Una carga estructural o acción estructural es una carga mecánica (más generalmente una fuerza ) aplicada a elementos estructurales . [1] [2] Una carga causa tensión , deformación , desplazamiento o aceleración en una estructura . El análisis estructural , una disciplina de la ingeniería , analiza los efectos de las cargas en las estructuras y los elementos estructurales. El exceso de carga puede causar fallas estructurales , por lo que esto debe considerarse y controlarse durante el diseño de una estructura. Las estructuras mecánicas particulares, como aeronaves , satélites , cohetes , estaciones espaciales , barcos y submarinos , están sujetas a sus propias cargas y acciones estructurales particulares. [3] Los ingenieros a menudo evalúan las cargas estructurales según las regulaciones , contratos o especificaciones publicadas . Se utilizan estándares técnicos aceptados para las pruebas de aceptación e inspección .
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 pueden clasificarse como cargas vivas (cargas que no siempre están presentes en la estructura), cargas muertas (cargas que son permanentes e inamovibles, salvo en caso de rediseño o renovación) y cargas 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 de material retenido. La magnitud máxima esperada de cada una de ellas se denomina carga característica.
Las cargas muertas son fuerzas estáticas que se mantienen relativamente constantes durante un tiempo prolongado. Pueden estar en tensión o en compresión . El término puede hacer referencia a un método de prueba de laboratorio o al uso normal de un material o una estructura.
Las cargas vivas suelen ser cargas variables o móviles . Pueden tener un elemento dinámico significativo y pueden implicar consideraciones como el impacto , el momento , la vibración , la dinámica de chapoteo de los fluidos, etc.
Una carga de impacto es aquella cuyo tiempo de aplicación sobre un material es menor a un tercio del período natural de vibración de ese material.
Las cargas cíclicas sobre 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 con la ocupación y el uso del edificio; su magnitud está menos claramente definida y generalmente está relacionada con el uso del edificio.
Las cargas estructurales son un factor importante a tener en cuenta en el diseño de edificios. Los códigos de construcción exigen que las estructuras se diseñen y construyan para resistir de forma segura todas las acciones a las que puedan enfrentarse durante su vida útil, sin dejar de ser aptas para su uso. [4] En estos códigos de construcción se especifican cargas o acciones mínimas para tipos de estructuras, ubicaciones geográficas, usos y materiales de construcción . [5] Las cargas estructurales se dividen en categorías según su causa de origen. 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 de 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 incrementen mediante factores de carga. Estos factores de carga son, aproximadamente, una relación entre la resistencia de diseño teórica y la carga máxima esperada en servicio. Se desarrollan para ayudar a lograr el nivel deseado de confiabilidad de una estructura [6] con base en estudios probabilísticos que tienen en cuenta la causa de origen de la carga, la recurrencia, la distribución y la naturaleza estática o dinámica . [7]
La carga muerta incluye cargas que son relativamente constantes en el tiempo, incluido el peso de la estructura misma y los accesorios 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 construyen en una posición permanente. [8] [9] [10] IS875 (parte 1)-1987 proporciona el peso unitario de los materiales, piezas y componentes de construcción.
Las cargas vivas, o cargas impuestas, son cargas temporales, de corta duración o en movimiento . Estas cargas dinámicas pueden implicar consideraciones como el impacto , el momento , la vibración , la dinámica de chapoteo de los fluidos y la 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 de construcción o ambientales.
Las cargas vivas en techos y pisos se producen durante el mantenimiento realizado por 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 se desplazan sobre el tablero del puente.
Las cargas ambientales son cargas estructurales causadas por fuerzas naturales como el viento, la lluvia, la nieve, los terremotos o las temperaturas extremas.
Los ingenieros también deben ser conscientes de otras acciones que pueden afectar una estructura, como:
Una combinación de cargas se produce cuando más de un tipo de carga actúa sobre la estructura. Los códigos de construcción suelen especificar una variedad de combinaciones de cargas junto con factores de carga (ponderaciones) para cada tipo de carga con el fin de garantizar la seguridad de la estructura en 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 (se suman) para determinar la "resistencia 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 el peso se conoce y se tiene en cuenta en su mayoría, como los miembros estructurales, los elementos arquitectónicos y los acabados, 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 el peso misceláneo, como los pernos y otros sujetadores, el cableado y varios accesorios o pequeños elementos arquitectónicos. Las cargas vivas, por otro lado, pueden ser muebles, equipos móviles o las propias personas, 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 modo que un factor de carga de 1,0 sea práctico. 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).
En el caso de las aeronaves, la carga se divide en dos categorías principales: cargas límite y cargas máximas. [11] Las cargas límite son las cargas máximas que un componente o estructura puede soportar de forma segura. Las cargas máximas son las cargas límite multiplicadas por un factor de 1,5 o el punto más allá del cual el componente o la estructura fallará. [11] Las cargas de ráfaga se determinan estadísticamente y las proporciona una agencia como la Administración Federal de Aviación . Las cargas de choque están limitadas de forma vaga por la capacidad de las estructuras para sobrevivir a la desaceleración de un gran impacto en el suelo . [12] Otras cargas que pueden ser críticas son las cargas de presión (para aeronaves presurizadas a gran altitud) y las cargas en el suelo. Las cargas en el suelo pueden deberse a frenadas adversas o maniobras durante el rodaje . Las aeronaves están constantemente sometidas a cargas cíclicas. Estas cargas cíclicas pueden provocar fatiga del metal . [13]