La presión básica del viento q depende, a su vez, de la altura de la construcción sobre el nivel del terreno y de la ubicación de la construcción; a este respecto se distingue si la construcción se encuentra en una ciudad, o en campo abierto o frente al mar. Valores típicos de la presión básica para este último caso son q = 70 kg/m2 para una altura de 4 m sobre el suelo, q = 126 kg/m2 para una altura de 20 m, y q = 145 kg/m2 para una altura de 40 m.
En cuanto a la influencia de la forma del cuerpo, cabe destacar que la norma establece en primer lugar la manera de calcular la superficie sobre la que se hará incidir la acción del viento, dependiendo si esta superficie es plana o curva, de la yuxtaposición de varias superficies y de las perforaciones que pudiera tener la superficie. Se considera a continuación un factor de forma que depende de los factores anteriores y del hecho que la construcción sea abierta o cerrada. A modo de ejemplo ilustrativo, en la Fig. 1.9 se muestran los factores de forma para dos tipos muy usuales de galpones cerrados de paredes planas.
Figura 1.9 Acción del viento para dos formas de galpones cerrados
d) Combinaciones de cargas
Una vez determinadas las reacciones y esfuerzos internos debido a cada una de las solicitaciones detalladas anteriormente, debe estimarse la forma en que se combinan dichas solicitaciones para obtener el valor de diseño. Debe recordarse que las cargas correspondientes a las diversas solicitaciones están asociadas a distintas probabilidades de ocurrencia y además han sido estimadas con diferentes niveles de confianza; por ejemplo, es usual que las cargas asociadas a las sobrecargas, nieve y viento tengan una baja probabilidad de ser excedidas durante el período de vida útil de la estructura; en cambio, las solicitaciones sísmicas estipuladas en la norma NCh433.Of96 tienen una mayor probabilidad de ser excedidas al menos una vez durante la vida útil de la obra.
Los aspectos anteriores son esenciales para comprender los estados de combinación de cargas que deben considerarse en el proceso de diseño, y se reflejan con nitidez en los estados asociados al diseño a la rotura o de capacidad última. Estos estados se estipulan normalmente en las normas de diseño relativo a cada material estructural, aunque hoy en día existe una tendencia a uniformarlos para cada tipo o criterio de diseño (Sección 1.1.3). Aunque los estados de combinaciones varían según la norma y el país, es usual considerar como mínimo la acción simultánea del peso propio y las sobrecargas, y además la combinación de los anteriores con alguna acción de tipo eventual como el viento, el sismo o la nieve; generalmente no se diseña para la acción simultánea de dos solicitaciones de naturaleza eventual.
A continuación se indican algunos ejemplos de estados de combinaciones de cargas que incluyen el peso propio (D), las sobrecargas (L), las cargas de viento (W) y las cargas sísmicas (E), tanto para el diseño elástico como para el diseño a la rotura. Las letras D, L, W y E corresponden a la primera letra de la palabra en inglés que las identifica: dead loads, live loads, wind loads y earthquake loads, respectivamente.
Combinaciones para diseño elástico: si A representa el estado de combinación de cargas, los estados siguientes son típicos de varias normas que usan este criterio de diseño:
En los últimos tres estados, que corresponden a combinaciones que incluyen una solicitación de tipo eventual, es usual que las normas permitan un aumento de 33 % en las tensiones admisibles de diseño.
Combinaciones para diseño a la rotura: se indican a continuación las combinaciones equivalentes a las anteriores contempladas en la norma norteamericana ACI 318-99 para estructuras de hormigón armado, donde U representa el estado de combinación de cargas para diseño último:
Ejemplo 1.3
Comparar los valores de los momentos flectores máximos en una viga para una misma carga vertical total, pero distribuida en forma diferente. En las vigas que muestra la figura la carga total es Q = (1-a)qL. Para las comparaciones usar a = 1/4 y a = 1/2 (carga triangular).
Figura E1.3
Solución: a) Para la viga simplemente apoyada el momento máximo al centro de la viga es:
Para a= 1/4 se obtiene M=0,1146qL2 y Q=3qL/4. Para esta última carga aplicada en forma uniforme (q’=Q/L = 3q/4) el momento flector máximo es M’ = q’L2/8 = 0,0938qL2, es decir, si en vez del caso real se supone que la carga es uniforme, el momento máximo se subestima en un 18 %. Si la carga es triangular M=qL2/12 y Q=qL/2. Si esta carga se distribuye uniformemente (q' = 0,59), el momento flector máximo es M' =qL2/16; en este caso suponer la carga uniforme en vez de triangular subestimaría el momento máximo en un 25 %.
b) Para la viga doblemente empotrada el momento en el empotramiento es:
Para a = 1/4 se obtiene M=-0,0742qL2. Si la carga se distribuye en forma uniforme M = -0,0625qL2. La diferencia en este caso es del 16 %. Para la carga triangular M = -0,052. Si la carga se reparte uniformemente M = -0,042, subestimándose el momento en un 19 %.
1.2 PRINCIPIOS DE MECANICA ESTRUCTURAL
1.2.1 El Método de la Resistencia de Materiales
Una parte fundamental del diseño es el “análisis de tensiones” que comprende la determinación de las tensiones en la sección de elementos sometidos a distintos tipos de solicitación. Este tipo de análisis, que se realizará con mucha frecuencia a lo largo del curso es típicamente uno de naturaleza estáticamente indeterminada, es decir, las ecuaciones de equilibrio son insuficientes para resolverlo y es necesario recurrir a herramientas adicionales. El método de la Resistencia de Materiales usa tres herramientas básicas para resolver cualquier problema de mecánica estructural: equilibrio, geometría, y relaciones tensión-deformación. Estas herramientas, analizadas en detalle en el curso de Mecánica de Sólidos, se resumen a continuación:
• Condiciones de equilibrio: para cualquier cuerpo en equilibrio y para cualquier parte de este cuerpo debe cumplirse:
Por ejemplo, si se aplica este principio al equilibrio que debe existir entre los esfuerzos internos y las tensiones resultantes en una sección de un elemento, se puede escribir en componentes (Fig. 1.10):
Figura 1.10 Sección de un elemento estructural
En estas fuerzas y momentos intervienen la resultante de las acciones en la sección (esfuerzos internos My y Mz de flexión, Mx = T de torsión, Vy y Vz de corte, y Fx = P esfuerzo normal o axial) y las tensiones en la sección. Simplifiquemos el problema y supongamos que las cargas actúan simétricamente con respecto al plano XY. Si además se considera una sección simétrica se tiene: