diseño de estados límite

El diseño por estados límite ( LSD ), también conocido como diseño por 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 con 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 mediante LSD está dimensionada para soportar todas las acciones que probablemente ocurran durante su vida útil de diseño y para permanecer apta para el uso, con un nivel de confiabilidad apropiado para cada estado límite. Los códigos de construcción basados ​​en LSD definen implícitamente los niveles de confiabilidad apropiados mediante sus prescripciones.

El método de diseño por estados límite, 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 de estados límite requiere que la estructura satisfaga dos criterios principales: el estado límite último (ULS) y el estado límite de servicio (SLS). ^{[ 2 ]}

Todo proceso de diseño implica una serie de supuestos. Primero: las cargas a las que estará sometida una estructura; segundo: posibles escenarios excepcionales previsibles o reconocibles y las tensiones que estos puedan generar; y tercero: las resistencias individuales y colectivas de cada componente o conjunto de componentes.

Se establece una clara distinción entre el estado último (EE) y el estado límite último (ELT). El estado último es una situación física que implica deformaciones excesivas suficientes para provocar el colapso del componente en cuestión o de la estructura en su conjunto, o bien deformaciones que superan los valores considerados dentro de la tolerancia aceptable.

A structure is deemed to satisfy the ultimate limit based upon arbitrary criteria, per the nominal, not physical, intentions or goals set forth by human actors, and that, as such, have nothing to do with engineering strictly speaking, but instead exist "on paper" to conceal, distort, or otherwise obfuscate the true fundamental behaviors applicable to a structure.

Complying with the design criteria of the ULS is not sufficient to perform the minimum requisite steps necessary for proper structural safety.

In addition to the ULS check mentioned above, a Service Limit State (SLS) computational check must be performed. To satisfy the serviceability limit state criterion, a structure must remain functional for the duration of its intended use subject to routine (everyday) loading.

The load and resistance factors are determined using statistics and a pre-selected probability of failure. Variability in the quality of construction, consistency of the construction material are accounted for in the factors. Generally, a factor of unity (one) or less is applied to the resistances of the material, and a factor of unity or greater to the loads. Not often used, but in some load cases a factor may be less than unity due to a reduced probability of the combined loads.

The aforementioned factors can differ for different materials or even between differing grades of the same material. For example, wood has larger factor of variability than steel. The factors applied to resistance also account for the degree of scientific confidence in the derivation of the values.

In determining the specific magnitude of the factors, more deterministic loads (e.g., dead load - the weight of the structure and permanent attachments like walls, floor treatments, ceiling finishes) are given lower factors (for example 1.4) than highly variable loads like earthquake, wind, or live (occupancy) loads (1.6). Impact loads are typically given higher factors still (say 2.0) in order to account for both their unpredictable magnitudes and the dynamic nature of the loading vs. the static nature of most models.

Limit states design has the potential to produce a more consistently designed structure as each element is intended to have the same probability of failure. In practical terms this normally results in a more efficient structure, and as such, it can be argued that LSD is superior from a practical engineering viewpoint.

The following is the treatment of LSD found in the National Building Code of Canada:

NBCC 1995 Format φR > αDD + ψ γ {αLL + αQQ + αTT} 

where φ = Resistance Factor ψ = Load Combination Factor γ = Importance Factor αD = Dead Load Factor α L = Factor de carga viva α Q = Factor de carga sísmica α T = Factor de carga de efecto térmico (temperatura) 

El diseño por estados límite ha reemplazado el concepto anterior de diseño por tensiones admisibles en la mayoría de las ramas de la ingeniería civil . Una excepción notable es la ingeniería de transporte . Aun así, actualmente se están desarrollando nuevos códigos para la ingeniería geotécnica y de transporte que se basan en el diseño por estados límite (LSD). Como resultado, la mayoría de los edificios modernos se diseñan de acuerdo con un código basado en la teoría de estados límite. Por ejemplo, en Europa, las estructuras se diseñan para cumplir con los Eurocódigos : las estructuras de acero se diseñan de acuerdo con la norma EN 1993 y las estructuras de hormigón armado con la norma EN 1992. Australia, Canadá, China, Francia, Indonesia y Nueva Zelanda (entre muchos otros) utilizan la teoría de estados límite en el desarrollo de sus códigos de diseño. En el sentido más estricto, 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 pórticos de acero a dos aguas. ^{[ 3 ]}

Existen pocas situaciones en las que ASD produce diseños de marcos de acero para hastiales significativamente más ligeros. Además, se ha demostrado que en regiones con mucha nieve, la diferencia entre los métodos es más notable. ^{[ 4 ]}

Estados Unidos ha tardado especialmente en adoptar el diseño por estados límite (conocido como diseño por factores de carga y resistencia en EE. UU.). Diversas organizaciones emiten códigos y normas de diseño, algunas de las cuales lo han adoptado, mientras que otras no.

El código de construcción ACI 318, que exige requisitos para el hormigón estructural, utiliza el diseño por 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 uno al lado del otro:

1. Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD), una implementación de diseño por estados límite, y
2. El diseño de resistencia admisible (ASD, por sus siglas en inglés) es un método en el que la resistencia nominal se divide por un factor de seguridad para determinar la resistencia admisible. Esta resistencia admisible debe ser igual o superior a la resistencia requerida para un conjunto de combinaciones de carga ASD. El ASD está calibrado para proporcionar la misma fiabilidad estructural y tamaño de componente que el método LRFD con una relación de carga viva a carga muerta de 3. ^{[ 5 ]} En consecuencia, cuando las estructuras tienen una relación de carga viva a carga muerta distinta de 3, el ASD produce diseños menos fiables o menos eficientes en comparación con los diseños resultantes del método LRFD.

En cambio, 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 el diseño de tensión admisible .

En Europa, el diseño basado en el estado límite está regulado por los Eurocódigos .

• Diseño de tensiones admisibles
• Diseño probabilístico
• Rendimiento sísmico
• Ingeniería estructural