Rafael Riddell C. - Diseño estructural

De particular relevancia por nuestra condición de país sísmico es la norma de diseño NCh433.Of96 antes mencionada, la que incluye las solicitaciones a utilizarse para el diseño sísmico de edificios, que se basan en las características propias del fenómeno tectónico que da origen a los terremotos en Chile y a la información de sismicidad histórica en el país en términos de la frecuencia de ocurrencia de los eventos, su magnitud y su distribución espacial.

El tema del diseño sísmico escapa al objetivo de este curso introductorio por lo que prácticamente no haremos mayores referencias a él, salvo para destacar, en algunos casos, propiedades de los materiales que son beneficiosas desde el punto de vista del comportamiento de las estructuras frente a un terremoto. Sólo para dar un indicio de la problemática de diseño sísmico, señalemos que la situación real a que se ve afectada una estructura durante un terremoto puede evaluarse analíticamente considerando su respuesta frente al movimiento de su base representado por la aceleración del suelo, que es una función del tiempo, como se ve en la Fig. 1.6.a. Para el diseño de estructuras se usan cargas horizontales laterales ficticias que pretenden representar el efecto del movimiento real; la norma NCh433.Of96 especifica tales cargas como una distribución estática equivalente como la indicada en la Fig. 1.6.b o una combinación de tales distribuciones que dependen de las propiedades dinámicas de la estructura misma.

a) Norma NCh1537.0f86: Cargas permanentes y sobrecargas de uso para el diseño estructural de edificios

Esta norma establece las bases para determinar las cargas permanentes y los valores mínimos de las sobrecargas de uso normales que deben considerarse en el diseño de edificios. Las cargas permanentes son aquellas cuya variación en el tiempo es despreciable, por ejemplo, el peso de los elementos estructurales mismos, instalaciones, terminaciones, estucos y pavimentos, rellenos, empujes de tierra y líquidos, etc. Exceptuando los empujes mencionados, las cargas permanentes suelen también denominarse cargas muertas e incluirse en el llamado peso propio . La norma proporciona una serie de datos sobre pesos específicos de materiales varios almacenables, materiales de construcción, metales, líquidos, maderas, etc.

Figura 1.6Solicitaciones sísmicas en edificios

Una lista de sobrecargas para pisos de edificios conforme a la NCh1537.Of86 se presenta en la Tabla V.1 (Anexo V). Algunos ejemplos se presentaron antes también en la Tabla 1.1 de la Sección 1.1.2. Como se señaló en esa sección, tales cargas se aproximan al valor medio de la sobrecarga máxima en 50 años. Esto último no es contradictorio con el carácter de “valor característico" de las sobrecargas de uso especificadas en ellas. En efecto, la norma indica que al valor característico corresponde al percentil 95 de la distribución de medidas de sobrecargas, es decir, un valor excedido por sólo un 5 % de la población de medidas. Estas mediciones corresponden a lo que se denomina sobrecarga en un instante arbitrario obtenidas en mediciones directas de la carga presente en edificios, especialmente de oficinas en un instante (Ellingwood y Culver, 1977). Estas mediciones incluyen los efectos del mobiliario y cargas normales de personas, pero no reflejan eventos de carga extraordinarios como aglomeración de personas, acumulación de mobiliario durante una remodelación, o cambios en el uso de la estructura, entre otros efectos.

La norma de cargas incorpora dos conceptos que conviene presentar de inmediato: el de área tributaria , y el de coeficiente de reducción de las sobrecargas de uso . Ambos se utilizan para determinar las cargas que actúan en los elementos de una estructura, como por ejemplo en las vigas, muros y columnas del entrepiso de un edificio de hormigón armado como el ilustrado en la Fig. 1.7.

Figura 1.7Entrepiso de edificio de hormigón armado

Se entiende por área tributaria, el área de planta total, que multiplicada por la carga uniformemente distribuida correspondiente, define la carga que se considera actuando sobre un elemento. Las áreas tributarias se determinan en base a supuestos o reglas muy simplificatorias, de modo que las cargas calculadas y sus distribuciones no son necesariamente las reales. Por ello, tales reglas deben utilizarse juiciosamente, limitando su aplicación a aquellos casos en que no se esperan diferencias substanciales con un procedimiento más riguroso.

La Fig. 1.8.a muestra el área tributaria sobre la viga AB en un esquema en planta de la estructura de la Fig. 1.7; el área tributaria se ha determinado sobre la base de ángulos de 45o y líneas a distancia l y/2 del eje de la viga. Estos supuestos resultan en una buena aproximación de la realidad si las condiciones de borde de la losa son iguales en todos ellos, y si las vigas tienen rigideces y condiciones de continuidad similares en ambos sentidos. Sin querer entrar en mayor detalle en este tema de análisis, cabe señalar, por ejemplo, que si las vigas CD y EF fueran vigas de borde de la planta, la losa estaría en condición de “simple apoyo” sobre ellas, mientras que su continuidad sobre la viga AB sería equivalente a una condición de “empotramiento” en ese borde, resultando ello en una carga mayor sobre la viga AB que la estimada en base al área tributaria antes señalada. Por cierto, las cargas correctas sobre las vigas pueden obtenerse de un análisis apropiado de las losas.

Por otra parte, conforme al área tributaria que muestra la Fig. 1.8.a, la carga sobre la viga no es uniformemente distribuida, sin embargo, en la práctica puede utilizarse tal aproximación cuidando de amplificar los momentos flectores en un 20 % (Ejemplo 1.3). Así, si el área tributaria es A tr, q vel peso propio de la viga por unidad de longitud, q ppel peso propio por unidad de superficie de la losa más las terminaciones de piso, cielo y particiones (carga permanente total), y q scla sobrecarga de uso por unidad de superficie del piso, puede suponerse para el diseño de la viga que sobre ella actúa una carga uniforme:

Figura 1.8Ejemplos de cálculo de áreas tributarias: (a) Sobre viga AB, (b) Sobre columna A, (C) Sobre viga CE si no hubiera columna en A

en que el factor 1,2 debe omitirse para el cálculo del esfuerzo de corte. Por otra parte, en el caso de diseño último hay que separar las cargas de peso propio y sobrecarga, ya que quedarán afectas a factores de mayoración distintos.

La Fig. 1.8.b muestra el área tributaria l x l ydel piso considerado sobre la columna A. Para n pisos iguales sobre el piso considerado, el área tributaria sobre la columna es:

suponiendo, para simplificar, que para el techo del edificio rigen cargas iguales que para los pisos. Sin embargo, dada la baja probabilidad que la sobrecarga de uso total esté presente simultáneamente en toda esta área tributaria, la norma NCh1537.Of86 permite usar un factor de reducción C a, de modo que la carga axial de diseño sobre la columna del entrepiso en cuestión es: