Diseño por estados límites

Uno de los principios del diseño estructural, es cumplir con la premisa, las solicitaciones a las que somete una estructura o parte de ella, deben ser menores que la resistencia de la misma, para ello se debe cumplir lo expuesto en la siguiente expresión, con el fin de no comprometer la funcionalidad estructural.

Resistencia ≥ Solicitaciones

Cuando se aplica una carga a un elemento estructural, se debe revisar que el estrés al que se lleva una estructura, ante dicha carga no la lleve a su estado límite, si no mantenerla en un rango de seguridad.

Un estado límite es un estado más allá de la cual una estructura, o uno de sus componentes, no desempeñan la función para la cual fue diseñado.

La metodología usada en el diseño por estados límites, tiene dos características elementales;

a) Se deben considerar todos los estados límite posible. b) Se basa en métodos probabilísticos.

Estos estados límites, deben estar bien precisados de tal manera que el proyectista considere que es aceptable o inaceptable.

Una importante meta en el diseño y no más importante que otras, es prevenir que, los estados límites sean alcanzados, así como también la funcionalidad, apariencia y economía, ya que no resultaría económico diseñar una estructura para que ninguno de sus componentes falle, sino que es necesario determinar el nivel de riesgo o probabilidad de falla aceptable.

La determinación del margen de seguridad aceptable, no debería ser basada en el concepto de un ingeniero, si no que para ello se confía en la experiencia y buen juicio de ingenieros diseñadores, consultores, investigadores y supervisores de puentes.

2.4.5.3.1. Factores de carga y resistencia

Esta filosofía de diseño, afecta la resistencia por un valor cuya cuantía es menor a la unidad, y a las solicitaciones generadas por los diferentes tipos de cargas por un valor gama mayor a la unidad. La ecuación que aquí representa esto, se describe a continuación.

∅𝑅𝑛 ≥ 𝑛_𝑖∑ 𝛾_𝑖𝑄_𝑖

El factor de reducción de la resistencia para un estado límite particular debe tener en cuenta las siguientes incertidumbres:

 Propiedad de los materiales.

 Mano de obra.  Control en la calidad.  Consecuencia del fallo.

El factor de mayoración de carga  considera las siguientes incertidumbres: Magnitud de las cargas.

Disposición de las cargas.

Posibles combinaciones de carga.

2.4.5.3.2. Diseño por Estados Límite.

Todo diseño debe contemplar todos los estados límites posibles, cumpliendo la siguiente ecuación:

∅𝑅𝑛 ≥ ∑ 𝑛_𝑖𝛾_𝑖𝑄_𝑖

Donde;

Q es la carga generada por cada solicitación,

Rn es la capacidad nominal,

 es el factor de reducción,

 es el coeficiente de mayoracion de carga,

Ni es el factor de modificación de las cargas: factor relacionado con la ductilidad, redundancia e importancia operativa.

Para cargas para las cuales es apropiado el valor máximo de i:

𝑛𝑖 = 𝑛𝐷𝑛𝑅𝑛𝐼 ≥ 0.95

Para cargas para las cuales es apropiado el valor mínimo de i:

𝑛𝐼 = 1

𝑛𝐷𝑛𝑅𝑛𝐼 ≤ 1

donde;

i = factor de carga: multiplicador de base estadística que se aplica a las solicitaciones,

 = factor de resistencia: multiplicador base estadística que se aplica a la resistencia nominal, i = factor de modificación de las cargas: factor relacionado con la ductilidad, redundancia e importancia operativa,

R = factor relacionado con la redundancia,

I= factor relacionado con la importancia operativa, Qi= Solicitación, Rn= Resistencia nominal, Rr = Resistencia mayorada:Rn,

2.4.5.3.3. Estados Límite de Servicio

El estado límite de servicio se refiere a las restricciones de tensiones, deflexiones y anchos de fisuras de los componentes del puente que ocurren bajo condiciones de servicio regular, dentro de las revisiones se tiene los siguientes estados limites; Servicio I, Servicio II, Servicio III, Servicio IV. Para el estado límite de servicio, los factores de resistencia = 1,0 y casi todos los factores de carga  = 1.

2.4.5.3.4. Estados Límite de Fatiga

El estado límite de fatiga y fractura se refiere a un conjunto de restricciones en el rango de estrés causado por un único camión de diseño. Las restricciones dependen del número de rangos de tensión que se espera, que se produzcan durante la vida útil del puente, dentro de los estados límite por fatiga se tiene: Fatiga I, II.

2.4.5.3.5. Estado Límite de Resistencia

Los estados límite incluyen la evaluación de la resistencia a la flexión, el cizallamiento, la torsión y la carga axial.se consideran los estados límites de resistencia I, II, III, IV y V.

2.4.5.3.6. Estados límites de Evento Extremo

El estado límite de evento extremo se refiere a la supervivencia estructural de un puente durante un terremoto o una inundación o cuando ocurra un choque por un buque, un vehículo o un témpano de hielo. Se consideran los estados límites de Evento Extremo I, II.

2.4.5.3.7. Cargas de diseño

Las cargas y fuerzas permanentes y transitorias que deben considerarse en un diseño se designan como sigue:

Tabla 9 Combinaciones y Factores de Carga

Fuente : CCP-14 LRFD

Tabla 10 Factores para cargas permanentes, p

Donde;

CR = fuerzas debidas al flujo plástico,

DD = fuerza de fricción negativa,

DC = peso propio de los componentes estructurales y de los accesorios no estructurales,

DW = peso propio carpeta de rodamiento y de las instalaciones,

EH = empuje horizontal del suelo,

EL = fuerzas misceláneas resultantes del proceso de construcción. Incluyendo el izaje de voladizos en construcción por segmentos,

ES = sobrecarga de suelo,

EV = presión vertical del peso propio del suelo de relleno, PS = fuerzas secundarias debidas a pretensado,

SH = fuerzas debidas a retracción,

BL = carga de explosión,

BR = fuerza de frenado vehicular,

CE = fuerza centrífuga vehicular,

CT = fuerza de colisión vehicular,

CV = fuerza de colisión de embarcaciones,

EQ = carga sísmica,

FR = carga de fricción,

IC = carga de hielo,

IM = incremento de carga dinámica vehicular,

LL = carga viva vehicular,

LS = sobrecarga de carga viva,

PL = carga viva peatonal,

TG = fuerzas debidas a gradiente de temperatura,

TU = fuerza debida a temperatura uniforme,

WA = carga de agua y presión de la corriente,