Metodos De Diseno.pps 4b466a

Métodos de Diseño

Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006

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 simpificaciones 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

CONFIABILIDAD ESTRUCTURAL

fRc gQc

Q

Qm

Rm Falla

Probabilidad de falla:

R

PR  Q  0  P R  1  P ln  R   0   Q    Q 

2. Principios del diseño estructural b

ln Rm Qm  VR  VQ 2

2

Indice 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 4.5 para uniones

Carga permanente + carga viva + viento

2.5 para

Carga permanente + carga viva + sismo

1.75 para

3. Filosofías de diseño

METODOS DE DISEÑO

• Diseño por tensiones isibles (tensiones de trabajo) – Cargas de servicio – Tensiones isibles

• Diseño por estados límite – Estados límite últimos • Resistencia última

– Estados límite de servicio • Deformaciones • Vibraciones

3. Filosofías de diseño Método de Diseño por tensiones isibles (ASD): Asume la misma variabilidad para todas las solicitaciones (g = cte.)

fRn   Qi g Escrito en otro formato

R

Rn  Q FS

TENSIONES ISIBLES

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

fRn  g iQi  Qu

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)

C2·q

C3·q a

C1·q

C4·q

4. Cargas y combinaciones de carga • Método elástico estático Q = Cs · W W1

W2

W1 Q1

M·a

W2 Q2

Q1 + Q2 = 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) 1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W) 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R) 1.2D + 1.0E + L + 0.2S 0.9D + 1.6W + 1.6H 0.9D + 1.0E + 1.6H

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 0.7E) D + H + F + 0.75(W or 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr or S or R) 0.6D + W + H 0.6D + 0.7E + H

COMBOS DE CARGA

5. Métodos de análisis • Método elástico – Material es elástico, lineal, homogéneo e isótropo. sy s

E e

– 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

M1>My

-Fy

-Fy

METODO PLÁSTICO

5. Métodos de análisis • Existe reserva de resistencia en la estructura (hiperestaticidad) P1≤Py

Rango elástico

P2>Py

Plastificación de viga

Pu>P2

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