Física

Cargas muertas: características, cálculo, ejemplos

Las cargas muertas en una estructura representan el peso de todos los elementos que participan en su construcción, y los que se añaden posteriormente y quedan fijos a ella.

Son los elementos permanentes, entre los que se incluyen las cargas de los muros, el techo, los vidrios, las ventanas, las columnas, la plomería, los tanques, el sistema eléctrico, los aires acondicionados y demás.

Obsérvese que no se incluyen las personas, el mobiliario o los vehículos que transiten, ya que estas son cargas que se mantienen en movimiento y se analizan aparte. Estas últimas se conocen como cargas vivas. Sin embargo, ambos tipos de cargas, tanto permanentes como transitorias, se consideran cargas estructurales.

Los ingenieros civiles prestan mucha atención a todas las cargas que deben soportar las estructuras, ya que estas deben construirse para ser estables y mantenerse en el tiempo. Por lo tanto en el diseño hay que comenzar por asegurarse de que la estructura resista su propio peso.

Luego debe resistir el peso que se estime sea el del uso final de la estructura. Adicionalmente, ya que la construcción debe ser segura para los usuarios en todo momento, se busca que resista a los elementos que irán apareciendo con el tiempo, es decir, las cargas accidentales, como por ejemplo las que se originan por sismos, el viento, la nieve y el agua.

Las cargas muertas forman parte de las cargas gravitacionales, que están relacionadas con el peso. Cualquier estructura está sujeta a dichas cargas, al encontrarse siempre en medio del campo gravitacional terrestre.

Índice del artículo

Características de las cargas muertas

-La principal carga muerta de una estructura es su propio peso.

-Se trata de fuerzas verticales, ya que derivan del peso, el cual está dirigido verticalmente hacia abajo.

-Son cargas permanentes, debido a que actúan durante todo el tiempo que la construcción se mantenga en pie.

-Se considera que la magnitud de las cargas muertas es constante.

-Su valor se puede determinar con bastante exactitud conociendo las dimensiones de la estructura y las propiedades de los materiales tales como el peso específico o la densidad de los mismos. Estos valores están tabulados para cada material.

¿Cómo determinar el valor de las cargas muertas?

Conociendo las dimensiones y el peso específico del material con que está hecha la estructura, es muy sencillo evaluar el valor de la carga muerta. Sin embargo, las dimensiones exactas no se conocen con precisión al comienzo del proyecto.

Esta es la razón por la cual el diseñador debe hacer un estimado previo, según su experiencia. Posterior a ello se pueden hacer revisiones y ajustes en caso de ser necesario.

También hay que destacar que existen normativas establecidas en cada país, con los requerimientos acerca de los materiales y las dimensiones de las estructuras.

Como guía para que el lector tenga una idea de las cargas muertas en varios tipos de edificación, se tienen las siguientes cantidades, según el material predominante:

-Madera: 1.9 – 2.4 kN/m2 (40-50 lb/pie2)

-Acero: 2.9 – 3.6 kN/m2 (60-75 lb/pie2)

-Concreto reforzado: 5.3 – 6.2 kN/m2 (110-130 lb/pie2)

Acero, madera y concreto son los materiales más usados en las construcciones modernas.

Nótese que las unidades para la carga son de fuerza por unidad de área. En el Sistema Internacional SI la fuerza viene dada en newton (N), mientras que en el sistema británico se da en libra (lb) o libra-fuerza. 1kN equivale a 1000 N.

Para encontrar la carga muerta total, en principio se suman los pesos individuales de cada elemento.

Mediante el uso de una tabla de densidades o de pesos específicos (ver ejemplos más adelante) se puede calcular la carga muerta de una estructura determinada, según sus dimensiones.

Si la estructura es una viga, por ejemplo, la carga muerta se calcula multiplicando el peso específico del material por el área de la sección transversal.

En el caso de una losa maciza se multiplica su espesor por el peso específico del concreto armado.

Ejemplos de cargas muertas

A continuación citamos las principales cargas muertas de una construcción:

-Pavimentos

-Losas

-Muros

-Frisos

-Rellenos

-Paredes

-Tabiques

-Aires acondicionados y calefactores.

-Plomería e instalaciones sanitarias y de gas.

-Empuje estático de aguas y tierras.

Pesos específicos de algunos materiales de la construcción

Y aquí están los pesos específicos de algunos materiales frecuentes en la construcción. Con ellos podemos calcular la carga muerta de cada estructura:

-Acero: 77.3 kN/m3 (492 lb/pie3)

-Concreto reforzado: 17.4 kN/m3 (111 lb/pie3)

-Concreto (piedra reforzada): 23.6 kN/m3 (150 lb/pie3)

-Madera contrachapada: 5.7 kN/m3 (36 lb/pie3)

-Mampostería de peso normal: 21.2 kN/m3 (13.5 lb/pie3)

-Arcilla seca: 9.9 kN/m3 (63 lb/pie3)

Ejemplo de cálculo: carga muerta de una viga

La viga en T, cuyas dimensiones se muestran en la siguiente figura, forma parte de una edificación y está hecha de concreto con piedra reforzada.

Para calcular la carga muerta se hace uso del valor del peso específico para esta clase de concreto, y se multiplica por el área de la sección transversal, tal como se indicó más arriba.

En el caso de la viga, la carga viene dada en fuerza por unidad de longitud. Nótese que es necesario hacer previamente la conversión de pulgadas a pies. El factor de conversión necesario es:

1 pie = 12 pulgadas

La viga consta de dos partes, una horizontal y otra vertical, cuyas contribuciones se suman para hallar la carga total, a la que denotaremos como w.

Dichas contribuciones se calculan multiplicando el peso específico por el área de sección transversal, como se muestra a continuación:

w = 150 lb/pie3 (40 x 8 pulgadas2 + 18 x 10 pulgadas2) (1 pie/12 pulgadas)2 = 520.83 lb /pie

Nótese que la transformación de unidades (1 pie/12 pulgadas)2 aparece al mismo tiempo con el cálculo de la carga.

Importancia de las cargas muertas en la seguridad

Los ingenieros y constructores llevan a cabo protocolos para garantizar la seguridad de las edificaciones. Sin embargo los accidentes ocurren cuando las cargas no se distribuyen adecuadamente.

Salón Versailles en Jerusalén                         

En 2001, un salón de festejos en Jerusalén, Israel, se derrumbó debido a que el edificio había sufrido modificaciones estructurales importantes. Originalmente una parte se había diseñado para tener solo dos pisos, y un tercero se agregó después.

Poco antes del accidente, se habían removido unos muros en uno de los pisos inferiores, lo que ocasionó grietas que presagiaron el colapso del edificio, el cual finalmente ocurrió cuando se celebraba una boda. Como consecuencia fallecieron 23 personas y hubo numerosos heridos de gravedad.

Tiendas Sampoong en Seúl, Corea del Sur

Otro caso de colapso de una estructura por cambios en la carga muerta había ocurrido algunos años antes del derrumbe en Jerusalén.

Se trataba de un centro comercial en Seúl, Corea del Sur, en el que fallecieron unas 500 personas y más de mil salieron heridas, cuando el edificio se derrumbó en 1995, uno de los mayores desastres en Corea en tiempos de paz.

El edificio sufrió modificaciones importantes, ya que originalmente estaba diseñado para uso residencial: se le estrecharon varias columnas de apoyo para dar espacio a unas escaleras mecánicas.

Después de un tiempo, los propietarios decidieron añadir un piso más, destinado a restaurantes, por lo cual se modificó severamente la instalación de la calefacción, mediante tuberías de agua caliente que corrían por debajo del suelo del restaurante, así como la de los enormes aires acondicionados instalados en el techo.

Estas instalaciones forman parte de la carga muerta de una edificación, pero el diseño original no contemplaba este aumento de un 300 % en la carga, por lo que el edificio, ya debilitado, terminó por derrumbarse.

Esto nos indica la importancia que tiene considerar las cargas apropiadamente en el diseño de una edificación y las consecuencias de hacer modificaciones estructurales severas.

Referencias

  1. Hibbeler, R. 2012. Análisis Estructural. 8va. Edición. Pearson.
  2. Norma venezolana. Criterios y acciones mínimas para el proyecto de edificaciones. Recuperado de: fau.ucv.ve.
  3. Norma venezolana 17-53-2006. Proyecto y construcción de obras en concreto estructural. Recuperado de: saavedraonline.files.wordpress.com.
  4. Wikipedia. Desastre del Salón Versalles. Recuperado de: es.wikipedia.org.
  5. Wikipedia. Derrumbe del edificio de tiendas Sampoong. Recuperado de: es.wikipedia.org.