DIFERENCIAMOS PESOS y de LOS TIPOS DE CARGAS APLICADAS A LAS ESTRUCTURAS
De máxima y esencial prioridad es, por una parte, comprender plenamente las diferentes formas de acción de las cargas sobre las estructuras, que aplican sus magnitudes de modo concentrado (cargas puntuales) y como cargas distribuidas (por unidad de área y/o por metro lineal), que pueden ser verticales (de ordinario) como también horizontales (cargas de vientos). Por la otra parte, es prioridad esencial asimismo determinar la dirección de aplicación de dichas cargas en los diferentes elementos componentes de las estructuras, así como las respectivas áreas de influencia sobre las cuales inciden.
II.
Definiciones básicas
ACERCA DE LOS TIPOS DE CARGAS – TEORÍA
Las Cargas
actuantes sobre las estructuras en general, tienen 2 DIRECCIONES:
·
Las Fuerzas Verticales: Pueden ser permanentes,
variables y/o accidentales y,
·
Las Fuerzas Horizontales, que son variables,
ocasionales y/o accidentales; aunque de gran significación en el
comportamiento y respuesta de las estructuras.
Las cargas de diversa índole que actúan sobre las estructuras, con frecuencia y en general se asocian a DOS conceptos esenciales, contrapuestos entre sí respecto a las cargas actuantes y las respuestas resistentes de los elementos componentes:
- Las Cargas actuantes son resistidas por las Estructuras,
- o pueden llegar a significar (eventualmente) la pérdida de sus
condiciones de prestar servicio para las cuales fueron proyectadas.
Falla estructural no necesariamente
significa colapso total. Las deformaciones excesivas de la estructura impiden a
menudo su funcionamiento adecuado y constituyen una falla tan seria como el
colapso. El colapso, entendido como ruptura o caída de la estructura tiene
lugar cuando ocurren fallas de algunos miembros principales o conexiones por deslizamiento
(cortante), arrancamiento (tensión o tracción), pandeo o
aplastamiento (por compresión) … o una combinación de factores que
desencadenen un desplazamiento cinemático secuencial. Cargas excesivas en
flexión, generan deformaciones inelásticas.
DESCRIPCIÓN DE TIPOS DE CARGAS
CONSIDERADAS – CLASIFICACIÓN
De las Cargas
Verticales
CARGAS
PERMANENTES: Son aquellas
relativas al PESO PROPIO de la Estructura de Acero y de todos los materiales
que estén permanentemente unidos o soportados por ella, así como de otras
cargas o deformaciones de carácter invariable en el tiempo.
El Peso Unitario
del Acero = 7.850 Kg/m³
CARGAS VARIABLES: Exceptuadas las ACCIONES
(ocasionales, muy específicas) por IMPACTO y las FUERZAS HORIZONTALES EN LOS
CARRILES DE LAS GRÚAS (Instalaciones Industriales) referidas en este mismo
Instructivo; las ACCIONES VARIABLES de uso que corresponden a las
sobrecargas que actúan normalmente sobre la estructura con una intensidad
variable en el tiempo, tales como la Carga Viva, otras Cargas o Deformaciones
debidas a la construcción o funcionamiento y a los cambios de temperatura; serán las Normativas estipuladas, tabuladas
y recogidas en la Carpeta de PESOS, CARGAS Y SOBRECARGAS de los ANEXOS correspondientes e incluidos como Herramientas de
Referencia y Operación del presente Curso.
En su defecto, se aplicarán las que sean pertinentes a las condiciones
especiales de uso involucradas.
Se tomarán en
cuenta todas las combinaciones de cargas que tengan una probabilidad no
despreciable de ocurrir simultáneamente, capaces de originar o inducir Tensiones Máximas en los
Elementos de la Estructura.
ACCIÓN DEL VIENTO: Las cargas y solicitaciones debidas al viento satisfarán
los requisitos pertinentes establecidos en estas Normas. (VER ANEXOS). Para construcciones a nivel del mar, las
cargas se incrementarán en un 33 %.
ACCIÓN DEL SISMO: Las estructuras situadas en localidades donde puedan
ocurrir sismos, se proyectarán de acuerdo con las Normas vigentes que cada país
se reserva a discreción estipular. En términos estructurales, este capítulo se
abordará posteriormente en la sección Análisis Sísmico de Estructuras, con las
consideraciones fundamentales a enfocar.
FUERZAS HORIZONTALES EN LOS CARRILES DE LAS GRÚAS: Cuando sea considerar el efecto de los carros móviles, la Fuerza Lateral en los carriles de las grúas será el veinte por ciento (20%) de la suma del peso de la carga levantada más el peso del carro (pero exceptuándose las otras partes de la grúa). Se supondrá que la Fuerza se aplica en el borde superior de los rieles, actuando en uno u otro sentido normal a éstos, y se distribuirá tomando debida cuenta de la rigidez lateral de la estructura que los soporta. Si no especifica otra cosa, la Fuerza Longitudinal se tomará como el diez por ciento (10%) de las cargas máximas en las ruedas de la grúa y se considerará aplicada en el borde superior de los rieles.
ACCIÓN de CARGAS ACCIDENTALES:
Se tomarán debidamente en cuenta las acciones accidentales, correspondientes a las sobrecargas ajenas al funcionamiento propio de la estructura y que pueden alcanzar valores significativos sólo en algunos instantes, tales como las debidas al VIENTO, al SISMO, o a otros eventos y condiciones extraordinarias; en función de probabilidades ciertas de ocurrencia, como IMPACTOS:
- En sistemas de cargas móviles de grúas sobre vigas carrileras (talleres, industrias)
- En ocasión de choques de vehículos (pesados en el cálculo) contra columnas en las proximidades de calles y avenidas del tránsito automotor.
CARGAS MÍNIMAS: Para las cargas no contempladas en las Normas Ordinarias (vigentes), se autoriza adoptar los valores mínimos recomendados por otros Reglamentos estipulados, siempre que se cite su procedencia, aplicabilidad, así como vigencia y restricciones.
III. Aplicación de las Cargas
CONCEPTOS BÁSICOS, PARÁMETROS Y VARIABLES FUNDAMENTALES
En términos estructurales existe una diferenciación entre: PESOS y
CARGAS, aun cuando
ambos son fuerzas verticales descendentes que aplican los cuerpos
(elementos) materiales en razón de su masa dentro del campo gravitacional de la Tierra.
DENSIDAD (Peso Específico) = PESO (Kg-f) / VOLUMEN (m³)
Por otra parte, en términos estructurales:
CARGA = EL VALOR DE UNA FUERZA VERTICAL
(descendente) EQUIVALIDA
(descompuesta) Y
EXPRESADA EN TÉRMINOS UNITARIOS DE ÁREA o DE METROS LINEALES (según requerido o asumido), cuyo valor puntual
resultante (absoluto, como carga concentrada) puede ser determinado y expresado
(de acuerdo a los sistemas de referencia usual y generalmente empleados) en
Kilogramos (Kg = Sistema MKS de medidas) o Libras (Lb = Sistema Inglés de
medidas).
En consecuencia, las CARGAS pueden ser
deducidas y/o expresadas en términos unitarios, de
acuerdo al ANÁLISIS que requiera hacerse de la influencia (valor) de ellas en
determinadas direcciones y propósitos.
Obsérvese que, de
modo ex profeso (propósito voluntario), los términos claves en esta discusión,
se han escrito en los esquemas gráficos descriptivos con letras mayúsculas, a fin de marcar la relevancia de estos
conceptos; en especial para aquellos instantes en los cuales ciertas dudas
pudieran surgir.
ANÁLISIS Y DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE CARGAS
* En determinadas circunstancias,
las Normas establecen los valores de cálculo en función de la velocidad del
viento y la altura de las edificaciones, así como los porcentajes de
las Cargas Normativas para componentes verticales y las acciones del viento
como efectos de succión, etc.
IV.
Normativas – Especificaciones – Protocolos de
Cálculo y Diseño
En términos estructurales se establece luego el
concepto de las CARGAS NORMATIVAS, las cuales, como su nombre lo indica, son producto
de las RESOLUCIONES por parte de las Autoridades sobre la materia,
para ser aplicadas con carácter obligatorio, de acuerdo a la especificidad de
determinadas circunstancias y restricciones de las condiciones de carga.
Cada país
se reserva el uso y aplicación de Normas propias, redactadas por sus
Autoridades en las materias a estudiar y analizarse, tras la recopilación de
una base de datos y experiencias compartidas con otras fuentes, prescritas en
compendios, algunos permanentes y otros experimentales.
En esta sección <sitio>, en procura de una
aplicabilidad amplia y confiable en diversidad de países, toda la temática
estructural está enmarcada, referida y sujeta básicamente a las Normas
Internacionales (AISC), (AWS), (ACI) y (ASTM), de la (American Institute of
Steel Construction), la (American Welding Society), la (American
Concrete Institute) y la (American Society for Testing and Materials)
respectivamente -entre otras-; de sobrada solvencia y confiabilidad, de general
y amplia aceptación.
Especificaciones – Valores referenciales de cargas
A efectos del presente Curso, sin identificar la
procedencia, aplicabilidad de valores de cargas en locaciones (países) en
particular, ni exigencias cónsonas con las necesidades propias de Terceras Instancias -muchas de las
cuales producto de variaciones climáticas y experiencias previas-, a continuación,
se presentan valores referenciales de carga, que son conclusivas y determinantes, altamente confiables, a juzgar por
la similitud existente con las demás.
Nota: Los Usuarios deberán por ley, conocer y aplicar
las Normas y Valores de cada país, de modo que toda acción analítica disponga
de fundamento.
Seguidamente, se adjuntan
los valores referenciales de cargas más utilizados en la práctica
regular, que sirvan de guía y contenido del presente Curso. Es obvio que los
Participantes deberán ir acopiando (recopilando) su propio material técnico
digital de información, que les permita responder profesionalmente en la
inmediatez, con la exactitud y confiabilidad que les son requeridas. En
Carpeta (adjunta aparte), se provee un extenso compendio.
Por ejemplo, en el contexto del término “CARGA VIVA (O SOBRE-CARGA)”, que se define como aquel valor de Fuerza aplicada en función del USO que se le dará a una determinada estructura (o elemento) y que es ejercida por:
- Personas (Usuarios de las estructuras, instalaciones o establecimientos) o
- Equipos (Maquinaria, Vehículos, Accesorios o Instalaciones Industriales) o
- Materiales diversos (Depósitos o Procesos) o una combinación de estos factores...
... la Norma fija valores unitarios específicos (expresados por unidad de área):
Por otra parte, en el contexto del término “CARGA MUERTA (O PERMANENTE)”, que se define como aquel valor de Fuerza aplicada en función del Peso Característico de determinados materiales y bajo particulares condiciones de acción (o presentación), la Norma establece valores específicos:
(VER ANEXOS). Como referencia, se tiene:
El estudio y manejo de la disciplina estructural
relativa al empleo de perfiles de acero en el Diseño y Construcción de
Edificaciones diversas como definimos las de las Soluciones
Habitacionales, Comerciales, Institucionales, Deportivas e Industriales,
hasta materializarlas y ponerlas en condiciones de servicio; puede resumirse en
una sucesión de actividades:
<Cargas>
+ <Tipos Estructura> + <Cálculo y Diseño> + <Fabricación y
Montaje>
<Cargas>
A estas
alturas de la exposición de este Curso, ya el Participante estará informado en
detalle de las características de las cargas actuantes sobre una determinada
estructura, que le permitan y aseguren la identificación correcta de las
incidencias de cálculo acerca de parámetros que definen los esfuerzos a los que
los diferentes componentes se exponen, para finalmente converger en una
acertada elección de los perfiles estructurales a emplear.
<Tipos de Estructuras> – Identificación de la circunstancia
estructural específica
LOS ELEMENTOS DE
UNA ESTRUCTURA PUEDEN TRANSMITIR CUATRO (4) TIPOS FUNDAMENTALES DE CARGAS Y SE
LES CLASIFICA DE ACUERDO CON ELLAS, COMO:
1) TENSORES, que transmiten
Cargas de Tensión, denotadas también de Tracción;
2) COLUMNAS, que transmiten
Cargas de Compresión;
3) VIGAS, que transmiten
Cargas Transversales, que inducen Esfuerzos de Flexión y,
4) EJES sometidos a torques,
que
transmiten Cargas de Torsión.
En todos los casos, los elementos componentes de una
estructura pueden estar sometidos a cargas de tipos aislados, así como a la
acción combinada de ellos.
ESTUDIOS DE PARÁMETROS Y VARIABLES DE
ACUERDO A LAS CARGAS
Los miembros componentes de una estructura pueden ser Perfiles
Laminados estándar (productos de coladas metalúrgicas) o bien estar formados
por varios Perfiles combinados, los cuales, actuando conjuntamente, logran
satisfacer las condiciones resistentes que sean requeridas. Se definen como
perfiles y elementos armados, capaces de proveer opciones especiales de
avanzada como soportes estructurales, conectados por medio de planchas
accesorias y/o segmentos de perfiles laminados y unidos por soldadura, remaches
o pernos.
<Protocolos de Cálculo y Diseño> – Generalidades
Respecto al presente Instructivo, los Protocolos de Cálculo y Diseño, siempre subordinados a las Normas Internacionales establecidas (y las de cada país que corresponda), se refieren básicamente a una Lista de Verificaciones Estructurales que conciernen en esencia a la identificación y determinación de los esfuerzos en la Fase de Cálculo (Nota 1) a los cuales resultaren sometidos cada uno de los componentes de una estructura. Consecuentemente, los valores numéricos resultantes de los cálculos, deberán contrastarse en la Fase del Diseño (Nota 2) con los parámetros característicos que los Fabricantes de Perfiles Estructurales aseveran ofrecer en su diversidad de productos para la construcción, aptos para las resistencias requeridas.
Nota: Conviene definir y diferenciar los conceptos generalizados que se tienen acerca del Diseño en la Construcción Civil. Se destaca y se ratifica la sensible diferencia existente entre el Diseño Arquitectónico y el Diseño Estructural:
El primero concierne fundamentalmente al manejo profesional del espacio, en aras de la implementación de conceptos ambientales para el uso funcional de las edificaciones que se proyectan para la optimización de las formas y el disfrute humano en todas sus expresiones y necesidades, en diversidad de ámbitos como personales, colectivos y recreacionales.
El segundo concierne a la determinación profesional de las estructuras de todas las características posibles y viables, que ofrezcan condiciones de servicio de estabilidad y seguridad total, a partir de necesidades funcionales y requerimientos específicos emanados de contratantes particulares u oficiales, pautados previa y generalmente por Anteproyectos y Proyectos Arquitectónicos.
Nota 1: La fase de <Cálculo> precede
al Diseño y contiene el compendio de verificaciones, fijando así la totalidad
de las condiciones a cumplirse para la materialización del Proyecto. Deberá
contener todas las Especificaciones Generales y Particulares para la construcción
y asentar constancia documental escrita concreta de cálculos y las instrucciones
constructivas, planos estructurales de detalles e indicaciones de fabricación, especificaciones
conexión de partes y maniobras de montaje y también las especificaciones de
los materiales a utilizar.
En lo que denominamos circunstancia de cálculo, corresponde al Ingeniero Estructural estudiar –previa y
conceptualmente–, todos aquellos elementos de análisis (parámetros y variables)
que se conjugan en las probabilidades de ocurrencia de eventos fortuitos
(cargas accidentales, por ejemplo) capaces de producir tensiones residuales o tensiones
activas por esfuerzos eventuales imprevistos, con infinitesimales
deformaciones indeseables que puedan derivar en un desplazamiento casual y
comprometer la estabilidad y/o la capacidad resistente de la estructura; con
desenlaces que pudieran llegar a ser funestos o por lo menos en la pérdida de
las condiciones de servicio de la misma.
Nota 2: La fase del <Diseño Estructural> concierne
a la Definición de los Sistemas Estructurales que habrán de constituir
las Obras físicamente terminadas, con determinación y selección de cada uno de
sus componentes, sean resistiendo en forma de perfiles aislados (por lo general
laminados) o por medio de elementos estructurales combinados para resistir las
condiciones particulares de carga a las que puedan resultar sometidos.
De la fase del Diseño Estructural se derivan todas
las especificaciones constructivas (de la fabricación de los elementos) con
lujo de detalles en planos de construcción, legibles e implementables por
cualquier constructor capacitado y especializado en la ejecución de obras de
mediana a gran magnitud y envergaduras. Se incluye la pertinencia de
conocimiento de cláusulas y requerimientos contractuales legales mínimos, de
asesoría.
Especial importancia tienen las consideraciones asumidas con relación a las conexiones de los elementos constituyentes de una estructura, su ejecución fabricada en tierra (por módulos soldados en taller) y las prescripciones para la ejecución de los montajes empleando los pernos o remaches de alta resistencia o conectores mecánicos determinados. Deberán incluirse las especificaciones para la ejecución de maniobras pesadas de montaje y de los equipos requeridos, según los pesos determinados de elementos o conjuntos de ellos (módulos). Logística de construcción.
<Fase de Fabricación y Montaje> – Planes y secuencias de ejecución
Con relación a la Fase de Fabricación de los elementos componentes de las estructuras, se está ante un panorama dimensional donde los milímetros cuentan de modo crucial. Por tanto, a los efectos de materialización de las obras, importa en gran manera los costos de insumos (aprovechamiento o desperdicios) y por otra parte las precisiones que determinan la facilidad constructiva o el pesar.
En principio, la Logística de Construcción
como tal es una destreza operativa conferida por la experiencia en el terreno
(sitios de obra) desde el punto de vista práctico. No obstante, desde el punto
de vista teórico, son muchas y variadas las inferencias que pueden ser adelantadas
desde el escritorio por parte del Ingeniero Estructural, especialmente las que
conciernen a disposiciones de montaje para mantener bajo control las tensiones casuales
que se generan en los diferentes elementos y componentes de la estructura, sin
obviar una de las más importantes como es disponer el pleno control en la seguridad del personal involucrado
en las operaciones.
PERO, surge el encuentro con una realidad incontestable propia de cada Profesional Estructural (salvo excepciones de casos), cual es la importancia capital de reconocer y de aceptar las limitaciones propias que se tengan con relación al desempeño de funciones y tareas concretas que igualmente por su parte constituyen una especialidad adquirida a efectos específicos, como pueden ser la ejecución de maniobras de montajes pesados que requieren personal especialista y equipos definitivamente específicos por igual.
Comentario final (de esta sección)
Hasta el presente, se han dado los conceptos básicos preliminares e imprescindibles para aventurarse en el ruedo del Cálculo y Diseño de Estructuras de Acero, orientado hacia la ejecución de construcciones metálicas convencionales, al impartirle a los Participantes de este Curso (gratuito, virtual) las nociones fundamentales que requieren disponer respecto al comportamiento del acero y las estructuras.
El conocimiento y correcto empleo de estos instrumentos de análisis básico, les permitirán descifrar plena y adecuadamente la forma de interacción de todas las variables que rigen la materia; de tal modo que puedan manejar los criterios estructurales aplicables a cada caso particular y hacer eventuales adecuaciones propias en sus hipótesis de trabajo, para materializar las ideas proyectadas en un propósito firme al alcance de la mano.
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Sigue: La Sección de Análisis y Concreciones – (Próxima
emisión)
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