Carga estructural

Una carga estructural o una acción estructural es una carga mecánica (más generalmente una fuerza) aplicada a elementos estructurales. Una carga provoca tensión, deformación, desplazamiento o aceleración en una estructura. El análisis estructural, una disciplina de la ingeniería, analiza los efectos de las cargas sobre estructuras y elementos estructurales. El exceso de carga puede provocar fallas estructurales, por lo que esto debe considerarse y controlarse durante el diseño de una estructura. Estructuras mecánicas particulares (como aviones, satélites, cohetes, estaciones espaciales, barcos y submarinos) están sujetas a sus propias cargas y acciones estructurales particulares. Los ingenieros a menudo evalúan las cargas estructurales basándose en regulaciones, contratos o especificaciones publicadas. Las normas técnicas aceptadas se utilizan para las pruebas de aceptación e inspección.

Tipos

En ingeniería civil, las cargas especificadas son la mejor estimación de las cargas reales que se espera que soporte una estructura. Estas cargas se presentan en muchas formas diferentes, como personas, equipos, vehículos, viento, lluvia, nieve, terremotos, los propios materiales de construcción, etc. Las cargas especificadas también se conocen como cargas características en muchos casos.

Los edificios estarán sujetos a cargas de diversas fuentes. Las principales se pueden clasificar en cargas vivas (cargas que no siempre están presentes en la estructura), cargas muertas (cargas que son permanentes e inamovibles excepto rediseño o renovación) y carga de viento, como se describe a continuación. En algunos casos, las estructuras pueden estar sujetas a otras cargas, como las debidas a terremotos o presiones del material retenido. La magnitud máxima esperada de cada uno se denomina carga característica.

Las cargas muertas son fuerzas estáticas que son relativamente constantes durante un tiempo prolongado. Pueden estar en tensión o compresión. El término puede referirse a un método de prueba de laboratorio o al uso normal de un material o estructura.

Las cargas vivas suelen ser cargas variables o móviles. Estos pueden tener un elemento dinámico significativo y pueden involucrar consideraciones tales como impacto, impulso, vibración, dinámica de chapoteo de fluidos, etc.

Una carga de impacto es aquella cuyo tiempo de aplicación sobre un material es inferior a un tercio del período natural de vibración de ese material.

Las cargas cíclicas en una estructura pueden provocar daños por fatiga, daños acumulativos o fallas. Estas cargas pueden ser cargas repetidas sobre una estructura o pueden deberse a vibraciones.

Las cargas impuestas son aquellas asociadas a la ocupación y uso del edificio; su magnitud está menos definida y generalmente está relacionada con el uso del edificio.

Cargas sobre estructuras de arquitectura y ingeniería civil

Las cargas estructurales son una consideración importante en el diseño de edificios. Los códigos de construcción exigen que las estructuras se diseñen y construyan para resistir de manera segura todas las acciones que probablemente enfrentarán durante su vida útil, sin dejar de ser aptas para su uso. Las cargas o acciones mínimas se especifican en estos códigos de construcción para tipos de estructuras, ubicaciones geográficas, uso y materiales de construcción. Las cargas estructurales se dividen en categorías según su causa que las origina. En términos de la carga real sobre una estructura, no hay diferencia entre carga muerta o viva, pero la división se produce para su uso en cálculos de seguridad o para facilitar el análisis en modelos complejos.

Para cumplir con el requisito de que la resistencia de diseño sea mayor que las cargas máximas, los códigos de construcción prescriben que, para el diseño estructural, las cargas se incrementan mediante factores de carga. Estos factores de carga son, aproximadamente, una relación entre la resistencia teórica de diseño y la carga máxima esperada en servicio. Están desarrollados para ayudar a alcanzar el nivel deseado de confiabilidad de una estructura basándose en estudios probabilísticos que toman en cuenta la causa que origina la carga, la recurrencia, la distribución y la naturaleza estática o dinámica.

Carga muerta

La carga muerta incluye cargas que son relativamente constantes en el tiempo, incluido el peso de la estructura misma y elementos fijos inamovibles como paredes, placas de yeso o alfombras. El techo también es una carga muerta. Las cargas muertas también se conocen como cargas permanentes o estáticas. Los materiales de construcción no son cargas muertas hasta que se construyan en una posición permanente. IS875 (parte 1) -1987 proporciona el peso unitario de los materiales, piezas y componentes de construcción.

Carga viva

Las cargas vivas, o cargas impuestas, son temporales, de corta duración o una carga en movimiento. Estas cargas dinámicas pueden implicar consideraciones tales como impacto, momento, vibración, dinámica de chapoteo de fluidos y fatiga del material.

Las cargas vivas, a veces también denominadas cargas probabilísticas, incluyen todas las fuerzas que son variables dentro del ciclo de operación normal del objeto, sin incluir las cargas ambientales o de construcción.

Las cargas vivas del techo y el piso se producen durante el mantenimiento por parte de los trabajadores, equipos y materiales, y durante la vida útil de la estructura por objetos móviles, como jardineras y personas.

Las cargas vivas del puente son producidas por los vehículos que viajan sobre el tablero del puente.

Cargas ambientales

Las cargas ambientales son cargas estructurales causadas por fuerzas naturales como el viento, la lluvia, la nieve, los terremotos o las temperaturas extremas.

• Cargas de viento
• Cargas de nieve, lluvia y hielo
• Cargas sísmicas
• Cargas hidrostáticas
• Los cambios de temperatura que conducen a la expansión térmica provocan cargas térmicas
• Cargas de puesta
• Heaving
• Presión lateral del suelo, aguas subterráneas o materiales a granel
• Carga de líquidos o inundaciones
• Permafrost melting
• Cargas de polvo

Otras cargas

Los ingenieros también deben ser conscientes de otras acciones que pueden afectar una estructura, como:

• Establecimiento o desplazamiento de la Fundación
• Fuego
• Corrosión
• Explosión
• Escalón o encogimiento
• Impacto de vehículos o vibración de maquinaria
• Cargas de construcción

Combinaciones de carga

Una combinación de carga se produce cuando más de un tipo de carga actúa sobre la estructura. Los códigos de construcción generalmente especifican una variedad de combinaciones de carga junto con factores de carga (ponderaciones) para cada tipo de carga con el fin de garantizar la seguridad de la estructura bajo diferentes escenarios de carga máxima esperada. Por ejemplo, al diseñar una escalera, un factor de carga muerta puede ser 1,2 veces el peso de la estructura y un factor de carga viva puede ser 1,6 veces la carga viva máxima esperada. Estas dos "cargas factorizadas" se combinan (agregan) para determinar la "fuerza requerida" de la escalera.

El tamaño del factor de carga se basa en la probabilidad de exceder cualquier carga de diseño especificada. Las cargas muertas tienen factores de carga pequeños, como 1,2, porque en su mayoría se conoce y se tiene en cuenta el peso, como los miembros estructurales, los elementos y acabados arquitectónicos, las piezas grandes de equipos mecánicos, eléctricos y de plomería (MEP), y para los edificios, Es común incluir una carga muerta superimpuesta (SIDL) de alrededor de 5 libras por pie cuadrado (psf), que tiene en cuenta pesos diversos, como pernos y otros sujetadores, cableado y diversos accesorios o pequeños elementos arquitectónicos. Las cargas vivas, por otro lado, pueden ser muebles, equipos móviles o las personas mismas, y pueden aumentar más allá de las cantidades normales o esperadas en algunas situaciones, por lo que un factor mayor de 1,6 intenta cuantificar esta variabilidad adicional. La nieve también utilizará un factor máximo de 1,6, mientras que las cargas laterales (terremotos y viento) se definen de manera que sea práctico un factor de carga de 1,0. Se pueden sumar varias cargas de diferentes maneras, como 1.2*Muerto + 1.0*Vivo + 1.0*Terremoto + 0.2*Nieve, o 1.2*Muerto + 1.6(Nieve, Vivo(techo), O Lluvia) + (1.0*Vivo O 0,5*Viento).

Cargas estructurales de aeronaves

Para los aviones, la carga se divide en dos categorías principales: cargas límite y cargas últimas. Las cargas límite son las cargas máximas que un componente o estructura puede soportar de forma segura. Las cargas últimas son las cargas límite multiplicadas por un factor de 1,5 o el punto más allá del cual el componente o estructura fallará. Las cargas de ráfagas se determinan estadísticamente y las proporciona una agencia como la Administración Federal de Aviación. Las cargas de choque están vagamente limitadas por la capacidad de las estructuras para sobrevivir a la desaceleración de un impacto importante contra el suelo. Otras cargas que pueden ser críticas son las cargas de presión (para aeronaves presurizadas de gran altitud) y las cargas terrestres. Las cargas en el suelo pueden deberse a frenadas o maniobras adversas durante el rodaje. Los aviones están constantemente sometidos a cargas cíclicas. Estas cargas cíclicas pueden provocar fatiga del metal.