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Tipos de cargas
- 1. l O M oAR cPSD | 61 5018 3 WT = 1.2*(312.50 kg/m²) + 1.6*(937.50 kg/m²) = 1875 kg/m² Cargas La determinación de las cargas, aplicadas a una estructura es una de las tareas en la ingeniería civil. Aún cuando existen en códigos y normas muchas guías para determinar ladistribución de cargas adecuada, son el juicio, conocimiento previo y experiencia del ingeniero los que desempeñan una función muy significativa para definir las condiciones de la distribución de cargas que debe soportar una estructura. Estopuede requerir a menudo una recolecciónde datos en el lugar en que seubicará la estructurapropuesta, así como datos climáticos, geológicos, topográficos, hidrológicos, detráfico aéreo o terrestre, ecológico- ambientales, factores de riesgo, etc. Este tipo de información, junto con los requisitos de los códigos, normas y especificaciones aplicables en la construcción, forma la base a partir de la cual el ingeniero civil puede iniciar el modelado de las condiciones de carga en función de la configuración inicial y diseño arquitectónico. Es importante mencionar que podrá lograrse que una estructura mal ideada cumpla con requisitos de estabilidad, pero seguramente se tratará de una solución antieconómica o antifuncional. El diseño en sí de una estructura comienza con aquellos elementos que están sometidosa las cargas principales que debe tomar la estructura y procede en secuencia con los varios elementos de soporte hasta que se llega a la cimentación. Así por ejemplo, en primer lugar se diseñarán las losas de entre piso y techo de un edificio, seguido por las vigas, columnas y finalmente las zapatas o cimientos correspondientes. Por lo tanto, para diseñar una estructura, es necesario primero especificar las cargas que actuarán sobre ella. Generalmente una estructura está sometida a varios tipos de cargas. Y por lo general, las cargas son modeladas como: Cargas puntuales concentradas (en un punto) Cargas lineales (en forma lineal) Cargas superficialmente distribuidas o sobre una superficie (en un área) Una carga puntual puede, por ejemplo, representar la acción de otro componente estructural que entra en contacto con un miembro, el soporte de una pieza pesada de equipo en una superficie, o la rueda de un camión en la rodadura de un puente. Las cargas lineales son cargas expresadas en fuerza por unidad de longitud, como el peso de un muro (estructural o no estructural, como un tabique divisorio) que actúa en un apoyo. Las cargas superficialmente distribuidas se dan en términos de fuerza por unidad de área y se suelen transformar a cargas lineales para el análisis de las estructuras. La carga lineal mencionada se debe a una carga distribuida que puede consistir en elpeso por unidad de área del sistema de piso y del peso asociado con el pretendido usodel área, por ejemplo un salón de clases, un vestíbulo, una biblioteca o una bodega. Habíamos mencionado en clase que una división de las cargas puede definirse como: Cargas gravitacionales Cargas dinámicas (sismo, viento, impacto, vibraciones, lluvia, etc.) Usualmente las cargas gravitacionales generan un análisis estático para determinar las mismas y en el caso de las cargas dinámicas, un análisis dinámico (comosu nombre lo define) es el que determina dichas cargas. De los anteriores tipos de cargas tocará en otros cursos desarrollar su contenido, sin embargo, en el caso que nos compete, son las Cargas gravitacionales las que nos interesan, siendo estas: Cargas vivas Cargas muertas Previamente definidas al principio del curso, de las mismas podemos decir que las cargas vivas y su determinación apropiada para un sistema estructural es complicado debido a: 1. La incertidumbre de la magnitud de la carga en sí misma 2. El lugar sobre el que actúa la carga en cualquier instante dado
- 2. l O M oAR cPSD | 61 5018 3 WT = 1.2*(312.50 kg/m²) + 1.6*(937.50 kg/m²) = 1875 kg/m² Ya que a veces las fuentes de las cargas vivas son generadas por fuerzas naturales, es importante el familiarizarse con las mismas, aunque sean poco usuales, pero si afectan a la estructura. Y aunque es complicado determinarlas, usualmente los factores de seguridad son más altos en este rubro, a efecto de asegurar cubrir eventualidades en la estructura, dichos factores son mayores que en el resto de cargas. Para determinar las cargas vivas se ha realizado estudios de las mismas y logrado reunir en tablas que contiene los valores en función de uso u ocupación de los diferentes ambientes de una estructura. Algunas de estas tablas de cargas vivas se encuentran en diversas bibliografías, se presenta una de esas con valores de lb/pie² para cada diferente carga. Tocará si se necesitara convertir las cargas a kg/m². Tabla 1. Sobre las cargas muertas se menciona que se basan en el conocimiento del peso volumétrico y en las dimensiones del material utilizado para la construcción de la estructura solicitada, así también de cualquier
- 3. l O M oAR cPSD | 61 5018 3 WT = 1.2*(312.50 kg/m²) + 1.6*(937.50 kg/m²) = 1875 kg/m² objeto que esté permanentemente unido ala estructura. Entonces para un edificio por ejemplo las cargas muertas comprenden los pesos de las columnas, vigas, losas, techos, muros, ventanas, plomería, instalaciones eléctricas, mecánicas y especiales, así como de dispositivos diversos. En algunos casos, una carga muerta estructural puede estimarse satisfactoriamente por medio de fórmulas basadas en los pesos y tamaños de estructuras similares. Con experiencia, se puede también estimar someramente la magnitud de esas cargas. Sin embargo, una vez determinados los materiales y tamaños de los diversos componentesde la estructura, sus pesos pueden determinarse a partir de tablas que dan sus densidades. Estas tablas en algunos casos han sido generadas en laboratorios de ensayos de materiales, de tal forma que se han determinar dichos pesos, y así determinarlas cargas correspondientes que generan. Se presenta una de esas tablas para efectos didácticos, con cargas en lb/pie², la mismaes muy general y utilizada en los EEUU, y será tarea del futuro profesional determinar en laboratorio los pesos y cargas para los materiales locales. El CII es una fuente deinformación para este caso. Tabla 2 Si bien es cierto las cargas vivas son determinadas usualmente por medio de tablas (con cargas estimadas, queda a criterio de cada ingeniero la variación de las mismas paracada caso) y su aplicación es directa, en el caso de las cargas muertas es diferente, en el sentido de que son variables los tipos de materiales usados, así como de las dimensiones de los mismo, pero si existe una forma de calcular y colocar como cargas y su posteriormente aplicar para posterior análisis de elementos estructurales. Es importante mencionar que la estimación de los pesos de los materiales a usarse en una construcción es primordial, debido no sólo a la determinación de cargas lineales o superficialmente distribuidas, sino que en la determinación del peso de una estructura nos ayudará a encontrar otros factores que servirán en el curso de Diseño estructural.
- 4. l O M oAR cPSD | 61 5018 3 WT = 1.2*(312.50 kg/m²) + 1.6*(937.50 kg/m²) = 1875 kg/m² Cargas tributarias Cuando superficies planas como muros, pisos o techos están soportadas por una estructura, es necesario determinar cómo se transmite la carga sobre esas superficies a los varios elementos de la estructura usada para soportarla. En general, hay dos maneras en que esto puede hacerse, que dependen de la geometría del sistema estructural, del material usado y del método de construcción: Sistemas en una dirección Sistemas en dos direcciones (se verá en otros cursos) Se dice que una losa o cubierta soportada según la Figura 3 transmite su carga a los miembros de soporte por acción en una dirección; a la losa se le llama entonces losa en una dirección. Figura 3 La forma de transmisión de la carga se ilustra en la Figura 4, donde las vigas AB, CD y EFdescansan sobre trabes AE y BF. Si se coloca una carga uniforme de 100 lb/pie² sobre la losa, se supone entonces que la viga central CD soporta la carga que actúa sobre el área tributaria que aparece sombreada sobre la planta estructural según la figura planta de estructuración idealizada, Figura 5. El miembro CD está entonces sometido a una distribución lineal de carga de: Figura 4. Figura 5. Entonces, 100 lb/pie² * (2.5’ + 2.5’ = 5) pies de longitud tributaria perpendicular a la viga = 500 lb/pie. Esta carga distribuida se representa en la Figura 6 y se aplica a lo largo de la viga CD.Las reacciones (luego de análisis) sobre la viga CD son de 2,500 lb en C y D, y se aplican entonces en el centro de los trabes AE y BF, según la Figura 7. Figura 6. Figura 7.
- 5. l O M oAR cPSD | 61 5018 3 WT = 1.2*(312.50 kg/m²) + 1.6*(937.50 kg/m²) = 1875 kg/m² Las losas mono-direccionales o en un sentido son las que usualmente son soportadas solamente en dos caras opuestas, en cuyo caso la acción estructural de la losa es esencialmente mono- direccional, siendo transportadas las cargas porla losa en dirección perpendicular a las vigas de apoyo. Se usa cuando la relación de la longitud a la anchura es superior a 2. También se usa para losas en voladizo,de hecho las mismas tienden a tener un comportamiento como si fueran vigas anchas. En otras palabras, si consideremos la losa de la Figura 8, como regla general, si L2 > L1 y la razón de claros (L2/ L1) > 2 (como se dijo anteriormente), la losa se comportará como una losa en una dirección ya que al hacerse L1 más pequeña, las vigas AB, CD y EF proporcionan la mayor rigidez para tomar la carga. Es de hacer notar que algunos textos mencionan la relación de longitudes al contrario,de tal forma que la misma quedaría determinada como (L1/ L2) > 0.50, que en realidad sólo es su inverso. Para el caso de las losas en dos sentidos o direcciones, si la razón (referida a la Figura 8) es (L2/ L1) < 2, la carga se transmite a las vigas y trabes de soporte en dos direcciones y cuando éste es el caso hay otras consideraciones extras como el hecho que existen 4 apoyos en los extremos, esto debido a que las cargas se transmiten en más de una dirección. Al principio de clase mencionábamos que los códigos como el ACI 318, nos indica que debemos de colocar factores de seguridad en cargas gravitacionales (cargas vivas y cargas muertas) y que dichos factores variaban de un código a otro en función del tiempo entre cada código, para el caso siguiente utilizaremos esos factores, para mayorar (significa aplicar los factores mencionados) las cargas vivas y muertas dadas. Usaremos el código ACI 318-05 y el mismo nos indica que los factores para cargas son: Carga Viva (CV) = 1.6 Carga Muerta (CM) = 1.2 48 Entrega individual. En hojas de papel bond, tamaño carta. Se aceptarán dichas únicamente en la fecha indicada. Colocar una carátula de identificación e indicar la bibliografía consultada únicamente. Tarea para el día martes 13 de septiembre: “¿Cómo se calcularían las cargas lineales para las vigas AB y EF? Determine una de las mismas.”