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• Juan Carlos Tacilla Guadaña

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ACCIONES SOBRE LAS ESTRUCTURAS 1. INTRODUCCIÓN: Se entiende por acción a las cargas a las cuales estará sometida las estructuras, las cuales deben ser consideradas en el diseño. Carga Muerta

Carga Viva

Acciones (Cargas Actuantes)

Sismo ESTRUCTURA

Respuesta

Deformación

Esfuerzos

Asentamientos

Agrietamientos

2. TIPOS DE CARGAS: En general, las cargas, acciones o solicitaciones que pueden actuar sobre una estructura se clasifican en los siguientes tipos Cargas estáticas, cargas dinámicas, y otras cargas. Estas se definen de la siguiente manera: 2.1. Cargas estáticas. Son aquellas que se aplican lentamente sobre la estructura, lo cual hace que se originen esfuerzos y deformaciones que alcanzan sus valores máximos en conjunto con la carga máxima. Prácticamente, estas solicitaciones no producen vibraciones en la estructura, y a su vez clasifican en: a. Cargas Permanentes o Muertas. Son cargas gravitacionales que actúan durante la vida útil de la estructura y no varía con el tiempo, como por ejemplo: el peso propio de la estructura, los elementos añadidos a la estructura (acabados, tabiques, maquinarias para ascensores y cualquier otro dispositivo de servicio que quede fijo en la estructura). Peso propio de elementos de construcción Material

Albañilería de adobe Albañilería de unidades sólidas Albañilería de unidades huecas Concreto simple Concreto armado Mortero de cemento Mortero de cal y cemento Mortero de cal Yeso

Sílabo Estructuras y Cargas – 2014 I

Peso (Kg/m3)

1600 1800 1350 2300 2400 2000 1850 1700 1000

Material

Agua Cemento de sacos Tierra Grava y arena seca Losetas Teja artesanal Teja industrial Ladrillo pastelero Asbesto cemento

Peso (Kg/m3)

1000 1600 1600 1600 2400 1600 1800 1600 2500

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 Pesos de aligerados: Cuando los techos aligerados tienen las medidas tradicionales, y cuando se use ladrillos huecos, pueden utilizarse las siguientes cargas de peso propio expresados en Kilogramos por metro cuadrado de área en planta: Espesor t (cm)

W (Kg/m2)

17 20 25 30 35

280 300 350 420 475

 Acabados y coberturas: Las siguientes cargas de peso propio para acabados y coberturas convencionales se proporcionan en kilogramos por metro cuadrado de área en planta. Material Acabados con falso piso Cobertura con teja artesanal Pastelero asentado con barro Plancha de asbesto cemento Cobertura con teja andina

W (Kg/m2) 20.00 160.00 100.00 2.50 12.50

DETALLE TEJA ANDINA

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 Muros de albañilería: Para los muros estructurales y tabiques construidos con ladrillos de arcilla o sílico calcáreos, puede emplearse las siguientes cargas de peso propio, expresadas en kilogramos por metro cuadrado de área del muro por centímetro de espesor del muro, incluyendo el tarrajeo. Unidad de albañilería

W (Kg/(m2*cm)

Unidades sólidas o con pocos huecos para muros portantes

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Unidades huecas tubulares

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UNIDADES DE ALBAÑILERÍA SOLIDA Y HUECA

Cabe destacar que la Norma E.020 se proporciona unas cargas equivalentes de peso propio en kilogramos por metro cuadrado de área en planta, para los casos en que no se conozca la distribución de los tabiques (tabiquería móvil) en los ambientes del edificio, generalmente, esto ocurre en los edificios destinados a oficinas. Para hacer un estimado de la carga de la tabiquería móvil, en estos casos, podemos utilizar la tabla siguiente, debiendo conocer el tipo de tabique que se va a emplear y su peso por metro lineal. Por ejemplo, para un tabique de albañilería con 15 cm. De espesor incluyendo tarrajeo en ambas caras, construido con ladrillo pandereta, con 2.40 m de altura se tendría: w = 14 Kg/(m2xcm)*15 cm * 2.4 m = 504 Kg/m. Luego ingresando a la tabla, se obtiene una carga equivalente igual a 210 Kg/m2 de área en planta, que deberá agregarse al peso propio y acabados de la losa del piso correspondiente. Peso del Tabique (Kg/m) 74 o menos 75 a 149 150 a 249 250 a 399 400 a 549 550 a 699 700 a 849 850 a 1000

Carga equivalente (Kg/m2) 30 60 90 150 210 270 330 390

b. Carga Viva o Sobrecarga. Son cargas gravitacionales de carácter movible que podrían actuar en forma esporádica sobre los ambientes del edificio. Entre estas solicitaciones se tiene: al peso de los ocupantes, muebles, agua, equipos removibles, puente grúa, etc. Las magnitudes de estas cargas dependen del uso al cual se destinen los ambientes.

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Cargas vivas mínimas repartidas según la Norma E.020: Cargas OCUPACIÓN O USO Almacenaje

Baños

CARGAS REPARTIDAS kPa (kgf/m2) 5,0 (500) Igual a la carga principal del resto del área, sin que sea necesario que exceda de 3,0 (300)

Aulas

Auditorios, gimnasios, etc. Laboratorios Corredores y escaleras Garajes Para parqueo exclusivo de vehículos de pasajeros, con altura de entrada menor de 2,40 m Hospitales Salas de operación, laboratorios y zonas de servicio Cuartos Corredores y escaleras Hoteles Cuartos Salas públicas Almacenaje y servicios Corredores y escaleras

Celdas y zona de habitación

2,0 (200) De acuerdo a lugares de asamblea 4,0 (400)

3,0 (300)

Corredores y escaleras

7,5 (750)

Lugares de Asamblea

4,0 (400)

Con asientos fijos Con asientos movibles Salones de baile, restaurantes, museos, gimnasios y vestíbulos de teatros y cines. Graderías y tribunas

5,0 (500)

Corredores y escaleras

5,0 (500)

Oficinas (*) Exceptuando salas de archivo y computación Salas de archivo

2,5 (250)

Salas de computación

2,5 (250)

Corredores y escaleras

4,0 (400)

2,5 (250)

Talleres

CARGAS REPARTIDAS kPa (kgf/m2)

Instituciones Penales

Zonas públicas

Bibliotecas Salas de lectura Salas de almacenaje con estantes fijos (no apilables) Corredores y escaleras Centros de Educación

OCUPACIÓN O USO

3,5 (350) De acuerdo a lugares de asambleas 3,0 (300) 4,0 (400)

2,5 (250)

3,0 (300)

Teatros

2,0 (200) 4,0 (400)

Vestidores Cuarto de proyección Escenario

2,0 (200)

Zonas públicas

De acuerdo a lugares de asamblea 5,0 (500) 4,0 (400)

3,0 (300) 4,0 (400) 4,0 (400)

5,0 (500)

2,0 (200) 3,0 (300 7,5 (750) De acuerdo a lugares de asamblea

Tiendas

5,0 (500)

Corredores y escaleras Viviendas Corredores y escaleras

5,0 (500) 2,0 (200) 2,0 (200)

(*) Estas cargas no incluyen la posible tabiquería móvil 2.2. Cargas dinámicas. Son aquellas cuya magnitud, dirección y sentido varían rápidamente con el tiempo, por lo que los esfuerzos y desplazamientos que originan sobre la estructura, también cambian con el tiempo; cabe indicar que el instante en que ocurre la máxima respuesta estructural, no necesariamente coincide con el de la máxima solicitación. Estas cargas clasifican en: a. Vibraciones Causadas por Maquinarias. Cuando las máquinas vibratorias no han sido aisladas de la estructura principal, sus vibraciones pueden afectar tanto a la estructura que las soporta como a las estructuras vecinas. b. Viento. El viento es un fluido en movimiento; sin embargo, para simplificar el diseño, se supone que actúa como una carga estática sobre las estructuras convencionales, pero, para estructuras muy flexibles (puentes colgantes, chimeneas, etc.) es necesario verificar que su período natural de vibrar no coincida con el de las ráfagas de viento, de lo contrario, podría ocurrir la resonancia de la estructura. Sílabo Estructuras y Cargas – 2014 I

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c. Sismos. Las ondas sísmicas generan aceleraciones en las masas de la estructura y por lo tanto, fuerzas de inercia que varían a lo largo del tiempo; sin embargo, las estructuras convencionales pueden ser analizadas empleando cargas estáticas equivalentes a las producidas por el sismo. Estas acciones se caracterizan porque pueden tomar valores significativos solo durante pequeñas fracciones de tiempo; dentro de esta categoría se incluyen al sismo y al viento. En el análisis estructural estas acciones se idealizan como fuerzas horizontales. Los sismos producen oscilaciones horizontales que ocasionan fuerzas de inercia (Fi), que actúan horizontalmente sobre cada piso y techo, por encima de la cimentación en forma concentrada. Durante el sino, el suelo vibra tanto horizontal como verticalmente; el movimiento vertical es ligero y generalmente se desprecia en el diseño, pero el movimiento horizontal es el principal responsable de los daños producidos en una estructura por un terremoto. La magnitud de las fuerzas horizontales depende de la cantidad y tipo de aceleraciones del suelo, así como de la masa y rigidez de la estructura. Las cargas sísmicas pueden calcularse usando un análisis dinámico basado en la teoría de la dinámica estructural. Este análisis obligatorio en estructuras muy grandes, es usualmente complejo y se hacen con la ayuda de la computadora. Para evaluar la importancia del diseño sísmico puede consultar el mapa sísmico considerando en la norma de diseño sismo resistente E.030 vigente desde 1997, donde el territorio del Perú queda dividido en tres zonas asignándole a cada una un valor de acuerdo al riesgo sísmico. Para estructuras clasificadas como regulares y de no más de 45 metros de altura, un análisis estático de diseño sísmico puede ser suficiente. Este método aproxima las cargas dinámicas mediante un conjunto de fuerzas estáticas (Fuerzas de inercia) que se aplican lateralmente a la estructura. Estas fuerzas pueden actuar en forma simultánea en cualquier dirección y sus suma, es decir, la fuerza cortante (V) total en la base de la edificación de acuerdo a la Norma E.030 viene dada por la siguiente expresión. V

ZUCS P R

∑

Donde:  Z: Factor de Zona La Norma E.030 como ya lo indicamos divide al territorio nacional en tres zonas sísmicas, a cada una de las cuales le asigna un factor Z, que viene a ser la aceleración máxima del terreno con una probabilidad de 10% de ser excedida en 50 años. Sílabo Estructuras y Cargas – 2014 I

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 S: Factor de suelo y Parámetro Tp (Condiciones Geotécnicas) La Norma E.030 considera cuatro perfiles de suelo, a tres de los cuales le asigna un factor de amplificación S y parámetro Tp. Esta clasificación toma en cuenta las propiedades mecánicas del suelo, el espesor del estrato, el periodo fundamental de vibración y la velocidad de propagación de la onda de corte.

Tipo S1 S2 S3 S4

Parámetros del suelo Descripción Roca o suelos muy rígidos Suelos intermedios Suelos flexibles o con estratos de gran espesor Condiciones excepcionales

T p (S) 0.4 0.6

S 1.0 1.2

0.9

1.4

*

*

(*) Los valores de T p y S para este caso serán establecidos por el especialista, pero en ningún caso serán menores que los especificados para el perfil tipo S 3.

 U: Factor de uso e importancia: El coeficiente U corresponde a la importancia de la edificación y la Norma E.030 considera cuatro categorías, asignándole a cada una un factor. Categoría A Edificaciones Esenciales

B Edificaciones Importantes C Edificaciones Comunes D Edificaciones Menores

Descripción Edificaciones esenciales cuya función no debería interrumpirse inmediatamente después que ocurra un sismo, como hospitales, centrales de comunicaciones, cuarteles de bomberos y policía, subestaciones eléctricas, reservorios de agua. Centros educativos y edificaciones que puedan servir de refugio después de un desastre. También se incluyen edificaciones cuyo colapso puede representar un riesgo adicional, como grandes hornos, depósitos de materiales inflamables o tóxicos. Edificaciones donde se reúnen gran cantidad de personas como teatros, estadios, centros comerciales, establecimientos penitenciarios, o que guardan patrimonios valiosos como museos, bibliotecas y archivos especiales. También se considerarán depósitos de granos y otros almacenes importantes para el abastecimiento Edificaciones comunes, cuya falla ocasionaría pérdidas de cuantía intermedia como viviendas, oficinas, hoteles, restaurantes, depósitos e instalaciones industriales cuya falla no acarree peligros adicionales de incendios, fugas de contaminantes, etc. Edificaciones cuyas fallas causan pérdidas de menor cuantía y normalmente la probabilidad de causar víctimas es baja, como cercos de menos de 1,50 m. de altura, depósitos temporales, pequeñas viviendas temporales y construcciones similares.

Factor U

1,5

1,3

1,0

(*)

(*) En estas edificaciones, a criterio del proyectista, se podrá omitir el análisis por fuerzas sísmicas, pero deberá proveerse de la resistencia y rigidez adecuadas para acciones laterales. Sílabo Estructuras y Cargas – 2014 I

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

C: Factor de Amplificación Sísmica La aceleración máxima que recibe una estructura en su cimentación (amax=ZS) es amplificada en función a su periodo fundamental de vibración T. La Norma E. 030 permite calcular el factor C de amplificación de la respuesta estructural respecto a la aceleración en el suelo. .

2.5

;

2.5

Finalmente la aceleración de respuesta (an) de una estructura queda definida por: an =ZSC. El periodo fundamental de la estructura T para cada dirección se determina con la siguiente expresión: T Donde: CT: 35 CT: 45 CT: 60 hT : 

Para edificios cuyos elementos resistentes en la dirección considerada sean únicamente pórticos. Para edificios de concreto armado cuyos elementos sismorresistentes sean pórticos y las cajas de ascensores y escaleras. Para estructuras de mampostería y para todos los edificios de concreto armado cuyos elementos sismorresistentes sean fundamentalmente muros de corte. Altura total de la edificación en metros

R: Coeficiente de Reducción de Fuerza sísmica Los sistemas estructurales se clasifican según los materiales usados y el sistema de estructuración sismorresistente predominante en cada dirección. Según la clasificación que se haga de una edificación se usará un coeficiente de reducción de fuerza sísmica (R) y se tendrá un límite de altura especificado en la Norma E.030.

Sistema Estructural Acero Pórticos dúctiles con uniones resistentes a momentos. Otras estructuras de acero: Arriostres Excéntricos. Arriostres en Cruz. Concreto Armado Pórticos (1). Dual 2). De muros estructurales (3). Muros de ductilidad limitada (4). Albañilería Armada o Confinada (5). Madera (Por esfuerzos admisibles)

Coeficiente de Reducción, R Para estructuras regulares (*) (**) 9,5 6,5 6,0 8 7 6 4 3 7

1. Por lo menos el 80% del cortante en la base actúa sobre las columnas de los pórticos que cumplan los requisitos de la NTE E.060 Concreto Armado. En caso se tengan muros estructurales, estos deberán diseñarse para resistir una fracción de la acción sísmica total de acuerdo con su rigidez. 2. Las acciones sísmicas son resistidas por una combinación de pórticos y muros estructurales. Los pórticos deberán ser diseñados para tomar por lo menos 25% del cortante en la base. Los muros estructurales serán diseñados para las fuerzas obtenidas del análisis según Artículo 16 3. Sistema en el que la resistencia sísmica está dada predominantemente por muros estructurales sobre los que actúa por lo menos el 80% del cortante en la base. 4. Edificación de baja altura con alta densidad de muros de ductilidad limitada. 5. Para diseño por esfuerzos admisibles el valor de R será 6 (*) Estos coeficientes se aplicarán únicamente a estructuras en las que los elementos verticales y horizontales permitan la disipación de la energía manteniendo la estabilidad de la estructura. No se aplican a estructuras tipo péndulo invertido. (**) Para estructuras irregulares, los valores de R deben ser tomados como ¾ de los anotados en la Tabla. Para construcciones de tierra referirse a la NTE E.080 Adobe. Este tipo de construcciones no se recomienda en suelos S3, ni se permite en suelos S4. Sílabo Estructuras y Cargas – 2014 I

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 P: Peso de la edificación El peso P, se calculará adicionando a la carga permanente y total de la edificación un porcentaje de la carga viva o sobrecarga que se determinará de la siguiente manera. - En edificaciones de las categorías A y B, se tomará el 50% de la carga viva. - En edificaciones de la categoría C, se tomará el 25% de la carga viva. - En depósitos, el 80% del peso total que es posible almacenar - En azoteas y techos en general se tomara el 25% de la carga viva. - En estructuras de tanques, silos y estructuras similares se considerará el 100% de la carga que puede contener. Elementos no estructurales Se consideran como elementos no estructurales aquellos que estando no conectados al sistema resistente a fuerzas horizontales sus aporte a la rigidez del sistema es despreciable. En el caso que los elementos no estructurales estén aisladas del sistema estructural principal, estos deberán diseñarse para resistir una fuerza sísmica V, asociada a su peso P, tal como se indica a continuación. V = ZUC1 P Descripción - Elementos que al fallar pueden precipitarse fuera de la edificación en la cual la dirección de la fuerza es perpendicular a su plano. - Elementos cuya falle entrañe peligro para personas u otras estructuras. - Muros dentro de una edificación (dirección de la fuerza perpendicular a su plano) - Cercos - Tanques, torres, letreros y chimeneas conectadas a una parte del edificio considerando la fuerza en cualquier dirección - Pisos y techos que actúan como diafragmas con la dirección de la fuerza en su plano

Valores de C1

2.0 0.75 0.50 0.75 0.50

d. Cargas Impulsivas. Son aquellas que tienen corta duración, por ejemplo: las explosiones. Después que esta solicitación culmina, se produce el movimiento en vibración libre de la estructura. 2.3. Otras solicitaciones. Aparte de las cargas descritas existen otras solicitaciones, que pueden comprometer a la estructura y que, por lo tanto, deben contemplarse en el diseño. Ejemplo de estas solicitaciones son: el asentamiento de los apoyos, el cambio uniforme o diferencial de temperatura, los empujes de tierra, el deslizamiento del suelo, las tensiones residuales, los preesfuerzos, el fuego, las subpresiones de agua, las contracciones por secado del concreto, etc. 3. TRASMISIÓN DE CARGAS: Un edificio es la superposición de varias unidades de vivienda, separadas por una losa plana horizontal delgada llamada diafragma rígido, la cual se apoya en muros y vigas constituyendo el piso del nivel superior y el techo del inferior. Los elementos del primer piso transmiten al terreno su peso propio, sobrecarga y el que reciben de los pisos superiores El contacto con el terreno firme se produce por medio de la cimentación, cuya geometría y profundidad dependen de las cargas impuestas (CM + CV) y de la resistencia del terreno (σt)

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Los elementos estructurales: cimentación, muros, vigas y techos deben formar un conjunto monolítico (trabazón mecánica óptima) capaz de resistir las cargas verticales y las cargas horizontales producidas por el sismo. Lo más importante es que el proyectista estructural logre continuidad entre los elementos estructurales, de esta forma el edificio responderá como una sola unidad frente al sismo; las cargas distribuirán proporcionalmente a las rigideces de los elementos; vale decir, que cada uno tomará un porcentaje de la carga total. Pero si la trabazón mecánica entre los elementos resistentes es deficiente no se logrará una transferencia de esfuerzos adecuada; entonces el sismo accionará en forma independiente sobre cada uno en forma proporcional a su masa (F = m.a) originando una concentración de esfuerzos muy peligrosa.

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