1. II Los derechos inherentes a fa propiedad y publicaci6n de
la presente obra han sido registrados conforme a la Ley. La misma
no podra ser divulgada ni reproducida total ni par- cialmente por
ningun medio, sin el previo consentimiento escrito de la C. V.C.
Siderurgica del Orinoco, C.A. (SIDOR). Las Especificaciones y
Codigos extranjeros se han traducido con la debida autorizacion de
los Organismos respectivos. La responsabilidad de estas
traducciones, aSI como su adaptacion a los Sistemas de Unidad
Internacional y Metrico, correspon- de a la C.V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO C.A. (SIDOR). Los documentos normativos venezolanos
incluidos en este tomo se han incorporado fielmente, salvo las
modificaciones de diagramacion y notacion de unidades adoptadas
como cri- terio general para su presentacion. La informacion
proporcionada no debeni ser utilizada sin que previamente la avale
la opinion profesional competente con respecto a su adaptabilidad
para cualquier aplicacion dada. Quien utilice esta informacion
asume toda la responsabilidad que provenga de tal uso. PRESENTACION
La C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. (SIDOR) presenta la
Segunda Edicion del Manual de Proyectos de Estructuras de Acero,
con la finalidad de ofre- cer una guia util a los Ingenieros,
Arquitectos, Constructores y Estudiantes, los cuales incorporan el
acero como materia fundamental en el diseno de estructuras. Este
Manual contiene la mas reciente informacion disponible sobre el
tema. En su elaboracion no se ha pretendido establecer criterios
originales, sino mas bien se ha intentado un esfuerzo particular de
recoleccion, seleccion y adaptacion de las me- jores experiencias,
prestando especial enfasis a los productos y preferencias del
mercado venezolano. La edicion de este Manual, ademas de constituir
una forma de promover el uso del acero en el pais, representa una
contribucion a otras instituciones nacionales que directa 0
indirectamente tienen que ver con las normas que rigen la materia.
Esta no es ni sera la ultima palabra sobre el tema, ya que mucho
tenemos que aprender de esta tecnologia que, aunque generalizada en
otras sociedades, todavia tiene bastante por desarrollar en el
pais. Por ello agradecemos cualquier observa- cion 0 sugerencia que
sirva para enriquecer futuras ediciones. III
2. IV EDITOR C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. (SIDOR) La
elaboracion de este Manual ha estado a cargo de la empresa
venezolana Cypeca Servicios S.A. (CYPESER) en colaboracion con el
Instituto Chileno del Acero (ICHA) y el Instituto Latinoamericano
del Fierro y el Acero (ILAFA). EI merito concreto de la realizacion
de esta obra pertenece a los ingenieros Celso Fortoul Padron,
Arnaldo Gutierrez Rodriguez, Miguel Angel Coca Abia, Juan
Sivocrynski Rojas y Hector San Martin Caballero. A su vez, los
integrantes de este equipo quieren dejar constancia de su agradeci-
miento y reconocimiento a las instituciones anteriormente citadas,
al Ing. Jorge Espinoza Otto por su invalorable ayuda tecnica, al
Ing. Enrique Martinez Romero por sus oportunas opiniones y
suministro de informacion, ala Srta. Andrea Pereira Fernandez y al
Sr. Juan Carlos Espinoza Otto por el interes y preocupacion en la
preparacion de los dibujos tecnicos y, finalmente, pero no menos
importante, a nuestras respectivas familias por su abnegada
solidaridad durante el desarrollo del proyecto. SIDOR agradece el
aporte de todos aquellos profesionales que brindaron con su
experiencia e ideas, invalorable apoyo a la realizacion de este
Manual. A los libre- ros del pais, quienes al margen de su
actividad comercial constituyen unos activos difusores de la
ciencia y la cultura. A los siguientes Centros de Informacion, por
sus eficientes servicios: Centro de Informacion de Cementos y
Concretos (CINCCO), Fundacion Venezolana de Investigaciones
Sismologicas (FUNVISIS), Bibliotecas de la Facultad de Ingenieria y
del Instituto de Materiales y Modelos Estructurales (IMME) de la
Universidad Central de Venezuela. V TOMO III CONTENIDO Pag. PARTE 8
INTRODUCCION AL DISENO ... ...... .... ... ....... .. .............
8-1 A. Introduccion al Diseno de Miembros .. ..... ....... .....
...... ... 8-3 1. Generalidades Sobre las Estructuras de Acero ....
.. ....... 8-5 I. I Introduccion .. ..................... .... ....
.. ......... ..... 8-5 1.2 Comportamiento de Miembros y Estructuras
..... 8-6 Comportamiento de los Miembros ... ... ... ...... 8-8
,Comportamiento de la Estructura ................ 8-9 1.3 Criterios
de Disefio .......... ....................... ..... 8- I I Criterio
de Disefio por Tensiones Admisibles ... 8- 14 Criterio de Disefio
Phistico .......... .. ............. 8- 15 1.4 EI Proyecto de
Estructuras de Acero .............. 8-16 Pianos de Disefio .. ....
... ... .. ... .. ..... .. ... .. ....... 8- 17 Pianos de Detalle
.............. .... ................... 8-18 Lista Avanzada de
Materiales ................ .. ... 8- 19 2. EI Acero Estructural
...... ................... ..... ...... .. .. ... 8-21 2.1
Introduccion .............. .... ..... ..... ...... .. ...... .....
8-2 I 2.2 Produccion y Clasificacion del Acero ...... ........ 8-2
I 2.3 Productos Comerciales de Acero ............ ........ 8-24 2.4
Propiedades Mecanicas del Acero ........ ... .. .. ... 8-26
Resistencia .............................................. 8-27
Ductilidad ... .......................... ... .. .... ..... ....
8-30 Soldabilidad ............ ...... .. .... .......... ...
....... 8-30 Tensiones Residuales ..... .................. .. ..
..... 8-3I Efecto del Trabajo en Frio ..... ... ........... ... ...
8-33 Efecto de la Temperatura ................ ... ........ 8-34
Efecto de las Bajas Temperaturas .... ... .. ... .... 8-34 Efecto
de las Altas Temperaturas ..... ........... 8-36 Corrosion ....
.............. ..... ....... .......... ....... . 8-38 Efecto de
las Cargas Repetidas (Fatiga) .. ....... . 8-39 Desgarramiento
Laminar ........................... 8-4 I 2.5 Anexos .. .. .. ..
.......... ........ .... .. ...... ....... ... ..... . 8-43 SIDOR
.... ........ ... .. .. .... ... .... .... ..... ............ 8-43
Glosario Siderurgico ........................... .. .... 8-49 3.
Miembros en Traccion .. ...... ....... .... ...... ..... ....
....... 8-57 3.1 Introduccion .. .. ........ .... .... .... .. ..
.......... ... ...... 8-57 3.2 Comportamiento de Miembros
Centricamente Traccionados .. ..... ................. ... .......
.. .. ....... . 8-58 3.3 Comportamiento de Miembros Excentricamente
Traccionados ......... .............. ......... ... .... ... ....
8-62
3. 3.4 Area Total y Area Neta ... ........ .... .... .........
.... 8-66 3.5 Criterio de Diseno ... ... ... ... ... ..... ... ...
...... ....... 8-69 3.5. I Criterio de Resistencia
........................ .. . 8-70 3.5.2 Criterio de Rigidez
................................ 8-71 3.6 Perfiles Armados en
Traccion .. ...................... 8-77 3.7 Tirantes ... .... ....
.. ....... ... ... ... ... ... .. ...... ..... ... .. 8-78 3.8
Empalmes... ... .... ... .. ..... ... ........ ....... ....
........ 8-80 4. Miembros en Compresion ....................
....... .......... 8-81 4. I Introduccion ... ..........
................ ............. ..... 8-81 4.2 Estabilidad Elastica
del Equilibrio ..... ......... .. ... 8-82 4.3 Consideraciones
Generales Relativas a la Estimacion de la Resistencia de Miembros
en Compresion ................ .......... ...... .. .... .. ...
..... 8-85 4.3.1 Influencia de la Geometria de la Seccion
Transversal y de la Posicion Relativa del Punto de Aplicacion de la
Carga Axial .. .. .... 8-86 Pandeo Elastico
.................................... 8-89 Pandeo Inelastico
.................................. 8-93 Radios de Giro Equivalentes
.... ............... 8-94 4.3.2 Influencia de las Imperfecciones
Geometricas Iniciales ..... ...... ..... ... ......... 8-100 4.3 .3
Influencia del Comportamiento del Material
.............................................. 8- 102 4.3.4
Influencia de las Condiciones de Apoyo ... ... 8-107 4.3.5 Pandeo
Local de Miembros Comprimidos ... 8-129 4.3.5.1 Elementos de la
Teoria de Placas: Placas Comprimidas en una Direccion por una Carga
Uniformemente Distribuida en su Plano .. .. ............ . Pandeo
...................................... . Post-Pandeo
............................... . 4.3.5.2 Consideraciones de Pandeo
Local en la Determinacion de Tensiones Admisibles 0 Interaccion
entre el Pandeo Local y el Pandeo General .. .. Dispositivos
Tendientes a Evitar la Iniciacion del Pandeo Local .. ........ .
Disposiciones que Toman en Cuenta el Pandeo y el Post-Pandeo ......
..... . 4.4 Criterios de Disefio
..................................... . 4.5 Perfiles Armados en
Compresion ... ................ . 4.6 Miembros de Seccion Constante
Sometidos a Compresion Variable. Miembros de Seccion Variable
Sometidos a Compresion Constante. Miembros de Seccion Variable
Sometidos a Compresion Variable por Efecto de Cargas Puntuales a
Distintos Niveles a 10 Largo de su Directriz
................................................... . 4.7
Atiesadores Longitudinales .......................... . 8-130 8-130
8-137 8-140 8-141 8-145 8-146 8-167 8-177 8-177 VII 5. Miembros en
Flexion ........................................... 8- 187 5.1
Introduccion ........... .. ....... .... .. ........... ... .......
8-187 5.2 Generalidades Sobre el Comportamiento de Vigas ....
....... ... .... ...... ... ... .. ... .... ....... .. .... 8-190
5.3 Consideraciones Generales Relativas a la Resistencia de
Miembros en Flexion ........... .... 8-203 5.3.1 Momento .....
............. .. .. ... .. ... ... ..... ..... .. 8-205 5.3. I. I
Estabilidad de la Flexion Recta .. .. .... 8-205 Pandeo Elastico
.... ... .... ... ...... ....... 8-205 Pandeo Inelastico .....
..... .. ... .......... 8-214 Pandeo Lateral en la Flexion
Biaxial.. 8-214 Longitud Libre de Pandeo .......... ... 8-215
5.3.1.2 Pandeo Local. ......... ..... .... ... ... ..... 8-225 Alas
.. ... ...... ... ....... ...... ...... ... ...... 8-225 Pandeo
Lateral. ... ... ..... .... ... ...... ... 8-227 Pandeo Torsional
......................... 8-227 Pandeo Vertical... ...
..................... 8-228 Alma ... .... ... .. ........
..................... 8-228 Pandeo del Alma por Flexion .... .... .
8-229 Pandeo del Alma por Compresion ..... 8-229 Post-Pandeo del
Alma. ... ........ ....... 8-232 5.3.2 Corte ... ... .... ....
..... .... ...... ... .. ... ....... ...... 8-234 5.4 5.5 5.6
Pandeo ... .... .... .... .. ......... ......... ... ... ......
8-235 Post-Pandeo ............. .. ......... .... ...... ..... ..
8-237 Fluencia ............. ......... ...... ... .... .. .........
8-240 Capacidad Ultima de Corte... .. .... .. .. .... ... . 8-241
5.3.3 Efecto Combinado de Momento y de Corte. . 8-241 Interaccion
Flexion-Corte ............... .. ...... 8-241 Influencia de las
Tensiones Cortantes sobre la Distribucion de las Tensiones Normales
en Alas Estables de Vigas Excepcionalmente Anchas .....
.......................................... 8-243 Consideraciones
Generales Relativas a la Rigidez de Miembros en Flexion
............................... 8-244 Deflexion por Flexion ... ...
.. ....................... 8-244 Vibraciones
............................................. 8-252 Efecto de la
Retencion Acumulativa de Agua en Techos Pianos 0 con Drenaje
Insuficiente ... 8-258 Arriostramiento Lateral ... .. .... .. ...
...... ... ... .. .. .. 8-258 Atiesadores de Alma .......... ....
... ............ ..... .. 8-267 Atiesadores Transversales ..... ...
.... .... .......... 8-267 Atiesadores Longitudinales
........................ 8-269 5.7 Criterio de Disefio ..... ....
.............................. 8-269 Macro-Etapas en el Disefio de
un Miembro a Flexion .... ........ ... ... ...... ..... ....... ...
.... ... ..... 8-270 5.8 Diferentes Tipos de Vigas ... .... ... ...
.......... .. .... 8-307 Vigas Reforzadas .... ...... ... .. .....
...... ... .... .... 8-307 Perfiles Armados .......... .. .. .....
................... 8-311 Vigas de Almas Perforadas ...........
.......... .... 8-312 Viguetas de Celosias ...... ....... .........
....... .... 8-313
4. VIII Vigas de Seccion Variable ....... ..... .. .... ..
...... 8-314 Vigas de Seccion Hibrida .. .... .... ... ... ......
.... . 8-319 6. Miembros en Flexocompresion ........ ........ ...
......... ... 6. I Introduccion .......... ... ......
................. .... .... ... 6.2 Consideraciones Generales
Relativas a la Estimacion de la Estabilidad y Resistencia de
Miembros en Flexocompresion ............. ..... ... . 6.2.1
Secciones Abiertas de Doble Simetria, Torsionalmente Estables
........ ... .. .... ... ... . Miembros Cortos. Tratamiento
Elastico ... .. Tratamiento Plastico ..... ...... ............
...... . Flexion Predominante ............. ....... .... .. ..
Compresion Predominante ......... ... .... .. .... Flexion
Alrededor del Eje Mayor ............ . Flexion Alrededor del Eje
Menor ............ . Miembros Esbeltos ....... ... .....
............... . 6.2.2 Secciones Abiertas Torsionalmente
Inestables ............. ..... ... ... .. ......... .. .. .. ...
Secciones Abiertas de Simetria Simple ..... .. 6.3 Criterios de
Disefio ... .. .. ................. ... .......... . Carga
Concentrica Equivalente .. .. ...... ....... .. 6.4 Criterios de
Disefio para Miembros de Porticos PIanos Analizados Tomando en
Cuenta los Efectos de Segundo Orden ........................... .
Evaluacion del Efecto del Cambio de Geometria 0 Efecto P-~ ... ...
.... ... ... ..... ..... .. . 7. Miembros en Torsion ............
... .. .... ..................... . 7. I Introduccion ...
.................. ... ... .... .. ... .......... . 7.2 Torsion
Uniforme ............... .. ...................... . 7.3 Torsion No
Uniforme .. ............... ..... .. ..... .... .. 7.3.1
Caracteristicas Sectoriales de la Seccion Transversal
..................... ........... :........ . Concepto de Area
Sectorial ................... . Relacion entre el Area Sectorial y
las Coordenadas Cartesianas .. .................... .
Caracteristicas Sectoriales de la Seccion ... . Area Sectorial
Principal ............... ......... . 7.3.2 Condiciones de
Equilibrio Estatico ......... . Tensiones Normales ..... ..
......... .... .. ...... .. Tensiones de Corte ........ .. ...
..... ... .... ..... . 7.3.3 Desplazamientos Causados por las
Tensiones Normales .... ..... .. .. ... ..... .... .... . 7.3.4
Metodos Aproximados ... ... ... ... .............. . 7.4 Torsion
Mixta .. ........ ..... .... .... ...... ............ ... . Metodos
Aproximados .............. ........ ....... . 7.5 Criterios de
Disefio ........ ... .......... ................ . Criterio de
Resistencia .................... ......... . Criterio de Rigidez
..... ........ ..................... . 8-321 8-321 8-322 8-324
8-324 8-325 8-326 8-327 8-328 8-328 8-329 8-335 8-337 8-341 8-350
8-390 8-392 8-409 8-409 8-411 8-413 8-414 8-414 8-415 8-416 8-416
8-422 8-422 8-423 8-429 8-431 8-432 8-433 8-441 8-441 8-442 II 7.6
Analogias ...... ..... ............. ..................... ......
8-447 Analogia de la Membrana (L. Prandtl) para Secciones
Solicitadas por Torsion Uniforme .. 8-447 Analogia de la Viga Sobre
Fundacion Elastica para Secciones de Cajon Sujetas a Distorsion ..
8-447 Analogia entre la Torsion Mixta y la Flexotraccion
............. ....... .... .... .... ... .... 8-448 Analogia entre
la Flexion Simple y la Torsion No Uniforme .. .............. ...
......... 8-449 B. Introduccion al Diseiio de Uniones .......
...... ... ..... ........ .. 8-459 8. Medios de Union
................... .............................. 8-461 8.1
Introduccion................. ..... ......... ........ ....... .
8-461 8.2 Pemos ...... ... ...... .. ..... .......... .......
................. 8-461 8.2.1 Consideraciones Generales Relativas a
la Resistencia de los Pemos Estructurales ... 8-462 8.2.1.1
Comportamiento Individual de Pemos ........................
.......... ... .. 8-462 Pemos en Traccion Axial ..............
8-465 Pemos Solicitados por Fuerza Cortante
................................ ..... 8-469 Pemos Solicitados
Simultaneamente por Fuerza Cortante y Traccion ...... 8-470 8.2.1.2
Comportamiento de un Grupo de Pemos ..... ........... .. ... ...
... ......... ... 8-471 Comportamiento Antes del Deslizamiento
(Uniones del Tipo de Friccion) ............ ....................
8-473 Preparacion y Tratamiento de las Superficies ..... .......
..................... 8-476 Procedimientos de Apriete ... .... ..
.... 8-476 Dimension de las Perforaciones ..... .. 8-479
Comportamiento Despues del Deslizamiento Total (Uniones de Tipo
Aplastamiento) ..................... 8-480 Tension Admisible de
Corte ... .... .... 8-482 Fluencia de la Seccion Total de la
Plancha ..... ....... .......... ....... ..... 8-483 Tension de
Aplastamiento ............. 8-485 8.2.1.3 Comportamiento Bajo
Cargas Repetidas (Fatiga) ................ ..... ... 8-487 8.2.1.4
Proteccion de los Pemos Contra la Corrosion ....... ...............
........... .. 8-488 8.2.2 Criterios de Disefio ..... ........
....... ......... .. 8-489 8.3 Soldadura ... .... ... ....... ..
............ ... ................ 8-500 8.3.1 Materiales ... ....
....... ....... .. ....... .... ......... 8-504 Metal Base
........... ............................... 8-504 Metal de Aporte
........................ ... ........ 8-505 8.3.2 Clasificacion de
las Soldaduras ................ 8-507 IX
5. x 8.3.3 8.3.4 8.3.5 Consideraciones Generales Relativas a la
Resistencia de la Soldadura .......... ...... . Comportamiento Bajo
Solicitaciones Extemas .. ..................... ................ ..
... . Tensiones y Deformaciones Debidas a la Soldadura
.................. .. ....... .... ............ . Criterios de
Diseno ... ............. ...... ... ..... . Uniones Empemadas y
Soldadas ..... .. .. ... . 8-512 8-512 8-514 8-515 8-528 9.
Uniones........ ..... ..... ..................... .. .........
..... ..... 8-531 9. 1 Introduccion............ .... ..... ........
..... ....... ...... 8-531 9.2 Consideraciones Generales Relativas
a los Principios de Diseiio ..................... ....... ........
8-531 Resistencia ..... ........ .......... ............. ..... ...
.. 8-532 Rigidez ........... .... ... ... .............. .........
... .... 8-532 Rigidez de una Union ............... ... ..
............ 8-533 Amilisis Estructural Considerando la Rigidez
Real de las Uniones .......... ..... ....... ............ 8-535
Ductilidad ........... .. .................................. 8-540
Conducta Predecible ..... .. ... .... .......... ..... .... 8-541
Fatiga ............ ..... ... .............. .... ..............
8-542 Factura por Desgarramiento Laminar ........... 8-542 9.3
Resistencia de los Medios de Union que Forman un Conjunto
............................................... 8-542 9.3.1 Uniones
Solicitadas a Corte y Torsion por Cargas Excentricas
................... ... ...... ... 8-542 Uniones Empemadas
............................. 8-542 Uniones Soldadas .. ...... ..
.......... ..... .... .... 8-556 9.3.2 Uniones Solicitadas a Corte
y Flexion por Cargas Excentricas ........ ..... ... ... .... .....
... 8-569 Uniones Empemadas ............................. 8-569
Uniones Soldadas .... ... ... ... ........... .... ..... &-575
9.3.3 Uniones Solicitadas a Traccion. Accion de Palanca ...........
.................................... 8-578 Modelo Propuesto por
Nair, Birkemoe y Munse ................... ............ ... ... ...
........ 8-579 Modelo Propuesto por Struik y de Back...... 8-580
9.4 Diseno de Algunas Uniones Usuales en Estructuras de Edificios
............................... 8-582 9.4.1 Uniones de Estructuras
Aporticadas ..... ..... 8-583 9.4.1. 1 Uniones Flexibles,
Isostaticas 0 de Corte ..................................... 8-583
Union al Alma de la Viga .......... .... 8-583 Union a las Alas de
la Viga ........... 8-59 I Union de Asiento No Atiesado ...... .
8-591 Union de Asiento Atiesado ......... ... 8-595 9.4.1.2 Uniones
Semirigidas ..................... 8-601 9.4.1.3 Uniones Rigidas,
Hiperestaticas 0 de Momento .............. ................. 8-60 I
Resistencia ............................... .. 8-604 Estabilidad
................................ . 8-605 Deformacion ......... ..
.......... .......... 8-606 Uniones de Plancha Extrema .......... .
8-616 9.4.2 Uniones en Armaduras Planas ................ . 8-623
9.5 Otros Tipos de Uniones ....... ... ........... ........ .. .
8-627 Uniones en Estructuras con Perfiles Formados en Frio ..
................ ... ... ............ . 8-627 Uniones en
Estructuras con Perfiles Tubulares ... ... ................ ....
.... ... ... . 8-628 Uniones en Estructuras Compuestas
Concreto-Acero ................. ......... .... ....... .. 8-629
9.6 Empalmes en Vigas y Columnas ................... . 8-629 9.7
Placas Base ............................................... . 8-644
9.7.1 Placas de Apoyo para Vigas ................... . 8-644 9.7.2
Placas Base para Columnas ................... . 8-646 Criterios
Generales para el Diseno .......... . 8-647 Diseno de Placas Base
.................. ... ..... . 8-652 C. Introduccion a la
Construccion Compuesta ............ ........ 8-663 10. Construccion
Compuesta Acero-Concreto ............... 8-665 10.1
Introduccion............................................ 8-665 10.2
Criterio de Resistencia en Vigas de Seccion Compuesta
.................................. 8-666 10.2. I Momento Resistente
................... ...... 8-668 Momento Ultimo Positivo .... ....
.......... 8-670 Momento Ultimo Negativo ................ . 8-675
10.2.2 Resistencia al Corte de Vigas de Seccion Compuesta
.......................... 8-676 10.3 Criterio de Rigidez en las
Vigas de Seccion Compuesta .................................. 8-679
10.4 Criterios de Diseno ..... ...... ........... .......... ...
8-684 10.5 Columnas de Seccion Compuesta ... ...... ... .... 8-699
PARTE 9 INFORMACION COMPLEMENTARIA .......................... 9-1
1. Referencias.
............................................................. 9-3
2. Directorio .. ....... ....... ........ ............ .. ... ...
... ..... .... ....... 9-27 XI
6. XII PARTE 8 INTRODUCCION -AL DISENO C.V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO. C.A.
7. 8-2 A. INTRODUCCION AL DISENO DE MIEMBROS "In many technical
libraries the supports of bookshelves containing works on the
stability of structures are in danger of buckling under the weight
of literature. Can another work on this subject be justified?". P.
S. Bulson" C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. 8-3
8. 1. GENERALIDADES SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO 1.1
Introducci6n Las estructuras como obras de ingenieria son
proyectadas y construidas para soportar cargas y resistir fuerzas
que deben ser transferidas a las fundacio- nes. Las cargas y
fuerzas provienen de la masa de la estructura, del uso que se haga
de ella, 0 de las fuerzas de la Naturaleza. EI uso de la estructura
in- cluye el cerramiento del espacio (edificios), el almacenamiento
de materiales (tanques y silos), la provision de acceso (puentes),
transporte (vehiculos), 0 procesamiento de materiales
(maquinarias). Las estructuras pueden hacerse con diferentes
materiales, tales como el acero, el concreto, la madera, etc., o
con una combinacion de estos. Usualmente las estructuras son
tridimensionales, aun cuando a veces son esencialmente
bidimensionales (placas y cascaras) 0 lineales (cables). Por 10
general las estructuras de acero no son masivas, son armazones que
al aire cuadriculan cual presuntas jaulas al viento fugitivo. La
Fig. 1. 1 muestra el modelaje de una estructura metalica
tridimensional como un arreglo indepen- diente de estructuras de
dos 0 una dimension*. Estructura tridimensional " '" PortICOS
rigldos r '(bldlmensionales) " , ", " Vigas (correas de techo y
paredes) " + ~ldimensiOnaleS) (0/~ ~ I + Figura 1.1 Reduccion de
una Estructura Tridimensional a Formas Simples9 Los miembros de
acero estructural pueden considerarse unidimensionales cuando sus
longitudes son mayores de sus dimensiones transversales, y bidi-
mensionales, como es el caso de planchas, cuando las longitudes y
anchos son mayores que el espesor. Los miembros estructurales que
interactuan entre sl a traves de sus uniones, tambien pueden
clasificarse por la manera Nota: Las referencias bibliognificas se
suministran segiin su orden correlativo en la Parte 9. * No todas
las estructuras pueden descomponerse de esta manera. as! por
ejemplo en las torres de transmision electrica la imagen
tridimensional es mas segura que la simplificaci6n en imagenes
planas. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.
9. 8-6 como soportan 0 transmiten las solicitaciones en:
miembros en tracclOn, miembros en compresion, miembros en
tlexo-compresion, etc. (Ver Fig.I.2). Esta parte de Manual SIDOR
trata principalmente de estructuras aporticadas y porticos
diagonalizados273 formados por miembros unidimensionales, aun
cuando parte de la informacion suministrada es relevante a
estructuras de placas. Igualmente, observando las recomendaciones
apropiadas3, la informa- cion es aplicable al diseno de miembros de
estructuras de puente. En este Capitulo se discuten de una manera
global, el comportamiento de las estructuras de acero y de sus
miembros componentes*, asi como los crite- rios que sustentan a las
especificaciones de diseno en acero estructural. Niveles Portico
Porticos CD y !J) -@ -2 - -@ I I 0 I ~ 1/4 1 1 c B II I (I ~~! I !
- A Miembros I Colurnnas 2 Vigas 3 Vigas soldadas 4 Uniones
viga-viga 5 Empalme de columna 6 Arriostrarnientos 7 Placas base de
columnas 8 Uniones viga-colurnna Al )..2 8)..3 J. J. ).. J. .!) ~
l) W W iJ (J) Planta nivel J Figura 1-2 Correspondencia entre los
Miembros de una Estructura Aporticada y los Capitulos de este
Tom0326 1.2 Comportamiento de Miembros y Estructuras Capitulos 4. 6
5 5 9 9 3. 49 9 EI objeto del calculo estructural (amilisis y
diseno) es la descripcion y/o pre- diccion del comportamiento
(RESPUESTA) de un material, 0 de un elemen- to, de un miembro 0 de
una estructura (genericamente lIamaremos SISTEMA a cualquiera de
estos nombres) ante la aceion de un sistema cualquiera de cargas y
deformaciones externaG (EXCITACION). AI igual que en otras ra- mas
de la ciencia, se formulan modelos matematicos simplificados que
permi- tan, dentro de cierta precision, pasar del objeto 0 sistema
material a ideali- zaciones de dilcuI082.83.327. De esta manera la
accion, constituida por cargas y. def?rmaciones externas conocidas
se puede representar mediante imagenes slmphficadas apropiadas y
razonablemente seguras a los fines de la solucion * EI
comportamiento del material acero se discute en el siguiente
Capitulo. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, CA. fj-/ estructural. Los
efectos de esta accion (genericamente excitacion) sobre un
material, una seccion, un miembro 0 una estructura, 0 sea, la
descripcion 0 prediccion del comportamiento es 10 que denominamos
respuesta, la cual para fines de diseno se expresa, usualmente, en
terminos de la magnitud y distribucion resultante de fuerzas y
desplazamientos. La relacion entre la EXCITACION, las
caracteristicas del SISTEMA y la RESPUESTA esta dada por el
diagrama de bloques de la Fig. 1.3. La Tabla I. I contiene la
clasificacion mas ampliamente aceptada por la mayoria de las normas
de cargas y sobrecargas. Excitaci6n Q(t) Caracteristicas del
Sistema G(t) Respuesta q(t) Figura 1-3 Modelaje Matematico del
Problema Estructural338 Categoria Permanentes Variables
Accidentales TABLA 1.1 Clasificaci6n ~ SS Accjones Cargas 0
Deformaciones Peso propio de los elementos estructurales y no
estruc- turales. Peso de equipos fijos. Empuje estatico de tierra y
liquidos de caracter perma- nente. Desplazamientos y deformaciones
impuestos a la estruc- tura (pretensi6n 0 movimientos diferenciales
permanen- tes de los apoyos). Cargas transitorias durante la
construcci6n y uso de la obra. Cambios de temperatura.
Asentamientos diferenciales que tengan una intensidad variable con
el tiempo. Efectos de maquinaria y equipos; acciones dinamicas
inducidas por vibraciones, impacto 0 frenado. Efectos reol6gicos:
retracci6n y fluencia. C1imaticas: viento, meve. Eventos sismicos.
Otros: explosiones, incendio. etc. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO.
CA.
10. En la seleccion de los metodos de solucion para el problema
estructural es imprescindible conocer si el sistema es lineal 0
n0337.338. 82. En el caso de sistemas lineales las variables
dependientes que describen el sistema deben ser de potencia uno 0
cero (ausente). Obviamente338.* no pueden presentarse productos
vectoriales de las variables dependientes, y por 10 tanto el
sistema es descrito por ecuaciones diferenciales. En consecuencia,
el principia de superposicion es valido y se dispone de una gran
cantidad de recursos mate- maticos. En el caso de sistemas no
lineales, las variables dependientes impli- can ecuaciones
diferenciales no lineales. En este caso no es aplicable el prin-
cipio de superposicion, 10 cual excluye el uso de muchos
procedimientos ma- tematicos. Hay una prueba sencilla para
determinar si un sistema es lineal 0 n0338,*. Sea q 1(t) la
respuesta del sistema en cuestion a una excitacion Q 1(t), y sea
q2(t) la respuesta a una excitacion Q2(t). Lo anterior puede
escribirse como en donde G es un operador diferencial que refleja
solamente las propiedades del sistema. Sea ahora excitado el
sistema por en la cual c 1 y c2 son constantes arbitrarias, y
observese la respuesta. Si el sistema es lineal. En el caso
contrario, 0 sea si Q3(t)=G[q3(t)] =/=c 1G[q 1(t)] +c2G[q2(t)] el
sistema no es lineal. La expresion representa el establecimiento
que eJ operador G es lineal. La teoria lineal esta bien
desarrollada y sobre una buena base matematica. La teoria no lineal
es relativamente nueva y al presente tiene un creciente y acelerado
desarrollo. Comportamiento de los Miembros Las respuestas de un
miembro a las acciones (modeladas estaticamente) pue- den ser
descritas por el diagrama tension versus deformacion, como se in-
dica en la Fig.l.4 Un miembro tiene un comportamiento lineal (Curva
1) hasta que no se exce- de, teo~camente, la tension de fluencia,
Fy , pues la presencia de las tensio- nes reslduales 0 de la
concentracion de tensiones induce una fluencia. Sin Notas ineditas
del Prof. Ing. Celso Fortoul Padron. c.V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO, C.A. I 0) Pandeo ---1--- _______-1-------_ j)DLineal __
--- --- -- I / - - - - - "'Q) No lineal por cambio de geometria
+-;;r:-------~-I ' t 0No lineal debido r / al material 6
Plastificacion totalI I I I II Deformacion Figura 1.4
Comportamiento de los Miembros9 8-9 embargo, la gran ductilidad del
material acero permite una redistribucion despues de esta primera
fluencia, y a menudo, sin grave error se puede su- poner que el
miembro responde linealmente hasta tanto no se alcance Fy Una vez
que el miembro fluye (Curva 2) exhibe un comportamiento no lineal
que tiende al estado limite asociado con la condicion de
plastificacion total (Curva 6). Los miembros tambien exhiben un
comportamiento no lineal debido a los cambios de geometria, esto es
que la respuesta esta influenciada tanto por la deformacion como
por las cargas aplicadas. Esta no linealidad de la respues- ta
depende de los mOdulos de elasticidad longitudinal, E, y
transversal, G, (Curva 3) y esta acotado por la condicion de pandeo
elastico (Curva 4). EI comportamiento de un miembro que esta
influenciado por la no linealidad del material y de la geometria
esta representado por la Curva 5. Sin embar- go, el pandeo local de
los elementos pIanos de las secciones 0 la fractura fragil del
material pueden precipitar la falla del miembro. Comportamiento de
la Estructura La respuesta de la estructura depende del mecanismo
de transferencia de carga de los miembros y sus uniones. De esta
interaccion resultan diagramas tension-deformacion analogos a los
de los miembros, como puede comprobar- se al comparar las Figs. 1.4
y 1.5. La formulacion del modelo lineal de la estructura se hace
sobre las siguien- tes hipotesis: I. El material es elastico,
lineal e isotropo. Es decir el material goza de la propiedad de
reversibilidad de los procesos de solicitacion y descar- ga, y las
propiedades definidas por los modulos de elasticidad longitu-
dinal, E, transversal, G, y de Poisson, v, permanecen constantes
durante toda la respuesta. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO,
C.A.
11. 8-10 2. Las deformaciones son pequeiias*, 0 dicho de otra
manera, el cambio de orientacion de un cuerpo debido al
desplazamiento es despreciable. Esta hipotesis conduce a relaciones
lineales entre deformaciones y des- plazamientos, y permite referir
las ecuaciones de equilibrio a la geo- metria del cuerpo sin
deformar. Tambien se denomina teorfa de los desplazamientos
infinitesimos porque equivale a suponer, tnitese de un problema
estatico 0 dinamico, la existencia de un campo de desplaza- mientos
infinitesimos. OJ ~ OJ U I (4) Pandeo --J-------~--------f --
j-(DLinea1_- ~---- f /~ ~ 0 No hneal por cambio de geometria /
,.-~----,----- ;:;/ (1) No lineal debido al material I I I f I No
lineal debido al cambio de geometria y al material Deformacion
Figura 1.5 Comportamiento de Estructuras9 Si se cumple la segunda
hipotesis y el material es elastico lineal (0 sea, no
necesariamente isotropo), se puede demostrar que el problema es
lineal y, en consecuencia, es valido el principio de superposicion.
Es aplicable al principio de superposicion Sistemas Sistemas
Sistemas Lineales No Lineales No Lineales relacionados con
relacionados con el incumplimiento de grandes desplazamientos la
ley de Hooke Es aplicable la teoria de los " . desplazamlentos
mfimteslmos Figura 1.6 Principios Fundamentales de la Mec:inica de
los S61idos82 El analisis estructural consistira en la resolucion
de las ecuaciones fisicas 0 constitutivas del material (Ley de
Hooke generalizada), las ecuaciones de * Esta hipotesis se conoce
en Resistencia de Materiales como la Regia de Rigidez Relativa82
C.Y.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. 8-11 equilibrio (estaticas 0
dinamicas), y las ecuaciones de geometrfa (compatibili- dad de los
desplazamientos 0 deformaciones), a traves de la organizacion de
procedimientos numericos 0 analiticos338.339. c~ Criterios
mayoradas de diseno T~ admisibles Amilisis que incorpora la
degradacion de la rigidez Deformaci6n Figura 1.7 Respuestas de la
Estructura Segiin el Metodo de Analisis y Diseii09 Normalmente se
supone un comportamiento lineal de la estructura (Curva 1),
ignorando la fluencia local prematura debida a las tensiones
residuales y con- centracion de tensiones, 10 que en la mayorfa de
los casos no conduce a errores graves. Una idealizacion mas
realista del comportamiento de la es- tructura es el representado
por la Curva 5; se observa en ella que la curva de transicion entre
el comportamiento lineal y no lineal se produce en una serie de
etapas (no lineales) a medida que los componentes pandean 0
plastifican. El analisis de primer orden tiene tres implicaciones:
La primera, que las ecuaciones de equilibrio se plantean usando la
geometria no deformada de la estructura. La segunda, que la linea
de accion de las cargas axiales, internas o externas, actuan a
traves del baricentro de la seccion transversal del miem- bro. Y la
tercera, se refiere al desacoplamiento de la rigidez de los miem-
bros339. Cuando algunas de estas tres hipotesis son incluidas en el
analisis, se dice que el analisis es de segundo orden. 1.3
Criterios de Diseiio En rigor, dado el caracter aleatorio de las
magnitudes que describen las pro- piedades de las acciones y de la
estructura, el analisis ha de ser de tipo pro- babilistico. En la
practica, la seleccion de criterios de diseiio estructural por el
metoda del analisis de confiabilidad25,128,328.334,336 queda
restringido a aquellos casos en que la importancia de la
construccion requiera la adopcion de niveles de seguridad que
difieran de los empleados en las obras usuales. El metodo del
analisis de confiabilidad 128 para el diseiio estructural se basa
en seleccionar la solucion que debe adoptarse entre un conjunto de
estruc- turas que constituyen soluciones alternativas en un
problema dado de diseiio. c.Y.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.
12. 11-1':: La eleccion se basa en una comparacion entre las
esperanzas de los valores actualizados de las utilidades que se
deriven de la obra en cada caso. Anali- ticamente, la utilidad
esperada se define por la siguiente ecuacion U=B-C-D donde U
=utilidad esperada B =esperanza de la suma de los beneficios
actualizados que se derivan de obra desde su construccion hasta su
eventual falla C =esperanza del costa inicial actualizado D
=esperanza de la suma de los costos actualizados de los danos 0
fallas que ocurren La Fig. 1.8 permite afirmar entonces que el
concepto de estado limite corres- ponde a una discretizacion de las
variaciones continuas de la utilidad334. + IDefonnaci6n, corrosion
I -4--_~ I I Falla local I I I :Falla general I I Acciones Figura
1.8 Los Estados Limites como Discretizacion de la Funcion
Utilidad334 'mit aquella etapa del comportamiento a partir de la
cual una estructura 0 parte de ella deja de cumplir con alguna
funcion para la que fue proyectada. En la Tabla 1.2 se presenta la
clasificacion de los estados limites, mas ampliamente aceptada. Se
observa en esta tabla que los estados limites ultimos
corresponderan al agotamiento definitivo de la capacidad resistente
de la estructura 0 de cual- quiera de sus miembros 0 al hecho de
que la estructura, sin agotar su capa- cidad de carga, sufra danos
irreversibles que afecten su resistencia ante nue- vas aplicaciones
de carga240. EI estado limite ultimo corresponde a una falla ductil
cuando la resistencia de la seccion, elemento 0 estructura en
cuestion, se mantenga para deformaciones apreciablemente mayores
que las existentes al alcanzar el estado limite. Se considerara una
falla fragil cuando la resis- tencia de la seccion, elemento 0
estructura, se reduzca bruscamente al alcan- zarse el estado
limite240. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. Estado Limite
Ultimo Servicio Condicional TABLA 1.2 Clasificacion de los Estados
Limites Corresponde a Perdida del equilibrio de una parte 0 de toda
la estruc- tura como cuerpo rigido. Rotura 0 deformacion excesiva
de secciones criticas de la estructura. Transformacion de la
estructura de un mecanismo. Fluencia, alabeo 0 pandeo debido a
inestabilidad elasti- ca 0 inelastica. Deterioro por fatiga.
Deformaciones que afectan la apariencia 0 uso normal de la
estructura. Deformacion capaz de causar dana local a la estructura
misma 0 a miembros soportados. Vibraciones que afecten adversamente
el confort de los usuarios 0 usa continuo de la estructura.
Condiciones por acciones accidentadas tales como cho- que de
vehiculo, explosiones, etc. Rotura de vidrios y choque entre
estructuras debido a la accion sismica. Incendio. Durabilidad. II-U
Los estados limites de serVICIO tendran lugar cuando la estructura
lIegue a estado de deformacion, agrietamiento, vibracion 0 dana que
afecte su correc- to funcionamiento, pero no su resistencia240. El
planeamiento general de la teoria de los estados Iimites, 0
criterio de los factores de carga y resistencia* como tambien se Ie
conoce, consiste en ase- gurar que23,48 n R:?: L yS i=1 I I (1.1)
=factor que toma en cuenta la incertidumbre en la determinacion de
la re- sistencia nominal R. Este incluye la variabilidad en la
calidad de los ma- teriales, en las dimensiones previstas, errores
de construccion, idealiza- ciones de los modelos matematicos,
limitaciones en la teoda, etc. * En la literatura tecnica se
designa por las correspondientes iniciales anglosajonas, ~ Load and
Resistance Factor Design33 J. c.v.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO,C.A.
13. 8-14 'Y = factor que toma en cuenta la incertidumbre en la
determinacion del siste- ma de cargas nominales Si. Este incluye la
variabilidad de las cargas, modificaciones de uso de la estructura,
variacion en los pesos unitarios, etc. Normalmente cada tipo de
carga tiene un factor distint05.~3. ~5. 195 Magnitud de la funcion
de carga. f(S) o de la funci6n de resistencia. f(R) Figura 1.9
Descripci6n Probabilistica del Concepto de Seguridad Estructural9.
58.148 Suponiendo simplificadamente que las variables
significativas del problema sean la resistencia mas baja posible R
y el sistema de carga mas alto posible n .:2: Si' la Ec. I. I puede
escribirse de dos formas diferentes que corresponden 1=1 a los
criterios de diseiio actual mente vigentes en las especificaciones
para di- seiio en acero estructurall.2 3. 7. Criterio de Diseiio
por Tensiones Admisibles Bajo este criterio se diseiia de tal forma
que las tensiones calculadas por efecto de las cargas de servicio
no superen los valores maximos prescritos en las especificaciones.
En este caso los procedimientos de analisis y diseiici son
elasticos. n R2:(I/1:2: 'YiSi 1=1 Considerando todos los factores
Yi iguales para todos los tipos de carga n R2:(y/1:2: Si 1=1 o
lIamando factor de seguridad, FS, a la relacion (1)/y) R n FS
2:.:2: Si 1=1 cV.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. CA . 8-5 Como estamos
en el caso linealmente elastico, las tensiones son directamente
proporcionales a las cargas, con 10 cual se puede expresar la
desigualdad en base a las tensiones y final mente siendo n :2: fi:S
Fadmisible i=1 fi =tensiones elasticas calculadas para cada caso de
carga Fadmisible =tension maxima admisible igual a F y/FS, en donde
Fy es la ten- sion de tluencia y FS es un factor de seguridad para
cada caso contemplado en las especificaciones. Consideran este
metoda de diseiio la Especificacion AISC 1978 en su Parte I, la
Especificacion AISI 1980, y la Especificacion AASHTO 1977, entre
otras. Criterio de Diseiio Plastico En este criterio los
procedimientos de analisis y diseiio son los de la teoria plastica
0 una combinacion de analisis elastico con diseiio plastico*. n R2:
:2: (yJ1Si i=1 EI cociente (yJ1 se llama factor de carga, LF, que
afecta a las cargas de servicio R2:(LF)Si . Este criterio de
diseiio 10 utiliza la Especificacion AISC 1978 en su Parte 2 y la
Especificacion AASHTO 1977. En la Fig. I.IO se transcribe la
informacion recopilada por el Prof. Beedle (1958), y la cual
demuestra que eI diseiio por tensiones admisibles no sumi- nistra
un margen de seguridad consistente en contraste con el diseiio
plastico que predice bastante bien la resistencia ultima.
Eventualmente se ha plantea- d043 que el diseiio por los factores
de carga y resistencia (LRFD) reemplace a la Parte 2 de la
Especificacion AISC como un metoda alternativo al diseiio par
tensianes admisibles 0 Parte I de la mencionada especificacion. *
En este caso la conciliacion entre los metodos de amilisis y
diseiio se hace introduciendo los conceptos de redistribucion de
momentos y de ductilidad. C V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, CA.
14. 8-16 Carga en eI limite Carga ultima ehistico obtenida Caso
Seccion Carga ultima Carga ultima predicha predicha j j j IS IS I
W8 x40 0,63 1,07 6 " I I W8x40 0,83 1,06IS 6 I I I I 6 IS 6 WI2x36
0,66 1,02 ~ 2-S6x 12,5 0,84 1,04 I I tr IS I I "" 2-S6x 12,5 0,37
1,10 Il W8 x40 0,82 1,07 ~ WI2x36 0,70 1,02 Figura 1.10 Comparaci6n
de los Criterios de Diseno 19 1.4 EI Proyecto de Estructuras de
Acero En el caIculo de estructuras de acero es posible distinguir
dos etapas bien definidas225: a. Diseiio general, que comprende la
planificacion estructural*, el dimen- sionamiento de los miembros y
el diseiio de las uniones mas impor- tantes. b. Diseiio de
detalles, que comprende eI caIculo de las uniones y la pre-
paracion de los pIanos para el taJler** y10 el montador***, en los
cua- les se suministra la informacion requerida para que estos
puedan de- sempeiiar su cometido sin necesidad de referirse a la
memoria descrip- tiva del proyecto. Los pIanos denominados "PIanos
de Diseiio" pueden considerarse como una representacion grafica de
las concIusiones de caIculo. IncIuyen toda la infor- macion
necesaria para la preparacion de los pIanos de taJler. EI caIculo y
preparacion de los pIanos de detaJle 0 "PIanos de TaJler" re-
quieren de un completo conocimiento del equipo y metodos de
trabajos del taller en el cual se ejecutan las obras. La capacidad
de las diversas maqui- nas, la forma de las planchas de union
(cartelas) para aprovechar bien el material existente, los costos
relativos de diversas operaciones en un mismo taller, etc. , son
factores que un buen proyectista de detalles debe tener pre- sente
en forma constante225 . * Para un . .. .** . a mayo~ 1010rmaClOn
sobre este tema. veanse las referencias 195. 294. 340 Y 342. ***
V~anse las slgmentes referencias. especializadas en el tema. 192.
198. 226. 289. 290. 295. Veanse las referencias 130. 296. 341.
C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. IHI Adicionalmente,
dependiendo de la complejidad de la obra, se requeriran pIa- nos de
montaje para indicar la secuencia de la construccion y cualquier
otra informacion esencial para el montaje de la estructura 296 .
Para la elaboracion de los distintos pIanos mencionados, la
pnictica de la construccion metalica ha desarroJlado dos
modalidades de trabajo. En una de elias , el ingeniero y el
proyectista de detaJles trabajan integradamente para suministrarle
al taller toda la informacion. En esta modalidad se ahorra la
preparacion de pIanos de diseiio intermedios a los de taJler, ya
que los deta- lies se ejecutan directamente a partir de la memoria
de caIculo 0 los croquis preparados por el ingeniero. EI plano
resultante contiene informacion perti- nente tanto al diseiio como
al detaJle. En la segunda modalidad, el diseno general es ejecutado
independientemente por el ingeniero y el diseno de los detaJles por
personal de la industria. Para solventar el problema de las
responsabilidades del caIculo, es costumbre que el ingeniero revise
y apruebe los pIanos de detaJle, unicamente desde el pun- to de
vista estructural; la responsabilidad por las dimensiones y ajuste
de los diversos elementos es asumida por eI fabricante*. PIanos de
Diseiio Un plano de diseiio debe contener la siguiente informacion
225 : a. Dimensiones principales de la estructura, ya sea entre
ejes 0 libre, de acuerdo con las necesidades de cada caso; ejes,
cotas y elevaciones. b. Caracteristicas generales de todos los
miembros y elementos estructu- rales. c. Solicitaciones y cargas.
d. Diseiio completo 0 forma tipica de las uniones mas importantes
de la estructura. e. Notas explicativas sobre Especificaciones y
Normas de diseiio, resis- tencia y calidad de los materiales,
tolerancias de fabricacion, prepara- cion de superficies, pintura
y, en fin, toda informacion que sea necesa- ria utilizar para
Jlevar la obra a feliz termino. La informacion que el ingeniero
debe suministrar al proyectista de detaJles, a manera de guia
general, es la siguiente: 1. Plano de Planta: IncIuye los apoyos de
columnas, lista de perfiles, es- quemas de carga sobre las
fundaciones y notas generales. 2. Plano de Vigas Porta-gruas:
Ubicaci6n, dimensiones y solicitaciones de las vigas porta-gruas. *
: ara una comprensi6n y conocimiento de los problemas de
fabricaci6n. y no incurrir en costos IOnecesarios se sugiere seguir
las indicaciones de los C6digos (AISC) consignados en el Torno I de
esta obra. as; como una consulta con los talleres. Las referencias
341 . 343 Y 344 tambien son (ailes. C. V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO. C.A.
15. 3. Pianos de Arriostramiento: Arriostramientos en planta y
elevacion, ubi- cacion de puertas y ventanas, tipo de muros y
techumbre. 4. Cortes Principales: Seccion transversal de columna y
cercha 0 POrtICO rfgido, seccion de muros laterales y frontales con
detalles de herreria, etc. 5. Accesorios y Miscehinea: Escaleras,
plataformas, etc. PIanos de Detalle Una vez realizados los pianos
de disefio se procede a realizar los pianos de detalles. Estos
tienen como objetivo proporcionar al taller las informaciones
necesarias para construir la estructura y su utilidad desaparece
despues de ejecutada la obra. En estos, generalmente, se sigue una
ordenacion que co- rresponde al orden de elaboracion en el taller y
a la secuencia de montaje en el terreno, y en su preparacion se
emplean simbolos y convenciones internas de cada taller, 10 cual
tiende a simplificar el trabajo. EI numero de pianos de detalle es
considerablemente mayor que el de dise- fio. Por 10 general un
plano de disefio puede generar entre I y 10 pianos de detalles,
segun la complejidad de la estructura. EI primer paso de la
preparacion de un plano de detalle es la resolucion del sistema, 0
sea, la determinacion de la longitud exacta, con aproximacion de I
mm, entre los diversos nodos 0 puntos de cruce de los ejes de los
elemen- tos estructurales. A continuacion es necesario resolver los
nodos, es decir, la disposicion de los diversos elementos que
concurren a un punto, indicando la posicion de perforaciones,
soldaduras, corte de piezas, etc. Los dos parrafos precedentes
recalcan la necesidad de acotar todas las dimensiones para que los
miembros y elementos puedan construirse sin nece- sidad de tomar
medidas a escala. La secuencia a seguir en la preparacion de pianos
de detalle para un edificio industrial es la siguiente: I. Lista
avanzada de materiales. 2. Pernos de anclaje: Este plano debe
prepararse con mucha anticipacion al resto, pues los pemos deben
entregarse antes del vaciado de las fundaciones. Esto requiere del
calculo preliminar de las fundaciones y tipos de apoyos de las
columnas. 3. Columnas y placas de apoyo. 4. Vigas porta-gruas. 5.
Armaduras de techo. 6. Estructura de fachadas. 7. Arriostramientos
de techos y fachadas . C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. I
II-I'J 8. Correas y tirantes (techos y fachadas) . 9. Escaleras,
plataformas, barandas, escalones, vigas contravientos y elementos
accesorios (canales y bajantes de aguas de lIuvias, etc.). 10.
Pianos de montaje y uniones en el terreno. II. Cubiertas de techos
y fachadas. 12. Herrerfa y acabados. Lista Avanzada de Materiales
La obtencion del acero necesario para una construcclOn es un
proceso que puede no presentar problemas, como ocasionar demoras de
consideacion268.343. Por esto, a fin de ganar tiempo antes de
preparar los pianos de detalle, y en base de los pianos de disefio
se procede a preparar listas de materiales 192, denominadas "Iistas
avanzadas de materiales" en las cuales se indican, 10 mas
aproximado posible, las cantidades y dimensiones de los diversos
miem- bros y elementos. Estas listas se utilizan para efectuar la
compra del ma- terial . C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.
16. 8-21 2. EL ACERO ESTRUCTURAL 2.1 Introduccion EI acero
estructural es un material ductil, pero esta ductilidad intrinseca
pue- de reducirse 0 perderse en la estructura terminada si no se
cuidan los deta- lies de diseno y construccion, por esto se plantea
la necesidad de conocer sus propiedades mas importantes a fin de
seleccionar, de manera eficiente y confiable, la combinacion mas
economica de aceros para una aplicacion dada. EI acero estructural
es un material practicamente homogeneo e isotropico de calidad
constante que permite esfuerzos muy elevados, por 10 que en la
mayoria de sus aplicaciones se obtienen miembros de espesores
pequenos en comparacion con sus otras dimensiones. La utilizacion
de miembros muy es- beltos y de secciones transversales complejas
hacen necesario, aun para miembros muy sencillos, tomar en cuenta,
ademas de los problemas de esta- bilidad, su comportamiento
inelastico. Los parrafos anterioresplantean entonces que la
complejidad del diseiio en ,.. acero, una vez conocidas' las
propiedades del material bajo ciertos tipos de carga, sera la
inherente a la complejidad de la estructura. 2.2 Produccion y
Clasificacion del Acero La definicion del acero ha ido cambiando en
el transcurso del tiempo para- lelamente con los conceptos sobre
las caracteristicas determinantes de este material de construccion.
En el estado actual de la tecnologia siderurgica se admiten como
aceros* los materiales ferreos que puedan conformarse en ca- liente
y que contengan menos del 2% de Carbono (C), contenido este que 10
diferencia del mineral de hierro. El termino "materiales ferreos"
designa a las aleaciones metalicas en las que el contenido en peso
de hierro sea supe- rior a cualquier otro componente 197. Desde
1950 hasta la fecha han ocurrido cambios importantes en los
procesos de produccion siderurgicos. La antigua integracion Alto
Homo, Aceria Siemens-Martin 0 Convertidores Bessemer 0 Thomas y
Laminadores Desbas- tadores, ha evolucionado hacia dos esquemas
basicos para la produccion de acero319 : a. Alto Homo / Convertidor
Basico al Oxigeno / Colada Continua. b. Reduccion Directa / Homo
Electrico / Colada Continua. Dentro de la planta siderurgica del
Orinoco, SIDOR ha integrado los dos si- guientes esquemas para la
produccion del acero317 , **: Un esquema tradicional que utiliza
Homos Electricos de Reduccion y Homos de Hogar Abierto, mediante el
cual los finos de mineral de * Definicion coincidente con la dada
por la Norma Venezolana Covenin 803-75 Aceros. Defini- cion y
Clasificacion. .. Ver Anexos de este Capitulo. C.V.G. SIDERURGICA
DEL ORINOCO. C.A.
17. "~ 00 '" "" "~ ,~ Wo g " "~ '0 V 'u~ ro "" Acero colado ~ 5
0 0 ~ ~______~~~~_____~~______~o__________ .c ~ Acero "~ 00 '" ""
0u,o >< .... W~ o ".::: 0 2% : - Soldabilidad - - +
Deformacion en frio - - (- ) Resis:encia - - + Estabi!idad frente a
la corrosion + Resistencia a la fatiga (+) (+) indirec- como ta en
C Definicion de los signos (+) = aumen:o desprecia:,le de la
propiedad. + = aumen:o de la propiedad. ++ = elevacion notavle de
la propiedad. (-) = disminucion despreciavle de la propiedad. =
disminucion de la propiedad. - - = disminucion notable de la
propiedad. P + + (- ) - - - (+ ) Campo sin seiializar: ninguna
variacion 0 no definida. S Cr Ni Mo (- ) + + + + + + - ( - ) - - -
(+ ) - + - ( - ) ++ - - ++ (+ ) (+) indirec- to (+) (+) (+) como
como en C en C Cu AI + + + + (- ) - - (- ) - (-) ( - ) + De acuenio
con su composicion quimica los aceros pueden c1asificarse como
aceros sin alear, ace:-os seP.1ialeados, y aceros aleados. Por su
aplicacion resultan las siguien~es denominaciones del acero:
COC1unes u ordinarios, de alta resis:encia, y esreciales. Pero la
c1asificacion de interes mas inmediato para el ingeniero
estructural es la que se hace en funcion de la cantidad de gases,
especialmente del Oxige- no, disueltos en el acero Iiquido; esta
c1asificacion en base al grado de desoxidacion del acero permite
diferenciar los aceros efervescentes (debil- mente desoxidados),
los aceros semicalmados (parcialmente desoxidados), y los aceros
calmados (desoxidados). EI Oxigeno disueito en ei ace:-o reacciona
con par.e del Carbono y produce Monoxido de CarJO::lo gaseoso que
origina un movimiento activo del acero, todavia fundido , en la
;if'gotera. Esta efervescencia puede ser controlada por la adicion
de elemen~os avidos de Oxigeno que desoxidan al acero, y que en
C.V.G. SrDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.
18. "~ 00 '" c: " "~ ,~ Wo g " c:~ '0 V 'u~ ro ~ Acero colado ~
5 0 0 ~ ~______~~~~_____~~______~o__________ ..c: ~ Acero "~ 00 '"
c: " 0< .... W~ o c: .::: 0 -< U Arrabio Figura 2.1 Esquema
Tradicional de la Producci6n de Acero l2 hierro son mezclados jun~o
con otras ma:erias y Iievados a un homo electrico donde, por accion
del calor obtenido de la energia electrica y por la accion
reductora del carbono del coque, se produce la reduccion y fusion
de los oxidos con:enidos en el mineral. EI producto es un hie- rro
con alto contenido de carbono, denominado arrabio. Para elaborar el
acero, el arrabio es trasJadado a una aceria con homos de hogar
abier- to (proceso Siemens-Martin), donde es fundido a altas
teP1peraturas para realizar una oxidacion controlada de las
impurezas que 10 acorr.pafian, ajustar su contenido de carbono y
agregar otros elementos; en:onces ad- quiere otras propiedades, y
se denomina acero. EI ace~o liquido es ver- tido en un cucharon y
posteriormente vaciado en unos moldes, en los cuales se convertini
por enfriamien~o a tempera~ura de ambiente, en lin- gotes de acero,
que senin sometidos a ulteriores procesos de laminacion para
obtener los productos terminados. EI segundo esquema, de aplicacion
mas reciente que consiste en la com- binacion de procesos de
Peletizacion, Reduccion Directa y Homos Elec- tricos de Arco,
acomplados a sistemas de Colada Continua. Dentro de este esquema,
los finos de mineral de hierro son mezcIados con cal hidratada y
aglomerados por accion del calor; el resultado son pequefias
esferas compactas de tamafio controlado, denominadas pel/as, que
luego son enviadas a los reactores de las unidades de Reduccion
Directa, don- de, por la accion reductora del gas na~urai
reformado, se produce una reaccion similar a la de los homos
electricos de la Planta de Arrabio, la cual libera los oxidos del
mineral. De este proceso se obtiene un pro- ducto de hierro con
alto grado de metaiizacion, denominado hierro esponja. Este
producto sirve de carga a los homos electricos de arco, donde se
produce el acero Iiquido que es vaciado en maquinas de co- lada
continua, de donde se obtendran, segun sea el caso, planchones 0
palanquiIlas, sin necesidad de utiiizar lingo~eras ni recalentar
los lingo- tes para ser laminados 0 moldeados. Aunque tambien,
mediante la co- lada por surtidor, se pueden producir
semielaborados para la fabricacion de tubos de acero sin costura.
Todos los aceros contienen ademas de Carbono o:ros elementos que en
parte son debidos al esquema de produccion adop:ado, 0 q:Je Ie han
sido afiadidos para obtener determinadas propiedades en su
utilizacion. En la siguiente c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.
8-23 tabla se puede observar la influencia de las aleciones en las
propiedades del acero. TABLA 2.1 Influencia de los Elemenlos de
Aleaci6n en el Acero 187 Propiedad C Si Mn Resistencia a la
traccion + + + Limite ehistico + + + Alargal"liento - < 2%:(- )
(-) > 2%:- Soldabilidad - - + Deforrnacion en frio - - (- )
Resis:encia - - + Estabi!idad frente a la corrosion + Resis~encia a
la fatiga (+) (+) indirec- como ta en C Definicion de los signos
(+) = aumcn:o desprecia:,le de la propiedad. + = aumen:o de Ia
propiedad. ++ = elevacion notavle de la propiedad. (-) =
disminucion despreciavle de la propiedad. = disminucion de la
propiedad. - - = disminucion notable de la propiedad. P + + (- ) -
- - (+ ) Campo sin seiializar: ninguna variacion 0 no definida. S
Cr Ni Mo (- ) + + + + + + - ( -) - - - (+) - + - ( - ) ++ - - ++
(+) (+) indirec- to (+ ) (+) (+) como como en C en C Cu AI + + + +
(-) - - (- ) - ( -) (- ) + De acuenio con su composicion quimica
los aceros pueden cIasificarse como aceros sin alear, ace:-os
seP.1ialeados, y aceros aleados. Por su aplicacion resultan las
siguien~es denominaciones del acero: COC'lUnes U ordinarios, de
alta resis:encia, y esreciales. Pero la cIasificacion de interes
mas inmediato para el ingeniero estructural es la que se hace en
funcion de la cantidad de gases, especialmente del Oxige- no,
disueltos en el acero Iiquido; esta cIasificacion en base al grado
de desoxidacion del acero permite diferenciar los aceros
efervescentes (debil- mente desoxidados), los aceros semicalmados
(parcialmente desoxidados), y los aceros calmados (desoxidados). EI
Oxigeno disuelto en ei ace~o reaccio:1a con par.e del Carbono y
produce Monoxido de Carao;J,o gaseoso que origina un movimiento
activo del acero, todavfa fundido, en la ;if1gotera. Esta
efe:-vescencia puede ser controlada por la adicion de elemen~os
avidos de Oxigeno que desoxidan al acero, y que en c.V.G.
SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.
19. 8-24 algunos casos se aprovechan para darle el acero
ciertas propiedades*. En los aceros efervescentes** se produce en
el curso de la solidificacion una zona superficial relativamente
pura y otra con segregacion constituidas por agrupa- ciones de
impurezas de Fosforo, Azufre, etc., en el centro del lingote***. En
cambio los aceros calmados se caracterizan por una distribucion mas
unifor- me tanto en su composicion quimica como en su estructura
cristalina. Los aceros semicalmados tienen caracteristicas
intermedias entre los aceros cal- mados y efervescentes. Grupo de
Desoxidaci6n Aceros calmados Aceros semicalmados Aceros
eferveseentes TABLA 2.2 Aplicaei6n de los Aceros Aplicaci6n Tubos
sin costura. Piezas forjadas. Rieles. Excelentes para soldadura y
deformaci6n en frio. Perfiles de gran espesor fuertemente
solicitados. Perfiles estrueturales. Barras. Planchas. Productos
pianos. Propiedades de conformado en frio muy favorables. 2.3
Productos Comerciales del Acero EI prototipo de produccion de una
aceria corresponde a los renglones conte- nidos en la Tabla 2.3.
Desde el punto de vista de esta obra, especial interes dedicaremos
a los perfiles, chapas 0 planchas, y a los medios de union. Los
perfiles estan constituidos por dos grandes grupos que se
complementan mutuamente y que definen el mercado 0 campo de
aplicacion de las distintas series de productos****, estos dos
grupos son el de los perfiles normalizados y el de los perfiles no
normalizados. * Por ejemplo, el Aluminio Ie confiere al material
caracteristicas de no envejecimiento y una estructura de grana
fino. EI acero asf elaborado presenta muy buenas propiedades de
solda- bilidad y como consecuencia de sus posibilidades para la
distribucion de tensiones resultan muy adecuados para la reduccion
de los estados de tension triaxiales 187 ** Como los aceros
efervescentes no se pueden colar en continuo y siendo por otra
parte dificil su sustituci6n por aceros calmados, la industria
sidenirgica ha producido los lIamados "ace- ros equivalentes", los
cuales laminados en continuo presentan una calidad de superficie
pa- recida al efervescente. Estos aceros equivalentes son productos
patentados, como por ejem- plo el acero Riband de la U.S. Steel, el
cual se caracteriza por ser calmado con aluminio y muy poco 0
ningun Silicio. *** Por este motivo se debe tener especial cuidado
de que no sea alcanzado por la soldadura. n** Veanse en las
revistas "SIDOR hoy" , Ano 5, N.os. 13 y 14, 1983, los criterios
para el esta- blecimiento de series de perfiles, y en el Torno II
de esta obra las series normalizadas pro- puestas para perfiles
soldados y perfiles formados en frfo. C.V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO, C.A. Producto Arrabio Pellas Hierro esponja Acero crudo
Alambr6n No pIanos Perfiles Cabillas Alambres Liso Galvanizado De
puas PIanos Laminados en caliente Laminado en frio Hojalata y hoja
cromada Tubulares Tubos de aeero sin costura Tubos de hierro
centrifugado TABLA 2.3 Producei6n de SIDOR Semielaborados Aeerias y
Fundaeiones. Usos Insumos para la fabricacion de hierro esponja.
Insumo para la fabricaci6n de acero crudo. Lingotes, tochos,
palanquillas y planchones para laminacion y forja. Insumos para
fabricaeion de alambres, clavos, clips, ganchos de ropa,
electrodos, mallas sol- dadas, etc. Produetos Acabados
Construceion, mineria e industria petrolera. Construccion. Uso
industrial. Cereas y uso industrial. Agricultura. Chapas gruesas,
medias y finas para la industria naval , partes automotrices,
calderas, tuberias. Chapas finas y ultrafinas para artefactos
domesti- cos, latoneria, bidones, muebles. Envases para productos
alimenticios, grasas, lu- bricantes, bebidas carbonatadas,
productos se- cos, material pUblicitario, juguetes. Industria
petrolera, eonstrucci6n y mineria. Aeueductos, regadio e industria.
8-25 Los perfiles normalizados son basicamente los perfiles,
nacionales y extran- jeros, laminados en caliente a partir de
barras rectas. Los perfiles no norma- lizados son los formados a
partir del material plano cuyas formas y dimen- siones dependen del
proceso de fabricacion y de la programacion particular de cada
fabricante , ((omo son los perfiles soldados, los perfiles formados
en frio, y los perfiles tubulares (cuadrados y rectangulares). J La
designacion de los perfiles estructurales que se tabuIan en el
Torno II de este Manual y que aparecen mencionados en el resto de
la obra, se compo- ~en a partir de las formas que estos tienen y de
sus dimensiones caracteris- tJcas (altura 0 altura y ancho) y del
peso por metro lineal calculado a partir C.V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO, C.A.
20. o-...v IIPN I Sidor [UPN U Sidor C IIPE W T T IIPBL 0 HEA W
L Angular de alas i8uales Figura 2.2 Secciones de Perfiles
Normalizados IIPS 0 HEB w L Angular de alas distintas de la secci6n
transversal admitiendo para el acero un peso unitario de 7850 kgf/m
3 Ind~pendientemente de la serie de perfiles de que se trate el
Ingeniero de- bera asegurarse con los suplidores de las existencias
y plazos de entrega antes de definir el proyecto y establecer
pedido de materiales. 2.4 Propiedades Mecanicas del Acero Las
propiedade~ m~~anicas del acero estan fuertemente influenciadas por
el I proceso de lammaclOn, rata de enfriamiento y posterior
tratamiento termico temper.at.ura.de servicio, espesor a soldar,
deformacion en frio, naturaleza d~ ! las SO~IcltaclOnes, etc., por
10 que es sumamente conveniente analizar la in- fluencI~ de estos
agentes para establecer los criterios de eleccion de la cali- dad y
tlpO de material mas recomendable para una aplicacion especifica.
Peso unitario Modulo de elasticidad Modulo elastico de corte
Coeficiente de Poisson TABLA 2.4 Propiedades F1sicas del Acero 7850
kgf/m3 E=2,04 x 106 kgf/cm 2 (AISC) E=2,07x 106 kgf/cm 2 (A1S!)
E=2,1 x 106 kgf/cm2 (DIN) G E 2(1 + v) v=0,30 (elastico) v=0,50
(plastico) Coeficiente de dilatacion termica = 12 XI0- 6oC- 1 -
c.v.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. 8-27 Resi!;tencia La
resistencia a solicitaciones estaticas de los miembros
estructurales de ace- ro depende princi;>almente de la forma del
diagrama tension versus deforma- cion y de los puntos 0 tensiones
de fluencia, F y' y de la resistencia ultima a la traccion, F u' La
forma inicial del diagrama tension versus deformacion es relevante
en los casos donde el pandeo (local 0 total) determina la resisten-
cia del miembro estructural, sin embargo, para explicar el
comportamiento de mien:bros en flexion susceptibles de pandearse
local 0 lateralmente es ne- cesario tener en cuenta el
endurecimiento por deformacion259. La Tabla 2.5 recoge las
propiedc.des resistentes de mas inmediato interes para el uso de
las especific:lciones de diseiIo en acero. Designacion PS-25 ALTEN
A36 St 37 St 52 TABLA 2.5 Propiedades Mec:inicas de Algunos Aceros
2500 3500 2530 2400 3600 3700 5500 4080 3700 5200 Los miembros
estructurales, sean secciones laminadas en caliente 0 formadas en
frio, presentan uno de los dos tipos de diagramas de tension versus
defor- macion mostrados en la Fig.2.3* que representan eI resultado
de un ensayo normativo a traccion uniaxial**. Los aceros de tipo
(a) de la Fig.2.3 se cono- cen como de fluencia definida, y los del
tipo (b) como de fluencia gradual. Para los primeros el punto de
fluencia se define por el nivel para el cual el diagrama tension
versus deformacion lJega a ser horizontal. Para los ultimos no hay,
en general, una zona horizontal y las especificaciones definen un
punto 0 resistencia de fluencia por una ordenada estipulada 0 un
alargamien- to total estipulado**. La. te.nsion de fluencia, Fy ,
determinada en un ensayo estatico de traccion UnIaxIal se acepta
tambien como el valor correspondiente de comprension uniaxial. Sin
embargo en el caso general de las tensiones en un punto de un * La
figura indica que las tensiones en el especimen se reducen despues
que alcanza la maxima carga y antes de la fractura. Este es un
fen6meno matematico que sucede porque convencio- n~lme~te las
tensiones se calculan dividiendo la carga aplicada por la secci6n
transversal ini- ** cIa!. S, se utiliza el area reducida, no se
observa el decremento mostrado en la Fig.2.3 58. Pa~;4el momento de
la redacci6n de este Capitulo estaba en curso un trabajo especial
de gra- do en la Facultad de Ingenieria de la Universidad Cat6lica
"Andres Bello" del cual se es- peraba obtener para los perfiles de
Sidor los diagramas de tensi6n versus deformaci6n de pro- betas
ensayadas a tracci6n uniaxial y de columnas cortas, de diferentes
esbelteces, de acuerdo con las dIrectrices del Structural Stability
Research Council23 y del correspondiente ante- proyecto de norma
Covenin para ensayos a tracci6n. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO.
C.A.
21. 8-28 Intervalo ellistico Intervalo inelastico
Endurecimiento por deformacion Arc tg E E=O'/E Deformacion E (a)
Aceros de fluencia definida fpr=limite de proporcionalidad E =O'/E
E, =dO'/dE Deformacion E (b) Aceros de fluencia gradual Figura 2.3
Diagrama Tension versus Deformacion del Ensayo de Traccion
Uniaxial42 miembro de pared delgada, como 10 son los perfiles
metalicos en general, la fluencia depende de alguna combinacion
particular de elias. No hay hasta el presente ningun metodo teorico
para calcular la correlacion que pueda haber entre las tensiones
componentes y la fluencia en un estado triaxial de ten- siones, con
la fluencia en el ensayo de traccion uniaxial. Se han propuesto dos
ecuaciones empfricas para predecir el inicio de la fluencia en
materiales isotropicos solicitados estaticamente82,83,100,262,320.
EI criterio de la energia de distorsion 0 criterio de fluencia
Huber (1904) - Hencky (1925) - von Mises (1913) 0 simplemente
criterio de Von Mises, y el criterio de la tension cortante maxima
0 criterio de Tresca (1868), Coulomb (1773) 0 Guest. Los resultados
experimentales son intermedios entre los dos criterios, pero se
aproximan mas al criterio de von Mises. La expresion analftica que
traduce el criterio de von Mises8 en un sistema arbitrario es
c.v.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. T~ T~T Corte puro / / / / / /
/ 7 / / Criterio de von Mises --"g..------+------~---'.!::.---O'I
/Fy Compresion /JI uniaxial I - 0'1 --+0- -0'1 -0'2=-0'1 I -0'1
-9--0'1 -0'2=-0'1 I I I I Criterio de Tresca Figura 2.4 Criterios
de Iniciacion de la Fluencia9,260,262 " 8-29 Cuando el estado
triaxial de tensiones esta dado en el sistema de los pianos
principales la condicion de fluencia es: En el estado plano de
tension, definido en su plano XOY, F y=Vu;+u;-uxU y+3T~y (2. I) 0,
si el estado plano se define por sus tensiones principales, Fy =V
u~ +u~- ul u 2 En el estado caracterizado por corte puro, U x=uy
=0, la Ec.2.1 se reduce a FY=V3T~y Con 10 cual se obtiene que la
tension de fluencia por corte es C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO,
C.A.
22. 8-30 EI criterio de Tresca establece que la fluencia se
presenta cuand0 320 Ductilidad En el caso particular del material
acero es un indice de la deformabilidad inelastica, cuantificada
por el % de alargamiento 0 de reduccion del area, LI-Lo/LI AI-Ao/AI
son valores que dependen fuertemente de la geometria de la muestra.
La capacidad de deformacion permanente de un miembro estructural
sin per- dida apreciable de su capacidad resistente273 es un
concepto general259 que puede definirse tomando como base cualquier
desplazamiento lineal, a, 0 angular, 8. La relacion 8u /8y 0 au/ay
corresponde al lIamado factor de duc- tilidad273 , donde el
subindice u indica la condicion ultima y el subindice y la
condicion de fluencia. En los siguientes parrafos se describe la
variacion de la resistencia y ductili- dad de miembros de acero a
causa de distintos efectos. Soldabilidad Algunos aspectos del
disefio (seleccion de la calidad y espesor del material, geometria
y grado de restriccion de las uniones) sobre los cuales el ingenie-
ro estructural tiene control, tienen un marcado efecto sobre la
soldabilidad del acero estructural. Por eso, adicionalmente al
conocimiento de disefio de uniones, el ingeniero estructural debe
tener un razonable conocimiento de los fundamentos de la soldadura
y familiarizarse con las condiciones que influen- cian la
soldabilidad. La soldabilidad se define como la facilidad con la
cual se obtienen las carac- teristicas de ejecucion y
funcionamiento de una union bajo determinadas con- diciones de
soldadura. En el caso del acero estructural, la soldabilidad esta
relacionada con las aleaciones y contenido de Carbono, la historia
de los tra- tamientos termicos y mecanicos del material, y de la
respuesta del acero a los posteriores tratamientos termicos. Una
conveniente aproximacion para determinar el grado de soldabilidad
del acero es la formula de equivalencia del Carbona (CE) , la cual
expresa la in- fluencia relativa de los elementos quimicos respecto
del Carbono en la solda- bilidad. En la Tabla 2.6 se incluyen las
diversas formulas propuestas*,348. * En la referencia 13 se
suministran formulas para determinar las tensiones de fiuencia y
rotura, % de alargamiento, y temperatura de transicion a partir de
la composicion quimica. C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. TABLA
2.6 F6nnulas de Equivalencia del Carbono4 I CE =C+ 1/6(Mn)+
1/5(Cr+Mo+V)+ 1/l5(Ni+Cu) 2 CE =C+ 1/4(Mo)+ 1/5(Cr)+ 1/8(Mn)+
1/I3(Cu)+ 1/15(Ni) 2 CE=C+ 1/6(Mn) 3 CE=C+ 1/6(Mn)+ 1/20(Ni)+
1/IO(Cr)+ 1/50(Mo)+ I/IO(V)+ 1/40(Cu) 3 CE=C+ 1/4(Mn)+ 1/4(Si)
Notas: I. Formula de Dearden y O'Neill, aceptada en las normas
canadienses y de la Convencion Europea de la Construccion
Metalica8,76. CE Soldabilidad CE 0,52 Pobre 2. Referencia 12. 3.
Referencia 293. 8-31 4. Vease tambicn el Apcndice de la norma
venezolana Covenin 1293-79, Perfiles Laminados en Caliente.
Caracterfsticas del Acero. En las especificaciones de disefio en
acero se establecen los procedimientos a seguir para que la
seleccion de los electrodos recomendados para aceros especificos
este de acuerdo con las exigencias de las uniones y juntas.
Tensiones Residua1es En general todas las secciones estructurales
de acero se encuentran someti- das a tensiones internas generadas
durante el proceso de fabricacion, princi- palmente a causa del
enfriamiento no uniforme de los mismos. Estas tensio- nes internas
de traccion y compresion reciben el nombre de tensiones residuales
y su magnitud y distribucion dependen de varios factores, siendo
c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.
23. 8-32 Fluencia incipiente bajo solicitacion Soldadura
Soldadura Fluencia incipiente bajo solicitacion Seccion transversal
de la columna Distribucion de las tensiones residuales Figura 2.5
Distribucion de las Tensiones Residuales y Localizaci6n de los
Sitios de la Secci6n Transversal de una Columna que Primero Fluyen
Bajo Carga Axial los mas importantes la geometria de la seCClOn
transversal, los procesos de laminacion 0 soldadura, condiciones de
enfriamiento y posterior tratamiento termico, y en menor grado de
la tension de fluencia*. EI efecto neto de las tensiones residuales
es el de alterar el diagrama de ten- sion versus deformacion de los
miembros reales con respecto al obtenido en probetas del material,
este hecho es de particular importancia en los miem- bros
solicitados por compresion axial, tal como se muestra en la
Fig.2.6. En la referida figura la presencia de las tensiones
residuales se refleja por la aparicion de una curva de transicion
entre las rectas correspondientes a los intervalos elasticos e
inelasticos, respectivamente. Se observa entonces un descenso del
limite de proporcionalidad promedio y una reduccion de la am-
plitud de la zona elastica. No siempre la presencia de las
tensiones residua- les reduce la capacidad de la seccion, asi por
ejemplo en la seccion cajon formada por cuatro planchas soldadas
con tensiones residuales en las esqui- nas (Ver Fig.2.5) el efecto
es favorable para solicitaciones de flexocompre- sion58 . * En la
referencia 324 se muestra la distribucion de tensiones residuales
en dos perfiles laminados australianos de forma muy similar a la de
los perfiles I Sidor. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. Probeta
Columna corta Columna corta con tensiones residuales sin tensiones
residuales Figura 2.6 Influencia de las Tensiones Residuales en el
Diagrama Tension versus Deformaci6n del Acero Estructural259.
Efecto del Trabajo en Frio 8-33 Se ha demostrado ampliamente que
cualquier trabajo en frio*, tal como el alargamiento, el plegado,
etc., afecta las propiedades mecanicas del acero, de tal manera que
el acero en el miembro una vez formado exhibe propieda- des
diferentes de aquellas del acero antes de formado. Generalmente el
tra- bajo en frio produce deformacion-endurecimiento, esto es, se
incrementa la tension de fluencia, FY' Y en un menor grado la
resistencia a traccion, Fu' pero siempre disminuye la ductilidad
evaluada sobre el alargamiento longitu- dinal. Deformaci6n de
.-d----~--~~~~~u Deformacion de endurecimiento I B : IC Ductilidad
Ductilidad Ductilidad virgen Deformacion de aiiejamiento Figura 2.7
Efecto del Trabajo en Frio Sobre el Diagrama Tensi6n versus
Deformaci6n42 La Fig.2.7 aclara el sentido del parrafo precedente.
La curva A representa el diagrama tension versus deformacion del
material virgen. La curva B repre- La Especificacion AISI en su
edicion de 1980 ha incorporado un nuevo articulado referente a los
requerimientos de ductilidad que deben satisfacer los aceros a
emplear para la fabricacion de perfiles formados en frio. C.V.G.
SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.
24. 8-34 senta la descarga en el intervalo de deformacion por
endurecimiento, la curva C representa la recarga inmediata y la
curva D el diagrama tension versus deforrnacion cuando la recarga
se efectua despues de varios dias a temperatura ambiente (0 en un
lapso menor de tiempo con una moderada elevacion de la
temperatura), este ultimo caso se conoce como fenomeno de
aiiejamiento. En las curvas C y D la tension de fluencia es mayor
que la del material virgen, pero la ductilidad tanto en el caso de
endurecimiento como en el de aiiejamiento se ha reducido
considerablemente. Otro fenomeno de especial interes cuando el
pandeo 0 la deflexion son im- portantes, es el denominado efecto
Bauschinger y que consiste en la reduc- cion del modulo de
elasticidad, E, como se observa en la historia de carga versus
deformacion mostrada en la Fig.2.8. Traccion 1,40 l,1O 0,90 Carga
inicial en traccion Primera descarga en traccion Segunda carga en
traccion --+--rf-....--,--.------,.--.-,...-....--+.--.------,.-
Deformacion, mm/mm -1,40 Compresion 0,004 0,006 Descarga en
compresion Figura 2.8 Efecto Bauschinger57 Efecto de la Temperatura
0,010 EI comportamiento del acero es muy sensible a los cambios
extremos con respecto a la temperatura ambiente normal. Efecto de
las 8ajas Temperaturas La capacidad de absorci6n de energia es un
criterio importante de diseiio, particularmente en estructuras
sujetas a cargas dinamicas y cargas de impac- to (por ejemplo: los
puentes). A temperaturas normales el acero estructural posee una
gran capacidad de absorcion de energia y falla ductilmente, pero en
cuanto comienza a descender la temperatura su comportamiento se
con- vierte de ductil a fragil a partir de una cierta temperatura
Ilamada tempera- tura de transici6n. C.Y.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO, C.A. Fractura fragil Temperatura, C Figura 2.9 Curva
Energia versus Temperatura Obtenida en el Ensayo de Probetas Charpy
con Entalla en V 8-35 Las curvas tfpicas de variacion de ductilidad
y de la energfa de rotura, como la mostrada en la Fig.2.9, se
obtienen de los ensayos de resilencia 0 ensayos de flexion por
choque con probetas entalladas (probetas Charpy). De la curva
energia-temperatura de la Fig.2.9 es evidente que existe una
tempera- tura de transici6n de la ductilidad, relacionada con la
tendencia a la inicia- cion de la fractura, y una temperatura de
transici6n es el aspecto de la frac- tura relacionada con la
propagacion de las grietas. En la zona de transicion las fracturas
se inician dificilmente, pero una vez iniciadas se propagan rapi-
damente con poca absorci6n de energfa. La rotura fragil del acero
ocurre por separaci6n 0 descohesion con poca 0 ninguna deformacion
plastica, la superficie de este tipo de fractura tiene un aspecto
granular brillante. La rotura ductil, que presenta un tfpico
aspecto fi- broso y opaco, ocurre por corte y deslizamiento de la
estructura cristalina, desput!s de una apreciable deformacion
plastica. En la probabilidad de que se produzca una rotura fragil
de un miembro 0 elemento estructural influyen las siguientes
circunstancias8, 49: La probabilidad de rotura fragil aumenta al
descender la temperatura, crecer el espesor del producto, y con la
magnitud de la deformacion en frfo que haya sufrido el producto.
Los aceros efervescentes tienen una mayor susceptibilidad a la
rotura fragil que los semicalmados y estos mas que los calmados. La
probabilidad de rotura fragil de un elemento estructural sometido a
esfuerzos dominantemente estiiticos es menor que la del que esta
solici- tado por esfuerzos altemados 0 procedentes de acciones
dinamicas. Los estados de tensiones triaxiales, cuando las tres
tensiones principa- les son de tracci6n, tienden a fragilizar el
acero. Tanto la forma del ele- mento como el proceso de ejecucion
pueden modificar el estado de ten- siones debido a las acciones
exteriores provocando una triaxialidad que acentue la probabilidad
de rotura fragil. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.
25. 8-36 Efecto de las Altas Temperaturas Si bien el acero es
un material incombustible, en cuanto la temperatura exce- de los
93C la curva tension versus deformacion comienza a ser no lineal. A
medida que se incrementa la temperatura sus propiedades resistentes
se re- ducen, tal como se observa en la Fig.2.1O. "E ":0 100 ~ e 80
E ~ 60 ~ .s 40 ::l ~ 20 U "1:l ~ 0; c0) :E 100 ~ e 80::> e i 60
.s 40 ~ 0:; 20 "1:l ~ 200 400 600 Temperatura. C 200 Temperatura. C
-----------Notas adicionales: I. EI mOdulo de corte. G. ticne un
comportamiento analogo al mOdulo de elasticidad. 2. EI coeficiente
de Poisson no varia en este rango de temperaturas. 3. La ductilidad
decreee con la temperatura seglin una curva c6ncava. cuyo minimo a
26QOC corrcsponde a 60% por debajo del valor nonnal. a partir de
estc punto aumenta r.ipidamente por encima del valor normal. 200
400 600 800 Temperatura. C 1000 (a) Efecto Promedio de la
Temperatura Sobre la Resistencia a la Fluencia. Fy (b) Efecto
Promedio de la Temperatura Sobre la Resistencia de Traccion. Fu (c)
Efecto Tipico de la Temperatura Sobre el MOdulo de Elasticidad. E
Figura 2.10 Efecto de las Altas Temperaturas Sobre las Propiedades
del Acero Estructural260,297 C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.
8-37 Desde el punto de vista del diseiio*, los edificios y los
elementos que 10 componen han de estar concebidos para que resistan
los efectos del fuego durante el tiempo que dure el incendio 0
durante un tiempo determinado. De ensayos de laboratorio se
obtienen curvas temperatura-tiempo normalizadas para la
determinacion de la duracion de la resistencia al fuego (Ver
Fig.2.11) asi como la cIasificacion de los materiales en diversas
categorias de resisten- cia al fuego y el grado de proteccion
requerido. 2400 r-----------------,1320 2200 2000 1800 1600 ~ 14000
760 u0 Ii Ii::> ::> e 1200 649 e "Q. "Q. E E " 1000,... 538
",... 800 427 600 316 400 204 200 93,3 0 0 2 3 4 ~ 7 817,8 Horas
Figura 2.11 Curva Temperatura-Tiempo Normalizada. para la
Determinacion de la Duracion de la Resistencia al Fuego297 En
edificios industriales resulta imposible aplicar revestlmlentos de
protec- cion contra el fuego, por 10 que se instalan sistemas
completos de deteccion, alarma y extincion de incendios. En
edificios destinados a viviendas, oficinas o comercio se protegen
los elementos de acero estructural con materiales re- sistentes al
fuego, tales como los mostrados en la Fig.2.12. * En este Capitulo
se cubre superficialmente una faceta del problema. y como en la
actualidad las normas Covenin solo cubren los aspectos de sistemas
de deteccion. alarma y extincion de in- cendios. y de los medios de
escape (Ver Torno I). se sugiere al interesado ver las referencias
195. 297. 298. 300. 321 , 322 Y 349. C.V. G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO. C.A.
26. 8-38 Proteccion humeda (concreto) Perfil Metal desplegado
Columnas Material aislante [ / J Ib. '"~ 0 "0 e '""-., ~ - 't.,Q. ,
'"2I ., ~!: / " Sistema de techo falso 1---++-- Perfil Vigas
Sistema de recubrimiento Figura 2.12 Sistema de Proteccion Contra
Incendios 13.1 30.32 1 Corrosion Material aislante L~ c?rrosion. e~
el resultado de una compleja accton electroquimica. En la practlca
se dlstmgue el oxido de laminacion, que se produce por efecto del
~~u~ en el ~etal al rojo durante la laminacion, del oxido
atmosfhico que se IDlCla a medlda que se desprende la costra de
laminacion. La intensidad de la corrosion depende de las
condiciones ambientales, los efectos de la corrosion se miden por
medio del espesor del material perdido ("mils", milesimos de
pulgada*) (Ver Fig.2.13). * I mil = 0,025 mm. C.V.G. SIDERURGICA
DEL ORINOCO. C.A. 6 5 A36 __----A36 con Cu A588 Grado A. __- - - -
- - - - - CORTEN B, Sidor ARCO A514 Grado F
~~;;;~=================A242 Tipo I, CORTEN A 2 4 6 7 8 Tiempo,
aiios Figura 2.13 Resistencia a la Corrosion 57 Los metodos de
control de la corrosion se basan en la comprension del me- canismo
que la produce. Sin embargo, las pinturas son el metoda mas usado
para proteger el acero estructural*. Para conseguir una pintura
eficaz y duradera ademas de la adecuada preparacion de la base, es
necesaria una co- rrecta eleccion de la pintura, una ejecucion
tecnicamente correcta de las capas protectoras y una construccion
de la estructura adecuada al recubri- miento, esto es que el
proyectista debe pensar en un mantenimiento econo- mico y eficaz
facilitando disposiciones constructivas contra la corrosion, por
ejemplo con formas que aseguren el perfecto drenaje de las aguas
pluviales, evitando la condensacion sobre superficies que puedan
generar una corrosion local intensa, con la accesibilidad a todos
los rincones, etc. Efecto de las Cargas Repetidas (Fatiga) Cuando
un miembro estructural 0 una union estan sometidos a la accion de
solicitaciones de intensidad variable repetidas un numero
suficientemente ele- vado de veces, su rotura puede presentarse
bajo magnitudes de cargas meno- res que la carga estatica de
rotura. A este fenomeno se Ie conoce con el nombre de fatiga. Las
fracturas por fatiga, que se presentan asociadas siempre con
esfuerzos normales de traccion, se inician con una deformacion
aparentemente muy re- * Vease en el Torno I los siguientes
documentos: GUla para la Pintura en Taller del Acero Es- tructural,
Especificacion para el Acero Estructural Arquitectonicamente
Expuesto, Codigo de Pnlcticas Normalizadas en Edificios y Puentes
de Acero, Criterios de Calidad y Patrones de Inspeccion. C. V.G.
SIDERURGICA' DEL ORINOCO, C.A.
27. 8-40 ducida, son de naturaleza fnigil, es decir, estan
acompaiiadas por deforma- ciones muy limitadas. La rotura por
fatiga se propaga lentamente y presenta un aspecto caracteristico,
ya que en la superficie de la rotura aparecen dos zonas claramente
diferenciadas, una lisa y generalmente brillante y otra de granos
gruesos y mate. EI origen de la fractura a menudo es identificable
por la existencia de anillos concentricos alrededor del nucIeo y
por las Iineas ra- diales. Area de fractura estatica Figura 2.14
Fractura por Fatiga75 Grieta que inicia la fractura Por
consiguiente, cuando un elemento de acero estructural falla por
fatiga su comportamiento no es ductil y dado que no puede
efectuarse una redistribu- cion de tensiones, los metodos de
analisis plastico no son validos a estruc- turas sometidas a un
numero elevado de repeticiones de carga. A falta de una teoria 0
procedimiento analitico que explique satisfactoria- mente el
fenomeno de fatiga, es necesario basar el diseiio en informacion
ob- tenida experimentalmente. Esta informacion se presenta en
curvas de dife- rentes formas: curvas S-N, diagramas de Goodman,
diagrama AWS-WRC, etc.; pero es asimilada en las distintas
especificaciones de manera mas senci- lIa. (Vease por ejemplo el
Apendice B de la Especificacion AISC, 1978). ~a resistencia a la
fatiga de un metal es funcion del numero total de repeti- clones de
carga a que queda sometido y no depende del tiempo total bajo la
carga, asi mismo es funcion de la magnitud de rango de tensiones
(diferencia a~gebraica entre la maxima y la minima tension a
esperarse en cualquier cIcio de carga) y de la amplitud de la parte
variable de los ciclos de carga. No es ~osible dar reglas generales
para el diseiio de piezas cuya resistencia a la fahga sea un fa~t~r
pre~ominante y en los que el problema se complique por su forma
geometnca, numero muy elevado de ciclos de carga, etc. , sin
embargo, las co?~entraciones de tensiones ocasionadas por muescas,
cambios bruscos de seCClOn, defectos de fabricacion, elementos
ajenos a la estructura soldados a esta, etc., hacen que disminuya
considerablemente la resistencia a la fatiga de uniones y miembros
estructurales por 10 que deberan eliminarse C.V.G. SIDERURGICA DEL
ORINOCO. C.A. ".. 8-41 o reducirse drasticamente en las zonas
crfticas de las piezas sometidas a cargas repetidas. +f +f o
Compresion Pulsantes +f +f o Alternante Fluctuante Figura 2.IS
Tipos de Solicitaciones Repetidas75 Desgarramiento Laminar Toda la
informacion presentada hasta este momenta es pertinente a solicita-
ciones aplicadas paralelamente a la direccion de laminacion de los
perfiles 0 planchas. Esta inherente direccionalidad tiene pequeiias
consecuencias en muchas aplicaciones, pero es importante en el
diseiio y fabricacion de estruc- turas con miembros masivos con
uniones altamente restringidas. Direcci6n transversal Direccion de
laminacion .. z z=espesor Figura 2.16 Direccionalidad a Considerar
en el Desgarramiento Laminar260.305 C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO.
C.A.