa, será necesario considerar lo siguiente. 6
a) Modelar la estructura. Aquí se idealiza la estructura por medio de un modelo teórico factible de ser analizado mediante los procedimientos y métodos conocidos de análisis estructural. b) Determinación de las acciones de diseño. En esta parte del análisis se determinan las acciones que obraran en la estructura y, para ello, será necesario conocer los sistemas constructivos, la ubicación de la estructura y, en general, toda la información que ayude a la determinación de las solicitaciones que puedan, eventualmente o permanentemente, actuar sobre la estructura.
c) Determinación de los elementos mecánicos de diseño. Aquí se aplican los diferentes procedimientos y métodos de calculo para la obtención de las fuerzas internas, o elementos mecánicos, tales como las fuerzas axiales, los cortantes, los momentos flexionantes y de torsión a los que van a estar sometidos los diferentes componentes de la estructura (muros, vigas, columnas, etc.).
3. DIMENSIONAMIENTO En esta etapa se obtienen las dimensiones correspondientes al detallar los elementos estructurales que conforman la estructura, a demás de verificar si esta cumple con los requisitos de seguridad establecidos. 7
1.3.1 SEGURIDAD ESTRUCTURAL
1.3.2 ESTADOS LIMITES
El objetivo del diseño estructural es determinar las características geométricas y materiales de las estructuras y de los elementos que las forman, para que estas cumplan en forma SEGURA y ADECUADA la función especifica para la que fueron proyectadas.
Se define como estado Limite a la etapa del comportamiento de una estructura a partir de la cual esta, o algunas de sus partes, deja de cumplir con la función para la cual fue proyectada.
Los requisitos de seguridad y servicio para una estructura se establecen mediante la definición de Estados Limites los cuales estipulan los comportamientos inaceptables de la misma.
Estados Limites de Falla.
Los Estados Limites pueden dividirse en :
Estados Limites de Servicio
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1.3.2.1 Estado Limite de Falla
Los Estado Limite de Falla pueden ser:
Los Estados Limites de Falla corresponden al agotamiento definitivo de la capacidad de carga de la estructura, o de cualquiera de sus elementos; o bien a la etapa en que, debido a los efectos de acciones pasadas, dicha capacidad, sin estar agotada, no es suficiente para soportar os efectos de acciones futuras.
De Equilibrio. (Perdida de estabilidad estática, se estudia a nivel de estructura o elemento estructural)
La estructura o parte de ella queda fuera de servicio por colapso o rotura. Los daños que se ocasionan son graves.(equilibrio. Agotamiento o rotura. Inestabilidad. Fatiga.)
De Agotamiento o rotura. (Agotamiento resistente o deformación plástica excesiva en una sección por: flexión, cortante, torsión y punzonamiento. Se estudia a nivel de sección).
De Inestabilidad. (Pandeo de una parte o del conjunto de la estructura. Se estudia a nivel de estructura o elemento estructural.) 9
De Fatiga (rotura bajo el efecto de cargas repetidas. Se estudia a nivel de sección.) 1.3.2.2 Estado Limite de Servicio Los Estados Limite de Servicio corresponden a etapas de deformaciones, agrietamientos, vibraciones o daños que afectan el correcto funcionamiento de la estructura o sus instalaciones, pero no la capacidad para soportar cargas. Como criterios para definir Estados Limites de Servicio pueden considerarse los siguientes:
a) Deformaciones. Se considera como estado limite cualquier deformación de la estructura que ocasione daños inaceptables a la propia construcción o sus vecinas, o que cause interferencia con el funcionamiento de equipos e instalaciones. En un elemento de la estructura se produce un movimiento (desplazamiento o giro) excesivo que puede:
Afectar a la apariencia o al uso de la estructura. Causar daños estructurales.
en
elementos
no
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b) Vibraciones. Se considera como estado limite cualquier vibración que afecte el funcionamiento de la estructura, de equipos e instalaciones, o que cause molestia o sensación de inseguridad a los ocupantes. Se producen vibraciones de un determinada amplitud o frecuencia que pueden:
c) Otros daños. Se considera como estado limite la ocurrencia de grietas, desprendimientos, astillamientos, aplastamientos, torceduras y otros daños locales que afecten el funcionamiento o sensiblemente la apariencia de la estructura.
Provocar daños en la estructura. Ser desagradables o causar inquietud a los usuarios.
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1.3.3 RESISTENCIA
En el contexto de estado limite, resistencia se define como la magnitud de una acción, o de una combinación de acciones, que provocaría la aparición de un estado limite en la estructura. Otra definición de resistencia es la capacidad de una estructura para soportar o transmitir cargas. La resistencia verdadera de una estructura debe de exceder la resistencia requerida.
Factor de Resistencia verdadera Seguridad = Resistencia requerida F.S > 1 para que no ocurra la falla.
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Las estructuras se encuentran constituidas por elementos que cuentan con dimensiones, siendo ellas longitud, altura y espesor, además de estar hechas de algún material y estar apoyadas de alguna forma. Por ello deben ser consideradas como elementos tridimensionales; sin embargo, se idealizan de las siguientes formas.
1. Geometría. Se representan por líneas unidimensionales, normalmente coinciden con los ejes geométricos de los miembros.
1. Geometría 2. Material
3. Apoyos
Estructura Real
Estructura ideal
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2. Materiales
El concreto reforzado y el acero estructural, son los materiales mas usados en las estructuras, tienen graficas cargadeflexión como las de las figuras 1.4-a y b, respectivamente. Ambas tienen una zona aproximadamente lineal al inicio de su grafica y después, una amplia zona de comportamiento no lineal. Es por ello que en la mayoría de los métodos de análisis estructural, se supone que los miembros estructurales tienen un comportamiento lineal y elástico, o sea, que se grafica carga- deflexión es como la mostrada en la figura 1.4-c
CONCRETO
Fig. 1.4-a 15
ACERO ESTRUTURAL
Fig. 1.4-b
MATERIAL IDEAL
Fig. 1.4-c
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3. Apoyos
Una tercera idealización se refiere al tamaño y comportamiento de los a poyos de las estructuras y de las intersecciones de sus miembros. Los apoyos ideales, representan puntos en los que no hay fricciones que restrinjan el desplazamiento o las rotaciones de los miembros, o bien, que les proporcionen un empotramiento perfecto.
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