Estabilidad de las construcciones
La estabilidad de una construcción resulta de las medidas tomadas por el diseñador para evitar su ruina durante su vida útil. De hecho, las construcciones ( puentes , edificios , marcos , presas , etc. ) deben soportar un cierto número de esfuerzos o cargas en condiciones habituales (carga de servicio, nieve, etc.) o incluso excepcionales (accidente, terremoto, etc.) sin sufrir daños. y sin poner en peligro a los ocupantes.
La estabilidad está asegurada cuando en cada punto de la construcción los esfuerzos de cargas externas no exceden la resiliencia del material .
La estabilidad del edificio es el campo de estudio de una rama de la ingeniería y especialmente de la ingeniería civil , las estructuras de ingeniería .
Normativas
Los códigos o normativas oficiales definen los criterios de estabilidad así como los factores de seguridad a tener en cuenta durante el diseño . Observamos principalmente:
- Los Eurocódigos desarrollados por el Comité Europeo de Normalización (CEN).
- Normas estadounidenses redactadas por profesionales de la construcción. Nótese más específicamente el ACI-318 desarrollado por el American Concrete Institute para hormigón armado.
Cargas o tensiones
Las cargas o tensiones son fuerzas o presiones aplicadas a la construcción. Nos distinguimos :
- cargas permanentes: peso propio de la construcción y sus acabados ,…;
- cargas internas de construcción: pretensado , ajuste de cojinetes, etc .;
- costes de explotación , los que provienen de la propia función de la construcción: cargas de tráfico en un puente , presión de agua en una presa , cargas traídas por la ocupación de un edificio, empuje de tierra en un muro,…;
- cargas de origen climático: viento , lluvia , nieve , temperatura ,…;
- cargas resultantes de cambios en el entorno circundante a la construcción: asentamiento bajo un soporte,…;
- montones de sucesos excepcionales: inundaciones, tormentas y tornados , terremotos , etc .;
- Posiblemente determinadas cargas accidentales: incendio , explosiones, impactos, vertido inesperado de materiales pesados, sobrepresión en un proceso industrial, etc.
Los cargos a tener en cuenta están definidos por la normativa vigente y por la propia función de la construcción. Cabe señalar que determinadas construcciones denominadas de "seguridad" sólo se recurre realmente a casos excepcionales o accidentales: el caso de las barreras antitormentas.
Resistencias
Cada material se puede caracterizar por su resistencia. Esto se mide mediante pruebas y mediciones ( prueba mecánica ) o está certificado por el fabricante.
El valor de resistencia que se tiene en cuenta para el control de estabilidad tiene en cuenta la dispersión estadística inherente al material. Hablamos de resistencia característica, es decir un valor que tiene una probabilidad del 95% de ser inferior al del material realmente utilizado.
Control de estabilidad
Criterios de estabilidad
La estabilidad de la construcción está asegurada si las tensiones son menores que las resistencias, a saber:
S ≤ R
Donde S representa las tensiones y R representa las resistencias. Si S = R, decimos que se ha alcanzado el estado límite . Si S> R, la construcción supera la ruina y sufre daños.
Factores de seguridad
Sin embargo, dadas las incertidumbres relacionadas tanto con las cargas como con las resistencias, los códigos y regulaciones requieren el uso de coeficientes de seguridad.
La relación anterior se convierte entonces en:
S * Cs_carga ≤ R / Cs_materials
Donde Cs_charge representa el coeficiente de seguridad que se aplicará a las cargas y tiene en cuenta:
- La posibilidad de desviaciones desfavorables en los cargos.
- La posibilidad de modelado impreciso de cargas.
- Incertidumbres relativas a la evaluación de los efectos de las cargas.
Y Cs_matériaux representa el coeficiente de seguridad que se aplicará a las resistencias y tiene en cuenta:
- Desviaciones desfavorables de las fortalezas estadísticas de los materiales.
- Inexactitudes de los coeficientes de conversión entre las resistencias medidas y las resistencias reales.
- Incertidumbres sobre propiedades geométricas y modelos de resistencia.
Estos coeficientes de seguridad se particularizan según las condiciones de verificación (estados límite últimos y en servicio).
Comprobación de la estabilidad general
El diseñador toma las medidas necesarias para que la construcción no se mueva como un bloque y por tanto evitar:
- la línea de flotación: esta verificación es particularmente importante para las construcciones enterradas por debajo del nivel de la capa freática. Es necesario tener en cuenta las variaciones de este nivel a lo largo del tiempo;
- el deslizamiento : puede ser el caso de sostener un muro de tierra;
- Inclinación o vuelco: Caso de una construcción esbelta sometida a los efectos del viento.
Control de resistencia
Cada elemento de la construcción debe tener la resistencia suficiente para evitar los siguientes modos de ruina :
- falla por exceso de carga y por lo tanto por exceder la capacidad de resistencia nominal ( resistencia de materiales ), es decir, falla dúctil a corto o largo plazo ( fluencia );
- ruina por inestabilidad geométrica , cuando la estructura escapa bajo la carga ( pandeo ). Esto puede ocurrir principalmente para elementos delgados como barras de acero estructural;
- Ruina por fatiga , cuando el número de tensiones alternas ( vibraciones , etc. ) excede la capacidad del elemento. La fatiga afecta principalmente a los soportes de las máquinas rotativas;
- Ruina por fractura frágil ( mecánica de fractura ) para elementos sometidos a bajas temperaturas o alta velocidad de carga o con defectos preexistentes.
Esta verificación también es aplicable al suelo debajo de la cimentación ( geotécnica ).
Verificación de funcionalidad
Además de la estabilidad, debe garantizarse la funcionalidad de la construcción. Por ejemplo, debe evitarse que:
- Las deformaciones significativas en vientos fuertes no molestan a los habitantes de un edificio.
- Las amplitudes de vibración excesivamente fuertes no destruyen la máquina soportada.
- Las grietas reducirán la impermeabilización (construcción) de una torre de agua, ...
En condiciones de servicio, el diseñador se asegurará de que la construcción se mantenga dentro de su rango funcional: sin deformaciones excesivas o grietas, etc.
En condiciones excepcionales ( incendio , accidente, terremoto , etc.) la construcción puede sufrir daños parciales pero se debe considerar la seguridad de los usuarios (habitantes, etc.).
Notas y referencias
- http://www.cen.eu
- ACI -318 Requisitos del código de construcción para hormigón estructural y comentario
- Instituto Americano del Concreto http://www.concrete.org/general/home.asp
- Ver Eurocódigo 1: EN 1991-1 [9.4]
- Ver artículo relacionado "Hormigón en estados límite"
- para factores de seguridad , ver, por ejemplo, Eurocódigo I : EN 1991-1 [9.3]
Ver también
Bibliografía
: documento utilizado como fuente para este artículo.
- Charles Massonnet - Estática de las construcciones - Universidad de Lieja - 1972
- Timoshenko , Resistencia de los materiales, D. Van Nostrand Co., 1930 (reimpresión de 1940, 1955), 2 vol.
Artículos relacionados
- Ingeniería estructural
- Hormigón armado
- Hormigón armado en estados límite
- Acero
- (en) en: Fracture_mechanics
- (en) en: Fatigue_ (material)
- Genio civil
- Marco
enlaces externos
- Eurocódigos: http://www.icab.fr/guide/eurocode/index.html