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.

Se considera que una estructura cumple con el límite último basándose en criterios arbitrarios, según las intenciones u objetivos nominales, no físicos, establecidos por los agentes humanos, y que, como tales, no tienen nada que ver con la ingeniería en sentido estricto, sino que existen "en papel" para ocultar, distorsionar u ofuscar de otro modo los verdaderos comportamientos fundamentales aplicables a una estructura.

Cumplir con los criterios de diseño del ULS no es suficiente para realizar los pasos mínimos necesarios para una seguridad estructural adecuada.

Además de la verificación ULS mencionada anteriormente, se debe realizar una verificación de cálculo del estado límite de servicio (SLS). Para cumplir con el criterio del estado límite de servicio, una estructura debe permanecer funcional durante el tiempo de su uso previsto, sujeta a cargas rutinarias (cotidianas).

Los factores de carga y resistencia se determinan mediante estadística y una probabilidad de falla preseleccionada. La variabilidad en la calidad de la construcción y la consistencia del material se consideran en los factores. Generalmente, se aplica un factor de uno o menos a las resistencias del material y un factor de uno o más a las cargas. Aunque no se usa con frecuencia, en algunos casos de carga, el factor puede ser menor que uno debido a una probabilidad reducida de las cargas combinadas.

Los factores mencionados pueden variar según el material o incluso entre diferentes grados del mismo material. Por ejemplo, la madera presenta un mayor grado de variabilidad que el acero. Los factores aplicados a la resistencia también tienen en cuenta el grado de confianza científica en la obtención de los valores.

Para determinar la magnitud específica de los factores, a las cargas más deterministas (por ejemplo, la carga muerta, que incluye el peso de la estructura y los elementos fijos como paredes, revestimientos de suelos y acabados de techos) se les asignan factores más bajos (por ejemplo, 1,4) que a las cargas altamente variables como las sísmicas, las de viento o las de ocupación (1,6). A las cargas de impacto se les suelen asignar factores aún más altos (por ejemplo, 2,0) para tener en cuenta tanto su magnitud impredecible como la naturaleza dinámica de la carga, en contraposición a la naturaleza estática de la mayoría de los modelos.

El diseño por estados límite tiene el potencial de producir una estructura con un diseño más consistente, ya que se pretende que cada elemento tenga la misma probabilidad de fallo. En la práctica, esto suele resultar en una estructura más eficiente y, por lo tanto, se puede argumentar que el diseño por estados límite es superior desde un punto de vista de ingeniería práctica.

A continuación se detalla el tratamiento del LSD que figura en el Código Nacional de Construcción de Canadá :

Formato NBCC 1995 φR > 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 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 por estados límite está regulado por los Eurocódigos .

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