Las cargas ambientales son causadas por el medio ambiente en el cual se localiza una estructura particular. Para los edificios, las cargas ambientales son causadas por la lluvia, la nieve, el viento, los cambios de temperatura y los sismos. Estrictamente hablando, las cargas ambientales son cargas vivas, pero son el resultado del medio ambiente en el cual se ubica la estructura. Aun cuando ciertamente varían con el tiempo, no todas son causadas por la gravedad o por las condiciones de operación, como es común con otras cargas vivas. Se presentan algunos comentarios en los siguientes párrafos en relación con los diferentes tipos de cargas ambientales:
1. Nieve. En los estados más fríos (de Estados Unidos), las cargas de nieve con frecuencia son bastante importantes. Una pulgada de nieve equivale aproximadamente a 0.5 lb/ pie2, pero puede ser mayor en elevaciones menores, en donde la nieve es más densa. Para los diseños de techos, comúnmente se usan cargas de nieve de 10 a 40 lb/plg2; la magnitud depende principalmente de la pendiente del techo y en menor grado de la índole de la superficie de éste. Los valores mayores se usan para techos horizontales y los menores para techos inclinados. La nieve tiende a resbalar de los techos con pendiente, sobre todo de aquellos con superficies de metal o de pizarra. Una carga de aproximadamente 10 lb/plg2 podría usarse para pendientes de 45°, y una de 40 lb/plg2 para techos horizontales. Los estudios de registros de precipitación de nieve en áreas con inviernos severos pueden indicar la ocurrencia de cargas de nieve mucho mayores de 40 lb/plg2, con valores tan altos como 200 lb/plg2 en algunos estados del oeste.
La nieve es una carga variable que puede cubrir todo un techo o sólo parte de éste. Las cargas de nieve que se aplican a una estructura dependen de muchos factores, incluyendo la ubicación geográfica, la inclinación del techo, el resguardo y la forma del techo. El Capítulo 7 de ASCE 7-10 suministra mucha información con respecto a las cargas de nieve, incluyendo gráficos y fórmulas para estimar su magnitud. El viento puede acumularla cerca de los muros o en las lima hoyas o entre parapetos, puede deslizarla a otros techos situados más abajo y también puede barrerla de un lado de un techo inclinado o solidifi carla y dejarla en su posición original aun durante fuertes vendavales.
Los puentes generalmente no se diseñan considerando las cargas de nieve, ya que el peso de ésta resulta insignifi cante comparada con las cargas de trenes y camiones. En todo caso no es factible que se presenten simultáneamente una carga total de nieve y una de tránsito máximo. Los puentes y las torres quedan a veces cubiertos con capas de hielo de 1 a 2 plg
de espesor. El peso del hielo asciende entonces a aproximadamente 10 lb/plg2. Otro factor que se debe considerar es el área superficial incrementada de los miembros recubiertos de hielo, por lo que toca a las cargas de viento.
2. Lluvia. Aunque las cargas de nieve son un problema más serio que las cargas de lluvia en los techos comunes, la situación puede invertirse en los techos horizontales, especialmente aquellos localizados en lugares con clima cálido. Si el agua en un techo sin pendiente se acumula más rápidamente que lo que tarda en escurrir, el resultado se denomina encharcamiento, ya que la carga aumentada ocasiona que el techo se deflexione en forma de plato, que entonces puede contener más agua, lo que a su vez causa mayores deflexiones, y así sucesivamente. Este proceso continúa hasta que se alcanza el equilibrio o el colapso de la estructura. El encharcamiento es un problema muy serio, como lo atestigua el gran número de fallas que ocurren en techos horizontales cada año en Estados Unidos durante la temporada de lluvias. Se ha afi rmado que casi el 50 por ciento de las demandas que enfrentan los proyectistas de edifi cios tienen que ver con los sistemas de techo. El encharcamiento es una de las causas más comunes de estos litigios. El encharcamiento ocurre hasta cierto grado en casi todo techo horizontal, aunque se disponga de drenes para el desagüe. Aunque se haga un buen uso de los drenes del techo, éstos pueden resultar insuficientes durante tormentas intensas o estar tapados parcial o totalmente.
El mejor método para prevenir el encharcamiento es darle al techo una pendiente apreciable (1/4 plg/pie o mayor) junto con un buen sistema de drenes. Además del encharcamiento común, puede presentarse otro problema en los techos con áreas muy grandes (tal vez con un acre [4 000 m2 aproximadamente] o más de área superfi cial). Durante lluvias muy intensas en ocasiones también sobrevienen vientos muy fuertes. Si hay mucha agua en el techo, un viento fuerte podría desplazar una gran cantidad de agua hacia un extremo. El resultado puede ser un tirante hidráulico peligroso con respecto a la carga en lb/plg2 en ese extremo. Para estas situaciones, algunas veces se usan imbornales. Éstos son grandes agujeros
o tubos en las paredes o parapetos que permiten que salga el agua cuando ésta alcanza cierto nivel para drenarla rápidamente fuera del techo.
El Capítulo 8 de ASCE 7-10 proporciona información para estimar la magnitud de las cargas de lluvia que pueden acumularse sobre los techos sin inclinación.
3. Cargas de viento. En la bibliografía de la ingeniería de los últimos 150 años se reportan muchas fallas estructurales causadas por el viento. Quizá los casos más deplorables han tenido lugar en las estructuras de puentes como el Tay en Escocia que falló en 1879 (que causó la muerte de 75 personas) y el puente del estrecho de Tacoma, Washington, que también falló en 1940. Pero también han tenido lugar fallas desastrosas debido al viento en edificios, como el colapso del edificio de la Union Carbide en Toronto en 1958. Es importante observar que un gran porcentaje de fallas por viento en edificios han ocurrido durante el montaje.
4. Cargas sísmicas. Muchas áreas del mundo están situadas en “territorio sísmico”, y en esas áreas es necesario considerar fuerzas sísmicas en el diseño de todo tipo de estructuras. Durante siglos, se han tenido fallas catastróficas en edificios, puentes y otras estructuras debido a los sismos. Se ha estimado que por lo menos 50 000 personas perdieron la vida en el terremoto de 1988 en Armenia.7 Los sismos de 1989 en Loma Prieta y de 1994 en Northridge, California, ocasionaron miles de millones de dólares en daños a propiedades, así como una considerable pérdida de vidas.
