El diseño de estados límite ( LSD ), también conocido como diseño de factores de carga y resistencia ( LRFD ), se refiere a un método de diseño utilizado en ingeniería estructural . Un estado límite es una condición de una estructura más allá de la cual ya no cumple los criterios de diseño pertinentes. [1] La condición puede referirse a un grado de carga u otras acciones sobre la estructura, mientras que los criterios se refieren a la integridad estructural, la idoneidad para el uso, la durabilidad u otros requisitos de diseño. Una estructura diseñada por LSD está proporcionada para soportar todas las acciones que puedan ocurrir durante su vida de diseño y para permanecer apta para su uso, con un nivel apropiado de confiabilidad para cada estado límite. Los códigos de construcción basados en LSD definen implícitamente los niveles apropiados de confiabilidad mediante sus prescripciones.
El método de diseño de estados límite, desarrollado en la URSS y basado en investigaciones dirigidas por el profesor NS Streletski, se introdujo en las normas de construcción de la URSS en 1955.
El diseño de estados límite requiere que la estructura satisfaga dos criterios principales: el estado límite último (ULS) y el estado límite de servicio (SLS). [2]
Cualquier proceso de diseño implica una serie de suposiciones. Se deben estimar las cargas a las que estará sometida una estructura, elegir los tamaños de los miembros a verificar y seleccionar los criterios de diseño. Todos los criterios de diseño de ingeniería tienen un objetivo común: el de garantizar una estructura segura y garantizar la funcionalidad de la estructura.
Se hace una clara distinción entre el estado último (US) y el estado límite último (ULS). El estado último es una situación física que involucra deformaciones excesivas que conducen y se aproximan al colapso del componente bajo consideración o de la estructura en su conjunto, según sea relevante, o deformaciones que exceden los valores previamente acordados. Implica, por supuesto, un comportamiento inelástico (plástico) considerable del esquema estructural y deformaciones residuales. Por el contrario, el ULS no es una situación física sino más bien una condición computacional acordada que debe cumplirse, entre otros criterios adicionales, para cumplir con las demandas de ingeniería de resistencia y estabilidad bajo cargas de diseño. Se considera que una estructura satisface el criterio del estado límite último si todos los esfuerzos mayorados de flexión , corte y tracción o compresión están por debajo de las resistencias mayoradas calculadas para la sección considerada. Las tensiones factorizadas mencionadas se encuentran aplicando factores de magnificación a las cargas en la sección. Los factores de reducción se aplican para determinar las diversas resistencias factorizadas de la sección.
Los criterios del estado límite también se pueden establecer en términos de carga en lugar de tensión: utilizando este enfoque, el elemento estructural que se analiza (es decir, una viga o una columna u otros elementos que soportan carga, como paredes) se muestra seguro cuando el "magnificado "las cargas son menores que las resistencias "reducidas" relevantes.
Cumplir con los criterios de diseño de la ULS se considera el requisito mínimo (entre otras exigencias adicionales) para proporcionar la adecuada seguridad estructural.
Además de la verificación ULS mencionada anteriormente, se debe realizar una verificación computacional del Estado Límite de Servicio (SLS). Para satisfacer el criterio del estado límite de servicio, una estructura debe permanecer funcional para el uso previsto sujeta a cargas rutinarias (diarias) y, como tal, la estructura no debe causar incomodidad a los ocupantes en condiciones rutinarias.
En cuanto al ULS, el SLS no es una situación física sino más bien una verificación computacional. El objetivo es demostrar que bajo la acción de cargas características de diseño (no mayoradas) y/o mientras se aplican ciertas magnitudes (no mayoradas) de deformaciones impuestas, asentamientos o vibraciones, o gradientes de temperatura, etc., el comportamiento estructural cumple con y no excede, los valores de los criterios de diseño SLS, especificados en la norma vigente correspondiente. Estos criterios involucran varios límites de tensión, límites de deformación (deflexiones, rotaciones y curvatura), límites de flexibilidad (o rigidez), límites de comportamiento dinámico, así como requisitos de control de grietas (ancho de grieta) y otras disposiciones relacionadas con la durabilidad de la estructura y su nivel de servicio cotidiano y confort humano alcanzado, y sus capacidades para cumplir sus funciones cotidianas. En vista de cuestiones no estructurales, también podría implicar la aplicación de límites a la acústica y la transmisión de calor que también podrían afectar el diseño estructural.
Esta verificación de cálculo se realiza en un punto ubicado en la mitad inferior de la zona elástica, donde se aplican acciones características (no factorizadas) y el comportamiento estructural es puramente elástico.
Los factores de carga y resistencia se determinan mediante estadísticas y una probabilidad de fallo preseleccionada. Los factores tienen en cuenta la variabilidad en la calidad de la construcción y la consistencia del material de construcción. Generalmente se aplica un factor uno o menor a las resistencias del material y un factor uno o mayor a las cargas. No se utiliza con frecuencia, pero en algunos casos de carga un factor puede ser menor que la unidad debido a una probabilidad reducida de las cargas combinadas. Estos factores pueden diferir significativamente para diferentes materiales o incluso entre diferentes grados del mismo material. La madera y la mampostería suelen tener factores más pequeños que el hormigón, que a su vez tiene factores más pequeños que el acero. Los factores aplicados a la resistencia también explican el grado de confianza científica en la derivación de los valores (es decir, se utilizan valores más pequeños cuando no hay mucha investigación sobre el tipo específico de modo de falla). Los factores asociados con las cargas normalmente son independientes del tipo de material involucrado, pero pueden verse influenciados por el tipo de construcción.
Al determinar la magnitud específica de los factores, a las cargas más deterministas (como cargas muertas, el peso de la estructura y accesorios permanentes como paredes, tratamientos de pisos, acabados de techos) se les asignan factores más bajos (por ejemplo, 1.4) que a cargas altamente variables como terremotos. cargas de viento o vivas (ocupación) (1.6). A las cargas de impacto generalmente se les dan factores aún más altos (digamos 2,0) para tener en cuenta tanto sus magnitudes impredecibles como la naturaleza dinámica de la carga frente a la naturaleza estática de la mayoría de los modelos. Si bien podría decirse que no es filosóficamente superior al diseño de tensión permisible o permisible , sí tiene el potencial de producir una estructura diseñada de manera más consistente ya que se pretende que cada elemento tenga la misma probabilidad de falla. En términos prácticos, esto normalmente da como resultado una estructura más eficiente y, como tal, se puede argumentar que el LSD es superior desde un punto de vista práctico de ingeniería.
El siguiente es el tratamiento del LSD que se encuentra en el Código Nacional de Construcción de Canadá :
Formato NBCC 1995φR > α D D + ψ γ {α L L + α Q Q + α T T}donde φ = Factor de Resistencia ψ = Factor de combinación de carga γ = Factor de importancia α D = Factor de carga muerta α L = Factor de carga viva α Q = Factor de carga sísmica α T = Factor de carga de efecto térmico (temperatura)
El diseño de estados límite ha reemplazado el antiguo concepto de diseño de tensiones permisibles en la mayoría de las formas de ingeniería civil . Una excepción notable es la ingeniería del transporte . Aun así, actualmente se están desarrollando nuevos códigos tanto para la ingeniería geotécnica como para la ingeniería del transporte que se basan en el LSD. Como resultado, la mayoría de los edificios modernos se diseñan de acuerdo con un código que se basa en la teoría de los estados límite. Por ejemplo, en Europa, las estructuras se diseñan de acuerdo con los Eurocódigos : las estructuras de acero se diseñan de acuerdo con la norma EN 1993 y las estructuras de hormigón armado, según la norma EN 1992 . Australia, Canadá, China, Francia, Indonesia y Nueva Zelanda (entre muchos otros) utilizan la teoría del estado límite en el desarrollo de sus códigos de diseño. En el sentido más puro, ahora se considera inapropiado discutir los factores de seguridad cuando se trabaja con LSD, ya que existe la preocupación de que esto pueda generar confusión. Anteriormente, se ha demostrado que el LRFD y el ASD pueden producir diseños significativamente diferentes de marcos de acero a dos aguas. [3]
Hay pocas situaciones en las que ASD produce diseños de marcos a dos aguas de acero significativamente más livianos. Además, se ha demostrado que en las regiones con mucha nieve, la diferencia entre los métodos es más dramática. [4]
Estados Unidos ha tardado particularmente en adoptar el diseño de estados límite (conocido como Diseño de Factores de Carga y Resistencia en EE.UU.). Los códigos y normas de diseño son emitidos por diversas organizaciones, algunas de las cuales han adoptado el diseño de estados límite y otras no.
Los requisitos del código de construcción ACI 318 para hormigón estructural utilizan el diseño de estado límite.
La Especificación ANSI/AISC 360 para edificios de acero estructural , la Especificación norteamericana ANSI/AISI S-100 para el diseño de miembros estructurales de acero conformados en frío y el Manual de diseño de aluminio de la Asociación del Aluminio contienen dos métodos de diseño uno al lado del otro:
Por el contrario, los tanques soldados de acero al carbono ANSI/AWWA D100 para almacenamiento de agua y los tanques soldados API 650 para almacenamiento de petróleo todavía utilizan un diseño de tensión permitida .
En Europa, el diseño de estados límite se aplica mediante los Eurocódigos .