Ya sea un almacén, una fábrica o un edificio comercial, la clave para garantizar la seguridad y la durabilidad de la estructura es considerar razonablemente la carga al diseñar el edificio.
Exploraremos en profundidad los tipos, métodos de cálculo y puntos de diseño de las cargas de las estructuras de acero para ayudarlo a comprender mejor este complejo problema de ingeniería y brindarle una sólida orientación para el diseño práctico. Ya sea que sea un novato en la industria o un ingeniero experimentado, este artículo le brindará sugerencias prácticas y puntos técnicos específicos.
Tipos de cargas en estructuras de acero
En el diseño de estructuras de acero, las cargas son el factor principal que determina la seguridad y la estabilidad de un edificio. Los distintos tipos de cargas tienen distintos efectos en la estructura, por lo que es importante comprender las características de estas cargas y su importancia en el diseño. A continuación, se presentan los tipos de cargas más comunes en el diseño de estructuras de acero y sus breves descripciones.
1. Carga muerta
La carga muerta comprende el peso estático del marco rígido, así como los pesos de los componentes, como el panel del techo, las correas, el algodón aislante y otros. A continuación, se muestran algunos valores típicos de carga muerta:
- Correa + panel de cubierta (espesor 0,5 mm): 0,10 KN/m²
- Correa + panel de cubierta (0,5 mm de espesor) + tablero de revestimiento de cubierta (0,5 mm de espesor): 0,15 KN/m²
- Correa + panel sándwich: 0,15 KN/m²
El cálculo preciso de la carga muerta debe adaptarse a las circunstancias específicas. En los casos en que se instalan numerosos dispositivos colgantes en el techo, no se puede pasar por alto el peso de las vigas que se utilizan para conectar y sostener estos dispositivos y debe incorporarse en la evaluación de la carga muerta del techo.
2. Carga viva y carga suspendida del techo
Carga viva del techo: Cuando se utiliza un techo liviano de chapa de acero corrugado, el valor estándar de la carga viva vertical del techo debe ser de 0,5 KN/m2 (Nota: cuando el marco rígido o la correa tiene solo una variable y el área de soporte de carga supera los 60 m2, la carga viva para el marco de acero puede ser de 0,3 KN/m2).
Carga suspendida del techo: Incluidos rociadores, tuberías, lámparas, etc., la carga colgante del techo se puede incluir en la carga viva del techo.
Los valores de carga de suspensión de techo comúnmente utilizados se pueden consultar de la siguiente manera:
- Techo de yeso 0,15 KN/m2
- Conducto de aire acondicionado 0,05 KN/m2
- Iluminación 0,05 KN/m2
- Rociador de 0,15 KN/m2
Cabe señalar que, dado que el sistema de cubierta de estructura de acero ligero es muy liviano, al utilizar un software de diseño como STS (el software no permite a los usuarios agregar condiciones de carga de suspensión), es más apropiado fusionar la carga del núcleo de suspensión de la cubierta con la carga viva. Si la carga de suspensión de la cubierta se considera en la carga muerta, el diseño no es seguro cuando se combina la combinación de carga muerta + carga de viento.
3. Carga de nieve
Al considerar la carga de nieve, tenga en cuenta lo siguiente:
- Es necesario tener en cuenta el coeficiente de distribución de nieve en el techo μr según el Código 50009-2001. La presión de nieve básica multiplicada por el coeficiente de acumulación de nieve es el valor estándar de la carga de nieve;
- Al diseñar los componentes portantes de la estructura y el techo del edificio, la distribución de la acumulación de nieve se puede adoptar de acuerdo con las siguientes disposiciones:
- Los paneles de techo y las correas se adoptan de acuerdo con la situación más desfavorable de distribución desigual de la nieve;
- Las cerchas del techo y las carcasas de los arcos se pueden adoptar de acuerdo con la distribución uniforme de la acumulación de nieve en todo el tramo, la distribución desigual de la acumulación de nieve y la distribución uniforme de la acumulación de nieve en la mitad de un tramo respectivamente;
- Se pueden adoptar marcos y columnas de acuerdo con la distribución uniforme de la acumulación de nieve en todo el tramo.
4. Carga de viento
El coeficiente de forma de la carga de viento del pórtico se puede tomar de acuerdo con el “Código de carga de estructuras de construcción” (GB50009-2001) o el “Código técnico para estructuras de acero ligeras de pórticos” (CECS102:2002). Tenga en cuenta lo siguiente:
- La presión básica del viento debe adoptarse de acuerdo con la presión del viento de 50 años que figura en el Apéndice D.4 del código de carga, pero no debe ser inferior a 0,3 kN/m2.
- No todos los pórticos se pueden utilizar según el CECS. El código de pórticos solo se aplica a: pendiente del techo α≤10, altura promedio del techo ≤18 m, relación altura-ancho de la casa ≤1 y altura del alero ≤ el tamaño horizontal mínimo de la casa;
- Cuando el pie de la columna está articulado y la l/h del marco es menor a 2,3 y el pie de la columna está conectado rígidamente y la l/h es menor a 3,0, es más seguro utilizar el coeficiente de forma del cuerpo de carga de viento especificado en GB50009 para el diseño del marco, mientras que utilizar el valor de GB50009 en otros casos conducirá a un diseño inseguro;
- En cualquier caso, la suma algebraica de los coeficientes de forma de la pared en ambos lados del marco horizontal no debe ser inferior a 1,2.
5. Carga de la grúa
La carga vertical de la grúa puente (viga) o la grúa colgante debe tomarse de acuerdo con la posición desfavorable de la grúa; la carga horizontal se puede ignorar para la grúa manual y el polipasto eléctrico.
6. Carga sísmica
Cuando la intensidad de la fortificación sísmica es alta y la envergadura del edificio es grande, la altura es alta o hay muchas columnas oscilantes en la dirección del ancho, el efecto del sismo horizontal se puede verificar de acuerdo con el "Código de diseño sísmico de edificios" bajo la combinación de sismo de marco rígido izquierdo y derecho. Al calcular, la relación de amortiguamiento se puede tomar como 0,05.
4. Otras cargas
7. Otras cargas
Además de las cargas comunes mencionadas anteriormente, las estructuras de acero también pueden verse afectadas por algunas cargas especiales.
Cargas térmicas: La expansión y contracción de los materiales provocada por los cambios de temperatura puede provocar tensiones en la estructura. Los efectos de las cargas térmicas se pueden mitigar colocando juntas de expansión o utilizando conectores flexibles.
Carga de explosión: La fuerza de impacto generada por la explosión, generalmente utilizada en el diseño de edificios de alta seguridad.
Carga de construcción: Carga temporal generada durante el proceso de construcción, como equipos de construcción, apilamiento de materiales, etc.
Carga de vibración: Carga causada por equipos mecánicos, tráfico u otras fuentes de vibración externas.
Carga de corrosión: Degradación del rendimiento del material debido a la corrosión ambiental, aumentando indirectamente la carga estructural.
En el diseño de estructuras de acero, el análisis de cargas es un paso clave para garantizar la seguridad y la estabilidad del edificio. Ya sea que se trate de cargas muertas, cargas vivas, cargas ambientales u otras cargas especiales, le brindaremos soluciones integrales de análisis y diseño. Si tiene alguna consulta sobre el análisis o el diseño de cargas, no dude en comunicarse con nosotros; ¡estamos comprometidos a servirle con todo nuestro corazón!
Combinación de cargas de estructuras de acero
¿Por qué necesitamos una combinación de carga?
En la ingeniería actual, las estructuras suelen estar sujetas a múltiples cargas al mismo tiempo. El diseño bajo una sola carga no puede reflejar por completo la compleja situación de uso real. Por lo tanto, la combinación de cargas debe tener en cuenta el efecto sinérgico de diferentes cargas y garantizar la seguridad y la estabilidad de las estructuras de acero en diversas condiciones posibles.
Combinaciones de carga comunes
- Carga muerta + carga viva: Es la combinación de carga más común, que se utiliza para considerar la carga estática y la carga dinámica de la estructura en condiciones normales de uso.
- Carga de viento + carga de nieve: Comúnmente utilizada en edificios de gran altura o instalaciones al aire libre, considerando la superposición del peso del viento y la nieve.
- Carga sísmica + carga muerta: En zonas propensas a terremotos, considere la estabilidad de la estructura bajo la acción sísmica y el efecto combinado de la carga constante.
Estas combinaciones de carga no sólo pueden mejorar el factor de seguridad del diseño, sino también predecir razonablemente el rendimiento de la estructura en condiciones de trabajo complejas.
El diseño de combinaciones de cargas debe cumplir con los códigos de construcción locales (como ASCE, códigos europeos, etc.). Estos códigos han formulado requisitos específicos de combinación de cargas basados en características regionales para garantizar que el diseño sea seguro y económico. El cumplimiento del código no solo puede mejorar la seguridad de la estructura, sino también evitar el sobrediseño y ahorrar costos.
Análisis de cargas y diseño de estructuras de acero
Análisis de elementos finitos (FEA)
El análisis de elementos finitos (FEA) sirve como una herramienta valiosa para analizar estructuras de acero, permitiendo a los ingenieros visualizar la distribución de tensiones dentro de la estructura bajo diversas cargas complejas (incluida carga muerta, carga viva, carga de viento, carga sísmica, etc.) e identificar problemas potenciales.
Diseño de vigas y columnas
Las vigas y columnas son las partes más importantes de las estructuras de acero, responsables de soportar y transferir cargas.
La carga se transfiere de las vigas a las columnas:
- La función de las vigas es soportar cargas (como el peso del piso, el peso de las personas o el de los muebles) y luego transferir las cargas a las columnas. Las columnas luego transmiten las cargas a la base. Al diseñar, asegúrese de que la carga se pueda transferir sin problemas para evitar el desequilibrio estructural.
Selección del tamaño de vigas y columnas:
- El tamaño de las vigas y columnas debe determinarse de acuerdo con el tamaño de la carga. Si el tamaño es demasiado pequeño, es posible que no proporcione el soporte adecuado, mientras que si es demasiado grande, provocará un desperdicio de material. Los ingenieros deben elegir el tamaño adecuado en función de la carga y el código.
Por ejemplo, una viga de fábrica necesitará soportar equipos más pesados, por lo que debe ser de acero más grande o más fuerte, mientras que una viga residencial puede ser más pequeña.
Diseño de la Fundación
El objetivo principal de la cimentación es transferir de forma segura la carga estructural al suelo. Al diseñar la cimentación, es fundamental garantizar su resistencia para evitar problemas.
Transferencia de carga al suelo:
- La cimentación debe poder distribuir uniformemente la carga sobre el suelo. Al diseñar, tenga en cuenta la capacidad de carga del suelo y asegúrese de que la cimentación pueda soportar el peso de toda la estructura.
Prevenir asentamientos desiguales:
- Si las distintas partes de los cimientos se hunden a distintas velocidades, la casa puede inclinarse o incluso derrumbarse. Para mitigar este problema, los ingenieros diseñan los cimientos teniendo en cuenta las condiciones del suelo y la distribución de la carga. Por ejemplo, en zonas con suelo blando, se pueden utilizar cimientos con pilotes para transferir la carga a capas de suelo más profundas y estables.
Mediante el análisis de elementos finitos, un diseño adecuado de vigas y columnas y un diseño de cimientos sólidos, los ingenieros pueden garantizar que las estructuras de acero sean seguras y confiables en una variedad de situaciones.
Desafíos del cálculo de cargas en estructuras de acero
Incertidumbre de la estimación de carga
Las cargas vivas y las cargas ambientales, como el viento, la nieve y los terremotos, presentan una variabilidad significativa y plantean desafíos para realizar predicciones precisas. Por ejemplo, la densidad de personas o la velocidad del viento en un edificio de oficinas pueden fluctuar. Por lo tanto, es necesario utilizar factores de seguridad en el diseño para garantizar que la estructura sea segura en diversas condiciones.
Complejidad de las combinaciones de carga
En los proyectos reales, pueden actuar al mismo tiempo o incluso superponerse múltiples cargas (como cargas muertas, cargas vivas, cargas de viento y cargas de nieve). Por ejemplo, los fuertes vientos y terremotos que ocurren al mismo tiempo aumentarán las fuerzas horizontales. Los ingenieros deben hacer combinaciones razonables de acuerdo con las especificaciones para garantizar que la estructura siga siendo segura en las condiciones más desfavorables.
Limitaciones del software
Los cálculos de carga dependen del software, pero la precisión de los resultados depende de los datos de entrada. Los datos incorrectos (como las propiedades del material y las condiciones de carga) darán lugar a desviaciones en los resultados. Además, es difícil que el software simule por completo situaciones complejas reales. Por lo tanto, los ingenieros deben verificar cuidadosamente los datos y combinar la experiencia para emitir juicios.
¿Cómo superamos estas dificultades?
Como proveedor profesional de estructuras de acero, somos conscientes de los desafíos en los cálculos de carga.
Para este fin, combinamos un software de diseño avanzado y una rica experiencia en ingeniería para estimar con precisión las cargas y combinarlas razonablemente; al mismo tiempo, seguimos estrictamente las especificaciones de diseño y establecemos factores de seguridad apropiados para garantizar que la estructura sea segura y confiable en diversas circunstancias.
Además, el equipo revisará los datos muchas veces para garantizar que cada paso sea preciso y, en última instancia, brindar a los clientes soluciones de estructura de acero seguras y económicas.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre carga muerta y carga viva?
La carga muerta se refiere al peso permanente de la estructura en sí, incluidas las vigas, columnas y losas del piso, que permanece constante. La carga viva, por otro lado, representa el peso variable que puede cambiar durante el uso, como el peso de las personas, los muebles y el equipo. En términos más simples, la carga muerta es el "peso fijo", mientras que la carga viva es el "peso cambiante".
¿Cómo afecta la carga del viento a los edificios de gran altura con estructura de acero?
El impacto de la carga de viento en los edificios de gran altura se refleja principalmente en fuerzas horizontales. Los vientos fuertes producirán presión o succión en la superficie del edificio, lo que puede hacer que la estructura se sacuda o incluso se deforme. Por lo tanto, las cargas de viento deben considerarse especialmente al diseñar estructuras de acero de gran altura para garantizar la estabilidad y el confort del edificio ante vientos fuertes.
¿Cómo calcular cargas sísmicas en estructuras de acero?
El cálculo de las cargas sísmicas debe tener en cuenta el área sísmica, el peso del edificio y el diseño estructural. La fórmula que se utiliza habitualmente es: carga sísmica = peso del edificio × aceleración sísmica × coeficiente estructural. El cálculo específico debe seguir las especificaciones de diseño sísmico locales para garantizar la seguridad de la estructura en caso de terremoto.
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