El diseño de estado límite ( LSD ), también conocido como diseño de factor 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 con los criterios de diseño relevantes. [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 aptitud para el uso, la durabilidad u otros requisitos de diseño. Una estructura diseñada por LSD está proporcionada para soportar todas las acciones que probablemente ocurran durante su vida útil y para permanecer apta para el 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 límites, desarrollado en la URSS y basado en la investigación dirigida por el profesor NS Streletski, se introdujo en la normativa de construcción de la URSS en 1955.
El diseño del estado límite requiere que la estructura satisfaga dos criterios principales: el estado límite último (ELU) y el estado límite de servicio (ELS). [2]
Todo proceso de diseño implica una serie de supuestos. Es necesario estimar las cargas a las que se someterá una estructura, elegir los tamaños de los elementos que se van a comprobar y seleccionar los criterios de diseño. Todos los criterios de diseño de ingeniería tienen un objetivo común: garantizar una estructura segura y garantizar su funcionalidad.
Se hace una distinción clara entre el estado último (EU) y el estado límite último (ELU). El estado último es una situación física que implica deformaciones excesivas que conducen y se acercan al colapso del componente en consideración o de la estructura en su conjunto, según corresponda, o deformaciones que exceden los valores acordados previamente. Implica, por supuesto, un comportamiento inelástico (plástico) considerable del esquema estructural y deformaciones residuales. Por el contrario, el ELU 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 todas las tensiones factorizadas de flexión , cortante y tracción o compresión están por debajo de las resistencias factorizadas calculadas para la sección en consideración. Las tensiones factorizadas a las que se hace referencia se encuentran aplicando factores de aumento a las cargas en la sección. Los factores de reducción se aplican para determinar las diversas resistencias factorizadas de la sección.
Los criterios de estado límite también se pueden establecer en términos de carga en lugar de tensión: utilizando este enfoque, se demuestra que el elemento estructural que se analiza (es decir, una viga o una columna u otros elementos portantes, como paredes) es seguro cuando las cargas "magnificadas" son menores que las resistencias "reducidas" relevantes.
Cumplir con los criterios de diseño de la ULS se considera como el requisito mínimo (entre otras exigencias adicionales) para proporcionar la seguridad estructural adecuada.
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 seguir funcionando para su uso previsto sujeta a cargas rutinarias (cotidianas) y, como tal, la estructura no debe causar incomodidad a los ocupantes en condiciones rutinarias.
En cuanto a los ELU, los SLS no son una situación física sino más bien una comprobación computacional. El objetivo es demostrar que bajo la acción de cargas características de diseño (no factorizadas) y/o mientras se aplican ciertas magnitudes (no factorizadas) de deformaciones impuestas, asentamientos o vibraciones, o gradientes de temperatura, etc., el comportamiento estructural cumple y no excede los valores de los criterios de diseño de los SLS, especificados en la norma pertinente vigente. Estos criterios implican 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 diario y confort humano alcanzado, y su capacidad para cumplir con sus funciones diarias. En vista de los problemas no estructurales, también podría implicar límites aplicados a la acústica y la transmisión de calor que también podrían afectar al diseño estructural.
Esta comprobación de cálculo se realiza en un punto situado 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 utilizando estadísticas y una probabilidad de falla preseleccionada. La variabilidad en la calidad de la construcción, la consistencia del material de construcción se tienen en cuenta en los factores. Generalmente, se aplica un factor de la unidad (uno) o menos a las resistencias del material, y un factor de la unidad o mayor a las cargas. No se usa a menudo, 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 tienen en cuenta 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 las cargas muertas, el peso de la estructura y los accesorios permanentes como paredes, tratamientos de pisos, acabados de techos) se les asignan factores más bajos (por ejemplo, 1,4) que a las cargas altamente variables como terremotos, viento o cargas vivas (ocupación) (1,6). Las cargas de impacto generalmente reciben 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 se podría decir que no es filosóficamente superior al diseño de tensión permisible o admisible , tiene el potencial de producir una estructura diseñada de manera más consistente, ya que cada elemento está destinado a tener 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 de ingeniería práctica.
A continuación se presenta el tratamiento del LSD que se encuentra en el Código Nacional de Construcción de Canadá :
Formato de 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 del efecto térmico (temperatura)
El diseño de estados límites ha reemplazado al antiguo concepto de diseño de tensiones admisibles en la mayoría de las formas de ingeniería civil . Una notable excepción es la ingeniería de transporte . Aun así, actualmente se están desarrollando nuevos códigos tanto para la ingeniería geotécnica como para la ingeniería de transporte que se basan en LSD. Como resultado, la mayoría de los edificios modernos se diseñan de acuerdo con un código que se basa en la teoría de estados límites. Por ejemplo, en Europa, las estructuras se diseñan para cumplir con los Eurocódigos : las estructuras de acero se diseñan de acuerdo con EN 1993 y las estructuras de hormigón armado con EN 1992. Australia, Canadá, China, Francia, Indonesia y Nueva Zelanda (entre muchos otros) utilizan la teoría de estados límites 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 frontón de acero. [3]
Son pocas las situaciones en las que ASD produce estructuras de acero con un peso significativamente más ligero. Además, se ha demostrado que en regiones con mucha nieve, la diferencia entre los métodos es más drástica. [4]
Estados Unidos ha sido particularmente lento en adoptar el diseño de estados límite (conocido como Diseño de Factor de Carga y Resistencia en los 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 estados límite.
La especificación ANSI/ AISC 360 para edificios de acero estructural , la especificación norteamericana ANSI/AISI S-100 para el diseño de elementos estructurales de acero conformados en frío y el Manual de diseño de aluminio de la Asociación del Aluminio contienen dos métodos de diseño en paralelo:
Por el contrario, los tanques de acero al carbono soldados ANSI/AWWA D100 para almacenamiento de agua y los tanques soldados API 650 para almacenamiento de petróleo todavía utilizan un diseño de tensión admisible .
En Europa, el diseño de estados límites se rige por los Eurocódigos .