Diseno en Acero Capitulo 01.pdf

14/03/2013

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Ing. Jorge Rosas Espinoza Ingeniero Civil - Universidad Nacional de San Agustin Arequipa – Peru

MSc. Earthquake Engineering - University at Buffalo, The State University of New York - USA

DISEÑO EN ACERO Y

MADERA

CAPITULO I: Introducción General al

Diseño en Acero

Ventajas y Desventajas del Acero como Material Estructural.

Perfiles de Acero, Nomenclatura y Propiedades de Acero.

Relaciones Esfuerzo-Deformación, Aceros Estructurales

Modernos y de Alta Resistencia.

Especificaciones, Cargas y Métodos de Diseño.

Selección de las Cargas de Diseño.

Definición de los Métodos de Diseño Elástico y Plástico.

Fundamentos del Diseño con factores de Carga y Resistencia

(Load and Resistance Factor Design LRFD).

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Introducción General al Diseño

en Acero Bibliografía:

1.- Diseño de Estructuras de Acero, Método LRFD.

Autor: Jack C. McCormac.

Clemson University, USA.

2.- Diseño Estructural en Acero.

Autor: Luis F. Zapata Baglieto.

Universidad Nacional de Ingeniería, Peru.

3.- Ductil Design of Steel Structures.

Autor: Michell Bruneau-Chia Ming Uang.

University at Buffalo, The State University of New York.

4.- Structural Steel Design.

Autor: Segui.

5.- AISC LRFD Manual of Steel Construction, 3rd Edition.

Especificaciones para el Diseño de

Estructuras de Acero Reglamentos.- Para el Diseño de Estructuras de Acero se cuenta

principalmente con 02 reglamentos:

1.- American Institute of Steel Construction (AISC).

- Diseño de Edificios y Conexiones de Acero.

- www.aisc.org

2.- American Association of State Highway and

Transportation Officials (AASHTO)

- Diseño de Puentes de Acero/Concreto

Armado/Madera.

Entre otras especificaciones tenemos:

* American Iron and Steel Institute (AISI

www.steel.org).

* American Railway Engineering Association.

http://www.aisc.org/

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Ventajas y Desventajas del Acero como

Material Estructural

Ventajas.-

El acero no se fabricó económicamente sino hasta finales del siglo XIX

y las primeras vigas de patín ancho no se laminaron sino hasta 1908:

-Alta Resistencia.- Alta resistencia del acero por unidad de peso, esto

implica que el peso será poco en las estructuras hechas de este material.

-Uniformidad.- Sus propiedades no cambian apreciablemente con el

tiempo.

-Elasticidad.- El acero se acerca mas en su comportamiento a las

hipótesis de Diseño que la mayoría de los materiales. Los Momentos de

Inercia pueden calcularse exactamente en una estructura hecha de

acero.

-Durabilidad.- Si el mantenimiento de las estructuras de acero es

adecuado, éstas pueden durar indefinidamente.



-Ductilidad **.- Propiedad que tiene un material de soportar grandes

deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión.

En una estructura las grandes deflexiones permiten u ofrecen la

evidencia visible de la Inminencia de la falla.

-Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, poseen resistencia y

ductilidad; un miembro de acero cargado hasta que se presentan

grandes deformaciones será aún capaz de resistir grandes fuerzas. La

Propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades

se denomina tenacidad.

- Contenido de

Carbono. - Ductilidad.

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Desventajas.-

-Costo de Mantenimiento.- La mayor parte de los aceros son

susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y agua y por lo

tanto deben pintarse periódicamente.

-Costo de Protección contra el Fuego.- La resistencia del acero se

reduce considerablemente durante los incendios, cuando los otros

materiales del edificio aún no se queman. El acero es un excelente

conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin

protección pueden transmitir suficiente calor de una sección o

compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del

mismo edificio e incendiar el material presente.

-Susceptibilidad al Pandeo.- Entre mas largos y esbeltos sean los

miembros a compresión, Mayor es el peligro de pandeo.



Desventajas.-

-Fatiga.- Su resistencia puede reducirse si se somete a un gran numero

de inversiones del signo de esfuerzo, o bien, a un gran numero de

cambios en la magnitud del esfuerzo de tensión.

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Acero Estructural Historia de la Construcción de la Ingeniería utilizando

Metales.- Hierro:

- Componente principal del acero.

- El hierro forjado fue el primer material usado para

fabricar herramientas alrededor del año 4000 A.C.

- El hierro fundido y el hierro forjado se usaron a fines del siglo

XVIII y comienzos del siglo XIX en puentes.

Acero:

- Una aleación principalmente de hierro y carbono.

- Pocas impurezas y menos contenido de carbono que el hierro

fundido.

- Empezó a reemplazar al hierro en la construcción a mediados

del siglo XVIII.

- Primer puente de acero para trenes en el año 1874.

- Primer edificio aporticado de acero en el año 1884.

Perfiles de Acero Generalmentee los miembros estructurales mas convenientes son

aquellos con grandes Momentos de Inercia en relación con sus áreas,

los perfiles I, T y C tienen esta propiedad.

Por lo general los perfiles de acero se designan por la forma de sus

secciones transversales. Por ejemplo, se tienen perfiles en ángulo, tes,

zetas y placas. Sin embargo, es necesario hacer una clara distinción

entre las vigas estándar americanas (llamadas vigas S) y las vigas de

patín ancho (llamadas vigas W) ya que ambas tienen forma de I. La

superficie interna del patín de una sección W es paralela al a superficie

externa, o bien, casi paralela con una pendiente máxima de 1 a 20 en el

interior dependiendo del fabricante.

Las vigas S que fueron los primeros perfiles de vigas laminadas en

USA tienen una pendiente de 1 a 6 en el interior de sus patines.

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Perfiles de Acero Debe notarse tambien que los espesores constantes o casi constantes de

los patines de las vigas W, a diferencia de los patines ahusados de las

vigas S, facilitan las conexiones. Las vigas de patín ancho representan

hoy en día el 50% de todos los perfiles estructurales laminados.

Perfiles de Acero Los perfiles de acero laminados en caliente son producidos a

partir del acero fundido en un horno el cual se vierte en una colada

continua donde el acero se solidifica completamente.

El acero parcialmente enfriado se hace pasar a través de rodillos

para conseguir la forma deseada.

Perfiles comunes de acero estructural se muestran en la figura:

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Perfiles de Acero Ejemplos de Designación de los perfiles de acero y su significado

se muestran a continuación:

* Una sección W27x114 representa una sección W con 27 pulg.

aproximadamente de peralte y peso de 114 lb/pie.

* Una sección S12x35 es una sección S con 12 pulg. de peralte y

peso de 35 lb/pie.

* Una sección C10x30 es una sección tipo canal con 10 pulg. de

peralte y peso de 30 lb/pie.

* Una sección L6x6x1/2 es una sección tipo ángulo de lagos

iguales, cada uno de 6 pulg. de longitud y ½ pulg. de

espesor.

Perfiles de Acero

Barras, placas y perfiles HSS se muestran a continuación:

Las secciones huecas de acero HSS (Hollow Steel Sections) se

fabrican por cualquiera de los dos métodos siguientes:

1.- Doblado del material de la placa en la forma deseada y la

correspondiente costura de soldadura.

2.- Doblado en caliente para producir una forma sin fisuras.

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Grados de Acero

Varios Grados de Acero estan disponibles hoy en día en el

mercado, la elección depende básicamente de los siguientes

criterios.

- Aplicación.

- Esfuerzo de Fluencia.

- Composición.

- Propiedades de Tracción.

- ASTM A36, A53, A242, A572, A709.

Dependiendo del criterio que se tome en cuenta se podrá escoger un tipo

de acero estructural de un grado determinado.

Propiedades del Acero Estructural

Relación Esfuerzo-Deformación Unitaria.-

La relación Esfuerzo-Deformación Unitaria se puede

considerar como la mejor caracterización del acero.

Esfuerzo.- P

A

Deformación Unitaria.- L

L L

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Relación Esfuerzo-Deformación Unitaria.-

La curva Esfuerzo-Deformación

presenta 4 rangos bien definidos:

La Ductilidad se define como la medida de deformación post elástica, donde

la deformación se puede expresar en términos de curvatura, deformación

neta, etc.

- Rango Elástico. - Rango Plástico (Platea de Fluencia).

- Zona de Estricción y Falla. - Endurecimiento por Deformación.

f o

o

L L

L

u

y


Una curva idealizada Esfuerzo-Deformación se muestra en la figura

donde se pueden apreciar 3 conceptos fundamentales.

Fy: Esfuerzo de Fluencia.

Fu: Esfuerzo de Tensión

Ultima de o de Rotura.

E: Módulo de Elasticidad o

Módulo de Young (29000

ksi).

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Para Aceros de Alta Resistencia, la curva Esfuerzo-Deformación es

frecuentemente similar a la curva mostrada a continuación.

* En la grafica se puede notar las

siguientes consideraciones

- Rango Elástico.

- Un Esfuerzo o Punto de

Fluencia no bien definido.

- Esfuerzo Ultimo de Rotura.

Debido a que el diseño hace uso del esfuerzo de fluencia y del esfuerzo

de rotura, es necesario definir el Esfuerzo de Fluencia para estos tipos de

Acero.


Composición Química del Acero.-

La composición química del acero determina las propiedades

mecánicas, entre las cuales tenemos:

* Resistencia.

* Ductilidad.

* Dureza (Resistencia a la Deformación Plástica).

* Tenacidad.

Los principales componentes del acero (una aleacion) son el

Hierro (en mayor porcentaje) y el Carbono. El Carbono

contribuye con la Resistencia pero no aporta Ductilidad.

Otros componentes incluyen Manganeso, Silicio, Cromo,

Molibdemo, Vanadio, Niquel y Cobre.

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El concepto del Carbono Equivalente fue introducido para convertir

en contenido de otros elementos, que incrementan la dureza del

acero, en carbono equivalente :

•Si la Resistencia incrementa, la dureza tambien incrementa, la

ductilidad disminuye y la soldabilidad tambien disminuye.

•Si el CE es alto, alrededor de 0.4 a 0.5, luego el potencial de

Agrietamiento de las conexiones soldadas se incrementa.

• Algunos limites en el CE no se encuentran en los Standards de la

ASTM pero otros limites son usados para controlar el porcentaje

máximo de estos elementos.

( ) ( ) ( )

6 5 15

Mn Si Cr Mo V Ni CuCE C



Los aceros estructurales son a menudo agrupados por su mayor

contenido de elementos químicos, por ejemplo:

•Aceros Puros de Carbono.

Mayormente Hierro y Carbono, menos del 1% en Carbono.

•Aceros de Baja Aleación.

Hierro, Carbono y otros componentes (menos del 5% en

volumen).

Incremento en Resistencia pero reducción de la ductilidad.

•Aceros de alta Aleación o Aceros Especiales.

Por ejemplo, el acero ASTM A36 es un acero puro de carbono con

los siguientes componentes:

-Carbono (0.26%), Fosforo (0.04% Máximo), Sulfuro (0.05%

Máximo).

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Considerando la figura (Bruneau et al.) se puede concluir 02

aspectos en el comportamiento del acero estructural para diferentes

contenidos de carbono.


Efectos de la Temperatura en las Propiedades del Acero

Estructural.-

- Las temperaturas elevadas

generalmente degradan las propiedades

del acero estructural. Las 03 graficas

muestran el efecto del incremento de la

temperatura en Fy, Fu y E.

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Efectos de la Temperatura en las Propiedades del Acero

Estructural.- - El comportamiento del acero estructural pasara de frágil a dúctil en un

rango de temperaturas conocido como el rango de temperaturas de

transición de Frágil a Dúctil.

- La prueba Charpy de Muesca V es utilizada para determinar la

temperatura de transición.


La velocidad de Deformación puede

afectar la forma de la curva Esfuerzo-

Deformación de la siguiente manera:

•El esfuerzo de Fluencia y el Esfuerzo de

Rotura se incrementaran con la

Velocidad de Deformación.

• Los Efectos de la Velocidad de

Deformación son solo significantes en el

estudio de la Ingeniería de Explosiones.

• El porcentaje de incremento en el

Esfuerzo de Fluencia y de Rotura son

dependientes de la temperatura.

Efecto de la Velocidad de Deformación en las Propiedades

Mecánicas del Acero Estructural.-

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Conceptos en el Diseño del Acero Estructural

Las estructuras de Acero se pueden diseñar utilizando cualquiera de estos

tres enfoques o métodos:

• Diseño por Esfuerzos Permisibles (ASD Allowable Stress Design).

• Diseño con Factores de Carga y Resistencia (LRFD Load and

Resistance Factor Design) *

• Diseño Plástico (Plastic Design).

Enfoques en el diseño de Estructuras de Acero.-

Diseño por Esfuerzos Permisibles

-Los Esfuerzos de Servicio se calculan de las

cargas de servicio usando estimaciones de las

cargas aplicadas.

-Los Esfuerzos Permisibles (bajo cargas de

servicio) se calculan dividiendo el Esfuerzo de

Fluencia o de Rotura por un factor de Seguridad.

- No se Conoce que tan seguro es el diseño.

Conceptos en el Diseño del Acero Estructural Enfoques en el diseño de Estructuras de Acero.-

Diseño Plástico El Diseño Plástico de Estructuras de Acero se basa en la consideración de las

condiciones de falla mas que en las condiciones de carga.

- Raramente usado en la practica (Este método todavía se encuentra en

proceso de reglamentación Bruneau et al.).

- En algunos aspectos es similar al Método LRFD.

Diseño con Factores de Carga y Resistencia (LRFD Load and

Resistance Factor Design)

El Diseño con Factores de Carga y

Resistencia es similar al Diseño Plástico en

que se considera la Resistencia (Condición

de Falla) del elemento.

Carga Factorizada ≤ Resistencia Factorizada

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Donde las Cargas factorizadas son la suma de los efectos de carga

multiplicados por los Factores de carga y la Resistencia Factorizada es

igual a la Resistencia multiplicada por un Factor de Resistencia. En este

método las cargas factorizadas llevan al elemento en análisis a su límite.

El concepto previamente descrito se puede expresar de la siguiente manera:

Carga Factorizada ≤ Resistencia Factorizada

. .i i nQ R

iQ

i : Factor de Carga.

: Efecto debido a la Carga (fuerza o momento).

nR : Resistencia Nominal del elemento.

: Factor de Resistencia.

nR : Resistencia de Diseño.




Donde los factores de carga no son constantes para un efecto de carga dado,

son arbitrarios en un punto de tiempo dado. Las combinaciones de carga se

presentan a continuación.

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Fundamento de los Factores de Carga y

Resistencia



El fundamento de los Factores de Carga y Resistencia se basa en estudios

analíticos extensos y evaluación de las condiciones en servicio.

Los Factores de Carga tienen en cuenta la Aleatoriedad en los efectos de

Carga.

Los Factores de Resistencia tienen en cuenta la Aleatoriedad en las

propiedades del material y la Incertidumbre en las teorías análisis y diseño

así como la Aleatoriedad en la fabricación y en las practicas de

Construcción.



El fundamento del Análisis Probabilístico para los Factores de Carga y

Resistencia considera los siguientes aspectos:

Promedio, Variabilidad, Desviación Standard y el Coeficiente de

Variación.

Función de Densidad de Probabilidad.

- Aleatoriedad e Incertidumbre in Cargas y Resistencias.

-

Función de Distribución Acumulativa.

Índices de Confiabilidad:

- Elementos - Conexiones

- Estructura - Valores Calibrados en la práctica actual.

Fundamento de los Factores de Carga y

Resistencia

( ), ( ), (ln )R

f Q f R fQ

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El Desempeño de un elemento sometido a tensión esta generalmente

gobernado por la respuesta de sus conexiones. La especificación LRFD

introduce una medida del desempeño de la conexión conocido como

eficiencia de la junta o conexión, la cual es una función de:

Propiedades del Material (Ductilidad).

Espaciamiento de las conexiones.

Concentraciones de Esfuerzo.

Retraso del Cortante.

- El mas importante de los 4 factores.

- Expresado por la Especificación LRFD.

El Método LRFD introduce el concepto de Área Neta Efectiva para

considerar los efectos del Retraso de cortante.

Áreas Netas

Para Conexiones Soldadas:

Para Conexiones Atornilladas o Remachadas:

Donde:

Donde el valor de x es la distancia desde el plano de la conexión hasta el

centroide del área de la sección total. Entre menor sea el valor de x, mayor

será el área efectiva del elemento. El valor de L es la longitud de la conexión

en la dirección de la carga.

Áreas Netas

.e gA U A

.e nA U A

1x

UL

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Las figuras siguientes ilustran el concepto de los valores de previamente

definidos.

Áreas Netas

En la conexión del ejemplo, la mayor parte de la carga es soportada por el

lado o brazo del ángulo conectado. En esta zona existe una región de

transición en la cual el esfuerzo logra expandirse para transmitirse en toda la

sección.

Diferentes Valores de x para diferentes perfiles estructurales de Acero.

Áreas Netas Efectivas

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Diferentes Valores de x para diferentes perfiles estructurales de Acero.


Diferentes Valores de U son dados dependiendo si existe mas de dos

conectores por línea o menos de dos conectores por línea en la dirección de

la carga.

El fundamento del Análisis Probabilístico para los Factores de Carga y

Resistencia considera los siguientes aspectos:


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Miembros Atornillados o Remachados: Si la carga se Transmite por medio

de tornillos o remaches a través de algunos, pero no de todos los elementos

del miembro, el valor de Ae debe determinarse de la siguiente forma:


.e nA U A

a).- Los perfiles W, M o S con anchos de patín no menores que dos tercios de

sus peraltes y tes estructurales cortadas de esos perfiles, siempre que la

conexión sea por patines. Las conexiones atornilladas o remachadas deben

tener no menos de tres conectores por hilera en la dirección de la fuerza.

0.9U

b).- Los perfiles W, M o S que no cumplan con las condiciones del párrafo

anterior, tes estructurales cortadas de esos y otros perfiles, incluyendo

secciones armadas. Las conexiones deberán tener no menos de tres

conectores por hilera en la dirección de la fuerza.

0.85U

Áreas Netas Efectivas c).- Todos los miembros con conexiones atornillados o remachados con solo

dos conectores por hilera en la dirección de la fuerza.

0.75U

0.90U

Miembros Soldados: Si la carga se Transmite por medio de soldaduras a

través de algunos, pero no de todos los elementos del miembro, el valor del

Área Neta Efectiva Ae debe determinarse multiplicando el coeficiente de

reducción U por el área total del elemento:

.e gA U Aa).- Los perfiles W, M o S con anchos de patín no menores que dos tercios de

sus peraltes y tes estructurales cortadas de esos perfiles, siempre que la

conexión sea por patines.

b).- Para todos los otros perfiles.

0.85U

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En la figura se muestra diferentes ejemplos para los valores del Área Neta

Efectiva.


Las pruebas han demostrado que cuando se utilizan placas planas o barras

conectadas por cordones longitudinales de soldadura como miembros a

tensión, éstas pueden fallar prematuramente por rezago de cortante en las

esquinas, si los cordones estan muy separados entre si. Por ello las

especificaciones LRFD estipulan que cuando se presenten tales situaciones,

la longitud de los cordones no debe ser menor que el ancho de las placas o

barras y el área neta efectiva será igual a:

.e gA U A

2l w

1.5 2w l w

1.5w l w

1.00U

0.87U

0.75U

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Elementos de Conexión para Miembros a

Tensión Cuando se usan placas de empalme o nudo como elementos de conexión,

cargados estáticamente a tensión, su resistencia se calculara con la siguiente

formula:

t n t g yR A F 0.9t

- Por Fluencia de Elementos de conexión soldados, remachados o

atornillados:

t n t n uR A F 0.75t

- Por Fractura de Elementos de conexión atornillados o remachados:

0.85n gA A

El área utilizada en la segunda de estas expresiones no debe exceder el 85%

de Ag. Se ha demostrada ampliamente que los elementos de conexión a

tensión remachados o atornillados pocas veces tienen una eficiencia mayor

del 85%:

Bloque de Cortante

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Bloque de Cortante

Bloque de Cortante

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