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• Tatiana Espinoza Eusebio

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“Año

de la consolidación del Mar de Grau” UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

ASIGNATURA: ESTRUCTURAS ESPECIALES DOCENTE: ING. DANIEL A. DIAZ BETETA

Estructuras Especiales Ing. Daniel A. Díaz Beteta

Fuerza u otras acciones que resulten del peso de los materiales de construcción, ocupantes y sus pertenencias, efectos del medio ambiente, movimientos diferenciales y cambios dimensionales restringidos.

1. CARGAS MUERTAS Son aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la estructura. Incluyen todos aquellos elementos de la estructura como vigas, pisos, techos, columnas, cubiertas y los elementos arquitectónicos como ventanas, acabados, divisiones permanentes. En la norma E.020 del RNE, se define la carga muerta como el peso de los materiales, dispositivos de servicio, equipos, tabiques y otros elementos soportados por la edificación, incluyendo su peso propio, que sean permanentes o con una variación en su magnitud, pequeña en el tiempo.

La principal carga muerta es el peso propio de la estructura. Sus valores se obtienen considerando el peso específico del material de la estructura y el volumen de la estructura. Aunque es el tipo de carga más fácil de evaluar, su monto depende de las dimensiones de los miembros de la estructura las cuales no se conocen al inicio del proceso. Es necesario recurrir entonces a estimaciones del valor inicial. Esta acción será más o menos aproximada,

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dependiendo de la experiencia del diseñador. En los casos comunes esta estimación inicial será suficiente; pero en casos no rutinarios, será necesario evaluar de nuevo el peso de la estructura y revisar el diseño. MATERIALES Se considera el peso real de los materiales que conforman y los que deberán soportar la edificación, calculados en base a los pesos unitarios que aparecen en la Tabla Nº1, pudiéndose emplear pesos unitarios menores cuando se justifiquen debidamente. El peso real se podrá determinar por medio de análisis o usando los datos indicados en los diseños y catálogos de los fabricantes.

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DISPOSITIVOS DE SERVICIO Y EQUIPOS Se considerará el peso de todos los dispositivos de servicio de la edificación, incluyendo las tuberías, ductos, equipos de calefacción y aire acondicionado, instalaciones eléctricas, ascensores, maquinaria para ascensores y otros dispositivos fijos similares. El peso de todo este material se incluirá en la carga muerta. El peso de los equipos con los que se amueble una zona dada, será considerado como carga viva.

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TABIQUES Se considerará el peso de todos los tabiques, usando los pesos reales en las ubicaciones que indican los planos. Cuando exista tabiquería móvil se considerará como carga viva.

2. CARGAS VIVAS Corresponden a cargas gravitacionales debidas a la ocupación normal de la estructura. Así como las cargas de tráfico en carreteras y puentes. Éstas pueden estar total o parcialmente en su sitio o no estar presentes, y pueden cambiar de ubicación. Su magnitud y distribución son inciertas en un momento dado, y sus máximas intensidades a lo largo de la vida de la estructura no se conocen con precisión.

Debido a la característica de movilidad y no permanencia de esta carga el grado de incertidumbre en su determinación es mayor.

Para efectos de diseño es el calculista quien debe responder por la seguridad de la estructura en su vida útil, para esto cuenta con las ayudas de las normas y códigos de diseño donde se especifican las cargas vivas mínimas a considerar.  NOTA: Las cargas vivas no incluyen las cargas ambientales como sismo o viento.

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CARGA VIVA DE PISO Carga Mínima Repartida: Se usará como mínimo los valores que se establecen en la Tabla 1 para los diferentes tipos de ocupación o uso, valores que incluyen un margen para condiciones ordinarias de impacto. Su conformidad se verificará de acuerdo a las siguientes disposiciones:  Cuando la ocupación o uso de un espacio no sea conforme con ninguno de los que figuran en la Tabla 1, el proyectista determinará la carga viva justificándola ante las autoridades competentes.  Las cargas vivas de diseño deberán estar claramente indicadas en los planos del proyecto. TABLA N°01 CARGAS REPARTIDAS kPa (kgf/m2)

OCUPACIÓN O USO Almacenaje

5,0 (500) Ver 6.4 Igual a la carga principal del resto del área, sin que sea necesario que exceda de 3,0 (300) Ver 6.4 3,0 (300)

Baños Bibliotecas Salas de lectura Salas de almacenaje con estantes fijos (no apilables) Corredores y escaleras Centros de Educación Aulas Talleres Auditorios, gimnasios, etc. Laboratorios Corredores y escaleras Garajes

7,5 (750) 4,0 (400) 2,5 (250) 3,5 (350) Ver 6.4 De acuerdo a lugares de asambleas 3,0 (300) Ver 6.4 4,0 (400)

Para parqueo exclusivo de vehículos de pasajeros, con altura de entrada menor que 2,40 m

2,5 (250)

Para otros vehículos Hospitales

Ver 9.3

Salas de operación, laboratorios y zonas de servicio Cuartos Corredores y escaleras

3,0 (300) 2,0 (200) 4,0 (400)

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Hoteles Cuartos Salas públicas

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

Almacenaje y servicios

5,0 (500)

Corredores y escaleras

4,0 (400)

Industria

Ver 6.4

Instituciones Penales Celdas y zona de habitación Zonas públicas Corredores y escaleras Lugares de Asamblea Con asientos fijos Con asientos movibles

2,0 (200) De acuerdo a lugares de asamblea 4,0 (400) 3,0 (300) 4,0 (400)

Salones de baile, restaurantes, museos, gimnasios y vestíbulos de teatros y cines. Graderías y tribunas Corredores y escaleras Oficinas (*) Exceptuando salas de computación Salas de archivo Salas de computación Corredores y escaleras Teatros Vestidores Cuarto de proyección Escenario Zonas públicas Tiendas Corredores y escaleras Viviendas Corredores y escaleras

4,0 (400) 5,0 (500) 5,0 (500)

archivo

y

2,5 (250) 5,0 (500) 2,5 (250) Ver 6.4 4,0 (400) 2,0 (200) 3,0 (300) Ver 6.4 7,5 (750) De acuerdo a lugares de asamblea 5,0 (500) Ver 6.4 5,0 (500) 2,0 (200) 2,0 (200)

(*)Estas cargas no incluyen la posible tabiquería móvil.

Carga Viva Concentrada  Los pisos y techos que soporten cualquier tipo de maquinaria u otras cargas vivas concentradas en exceso de 5,0 kN (500 kgf) (incluido el peso de los apoyos o bases), serán diseñados para poder soportar tal peso como una carga concentrada o como grupo de cargas concentradas.  Cuando exista una carga viva concentrada, se puede omitir la carga viva repartida en la zona ocupada por la carga concentrada.

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Tabiquería Móvil El peso de los tabiques móviles se incluirá como carga viva equivalente uniformemente repartida por metro cuadrado, con un mínimo de 0,50 kPa (50 kgf/m2), para divisiones livianas móviles de media altura y de 1,0 kPa (100 kgf/m2) para divisiones livianas móviles de altura completa. Cuando en el diseño se contemple tabiquerías móviles, deberá colocarse una nota al respecto, tanto en

los planos de arquitectura como en los de estructuras.

Conformidad Para determinar si la magnitud de la carga viva real es conforme con la carga viva mínima repartida, se hará una aproximación de la carga viva repartida real promediando la carga total que en efecto se aplica sobre una región rectangular representativa de 15 m2 que no tenga ningún lado menor que

3,00 m.

CARGA VIVA DEL TECHO Se diseñarán los techos tomando en cuenta las siguientes cargas vivas: a) Para los techos con una inclinación hasta de 3° con respecto a la horizontal, 100 kg/m2. b) Para techos con inclinación mayor de 3°, con respecto a la horizontal100 kg/m2 reducida en 5 kg/m2, por cada grado de pendiente por encima de 3°, hasta un mínimo de 50 kg/m2. c) Para techos curvos 50 kg/m2. d) Para techos con coberturas livianas de planchas onduladas o plegadas, calaminas, fibrocemento, material plástico, etc., cualquiera sea su pendiente, 30 kg/m2, excepto cuando en el techo pueda haber acumulación de nieve, en cuyo caso se aplicará lo indicado posteriormente. e) Cuando se trate de malecones o terrazas, se aplicará la carga viva correspondiente a su uso particular, según se indica en la Tabla 1. f) Cuando los techos tengan jardines, la carga viva mínima de diseño de las porciones con jardín será de 100 kg/m2. Excepto cuando los jardines puedan

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ser de uso común o público, en cuyo caso la carga viva de diseño será de 400 kg/ m2. g) El peso de los materiales del jardín será considerado como carga muerta y se hará este cómputo sobre la base de tierra saturada. Las zonas adyacentes a las porciones con jardín serán consideradas como áreas de asamblea, a no ser que haya disposiciones específicas permanentes que impidan su uso. h) Cuando se coloque algún anuncio o equipo en un techo, el diseño tomará en cuenta todas las acciones que dicho anuncio o equipo ocasione. CARGA VIVA PARA ACERAS, PISTAS, BARANDAS, PARAPETOS Y COLUMNAS EN ZONAS DE ESTACIONAMIENTO a)

Aceras y Pistas:

Todas las aceras y pistas o porciones de las mismas que no se apoyen sobre el suelo se diseñarán para una carga viva mínima repartida de 5,0 kPa (500 kgf/m2). Cuando estén sujetas a la carga de rueda de camiones, intencional o accidental, se diseñarán tales tramos de aceras o pistas para la carga vehicular máxima que se pueda imponer. b)

Barandas y Parapetos:



Las barandas y parapetos se diseñarán para las fuerzas indicadas en la

NTE E.030 Diseño Sismorresistente, las cargas de viento cuando sean aplicables y las que se indican a continuación. 

Las barandas y parapetos serán diseñados para resistir la aplicación

simultánea o no de las fuerzas indicadas en la Tabla 2, ambas aplicadas en su parte superior, tomándose la combinación más desfavorable. En ningún caso, la fuerza horizontal y la fuerza vertical total serán menores que 1,0 kN (100 kgf).

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

Cuando las barandas y parapetos soporten equipos o instalaciones se

tomarán en cuenta las cargas adicionales que éstos impongan. c)

Columnas en Zonas de Estacionamiento

A no ser que se les proteja de manera especial, las columnas en las zonas de estacionamiento o que estén expuestas a impacto de vehículos de pasajeros en movimiento serán diseñadas para resistir una carga lateral mínima debida al impacto de 15,0 kN (1500 kgf), aplicada por lo menos a 0,60 m encima de la pista. 3. TIPOS DE CARGAS VIVAS EN VIVIENDAS, EDIFICIOS PUBLICOS E INDUSTRIAS Las cargas vivas son cargas no permanentes producidas por materiales o artículos, e inclusive gente en permanente movimiento. Cabinas, particiones y personas que entran y salen de una edificación pueden ser consideradas como carga vivas. Para simplificar los cálculos las cargas vivas son expresadas como cargas uniformes aplicadas sobre el área de la edificación. Las cargas vivas que se utilicen en el diseño de la estructura deben ser las máximas cargas que se espera ocurran en la edificación debido al uso que ésta va a tener y están determinadas con base a una parte variable y a una porción sostenida por el uso diario. Las cargas vivas dadas en los códigos tienen la intención de representar la suma máxima de todas las cargas que pueden ocurrir en un área pequeña durante la vida útil del edificio. En ningún caso las cargas vivas deben ser menores que las cargas vivas mínimas dadas en la Tabla 1.

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4. CARGAS DE VIENTO Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento y en especial las de más de 2 o 3 pisos de altura o en aquellas en las zonas donde la velocidad del viento es significativa o en las que debido a su forma, son más vulnerable a los efectos aerodinámicos. En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del viento pueden ser más importantes que las cargas debidas al sismo. En el Reglamento Nacional de Construcciones se trata muy brevemente este tipo de carga, por lo que, en esta publicación, se ha creído conveniente dar algunos conceptos y métodos de obtención de las cargas de viento, del trabajo " Efecto del Viento sobre las Estructuras ", desarrollado en la Universidad Nacional de Ingeniería. Aunque el viento tiene naturaleza dinámica, es satisfactorio tratar al viento como una carga estática. Se entiende mejor los factores que actúan sobre la presión estática mediante la ecuación siguiente:

𝐩 = 𝐂𝐏 . 𝐂𝐫 . 𝐪 Donde p = Intensidad de la presión estática equivalente; Cp = Coeficiente que depende de la forma de la estructura; Cr = Coeficiente que depende de la magnitud de las velocidades de las ráfagas del viento y de la flexibilidad vertical. q = Intensidad de la acción dinámica del viento, donde 𝑞 = 0.5 𝜌. 𝑣 2 y 𝜌= densidad del aire; v = velocidad del viento de diseño a la altura H sobre el suelo en la cual p se calcula, o una altura característica de la estructura.

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Aquí se tomará en cuenta solamente los factores dependientes de la forma de la estructura y los coeficientes de ráfaga mas no así los de los coeficientes de topografía por ser casos especiales El flujo del viento alrededor de los edificios es un proceso extremadamente complejo y no puede ser descrito por reglas simples. La amplia variedad en tamaño y forma de los mismos, tipo de exposición al viento, topografía local así como la naturaleza fortuita del viento tiende a complicar el problema. Las características de estos flujos sólo se pueden establecer a través de observaciones directas en tamaño natural o recurriendo a pruebas en túneles de viento. Sin embargo, la conducta puede ser fijada considerando algunas situaciones de flujo típicas. Flujo típico del viento alrededor de edificios Una situación de flujo típico se ilustra en la Figura 1.4 donde el viento está soplando sobre una cara del edificio con techo a dos aguas. Los flujos son lentos o desacelerados a medida que se acercan al edificio, produciéndose una presión positiva en la cara de barlovento. Creada la obstrucción, por causa del edificio, este flujo se vuelca alrededor de las esquinas y del techo. El flujo separado (llega a ser separado de la superficie del edificio) en estos puntos y la baja presión, por debajo de la presión atmosférica, origina una presión negativa o succión en los muros extremos y en cierta porción de los techos. Una gran zona de baja presión de flujo retardado es creada a sotavento del edificio, la cual produce una succión en el muro de sotavento y a sotavento del techo.

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Las presiones en esta zona no son estables ni uniformes, sin embargo, se ha establecido que los flujos no se alteran apreciablemente con un cambio en la velocidad del viento. Las presiones actuantes en un techo dependen completamente de su inclinación; son generalmente positivas en la zona de barlovento para inclinaciones mayores de 30 grados pero para inclinaciones menores, la cara a barlovento del techo puede estar sujeta a succiones severas y que alcanzan un máximo a una inclinación de 10 grados aproximadamente. Bajo condiciones de vientos extremos estas succiones pueden vencer el peso propio requiriéndose para este caso, un adecuado sistema de anclaje Velocidad del Viento Se deben considerar diversos aspectos en la selección de una velocidad de viento, sobre la cual se basan las cargas de diseño para edificios u otras estructuras. En ellos se incluyen la climatología del área geográfica, la rugosidad del terreno en general, el aspecto de la topografía local, la altura del edificio y el nivel aceptable del riesgo de exceder la carga de diseño. La medición de datos de viento y el procedimiento para obtener velocidades básicas fueron discutidos anteriormente. Para el análisis estadístico de las velocidades máximas de viento, los datos deben ser confiables y constituir un grupo homogéneo. Para Perú, el SENAMHI es la entidad encargada de recoger sistemáticamente esta información. En los códigos modernos las velocidades básicas del viento de diseño están especificadas claramente en términos probabilísticos y con el conocimiento de probabilidad de ocurrencia de velocidades altas de viento, obtenidas de un análisis estadístico de los registros de velocidades de viento. Existen algunos procedimientos básicos para el cálculo de estas probabilidades de ocurrencia de vientos extremos. La naturaleza de las variables propuestas para que funcione un modelo apropiado de viento extremo es proporcionado por las distribuciones probabilísticas de los valores altos. La selección de un intervalo medio de recurrencia (IMR) con la cual hay asociada una cierta velocidad básica del viento, depende de la función del edificio y las consecuencias de su falla. En

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este texto se recomienda se use un IMR de 50 años y se tome en cuenta el Mapa Eólico que se adjunta, donde se presentan las isotacas elaboradas en la UNI, y que permiten establecer la velocidad máxima esperada en diversos puntos del territorio nacional en un período de 50 años. Existe también una variación de la velocidad del viento con la altura de la edificación. Cargas de diseño por Viento: La ocurrencia de presiones o succiones p debidas al viento en superficies verticales horizontales o inclinadas de una edificación serán consideradas simultáneamente y se supondrán perpendiculares a la superficie sobre la cual actúan. La carga de viento depende de la forma. Dicha sobrecarga p sobre la unidad de superficie es un múltiplo de la presión dinámica q y se expresa así:

𝐩 = 𝐂𝐏 . 𝐂𝐫 . 𝐪 (𝒌𝒈⁄𝒎𝟐 )

1.1

Donde Cp = coeficiente de presión y Cr = coeficiente de ráfaga (ambos son números abstractos 𝐪 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟓 𝒗𝟐 (𝒌𝒈⁄𝒎𝟐 ) En donde v está en kilómetros por hora. La velocidad básica del viento se obtendrá de los Mapas Eólicos. En ningún caso se tomarán presiones dinámicas menores de q = 15 kg/m2 Las presiones pueden ser positivas (presión) o negativas (succión), determinadas por un coeficiente Cp, positivo o negativo y serán consideradas como diferenciales con relación a la presión atmosférica normal. Ver Tablas correspondientes. Presiones interiores: Cuando el porcentaje de abertura "n" de alguna de las paredes de la construcción sea mayor de 30% de la parte de área expuesta que corresponde a dicha planta, en adición a las presiones o succiones exteriores se

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deberán considerar presiones o succiones calculadas según la ecuación (1.1) con valores Cpi siguientes: Si la abertura se encuentra al lado de barlovento Cpi = 0.8 Si la abertura se encuentra al lado de sotavento Cpi = -0.5

Para valores de "n" menores de 30%, se considerarán para el cálculo de las presiones internas los valores de Cpi más desfavorables entre los especificados a continuación: Si la abertura se encuentra al lado de barlovento Cpi = 0.8n/30 ± (1-n/30) Si la abertura se encuentra al lado de sotavento Cpi = -0.5n/30 ± (1-n/30) Si la construcción no tiene aberturas, se tomará Cpi = ± 0.3

Coeficientes de Ráfaga: Para estructuras cuya esbeltez o dimensiones horizontales reducidas las hacen sensibles a las ráfagas de corta duración y cuyos períodos largos favorecen a la ocurrencia de oscilaciones importantes como, por ejemplo, edificios de relación de aspecto de 5 a 1 y con período fundamental de más de 2 segundos o con altura de más de 60 m, se recomienda usar un Coeficiente de Ráfaga Cr = 1.7 en la ecuación (1.1)

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5. CARGAS DE NIEVE La estructura y todos los elementos de techo que estén expuestos a la acción de carga de nieve serán diseñados para resistir las cargas producidas por la posible acumulación de la nieve en el techo. La sobrecarga de nieve en una superficie cubierta es el peso de la nieve que, en las condiciones climatológicas más desfavorables, puede acumularse sobre ella.

En zonas en la cuales exista posibilidad de nevadas importantes, deberá prestarse especial atención en la selección apropiada de las pendientes de los techos.

La carga de nieve debe considerarse como carga viva. No será necesario incluir en el diseño el efecto simultáneo de viento y carga de nieve.

CARGA BASICA DE NIEVE SOBRE EL SUELO (𝑸𝒔 ) Para determinar este valor deberá tomarse en cuenta las condiciones geográficas y climáticas de la región donde se ubicara la estructura la carga básica se establecerá de un análisis estadístico de la información disponible en la zona, para un periodo medio de retorno de 50 años.

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El valor mínimo de la carga básica de nieve sobre el suelo (Qs) será de 0.40kPa (40kgf/m2) que equivalen a 0.40m de nieve fresca (peso específico de 1kN/m3 (100kgf/m3) o a 0.20m de nieve compactada (peso específico de 2kN/m3 (200kgf/m3) CARGA DE NIEVE SOBE LOS TECHOS (𝑸𝒕 ) a) Para techos a una o dos aguas con inclinaciones menores o iguales a 15° (pendiente 27%) y para techos curvos con una relación flecha/luz 0.1 ó ángulo vertical menor o igual a 10° (calculado desde el borde hasta el centro) la carga de diseño (Q) sobre la proyección horizontal será: 𝑸𝒕 = 𝑸𝑺 b) Para los techos a una o dos aguas con inclinaciones comprendidas entre 15º a 30º y la carga de diseño (Qt) sobre la proyección horizontal será: 𝑸𝒕 = 𝟎. 𝟖𝟎𝑸𝒔 c) Para techos a una o dos aguas con inclinaciones mayores que 30º la carga de diseño (Qt) sobre la proyección horizontal será: 𝑸𝒕 = 𝑪𝒔 (𝟎. 𝟖𝟎𝑸𝒔 ), Donde 𝐶𝑠 = 1 − 0.025( θº − 30º)

6. CARGAS DE SISMO La carga sísmica es un concepto utilizado en ingeniería sísmica que define las acciones que un sismo provoca sobre la estructura de un edificio y que deben ser soportadas por esta. Se trasmiten a través del suelo, las estructuras adyacentes o el impacto de las olas de los maremotos.

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Las cargas de sismo en edificaciones son cargas en dirección horizontal, y se aplican en los centros de masa de los entrepisos de las edificaciones. Las fuerzas de sismos son generadas por movimientos telúricos de la corteza terrestre, movimientos que no se pueden predecir. Se tiene que tomar en cuenta estas fuerzas en todo proyecto arquitectónico. Para esto se calculara el cortante en la base de la edificación, con la cual nos permitirá determinar el pre-dimensionamiento de los muros de corte, que serán quienes absorberán las fuerzas sísmicas. Para un buen comportamiento sísmico de una edificación deberá cumplir con los siguientes conceptos:  Simetría, tanto en la distribución de masas como en las rigideces.  Peso mínimo, especialmente en los pisos altos.  Selección y uso adecuado de los materiales de construcción.  Resistencia adecuada.  Continuidad en la estructura, tanto en planta como en elevación.  Ductilidad.  Deformación limitada.

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Para el cálculo de la fuerza sísmica en la base se utiliza los conceptos estipulados en la Norma E-030-2003 “Diseño Sismo resistente”, del Reglamento Nacional de Edificaciones.

Dónde: 

V: Fuerza cortante en la Base de la Edificación.



Z: Factor de Zona.



U: Factor de Uso.



C: Coef. De amplificación Sísmica.



S: Factor de Suelo.



R: Factor de reducción.



P: Peso de la edificación.

Factor de Zona: El territorio nacional se considera dividido en 4 zonas, como se muestra en la. La zonificación propuesta se basa en la distribución espacial de la sismicidad observada, las características generales de los movimientos sísmicos y la atenuación de éstos con la distancia epicentral, así como en información neo tectónica.

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Factor de Uso e Importancia: Cada estructura debe ser clasificada de acuerdo con las categorías indicadas en la Tabla. El coeficiente de uso e importancia (U), definido en la Tabla se usará según la clasificación que se haga.

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Factor de Amplificación Sísmica: De acuerdo a las características de sitio, se define el factor de amplificación sísmica (C) por la siguiente expresión:

Dónde: 

Tp y Tl son periodos que encontramos en tablas en RNE E-030

Factor de Reducción: Los sistemas estructurales se clasificarán según los materiales usados y el sistema de estructuración sismo resistente predominante en cada dirección tal como se indica en la Tabla N°7. Según la clasificación que se haga de una edificación se usará un coeficiente de reducción de fuerza sísmica (R). Para el diseño por resistencia última las fuerzas sísmicas internas deben combinarse con factores de carga unitarios. En caso contrario podrá usarse como (R) los valores establecidos en Tabla N°7 previa multiplicación por el factor de carga de sismo correspondiente.

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Cuantificación de las cargas sísmicas: La estructura de un edificio debe resistir al mismo tiempo acciones diferentes como es el caso del peso propio, el sobrepeso de la ocupación, el viento. Las particularidades de las acciones de un sismo hacen difícil conjugar un cálculo con todas las acciones al mismo tiempo, por lo que en el cálculo se suelen utilizar como cargas sísmicas unas cargas convencionales que producirían sobre el edificio los mismos daños que el terremoto. Estas cargas sísmicas se suelen calcular generalmente de dos modos: 

Por fuerzas estáticas equivalentes: Se establece sobre la estructura un

sistema de fuerzas puras que son equivalentes a soportar un sismo. Generalmente son fuerzas horizontales situadas en el centro de masas de cada planta. Es el método más sencillo y el que se suele utilizar mayoritariamente. 

Por consideraciones energéticas: Se establece sobre la estructura una

transmisión de energía que es equivalente a soportar un sismo. Es un cálculo más complejo y menos utilizado, pero permite el cálculo de sistemas estructurales y tipos de sismo cuyo comportamiento no se adecúa bien a sistemas de fuerzas estáticas. El dimensionamiento de las cargas sísmicas para una estructura determinada depende principalmente de: 

El terremoto de proyecto según el que se espere en la zona en la que se sitúe el edificio. Normalmente las normativas definen el terremoto de proyecto a través de su aceleración sísmica.



El tipo de suelo sobre el que se sitúa el edificio. Los terrenos demasiado blandos amplifican las vibraciones del suelo.



La distribución de masas del edificio. Al ser un sismo en esencia un movimiento, los daños en el edificio se forman debido a la inercia que intenta mantener al edificio en su estado original. La inercia depende directamente de la masa, por lo que a mayor masa mayores cargas sísmicas.



Las características de las ondas de gravedad del maremoto esperable en la zona del edificio.

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7. CARGAS DE IMPACTO O CARGAS VIVAS MÓVILES Son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es coincidente con la dirección en que se produce la carga. Se caracterizan por un tiempo de aplicación muy breve (instantánea). Ejemplos: choque de un vehículo; movimiento sísmico; publico saltando sobre gradas en estadios deportivos; acción de frenado (sobre paragolpes en estación terminal de trenes); etc. Todas las cargas dinámicas (móviles o de impacto) tienen un efecto posible que es la resonancia. Todas las estructuras son en cierta medida elásticas, en el sentido que poseen la propiedad de deformarse bajo la acción de las cargas y de volver a su posición normal luego de desaparecer dicha acción .Como consecuencia, las estructuras tienden a oscilar.



Automóviles

Las zonas que se usen para el tránsito o estacionamiento de automóviles y que estén restringidas a este uso por limitaciones físicas se diseñarán para la carga repartida pertinente a las zonas de estacionamiento de tales vehículos, aplicada sin impacto. 

Camiones

Las cargas mínimas, su distribución y el diseño de barandas y topes, cumplirán con los requisitos aplicables a puentes carreteros. 

Ferrocarriles

Las cargas mínimas y su distribución cumplirán con los requisitos aplicables a puentes ferrocarrileros.

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

Puentes — Grúa

a) Cargas Verticales La carga vertical será la máxima real sobre rueda cuando la grúa esté izando a capacidad plena. Para tomar en cuenta el impacto, la carga izada se aumentará en 25% o la carga sobre rueda se aumentará en 15%, la que produzca mayores condiciones de esfuerzo. b) Cargas Horizontales La carga transversal total, debida a la traslación del carro del puente-grúa, será el 20% de la suma de la capacidad de carga y el peso del carro. Esta fuerza se supondrá colocada en la parte superior de los rieles, actuando en ambos sentidos perpendicularmente a la vía de rodadura y debe ser distribuida proporcionalmente a la rigidez lateral de las estructuras que soportan los rieles. La carga longitudinal debida a la traslación de la grúa será el 10% de la reacción máxima total, sin incluir el impacto, aplicada en la parte superior del riel y actuando en ambos sentidos paralelamente a la vía de rodadura. 

Teclas Monorrieles

a) Cargas Verticales La carga vertical será la suma de la capacidad de carga y el peso del tecle. Para tomar en cuenta el impacto, la carga vertical se aumentará en 10% para tecles manuales y en 25% para tecles eléctricos. b) Cargas Horizontales La carga transversal será el 20% de la suma de la capacidad de carga y el peso del tecle. 

Ascensores, Montacargas y Escaleras Mecánicas

Se aplicarán las cargas reales determinadas mediante análisis o usando los datos indicados en los diseños y especificaciones técnicas del fabricante. 

Motores

Para tomar en cuenta el impacto, las reacciones de las unidades a motor de explosión se aumentarán por lo menos en 50% y las de unidades a motor eléctrico se aumentarán por lo menos en 25%. Adicionalmente se deberá considerar las vibraciones que estos puedan producir en las estructuras; para ello se tomarán en cuenta las especificaciones del fabricante.

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8. CARGAS SOBRE PUENTES Conceptos y normas sobre las cargas Entre las diversas solicitaciones que se deben considerar en el diseño de los puentes, se tiene: El peso propio, la carga viva, el impacto, el frenado, el viento, la fuerza de la corriente de agua, la subpresión, la fuerza centrífuga, el sismo y otras particulares como ser el choque de los hielos, etc. Las magnitudes de estas solicitaciones están basadas en datos empíricos y están definidas en normas o reglamentos para el diseño de los puentes. En el presente texto se usan las normas AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation Officials) cuya aplicación fundamental es para puentes camineros.

El

Cargas por peso propio y peso muerto. peso

propio

(pp)

es

una

carga

que

debe

ser definida

previo

predimensionamiento de la estructura y en ningún caso debe ser menospreciada y tampoco exagerada ya que la limitación de la longitud de los vanos fundamentalmente se debe al peso muerto de las estructuras. Para el prediseño se tiene una serie de datos que guardan relación con obras que ya han sido construidas. Este peso depende de las dimensiones finales de los elementos; para su determinación se podrán usar los valores unitarios de algunos materiales más empleados

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Peso muerto (carga muerta CM), está constituido por el peso de todas las partes sobrepuestas del tablero que no forman parte de la estructura resistente, por ejemplo: capa de superficie de rodadura (asfalto), veredas, barandas, rieles, durmientes, cables, tuberías, balasto, etc. El peso muerto se calcula de acuerdo a las propiedades y dimensiones de los materiales en cada caso particular. -

Carga viva

La carga viva en los puentes está constituida por el peso de los vehículos más los efectos derivados por su naturaleza dinámica y móvil. Además, en el caso de los puentes urbanos, se debe considerar la carga viva peatonal en las veredas Para evitar las confusiones que muchas veces se presenta, es necesario comprender y diferenciar adecuadamente lo que son estas distintas cargas: Cargas reales que circulan por el puente, - Cargas máximas legales - Cargas de diseño Las cargas reales: Son cargas móviles que realmente circulan por un puente, estas son de magnitud y distribución muy variada, por ejemplo, un camión volvo de 26.5 toneladas tiene mayor peso que un micro-bus. Las cargas máximas legales. Son las cargas máximas que están autorizadas a circular libremente por las carreteras y puentes de la red vial. Cada país tiene al respecto sus normativas para el peso máximo por eje. Además, nuestro país es firmante de la decisión Nº 94 del Acuerdo de Cartagena que fija las cargas mínimas para el diseño de los puentes de la red vial de todos los países del Grupo Andino. Carga viva de diseño. La carga viva de diseño, es aquella que se utiliza para el diseño estructural. En vista del amplio espectro de tipos de vehículos que pueden actuar sobre un puente de carretera, lo que se hace es utilizar un sistema hipotético de cargas y no un sólo camión de diseño. Con dicho sistema de cargas, debe ser posible simular las condiciones más desfavorables que causan los vehículos reales normales. La carga viva que el proyectista debe utilizar en el diseño se establece en Normas, Códigos o Especificaciones de diseño de puentes. En la fecha, en nuestro país no existe un reglamento para el diseño de

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puentes. Durante muchos años se ha utilizado las especificaciones americanas de la AASHTO y desde hace algunos años se emplea especificaciones como ser especificaciones españolas. En esta sección nos referimos únicamente a la parte básica de la carga viva, es decir la componente vertical estática que transmiten los vehículos al puente. La amplificación dinámica y demás efectos derivados por la naturaleza móvil de la carga viva, son tratados más adelante. -

Carga viva para puentes de carretera

Según el reglamento AASHTO, la carga viva a considerar en el diseño de puentes debe ser: - El camión de diseño. - La carga equivalente. - La carga de ejes tándem - Otras cargas mayores (sobrecargas).

Al camión más pesado de las normas AASHTO, se le denomina H20-S16 ó HS20 y tiene un peso total de 36 toneladas americanas que equivale a 32.67 toneladas métricas. Camión de Diseño (Camiones tipo). Adoptando la nomenclatura del sistema internacional y del AASHTO, se distinguen los tipos M y los MS. Los camiones M están formados por dos ejes de ruedas espaciadas a 4.3 m. (ver figura 4.1) con las ruedas delanteras pesando la cuarta parte de las traseras. Cada eje consta de dos ruedas las que están espaciadas a 1.8 m. Pertenecen a este grupo los camiones M18 y M13.5 cuyos pesos son de 20 y 15 toneladas inglesas respectivamente (cada tonelada inglesa tiene 2000 libras). En unidades del sistema internacional los pesos de los ejes son los que se detallan en la figura 4.1. Los camiones MS están formados por un camión M y su acoplado S, es decir que el M es el detallado anteriormente y su acoplado corresponde a la adición de un eje trasero cuya separación es variable entre 4,3 y 9.0 m. (ver figura 4.2). Pertenecen a este grupo el MS18 y MS13.5 con pesos en toneladas inglesas de 36 y 27 respectivamente. En todos los casos incluida la carga equivalente, el

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ancho mínimo de cada faja de tráfico para el diseño es de 3 m. pudiendo alcanzar un máximo de 4.5 m. Carga equivalente. Tiene la misma nomenclatura que los camiones M, cubriendo a su vez los correspondientes MS. La carga equivalente está constituida por una carga distribuida , que se puede aplicar por tramos o sectores acompañada de una sola carga puntual, que tiene valores diferentes según sea para corte o para momento flector .Esta carga abarca el ancho de una faja de tráfico mínima de 3 metros, en consecuencia se trata de una carga distribuida en superficie y una carga tipo borde de cuchillo En la figura 4.3, se muestran estas cargas equivalentes aplicadas a un ancho mínimo de faja de 3 m., observándose una carga por unidad de longitud y otra puntual. Esta puntual se aplica una sola vez en las líneas de influencia, sin embargo, existe un caso en el que se aplican dos puntuales tipo borde de cuchillo y es cuando se calcula el momento máximo sobre un apoyo interior.

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Todos los vehículos anteriormente descritos fueron establecidos el año 1944 bajo la notación inglesa de H para los camiones sencillos y HS para los que llevan acoplado. La equivalencia de estas notaciones pueden ser mejor apreciadas en la tabla.

En resumen, los camiones tipo están constituidos por cargas puntuales por lo que resulta interesante aplicar el teorema de Barre para la ubicación de los momentos máximos en vigas simplemente apoyadas. En la actualidad ya se cuenta con un camión tipo de mayor peso, debido a que en el transporte se vio la necesidad de contar con un vehículo de mayor capacidad, esto llevó a la aparición de un nuevo camión tipo el HS - 25 , el cual tiene un incremento del 25 % del HS-20.

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El eje Tándem: El eje tándem está formado por la carga de dos ejes de 12 ton. c/u con una separación de 1.20 m. longitudinalmente. Transversalmente, la separación entre eje de ruedas es de 1.8 m.

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Otras cargas mayores (Sobrecargas): Las nuevas especificaciones de la AASHTO (2002), contemplan la consideración en el diseño, de cargas vivas mayores a los del sistema HS20 (MS18 y M18) la carga viva mínima de diseño para puentes que soportan tráfico pesado es la carga HS20 o la carga de los ejes tándem. En tal estado de carga, las tensiones resultantes de las combinaciones de carga muerta, viva e impacto aplicadas en la totalidad de la sección transversal no deben ser mayores que el 150% de las fatigas admisibles de acuerdo al diseño. Cuando se consideran cargas vivas mayores (overloads), si el diseño es para cargas de servicio, se permite incrementar los esfuerzos permisibles; y si el diseño es en rotura, el factor de carga tiene que ser menor que el que se utiliza con la carga normal de diseño. La carga viva de la AASHTO se aplica al diseño de puentes ordinarios de hasta una longitud de 150 m.; para puentes de mayores luces, como los colgantes, atirantados, etc., se utilizan generalmente otros sistemas de carga viva. Es un hecho que las cargas reales que muchas veces circulan por nuestros puentes son bastante mayores que la carga de diseño del camión de la AASHTO, y que además existe una tendencia a que cada vez los camiones sean más pesados, es por ello que es conveniente entender, diferenciar y aplicar racionalmente los conceptos de carga viva de diseño, y de cargas vivas excepcionales además de los factores de carga que se utilizan en cada caso Reducción de la intensidad de cargas. Para puentes de más de dos vías, se debe reducir los efectos de la carga viva ante la menor probabilidad de que todas las vías de tráfico estén cargadas simultáneamente con sus valores máximos. La AASHTO recomienda aplicar transversalmente la carga viva de acuerdo a lo siguiente.

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La reducción de la intensidad de las cargas en las vigas transversales será determinada como en el caso de los reticulares principales o vigas maestras, utilizando el ancho de la calzada, el cual deberá ser cargado para reproducir los máximos esfuerzos en las vigas transversales. -

Fajas de transito

Las cargas por faja de tránsito o camiones se supondrá que ocupan un ancho mínimo de 3 m. pudiendo alcanzar un máximo de 4.5 m. Las cargas serán colocadas en una faja de transito diseñada con un ancho de: N W W c  Donde: W = Ancho de la faja de tránsito. N = Numero de fajas de transito Wc = Ancho libre de calzada entre bordillos.

En la tabla se dan los anchos para diferentes fajas de tráfico:

-

Impacto.

Definición. Del Latín Impactus que quiere decir efecto de una fuerza aplicada bruscamente. Las solicitaciones producidas por las cargas M o MS deben ser incrementadas para los ítems del grupo A, por concepto de efectos dinámicos, vibratorios y de impacto. No se aplicará el impacto a los ítems del grupo B. a) Grupo A

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1. La superestructura incluyendo columnas resistentes de acero o concreto, pies derechos, torres de acero o pórticos, y en general aquellas partes de la estructura que se extienden encima de la fundación principal. 2. La porción por encima de la línea de tierra de los pilotes de concreto o acero que estén rígidamente conectados con la superestructura como en el caso de pórticos u otras estructuras continuas. b) Grupo B 1. Estribos, muros de contención, pilas y pilotaje con excepción de lo especificado en el grupo A – 2. 2. Fundaciones. 3. Estructuras de madera. 4. Cargas en las aceras. 5. Alcantarillas y otras estructuras con un relleno superior a 0.9 m. La cantidad permisible en que se incrementan los esfuerzos para la evaluación del impacto, se expresa como una fracción de los esfuerzos por carga viva, y se determina con la formula siguiente:

𝐼=

15 ≤ 0.3 𝑙 + 38

Donde: I = Fracción de la carga viva por impacto con un máximo de 30 % L = Longitud en metros de la porción de la luz que se carga para provocar los máximos esfuerzos en el miembro. Para uniformar su aplicación, la longitud cargada, "L", se considerará específicamente como sigue:

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- Para pisos de calzada, usar la luz de cálculo - Para miembros transversales, tales como piezas de puente, usar la luz libre del miembro, entre centros de apoyo. - Para calcular momentos debidos a cargas de camiones, usar la luz L del tramo; y en el caso de tramos en voladizo, se usará la longitud desde el centro de momentos hasta el eje más alejado del camión. - Para esfuerzos cortantes debido a cargas de camiones, se usa la longitud de la parte cargada de la luz, desde el punto en consideración hasta el apoyo o la reacción más alejada; con excepción de los tramos en voladizo, donde se considerará para el impacto por corte como el 30% de la carga viva. - En vigas continuas, se empleará la luz considerada para momentos positivos y para los momentos negativos, se usará el promedio de las dos luces adyacentes cargadas. Para alcantarillas con relleno menor a 0.9 m. se tiene: 𝐼 = 0.3 −

ℎ2 ℎ − 4.05 9

Donde h es la altura de relleno en m. -

Fuerza centrífuga.

Se define como la fuerza de inercia que se manifiesta en todo cuerpo hacia fuera cuando se la obliga a describir una trayectoria curva. Es igual y contraria a la centrípeta (inercia es la resistencia que oponen los cuerpos a cambiar su estado o la dirección de su movimiento)

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Cuando un puente está ubicado en una curva, o es de planta en curva se debe considerar una fuerza radial horizontal la fuerza centrífuga que puede provocar momentos torsores importantes en la superestructura y esfuerzos cortantes a nivel de los apoyos y coronamientos de la infraestructura. Esta fuerza es igual a un porcentaje de la carga viva sin impacto, aplicada en todas las fajas de tráfico, de acuerdo a la siguiente formula: 𝑣2 𝐶0 = 0.79 𝑅 Donde: Co = fuerza centrífuga en porcentaje de la carga viva sin impacto V = velocidad de diseño en Km/hr. R = radio de curvatura en metros. -

Cargas en las aceras

Los pisos de las aceras, largueros y sus soportes intermedios serán diseñados para una carga viva de 4.15 kN/m2 . Vigas maestras, reticulares, arcos y otros miembros serán diseñados para la siguiente carga viva aplicada en la superficie de la acera: Luces menores a 7.6 m. de longitud......................... 4.15 kN/m2 Luces de 7.61m. a 30.00m. ......................................2,90 kN/m2 Luces mayores a 30.01 m. de acuerdo a la siguiente expresión: 𝑃 = (146.3 +

4461 16.8 − 𝑤 )( ) 𝐿 1520

Donde: P = Carga viva en kN/m2 (máximo 2.90 kN/m2) L = Longitud del miembro a verificar en m.

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w = Ancho de la acera en m. Al calcular los esfuerzos en las estructuras que soportan aceras en voladizo, la acera será considerada cargada en su totalidad solamente en un lado de la estructura si es que esta condición produce los máximos esfuerzos. Los bordillos de seguridad o bordillos anchos para el uso ocasional de peatones serán diseñados para las cargas especificadas anteriormente si es que el ancho del bordillo es mayor a 0.6 m. porque de ser menor no se aplica la carga viva. El ancho mínimo para que se pueda denominar acera es de 0.45 m. -

Choque

Es una fuerza horizontal de 7.5 kN/m provocada por el choque lateral de los automóviles contra los bordillos. Dicha carga se aplica a una altura máxima de 0.25 m. por encima de la capa de rodadura, y en caso de que el bordillo tenga menor altura esta carga debe ser aplicada en la parte superior.

-

Parapetos, postes y pasamanos.

Se prevén en los bordes de las aceras o directamente de las calzadas para proteger a los peatones o a los vehículos. En algunos casos se prevén parapetos vehiculares entre la calzada y la acera y al borde de la acera postes y pasamanos peatonales. Parapetos y barreras vehiculares Cuando el propósito de la vía es para uso exclusivo de vehículos, se debe prever en el puente parapetos de hormigón, metal o madera o una combinación, de forma tal que garantice que el vehículo no salga del puente y asimismo sufra un daño mínimo, para lo que es aconsejable darle continuidad y buenos anclajes,

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cuidando la estética del puente. En estos casos el reglamento AASHTO, recomienda tomar una fuerza horizontal total de 45 kN., la misma que puede ser fraccionada como se puede ver en la figura 4.8 donde se muestran algunos casos frecuentes.

Esta carga se la aplica perpendicularmente a la dirección del tráfico y concentrada ya sea en los postes o al medio de las barreras según cual sea el elemento que se está diseñando. La altura máxima de las protecciones debe llegar a 0.7 m. y si lleva parapeto, este a 0.45m Postes y pasamanos peatonales. Estos se disponen en pasarelas o puentes de ciudad donde las aceras y calzada coinciden con la sección de las calles. Sin embargo lo correcto es separar la calzada con los parapetos y barreras vehiculares detallados anteriormente y al borde de la acera los postes y pasamanos peatonales. En los pasamanos peatonales se aplican simultáneamente cargas distribuidas iguales a 0.75 kN/m. en el sentido vertical y ± 0.75 kN/m. en el horizontal. La altura del pasamanos superior debe llegar a 0.9 m.

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Parapetos, pestes, barreras y pasamanos mixtos. Tratándose de puentes de ciudad en correspondencia con vías que permiten circular a los vehículos con velocidades apreciables o cuando las aceras resultan muy bajas se recomienda hacer los diseños con este tipo de parapetos, en los que hasta los 0.7 m. de altura se aplican las solicitaciones especificadas en el ítem 4.1.10.1, en cambio el pasamanos que llega a los 0.9 m.

-

Fuerzas longitudinales.

Son provocadas por el frenado brusco de los vehículos y su magnitud está dada por el 5 % de la carga viva sin impacto aplicada en todas las fajas de tráfico y desarrollada en la misma dirección. Se emplea la carga equivalente y su correspondiente carga concentrada para momento según se detalla a continuación: 𝐹𝑟 = 0.05(𝑞 ∗ 𝐿 + 𝐶𝑚 )𝑛 Donde: Fr = Fuerza longitudinal debida al frenado. q = Carga equivalente del vehículo especificado. L = Longitud total del puente. Cm= Carga concentrada para momento.

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n = Numero de fajas de tráfico. El centro de acción de esta fuerza se encuentra a 1.8 m. sobre la capa de rodadura. -

Cargas debidas al viento.

Para los puentes regulares convencionales, se recomienda calcular las fuerzas de viento de acuerdo a los registros de viento de nuestro país. En aquellos casos en que la acción del viento pueda originar fenómenos vibratorios importantes (por ejemplo: Inestabilidad aerodinámica), se deberán realizar los estudios especiales correspondientes. Los puentes colgantes son los más sensibles a las acciones del viento. La presión ejercida por el viento incide tanto en la superestructura como en la carga viva y la infraestructura. Su dirección es variable, pero para el diseño se trabaja solo con las componentes en la dirección perpendicular al tráfico (sobre la elevación del puente) y paralela al tráfico. Viento en la superestructura. Estas solicitaciones vienen expresadas por unidad de superficie expuesta en elevación, es decir que esta superficie en elevación sirve para las dos componentes. Cuando se diseña la superestructura sólo se toman en cuenta las fuerzas transversales o perpendiculares al tráfico con valores de 3.75 kN/m2 para reticulares y 2.25 kN/m2 para vigas de alma llena. En cambio cuando se diseña la infraestructura, además de las reacciones en las dos direcciones transmitidas por la superestructura se tiene las presiones del viento aplicadas directamente en la infraestructura según se detalla en el inciso correspondiente. Las

fuerzas

transversales

como

longitudinales

transmitidas

por

la

superestructura para diversos ángulos de la dirección del viento son las que se indican en la tabla 4.5, en los que el ángulo de esviaje es medido entre la dirección del viento y la perpendicular al eje del camino. La dirección supuesta del viento será aquella que produce los máximos esfuerzos en la infraestructura debiendo ser aplicadas simultáneamente en las dos direcciones. En puentes corrientes con luces hasta de 50 m. se emplearán las siguientes cargas: Viento

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longitudinales en la superestructura. 0.60 kN/m2 Viento transversal en la superestructura. 2.45 kN/m2

Viento en la carga viva. Será considerada como una fuerza por metro lineal de estructura de acuerdo a la tabla 4.6 Dichas cargas se aplican a 1.80 m. por encima de la capa de rodadura. En puentes corrientes con luces de hasta 50 m. se emplearan las siguientes cargas. Viento longitudinales sobre la carga viva 0.60 kN/m. Viento transversal sobre la carga viva. 1.50 kN/m

Viento en la infraestructura Además de las reacciones por viento transmitidas por la superestructura se considerará una presión de 2 kN/m2 aplicadas en la dirección más desfavorable, tomando el esviajado con relación a la infraestructura, y luego se la descompone en dos direcciones una normal a la elevación de la infraestructura y otra perpendicular a ella.

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La componente normal a la elevación de la pila corresponde a los esfuerzos o solicitaciones que hemos designado como longitudinales en el conjunto del puente y en este caso inciden en la cara acotada con D, en cambio la componente frontal (transversal) actuará sobre la superficie acotada con B o según la forma de acabado de esta superficie se transmitirá por fricción en la superficie D. En la figura se muestra la dirección más desfavorable del viento sobre una pila, de manera que provoque en esta los máximos esfuerzos. De acuerdo a lo expuesto anteriormente, las componentes sobre la pila pueden ser deducidas en las siguientes formas: a) Tomando como resistentes las superficies D y B: Viento longitudinal: Viento longitudinal: 𝐹𝐿 =

𝑝𝑥𝐿𝑥𝐷𝑥𝐻 √𝐿2 + 𝐷2

Viento transversal: 𝐹𝑇 =

𝑝𝑥𝐷𝑥𝐵𝑥𝐻 √𝐿2 + 𝐷2

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b) Tomando como resistentes solo la superficie D: Viento longitudinal: 𝑝𝑥𝐿2 𝑥𝐷𝑥𝐻 𝐹𝐿 = 2 𝐿 + 𝐷2 Viento transversal: 𝑝𝑥𝐷2 𝑥𝐿𝑥𝐻 𝐹𝑇 = 2 𝐿 + 𝐷2

Donde: p = Presión del viento en la infraestructura = 2 kN/m2 L = Separación entre ejes de pilas en metros. D = Ancho de la pila en metros. B = Espesor de la pila en metros. H = Altura libre de la pila entre el nivel de aguas y su coronamiento en metros. Las unidades para FL y FT serán en Kilo-Newton kN.

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9. CARGAS SOBRE TORRES PARA ANTENAS Filosofía para el diseño Las Torres de antena de acero se construyen de acuerdo a los límites de diseño de los estados. Hay dos grandes estados límites para este tipo de estructuras e incluyen estados de fuerza y capacidad de servicio. Las torres de antena de acero son examinadas con el fin de garantizar que son seguras en condiciones de carga severas. También son evaluadas para asegurar que proporcionan servicio en condiciones normales. Clasificaciones de estructura Los requisitos de confiabilidad se utilizan para determinar cómo se clasifican las estructuras. Hay tres clasificaciones de estructuras de antena de acero. Categoría I consistirá en las estructuras de los requisitos de fiabilidad más bajos de las torres de antenas de acero y tienen la calificación más baja de riesgo de causar lesiones o la muerte y daños a la propiedad. Categoría II representa peligro considerable para la vida humana y la propiedad. Categoría III representan las estructuras de las instalaciones principales y evalúan el retorno y las cargas nominales de retorno. Cargas Las cargas de viento, el hielo y el terremoto tienen la capacidad de afectar la integridad de las torres de antena de acero. Los efectos de la velocidad del viento y la ráfaga pueden dañar o destruir una torre. Estas deben ser capaces de soportar las condiciones del viento y el peso adicional de hielo, mientras que prestan el servicio en condiciones climáticas frías. Las torres de antena de acero no son típicamente afectadas por las normas sísmicas a menos que estén diseñadas dentro de un área donde los terremotos son comunes. Carga muerta: Incluye el peso de la estructura más todos los elementos adicionales sujetos a ella.

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Carga viva: Suele especificarse en los códigos de construcción. Algunos tipos de cargas vivas pueden ser de naturaleza prácticamente permanente, aunque sujetos a remoción o reubicación. En una torre, por ejemplo, en que se instalan temporalmente antenas sobre las caras y luego se remueven. En edificios, las paredes o particiones removibles, elementos colgantes del techo, equipos, etc. La carga de suelo es parte de la carga viva. La carga viva que puede, o debe soportar una determinada estructura, se especifica en kg/m2 en el SI y en libras/pie2 o psf (1psf = 4.8824 kg/m2), en el sistema inglés. Carga de nieve: En estructuras sujetas a nevadas, es necesario tener en cuenta este factor. Los servicios meteorológicos suelen proporcionar información estadística relativa a la carga de nieve sobre el suelo (kg/m2). Lo más conveniente es disponer de información de la recurrencia de nevadas en los últimos cincuenta años cuando hay riesgo para la vida humana. La carga de nieve sobre un tejado o una superficie inclinada se obtiene multiplicando los valores de la carga de nieve sobre el suelo por un factor que depende de la exposición y configuración de la superficie expuesta. Algunos valores de este coeficiente, CN, para el caso de tejados planos, inclinados un ángulo  sobre la horizontal, pueden ser indicativos los siguientes:

Carga de viento: Presión de viento: La presión de viento está dada por: P  CP Q Donde CP es el coeficiente de presión, designado también como factor de forma y Q es la presión de velocidad, es decir, la presión causada por la velocidad del viento y que está dada por: Q  0.0324v2 kg/m2

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donde v es la velocidad del viento en km/h. Si la presión del viento es del exterior hacia el interior de la estructura, CP es positiva y si es del interior hacia el exterior, es negativa. Esto tiene que ver con el efecto de látigo que se menciona más adelante. En el caso de estructuras o torres sólidas, lo que no es muy usual en las torres que soportan antenas, el coeficiente de presión tiene valores entre 0.5 y 2, dependiendo de la forma del área transversal de la estructura. Los valores más altos (1.3 a 2) se tienen para secciones transversales cuadradas y con el viendo soplando normal a una de las caras. Si el viento sopla diagonalmente, este coeficiente tiene valores entre 1 y 1.5. Para estructuras en celosía, como es el caso de las torres de comunicaciones, los valores del coeficiente de presión, para miembros planos de la estructura están entre 1.6 y 2 y, para secciones circulares, menos frecuentes, entre 0.8 y 1.5. La velocidad del viento varía con la altura sobre el suelo y con el tipo de terreno, por lo que la presión de velocidad a una altura h sobre el suelo suele darse como: Qh= 0.0324 Kh v302 kg/m2 Donde Kh es un coeficiente dado por la fórmula (7) y v30 es la velocidad básica del viento, en km/h, a una altura de 10 m sobre el suelo. Se usa la velocidad a 10 m como referencia ya que esta es, por lo general, la altura a la que suele medirse. El coeficiente Kh está dado por la expresión siguiente:

hg se designa como gradiente de altura y es aquella a la que la velocidad del viento se supone constante.  es un coeficiente que depende de la exposición de la construcción al viento, entre otras cosas, de la orografía del terreno, de las características de los vientos dominantes y de las características de la propia estructura. Suelen designarse tres tipos de exposición al viento, A B y C; el primero, cuando la presión externa del viento es baja (del orden de 54 kg/m2), el segundo cuando es moderada (98 kg/m2) y el tercero, cuando es alta (del orden

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de 160 kg/m2) De acuerdo a esto, algunos autores suelen recomendar lo siguientes valores para  y hg:

Una cuestión importante en lo que se refiere la carga de viento, es que éste no sopla de forma constante y, con frecuencia, lo hace en ráfagas o rachas, lo que produce sobre las estructuras un efecto semejante al de un latigazo y, a causa de ello se designa como efecto de látigo. La presión efectiva del viento es, en estas condiciones, diferente a la dada por la ecuación (6), ya que debe tener en cuenta este efecto, y está dada por: Qef = GQ = 0.0324 Kh v302 Donde G es el factor de ráfaga, cuyo valor, basándose a la velocidad del viento a 10 m de altura, suele tomarse como 1.69.

10.

CARGAS

SOBRE

TORRES

PARA

LINEA

DE

TRANSMISIÓN Cargas En el diseño de la estructura y en función a su uso se deben considerar los siguientes tipos de carga: a) Cargas debidas a la masa propia de los componentes de la línea. b) Cargas debidas a eventos climáticos: Viento, temperaturas extremas y hielo (cuando se indique en las Características Particulares). c) Cargas debidas a maniobras de tendido durante la construcción.

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d) Cargas por mantenimiento. Condiciones básicas de carga Son las que deben ser consideradas para el diseño estructural de torres para líneas de transmisión y subtransmisión, tales como: a) Cargas que actúan directamente en la torre. - masa propia de la torre, de las cadenas de aisladores, herrajes y accesorios, - acción de viento sobre el cuerpo de la torre, cadenas de aisladores y herrajes, - cargas concentradas por tendido (masa de linieros y equipo, entre otros). b) Cargas que transmiten los cables a la torre. - por la masa propia de los cables que soporta y en su caso, por la masa de hielo que se acumule en estos, - por la acción de viento actuando sobre los propios cables, - por tensiones mecánicas en los cables (proyectadas en las direcciones que produzcan la carga máxima sobre la torre) en función a su máximo uso. Las cargas anteriores se denotan mediante las siguientes literales y deben ser expresadas en kN: PE = Carga vertical debida a la masa de la torre. PA = Carga vertical debida a la masa de las cadenas de aisladores, herrajes y accesorios. PC = Carga vertical debida a la masa de los cables conductores y de guarda.

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PCH = Carga vertical debida a la masa de los cables conductores e hilo de guarda y del hielo acumulado en éstos cuando aplique. PVM = Carga vertical debidas al personal y su equipo respectivo, aplicadas en las combinaciones de carga donde se hacen maniobras de tendido. PM = Cargas verticales debidas a mantenimiento. VA = Carga transversal por viento que actúa sobre las cadenas de aisladores y herrajes. VC = Carga transversal por viento que actúa sobre los cables conductores y de guarda. VCH = Carga transversal por viento reducido que actúa sobre los cables conductores y de guarda en los cuales se ha acumulado hielo. VE = Carga transversal producida por la acción de viento sobre la torre. VM = Velocidad regional máxima de viento asociada a un periodo de retorno de 50 años, en km/h. VR = Velocidad reducida de viento, igual al 50 % de la velocidad regional máxima de la zona de la línea para un periodo de retorno de 10 años, en km/h. TC = Carga debida a la tensión mecánica de los cables, proyectada en las direcciones longitudinal y transversal de la torre. CL = Componente longitudinal debida a la tensión mecánica del conductor o guarda, aplicada en el punto de sujeción de cables en el que se hace la maniobra de tendido. Combinaciones y factores de carga En la tabla 1 se establecen las combinaciones de carga que deben aplicarse para el diseño estructural de torres para líneas de transmisión y subtransmisión.

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TABLA 1 Combinaciones y factores de carga para las condiciones con y sin hielo Consideraciones básicas para el cálculo de las cargas Las consideraciones básicas para el cálculo de las cargas que se presentan en la tabla 1 y que se deben aplicar para el diseño estructural de torres para líneas de transmisión y subtransmisión, son las siguientes. a) El factor de carga vertical (FCV) en la hipótesis de carga por tendido debe ser: FCV = 1,5. b) El factor de carga global (FCG), para torres de suspensión FCG = 1,0; para torres de remate y deflexión FCG = 1,18. c) En las combinaciones de carga en las que se incluye TC, ésta se refiere a las tensiones mecánicas de los cables aplicadas en la dirección de éstos, es decir en la dirección de la línea de transmisión y se deben siempre proyectar en las direcciones longitudinal y transversal de la torre. En esta forma TC define a las fuerzas aplicables para torres de suspensión, deflexión y remate.

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Ejemplo Nº 01: Se tiene el presente tijeral de 20 mts de luz, con una altura de 4.00 mts en el centro, un ángulo de inclinación de la cobertura de 11°, un ancho tributario de 4.5 mts, el tijeral se encuentra a una altura de 15 mts desde el nivel de terreno natural. Se pide determinar las presiones que se ejercen sobre el tijeral. Nota: Suponer que la velocidad es 100Km/h. Ver Isotacas (Son curvas que unen igual velocidad de viento).

SOLUCION:

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Zonas donde el Tijeral tiene mayor Área de Influencia, es decir mayor carga por parte de la cúpula.

Para nuestro caso, V=100Km/h. con ello calculamos “Vh” y lo distribuimos en altura para luego proceder a calcular la carga por unidad de longitud .

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Ejemplo Nº 02: Se tiene una edificación cuya área techada por piso es de 300 m², en la ciudad de Chimbote, dicha edificación tendrá el uso de centro educativo, consta de 5 niveles. Determine el cortante basal de dicha edificación. Desarrollo: 1. El área techada total:

1500 m².

Peso aproximado de la edificación (100% Cm + 50% Cv) según la Norma E030: 1.2*1500 = 1800 Tn.

2. Factor de Zona:

Z = 0.45

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3. Factor de Uso(Educación):

U = 1.5

4. Factor de Suelo(Flexible):

S = 1.1

5. Factor de amplificación Sísmica: C = 2.5

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Estructuras Especiales Ing. Daniel A. Díaz Beteta

6. Factor de Reducción (Sistema Dual):

R = 7*3/4

7. Cortante en la Base por Fuerza Sismo: 636.43 Tn

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