Los tipos de cargas que actúan sobre las estructuras para edificios y otras estructuras pueden clasificarse a grandes rasgos como cargas verticales, cargas horizontales y cargas longitudinales. Las cargas verticales consisten en carga muerta, carga viva y carga de impacto.
Las cargas horizontales comprenden la carga de viento y la carga sísmica. Las cargas longitudinales, es decir, las fuerzas de tracción y de frenado, se consideran en casos especiales de diseño de puentes, vigas de pórtico, etc.
Tipos de cargas en las estructuras y edificios
En la construcción de un edificio se tienen en cuenta dos factores principales: la seguridad y la economía. Si las cargas se adjudican y se toman más altas entonces la economía se ve afectada. Si se tiene en cuenta la economía y se toman cargas menores, la seguridad se ve comprometida.
Por lo tanto, la estimación de las diversas cargas que actúan debe calcularse con precisión. El código estándar indio IS: 875-1987 y el código estándar americano ASCE 7: Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras especifica varias cargas de diseño para edificios y estructuras.
Los tipos de cargas que actúan sobre una estructura son:
- Cargas muertas
- Cargas impuestas
- Cargas de viento
- Cargas de nieve
- Cargas sísmicas
- Cargas especiales
Cargas muertas (DL)
La primera carga vertical que se considera es la carga muerta. Las cargas muertas son cargas permanentes o estacionarias que se transfieren a la estructura a lo largo de su vida útil. La carga muerta se debe principalmente al peso propio de los miembros de la estructura, los tabiques permanentes, los equipos permanentes fijos y el peso de los diferentes materiales. Consiste principalmente en el peso de los tejados, las vigas, los muros y las columnas, etc., que por lo demás son las partes permanentes del edificio.
El cálculo de las cargas muertas de cada estructura se calcula por el volumen de cada sección y se multiplica por el peso unitario. Los pesos unitarios de algunos de los materiales comunes se presentan en la siguiente tabla.
| Sl. No | Material | Peso |
| 1 |
Albañilería de ladrillo |
18.8 kN/m3 |
| 2 |
Albañilería de piedra |
20,4-26.5 kN/m3 |
| 3 |
Hormigón de cemento liso |
24 kN/m3 |
| 4 |
Hormigón de cemento reforzado |
24 kN/m3 |
| 5 |
Madera |
5-8 kN/m3 |
Lee: Peso unitario/densidad de diferentes materiales de construcción
Cargas impuestas o cargas vivas (IL o LL)
La segunda carga vertical que se considera en el diseño de una estructura son las cargas impuestas o cargas vivas. Las cargas vivas son cargas móviles o en movimiento sin ninguna aceleración o impacto. Estas cargas se suponen producidas por el uso u ocupación prevista del edificio, incluyendo los pesos de los tabiques móviles o del mobiliario, etc..
Las cargas vivas siguen cambiando de vez en cuando. Estas cargas deben ser asumidas adecuadamente por el proyectista. Es una de las principales cargas en el diseño. Los valores mínimos de las cargas vivas que deben asumirse se indican en la norma IS 875 (parte 2)-1987. Depende del uso previsto del edificio.
El código da los valores de las cargas vivas para la siguiente clasificación de ocupación:
- Edificios residenciales-viviendas, hoteles, albergues, salas de calderas y de instalaciones, garajes
- Edificios educativos
- Edificios institucionales
- Edificios de montaje
- Edificios comerciales y de oficinas
- Edificios mercantiles
- Edificios industriales, y
- Salas de almacenamiento.
El código da carga uniformemente distribuida así como cargas concentradas. Los forjados deben diseñarse para soportar cargas uniformemente distribuidas o cargas concentradas, según lo que produzca mayores tensiones en la parte considerada. Dado que es poco probable que en un momento dado todos los pisos no estén soportando simultáneamente la carga máxima, el código permite cierta reducción de las cargas impuestas en el diseño de columnas, muros de carga, soportes de pilares y cimientos.
Algunos de los valores importantes se presentan en la tabla siguiente, que son los valores mínimos y siempre que sea necesario se deben asumir más que estos valores.
Sin embargo, en un edificio de varios pisos es muy raro que las cargas impuestas actúen simultáneamente en todas las plantas. De ahí que el código prevea la reducción de las cargas en el diseño de los pilares, los muros de carga, sus soportes y los cimientos, como se muestra en la tabla siguiente.
| Número de plantas (incluida la cubierta) que debe soportar el elemento considerado | Reducción de las cargas totales distribuidas en % |
| 1 | 0 |
| 2 | 10 |
| 3 | 20 |
| 4 | 30 |
| 5-10 | 40 |
| Más de 10 | 50 |
Cargas de viento
La carga de viento es principalmente la carga horizontal causada por el movimiento del aire en relación con la tierra. La carga de viento debe considerarse en el diseño estructural, especialmente cuando la altura del edificio supera dos veces las dimensiones transversales a la superficie expuesta al viento.
Para los edificios de poca altura, es decir, de hasta cuatro o cinco plantas, la carga de viento no es crítica porque el momento de resistencia proporcionado por la continuidad del sistema de suelo a la conexión de las columnas y los muros proporcionados entre las columnas son suficientes para acomodar el efecto de estas fuerzas. Además, en el método del estado límite, el factor de la carga de diseño se reduce a 1,2 (DL+LL+WL) cuando se considera el viento, frente al factor de 1,5 (DL+LL) cuando no se considera el viento.
Las fuerzas horizontales ejercidas por los componentes de los vientos deben tenerse en cuenta al diseñar el edificio. El cálculo de las cargas de viento depende de dos factores: la velocidad del viento y el tamaño del edificio. Los detalles completos del cálculo de la carga del viento en las estructuras se dan a continuación (por la IS-875 (Parte 3) -1987).
Usando el código de colores, la presión básica del viento ‘Vb’ se muestra en un mapa de la India. El diseñador puede elegir el valor de Vb dependiendo de la localidad del edificio.
Para obtener la velocidad del viento de diseño Vz se utilizará la siguiente expresión:
Vz = k1.k2.k3.Vb
Donde k1 = Coeficiente de riesgo
k2 = Coeficiente basado en el terreno, la altura y el tamaño de la estructura.
k3 = Factor de topografía
La presión del viento de diseño viene dada por
pz = 0,6 V2z
donde pz está en N/m2 a la altura Z y Vz está en m/seg. Hasta una altura de 30 m, se considera que la presión del viento actúa uniformemente. Por encima de 30 m de altura, la presión del viento aumenta.
Cargas de nieve (SL)
Las cargas de nieve constituyen a las cargas verticales en el edificio. Pero este tipo de cargas se consideran sólo en los lugares de caída de nieve. La IS 875 (parte 4) – 1987 trata de las cargas de nieve en las cubiertas del edificio.
La carga de nieve mínima sobre una zona de cubierta o cualquier otra zona sobre el suelo que esté sometida a la acumulación de nieve se obtiene mediante la expresión
Donde S = Carga de nieve de diseño sobre el área en planta de la cubierta.
= Coeficiente de forma, y
S0 = Carga de nieve en el suelo.
Cargas de terremotos (EL)
Las fuerzas de los terremotos constituyen tanto fuerzas verticales como horizontales en el edificio. La vibración total causada por el terremoto puede resolverse en tres direcciones mutuamente perpendiculares, usualmente tomadas como direcciones verticales y dos horizontales.
El movimiento en la dirección vertical no causa fuerzas en la superestructura de manera significativa. Pero el movimiento horizontal del edificio en el momento del terremoto debe ser considerado durante el diseño.
La respuesta de la estructura a la vibración del suelo es una función de la naturaleza del suelo de cimentación, el tamaño y el modo de construcción y la duración e intensidad del movimiento del suelo. La norma IS 1893- 2014 proporciona los detalles de dichos cálculos para las estructuras que se asientan en suelos que no se asientan o deslizan considerablemente debido a un terremoto.
Las aceleraciones sísmicas para el diseño pueden obtenerse a partir del coeficiente sísmico, que se define como la relación entre la aceleración debida al terremoto y la aceleración debida a la gravedad. Para las estructuras monolíticas de hormigón armado situadas en la zona sísmica 2, y 3 sin más de 5 pisos de altura y con un factor de importancia inferior a 1, las fuerzas sísmicas no son críticas.
Otras cargas y efectos que actúan sobre las estructuras
De acuerdo con la cláusula 19.6 de la IS 456 – 2000, además de la carga mencionada anteriormente, se tendrán en cuenta las siguientes fuerzas y efectos si pueden afectar materialmente a la seguridad y la capacidad de servicio de la estructura:
(a) Movimiento de los cimientos (véase IS 1904)
(b) Acortamiento axial elástico
(c) Presión del suelo y de los fluidos (véase IS 875, Parte 5)
(d) Vibración
(e) Fatiga
(f) Impacto (Ver IS 875, Parte 5)
(g) Cargas de montaje (Ver IS 875, Parte 2) y
(h) Efecto de concentración de tensiones debido a cargas puntuales y similares.