combinaciones basicas de diseño asce-7

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4. CARGAS APLICABLES Y SUS COMBINACIONES

En este captulo se describen los diferentes tipos de cargas a ser tenidas en cuenta enlos anlisis, sus mtodos de evaluacin, y las diferentes combinaciones que aplican a losdiseos de las Estructuras.

4.1 CARGAS MUERTAS

Corresponden al peso de los elementos permanentes de las estructuras, como su pesopropio, y el peso de otros elementos que permanecern fijos durante la vida til. En laevaluacin de estos pesos se consideran los siguientes pesos unitarios de materiales:

Material Peso unitario (Ton/m3)Concreto reforzado 2,40Concreto simple 2,30Concreto ciclpeo 2,30Acero 7,80Pavimento asfltico 2,40Agua 1,00Materiales de Relleno 1,80 a 2,00Mampostera de ladrillo hueco 1,30Mampostera de ladrillo macizo 1,80Mampostera de piedra 2,20

Los pesos de otros posibles materiales que pudieran aparecer, sern indicados en lamemoria de cada estructura, explicando su origen.

En el caso de edificaciones, adems de las cargas de peso por unidad de volumendescritas anteriormente, se consideran las siguientes cargas muertas mnimas por unidadde rea, de acuerdo con la NSR-98:

Tipo de carga Carga por unidad de rea (Ton/m2)Pisos en Baldosn 0,10Cubiertas en Teja de A.C. 0,018Cubiertas en Tejas Metlicas 0,005 a 0,01Impermeabilizaciones 0,015Muros y particiones en unidades huecas 0,30

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DISENO ESTRUCTURALEDIFICACIONES PORTAL 170

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Muros y particiones en unidades macizas 0,35Ventanas 0,08Fachadas en ladrillo macizo y paete 0,30

Dentro de las cargas muertas se incluyen tambin los pesos de todos los equipos fijosque estn apoyados sobre las estructuras, y la evaluacin de las cargas en cada casoparticular corresponde a la informacin suministrada por los fabricantes de los equipos.Adems de las cargas de peso, en forma separada, se han de considerar las cargas queproduzcan los movimientos de estos equipos, dentro de la evaluacin de cargas vivas.

4.2 CARGAS VIVAS

Corresponden bsicamente a cargas gravitacionales que pueden variar durante laconstruccin u operacin de las estructuras, y que por ser de naturaleza variable, debeconsiderarse en el diseo su existencia o no, para determinar las condiciones de diseocrticas.

Para cargas de peatones en estaciones, la carga viva uniforme considerada ser de 500kg/m2. Esta carga se prescribe en la norma NSR-98, y aplica tanto a reas de reunincomo a circulaciones.

4.3 CARGAS DE VIENTO

Para la evaluacin de las cargas de viento que actan sobre las estructuras del tipoedificaciones, se har uso de la metodologa descrita en la norma NSR-98, Captulo B-6,para una velocidad de viento bsico de 80 kilmetros por hora, de acuerdo con el mapade amenaza elica de Colombia, corrspondiente a la regin 2, donde se localiza laciudad de Bogot. En los clculos se usar el denominado Anlisis Completo, queestablece la fuerza de viento de diseo con la siguiente ecuacin:

Vs = VS I S 2 S 3 Donde:

S 1 corresponde al coeficiente de Topografa, que se adopta de manera conservativacomo S 1 =1.10, usado en el caso de valles donde debido a su forma se concentra elviento.

S2 es el coeficiente de rugosidad del terreno, funcin de la cantidad de obstculos y de laaltura y el revestimiento de las edificaciones. En general, para las estaciones se estableceun nivel de Rugosidad 3, y una clase de revestimiento clase B. Con base en estosvalores, dependiendo de la altura de cada edificacin, se leer el coeficiente S2 de la tablaB.6.5-2 de la NSR-98. En general las edificaciones de las estaciones no excedern los 15metros de altura, para las cuales, S2=0.83


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S3 es un coeficiente que tiene en cuenta el grado de seguridad y la vida til de laestructura y su uso. Dado que las estaciones hacen parte de un grupo de uso especial, seadopta un coeficiente S3=1.05

Con estos parmetros, la Velocidad de diseo calculada para las edificaciones de lasestaciones ser Vs=77 kph.

La velocidad de viento de diseo se convierte a presin dinmica, q, en kN/m2 con laecuacin:

q = 0.000048Vs 2 S4

S4 corresponde un coeficiente relacionado con la densidad del aire, funcin de la alturasobre el nivel del mar. Para la altitud de Bogot, S4=0.73

Con estos valores, se obtiene que la presin dinmica para los anlisis de viento de lasestaciones ser de q=0.208 kN/m2, es decir, 20.8 kgf/m2.

Con este valor de presin dinmica, se procede a establecer los coeficientes de presin yde fuerza aplicables a cada estructura particular, segn su forma, sus dimensiones, laconfiguracin de cubiertas, etc. Esta evaluacin corresponde a cada clculo particular, yse debe hacer segn las indicaciones de las tablas B.6.7-1 a B.6.7-8 de la NSR-98.

Se hacen consideraciones especiales relacionadas con el uso de estructuras abiertas oparcialmente abiertas, con voladizos, y con caractersticas que puedan producir efectosadversos sobre las estructuras en conjunto, o sobre los elementos individuales.

4.4 CARGAS DE SISMO

Las cargas ssmicas para anlisis de cualquier estructura son funcin de la masaasociada al sismo (carga . muerta mas alguna proporcin de la carga viva), del Espectrode Diseo Ssmico adoptado, y de la capacidad de disipacin de energa de la estructura.En forma general,

FH = Sa

W , siendo W el peso de los elementos asociados al sismo, Sa la

ordenada del espectro, y R el coeficiente de disipacin de Energa. En general, todoespectro de aceleraciones se define como una ecuacin dependiente del Perodo. Paradeterminar el espectro se usarn los datos de amenaza local aplicables a cada estructura,el coeficiente de importancia, y el coeficiente de sitio.

En la evaluacin de las cargas ssmicas se utilizan espectros de diseo locales, definidosel Decreto Distrital 193 de 2006. Se hace uso de espectros provenientes de estudiosprevios de amenaza ssmica local ya aceptados por la DPAE. Se tienen en cuentaadems las consideraciones del Decreto 623 del 2006, donde se indican los espectros


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TelaTalaPerodo Estructural T (seg)

T=2.5 seg

-

Sa = Aren "

}NOTA: Las zonas com./muden a 1) descrita en elArticulo Terrero. -

**NOTA: Ver numeral 11 del pargrafo del ArtculoCuarto

Fa ti ,: Factor de Amplificacin de 1s Aceleracin

Fv,. : Factor de Amplificacin mnimo de laAcelerec in en el intervalo de -velocidadesconstantes


para T


De acuerdo con la distribucin de lmites de las Micro-zonas del Decreto Distrital 193 de2006, el Portal de la Calle 170 est en la divisoria entre zonas 1-A, 2-A. Se adopta comozona de diseo la 2-A, ms severa para diseo.

Considerando el contenido del decreto

El Coeficiente de Disipacin de Energa, R, es funcin de la clase de sistema estructuralque se adopte, segn su capacidad de disipar energa en el rango inelstico. En general,para las Edificaciones localizadas en Bogot, ubicada en Zona de Amenaza Intermedia,se especifican estructuras con capacidad de disipacin de energa moderada (DMO),para las cuales se asignan valores de R de acuerdo con las tablas A.3-1 a A.3-4 de laNSR-98. Las estructuras de tipo prtico DMO, bien sea que se trate de prticos de acero,o prticos de concreto, tienen un valor nominal de R=5.0, valor que se afecta por loscoeficientes de irregularidades en planta y alzado de cada estructura particular.

Para lo relacionado con el Coeficiente de Importancia, se adopta como criterio generalque las Edificaciones de las Estaciones son Construcciones Indispensables, catalogadasdentro del Grupo IV de la NSR-98. En este caso, el Coeficiente de Importancia seestablece con un valor de 1=1.30. Para lo relacionado con el Coeficiente de Sitio, que seencuentra implcito en los parmetros de Micro-zonificacin, los suelos de la zona seclasifican como tipo S-3, segn las indicaciones de los Estudios Geotcnicos.

Escogidos el espectro y el sistema estructural, se procede a evaluar la carga ssmicaevaluando el Cortante en la Base, el cual se distribuye a los diferentes niveles de laedificacin. Se escoge como mtodo de diseo para las edificaciones de las Estaciones elMtodo del Anlisis Dinmico (Modal), que representa de manera ms precisa elcomportamiento de las edificaciones ante un evento ssmico. Se escoge un nmero demodos de vibracin adecuado, de modo que en el clculo de la respuesta, en cada unade las direcciones principales, la masa participante no sea inferior al 90% de la masatotal. Adems, se tienen en cuenta los efectos bidireccionales del sismo, considerandohiptesis que contemplen el 100% de la carga ssmica en una direccin, y el 30% de lamisma en la direccin ortogonal, actuando simultneamente.

4.5 EMPUJES DE TIERRAS

Se harn consideraciones sobre empujes de tierras en edificaciones en las zonas dondeexistan muros de contencin, muros de stano, o donde existan elementos que debanresistir la accin de las tierras. El empuje horizontal estar definido en funcin del ngulode friccin interna del material y del ngulo de la superficie del terreno que se contiene,para las condiciones de Empuje Activo, de Reposo, o Pasivo, segn corresponda. Cadauno de estos tipos de presiones se relaciona con un coeficiente de empuje de tierras. Engeneral, la presin de tierras a una profundidad h sobre la superficie ser:


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h = K rh , donde K es el coeficiente de presin de tierras aplicable, y es elpeso especfico del material que se contiene, y h es la altura a la que se evala lapresin, medida desde la superficie. Cualquiera de los tres tipos de empuje se incrementade manera lineal con la altura, de modo que su resultante, la fuerza de empuje de tierrassobre una estructura, ser para la altura total H:

F=1

K TH

22 , con el valor de K aplicable segn el tipo de empuje (Ka, Ko Kp),

y con la altura total de la estructura. La resultante se coloca a una distancia de 1/3 de laaltura total medida desde la base.

El efecto ssmico en rellenos se evala en trminos de investigar posibles sobre-presiones en los sistemas de contencin de tierras por efecto de las cargas ssmicas.Para cuantificar este efecto hay diversas teoras. Una de las ms aceptadas es la teorade Mononobe-Okabe, que consiste en un anlisis seudo-esttico en el que se calcula elcoeficiente de empuje de tierras activo o pasivo (Ka Kp) en una condicin de sismo.Para efectos de los anlisis ssmicos de las estructuras de contencin se usar la teorade Mononobe-Okabe.

4.6 OTRAS CARGAS

Dependiendo de su importancia dentro del anlisis de cada elemento individual, se tienenen cuenta otras cargas, como los efectos de Temperatura, Contraccin, Creep delconcreto, etc. Su magnitud e importancia se evalan dentro de la memoria de clculo decada estructura, y en ella se incluye la descripcin detallada de los criterios utilizados enel anlisis.

4.7 COMBINACIONES DE CARGA

En los anlisis de las edificaciones del Portal 170 se consideran diferentes grupos decarga, de acuerdo con las indicaciones de la NSR-98, que incluyen factores decombinacin de cargas tanto para diseo por Esfuerzos ltimos (Mtodo del EstadoLmite de Resistencia), como por Esfuerzos de trabajo (Mtodo del Estado Lmite deServicio).

4.7.1 Mtodos de Diseo:

La prctica actual de diseo de estructuras utiliza dos mtodos de diseo diferentes:


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El Mtodo del Estado Lmite de Servicio, conocido tambin como "Mtodo Elstico", o"Mtodo de los Esfuerzos de Trabajo", y

El Mtodo del Estado Lmite de Resistencia, conocido tambin como "Mtodo de losEsfuerzos ltimos".

El primero de los mtodos investiga el comportamiento de los elementos estructuralesutilizando las cargas de servicio de las estructuras, y el segundo investiga losmecanismos que conducen a la falla de los materiales, en un sistema de cargasmayorado.

Las obras de concreto reforzado convencional de Edificaciones se disean en general porel Mtodo del Estado Lmite de Resistencia, aunque si el proyecto de una estructurarequiere el control de fisuracin para garantizar la estanqueidad, se hacen verificacionespara el Estado Lmite de Servicio. En el diseo de Estructuras metlicas el uso delmtodo del Estado Lmite de Servicio es todava bastante usado, pero cada vez ms eldiseo de estos elementos tiende a hacerse por el Mtodo del Estado Lmite deResistencia, conocido como LRFD. Las verificaciones de estabilidad al deslizamiento y alvuelco, flotacin, y estudio de esfuerzos en el terreno se hacen para el Estado Lmite deServicio. En la aplicacin de las cargas de sismo, no debe perderse de vista el hecho deque las cargas ssmicas prescritas por la NSR-98 son evaluadas con espectrosmayorados, es decir, consistentes con la teora del Estado Lmite de la Resistencia.

4.7.2 Combinaciones de Carga por el Mtodo del Estado Lmite de Servicio:

Para el diseo por Estado Lmite de Servicio (Esfuerzos de Trabajo), se analizarn lassiguientes combinaciones de carga en las edificaciones de la Estacin Calle 100:

DD+LD+WD+0.7ED+L+WD+L+0.7 E

D+L+TD+L+H

Para estructuras metlicas, adems debe considerarse el efecto de granizo sobrecubiertas, con las hiptesis:

D+L+(Lr G)D+L+(Lr G)+WD+L+(Lr G)+0.7E

Donde:

D: Cargas Muertas CONSORCIO TRONCAL CARRERA 7ESTUDIOS Y DISEOS TRONCAL CARRERA 7

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L: Cargas VivasW: Cargas de VientoE: Cargas de SismoT: Cargas de temperatura, retraccin, flujo plstico, etc.H: Cargas laterales debidas a empujes de tierras o de agua.Lr: Carga viva sobre cubiertasG: Carga de Lluvia y Granizo

El signo + indica de manera general adicin de efectos, e implica que deben considerarseefectos direccionales en las cargas que pueden cambiar de direccin, como es el caso delas cargas de viento o sismo, usando el signo + segn convenga en los anlisis.

4.7.3 Combinaciones de Carga por el Mtodo del Estado Lmite de Resistencia:

Para el diseo por Estado Lmite de Resistencia (Esfuerzos ltimos), se analizarn lassiguientes Combinaciones de Carga, si se trata de Estructuras de Concreto:

1.4D+1.7L1.05D+1.28L+1.28W

0.9D+1.3W1.05D+1.28L+1.0E

0.9D+1.0E1.4D+1.7L+1.7H

1.05D+1.28L+1.05T1.4D+1.4T

Cuando se trate del anlisis de Estructuras de Acero, por el Mtodo del Estado Lmite deResistencia (LRFD), se analizarn las siguientes Combinaciones de Carga:

1.4D1.2D+1.6L+0.5(Lr G)1.2D+1.6(Lr G)+0.5L 0.8W)1.2D+1.3W+0.5L+0.5(Lr G)1.2D+1.0E+(0.5L 0.2G)

0.9D+(1.3W 1.0E)1.2D+0.5L+0.2G+(0.4R)E0.9D+(0.4R)E

Donde:

D: Cargas MuertasL: Cargas VivasW: Cargas de VientoE: Cargas de SismoT: Cargas de temperatura, retraccin, flujo plstico, etc.H: Cargas laterales debidas a empujes de tierras o de agua.Lr: Carga viva sobre cubiertasG: Carga de Lluvia y Granizo




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iii,siutQ tl tiesarrogla Utlaanooe UriJdlUj-T.' ...1 P9,kPRINai1714.9199.

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R: Coeficiente de modificacin de respuestaEl signo + indica de manera general adicin de efectos, e implica que deben considerarseefectos direccionales en las cargas que pueden cambiar de direccin, como es el caso delas cargas de viento o sismo, usando el signo + segn convenga en los anlisis.

Para los anlisis y diseos de las estructuras por el Mtodo del Estado Lmite deResistencia debe tenerse en cuenta que, en las hiptesis que involucren cargas ssmicas,para clculos de fuerzas internas, las fuerzas de sismo aplicables corresponden a fuerzasreducidas, es decir, divididas por el valor de R adoptado para las estructuras. En laevaluacin de las deformaciones horizontales causadas por el sismo de diseo, lasfuerzas de sismo aplicadas no deben reducirse, es decir, no se dividen por el valor de R.




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