RESISTENCIA Y COMPORTAMIENTO EN SERVICIO – REQUISITOS GENERALES (V)

2. Los factores de carga se requieren para considerar los posibles excesos de carga ya que:

a. Las magnitudes de las cargas pueden diferir de las supuestas. Las cargas permanentes pueden variar por:

• Las variaciones del tamaño de los elementos.
• Las variaciones de la densidad de los materiales.
• Las modificaciones estructurales y no estructurales.

Las sobrecargas varían considerablemente en función del tiempo y del edificio del cual se trate.

b. Existen incertidumbres en el cálculo de las solicitaciones – Las suposiciones de las rigideces, longitudes de tramo, etc.,
y las incertidumbres involucradas en el modelado de las estructuras tridimensionales hacen que haya diferencias entre
las tensiones que realmente ocurren en una construcción y aquellas estimadas en el análisis del diseñador.

3. También se requiere reducir la resistencia y mayorar las cargas para reflejar el hecho de que las consecuencias de una falla pueden ser graves. Se deberían considerar diferentes factores:

a. El tipo de falla, la presencia de señales que permitan anticipar la ocurrencia de una falla, y la existencia de recorridos
de carga alternativos.
b. Las potenciales pérdidas de vidas humanas.
c. Los costos sociales, en términos de tiempo, lucro cesante, o pérdidas materiales o de vidas humanas indirectas, provocadas por la falla.
d. La importancia del elemento estructural dentro de la estructura.

e. El costo de reemplazo de la estructura.

Como antecedente de los valores numéricos de los factores de carga y factores de reducción de la resistencia especificados
en el código, vale la pena reproducir el siguiente párrafo de la Ref. 5-2:

"Los requisitos de diseño … de ACI … se basan en la hipótesis de que si la probabilidad de que haya elementos de menor resistencia que la supuesta es de aproximadamente 1 en 100, y la probabilidad de que haya exceso de carga es
de aproximadamente 1 en 1000, la probabilidad de que haya elementos con menor resistencia que la supuesta sujetos a exceso de carga es de aproximadamente 1 en 100.000. Los factores de carga fueron desarrollados para lograr esta probabilidad. Se calcularon las resistencias de varias secciones típicas en base a valores de resistencia del
hormigón y del acero correspondientes a una probabilidad de menor resistencia de 1 en 100. La relación entre la
resistencia basada en estos valores y la resistencia basada en las resistencias nominales de varias secciones típicas se ajustó arbitrariamente de manera de considerar las consecuencias de la falla y del modo de falla, y del modo de falla
de un tipo particular de elemento, y para otras fuentes que pueden hacer variar la resistencia."

Un Apéndice de la Ref. 5.2 recorre la historia del desarrollo de los actuales factores de carga y reducción de la resistencia de
ACI.

RESISTENCIA Y COMPORTAMIENTO EN SERVICIO – REQUISITOS GENERALES (IV)

A continuación presentamos los motivos por los cuales en el diseño por resistencia se requieren factores de reducción de la resistencia y factores de carga:5.2

1. Las razones para utilizar factores de reducción de la resistencia son las siguientes:

a. Las resistencias de los materiales pueden diferir de las supuestas en el diseño por las siguientes razones:

• Variabilidad de las resistencias de los materiales – Tanto la resistencia a la compresión del hormigón como la resistencia a la fluencia y la resistencia última a la tracción de la armadura son variables.
• Efecto de la velocidad de ensayo – Tanto las resistencias del hormigón como las del acero se ven afectadas por la velocidad de aplicación de las cargas.
• Resistencia in situ vs. resistencia de una probeta – La resistencia del hormigón colocado en una estructura no es exactamente igual a la resistencia del mismo hormigón en una probeta de control.
• Efecto de la variabilidad de las tensiones de contracción o las tensiones residuales – La variabilidad de las tensiones residuales debidas a la contracción puede afectar la carga de fisuración de un elemento, y es
significativa si la fisuración constituye el estado límite crítico. De manera similar, en las columnas, la
transferencia de carga de compresión del hormigón al acero provocada por la fluencia lenta y contracción puede llevar a la fluencia prematura de la armadura y, en las columnas esbeltas con bajas cuantías de armadura, la posibilidad de fallas por inestabilidad.

b. Las dimensiones de los elementos pueden diferir de las supuestas, ya sea por errores constructivos o de fabricación. Los siguientes factores son significativos:

• Las tolerancias de fabricación y laminación de las barras de armadura.
• Los errores geométricos en la sección transversal y los errores en la colocación de las armaduras.

c. Las hipótesis y simplificaciones usadas en las ecuaciones de diseño – tales como el uso del bloque rectangular de tensiones y una máxima deformación utilizable del hormigón igual a 0,003 – introducen tanto errores sistemáticos como errores accidentales.

d. El uso de tamaños de barra discretos produce variaciones en la capacidad real de los elementos.

Tolerancias para la colocación de la armadura (II)

Para los extremos de las barras y la ubicación longitudinal de los ganchos la tolerancia es de ± 2 in., excepto en los extremos discontinuos de las ménsulas y cartelas donde la tolerancia es de ± 1/2 in. En los extremos discontinuos de otros elementos
se permite una tolerancia de + 1 in. También se aplica la tolerancia para el recubrimiento mínimo de hormigón especificada
en el artículo 7.5.2.1. Estas tolerancias se ilustran en la Figura 3-1.


Observar que una tolerancia de signo positivo (+) aumenta la dimensión, mientras que una tolerancia de signo negativo (–)
la reduce. Cuando solamente se especifica una tolerancia de signo negativo es porque no hay ninguna limitación en el sentido positivo. El control de calidad durante la etapa constructiva debe considerar la más estricta de las tolerancias aplicables.

Además de las tolerancias para la colocación de la armadura especificadas en el Código, el ingeniero se debería familiarizar
con la norma ACI 117.3.5 La norma ACI 117 incluye tolerancias para todas las dimensiones, cantidades y propiedades del hormigón que se utilizan en la construcción. La intención es que el documento ACI 117 se adopte por referencia directa en
las especificaciones técnicas del proyecto, y por este motivo tiene el formato de una especificación.

El diseñador debe especificar e identificar claramente las tolerancias para el recubrimiento de hormigón de acuerdo con las necesidades del proyecto. Por ejemplo, si el hormigón estará expuesto a un ambiente muy agresivo, como por ejemplo el que provocan las sales anticongelantes, donde el espesor del recubrimiento de hormigón sobre las armaduras puede representar una consideración crítica desde el punto de vista de la durabilidad, el ingeniero puede especificar para este recubrimiento tolerancias menores que las permitidas por el Código o bien, por el contrario, especificar un mayor espesor para el recubrimiento para reconocer la variabilidad que se anticipa en la colocación de la armadura.

Tolerancias para la colocación de la armadura (I)

Las tolerancias especificadas en el Código se aplican simultáneamente al recubrimiento de hormigón y a la profundidad efectiva del elemento, d. Como la dimensión "d" es la más importante desde el punto de vista estructural, cualquier desviación de esta dimensión (especialmente en los elementos de menor profundidad) puede afectar la resistencia de la estructura terminada. La variación permitida respecto de la profundidad efectiva, d, toma en cuenta esta reducción de la resistencia, especificando tolerancias más bajas para los elementos de menor profundidad. También se establecen tolerancias admisibles para reflejar las técnicas y prácticas constructivas habituales. Las tolerancias críticas para la ubicación de la armadura longitudinal son las ilustradas en la Tabla 3-5, para las cuales hay dos excepciones:

1. La tolerancia para la distancia libre al intradós de un encofrado no debe ser menor que -1/4 in.

2. Las tolerancias para el recubrimiento de hormigón no deben ser mayores que -1/3 del mínimo recubrimiento libre de hormigón requerido en los planos y especificaciones técnicas. Ver el Ejemplo 3.1.

Nivel de Peligrosidad Sísmica especificado en el Código de Construcción General (III)

La edición 2000 del IBC,1.4 cuyos requisitos de diseño sismorresistente se basan en los Requisitos NEHRP 1997,1.8 expresan
la peligrosidad sísmica de manera similar al NBC y al SBC, pero con una diferencia significativa. Para determinar el riesgo sísmico el IBC también considera los efectos de amplificación de los suelos blandos. El parámetro utilizado en el IBC para asignar el riesgo sísmico, para determinar los detalles de armado y otros requisitos es la Categoría de Diseño Sísmico. La
Categoría de Diseño Sísmico de un edificio se determina de manera similar a la Categoría de Comportamiento Sísmico del
NBC y el SBC. Primero el edificio se asigna a un Grupo de Uso Sísmico, que es igual al Grupo de Riesgo Sísmico del NBC
y el SBC. A partir de este punto el procedimiento del IBC es más complejo. En vez de determinar un valor anticipado para el movimiento del terreno en base a una tabla, se determinan dos valores del espectro de aceleración de respuesta, uno para un período corto (0,2 segundos) y el otro para un período de 1 segundo. Luego estos factores se ajustan para considerar los efectos del tipo de suelo y se multiplican por dos tercios para obtener los valores de la aceleración de diseño. Conociendo elGrupo de Uso Sísmico y la aceleración de diseño, para determinar la Categoría de Diseño Sísmico en base a cada uno de los valores de diseño se ingresa a dos tablas diferentes. Si las Categorías de Diseño Sísmico obtenidas son diferentes, la determinante es la mayor.

A modo de guía, a los fines de determinar el campo de aplicación de los requisitos de diseño y los detalles de armado especiales, la Tabla 1-3 muestra la correlación entre las zonas sísmicas del UBC; las Categorías de Comportamiento Sísmico
del NBC, el SBC y los Requisitos NEHRP 1991; y las Categorías de Diseño Sísmico del IBC 2000 y los Requisitos NEHRP
1997.


Tabla 1-3 – Comparación de los Niveles de Peligrosidad Sísmica de ACI 318 con los de otros códigos y normas




1. SPC = Categoría de Comportamiento Sísmico según lo definido por el código, la norma o el documento fuente.
2. SDC = Categoría de Diseño Sísmico según lo definido por el código, la norma o el documento fuente.
3. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures.
4. NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) Recommended Provisions for Seismic Regulations for New
Buildings.
5. NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) Recommended Provisions for Seismic Regulations for New
Buildings and Other Structures.

Nivel de Peligrosidad Sísmica especificado en el Código de Construcción General (II)

Sin embargo, a partir de la adopción de los Requisitos NEHRP 1991 en el NBC y el SBC, el diseñador tendrá que consultar
el código modelo vigente para determinar el nivel de peligrosidad sísmica y los correspondientes requisitos especiales para
el diseño sismorresistente. El NBC, el SBC y los Requisitos NEHRP 1991, sobre los cuales se basan los requisitos de diseño sismorresistente de ambos códigos modelo, asignan una estructura a una Categoría de Comportamiento Sísmico determinada.
La Categoría de Comportamiento Sísmico expresa el riesgo en términos de la naturaleza y el destino del edificio, y del movimiento estimado de la roca en el sitio de emplazamiento. Para determinar la Categoría de Comportamiento Sísmico de
una estructura primero es necesario determinar su Grupo de Riesgo Sísmico. Las instalaciones esenciales se asignan al
Grupo III, los edificios utilizados para reuniones públicas y otras estructuras en las cuales habrá muchos ocupantes se asignan al Grupo II. Los edificios y demás estructuras no asignadas a los Grupos II o III se consideran parte del Grupo I
(para una definición más precisa de estos Grupos de Riesgo Sísmico, ver el código vigente). El siguiente paso consiste en determinar el coeficiente de aceleración máxima relacionado con la velocidad, AV, que se obtiene de un mapa que forma parte del NBC y el SBC. Una vez que se tienen estos dos elementos se puede determinar la Categoría de Comportamiento Sísmico con ayuda de una tabla incluida en el código vigente que es similar a la Tabla 1-2, la cual se ha tomado de los Requisitos NEHRP.

Nivel de Peligrosidad Sísmica especificado en el Código de Construcción General (I)

Tradicionalmente este código ha diferenciado entre peligrosidad sísmica "baja," "moderada" o "elevada." La definición exacta de los niveles de peligrosidad sísmica está bajo la jurisdicción del código de construcción general y se asignan por zonas (que dependen de la intensidad del movimiento del terreno). Los códigos modelo especifican cuáles secciones del Capítulo 21 se deben satisfacer en función del nivel de peligrosidad sísmica. A modo de guía, en ausencia de requisitos específicos en el código de construcción general, los niveles de peligrosidad sísmica se correlacionan con las zonas sísmicas
de la siguiente manera:


Esta correlación de los niveles de peligrosidad sísmica y las zonas sísmicas se refiere al UBC.1.3

RESISTENCIA Y COMPORTAMIENTO EN SERVICIO – REQUISITOS GENERALES (III)

Aumenta la resistencia requerida usando cargas mayoradas o los momentos y fuerzas internas mayoradas. Las cargas mayoradas se definen en 2.1 como las cargas de servicio multiplicadas por los factores de carga apropiados. Las cargas a utilizar se describen en 8.2. Por lo tanto, la resistencia a la flexión requerida de la sección ilustrada en la Fig. 5-1 para carga permanente y sobrecargas es: