Normas Prescriptivas y Funcionales

5/16/2018 Normas Prescriptivas y Funcionales - slidepdf.com

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REGLAMENTO DE DISEÑOLos reglamentos para el diseño de estructuras son documentos legales que tienen comofunción proteger a la sociedad contra el colapso o mal funcionamiento estructural de lasconstrucciones. El grado de protección que puede lograrse no es absoluto, sino que debeser óptimo en el sentido de que sea congruente con las consecuencias de las posiblesfallas y con el costo de incrementar la seguridad. Objetivo similares deben tener otrosdocumentos como las especificaciones, normas y recomendaciones, los cuales aunqueno siempre tienen un valor legal, tienden a cumplir con tales objetivos.El diseño estructural tiene como objeto proporcionar soluciones que por medio delaprovechamiento óptimo de los materiales, de las técnicas constructivas disponibles, ycumplimiento de las restricciones impuestas por los otros aspectos del proyecto, den lugara un buen comportamiento de la estructura en condiciones normales de funcionamientode la construcción y a una seguridad adecuada contra la ocurrencia de algún tipo de falla.El objetivo del diseño estructural puede replantearse como sigue: proporcionar unaseguridad adecuada ante la aparición de estados límite de falla para las acciones másdesfavorables que puedan presentarse durante la vida útil de la construcción y procurarque en las condiciones normales de operación no se sobrepasen los estados límite deservicio.Se llama estado límite de una estructura a cualquier etapa de su comportamiento a partirde la cual su respuesta se considera inaceptable. Se distinguen dos tipos de estadoslímites. Aquellos relacionados con la seguridad, se denominan estados límites de falla ycorresponden a situaciones en que la estructura sufre una falla total o parcial, osimplemente presenta daños que afectan su capacidad para resistir nuevas acciones. Lafalla de una sección por cortante, flexión, torsión, carga axial o cualquier combinación deesos efectos, que llamaremos fuerzas internas, constituye un estado límite de falla, asícomo la inestabilidad o falta de equilibrio global de la estructura, el pandeo de uno de susmiembros, el pandeo local de una sección y la falla por fatiga.El otro tipo de estados límite se relaciona con aquellas situaciones que, aun sin poner en

juego la seguridad de la estructura afectan el correcto funcionamiento de la construcción.Éstos se denominan estados límites de servicio y comprenden las deflexiones,agrietamientos y vibraciones excesivas, así como el daño en elementos no estructuralesde la construcción. (Meli Piralla, 2004)Un código es un conjunto de normas y especificaciones técnicas que verifican los detallesprincipales del análisis, el diseño y la construcción de edificios, equipos y puentes. Elpropósito de los códigos es generar estructuras seguras y económicas de tal suerte que lagente quede protegida contra diseños y construcciones de baja calidad o inadecuadas.Existen dos tipos de códigos. El primero conocido como códigos (o normas) de diseñoestructural, esté redactado por ingenieros y otros especialistas interesados en el diseñode una clase particular de estructuras (por ejemplo, edificios, puentes de autopista, oplantas nucleares) o por aquellos que se interesan en el uso adecuado de un materialespecífico (acero, concreto reforzado, aluminio o madera). En general las normasestructurales especifican cargas de diseño, esfuerzos permisibles para diferentes tipos de

miembros, hipótesis de diseño y requerimientos para materiales. Los siguientes sonejemplos de códigos frecuentemente utilizados por ingenieros estructuristas:

1. Standard Specifications for Highway Bridges (Especificaciones estándar parapuentes carreteros), de la American Association of State Highway andTransportatios Officials (AASHTO), el cual cubre el diseño y análisis de puentescarreteros.

2. Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318) Requisitos delreglamento de construciión para concreto reforzado ACI 318, del American



Concrete Institute (ACI) la cual cubre el análisis y diseño de estructuras deconcreto.

El segundo código llamado reglamento de construcción, se establece para proteger laconstrucción en una determinada región (frecuentemente una ciudad o un estado). Unreglamento de construcción contiene disposiciones correspondientes a requerimientosarquitectónicos, estructurales, mecánicos y eléctricos. Otro objetivo importante de un

reglamento de construcción es proteger a la gente explicando cuál es la influencia de lascondiciones locales de la construcción. Las disposiciones de interés particular para elcalculista estructural comprenden temas como las condiciones del suelo (presiones decarga), cargas vivas, presiones eólicas, cargas de hielo y nieve, y fuerzas sísmicas.A medida que se desarrollan nuevos sistemas, que se dispone de nuevos materiales oque repetidamente suceden fallas de sistemas aceptados, los contenidos de losreglamentos y las normas se revisan y se actualizan.La mayoría de los códigos le permiten al calculista apartarse de las normas prescritas sipuede mostrar con pruebas de laboratorio estudios analíticos que tales cambios generanun diseño seguro. (Kennet ,2002)

ETAPAS EN EL PROCESO DEL DISEÑO

Proceso creativo mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para quecumpla una función determinada con un grado de seguridad razonable y que encondiciones normales de servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importanteconsiderar ciertas restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos

del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de ejecución así

como de satisfacer determinadas exigencias estéticas. Entonces, la solución al problema

de diseño no puede obtenerse mediante un proceso matemático rígido, donde se apliquerutinariamente un determinado conjunto de reglas y formulas.

a) Etapa de estructuración

Es probable la etapa mas importante del diseño estructural pues, la optimizacióndel resultado final del diseño depende de gran medida del acierto que se haya obtenidoen adoptar la estructura esqueletal mas adecuada para una edificación específica.

En esta etapa de estructuración se seleccionan los materiales que van a constituir la

estructura, se define el sistema estructural principal y el arreglo y dimensiones

preliminares de los elementos estructurales mas comunes. El objetivo debe ser el de

adoptar la solución optima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuración.

b) Estimación de las solicitaciones o acciones

En esta segunda etapa del proyecto, se identifican las acciones que se consideran que

van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante suvida útil. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como

la carga muerta, acciones variables como la carga viva. Acciones accidentales como elviento y el sismo. Cuando se sabe de antemano que en el diseño se tienen que

considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la experiencia la

estructuración mas adecuada para absorber dichas acciones.



c) Análisis estructural

Procedimiento que lleva la determinación de la respuesta del sistema estructural ante lasolicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La respuestade una estructura o de un elemento es su comportamiento bajo una acción determinada;está en función de sus propias características y puede expresarse en función de

deformaciones, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc.Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los siguientes aspectos:

Idealización de la estructura.

Seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado conlos procedimientos de calculo disponible. La selección del modelo analítico de laestructura puede estar integrado de las siguientes partes:

I.- Modelo geométrico. Esquema que representa las principales característicasgeométricas de la estructura.II.- Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras. Debe establecerse como

cada elemento esta conectado a sus adyacentes y cuales son las condiciones de apoyo

de la estructura.III.- Modelo del comportamiento de los materiales. Debe suponerse una relación acción -respuesta o esfuerzo - deformación del material que compone la estructura.IV.- Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan la estructura para unacondición dada de funcionamiento se representan por fuerzas o deformacionesimpuestas.

Determinar las acciones de diseño

En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la

estructura están definidos por los reglamentos de las construcciones y es obligación del

proyectista sujetarse a ellos.

Determinar la respuesta de las acciones de diseño en el modelo elegido para laestructura.Es necesario obtener los elementos mecánicos y los desplazamientos en el sistemaestructural.

DimensionamientoEn esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se cumple con

los requisitos de seguridad adoptados.

DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL

ARTÍCULO 146.- Toda edificación debe contar con un sistema estructural que permita elflujo adecuado de las fuerzas que generan las distintas acciones de diseño, para que

dichas fuerzas puedan ser transmitidas de manera continua y eficiente hasta lacimentación. Debe contar además con una cimentación que garantice la correctatransmisión de dichas fuerzas al subsuelo.

ARTÍCULO 147.- Toda estructura y cada una de sus partes deben diseñarse para cumplircon los requisitos básicos siguientes:



I. Tener seguridad adecuada contra la aparición de todo estado límite de falla posibleante las combinaciones de acciones más desfavorables que puedan presentarse

durante su vida esperada, y

II. No rebasar ningún estado límite de servicio ante combinaciones de acciones quecorresponden a condiciones normales de operación.

El cumplimiento de estos requisitos se comprobará con los procedimientos establecidos

en este Capítulo y en las Normas.

ARTÍCULO 148.- Se considerará como estado límite de falla cualquier situación quecorresponda al agotamiento de la capacidad de carga de la estructura o de cualquiera desus componentes, incluyendo la cimentación, o al hecho de que ocurran daños

irreversibles que afecten significativamente su resistencia ante nuevas aplicaciones decarga.

Las Normas establecerán los estados límite de falla más importantes para cada material ytipo de estructura.

ARTÍCULO 149.- Se considerará como estado límite de servicio la ocurrencia dedesplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños que afecten el correcto

funcionamiento de la edificación, pero que no perjudiquen su capacidad para soportarcargas. Los valores específicos de estos estados límite se definen en las Normas.

ARTÍCULO 150.- En el diseño de toda estructura deben tomarse en cuenta los efectos delas cargas muertas, de las cargas vivas, del sismo y del viento, cuando este último seasignificativo. Las intensidades de estas acciones que deban considerarse en el diseño y la

forma en que deben calcularse sus efectos se especifican en las Normascorrespondientes.

Cuando sean significativos, deben tomarse en cuenta los efectos producidos por otrasacciones, como los empujes de tierras y líquidos, los cambios de temperatura, las

contracciones de los materiales, los hundimientos de los apoyos y las solicitaciones

originadas por el funcionamiento de maquinaria y equipo que no estén tomadas en cuentaen las cargas especificadas en las Normas correspondientes.

ARTÍCULO 151.- Se considerarán tres categorías de acciones, de acuerdo con laduración en que obren sobre las estructuras con su intensidad máxima, las cuales están

contenidas en las Normas correspondientes.

ARTÍCULO 152.- Cuando deba considerarse en el diseño el efecto de acciones cuyas

intensidades no estén especificadas en este Reglamento ni en sus Normas, estasintensidades deberán establecerse siguiendo los procedimientos aprobados por laSecretaría de Obras y Servicios y con base en los criterios generales que se mencionan

en las Normas.

ARTÍCULO 153.- La seguridad de una estructura debe verificarse para el efectocombinado de todas las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrirsimultáneamente, considerándose dos categorías de combinaciones que se describen en

las Normas.



EJEMPLOS DE CRITERIOS DE DISEÑO

Los criterios de diseño son todas aquellas decisiones fundamentadas científicamente queelige el constructor para que toda estructura se diseñe con el fin de tener una seguridadadecuada frente a estados límite de falla o colapso, y para no rebasar ninguno de los

estados límite de servicio.A continuación se presentan algunos criterios de diseño dentro de las Normas TécnicasComplementarias Sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de lasEdificaciones

2 ACCIONES DE DISEÑO: Según el RCDF en las combinaciones comunes intervendrán: Todas las acciones permanentes Una acción variable con su valor máximo Otras posibles acciones variables que tengan una posibilidad no despreciable de

ocurrir simultáneamente con la primera, pero de las que se tomaran solo su

componente semipermanente.4.1 DESPLAZAMIENTOS: en las edificaciones comunes sujetas a acciones permanenteso variables, la revisión del estado límite de desplazamientos cumplirá si se verifica que noexceda los valores siguientes:

Desplazamiento vertical en el centro de la trabe en claros es igual a la longitud delclaro/240 + 5 mm. Sobre elementos no estructurales el estado límite dedesplazamiento vertical es igual al claro /480 + 3 mm.

Desplazamiento relativo entre dos nivele sucesivos = altura del entrepiso/500 paraedificios en los que se haya unido los elementos no estructurales capaces de sufrir

daños bajo pequeños desplazamientos, para otros caso se dividirá entre 250.6.2 CAMBIOS DE TEMPERATURA: los esfuerzos debido a variaciones de temperatura secalcularan con la superposición de dos estados de esfuerzo:

Un estado inicial, el que se obtendrá suponiendo los esfuerzos internos queresultan de considerar impedidos los desplazamientos asociados a todos losgrados de libertad del sistema.

Una configuración correctiva que resulte de suponer que sobre la estructura actúaun conjunto de fuerzas iguales en magnitud a las que se requiere aplicarexternamente a la misma para impedir los desplazamientos debido a los esfuerzos

internos del estado inicial pero con signo contrario.2.7 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CONCRETO (NTC para Estructuras deConcreto) : define como porcentil 20 para el concreto clase II que se usa en obrasnormales como el porcentil 10 para concreto clase I a usarse en estructuras importantes.

INCERTIDUMBRE: Se pretende que se adopten valores mínimos probables para lasvariables, de manera que la probabilidad de que no sean alcanzados en la estructura real



sea pequeña. El RCDF establece esta probabilidad en 2% y recomienda se calcule el

valor mínimo probable de acuerdo con la ecuación siguiente:

NORMAS PRESCRIPTIVAS DEL ACI

1. ACI 318 – 3.5.3 – REFUERZO CORRUGADO: indica los requisitos que debecumplir el refuerzo corrugado en base a diferentes normas

“las barras de refuerzo corrugado se limitan a las que cumplen con las normas

especificadas en esta norma”

2. ACI 318 – 4.2 – EXPOSICIÓN A CONGELAMIENTO Y DESHIELO: el concreto depeso normal y de peso liviano expuesto a condiciones de congelamiento ydeshielo o a productos químicos descongelantes, debe de tener un contenido deaire indicado en la Tabla 4.2.1.

“la norma específica en qué casos se recomienda un concreto con contenido de aire y

especifica la cantidad del mismo”

3. ACI 318 – 4.3.1 – EXPOSICIÓN A SULFATOS: El concreto que va a estarexpuesto a sulfatos debe cumplir con los requisitos de la tabla 4.3.1, o debe estarhecho con un cemento que proporcione resistencia a los sulfatos y tenga unarelación agua cementante máxima y f9c mínimo según la Tabla 4.3.1.

“en esta sección se limitan los valore de exposición a los sulfatos así como os valores de

relación agua- cemento y f’c dependientes del tipo de exposición.”

4. ACI 318 – 1.2.2 - PLANOS Y ESPECIFICACIONES: Características y contenidode los planos estructurales.

“es una norma prescriptiva ya que detalla el contenido de los p lanos”

5. ACI 318 – 5.6.1 – EVALUACIÓN Y ACEPTACIÓN DEL CONCRETO: el concretodebe de ensayarse de acuerdo con los requisitos de 5.6.2 a 5-6-5.

“se especifica las condiciones en que debe estar el concreto y la metodología utilizada

para el muestreo del co ncreto, así como ensayos basados en las normas ASTM.”



NORMAS FUNCIONALES DEL ACI

1) ACI 318 – 5.9 – TRANSPORTE DEL CONCRETO: el concreto debe transportarsedesde la mezcladora al sitio de colocación empleando métodos que eviten lasegregación o la pérdida de material.

“esta especificación indica que se debe evitar la segregación del concreto durante el

traslado de este a la obra, pero no indica bajo que parámetros se debe de lograr esto”

2) ACI 318 – 3.6.1 – ADITIVOS: los aditivos que se usen en el concreto debensometerse a la aprobación previa del ingeniero.

“esta norma no especifica mediante que procedimientos le ingeniero aprobara los

materiales, ni hace im itaciones a la calidad de estos”

3) ACI 318 – 6.1 – DISEÑO DE CIMBAS: el objeto de las cimbras y encontrados esobtener una estructura que cumpla con la forma, los niveles y las dimensiones delos elementos según lo indicado en los planos de diseño y especificaciones.

“en este capítulo se especifica solamente los requisitos mínimo de desempeño de

cimbras, pero no exige un modelo estándar de estas”

4) ACI 318 – 7.7.6 – AMPLIACIONES FUTURAS: el esfuerzo expuesto, los insertos y

las plantillas que se pretendan unir con ampliaciones futuras deben protegersecontra la corrosión.

“se indica que el refuerzo expuesto se deben de proteger contra corrosión dejando a

criterio del constructor la manera en que deberá de lograr esto”

5) ACI 318 – 8.6 – RIGIDEZ: se permite que se adopte cualquier conjunto desuposiciones razonables para calcular las rigideces relativas a flexión y torsión decolumnas, muros y sistemas de entrepiso y cubierta. Las suposiciones que se

hagan deben ser consistentes en todo el análisis.“se da el libre criterio para el razonamiento de las rigideces pero se indica que deben de

ser co nsistentes con el análisis”



NORMAS PRESCRIPTIVAS DEL AISC

1) AISC-B3-10- DISEÑO PARA CONDICIONES DE INCENDIO: se presentan dosmétodos de diseño especificadas en el anexo 4: ensayos de calificación y análisisde ingeniería. La compatibilidad con los requisitos para protección contra incendio

de las normativas de edificación aplicable deberá ser analizada juiciosamenterespecto a esta sección y el anexo 4.

“el diseño para condiciones de incendio están especificadas claramente en el anexo 4,

aunque estas son específicas para el diseño en condiciones de incendio no se pretende

crear ni producir requisitos contractuales.

2) AISC - C – 3b: SISTEMA DE MARCO DE MOMENTO: en marcos en los cuales laestabilidad lateral es proporcionada por la rigidez a flexión de las vigas y columnasconectadas, el factor K de largo efectivo o la tensión critica de pandeo elástico, Fe,para columnas y vigas-columnas será determinado de acuerdo a lo especificadoen la sección C2.

“el método o consideraciones que se utilizan en este tipo de cálculos estarán en base a

la sección c2, el cual ya tiene valores y métodos especificados”

3) AISC - C2 – 2b- DISEÑO MEDIANTE ANÁLISIS DE PRIMER ORDEN: laresistencia requerida se puede determinar mediante un análisis de primer orden,con todo los miembros diseñados aplicando k=1, cuando se satisfaga las

condiciones mencionadas en la norma.

“la norma establece las condiciones y los parámetros de diseño mediante análisis de

primer

orden”

4) AISC - C2 – 2 –REQUISITOS DE DISEÑO: estos requisitos se aplican a todo tipode marcos, arriostrados, rígidos y sistemas mixtos. Cuando la razón deldesplazamiento de piso de segundo orden al desplazamiento de primer orden esigual o menor que 1.5, las resistencias requerida de los miembros, conexiones y

otros elementos será determinada por uno de los métodos especificado en lasecciones C2.2a o C2.2b o por el método de análisis directo del anexo 7.

“esta norma específica bajo qué criterios se debe diseñar en las secciones C2.2a, C2.2b o

en el anexo 7.



NORMAS FUNCIONALES DEL AISC

1) AISC-B3-6.1- CONEXIONES SIMPLES: Se puede supones que las conexionessimples permiten la rotación relativa de los miembros a conectar y tendrá unarotación suficiente para acomodar las rotaciones requeridas por el análisis de la

estructura.se permite rotación inelástica.“en esta parte se le permite al constructor suponer las condiciones de la conexión ”

2) AISC-B3-11- DISEÑOS PARA EFECTOS DE LA CORROSIÓN: cuando lacorrosión puede afectar la resistencia o la condición de servicio de una estructura,los componentes estructurales serán diseñados para tolerar la corrosión o en sudefecto deberán ser protegidos contra ella.

“se menciona que el Estructurista debe de tomar en cuenta en los cálculos los efectos de

la corrosión sin limitarlo a la metodología a utilizar ni parámetros que debe de respetar”

3) AISC - C – 3a : SISTEMA DE MARCO ARRIOSTRADOS Y MUROS DE CORTE:en estructuras en las cuales la estabilidad lateral es proporcionada solo porarrostramientos en diagonal, muros de corte o medios equivalentes el factor delargo efectivo, K, para miembros comprimidos será tomado como 1.0, a menosque el análisis estructural indique que es apropiado usar un valor mas pequeño.

“el AISC menciona un límite para miembros comprimidos, un valor k =1, pero deja la

libertad de elegir entre este valor o uno que en los cálculos de menor”

4) AISC – C2 – 1A : ANÁLISIS ELÁSTICO GENERAL DE SEGUNDO ORDEN:puede usarse cualquier método de análisis elástico de segundo orden queconsidere los efectos P- y P-.

“en la norma antes mencionada define claramente que el calculista puede elegir cualquier

método de análisis de segundo orden, pero cualquier método a elegir debe de estar

sustentado”

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