Las cargas transversales que actúan sobre las estructuras deben ser absorbidas por sistemas de soporte de cargas transversales, como tirantes, tabiques, marcos, etc. Todos los edificios a construir deben tener sistemas de carga transversales.
Los efectos de las cargas laterales, como las cargas de viento y sísmicas, se vuelven críticos a medida que aumenta la altura del edificio. En los edificios altos se implementarán diferentes tipos de sistemas estructurales, como se describe en el artículo 14 Tipos de formas estructurales para edificios altos, según sea necesario.
Analicemos los diferentes tipos de cargas laterales que actúan sobre las estructuras. Se pueden observar los siguientes tipos de cargas laterales.
- cargas de viento
- Cargas sísmicas
- Agua
- Cargas terrestres
- Cargas nominales
cargas de viento
El viento es una carga lateral inevitable que actúa sobre las estructuras. Se vuelven críticos a medida que aumenta la altura del edificio. La presión del viento ejercida sobre el edificio y el momento flector en el nivel de la base aumentan a medida que aumenta la altura del edificio.
La variación de la presión del viento no es uniforme a lo largo de la altura del edificio. La tasa de aumento disminuye con la altitud. Sin embargo, para edificios pequeños existe un patrón de carga diferente.
La siguiente figura muestra la variación típica de las cargas de viento en estructuras altas.
La variación de la presión del viento debe calcularse en base a las normas pertinentes. Para calcular los impactos del viento, normalmente se tienen en cuenta la velocidad del viento en el lugar, las condiciones del área circundante, etc.
La siguiente figura muestra el método de aplicar cargas de viento a edificios pequeños.
En edificios más pequeños se pueden observar diferentes cargas de viento. Especialmente en las construcciones de acero actúan sobre la pared trasera presiones horizontales, presiones verticales hacia arriba y hacia abajo y fuerzas de succión.
Debido a que los elementos de acero tienen una rigidez menor que un elemento de concreto en un diseño de naturaleza similar, se debe prestar mucha atención a los vientos en el diseño de edificios de acero.
Las siguientes normas se utilizan en todo el mundo para el diseño de cargas de viento.
- CP3 Capítulo V Parte 2: 1972 - ( velocidad de ráfaga de viento de 3 segundos )
- BS 6399 Parte 2: 1997 – ( Velocidad media del viento por hora )
- BS EN 1991-1-4:2005 – ( velocidad media del viento en 10 minutos )
- AS/NZS 1170.2: 2002 – ( velocidad de ráfaga de viento de 3 segundos )
Pruebas en túnel de viento
Generalmente, al construir una estructura, se aplica presión del viento en dos direcciones perpendiculares. Además, las cargas de viento se calculan en función de factores que se supone representan el entorno circundante. Sin embargo, estos supuestos no reflejarían el comportamiento real de las estructuras.
Las ciudades se están desarrollando rápidamente. Cambian de repente. Esto afecta el patrón de flujo del viento.
Al planificar edificios más altos, es muy importante tener en cuenta las condiciones ambientales reales al planificar la energía eólica.
Es muy importante evaluar correctamente las cargas laterales en edificios altos. Incluso si la evaluación es hasta cierto punto correcta, debe existir un método para verificar el comportamiento de la estructura ante los impactos.
Para ello se realizan ensayos en túnel de viento para verificar las tensiones en el elemento estructural mediante un modelo a escala de la estructura real.
Para edificios altos, la realización de pruebas en un túnel de viento es de suma importancia para asegurar que la estructura se comporta de acuerdo con la carga aplicada en el modelo de análisis computacional.
Cargas sísmicas como cargas laterales.
Hay siete placas principales en la Tierra. Estamos en una de estas señales. El movimiento de una placa sobre otra provoca vibraciones y, como resultado, un terremoto.
Cuanto más cerca esté el límite de las placas, mayor será la magnitud del terremoto. Las zonas sísmicas se definen según la distancia al límite de la placa.
La magnitud de la carga sísmica se calcula en base a estas zonas sísmicas.
Existen diferentes normativas para el cálculo de la carga sísmica sobre una estructura.
Cargas sísmicas según UBC 1997
El siguiente procedimiento se puede utilizar para calcular las cargas transversales básicas que actúan sobre un edificio.
- Clasificación de estructuras: Dependiendo del tipo de estructura, los factores sísmicos se pueden encontrar en la Tabla 16-N.
- Determine el factor importante para la Tabla 16-K
- Utilizando el tipo de perfil del suelo y el factor de zona Sesimci de la Tabla 16-K, determine los valores de Ca y Cv de las Tablas 16-Q y 16-R, respectivamente.
- Determine el período estructural de la ecuación 30-8.
- Calcule el cortante base a partir de la ecuación 30-4.
- Verifique la fuerza cortante máxima de la Ecuación 30-5
- Verifique la fuerza cortante mínima de la Ecuación 30-6
- Determine la fuerza concentrada a partir de la ecuación 30-14.
- Encuentre la distribución vertical de las fuerzas cortantes a partir de la ecuación 30-13.
Después de calcular la carga lateral, podemos realizar el análisis. Este es un tipo de método de análisis estático. La fuerza cortante calculada se puede aplicar a cada piso. En este tipo de análisis, es más conveniente el análisis computacional.
También existen otros métodos, como el análisis del espectro de respuesta y el análisis del historial temporal. También son comúnmente utilizados por ingenieros civiles.
Cargas de agua como cargas transversales.
Al diseñar tanques de agua, presas u otras estructuras para retener líquidos, utilizamos el mismo método que cuando aplicamos presión de agua.
Se debe prestar especial atención a las tensiones causadas por la presión del agua en situaciones sísmicas. Si es necesario tener en cuenta los terremotos, se deben realizar los cambios necesarios en el perfil de presión del agua.
Al diseñar presas, aliviaderos, compuertas de aliviaderos, etc., se tienen en cuenta las fluctuaciones de presión con la altura provocadas por el terremoto.
El artículo Presión del agua causada por terremotos analiza el método para calcular el cambio de presión debido a un evento sísmico.
Cargas de tierra como cargas laterales sobre edificios u otras estructuras.
Si es necesario retener tierra, se deben realizar los cálculos necesarios para determinar el empuje de tierra correcto a aplicar a las estructuras.
En general, las estructuras inicialmente se diseñan para ser estables. Luego se comprueba la estabilidad.
- girar
- Sistemas deslizantes
- inspirador
Además, es necesario controlar la presión de contacto debajo de la base.
Los factores de seguridad requeridos deben cumplirse de acuerdo con la norma de diseño correspondiente. Generalmente, durante el diseño se tienen en cuenta los siguientes factores de seguridad.
- Respuesta = 1,5
- Deslizamiento = 1,5
- Ascensor = 1,2
El artículo Análisis de estabilidad de estructuras analiza en detalle los métodos que se deben seguir en los cálculos de estabilidad.
Dependiendo de las condiciones de fijación, es muy importante la selección del coeficiente de presión lateral del suelo adecuado. De lo contrario, se producirán resultados incorrectos.
- Estado activo
- En reposo
- Estado pasivo
El artículo Cálculo de la estabilidad de muros de contención explica el método de cálculo de los coeficientes de presión y proporciona un ejemplo práctico para una mejor comprensión.
Además, se utilizan las siguientes ecuaciones para calcular los coeficientes de presión.
En reposo
Ko = 1-senφ
Presión activa
Ka = (1-senφ) / (1+senφ)
Presión pasiva
Kp = (1+senφ) / (1-senφ)
El artículo Coeficiente de presión lateral de la tierra El cálculo del coeficiente de presión lateral y su aplicación se analizan con más detalle.
La presión activa y pasiva se pueden distinguir fácilmente. A medida que el suelo se mueve hacia la estructura, se crea una condición de presión activa. A medida que la estructura se mueve hacia el suelo, se crea una presión pasiva.
En reposo, no hay movimiento de la estructura. En general, la presión lateral aplicada a la estructura es mayor que el estado de presión activo.
¿Cuándo deberíamos considerar la hibernación?
Según la definición, el estado de reposo no representa movimiento de la estructura. Podemos utilizar el estado de reposo en los siguientes casos.
- Necesitamos una estructura rígida con deflexiones muy bajas. El coeficiente de presión en reposo se puede tener en cuenta para los cálculos. Cuanto mayor es la presión, mayores son los momentos flectores y las fuerzas cortantes. Por lo tanto, asegúrese de que la sección sea más gruesa y con una superficie de refuerzo comparativamente mayor. Entonces se reduce la deflexión.
- Utilizamos el modo de reposo para diseñar la mayoría de las estructuras hidráulicas. Se trata principalmente de estructuras de soporte de tierra. Además, el movimiento de estas estructuras afecta a la funcionalidad de los servicios mecánicos conectados a estas estructuras. Por ejemplo, las estructuras de puertas están unidas a muros de contención y suelen ser estructuras más altas, que pueden tener entre 10 y 20 m de altura. Debido a la altura de las estructuras, la deflexión en la parte superior es significativa, lo que puede no ser aceptable para servicios mecánicos. Por lo tanto, los diseñamos para presiones más altas para minimizar las deflexiones laterales.
- Además, debido a varios factores, la presión activa tiende a aumentar con el tiempo. Esto también se tiene en cuenta en este tipo de estructuras.
- La hibernación se considera para estructuras que no se pueden mover debido a restricciones. Por ejemplo, un muro de contención que está conectado a un edificio y no permite deformaciones importantes. Es aconsejable tener en cuenta la latencia, ya que ésta puede desarrollarse con el tiempo debido a restricciones de circulación en el suelo.
Cargas nominales
Todas las estructuras deben diseñarse para cargas ficticias. Esta es la carga mínima colocada sobre una estructura. También cubre todos los errores de diseño, distribuciones de momentos, etc. Sin embargo, se observa que al diseñar edificios, la gente a menudo olvida considerar las cargas ficticias como cargas laterales.
Para estructuras pequeñas, aplicamos las cargas ficticias al edificio como cargas horizontales durante el análisis.
Cuando las cargas de viento se vuelven críticas, comparamos la carga de viento considerada con la carga nacional y consideramos el valor más crítico para el análisis.
Las cargas de notorción se calculan considerando la mitad de la altura sobre el suelo y bajo rasante de una planta a otra. En el cálculo se tienen en cuenta todas las cargas permanentes que se encuentran dentro de este rango. El 1,5% del peso se ejerce como fuerza horizontal sobre ese suelo específico. Asimismo, se calculan cargas para todas las plantas y desde la planta baja hasta el nivel de la cubierta. Estas cargas deben aplicarse después de que se haya determinado el caso de carga crítica como se mencionó anteriormente.
