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diseño estructural
Transcript of “DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES TIPICOS PARA UN EDIFICIO DE ESTRUCTURAS DE ACERO UTILIZANDO...
- 1. UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA
ORIENTAL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA. DISEO DE
ELEMENTOS ESTRUCTURALES TIPICOS PARA UN EDIFICIO DE ESTRUCTURAS DE
ACERO UTILIZANDO LAS ESPECIFICACIONES AISC 2005 PRESENTADO POR: DAZ
MRQUEZ, JOLMAN BALMORE MEJA ARVALO, EVERTH HAHYS ORTEZ REYES, JORGE
ALBERTO PARA OPTAR AL TITULO DE: INGENIERO CIVIL CIUDAD
UNIVERSITARIA, 28 DE MAYO DE 2007.
- 2. AUTORIDADES UNIVERSITARIAS UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
RECTORA: Dra. Maria Isabel Rodrguez VICERRECTOR ACADEMICO: Ing.
Joaqun Orlando Machuca Gmez SECRETARIA GENERAL: Licda. Alicia
Margarita Rivas de Recinos FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL
DECANO: Lic. Marcelino Mejia SECRETARIA: Licda. Lourdes Elizabeth
Prudencio Coreas JEFE DE DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA.
Ing. Oscar Reynaldo Lazo Larrn
- 3. UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA
ORIENTAL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA. TRABAJO DE
GRADUACIN PREVIO A LA OPCIN AL GRADO DE: INGENIERO CIVIL TITULO:
DISEO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES TIPOS PARA UN EDIFICIO DE
ESTRUCTURAS DE ACERO UTILIZANDO LAS ESPECIFICACIONES AISC 2005
PRESENTADO POR: DAZ MRQUEZ, JOLMAN BALMORE MEJA ARVALO, EVERTH
HAHYS ORTEZ REYES, JORGE ALBERTO TRABAJO DE GRADUACION APROBADO
POR: DOCENTE DIRECTOR: ING. LUIS ORLANDO MNDEZ CASTRO CIUDAD
UNIVERSITARIA, 28 DE MAYO DE 2007.
- 4. TRABAJO DE GRADUACION APROBADO POR:
___________________________________________ Ing. Luis Orlando Mndez
Castro DOCENTE DIRECTOR ___________________________________________
Ing. Rigoberto Lpez COORDINADOR DE PROCESOS DE GRADUACION
- 5. AGRADECIMIENTOS. Agradecemos a Dios Todopoderoso por
habernos permitido realizar esta etapa de nuestra vida, por haber
iluminado nuestro camino y habernos dado la sabidura necesaria para
poder salir adelante. A la Universidad, por sentirnos orgullosos de
decir que somos hijos suyos. A nuestro Director de Tesis Ingeniero
Luis Orlando Mndez Castro por su apoyo y conocimiento. Al personal
docente que nos form para poder llegar a ser profesionales. Jolman
Balmore Daz Jorge Alberto Ortez Everth Hahys Meja
- 6. DEDICATORIA A DIOS TODOPODEROSO: porque gracias a el he
cumplido una de mis mayores metas, por haberme dado la sabidura, la
fuerza para levantarme cuando me sent derrotado, por haberme
regalado unos padres tan maravillosos que siempre estuvieron con
migo, por haber puesto en mi camino amigos que me apoyaron
incondicionalmente para lograr este triunfo. A MIS PADRES: Argelia,
y German, por sus consejos, su apoyo incondicional, por los
principios y la disciplina que inculcaron en mi, el amor y todo el
esfuerzo y sacrificio que hicieron para que recibiera una buena
educacin y lograra as este triunfo. A MIS HERMANAS: Yasmn, Yesika,
Karla y Karina, por su apoyo, comprensin y por estar conmigo en
todo momento. A MI NOVIA: Rina, por su apoyo y Comprensin. A MIS
COMPAEROS DE TESIS: Por haber sido parte importante en la
realizacin de este trabajo, por el apoyo y la amistad que siempre
me han demostrado. A TODOS MIS COMPAEROS Y AMIGOS: Que a lo largo
de mi formacin universitaria estuvieron con migo en los buenos y
malos momentos. Jolman Balmore Daz Mrquez.
- 7. DEDICATORIA A DIOS: Por brindarme salud y vida hasta este
momento y poder llegar a la finalizacin de mi trabajo de graduacin.
A MIS PADRES: Maria Magdalena Arvalo por su apoyo y sacrificio
incansable y sobre todo confiar en mi durante todo este tiempo y
Ruben Abilio Meja que de una u otra manera siempre estuvo pendiente
de mi camino. A MIS ABUELOS: Ana Sofa Parada y Santiago Meja por
sus consejos y su palabras de animo durante todos mis estudios
hasta el momento. A MIS HERMANOS: Por ayudarme cuando los he
necesitado, en especial a Eduardo. A LA UNIVERSIDAD: Por haberme
otorgado mi beca para que lograra terminar mis estudios de educacin
superior. A MIS COMPAEROS DE TESIS: Por todo el tiempo que
compartimos juntos, y por la amistad que nos une. A MI NOVIA:
Elizabeth por creer en mi y apoyarme durante mi proceso de
graduacin, sobre todo por su comprensin y cario. A MIS FAMILIARES,
COMPAEROS Y AMIGOS: con los que compart muchos momentos de mi vida
y mi carrera. A todos muchas gracias . Everth Hahys Meja
Arvalo
- 8. DEDICATORIA A DIOS TODO PODEROSO, por todas las bendiciones
que ha derramado en mi vida, sabidura y confianza para poder
culminar satisfactoriamente esta etapa de mi vida. A MIS PADRES,
Jorge Alberto y Emma Dorila por todo su amor y apoyo a lo largo de
mi vida. A MI HERMANO PEDRO JOSE, por todo su apoyo y confianza. A
MI NOVIA CECILIA, por ser un apoyo incondicional en mi vida. A MIS
FAMILIARES, mi to Pipo, to Ovidio, ta Victorina y a todos mis
familiares que me han apoyado y han confiado en mi. A NUESTRO
ASESOR, por su orientacin y haber compartido sus conocimientos a lo
largo de este trabajo. A MIS COMPAEROS DE TESIS, por su comprensin
y apoyo. Y a todos aquellos que a lo largo de mi carrera
significaron un aporte para m formacin. Jorge Ortez.
- 9. Simbologa Utilizada =1A rea de apoyo de una placa de apoyo o
placa base de columna. =2A rea total de apoyo para una placa de
apoyo de columna. =eA rea neta efectiva. =gA rea total. =wA rea del
alma. =A Distancia entre el centro del perno de anclaje y la
columna. =B Ancho de placa de apoyo o de placa base. =bC Factor de
gradiente de momento para la resistencia lateral torsional. =mC
Factor de modificacin de momento. =wC Constante de alabeo. =e
Excentricidad de la carga en una conexin. =E Mdulo de elasticidad.
=tbf Esfuerzo por pandeo. =taf Esfuerzo por fuerza axial. =vf
Esfuerzo cortante ltimo del acero estructural o de un tornillo.
=EXXF Resistencia del elctrodo. =crF Esfuerzo crtico por compresin
o flexin utilizado para determinar la resistencia nominal. =rF
Esfuerzo residual. =yF Esfuerzo de fluencia. =ywF Esfuerzo de
fluencia del patn del alma. =g Gramil para tornillos, espaciamiento
transversal. =G Mdulo de elasticidad en cortante para el acero
estructural. =xI Momento de inercia con respecto al eje x.
- 10. =yI Momento de inercia con respecto al eje y. =J Constante
de torsin, momento polar de inercia. =K Factor de longitud efectiva
para miembros en compresin. =bL Longitud no soportada de una viga.
=pL Mxima longitud no soportada de una viga para la cual el pandeo
lateral torsional no se presenta. =rL Longitud no soportada de una
viga para la cual el pandeo lateral torsional elstico ocurrir. =22M
Momento con respecto al eje y. =33M Momento con respecto al eje x.
=nM Resistencia nominal por flexin. =pM Momento plstico. =rM
Momento de fluencia tomando en cuenta los esfuerzos residuales. =uM
Momento por carga factorizada. =eP Resistencia al pandeo de Euler.
=uP Carga axial factorizada. =yP Resistencia por fluencia en
compresin axial. =xr Radio de giro con respecto al eje x. =yr Radio
de giro con respecto al eje y. =uR Reaccin por carga factorizada.
=vR Resistencia por cortante en el alma de una columna. =S Mdulo de
seccin elstica. =T Tensin en un tornillo, fuerza de tensin en un
par interno resistente. =rodT Fuerza axial en cada perno. =nV
Resistencia nominal por cortante.
- 11. =uV Fuerza cortante por carga factorizada. =21 , XX
Constantes utilizadas para el clculo de la resistencia nominal por
flexin. =1Y Distancia del eje neutro plstico a la parte superior
del acero en una viga compuesta. =2Y Distancia de la parte superior
del acero a la fuerza de compresin resultante en el concreto de una
viga compuesta. =Z Mdulo de seccin plstico. =xZ Mdulo plstico de
seccin respecto al eje x. =yZ Mdulo plstico de seccin respecto al
ejey. = Deflexin. = Razn ancho-espesor. =c Parmetro de esbeltez
para miembros en conexin. =e Parmetro de esbeltez para pandeo
flexo-torsional de miembros en compresin. =p Razn mxima
ancho-espesor para el que habr pandeo local. =r Razn ancho espesor
para la cual ocurrir pandeo elstico local.
- 12. INDICE Introduccin .. xix CAPITULO I ANTEPROYECTO 1.1
Antecedentes ... 22 1.2 Planteamiento del Problema .. 30 1.3
Justificacin . . 32 1.4 Objetivos .. . 33 1.5 Alcances . .. 34 1.6
Limitaciones de la Investigacin .. . 35 CAPITULO II MARCO TEORICO
2.1 Generalidades del Acero .. . 37 2.2 Ventajas del Acero como
material estructural 37 2.3 Clasificacin del Acero ... 37 2.4 Tipos
de perfiles americanos .. .. 39 2.5 Sistemas estructurales 2.5.1
Sistemas estructurales bsicos .. . 40 2.5.2 Clasificacin de
Sistemas estructurales ... .. 40 2.5.3 Sistemas estructurales segn
el NTDS, 1994 El Salvador .. 47 2.6 Mtodos de diseo 2.6.1 Mtodos de
diseo por factores de carga y resistencia LRFD 48 2.6.2 Comparacin
de los mtodos de diseo por esfuerzo permisible (ASD) y por carga
ultima (LRFD) .. 51 2.7 Elementos estructurales 2.7.1 Miembros en
tensin .... 56 2.7.1.1 Anlisis de miembros en tensin . .. 56
2.7.1.2 Diseo por resistencia de miembros a tensin . 59
- 13. 2.7.1.3 reas netas . .. 60 2.7.1.4 reas netas efectivas ..
. ... 62 2.7.1.5 Bloque de cortante . .. 66 2.7.1.6 Seleccin de
perfiles sometidos a tensin . .. 70 2.7.2 Miembros cargados
axialmente en compresin .. . 73 2.7.2.1 Consideraciones generales
.. .. 73 2.7.2.2 Perfiles usados para columnas ... 74 2.7.2.3
Desarrollo de las formulas para columnas ... 75 2.7.2.4 La formula
de Euler . . 76 2.7.2.5 Restricciones en los extremos y longitud
efectiva de una Columna . 77 2.7.2.6 Elementos atiesados y no
atiesados 81 2.7.2.7 Formulas para columnas .. 83 2.7.2.8
Relaciones de esbeltez mximas ... 84 2.7.2.9 Diseo de miembros
cargados axialmente a compresin .. 84 2.7.2.10 Empalmes de columnas
85 2.7.2.11 Consideraciones preliminares relativas al pandeo
flexotorsional de miembros a compresin .... 87 2.7.2.12 Longitudes
efectivas .. 89 2.7.2.13 Diseo en plano de columnas apoyadas entre
si .. 95 2.7.3 Introduccin al estudio de vigas . . 97 2.7.3.1 Tipos
de vigas .. . 97 2.7.3.2 Perfiles usados como vigas . 97 2.7.3.3
Diseo de vigas por momentos .. ... 98 2.7.3.4 Pandeo plstico
momento plstico total, zona 1 . 101 2.7.3.5 Diseo de vigas, zona 1
. . 103 2.7.3.6 Soporte lateral de vigas . .. 104 2.7.3.7
Introduccin al pandeo inelstico, zona 2 . 106 2.7.3.8 Capacidad por
momento, zona 2 109
- 14. 2.7.3.9 Pandeo elstico, zona 3 .. 110 2.7.3.10 Graficas de
diseo . 112 2.7.3.11 Fuerzas y esfuerzos cortantes . ... 116
2.7.3.12 Deflexiones .. 118 2.7.3.13 Almas y patines con cargas
concentradas . 120 2.7.3.14 Flexin asimtrica .. . 125 2.7.4 Vigas
Columnas .. ... 126 2.7.4.1 Generalidades . .. 126 2.7.4.2 Formulas
de Interaccin .. 128 2.7.4.3 Pandeo local del alma en vigas
columnas . 129 2.7.4.4 Marcos contraventeados versus marcos no
contraventeados .. 130 2.7.4.5 Miembros en marcos contraventeados
.... 132 2.7.4.6 Miembros en marcos no contraventeados ... 135
2.7.5 Sistemas de entrepiso .. 139 2.7.5.1 Losas de concreto sobre
viguetas de acero de alma abierta . 139 2.7.5.2 Losas de concreto
reforzado en una y en dos direcciones . .. 141 2.7.5.3 Pisos
compuestos . 143 2.7.5.4 Pisos de losa reticular .. 144 2.7.5.5
Losas planas .. 145 2.7.5.6 Pisos de losas precoladas .. . 146
2.7.5.7 Pisos con tableros de acero .. .. 147 2.7.5.8 Descripcin
del sistema GalvaDeck . . 150 2.7.5.9 Funciones de la lamina de
acero . . . 152 2.7.5.10 Recomendaciones de la lamina GalvaDeck ..
155 2.8 Conexiones en edificios 2.8.1 Seleccin del tipo de conector
.. . . 155 2.8.2 Tipos de conexiones para vigas . . ... 156 2.8.3
Conexiones estndar para vigas atornilladas ... 162 2.8.4 Diseo de
conexiones estndar atornilladas a base de ngulos . . 166
- 15. 2.8.5 Diseo de conexiones estndar soldadas . 167 2.8.6
Conexiones a base de una sola placa o de placa de cortante . .. 168
2.8.7 Conexiones con placa extrema de cortante . . 169 2.8.8 Diseo
de conexiones resistentes a momento . 170 2.8.9 Atiesadores de
almas de columna .. .. 171 2.9 Conexiones atornilladas 2.9.1 Tipos
de tornillos .. . 174 2.9.2 Ventajas de los tornillos de alta
resistencia . . 175 2.9.3 Tamaos de los agujeros para tornillos
.... 177 2.9.4 Separacin y distancias a bordes de tornillos .. 178
2.9.5 Conexin tipo friccin .. . 183 2.10 Conexiones soldadas 2.10.1
Ventajas de la soldadura 185 2.10.2 Tipos de Soldadura . 186 2.10.3
Soldaduras precalificadas .. 189 2.10.4 Clasificacin de las
soldaduras . 190 2.10.5 Smbolos para soldaduras . 193 2.10.6
Soldaduras de ranura . 195 2.10.7 Soldaduras de filete ... 197
2.10.8 Resistencias de las soldaduras . .. 200 2.10.9 Requisitos
del LRFD .. 201 2.10.10 Soldaduras de ranura de penetracin completa
y de penetracin parcial 205 2.11 Placas de base para columnas
resistentes a momento .. 207 CAPITULO III CONFIGURACION Y
DISTRIBUCION ARQUITECTONICA 3.1 La importancia de la configuracin
.. 212 3.2 Influencia de la configuracin sobre el comportamiento
ssmico ... 213 3.3 El diseo ssmico y el tipo de edificio . 218
- 16. 3.4 Planos arquitectnicos . . 225 CAPITULO IV ANALISIS
ESTRUCTURAL 4.1 Anlisis estructural utilizando el programa ETABs
227 4.1.1 Gua para realizar el anlisis estructura utilizando el
programa ETABs 229 4.1.2 Salida de datos de anlisis del programa
ETABs . 254 4.2 Anlisis manual de la estructura .. 264 CAPITULO V
DISEO ESTRUCTURAL 5.1 Diseo estructural de vigas .. 303 5.2 Diseo
estructural de columnas .. 315 5.3 Diseo estructural de conexin con
placa de extremo . 327 5.4 Diseo estructural de conexin soldada ..
.. 335 5.5 Diseo estructural de conexin con placas en los patines
de la viga .. 341 5.6 Diseo estructural de conexin viga columna al
alma de la columna ... 348 5.7 Diseo estructural de conexin viga
viga . 352 5.8 Diseo estructural de empalme de columna ... 358 5.9
Diseo estructural de placas de base para columnas ..... 362
CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones .. ....
373 6.2 Recomendaciones . . 375 Bibliografa .. 376 ANEXOS ANEXOS A
Tabla A-5-1. Resultados de anlisis para diseo de viga . 379 Tabla
A-5-2. Resultados de Interaccin para viga B70 .. 380 Tabla A-5-3.
Hoja de salida del programa ETABs .. 382
- 17. Tabla A-5-4. Resultados de interaccin para columna C1 . ...
383 Tabla A-5-5. Hoja de salida del programa ETABs .. 387 Tabla
A-5-6. Resultados de anlisis para diseo de conexin viga columna a
patn de columna . . 388 Tabla A-5-7. Hoja de salida del programa
ETABs 389 Tabla A-5-8. Resultados de anlisis para diseo de conexin
viga columna al alma de la columna .. . .. 390 Tabla A-5-9. Hoja de
salida del programa Etabas .. 391 Tabla A-5-10. Resultados de
anlisis para diseo de conexin viga viga 392 Tabla A-5-11. Hoja de
salida del programa ETABs . 393 Tabla A-5-12. Resultados de anlisis
para diseo de conexin columna - columna . 394 Tabla A-5-13. Calculo
del factor K en la direccin y . .. 395 Tabla A-5-14. Calculo del
factor K en la direccin x . .. 395 ANEXOS B Tabla B5-1. Conexiones
con ngulo doble empernado . 397 Tabla B5-2. Conexiones con una sola
placa . .. . 399 Tabla B5-3. Dimensiones de perfiles W . .. 401
Tabla B5-4. Diseo por esfuerzo axial para perfiles W .. 405 Tabla
B5-5. Diseo de vigas por momento . . 406 Tabla B5-6. Materiales
para pernos de anclaje .. . 407 Tabla B5-7. Medidas recomendadas
para agujeros de pernos de anclaje en placa base .. ..... 407 Tabla
B5-8. Dimensiones de tuerca hexagonal para anclaje . 408 Tabla
B5-9. Resistencia del concreto al arrancamiento de pernos de
anclaje 408 Tabla B5-10. Esfuerzo permisible por perno de anclaje .
... 409 Tabla B5-11. Dimensiones nominales para agujeros . .... 409
Tabla B5-12. Rango de relacin ancho espesor para elementos en
- 18. compresin . .... 410 Tabla B5-13. reas efectivas de
cortante . 411 ANEXOS C Planos arquitectnicos .. 413 ANEXOS D
Planos de diseo 423
- 19. xix INTRODUCCION En la actualidad el acero estructural se
ha convertido en el material ms utilizado en la construccin de
grandes estructuras, por lo que en este trabajo se presentan los
principales tipos de acero que existen en nuestro medio, las formas
en que estos se encuentran, as como los diferentes mtodos de
anlisis y diseo de estructuras de acero, entre los cuales estn el
ASD y LRFD presentando las principales diferencias, ventajas y
desventajas cuando se disea con uno u otro mtodo. El diseo de
elementos estructurales de acero se rige por una serie de normas,
cdigos y especificaciones, las cuales son actualizadas
constantemente; hacindose necesaria la incorporacin de estas
actualizaciones en los nuevos diseos por lo que se abordarn los
procedimientos de diseo de los elementos ms comunes en un edificio
de acero estructural entre los cuales estn: vigas, columnas,
conexiones resistentes a momento, placas base, etc. As mismo, ste
trabajo incluye el anlisis de la estructura empleando un programa
especializado en el rea de estructuras de acero, as como tambin por
medio de clculos manuales; los resultados obtenidos del programa se
toman con base para realizar los diseos antes mencionados y los del
clculo manual solo para una comparacin. Esta parte del anlisis,
cuenta con una gua para el uso del programa ETABs, elaboracin del
modelo tridimensional con su respectivo anlisis y diseo
estructural.
- 20. xx En todos los procedimientos de diseo que se estudian en
este documento se aplica la normativa ms reciente del Instituto
Americano de Construccin en Acero en base al mtodo LRFD. Tambin se
incluyen los planos arquitectnicos que sirvieron como base para
elaborar el modelo tridimensional a analizar, de igual forma se
incluyen los planos de los diferentes diseos estructurales que se
abordaron.
- 21. CAPITULO 1
- 22. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 22 1.1 Antecedentes
Los primeros usos del hierro, componente principal del acero,
fueron en la fabricacin de pequeas herramientas, aproximadamente
4000 aos antes de la era cristiana (Murphy, 1957). Este material se
usaba en forma de hierro forjado, que se produca calentando el
mineral en hornos de carbn. En la ltima parte del siglo XVIII y
principio del XIX, el hierro colado y el hierro forjado se usaron
en varios tipos de puentes. El acero, aleacin principalmente de
hierro y carbono, con menos impurezas y menos carbono que el hierro
colado, fue usado primero en la construccin pesada en el siglo XIX.
En Estados Unidos, el primer puente ferroviario de acero
estructural fue el puente Eads, construido en 1874 en St. Louis,
Missouri (Tall, 1964). En 1884 fue terminado en Chicago el primer
edificio con estructura de acero. Una manifestacin memorable de ese
acontecimiento fue la Exposicin Universal de Pars de 1889, que marc
el triunfo de las construcciones metlicas. La construccin que
deslumbr al mundo y marc el verdadero punto de partida en la
historia de las construcciones fue la Torre Eiffel. Despus de ella
se han construido muchos edificios de gran tamao y notable alarde
tcnico, pero ninguno la super en su atrevimiento innovador. Lo que
le sucedi a esta torre, fue el proyecto realizado tambin por
Eiffel, la Torre de Pars, en el Campo de Marte, integrando la
Exposicin Universal destinada a festejar el primer centenario de la
revolucin. Una caracterstica importante de la torre de Eiffel de
hierro labrado de 985 pies construida en 1889, es que funcionaba
con elevadores movidos mecnicamente para los pasajeros. La
disponibilidad de estas mquinas, junto con la idea de elementos de
marcos permiti la construccin de miles de rascacielos a travs del
mundo.
- 23. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 23 Despus de
construida esta torre se consider que todos los dems prodigios eran
realizables y se proyectaron obras metlicas de todos los gneros. El
desarrollo mundial del uso del acero en distintos mbitos, tuvo su
impulso inicial en pases como Inglaterra, Francia y Estados Unidos.
Muestra de ello es un puente de arco, terminado de construir en
1779 en Inglaterra, que ha sido considerado el primer logro
importante de Obras Pblicas en Europa. Tanto el hombre como el
impulso a la ingeniera y arquitectura han sido factores que han
permitido pasar de puentes de acero de 30 metros a fines del siglo
XVIII, a estructuras de ms de 2 kilmetros en nuestros das. As
tambin, de pequeos edificios a mediados del siglo XIX a estructuras
como las Torres Petronas de Kuala Lumpur, ubicadas en Malasia y con
ms de 450 metros de altura. Las primeras formas estructurales
hechas en los Estados Unidos eran perfiles angulares en 1819. Las
secciones de acero I formadas primero fueron fundidas en los
Estados Unidos en 1884, y la primera estructura esqueltica de marco
(el edificio de Home Insurance Company en Chicago) fue eregida el
mismo ao. El crdito por inventar el rascacielos se da generalmente
al ingeniero Guillermo LeBaron, que plane este edificio al parecer
durante una huelga de los albailes. Antes de este tiempo, los
edificios altos en los Estados Unidos fueron construidos con
paredes portantes de ladrillo que eran de varios pies de espesor.
Para las paredes exteriores de este edificio de mucha historia, las
vigas para los 6 pisos ms bajos fueron hechas de hierro forjado,
mientras que las vigas con acero estructural fueron utilizadas para
los pisos superiores. El primer
- 24. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 24 edificio enmarcado
totalmente con acero estructural era el segundo edificio de
Rand-McNally, terminado en Chicago en 1890. Durante estos aos las
diversas fundidoras forjaron sus propias formas individuales y
publicaron los catlogos que proporcionaban las dimensiones, el
peso, y otras caractersticas de estas formas. En 1896, la asociacin
de fabricantes de acero americanos (ahora el Instituto Americano
del Hierro y del Acero, AISI), hizo los primeros esfuerzos de
estandarizar formas. Hoy, casi todas las formas estructurales se
estandarizan, aunque sus dimensiones exactas pueden variar apenas
un poco de fundicin en fundicin. Los edificios deben disearse y
construirse de acuerdo con las especificaciones de un reglamento de
construccin. Un reglamento de construccin tiene fuerza legal y es
administrado por una entidad gubernamental como una ciudad, un
municipio o para algunas reas metropolitanas grandes, por un
gobierno establecido. Los reglamentos de construccin no dan
procedimientos de diseo, pero ellos especifican los requisitos y
restricciones de diseo que deben satisfacerse. Algunas grandes
ciudades tienen sus propios reglamentos de construccin, muchas
municipalidades modifican un reglamento de construccin "modelo"
cuando conviene a sus necesidades particulares y lo adoptan en
forma modificada. Los reglamentos modelo son escritos por varias
organizaciones no lucrativas en una forma que puede ser fcilmente
adoptada por un organismo gubernamental. Ya que el nfasis de esta
investigacin es en el diseo de miembros de edificios de acero
estructural y sus conexiones, la especificacin del Instituto
Americano de Construccin en Acero (American Institute of Steel
Construction, AISC) es la especificacin de diseo de mayor
importancia. Ella est escrita y
- 25. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 25 mantenida al da por
un comit del AISC que comprende practicantes de la ingeniera
estructural, educadores, productores de acero y fabricantes de
estructuras. Peridicamente se publican nuevas ediciones y, siempre
que es necesaria una revisin intermedia, se editan suplementos. El
diseo por esfuerzos permisibles ha sido el principal mtodo usado
para los edificios de acero estructural desde que las primeras
Especificaciones AISC fueron editadas en 1923, aunque recientes
ediciones han contenido estipulaciones para el diseo plstico. En
1986, el AISC edit la primera especificacin para el diseo por
factores de carga y resistencia de edificios de acero estructural y
un libro paralelo, el Manual of Steel Construction (Manual de
construccin en acero). El propsito de esos dos documentos es
proporcionar un diseo alternativo al diseo por esfuerzos
permisibles, tal como el diseo plstico es tambin una alternativa.
La segunda edicin del Manual (AISC, 1994), incluye las
Especificaciones AISC de 1993. Las Especificaciones de Diseo por
Cargas y Resistencias Factoradas (Load and Resistance Factor
Design, LRFD) se basan en las investigaciones reportadas en ocho
artculos publicados en 1978 en la revista estructural de la
American Society of Civil Engineers (Ravindra y Galambos; Yura,
Galambos y Ravindra; Bjorhovde, Galambos y Ravindra; Cooper,
Galambos y Ravindra; Hansell y otros; Fisher y otros; Ravindra,
Cornell y Galambos; Galambos y Ravindra, 1978). El diseo por
factores de carga y resistencia no es un concepto reciente; desde
1974 se ha usado en Canad, donde se conoce como diseo por estados
lmite. Es tambin la base de la mayora de los reglamentos europeos
de edificacin. En Estados Unidos, el LRFD ha sido un mtodo aceptado
de diseo para el concreto reforzado durante aos y es el principal
mtodo autorizado en el Cdigo para Edificios del Instituto Americano
del Concreto (American Concrete Institute's Building Code, ACI)
donde se conoce como diseo por resistencia para las
Especificaciones del A.C.I. de 1995. Las normas
- 26. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 26 de diseo para
puentes permiten el diseo por esfuerzos permisibles para la
publicacin de las Normas AASHTO de 1992 y el diseo por factores de
carga y resistencia para la publicacin AASHTO LRFD de 1994. Las
publicaciones ms recientes de estas especificaciones son las
siguientes: Standard Specifications for Structural Concrete ACI
301-05 with Selected ACI Reference (Ao 2005). AASHTO LRFD Bridge
Design Specifications (2004), U.S. and Metric, 3rd Edition with
2005 and 2006 Interims. Las Especificaciones AISC son publicadas
como un documento independiente, pero son tambin parte del Manual
de construccin en acero. Para la ltima dcada, el mtodo del LRFD ha
sido enseado a la mayor parte de los estudiantes en las
universidades. Sin embargo, una proporcin algo grande de diseadores
en estados unidos usan un mtodo ms viejo de diseo de acero llamado
el Mtodo de Esfuerzos Admisibles (ASD). Consecuentemente, el
estudiante debe familiarizarse con el ASD y el LRFD. La
especificacin AISC para el diseo de edificios en acero, basada en
el mtodo de Tensiones Admisibles (ASD) ha evolucionado a lo que hoy
se denomina el mtodo de diseo en base a Cargas y Resistencias
Factoradas (LRFD); para esta ltima versin 2005, el Comit de
Especificaciones del AISC ha realizado un especial esfuerzo en
ofrecer un tratamiento unificado, de manera de incluir en la
normativa el uso alternativo de ambos mtodos de diseo (ASD Y LRFD),
presentando este ltimo en un formato equivalente al anterior mtodo
de Tensiones Admisibles. Esta nueva norma viene a reemplazar las
anteriores especificaciones ASD 1989 y LRFD 1999, permitiendo al
diseador elegir discrecionalmente el uso de uno u otro mtodo.
- 27. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 27 En El Salvador,
existe un Reglamento denominado "Reglamento para la Seguridad
Estructural de Las Construcciones" (RESESCO), el cual fue publicado
en el diario oficial el 30 de Octubre de 1996, y entr en vigencia a
partir del 7 de noviembre del mismo ao. Este reglamento viene
acompaado por una serie de Normas Tcnicas que son parte del
Reglamento. La Norma Tcnica de Diseo y Construccin de Estructuras
de Acero de El Salvador est basada principalmente en el Manual of
Steel Construction ASD. En nuestro pas se han realizados
investigaciones afines en cuanto a edificios con estructuras de
acero, entre las que podemos mencionar: Tesis de la Universidad
Centroamericana Jos Simen Caas, Mtodos de fijacin de pernos y
barras de acero en concreto endurecido Ao: 1992 Este trabajo es un
estudio de los mtodos de fijacin utilizados para instalar pernos y
barras de acero en concreto endurecido, especialmente en el uso de
las resinas epxicas y pernos expansivos. Se analizan las
propiedades, comportamiento y mecanismos de falla de los materiales
involucrados en los sistemas de fijacin, as como tambin la
metodologa de diseo, instalacin y los criterios generales para la
evaluacin de costos. A su vez, se presenta un estudio acerca del
control de calidad de dichos sistemas. Tesis de la Universidad de
El Salvador, Evaluacin de Ductilidad y Resistencia en edificios de
Acero de 20, 25 y 30 Niveles, Diseando Aplicando las Normativas
Salvadoreas Vigentes Ao: Marzo de 1999 El desarrollo del trabajo
parte de la calibracin del programa ETABS (Software de Diseo
Estructural para el Anlisis, Diseo y Modelado integrado,
- 28. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 28 basado en el mtodo
de elementos finitos) por medio de un ejemplo, el cual se analiza y
disea utilizando el mtodo propuesto por la NTDS (Norma Tcnica para
el Diseo por Sismo, Reglamento para la Seguridad Estructural de las
Construcciones, Ministerio de Obras Pblicas, San Salvador, 1997),
estos resultados se comparan con los obtenidos con la ayuda del
programa ETABS. Partiendo de que el ejemplo de calibracin dio
resultados satisfactorios de comparacin, la parte de los diseos de
edificios se realiza con la ayuda del programa ETABS utilizando
para el diseo el mtodo de resistencia ltima AISC-LRFD. Con el
objeto de obtener un diseo ptimo. Tesis de la Universidad de El
Salvador, Vulnerabilidad ssmica de estructuras de edificios de
concreto reforzado y acero" Ao: 1999 Vulnerabilidad de los
Edificios a ser daados por sismos, incluyendo aspectos relevantes
propios de las estructuras de edificios, Factores que inciden en la
vulnerabilidad Ssmica Estructural de Edificios, Clculo de la
Vulnerabilidad de un Edificio. Este proyecto esta basado en los
edificios de Ingeniera de la UES; incluyendo tambin un manual de
usuario del programa VULSIS (Vulnerabilidad Ssmica). Tesis de la
Universidad Centroamericana Jos Simen Caas, Manual de
especificaciones de diseo AISC- ASD para conexiones soldadas y
empernadas Ao: octubre de 2001. Tesis de la Universidad
Centroamericana Jos Simen Caas, Manual de diseo de conexiones en
edificios a base de marcos no arriostrados de acero estructural Ao:
Octubre 2005
- 29. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 29 Contiene
procedimientos para el diseo de conexiones en edificios a base de
marcos no arriostrados de acero estructural con perfiles W,
presentando los fundamentos tericos en que se basa su diseo y
brindando una metodologa prctica para su proporcionamiento,
conforme a la reglamentacin del AISC ASD (Instituto Americano de la
Construccin en Acero Diseo por Esfuerzos Permisibles) y de la FEMA
(Agencia Federal para el Manejo de Emergencias).
- 30. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 30 1.2 Planteamiento
del Problema. En la actualidad, ya se construyen edificios con
estructuras de acero con mucha notoriedad en nuestro pas, pero la
situacin en este momento es que no se utilizan mucho las
estructuras de acero en la ciudad de San Miguel, debido al poco
conocimiento con respecto al anlisis, diseo y construccin de este
tipo de estructuras. Por lo tanto sera necesario fomentar el
desarrollo de esta rea de la ingeniera. Es posible que una
construccin con acero estructural resulte con un costo bajo o alto;
rpida de construir o quizs ms segura estructuralmente, que las
construcciones con concreto u otro material. En este sentido, lo
que se busca es evaluar otro tipo de proceso de diseo que pueda
proporcionar mejores beneficios para la construccin de edificios.
Tambin es importante tomar en cuenta que en pases como el nuestro,
con alto riesgo ssmico, se vuelve necesaria la revisin del
cumplimiento de las normativas internacionales vigentes, por lo que
se debe analizar o evaluar este tipo de estructuras en base a
especificaciones recientes que nos permitan garantizar ms seguridad
ante cualquier evento ssmico. Para finalizar, como en nuestro pas
no tenemos normas actuales para estructuras de acero se tienen que
implementar normas forneas o extranjeras, como las normas del
American Institute of Steel Construction (Instituto Americano de
Construccin en Acero), bibliografa ms reciente y el uso de software
especializado para el diseo de estructuras de acero; los cuales son
parte fundamental para la realizacin del diseo de este tipo de
estructuras. Una limitante, es el alcance al que se encuentra la
informacin respectiva, en conjunto con la tecnologa que permita el
diseo y la construccin; as mismo
- 31. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 31 en el plan de
estudio de la carrera de ingeniera civil, la materia de estructuras
de acero se ha comenzado a impartir hace muy poco tiempo. Es
importante que la materia de estructuras de acero se desarrolle en
una forma ms integral y completa, con el fin de mejorar la calidad
de los egresados de la Universidad y al mismo tiempo se tenga mayor
fundamento, para abordar el rea de las estructuras de acero, en
cuanto al material bibliogrfico y software reciente que permitan
realizar un diseo seguro, funcional y factible.
- 32. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 32 1.3 Justificacin. A
medida que la ciencia avanza, los materiales y los procesos
constructivos tambin lo hacen. Actualmente en nuestro pas tambin
est incrementando el uso de estructuras con perfiles de acero para
la construccin de edificios, puentes, entre otros; esto implica que
tambin incrementa la demanda de diseos estructurales. Para
garantizar estos requisitos es necesario el uso de normas o cdigos
de diseo, informacin tcnica especializada, mtodos de anlisis, diseo
y herramientas computacionales actualizadas, etc. En la actualidad,
uno de los objetivos para todo ingeniero o diseador estructurista
es estar a la vanguardia en el diseo de estructuras de acero, de
manera que explorar e investigar sobre este tipo de procesos y
materiales vendra a proporcionar un diseo de estructuras ms
seguras, funcionales y factibles para la sociedad en general. El
resultado de esta investigacin se usara como fuente bibliogrfica en
el rea de estructuras de acero para la formacin de nuevos
profesionales en la ingeniera civl.
- 33. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 33 1.4 Objetivos.
Objetivo General: Disear elementos estructurales tpicos para un
edificio de estructuras de acero utilizando las normas del AISC
2005. Objetivos Especficos: Poner en prctica los procesos de diseo
estructural para edificios de acero, segn las Especificaciones para
Edificios de acero estructural, AISC 2005 (Specification for
Structural Steel Buildings, AISC 2005) Utilizar marcos de acero
como sistema estructural para el diseo del edificio. Disear
elementos de acero estructural tpicos tales como: vigas, columnas y
conexiones. Contribuir a mejorar el material bibliogrfico existente
en la Universidad de El Salvador en lo relativo al rea de
estructuras de acero.
- 34. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 34 1.5 Alcances.
Utilizacin de normas y bibliografa recientes. Se realizar un diseo
utilizando las especificaciones para edificios de acero estructural
del Instituto Americano de Construccin en Acero 2005 (Specification
for Strutural Steel Buildings, AISC 2005). Procesos de anlisis. El
anlisis de la estructura se realizar por medio de un software
especializado en el rea de anlisis y diseo estructural. Diseo
estructural de elementos tpicos en edificios. Se realizar una
investigacin bibliogrfica en cuanto a sistemas de estructuracin y
procedimientos de diseo de los diferentes elementos de un edificio,
de lo que se obtendr el sistema de estructuracin del edificio y los
procedimientos de diseo que se utilizarn para el mismo. Se disearn
elementos tales como: vigas, columnas, placas de apoyo, conexiones
de viga-columna, entre otros elementos estructurales.
- 35. CAPITULO I. Anteproyecto. Ing. Civil 35 1.6 Limitantes de
la Investigacin. Se disear la estructura de un edificio de tres
niveles con sistema estructural compuesto por marcos de acero
tridimensionales. El sistema de cubierta de techo para el edificio
ser losa de concreto reforzado. Como en El Salvador no existen
normas recientes de diseo para edificios de estructuras de acero,
se utilizarn las especificaciones de Diseo por Carga y Resistencias
Factoradas (Load and Resistance Factor Design, LRFD) del Instituto
Americano de Construccin en Acero (American Institute of Steel
Construction, AISC) del 2005, para edificios de acero. Se utilizar
software del tipo educacional para el anlisis de la estructura. Se
disearan nicamente elementos estructurales de Acero.
- 36. CAPITULO 2
- 37. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 37 2.1 Generalidades
del Acero. Uno de los materiales de fabricacin y construccin ms
verstil, ms adaptable y ms ampliamente usado es el acero. A un
precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la
posibilidad de ser trabajado, adems, sus propiedades pueden ser
manejadas de acuerdo a las necesidades especficas mediante
tratamientos con calor, trabajo mecnico o mediante aleaciones. El
Acero es bsicamente una aleacin o combinacin de hierro y carbono
(alrededor de 0.05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros
elementos de aleacin especficos tales como el Cr (Cromo) o Ni
(Nquel) se agregan con propsitos determinados. Ya que el acero es
bsicamente hierro altamente refinado (ms de un 98%), su fabricacin
comienza con la reduccin de hierro, el cual se convierte ms tarde
en acero. 2.2 Ventajas del acero como material estructural. . La
supuesta perfeccin de este metal, talvez el ms verstil de todos los
materiales estructurales parece ms razonable cuando se considera su
resistencia, poco peso, facilidad de fabricacin y otras propiedades
convenientes. Entre algunas ventajas podemos mencionar, alta
resistencia, uniformidad, elasticidad, durabilidad, ductilidad,
etc. 2.3 Clasificacin del acero. Los diferentes tipos de acero se
clasifican de acuerdo a los elementos de aleacin que producen
distintos efectos en el Acero. Aceros al carbono. Ms del 90% de
todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen
diversas cantidades de carbono y menos del 1.65% de manganeso, el
0.60% de silicio y el 0.60% de cobre. Entre los productos
fabricados con
- 38. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 38 aceros al carbono
figuran mquinas, carroceras de automvil, la mayor parte de las
estructuras de construccin de acero, cascos de buques, etc. Aceros
aleados. Estos aceros contienen una proporcin determinada de
vanadio, molibdeno y otros elementos, adems de cantidades mayores
de manganeso, silicio y cobre, que los aceros al carbono normales.
Estos aceros de aleacin se pueden clasificar en: Estructurales. Son
aquellos aceros que se emplean para diversas partes de mquinas,
tales como engranajes, ejes y palancas. Adems se utilizan en las
estructuras de edificios, construccin de chasis de automviles,
puentes, barcos. Para Herramientas. Aceros de alta calidad que se
emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales.
Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir
herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y
machos de roscar. Especiales Los aceros de aleacin especiales son
los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo
generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta
resistencia a las altas temperaturas y a la corrosin, se emplean en
turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos. Aceros de baja
aleacin ultra resistentes. Esta familia es la ms reciente de las
cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleacin son ms
baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen
cantidades menores de los costosos elementos de aleacin. Sin
embargo, reciben un tratamiento especial que les da
- 39. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 39 una resistencia
mucho mayor que la del acero al carbono. En la actualidad se
construyen muchos edificios con estructuras de acero de baja
aleacin, las vigas pueden ser ms delgadas sin disminuir su
resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.
Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables contienen cromo, nquel y
otros elementos de aleacin, que los mantienen brillantes y
resistentes a la herrumbre y oxidacin a pesar de la accin de la
humedad o de cidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables
son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa
resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido
a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas
veces con fines decorativos. 2.4 Tipos de Perfiles Americanos. En
apenas cinco aos, el acero del ASTM A992 de 50 KSI se ha convertido
en la especificacin dominante para las formas W, desplazando
slidamente los de ASTM A36. De hecho, ASTM A992 se fabrica tan
comnmente que ahora cuesta menos que el de ASTM A36. Tipos de
perfiles. W Perfiles de alas paralelas S Perfiles I de alas
inclinadas HP Perfiles H de alas anchas y caras paralelas para
pilares C Perfiles U estndar de alas inclinadas MC Perfiles U de
alas inclinadas L Perfiles angulares de lados iguales Figura 2-1.
Tipos de perfiles
- 40. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 40 2.5 Sistemas
Estructurales. 2.5.1 Sistemas Estructurales Bsicos Se define como
estructura a los cuerpos capaces de resistir cargas sin que exista
una deformacin excesiva de una de las partes con respecto a otra.
Por ello la funcin de una estructura consiste en trasmitir las
fuerzas de un punto a otro en el espacio, resistiendo su aplicacin
sin perder la estabilidad. La anterior definicin genera diferentes
tpicos tales como: fuerza, momento de una fuerza, esfuerzo,
deformacin etc., que buscan cumplir con la premisa expuesta
anteriormente. 2.5.2 Clasificacin de Sistemas Estructurales. 1.
Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a traccin o
compresin simples, tales como los cables y arcos. 2. Sistemas de
Vector Activo: Estructuras en estados simultneos de esfuerzos de
traccin y compresin, tales como las cerchas planas y espaciales. 3.
Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexin, tales
como las vigas, columnas y marcos. 4. Sistemas de Superficie
Activa: Estructuras en estado de tensin superficial, tales como las
placas, membranas y cpulas. 1. Sistemas de Forma Activa. Cables:
Los cables son estructuras flexibles debido a la pequea seccin
transversal en relacin con la longitud. Esta flexibilidad indica
una limitada resistencia a la flexin, por lo que la carga se
transforma en traccin y tambin hace que el cable cambie su forma
segn la carga que se aplique. Arcos: Si se invierte la forma
parablica que toma un cable, sobre el cual actan cargas
uniformemente distribuidas segn una horizontal, se obtiene la forma
ideal de un arco que sometido a ese tipo de carga desarrolla slo
fuerzas
- 41. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 41 de compresin. El
arco es en esencia una estructura de compresin utilizado para
cubrir grandes luces. Foto 2-1. Estructuras usando arcos. Puente
sobre el Ro Ebro (Logroo), 140 mts de Luz. 2. Sistemas de Vector
Activo. Sistema de armaduras: Una estructura de elementos lineales
conectados mediante juntas o nudos se puede estabilizar de manera
independiente por medio de tirantes o paneles con relleno rgido.
Para ser estables internamente o por si misma debe cumplir con las
siguientes condiciones: Uso de juntas rgidas Estabilizar una
estructura lineal: Por medio de arreglos de los miembros en
patrones rectangulares coplanares o tetraedros espaciales, a este
se le llama celosa. Cuando el elemento estructural producido es una
unidad para claro plano o voladizo en un plano, se llama armadura.
Un elemento completo tiene otra clasificacin: arco o torre de
celosa. Tipos de armaduras. Las formas perimetrales de la mayora de
las armaduras planas son triangulares, rectangulares, arqueadas o
lenticulares. Estas formas perimetrales estn invariablemente
descompuestas en unidades
- 42. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 42 triangulares ms
pequeas. Todos los elementos no tienen continuidad en las juntas y
todas las juntas se comportan como si estuvieran articuladas. Foto
2-2. Parqueo con armadura en su estructura de techo. 3. Sistemas de
Masa Activa Vigas: Las vigas figuran entre los elementos
estructurales ms comunes, dado que la mayor parte de las cargas son
verticales y la mayora de las superficies utilizables son
horizontales. Por consiguiente las vigas transmiten en direccin
horizontal las cargas verticales, lo que implica una accin de
flexin y corte. En una viga simplemente apoyada, una carga aplicada
en el punto medio se transmite por mitades a ambos apoyos. En las
vigas en voladizo esta se trasmite al extremo apoyado. Las mximas
luces que se pueden conseguir en vigas varan segn el material y la
forma de la seccin transversal. Marcos: El Marco rgido simple, se
comporta de manera monoltica y es ms resistente tanto a las cargas
verticales como a las horizontales. A medida que aumentan el ancho
y la altura del edificio, resulta prctico aumentar el nmero de
naves, reduciendo as la luz de las vigas y absorbiendo las cargas
horizontales de manera ms econmica. La estructura resistente del
edificio se convierte de este modo en un prtico con una serie de
mallas
- 43. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 43 rectangulares que
permiten la libre circulacin en el interior, y es capaz de resistir
tanto cargas horizontales como verticales. Una serie de estos
marcos, paralelos entre s y unidos por vigas horizontales,
constituye la estructura tipo jaula que encontramos hoy en la
mayora de los edificios de acero o de concreto armado. Estos
prticos tridimensionales actan integralmente contra cargas
horizontales de cualquier direccin, pues sus columnas pueden
considerarse como parte de uno u otro de dos sistemas de prticos
perpendiculares entre s. Foto 2-3. Construccin con marcos
tridimensionales Bajo la accin de cargas verticales, los tres
elementos de un prtico simple se hallan sometidos a esfuerzos de
compresin y flexin. Con las proporciones usuales de vigas y
columnas, la compresin predomina en las ltimas y la flexin en las
primeras.
- 44. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 44 Foto 2-4. Nave
industrial Tipos de marcos. Marcos Arriostrados: El sistema de
arriostramiento de una estructura de varios niveles deber ser
adecuado para: Evitar el pandeo de las estructuras bajo cargas
verticales. Conservar la estabilidad lateral de la estructura
incluyendo los efectos P-D bajo cargas verticales y horizontales de
diseo. Si el edificio tiene muros de cortante ligados a los marcos
por medio de losas de concreto u otros sistemas de piso de rigidez
suficiente, los muros se considerarn como parte del sistema
vertical del arriostramiento. Al analizar el pandeo y la
estabilidad lateral de la estructura puede considerarse a las
columnas, vigas y diagonales de los marcos arriostrados como una
armadura vertical en voladizo (en uniones articuladas) y deben
considerarse sus deformaciones axiales.
- 45. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 45 Figura 2-2. Marcos
Contraventeados. Las fuerzas axiales de todos los miembros de los
marcos contraventeados producidos por las fuerzas verticales y
horizontales de diseo (Pi) deben cumplir: P < 0.85 Py (Ecuacin
2-1) Donde: Py = At Fy (Ecuacin 2-2) Las vigas incluidas en el
sistema vertical de contraventeos se deben disear a flexocompresin
considerando las fuerzas axiales debido a cargas laterales. Marcos
no Arriostrados: Las resistencias de marcos que pertenecen a
edificios sin Arriostramiento ni muros de cortante deben
determinarse con un ngulo que incluye el efecto de los
desplazamientos laterales y de las deformaciones axiales de
columnas. Dichos marcos deben ser estables bajo la combinacin de
cargas laterales y verticales. Las fuerzas axiales en columnas
debern limitarse a 0.75 Py. 4. Sistemas de Superficie Activa
Placas: Los sistemas de entramado son particularmente eficientes
para transferir cargas concentradas y para lograr que toda la
estructura participe en
- 46. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 46 la accin portante.
Esta eficiencia se refleja no slo en la mejor distribucin de las
cargas sobre los apoyos, sino en la menor relacin espesor a luz de
los entramados rectangulares. La relacin espesor a luz en los
sistemas de vigas paralelas empleados en la construccin corriente
vara entre [1/10, 1/24], segn el material de las vigas. En el
proyecto moderno de edificios de oficinas, es comn apoyar las
placas de piso sobre una pared exterior o sobre una serie de
columnas y en el ncleo interno, dentro del cual se disponen los
ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del
sistema mecnico, elctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una
zona de piso totalmente libre. Membranas: Una membrana es una hoja
de material tan delgada que para todo fin prctico, puede
desarrollar solamente traccin. Algunos ejemplos de membrana
constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas
deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por
pretensin producido por fuerzas externas o presin interna. El
pretensado permite que una membrana cargada desarrolle tensiones de
compresin hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de
traccin incorporadas a ellas.
- 47. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 47 2.5.3 Sistemas
Estructurales Segn la NTDS, 1994 El Salvador. Tabla 2-1. Sistemas
Estructurales Segn la NTDS, 1994 El Salvador. En la Norma Tcnica
para Diseo por Sismo de El Salvador (N.T.D.S., 1994), se definen
cinco Sistemas Estructurales y asigna un valor R, Cd y H a cada
sistema estructural. Donde. R: Factor de Modificacin de Respuesta
Cd: Amplificacin de Desplazamiento H: Lmite de altura
- 48. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 48 2.6 Mtodos de
Diseo. 2.6.1 Mtodo de Diseo por Factores de Carga y Resistencia
(LRFD). El diseo con factores de carga y resistencia se basa en los
conceptos de estados lmite. El trmino de estado lmite se utiliza
para describir una condicin en la que una estructura o parte de
ella deja de cumplir su funcin predeterminada. Existen dos tipos de
estado lmite: los de resistencia y los de servicio. Los primeros se
basan en la seguridad o capacidad de carga de las estructuras e
incluyen resistencias plsticas, de pandeo, de fractura, de fatiga,
de volteo, etc. Los segundos se refieren al comportamiento de las
estructuras bajo cargas normales de servicio y tiene que ver con
aspectos asociados con el uso y ocupacin, tales como flechas
excesivas, deslizamientos, vibraciones, etc. Figura 2-3. Curvas
esfuerzo deformacin para diferentes tipos de acero. La estructura
no solo debe ser capaz de resistir las cargas de diseo sino tambin
las de servicio en forma tal, que se cumplan los requisitos de los
usuarios de ella.
- 49. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 49 Las
especificaciones del LRFD se concentran en requisitos muy
especficos relativos a los estados lmite de resistencia y permiten
cierta libertad en el rea de servicio. En este mtodo, las cargas de
trabajo o servicio, Qi, se multiplican por factores de carga o de
seguridad, i, que son casi siempre mayores de 1 y se obtienen las
cargas ltimas o factorizadas. La estructura se proporciona para que
tenga una resistencia ltima de diseo suficiente para soportar las
cargas factorizadas. Esta resistencia se considera igual a la
resistencia terica o nominal, Rn, del miembro estructural,
multiplicada por un factor de resistencia , que es normalmente
menor que 1. Con este factor, se intenta tomar en cuenta las
incertidumbres relativas a resistencia de los materiales,
dimensiones y mano de obra, etc. Para un miembro particular se debe
cumplir que: nii RQ (Ecuacin 2-3) Factores de Carga El propsito de
los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en
cuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de
las cargas vivas, muertas y accidentales durante la vida til de la
estructura. El AISC-LRFD tiene las siguientes combinaciones de
carga: U representa la carga ltima; D son las cargas muertas; L son
las cargas vivas; Lr son las cargas vivas en techos; S son las
cargas de nieve; R son las cargas por lluvia, granizo o hielo, sin
incluir el encharcamiento; W son las cargas de viento y E son las
cargas ssmicas. a) U = 1.4D b) U = 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R) Si
se consideran las fuerzas de viento o sismo: c) U = 1.2D + 1.6 (Lr
o s o R) + (0.5L o 0.8W) d) U = 1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5 (Lr o s o
R) e) U = 1.2D + 1.5E + (0.5L o 0.2S)
- 50. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 50 Para considerar el
posible efecto de volteo: f) U = 0.9D (1.3W o 1.5E) Factores de
Resistencia Para estimar con precisin la resistencia ltima de una
estructura, es necesario tomar en cuenta las incertidumbres que se
tiene en la resistencia de los materiales, en las dimensiones, en
la mano de obra, etc. Algunas de las incertidumbres que afectan a
estos factores son: a) La resistencia de los materiales puede
variar inicialmente en forma considerable respecto a los valores
supuestos y la variacin ser mayor con el paso del tiempo debido al
flujo plstico, a la corrosin y a la fatiga. b) Los mtodos de
anlisis estn sujetos con frecuencia a errores apreciables o no se
tiene un criterio definido para la estructuracin. c) Los fenmenos
naturales como sismos, huracanes, tornados, etc., causan
condiciones difciles de predecir. d) Las incertidumbres durante el
proceso constructivo as como el maltrato que puedan recibir las
estructuras durante la fabricacin y montaje. Las cargas
constructivas pocas veces consideradas en los anlisis de cargas,
etc. e) Las cargas muertas de una estructura pueden estimarse con
bastante exactitud, pero no as las cargas vivas. f) Otras
incertidumbres son la presencia de esfuerzos residuales y
concentraciones de esfuerzos, variaciones en las dimensiones de las
secciones, etc.
- 51. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 51 Tabla 2-2.
Factores de Resistencia Caracterstico 2.6.2 Comparacin de los
Mtodos de Diseo por esfuerzo permisible (ASD) y por carga ltima
(LRFD). Existen dos enfoques hacia el diseo estructural. El
primero, que es el ms convencional, se basa en el concepto del
esfuerzo permisible y en el comportamiento elstico, y el segundo,
que parece ser ms racional y esta siendo gradualmente aceptado, se
basa en el diseo plstico y en la carga ultima. La carga permisible
es una fraccin de la resistencia ltima del miembro, determinada
sobre la base de un valor lmite del esfuerzo mximo, llamado
esfuerzo permisible; los esfuerzos permisibles estn definidos
generalmente en el cdigo aplicable a cada estructura en particular.
La magnitud del esfuerzo permisible es una fraccin del esfuerzo de
fluencia y la relacin fafy / se llama a menudo factor de seguridad;
este concepto de seguridad se basa en la suposicin de que la
iniciacin del flujo plstico marca el lmite de utilidad de la
estructura y que, para obtener una seguridad adecuada, la carga
permisible FACTORES DE RESISTENCIA CARACTERSTICOS Situaciones
Factores de Resistencia Aplastamiento en reas proyectantes,
fluencia del alma bajo cargas concentradas, cortante en tornillos
en juntas tipo friccin. 1.00 Vigas sometidas a flexin, filete de
soldadura con esfuerzos paralelos al eje de soldadura, soldadura de
ranura en el metal base. 0.90 Columnas, aplastamiento del alma,
distancias al borde y capacidad de aplastamiento en agujeros. 0.85
Cortante en el rea efectiva de soldadura de ranura con penetracin
completa, tensin normal al rea efectiva de soldadura de ranura con
penetracin parcial. 0.80 Tornillos a tensin, soldaduras de tapn o
muescas, fractura en la seccin neta de miembros a tensin. 0.75
Aplastamiento en tornillos (que no sean del tipo A307) 0.65
Aplastamiento en tornillos A307, aplastamiento en cimentaciones de
hormign. 0.60
- 52. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 52 debe ser igual o
mayor que la carga de diseo calculada. La carga de diseo del
miembro, correspondiente a las condiciones existentes bajo cargas
de servicio, se calcula usando la teora elstica. Este mtodo de
diseo, basado en cargas de servicio, comportamiento elstico y
esfuerzos permisibles, es ampliamente aceptado porque se desarrollo
como parte integral del anlisis racional de esfuerzos y tiene tras
de si la autoridad de la experiencia y la tradicin. En las
especificaciones se han incluido muchas reglas empricas para
hacerlo practico. La principal desventaja de este mtodo es que no
suministra una capacidad uniforme de sobre carga para todas las
partes y tipos de estructuras. Considrese una viga que soporta una
carga dw y una carga viva de diseo lw . La viga esta proporcionada
de tal manera que, al estar sujeta a la carga ( )ld ww + , se
comporta elsticamente y, debido al momento flexionante mximo aM ,
aparece en ella un esfuerzo mximo SMa / precisamente igual al
esfuerzo permisible af , por tanto: ( ) 2 xLwwqM lda += y S M f a a
= (Ecuacin 2-4; 2-5) donde q es un coeficiente numrico que define
el momento flexionante mximo en la viga, basado en el anlisis
elstico. La capacidad de sobrecarga de la viga queda definida por
la magnitud de carga viva que es capaz de soportar hasta el colapso
plstico. El momento plstico mximo que puede soportar es SkfM yp = y
la carga viva correspondiente a la condicin de colapso es lc mww =
. La capacidad de sobrecarga se mide en trminos del factor m.
Debido a la redistribucin plstica de momentos en la viga, ( ) 2
LmwwrqM ldp += de modo que la relacin ap MM / puede expresarse como
sigue:
- 53. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 53 Sf Skf M M a y a p
= (Ecuacin 2-6) ( ) ld ld a p ww mwwr M M + + = (Ecuacin 2-7) El
valor de m, deducido de las ecuaciones anteriores, es l d l d a y w
w w w rf kf m += 1 (Ecuacin 2-8) Se ve que, para un valor constante
de af , la capacidad de sobrecarga m varia con el factor de forma
k, con la relacin de esfuerzo de fluencia al permisible, ay ff / ,
con el factor de redistribucin r y con la relacin de carga muerta a
carga viva, ld ww / La amplia variacin en las capacidades de
sobrecarga indica la limitacin implcita en el uso de un valor
constante del esfuerzo permisible af . Por ejemplo, al nivel usual
de )/( ay ff = 1.65, y para una viga tpica de seccin I, m puede
variar desde 2.21 (viga libremente apoyada con carga muerta
relativamente baja) hasta 7.12 (viga doblemente empotrada con carga
muerta relativamente alta) Si se desea una capacidad constante de
sobrecarga m , debe usarse un esfuerzo permisible variable af , que
puede obtenerse as: ( ) ( )ld ld ya wwmr wwk ff / /1 + + = (Ecuacin
2-9) En varias especificaciones se propone el empleo de diversos
valores de esfuerzos permisibles para diferentes condiciones de
carga. Por ejemplo, el AISC permite el aumento de 20% en el
esfuerzo permisible de flexin para momentos negativos en apoyos
interiores de vigas continuas de seccin compacta, y un aumento de
33.3% en miembros sujetos solamente a esfuerzos causados por el
viento, o por una combinacin de viento y otras cargas. Estos
procedimientos no toman en cuenta, sin embargo, todos los factores
que
- 54. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 54 afectan a af , y
no dan necesariamente una capacidad uniforme de sobrecarga m . Por
tanto, los diseos basados en el mtodo de esfuerzos permisibles,
aunque usualmente seguros, no son siempre uniformemente econmicos.
l d l d a y w w w w rf kf m += 1 (Ecuacin 2-10) El procedimiento de
diseo plstico difiere del mtodo convencional de esfuerzos
permisibles en tres aspectos importantes: (a) Se usan cargas ltimas
en vez de cargas de servicio, (b) Las fuerzas y momentos en los
miembros sometidos a cargas ltimas se determinan sobre una base ms
realista, que incluye la accin inelstica, y (c) Los miembros se
proporcionan de manera tal que su resistencia ltima exceda, o
cuando menos iguale, a las fuerzas y momentos producidos por las
cargas ltimas. Para determinar las cargas ltimas se consideran las
cargas vivas y muertas por separado, y se incrementa cada una de
ellas segn un factor distinto, para tomar en cuenta las condiciones
de servicio ms severas. Las cargas muertas, estimadas por medio de
un diseo preliminar, no cambiaran probablemente durante la vida de
la estructura; el factor de carga muerta debe tener en cuenta
solamente, desviaciones menores sobre el valor estimado, debidas a
variaciones en la densidad de los materiales, las dimensiones de
los elementos estructurales, en la naturaleza aproximada de la
distribucin supuesta en el anlisis, y a algunas posibles
ampliaciones futuras. Una variacin de 20% en el valor estimado de
las cargas muertas es suficiente, en general, para tomar en cuenta
esas posibilidades. Las cargas vivas, por otro lado, estn sujetas a
variaciones considerables; un aumento futuro, tal como un cambio en
la naturaleza y densidad del trnsito sobre un puente, o un cambio
del tipo de ocupacin o de equipo en un edificio, puede
incrementarlas de manera apreciable. En algunos casos, pueden
incluirse en el factor de carga viva efectos dinmicos o de impacto;
sin embargo, cuando estos efectos son de importancia principal,
como en los soportes para un ascensor o para maquinaria
- 55. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 55 vibratoria pesada,
deben ser objeto de una evaluacin especial. Aunque no es necesario
que el factor de carga viva tome en cuenta todas las condiciones
posibles, si debe considerar los sistemas de carga raros pero
probables, a los cuales no debe permitrseles que destruyan la
utilidad de la estructura. Generalmente se considera un factor de
carga viva comprendido entre 1.5 y 2.0 como mnimo, en lo que se
refiere al incremento de carga en si; se especifica un valor ms
alto para tomar en cuenta otras incertidumbres. Otras cargas, tales
como viento y sismo, deben estimarse tambin, e incrementarse por
medio de un factor de carga adecuado, para ser utilizados en diseo
ltimo. Pueden considerarse como crticas varias combinaciones de
condiciones de carga; por ejemplo, las Reglas AISC para el Diseo
Plstico de Edificios especifican que las cargas ltimas mnimas deben
ser 1.70 veces la suma de las cargas viva y muerta, para vigas
simples y continuas, 1.85 veces la carga viva mas la muerta para
marcos continuos, y 1.40 veces la suma de las cargas viva, muerta y
de viento o de sismo, para cualquiera de los dos tipos de
estructuras anteriores. El concepto de que la distribucin de las
cargas en estructuras estticamente indeterminadas esta basado en la
capacidad de carga mxima de los miembros, es bsico para la filosofa
del diseo por carga ltima. Esto implica que los miembros y
conexiones deben disearse, y su capacidad mxima de carga debe
determinarse, antes de que quede definida la distribucin de carga
ltima. Despus de que se ha verificado la seguridad de los miembros
contra la falla bajo cargas ltimas, deben revisarse para determinar
su funcionamiento bajo las cargas de servicio. Esto incluye
consideraciones de deformaciones, fatiga, respuesta dinmica,
fluencia inicial local y otras caractersticas estructurales que
puedan tener influencia en el comportamiento funcional. Por
ejemplo, con una relacin grande de carga muerta a carga viva y un
factor pequeo de carga viva, el diseo puede quedar controlado por
la limitacin
- 56. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 56 convencional de
evitar el flujo plstico bajo condiciones normales de carga viva mas
carga muerta, en vez de que rija la capacidad ltima. Deben
considerarse tambin los cambios de temperatura y los asentamientos
de los apoyos en el grado en que afecten a los esfuerzos y
deformaciones. Aunque el diseo plstico es un mtodo racional que
tiene en cuenta el comportamiento inelstico de la estructura, no
reemplazar a los dems mtodos de anlisis y diseo. El mtodo tiene
muchas ventajas que animan a usarlo, pero tiene tambin algunas
limitaciones. Entre las ventajas se cuenta: (a) posibilidad de
determinar la capacidad de sobrecarga bajo condiciones de carga
sencillas, (b) uso eficiente del material, (c) simplicidad de los
clculos del anlisis plstico para estructuras reticulares sencillas,
y (d) diseo de detalles ms econmicos que reflejen el comportamiento
plstico. 2.7 Elementos estructurales. 2.7.1 Miembros a tensin.
2.7.1.1 Anlisis de miembros en tensin. Es comn encontrar miembros
sujetos a tensin en puentes, armaduras de techos, torres, sistemas
de arriostramiento de miembros usados como tirantes. Los miembros a
tensin son uno de los problemas ms sencillos; que se encuentran en
el diseo de estructuras. Como no existe el problema de pandeo, el
diseador slo necesita calcular la fuerza factorizada que debe tomar
el miembro y dividirla entre un esfuerzo de diseo para determinar
el rea de la seccin transversal efectiva necesaria. Luego se debe
seleccionar una seccin de acero que satisfaga esta rea. Los
miembros a tensin de armaduras para techos pueden consistir en
ngulos simples tan pequeos como el de 2 x 2 x pulg para miembros
menores. Un miembro ms satisfactorio se construye a base de dos
ngulos, espalda con espalda, con separacin suficiente entre ellos
para permitir la
- 57. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 57 insercin de placas
de conexin. Cuando las secciones se disponen espalda con espalda,
deben conectarse cada 4 0 5 pies para prevenir vibracin,
especialmente en armaduras de puentes. Probablemente los ngulos
simples y los dobles son los tipos ms comunes que se usan en
miembros a tensin. Las estructuras T resultan muy satisfactorias
como cuerdas de armaduras soldadas porque los miembros de la celosa
se pueden conectar fcilmente a ellas. Los miembros a tensin en
puentes y armaduras de grandes techos pueden consistir en canales,
secciones W, S o en secciones armadas a base de ngulos, canales y
placas. Los canales simples se usan con frecuencia, ya que tienen
poca excentricidad y son fciles de conectar. Aunque con el mismo
peso, por unidad de longitud las secciones W son ms rgidas que las
secciones S, pero tienen la desventaja, desde el punto de vista de
su conexin, de variar en sus peraltes. Aunque los perfiles
estructurales simples son un poco ms econmicos que las secciones
armadas, stas se usan ocasionalmente cuando el diseador no obtiene
suficiente rea o rigidez con las formas simples. Cuando se usen
secciones armadas es importante recordar que se tendrn que realizar
conexiones de campo y aplicar una o varias capas de pintura; por
ello se debe disponer de suficiente espacio para poder efectuar
estas operaciones. Los miembros individuales muy largos tales como
los perfiles angulares pueden resultar de difcil manejo debido a su
alta flexibilidad, pero cuando se unen cuatro ngulos tornando un
solo miembro como se muestra en la figura 2-4, este adquiere
considerable rigidez.
- 58. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 58 Figura. 2-4. Tipos
de Miembros a Tensin. Ninguna de las placas de unin intermitentes
se considera que incrementa el rea efectiva de las secciones. Como
tericamente stas no toman porciones de la fuerza actuante en las
secciones principales, sus tamaos quedan regidos generalmente por
las especificaciones y a veces por el buen juicio del diseador. Las
cubreplacas perforadas son una excepcin, pues parte de sus reas
pueden considerarse efectivas para resistir la carga axial. En la
figura 2-4 se muestran algunos tipos de miembros a tensin de uso
general. En esta figura las lneas interrumpidas representan las
placas de unin intermitentes a las barras usadas para conectar los
perfiles. Los cables de acero se fabrican con alambres especiales
de acero aleado que se extruyen en fro con el dimetro deseado. La
resistencia de los alambres resultantes, que vara entre 200.000psi
y 250.000psi, se puede usar econmicamente en puentes colgantes,
techos suspendidos, funiculares y en aplicaciones similares.
Normalmente para seleccionar un cable el diseador usa el manual del
fabricante; mediante ste determina el tamao necesario del cable as
como el esfuerzo de fluencia del acero. Tambin se pueden
seleccionar ah las abrazaderas y otros dispositivos conectores para
los extremos del cable.
- 59. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 59 2.7.1.2 Diseo por
resistencia de miembros a tensin. Un miembro dctil de acero, sin
agujeros y sometido a una carga de tensin puede resistir, sin
fracturarse, una carga mayor que la correspondiente al producto del
rea de su seccin transversal y del esfuerzo de fluencia del acero,
gracias al endurecimiento por deformacin. Sin embargo, un miembro a
tensin cargado hasta el endurecimiento, se alargar
considerablemente y restar utilidad a ste, pudiendo adems causar la
falla del sistema estructural del que forma parte el miembro. Por
otra parte, si tenemos un miembro a tensin con agujeros para
tornillos, ste puede fallar por fractura en la seccin neta que pasa
por los agujeros. Esta carga de falla puede ser ms pequea que la
carga requerida para plastificar la seccin bruta alejada de los
agujeros. Se debe tener en cuenta que la parte del miembro que
tiene un rea transversal reducida por los agujeros, es muy corta
comparada con su longitud total. Aunque la condicin de
endurecimiento por deformacin se alcanza rpidamente en la porcin de
rea neta del miembro, la plastificacin en esa zona no es realmente
un estado lmite de importancia, ya que el cambio total en la
longitud del miembro, debido a esa plastificacin en una parte tan
corta, puede ser insignificante. La especificacin LRFD (D1) estipul
que la resistencia de diseo de un miembro a tensin, nt P ser la ms
pequea de los valores obtenidos con las dos expresiones siguientes:
Para el estado limite de fluencia en la seccin bruta (con la idea
de prevenir alargamiento excesivo del miembro). gyn AFP = (Ecuacin
D1-1 del LRFD) conAFP gytu = 90.0=t eun AFP = (Ecuacin D1-2 del
LRFD) conAFP eytu = 75.0=t
- 60. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 60 En la expresin
anterior Fu es el esfuerzo de tensin mnimo especificado y Ag es el
rea neta efectiva que se supone resiste la tensin en la seccin a
travs de los agujeros. Esta rea puede ser algo ms pequea que el rea
neta real, An debido a las concentraciones de esfuerzo y a otros
factores. 2.7.1.3 reas netas. La presencia de un agujero en un
miembro sujeto a tensin incrementa los esfuerzos, an si el agujero
est ocupado por un tornillo. (Cuando se usan tornillos de alta
resistencia puede haber algn desacuerdo respecto a esto, bajo
ciertas circunstancias). Se tiene menos rea de acero sobre la que
puede distribuirse la carga y habr concentracin de esfuerzos a lo
largo del borde del agujero. Bajo carga ltima es razonable suponer
una distribucin uniforme de los esfuerzos. La importancia de la
ductilidad en la resistencia de miembros a tensin atornillados o
remachados se ha demostrado claramente en ensayos. Los miembros a
tensin (con agujeros para tornillos) fabricados de acero dctil han
resultado entre 1/5 y 1/6 ms resistentes que miembros similares,
hechos de aceros frgiles con las mismas resistencias ltimas. Ya
hemos visto que el acero pierde su ductilidad y se vuelve
susceptible a una fractura frgil. Tal condicin puede ser creada por
cargas que induzcan fatiga y por temperaturas muy bajas. Este
anlisis inicial es aplicable solamente a miembros a tensin
sometidos a cargas prcticamente estticas. Si es necesario disear
estos miembros por cargas de fatiga, deber ponerse especial cuidado
en minimizar las fuentes de concentracin de esfuerzos, tales como
los cambios bruscos de seccin transversal, esquinas salientes, etc.
El trmino rea neta de la seccin transversal o simplemente rea neta
se refiere al rea bruta de la seccin transversal menos la de
ranuras, muescas y agujeros. Al considerar el rea de stos; por lo
general es necesario restar un
- 61. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 61 rea un poco mayor
que la nominal del agujero. Por ejemplo, en la fabricacin de
estructuras de acero para conectarse con tornillos, los agujeros se
hacen con un dimetro 1/16 pulg mayor que el correspondiente al
tornillo o remache. Adems, se considera que el punzonado del
agujero daa o aun destruye, 1/6 pulg (1.6 mm) ms del metal
circundante; por tanto, el rea de los agujeros que se resta
corresponde a un dimetro 1/8 pulg (3 mm) mayor que el dimetro
nominal del conector. El rea que se resta por agujeros es
rectangular e igual al producto del dimetro del agujero por el
espesor del metal. (Si los agujeros deben ser ranurados, la prctica
usual es agregar 1/16 pulg en el ancho real de los agujeros.) Las
placas con espesores mayores que el dimetro del conector, son
difciles de punzonar a la medida requerida sin que se presente una
deformacin excesiva del material circundante. Estos agujeros deben
prebarrenarse a dimetros ligeramente menores en 3/16 pulg que los
especificados, y luego, cuando las piezas estn ya ensambladas,
rimarse al dimetro justo. Con este proceso se daa poco el material
y, como los agujeros resultantes son lisos y de paredes uniformes,
no se considera necesario restar un 3/16 pulg por dao a los lados.
Algunas veces, cuando deben conectarse piezas de gran espesor, los
agujeros se taladran al dimetro del conector, ms 1/32 pulg; este
proceso resulta muy costoso y debe evitarse siempre que sea
posible. Puede resultar necesario adoptar una mayor tolerancia
dimensional durante los montajes para tornillos de alta resistencia
con dimetros mayores de 8 pulg. Para esta situacin pueden usarse
agujeros mayores que los estndares sin reducir la eficiencia de la
conexin. Estos agujeros pueden ser ovalados. Las lneas de accin de
los miembros de armaduras que llegan a una junta se consideran
concurrentes. Si no concurren se tendrn excentricidades y aparecern
esfuerzos secundarios. Se supone que los ejes de gravedad de
los
- 62. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 62 miembros coinciden
con las lneas de accin de sus fuerzas respectivas. En un miembro
simtrico no existe problema, ya que su eje de simetra coincide con
su eje de gravedad, pero en miembros no simtricos el problema es un
poco ms difcil. Para estos miembros, la lnea de centro no coincide
con el eje de gravedad, pero la prctica comn es colocar dichos
miembros en la junta de manera que los ejes de las hileras de
conectores (lneas de gramil) concurran. Si un miembro tiene ms de
una lnea de gramil se utiliza para detallar la ms cercana al eje de
gravedad de la pieza. La figura 2-5 muestra el nudo de una armadura
en la que coinciden los centros de gravedad. Figura. 2-5. Alineacin
de los centros de gravedad de miembros. 2.7.1.4 reas netas
efectivas. Si un miembro que no sea una barra o una placa plana se
somete a tensin axial hasta que ocurre la falla en su seccin neta,
el esfuerzo real de falla a tensin probablemente ser menor que el
obtenido en una probeta, a menos que las diversas partes que
conforman la seccin estn conectadas de manera que el esfuerzo se
transmita uniformemente a travs de la seccin. Si las fuerzas no son
transferidas uniformemente a travs de la seccin transversal de un
miembro, habr una regin de transicin de esfuerzo no uniforme que
ira de la conexin al miembro a lo largo de cierta distancia. En la
conexin la mayor parte de la carga es soportada por el ala
conectada y se requiere la distancia de transicin mostrada en la
parte b) de la figura 2.6 para que el esfuerzo se reparta
uniformemente a travs de todo el ngulo.
- 63. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 63 En la regin de
transicin, el esfuerzo en la parte conectada del miembro puede
fcilmente exceder yF , y entrar al rango de endurecimiento por
deformacin. A menos que la carga sea reducida, el miembro podr
fracturarse prematuramente. Entre ms nos alejamos de la conexin, ms
uniforme se vuelve el esfuerzo. En la regin de transicin, el
esfuerzo cortante se ha "retrasado" y el fenmeno se conoce como
retraso del cortante. Figura 2-6. Retraso de cortante. Figura 2-7.
Reduccin del retraso de cortante, y por lo tanto de x , mediante la
reduccin de la longitud del ala no conectada. En una situacin as el
flujo del esfuerzo de tensin, entre la seccin transversal del
miembro principal y la del miembro ms pequeo conectado a l, no es
100% efectivo. Consecuentemente, las especificaciones LRFD (B3)
estipulan que el rea neta efectiva, Ae, de dicho miembro se
determine multiplicando su rea neta (si est atornillado o
remachado) o su rea total (si est soldado) por un factor de
reduccin U; este factor toma en cuenta de manera sencilla la
distribucin no uniforme del esfuerzo.
- 64. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 64 eA = AU (Ecuacin
B3 - 1 del LRFD) El ngulo mostrado en la figura 2-7 a) esta
conectado en sus extremos solo en uno de sus lados; se puede ver
que su rea efectiva para resistir tensin puede incrementarse
reduciendo el ancho del lado no conectado, y aumentando la del lado
conectado como se muestra en la figura 2-7 b). Algunos
investigadores han encontrado que una medida de la efectividad de
un miembro conectado por slo uno de sus lados, es la distancia x
entre el plano de la conexin y el centroide del rea de la seccin
total. Entre menor sea el valor de x mayor ser el rea efectiva del
miembro. La especificacin, de hecho reduce la longitud L de una
conexin con retraso del cortante a una longitud efectiva mas corta,
L'. El valor de U es entonces igual a L/L o 1 - x /L. En la figura
2-8 se muestra varios valores de x . Miembros atornillados. Si una
carga de tensin debe transmitirse por medio de tornillos, A es
igual al rea neta An del miembro y U se calcula como sigue: 9.01 =
L x U (Ecuacin B3-2 del LRFD) La longitud L usada en esta expresin
es igual a la distancia entre el primero y el ltimo tornillo en la
lnea. Cuando hay dos o ms lneas de pernos, es la longitud de la
lnea con el nmero mximo de tornillos.
- 65. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 65 Figura 2-8.
Valores de x para diferentes perfiles. Si los pernos estn a
tresbolillo, es la dimensin fuera-a-fuera los tornillos extremos.
Notar usted que entre ms larga se vuelve la conexin (L), ms grande
resultar U as como el rea efectiva del miembro. No hay datos
suficientes para el caso en que solo se usa un tomillo en cada
lnea. Se considera que un enfoque conservado; para este caso es
suponer que Ae = An del elemento conectado. Para calcular U para
una seccin W conectada slo por sus patines, supondremos que la
seccin est dividida en dos tes estructurales. El valor de x usado
ser entonces la distancia del borde exterior del patn al centro de
gravedad de la te estructural; como se muestra en la parte c) de la
figura 2-8 Las partes b) y c) de la figura C-B3.1 de los
comentarios LRFD ilustran los procedimientos recomendados para
calcular los valores x para canales y secciones I, cuando las
cargas son transferidas por medio de tornillos que pasan slo a
travs de las almas de los miembros.
- 66. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 66 Las
especificaciones LRFD permiten usar valores mayores de U que los
que se obtienen de la ecuacin si tales valores pueden justificarse
por pruebas u otros criterios racionales. 2.7.1.5 Bloque de
cortante. La resistencia de diseo de un miembro a tensin no siempre
est especificada por gyt AF o por eut AF o bien por la resistencia
de los tornillos o soldadura con que se conecta el miembro; sta
puede determinarse por la resistencia de su bloque de cortante. La
falla de un miembro puede ocurrir a lo largo de una trayectoria que
implique tensin en un plano y cortante en otro plano perpendicular;
en la figura 2-9 se muestran varias fallas posibles en el bloque de
cortante. Para esas situaciones es posible que un "bloque" de acero
se desgarre. Cuando una carga de tensin aplicada a una conexin
particular se incrementa, la resistencia a la fractura del plano ms
dbil estar prxima. Ese plano no fallar entonces porque est
restringido por el plano ms fuerte. La carga puede incrementarse
hasta que la resistencia a la fractura del plano ms fuerte se
alcance. Durante este tiempo, el plano ms dbil est fluyendo. La
resistencia total de la conexin es igual a la resistencia por
fractura del plano ms fuerte ms la resistencia por fluencia del
plano ms dbil. No es entonces razonable sumar la resistencia por
fractura de un plano a la resistencia por fractura del otro plano
para determinar la resistencia por cortante y tensin de un miembro
particular. Puede verse que la resistencia por cortante y tensin es
una situacin de desgarramiento o ruptura y no una situacin de
fluencia.
- 67. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 67 Figura 2-9.
Cortante y conexin combinadas. El miembro mostrado en la figura
2-10a) tiene un rea grande de cortante y un rea pequea a tensin y
su resistencia principal an a falta del bloque de cortante es el
cortante y no la tensin. Las especificaciones LRFD consideran que
es lgico suponer que cuando ocurre una fractura en esta zona con
alta capacidad de corte, la pequea rea a tensin ya ha fluido. La
parte b) de la figura 2-10 muestra un diagrama de cuerpo libre del
bloque que tiende a desgarrarse del ngulo en la parte a). Puede
verse que el efecto de desgarramiento es causado el aplastamiento
de los tornillos al apoyarse sobre la espalda de sus agujeros. En
la parte c) de la figura 2-10 se muestra un miembro que en lo que
respecta al desgarramiento tiene una gran rea de tensin y una
pequea rea de cortante. El LRFD Considera que para este caso la
principal fuerza resistente contra una falla por cortante y tensin
ser de tensin no de cortante. De esta
- 68. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 68 manera, una falla
por cortante y tensin puede ocurrir hasta que se fracture el rea a
tensin. En ese momento es suponer que el rea cortante ha fluido.
Figura 2-10. Cortante y tensin combinadas. Basada en el anlisis
precedente la especificacin LRFD (J4.3) que la resistencia de diseo
por bloque de cortante se determina, (1) Calculando la resistencia
por fractura a tensin en la seccin neta en una direccin, y sumando
a ese valor la resistencia de fluencia por cortante en el rea total
del segmento perpendicular y (2) Calculando la resistencia a la
fractura por cortante en el rea, total sujeta a tensin y sumando a
este valor la resistencia a la fluencia por tensin en el rea neta
del segmento perpendicular sujeto a cortante. Las pruebas muestran
que este procedimiento da buenos resultados; adems, es consistente
con los clculos previamente usados para miembros a tensin en los
que se emplean reas totales para el estado lmite de fluencia ( gyt
AF ) y reas netas para el estado lmite de fractura ( eyt AF ).
La
- 69. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 69 especificacin
(J4.3) del LRFD establece que la resistencia de diseo a la ruptura
por cortante y tensin debe determinarse de la manera siguiente: 1.
Si nvuntu AFAF 6.0 , tendremos fluencia por cortante y fractura por
tensin, por lo que debe usarse la ecuacin que sigue: [ ]ntugvyn
AFAFR += 6.0 (Ecuacin J4-3a del LRFD) 2. Si FuAntFuAnv >6.0 ,
tendremos fluencia por tensin y fractura por cortante, y se deber
entonces usar la ecuacin siguiente: [ ]gtynvun AFAFR += 6.0
(Ecuacin J4-3b del LRFD) En las expresiones: 75.0= =gvA rea total
sujeta a cortante =gtA rea total sujeta a tensin =nvA rea neta
sujeta a cortante =ntA rea neta sujeta a tensin En ocasiones se
presentan casos en los que no resulta muy claro que secciones deben
considerarse para el clculo del bloque de cortante. En tales
situaciones el diseador debe usar su buen juicio. Un caso as se
muestra en la figura 2-11 en la parte a) de la figura se supone
primero que el desgarramiento del alma ocurrir a lo largo de la
lnea quebrada abcdef. Una lnea alternativa de desgarramiento es la
abdef que se muestra en la parte b) de la figura. Para esta conexin
se supone que la carga se distribuye uniformemente en los cinco
tornillos. Entonces, para el desgarramiento del caso b), se supondr
que solo 4/5 Pu esta sujeta por la seccin considerada porque uno de
los tornillos se encuentra fuera del rea de desgarramiento.
- 70. CAPITULO II. Marco Terico. Ing. Civil 70 Figura 2-11.
Alternativas de desgarramiento. Note que la resistencia total por
bloque de cortante del miembro ser igual a la resistencia del
bloque de cortante a lo largo de la trayectoria abdef ms la
resistencia del tornillo C, ya que este tambin debe fallar. Para
calcular el ancho de los planos de tensin abc y abd de estos dos
casos, parece razonable usar la expresin s2 /4g. 2.7.1.6 Seleccin
de perfiles sometidos a tensin. En esta parte se describe la
seleccin de miembros que deben soportar cargas de tensin. Aunque el
diseador tiene