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ESTADOS LIMITES Ing. JAIME CRUZ DIAZ

Conceptos sobre los Estados Límites de una Estructura Cuando una estructura ó un elemento estructural ya no es capaz de cumplir con alguna de las funciones de uso para la cual fue concebida, se dice que ha alcanzado alguno de los Estados Límites.

En el diseño de estructuras de concreto armado, se reconocen, en general, tres grandes grupos de Estados Límites: 1. Estado Límite Ultimo 2. Estados Límites de Servicio 3. Estados Limites Especiales

1. Estado Límite Ultimo

1. Estado Límite Ultimo Involucra el colapso total o parcial. Este evento debe tener una probabilidad muy baja de ocurrencia ya que puede conducir a la pérdida de vidas humanas y pérdidas económicas importantes.

Los principales estados límites últimos son: a) Pérdida de Equilibrio

Los principales estados límites últimos son: a) Pérdida de Equilibrio b) Rotura o Agotamiento

Los principales estados límites últimos son: a) Pérdida de Equilibrio b) Rotura o Agotamiento c) Colapso Progresivo

Los principales estados límites últimos son: a) Pérdida de Equilibrio b) Rotura o Agotamiento c) Colapso Progresivo d) Formación de un Mecanismo Plástico

Los principales estados límites últimos son: a) Pérdida de Equilibrio b) Rotura o Agotamiento c) Colapso Progresivo d) Formación de un Mecanismo Plástico e) Inestabilidad (Pandeo)

Los principales estados límites últimos son: a) Pérdida de Equilibrio b) Rotura o Agotamiento c) Colapso Progresivo d) Formación de un Mecanismo Plástico e) Inestabilidad (Pandeo) f) Fatiga

a)Pérdida de Equilibrio

a) Pérdida de Equilibrio De una parte o de toda la estructura como sólido rígido, caso típico del volteo o del deslizamiento. Ocurre cuando las reacciones y/o restricciones necesarias para mantener el equilibrio no pueden desarrollarse.

VOLTEO

VOLTEO

DESLIZAMIENTO

b) Rotura o Agotamiento

b) Rotura o Agotamiento De alguno de los elementos estructurales que conlleva al colapso parcial o total. Casi todo el diseño en Concreto Armado que se estudia en este curso, tiene que ver con este estado límite.

COLAPSO TOTAL

COLAPSO TOTAL

PUENTE TACOMA

c) Colapso Progresivo.

c) Colapso Progresivo. La falla localizada de un elemento puede conducir a que los elementos adyacentes se sobrecarguen y fallen y así sucesivamente hasta que toda la estructura puede alcanzar el colapso. El colapso progresivo puede prevenirse o atenuarse mediante detalles adecuados del refuerzo que permitan “amarrar” a los elementos estructurales entre sí y ….

…. que provean trayectorias alternativas a las cargas en caso de una falla localizada. Este tipo de falla suele ocurrir con relativa frecuencia durante la construcción.

COLAPSO PROGRESIVO

COLAPSO PROGRESIVO

COLAPSO PROGRESIVO

d) Formación de un Mecanismo Plástico.

d) Formación de un Mecanismo Plástico. Cuando se forma un número suficiente de rótulas plásticas que conviertan a la estructura en inestable (mecanismo). Este estado límite es la base del denominado: • Diseño Límite o • Diseño Plástico o • Diseño por Capacidad.

FORMACION DE MECANISMOS

FORMACION DE MECANISMOS

FORMACION DE MECANISMOS

FORMACION DE MECANISMOS

e) Inestabilidad: Pandeo

e) Inestabilidad: Pandeo Es un fenómeno que puede darse en elementos comprimidos esbeltos, y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales a la dirección principal de compresión. Este fenómeno aparece principalmente en columnas (elementos verticales), y se manifiesta con la aparición de una flexión adicional en la columna cuando se halla sometido a la acción de esfuerzos axiales de cierta importancia.

Puede tratarse del pandeo local (aislado) de un elemento o del pandeo total de un grupo de elementos, por ejemplo el pandeo lateral de un entrepiso.

PANDEO

PANDEO

f) Fatiga.

f) Fatiga. Se manifiesta con la fractura o falla del elemento debido a la actuación de una carga repetida, de valor menor a la resistencia estática del material. Una fisura por fatiga puede propagarse lentamente hasta alcanzar un tamaño crítico a partir del cual crece de manera rápida pudiendo conducir al colapso casi instantáneo de la estructura afectada. Ocurre bajo cargas de servicio.

2. Estados Límites de Servicio No involucran colapso parcial o total, pero sí puede involucrar un mal funcionamiento de la estructura bajo cargas de servicio. Debido a que este estado tiene asociado un menor peligro de pérdidas de vidas humanas, generalmente se suele tolerar una mayor probabilidad de ocurrencia que para el caso de los estados límites últimos.

Los principales estados límites de servicio para el concreto armado son: a) Deflexiones Excesivas b) Fisuración excesiva c) Vibraciones Indeseables d) Corrosión de las armaduras de refuerzo

a) Deflexiones Excesivas Pueden generar un mal funcionamiento de la estructura con daños en los elementos no estructurales y suelen ser visualmente inaceptables ya que generan una sensación de inseguridad.

b) Fisuración excesiva A pesar de que el concreto debe fisurarse antes de que las armaduras de refuerzo sean efectivas, es posible detallar el refuerzo para lograr minimizar la fisuración (ancho de fisuras y número) del concreto por tracción. Una fisuración excesiva puede conducir a problemas de corrosión en las armaduras de refuerzo y a un deterioro progresivo del concreto. En el diseño, por ejemplo, de un reservorio destinado a contener agua, este estado controlará normalmente el diseño.

c) Vibraciones Indeseables Las vibraciones verticales de las losas de piso o los tableros de puentes así como las oscilaciones laterales en edificios ocasionados por el viento o sismo pueden originar un pobre comportamiento de la estructura. También sucede con las vibraciones ocasionadas por el tráfico o por la operación de maquinarias.

d) Corrosión de las armaduras de refuerzo Si bien en el concreto armado este estado se ha considerado normalmente dentro del los estados límites especiales, creo que dada la frecuencia con la cual se presentan problemas de corrosión en las estructuras de concreto armado, tanto en nuestro medio como en el mundo, este estado debería considerarse como uno específico dentro de los estados límites de servicio. La corrosión de las armaduras ocurre bajo cargas de servicio.

3. Estados Limites Especiales Involucran daño o colapso de la estructura debido a cargas o condiciones inusuales. Es el caso, por ejemplo de terremotos extremos, cargas de nieve extremas, inundaciones, tornados, explosiones, colisión de vehículos, incendios.

El diseño de una estructura por Estados Límites, normalmente involucra las siguientes etapas: 1) La identificación de los modos potenciales de falla o estados límites significativos. 2) La determinación de los niveles aceptables de seguridad ante cada estado límite. 3) La consideración, por el diseñador, de todos los estados límites significativos.

Para las estructuras o edificios usuales, las etapas 1 y 2 se fijan en los Códigos o Normas. En ellos se especifican las cargas de servicio, los factores de carga con los cuales hay que combinarlas, los factores de reducción de resistencia para las distintas solicitaciones que actúan en un elemento y los factores de seguridad mínimos.

En el diseño de edificios convencionales, se suele empezar por dimensionar las secciones y los refuerzos de acero utilizando para ello el estado límite último de rotura o agotamiento (Diseño por Resistencia). Posteriormente se realizan las verificaciones necesarias para asegurar que las dimensiones y refuerzos cumplen con los estados límites de servicio.

Se sigue esta secuencia ya que normalmente la función principal de los elementos estructurales de los edificios convencionales es la de resistir las cargas sin poner en riesgo a los ocupantes. En contraste, cuando se diseña un reservorio de concreto armado, el estado límite de fisuración es de igual importancia que el estado límite último ya que la estructura debe permanecer impermeable.

En este caso se suele empezar el diseño considerando el estado límite de servicio asociado al agrietamiento, para luego verificar la seguridad frente al estado límite de rotura.

BIBLIOGRAFIA • Ing. Gianfranco Ottazzi Pasino. Material de Apoyo para la Enseñanza de los Cursos de Diseño y Comportamiento del Concreto Armado. TESIS PUCP PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL. 2004.