CARGAS AXIALES

Cruz Cervera Sol Alisson

Delgado Campos Jhon Wiliy

Efus Yajahuanca Alex Cliver

Gonzales Barboza Jhordan

Román Pintado Mavel Miluska

Ingeniera Civil Ambiental, Resistencia de materiales, USAT solalissons@gmail.com

alexcliver07@gmail.com

delgadocamposjhon@gmail.com

jhordangonzalesbarboza@gmail.com

miluskaromanpintado@gmail.com

RESUMEN:

Se presenta un estudio detallado de cargas axiales, con varias fuentes académicas, conceptos generales, importancia de dichas cargas en una estructura; también veremos para que nos sirve el cálculo de estas y que tanto influye en una edificación.

A través del software Solidworks, se presentará un caso real y se hará una comparación con cálculos manuales. Ademásdeello,seexplicarálaimportanciadelascargas axiales en estructuras fallidas con el fin de concientizar la importancia del uso de estos cálculos para la construcción de puentes, edificios o cualquier otra estructura.

casi siempre las estructuras son continuas y la carga axial se encuentra actuando con un momento flexionante

El estudio del comportamiento bajo carga axial es de suma importancia para poder entender varios aspectos del funcionamiento de las estructuras y también porque el valor de la resistencia a la carga axial se utiliza para calcular la resistencia de los elementos sujetos a “carga axial combinada con otras acciones”.

II. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

 Explicar que es una carga axial, que lo produce y como se calcula

OBJETIVO ESPECIFICO

I. INTRODUCCION

Durante un sismo, las fuerzas ejercidas sobre una estructura experimentan una redistribución de cargas internas que debería coincidir con la condición de que rigió el diseño en la etapa inicial. Para la redistribución de estas, se necesita un buen cálculo de resistencia de materiales, el cual está directamente relacionado con las cargas axiales.

En la ingeniería civil, muchos de los problemas de agrietamientos, roturas o fisuras que se dan en las estructuras, de debe a los malos cálculos de resistencia de materiales, los cuales están relacionados directamente con las cargas axiales, las cuales generan la compresión o tracción.

En la mayoría de los casos de las estructuras no es común encontrar a los elementos sujetos solo a carga axial. Ya que

 Comprender a través de diversas fuentes, como es que se aplica esta carga en las estructuras.

 A través del software Solidworks, explicar ycalcular un ejemplo de cargas axiales

III. MARCO TEORICO

a. CARGA AXIAL

Por carga axial se entiende una fuerza que actúa a lo largo del eje o punto medio de la estructura, creando un esfuerzo uniforme.

Este tipode carga puedeser depresiónocompresión, esdecir, puede ser causada por la aplicación de peso de apoyo o asentamiento, o ser inducida por las condiciones operativas o variables externas.

Cuando una carga axial es por efecto de compresión, la estructura se somete a una fuerza que actúa en el mismo sentido, tendiendo a producir aplastamientos. Su cálculo es indispensable para garantizar la estabilidad de la estructura.

Además, la carga axial puede ser concéntrica, cuando la línea de acción de la fuerza coincide con el eje de simetría que pasa por el centro del elemento; o excéntrica, cuando la fuerza es paralela al eje de simetría, pero su acción no está sobre el propio eje.

Cuando una fuerza axial actúa lo largo del eje longitudinal y este eje pasa por el centro geométrico del objeto, será además una fuerzaaxialconcéntrica.Encasocontrarioseráunafuerza axial excéntrica.

edificio existen ejes axiales que las atraviesan longitudinalmente y las someten de manera constante a una fuerza axial de compresión ejercida por el techo.

En este caso, el centro axial y geométrico coinciden, por lo que también se produce una fuerza concéntrica, permitiendo que puedan soportar grandes cantidades de energía y peso. Conociendo estos factores, es posible calcular la carga que pueden soportar los elementos de la construcción y, en consecuencia, saber cuál es su posición ideal dentro de la edificación.

IV. ANTECEDENTES

Tablero de vigas de celosía o de vigas trianguladas:

b. ¿CÓMO SE CALCULA LA CARGA AXIAL?

Para calcular la carga axial sobre los elementos de una estructura se deben seguir los siguientes pasos:

1. Identificar las cargas axiales en cada uno de los elementos de la estructura.

2. Diagramar la incidencia de una fuerza sobre cada elemento.

3. Desarrollar y aplicar ecuaciones que garanticen el equilibrio de traslación, es decir, que la suma de todas las fuerzas sea igual a cero.

4. Aplicar la ecuación de los torques M=F.d para alcanzar el equilibrio rotacional. Al igual que el traslacional, la suma de los torques debe ser nula.

c. ¿DÓNDE SE UTILIZAN LAS CARGAS AXIALES?

Las cargas axiales están presentes en cualquier tipo de construcción de edificaciones, así como en los elementos constitutivos de las obras. Por ejemplo, en las columnas de un

Están formados poruna cuerda metálica superior, otra inferior y por elementos rectos en disposición triangulada. Básicamente, la cuerda superior soporta esfuerzos de compresión y la inferior esfuerzos de tensión; mientras que, los elementos que forman la celosía soportan esfuerzos de compresión o de tensión, dependiendo de su ubicación. [1]

Estas estructuras transforman en isostática la viga continua de varios vanos introduciendo dos articulaciones en los vanos alternos, de forma que éstos se componen de dos ménsulas y una viga simplemente apoyada. [1]

CASO REAL:

El puente Topará ubicado en el kilómetro 174+600 de la Panamericana Sur en el distrito de Chincha, provincia de Chincha, departamento de Ica; puente sobre el tramo vial Puente Pucusana – Cerro Azul – Ica, inaugurado el 28 de enero de 2011 y colapsó el 16 julio de 2015 a las 13:30 horas, despuésquepasaraunsemirremolquede44.8toneladassegún el registro de la Estación de Pesaje de Cerro Azul, según el MTC la norma establece un peso máximo de 48 toneladas por vehículo (Perú21, 2015). [2]

Redistribución de carga axial en las columnas

Las configuraciones estudiadas se centran en contravientos en cruz en uno o dos entrepisos, lo que limita la aplicación de las metodologías propuestas a marcos en configuración en V invertida ó chevrón. En particular, en marcos con contravientos en chevrón, la componente de la carga axial en los contravientos que incrementa la carga axial en la columna está siempre relacionada con el pandeo en compresión, mientras que la fluencia por tensión de los contravientos constituye una reducción en la magnitud de la carga axial de la columna. [2]

Aunque menos frecuente que en las columnas, las vigas también suelen fallar por tensión diagonal provocada por la fuerza cortante, así como lo muestra la figura 4.2.5

Falla frágil de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas.

Es muy importante que las edificaciones cuenten con una capacidad de deformación suficiente para soportar adecuadamente la solicitación sísmica sin desmeritar, obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta sísmica de la edificación es dúctil, se presentan elevadas deformaciones en compresión debidas a efectos combinados de fuerza axial y momento flector. [2]

Muros de Hormigón Armado:

Los muros de hormigón armado suelen ser usados como elementos estructurales resistentes para abordar demandas de rigidez y resistencia. Desde el punto de vista de su diseño, los métodos actualmente utilizados como el ACI 318-08, promueven un desempeño sísmico que evita la falla por corte en favor de un comportamiento más dúctil, como es la falla por flexión. El tipo de falla o el esfuerzo que controla el comportamiento de muros de hormigón armado está influenciado por la relación de aspecto, es decir la razón que existe entre su altura y su largo. [3]

Caso real:

Como consecuencia del sismo de San Fernando, Estados Unidos, en 1971, las columnas de la planta baja del Edificio de Salud Mental del Hospital Olive View, de solo dos pisos y de concreto reforzado, sufrieron colapso. Todas ellas tuvieron un pobre y muy separado refuerzo transversal que no dio suficiente confinamiento al concreto y muy poca resistencia a la tensión diagonal.

La figura4.2.4muestraunadeestascolumnas,lacual,aligual que las restantes de este piso, quedó totalmente desintegrada ocasionando el colapso total del primer piso del edificio.

Los elementos con baja relación de aspectos se conocen como ¨muros cortos¨, mientras los que con mayor relación se les llama como ¨muros esbeltos¨. En el caso de los muros cortos (usualmente con relación de aspecto menor a 2), las fallas frágiles o poco dúctiles predominan en su comportamiento. Dado esto, tiene gran valor reconocer la resistencia y la rigidez de los muros al corte, esto ya sea para promover la fluencia por flexión, como para determinar la distribución de los esfuerzos en el diseño de elementos que forman parte del sistema estructural. [3]

Según su comportamiento los muros de hormigón se pueden dividir en:

a. Muros de cortante: En los cuales el corte controla las deflexiones y la resistencia.

b. Muros de flexión: La flexión controla tanto las deflexiones y la resistencia.

c. Muros Dúctiles: Poseen buenas características de disipación de energía ante cargas cíclicas reversibles. [3]

Caso real:

El 16 de abril de 2016 ocurrió en Ecuador un sismo de magnitud 7,8 (Mw), cuyo epicentro se ubicó en la costa de Pedernales, a 20 Km de profundidad, causado por una subduccióndeplacas. LasciudadesdePedernales,Portoviejo, Manta y Bahía de Caráquez de la provincia de Manabí fueron las más afectadas, con aceleraciones medidas desde 1.407g PGA(E) (Pedernales) hasta 0,38g PGA(N) (Portoviejo) y un espectro de aceleraciones obtenido en la estación Portoviejo, que superó el espectro elástico de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC) vigente, aunque dicha estación se encuentra en un suelo Tipo D (IG-EPN 2016), mejor que el de la zona en que se produjeron los mayores daños con suelos tipo E y F (NEC 2015a), afectados por inundaciones del final de la estación lluviosa y el fenómeno del Niño. [4]

El sismo convirtió a estas ciudades, a un precio indeseable e invaluable para cualquier sociedad, en un laboratorio a escala natural para la ingeniería civil, mediante la investigación de las construcciones afectadas, que abarcó desde la simple observación y análisis, hasta la medición, modelación o ingeniería inversa de los daños producidos. [4]

a. En la figura 1 se visualiza las edificaciones de la ciudad de Portoviejo que muestran las zonas en que se concentra el fallo por corte y por confinamiento en columnas.

Sección-columna

V. EJERCIÓ

f’c=20 MPa (2039432426���� ����2 ⁄ )

fy= 411.8793 MPa (4200 ���� ����2 ⁄ )

Acero long= 4 ∅ 16 mm

b. Al incremento de nuevos entrepisos construidos sobre edificios bajos, los cuales elevan sus centros de masas y crean ¨pisos blandos¨, incumpliendo lo establecido y provocando fallas frágiles, tal como se muestra.

c. Otro causal de fallas en estas ciudades estuvo asociado a la omisión de columnas de hormigón armado en algunas esquinas de la planta baja por razones supuestamente arquitectónicas, pero ingenierilmente inaceptables en regiones de tan alta sismicidad, así como lo muestra

 Formula a utilizar para elementos no preesforzados con estribos:

��������á�� =��.������������ = �� ������[�� ������′��(���� ������)+����������]

�� = 065������������������������������������������������������������

 Solución

 Sección total de Acero (Ast)

1 ∅ 16 = 2.01 ����2 = 2.01∗10 4 ��2

 Sección de concreto

Ag= ( 0.30 * 0.45 ) = 0.135 ��

 Resistencia del diseño

Aplicar la sección transformada  Momento

VI. CONCLUSIONES

 Se logró explicar con casos reales la aplicación e importancia que tiene la carga axial en las estructuras

 Através del software Solidworks se calculó ycomparo los resultados del ejemplo practica de cargas axiales

 De acuerdo con los Muros de Hormigón Armado, los métodos que actualmente se emplean en su diseño, promueven un desempeño sísmico que evita la falla por corte en favor de un comportamiento más dúctil.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] M. A. A. CARDOZA QUIJADA y J. E. E. VILLALOBOS ZETINO, «EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE UN PUENTE MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE UNA PRUEBA DE CARGA ESTÁTICA,» EL SALVADOR, 2005.

Disponible:

https://www.scipedia.com/wd/images/6/64/Draft_Content_1 20594105Tapia-Hernandez_Martinez-Cid.pdf

[2] E. Tapia Hernández y R. P. Martínez Cid, «CARGA AXIAL DE DISEÑO DE COLUMNAS DE MARCOS CON CONTRAVIENTO CONCÉNTRICO,» Rev. Int. de Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil, México, 2017.

Disponible:

https://www.scipedia.com/wd/images/6/64/Draft_Content_1 20594105Tapia-Hernandez_Martinez-Cid.pdf

[3] C. C. O. Espinoza, «Ingeniero Civil en Obras Civiles,» Valdivia-Chile, 2015.

Disponible:

http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2015/bmfcio.84e/doc/bmf cio.84e.pdf

[4] A. E. Castañeda, «Una mirada al comportamiento estructural de columnas, vigas, entrepisos y edificaciones durante el sismo de Ecuador 2016,» Ingeniería de Construcción, vol. 32, 2017.

Disponible:

https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S07 18-50732017000300157

VIII. ANEXOS