111381773 Introduccion Al Comportamiento y Al Diseno de Estructuras de Acero

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INTRODUCCION AL COMPORTAMIENTO Y AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO METODO DE LOS ESTADOS LÍMITES Profesora América Bendito Torija

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  • INTRODUCCION AL COMPORTAMIENTO

    Y AL DISEO DE ESTRUCTURAS DE

    ACERO

    METODO DE LOS ESTADOS LMITES

    Profesora Amrica Bendito Torija

  • INTRODUCCION AL COMPORTAMIENTO Y AL DISEO DE

    ESTRUCTURAS DE ACERO

    METODO DE LOS ESTADOS LMITES

    Profesora Amrica Bendito Torija

  • Captulo 1

    Captulo 2

    Captulo 3

    Captulo 4

    Captulo 5

    Captulo 6

    Captulo 7

    Captulo 8

    Captulo 9

    Anexos

    Trabajo Final

    Pginas Web Recomendadas

    Bibliografa

  • Tabla de Contenido

    Captulo 1. Introduccin

    Ventajas del Acero como Material de Construccin. Desventajas del Acero como Material de Construccin. Diagramas de Tensin-Deformacin del Acero. Filosofa de Diseo. Mtodos de Diseo. Allowable Stress Design, ASD. Load and Resistance Factor Design, LRFD. Ventajas de Usar la Formulacin AISC-LRFD. Secciones de Perfiles de Acero. Propiedades para el Diseo. Definiciones. Componentes de un Galpn. Distribucin Estructural. Clasificacin de los Galpones. Norma COVENIN-MINDUR 1618:1998. Acciones PERMANENTES. Acciones ACCIDENTALES. Combinaciones de CARGA para el Estado Lmite de Agotamiento

    Resistente. Clculo de las Cargas por Viento W. Flechas Mximas. Frases para Pensar y Recordar / + Algunas de las 26 leyes de

    Murphy.

    Captulo 2. Sistema Estructural

    Sistemas Estructurales de Plantas Industriales. Sistemas Estructurales Bsicos. Naves Aporticadas. Naves a Base de Cerchas. Ejercicio.

    Captulo 3. Estructuras Articuladas

    Definicin de una Armadura. Materiales de Construccin.

  • Usos de Este Tipo de Estructuras. Ejemplos de Celosas para Puentes. Hiptesis para el Anlisis. Tipos de Fuerzas. Barras en Traccin. Barras en Compresin. Como Puede Fallar una Celosa?. Estructuras Isostticas, Hiperestticas y Mecanismos. Grado de

    Hiperestaticidad (GH). Ejemplos. Anlisis de una Armadura Clculo de las Tensiones. Mtodo de los Nodos. Esta es una Estructura Reticulada. Mtodo de las Secciones. Ejercicios.

    Captulo 4. Elementos Solicitados a Traccin

    Miembros a Traccin. Resistencia de Elementos Sometidos a Traccin Pura. Resistencia de Elementos Sometidos a Tensin Axial Pura. Bloque de Cortante. Bloque de Cortante en Conexiones de Vigas. Bloque de Cortante en Conexiones de Cerchas. Procedimiento de Revisin de Elementos Sometidos a Traccin Axial

    Pura. reas a Traccin en Conexiones Apernadas. reas a Traccin en Conexiones Soldadas. Estado Lmite de Servicio. Varillas y Barras. Disear los Tensores de la plataforma Mostrada con las Barras. Determinar la Carga Axial de Traccin en la Conexin Mostrada

    o Ejemplo 1. o Ejemplo 2.

    Disear el miembro diagonal mostrado en la figura.

    Captulo 5. Elementos Solicitados a Compresin

    Barras en Compresin. Frmula de Euler. Factor de Longitud Efectiva: k. Columnas que Forman Parte de los Prticos.

  • Ejemplo. Modos de Falla de un Elemento Sometido a Compresin. Procedimiento de Diseo. Ejemplo.

    Captulo 6. Miembros en Flexin y Flexo-Compresin

    Introduccin al Comportamiento de las Vigas. Comportamiento de Miembros Dctiles. Resistencia de Vigas a Flexin Simple. Diseo Plstico de Vigas. Resistencia de Miembros en Flexin. Valores lmites de la relacin ancho/espesor en elementos a

    compresin de perfiles electrosoldados o soldados. Valores lmites de la relacin ancho/espesor en elementos a

    compresin de perfiles laminados. Determinacin del Coeficiente de Flexin: Cb. Ejemplo. Valores de Cb para vigas simplemente apoyadas. Procedimiento de Diseo por Flexin. Pandeo Local de las Alas. Pandeo Local del Alma. Pandeo Lateral Torsional. Ejemplo de Diseo de una Viga de Seccin Compacta. Miembros Solicitados Simultneamente a Fuerzas Normales y

    Flexin. Frmulas de Diseo del LRFD. Anlisis de Segundo Orden. Prediseo. Consideraciones sobre el Procedimiento de Anlisis y Diseo. Ejemplo 1. Ejemplo 2.

    Captulo 7. Conexiones Soldadas

    Procedimiento para Soldar. Tipos de Juntas Soldadas. Clasificacin de las Soldaduras. Soldadura de Ranura. Soldadura de Filete. Procedimiento de Diseo de Conexiones Soldadas. Diseo de Soldadura de Filete para Miembros de Armadura.

  • Ejemplo 1. Ejemplo 2. Smbolos de la Soldadura.

    Captulo 8. Conexiones Apernadas

    Pernos Estructurales. Posibles Modo de Falla en Uniones Empernadas. Resistencia Nominal de Pernos Individuales. Resistencia al Corte de los Pernos. Resistencia al Aplastamiento en los Agujeros de los Pernos. Procedimiento de Diseo de Conexiones Empernadas. Capacidad de los Pernos. Capacidad Resistente de Elementos Conectados, tanto en

    Conexiones Empernadas como Soldadas. Distancias mnimas al borde, d0, y separacin mnima, s, entre los

    centros de agujeros estndar. Capacidad resistente a traccin: Rnt (tf). Pernos sujetos a Corte y Traccin. Ejemplo 1. Ejemplo 2. Ejemplo 3.

    Captulo 9. Diseo Sismorresistente de Estructuras de Acero y Estructuras Mixtas Acero - Concreto

    Desastres Naturales. Ondas Ssmicas Internas o de Cuerpo. Ondas Ssmicas de Superficie. El Cdigo de Hammurab (1780 AC). Filosofa y Validez del Cdigo Ssmico Venezolano. Aspectos Novedosos de la Norma 1618-98. Espectros de Diseo. Seleccin de la Forma Espectral y el Factor . Diseo Sismorresistente Segn la Norma 1618-98. Comportamiento de Estructuras Construidas con Miembros Ductiles.

    Factor de Sobrerresistencia para Estructuras de Acero y Mixtas Acero-Concreto.

    Niveles de Diseo. Sistemas Estructurales. Tipos Estructurales en Acero.

  • Moment Frames in Buildings. Braced Frames in Buildings. Combining Braced and Moment Frames. Eccentric Braced Frames. Comparacin entre Prticos Resistentes a Momento y Prticos

    Arriostrados. El proyecto de prticos con arriostramientos, concntricos o

    excntricos exige una atencin muy minuciosa en los siguientes aspectos:

    Mecanismos de Disipacin de Energa.. Prticos con Arriostramiento Concntricos (CBF). Comportamiento Observado Durante los Terremotos. Prticos con Arriostramiento Excntricos (EBF). Filosofa de Diseo de los Prticos con Arriostramientos Excntricos.

    Procedimiento de Diseo (EBF). Requisitos Sismorresistentes COVENIN-MINDUR 1648-98. Requisitos Sismorresistentes para Vigas. Requisitos Sismorresistentes para Columnas. Conexiones, Juntas y Nodos. Daos a Estructuras de Acero Durante Eventos Ssmicos. Mxima.

  • Captulo 1.

    IntroduccinLos metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construccin pueden dividirse en dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS. Ferroso viene de la palabra Ferrum que los romanos empleaban para el fierro o hierro. Por lo tanto, los materiales ferrosos son aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del hierro y el acero.

    Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metlicos. Las aleaciones el latn y el bronce, son una combinacin de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.

    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, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos mtodos. Adems, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades especficas mediante tratamientos con calor, trabajo mecnico, o mediante aleaciones (http://www.infoacero.cl).

    Contenido

    MTODO DE DISEO POR LOS ESTADOS LMITESo Mtodos de Diseoo Miembros en Traccino Miembros en Compresino Miembros en Flexino Miembros Bajo Solicitaciones Combinadaso Conexiones Soldadas y Apernadas

    INTRODUCCIN AL DISEO SISMORRESISTENTE EN ACERO

    o Norma Covenin-Mindur 1756-98 Edificaciones Sismorresistentes

    o Norma Covenin-Mindur 1618-98 Estructuras de Acero para Edificaciones: Mtodo de los Estados Lmites

  • Ventajas del Acero como Material de Construccin

    Alta relacin resistencia/peso

    Importante en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con malas condiciones de cimentacin

    Uniformidad

    Sus propiedades no cambian apreciablemente.

    Alta ductilidad

    El hecho de que el material sea dctil no implica que la estructura fabricada con l sea tambin dctil.

    Ciclos histerticos ms amplios y estables

    Importante para un buen desempeo sismorresistente

    Facilidad en la construccin y para la modificacin de estructuras

    Se adaptan bien a posibles ampliaciones

    Fcilmente reciclable

  • Desventajas del Acero como Material de Construccin

    Costo de mantenimiento

    Susceptibles a la corrosin al estar expuestos al aire y al agua.

    Costo de la proteccin contra el fuego

    El acero pierde apreciablemente su capacidad de resistencia con el aumento de la temperatura. Adems es un excelente conductor de calor.

    Susceptibilidad al pandeo

    Su alta relacin resistencia/peso puede dar lugar a miembros esbeltos.

    Fatiga

    Su resistencia se reduce ante un gran nmero de inversiones del signo de la tensin o a un gran nmero de cambios de la magnitud de la tensin.

    Fractura frgil

    Diagramas de Tensin-Deformacin del Acero

  • Diagrama tensin-deformacin (sin escala) que ilustra los efectos

    del endurecimiento por deformacin en el acero

  • Curvas tpicas tensin-deformacin para aceros estructurales

    (se han modificado para reflejar las propiedades especficas mnimas)

    Filosofa de Diseo

  • Resistencia nominal o de agotamiento

    Solicitaciones de servicio previstas

    es un factor, normalmente menor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la determinacin de la resistencia nominal, incluye la variabilidad en la calidad de los materiales y en las dimensiones previstas, errores de construccin, idealizaciones de los modelos matemticos, limitaciones en la teora de anlisis y diseo.

    es un factor, normalmente mayor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la determinacin del sistema de cargas nominales Qi. Incluye la variabilidad del sistema de las cargas, modificaciones en el uso de la estructura, variacin en los pesos unitarios, etc.

    Mtodos de Diseo

  • Mtodo de Diseo por Tensiones Admisibles

    (Allowable Stress Design, ASD)

    Mtodo de Diseo por Estados Lmites

    (Load and Resistance Factor Design, LRFD)

    Allowable Stress Design, ASD

  • Bajo este criterio se disea de manera tal que las tensiones calculadas por efectos de las cargas de servicio no superen los valores mximos en las especificaciones.

    Mtodo de diseo que trabaja en funcin de las Tensiones Admisibles.

    Las tensiones admisibles son una fraccin de las tensiones cedentes del material.

    Basado en el anlisis elstico de las estructuras: los miembros deben ser diseados para comportarse elsticamente.

    Fi :son las tensiones elsticas calculadas para cada caso de carga.

    Fadmisible = Fy / FS : FS = Factor de seguridad y Fy es la tensin cedente del material.

    Load and Resistance Factor Design, LRFD

  • Bajo este criterio los procedimientos de anlisis y diseo son los de la teora plstica o una combinacin de anlisis elstico con diseo plstico.

    Mtodo de diseo por Estados Lmites. Es consistente con el mtodo de diseo para concreto reforzado

    ACI-318. Considera un procedimiento probabilstico. Provee un nivel ms uniforme de confiabilidad.

    = factor de carga que afecta a las cargas de servicio.

    Ventajas de Usar la Formulacin AISC-LRFD

    Formato similar al de la Norma COVENIN-MINDUR 1753 Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones, Anlisis y Diseo, basada en la Norma ACI-318.

    Facilita el uso de la norma sismorresistente COVENIN-MINDUR 1756-98, en la cual se establecen Niveles de Diseo en las diferentes zonas ssmicas del pas.

    Suministra una confiabilidad consistente para el sistema estructural y todos sus miembros y conexiones.

    Economa (menor peso). Congruente con el enfoque energtico en Ingeniera Ssmica.

    DEMANDAS SOBRE LA ESTRUCTURA DE

    CAPACIDADES SUMINISTRADAS A LA

    ESTRUCTURA DE Rigidez Resistencia

    Rigidez Resistencia

  • Estabilidad Capacidad de absorcin

    Disipacin de energa

    Estabilidad Capacidad de absorcin

    Disipacin de energa

    Secciones de Perfiles de Acero PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE:

    Son piezas nicas, que se obtienen por la laminacin de tochos o palanquillas provenientes del proceso de colada continua.

    Las caractersticas tcnicas de los perfiles laminados facilitan la solucin de las conexiones y uniformidad estructural, por no presentar soldaduras o costuras e inclusive un bajo nivel de tensiones residuales localizadas, gracias a la ausencia de soldadura en su proceso de fabricacin.

    Estos tipos de perfiles pueden ser laminados con alas paralelas (series I, H), que siguen la norma ASTM A6/A6M, con nomenclatura de la serie americana WF (wide flange); o perfiles laminados normales de alas inclinadas, cuyas secciones pueden ser en I (doble te), U (en forma de U o canales) L (perfiles en forma de L o angulares), tal como se muestran en las figuras.

  • PERFILES SOLDADOS

    Son aquellos fabricados mediante el corte, la composicin y soldadura de chapas planas de acero. Son elementos ensamblados generalmente de forma rectangular, la ventaja que tiene este tipo de perfil es que se adecua perfectamente a los requerimientos de diseo de acuerdo al anlisis estructural que se realiza, lo que permite obtener una gran variedad de formas y dimensiones de secciones.

    Las relaciones de las dimensiones en perfiles tpicos H, I, son las siguientes:

    CS, tienen la forma de H y su altura es igual al ancho del ala, h=b. CVS, tienen forma de H y la proporcin entre la altura y el ancho es

    de 1.5:1. VS, son de seccin tipo I y la proporcin entre la altura y el ancho

    del ala es de 2:1 y 3:1.

  • PERFILES ELECTROSOLDADOS

    Los perfiles electrosoldados se fabrican a partir de bandas de acero estructural laminadas en caliente mediante el proceso continuo y automtico de alta productividad.

    La versatilidad de la lnea de electrosoldadura permite obtener perfiles de diferentes secciones y longitudes.

  • Propiedades para el Diseo

    En el diseo se utilizarn las propiedades del acero dadas en la tabla. Los valores de la tensin de cedencia Fy y la resistencia de agotamiento en traccin FU a emplear en el diseo de acero sern los mnimos valores especificados en las correspondientes normas y especificaciones de los materiales y productoss considerados.

    TABLA PROPIEDADES PARA EL DISEO

    DefinicionesUn galpn es una construccin techada adaptable a un gran nmero de usos, cuya separacin entre columnas permite grandes espacios libres de obstrucciones, con mayor libertad para la distribucin de la tabiquera interna y un mayor aprovechamiento de las reas tiles. Por lo general son estructuras de un solo nivel, con pavimentos y fachadas, cerradas o no. Eventualmente pueden albergar mezzaninas destinadas a usos administrativos o de depsito. Las caractersticas de estas estructuras conducen a importantes economas en la solucin del sistema de fundaciones.

    Esta palabra de origen americano significa barraca de construccin simple y es poco conocida en la Pennsula Ibrica, aunque hacia comienzos del siglo XVII se usaba en Castilla galpol, que le dio origen y que significaba gran saln de un palacio.

  • Componentes de un Galpn

  • Distribucin Estructural

  • Clasificacin de los Galpones

    Nmero de tramos

    Techo Estructura

    Inclinacin Forma Prticos Forma

    Simple

    Simple con anexo

    Mltiples

    A dos aguas

    A una agua

    Plana

    Arco

    Circular

    Diente de sierra

    Perfiles laminados soldados,

    compuestos

    Seccin constante

    Seccin variable

  • Atirantado

    Celosa Warren

    Celosa Pratt

    Tringular

    Trapecial

    Arco

    Circular

  • Norma COVENIN-MINDUR 1618:1998

    CAPTULO 10: ACCIONES E HIPTESIS DE SOLICITACIONES

    Las estructuras de acero y las estructuras mixtas de acero-concreto estructural, sus miembros, juntas y conexiones, y el sistema de fundacin deben disearse para que tengan la resistencia, la rigidez, la estabilidad y la tenacidad exigidas para los Estados Lmites establecidos en el Captulo 8. Las hiptesis y requisitos del proyecto y la construccin sismorresistente de esta Norma se fundamentan en las solicitaciones que resultan de los movimientos ssmicos especificados en la Norma 1756-98.

    Se considerarn las siguientes acciones:

    Acciones Permanentes. Definidas en el Captulo 4 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002 Criterios y Acciones Mnimas para el Proyecto de Edificaciones.Acciones Variables. Definidas en el Captulo 5 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002 Criterios y Acciones Mnimas para el Proyecto de Edificaciones.Acciones Variables en Techos y Cubiertas. Definidas en la Seccin 5.2.4 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002. Criterios y Acciones Mnimas para el Proyecto de Edificaciones.

    Acciones accidentales debidas al viento, segn la Norma COVENIN-MINDUR 2003, Acciones del Viento sobre Edificaciones.

    Acciones accidentales debidas al sismo, segn la Norma COVENIN-MINDUR 1756-98, Edificaciones Sismorresistentes.

    Cuando sean importantes, tambin se considerarn las siguientes acciones

    Acciones debidas a empujes de tierra, materiales granulares y agua presente en el suelo, segn se definen en el Captulo 7 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002.

  • Acciones debidas a fluidos de los cuales se conoce su peso unitario, p resin y mxima variacin en altura, segn se define en el Captulo 7 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002.Acciones geolgicas o trmicas, asentamientos diferenciales o combinaciones de estas acciones, segn se define en el Captulo 6 de la Norma COVENIN-MINDUR 2002.

    Acciones PERMANENTES

    (Debidas al peso propio de la estructura y de todos los materiales que estn permanentemente unidos o soportados por ella, as como de otras cargas o deformaciones de carcter invariable con el tiempo).

    Peso propio de los elementos estructurales y no estructurales.

    Peso de equipos fijos. Empuje esttico de tierra y lquidos de carcter

    permanente.

    Desplazamientos y deformaciones impuestos a la estructura.

  • Acciones ACCIDENTALES Viento. Eventos ssmicos. Explosiones. Incendios

  • Combinaciones de CARGA para el Estado Lmite de Agotamiento Resistente

    La resistencia requerida de la estructura, as como la de sus miembros y conexiones, se determinar a partir de la combinacin crtica apropiada de las cargas mayoradas. El efecto ms crtico puede ocurrir cuando una o ms de las cargas no est actuando. Se investigarn las siguientes hiptesis de solicitaciones o combinaciones de cargas con sus respectivos factores de mayoracin:

    CAPITULO 10: COVENIN 1618-98 Estructuras de Acero para Edificaciones

    Mtodo de los Estados Lmites

    1.4 CP 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt 1.2 CP + 1.6 CVt + (0.5 CV 0.8 W) 1.2 CP + 0.5 CV + 0.5 CVT + 1.3 W 0.9 CP 1.3 W 1.2 CP + 0.5 CV S 0.9 CP S

    El factor de mayoracin para CV en las combinaciones 3, 4 y 6 ser igual a 1.0 para estacionamientos, reas empleadas como sitios de reuniones pblicas y en todas las reas donde la carga variable sea mayor de 500 kgf/m2 o en todos los casos en que el porcentaje de las acciones variables sea mayor del 25%.

    Cuando los efectos estructurales de otras acciones sean importantes, sus solicitaciones se incorporarn mediante la siguiente combinacin:

    Cuando sea exigido por esta Normas, las solicitaciones mayoradas se calcularn con las siguientes combinaciones:

  • SH es la componente horizontal de la accin ssmica o es el factor de sobrerresistencia estructural, dado en la Tablay 10.1.

    Combinaciones de CARGA para el Estado Lmite de Servicio

    Se formularn las hiptesis de solicitaciones adecuadas para seleccionar el efecto ms desfavorable bajo las condiciones previstas de utilizacin. En el diseo o en la verificacin de este estado lmite se considerarn independientemente las solicitaciones ms desfavorables de las acciones debidas al viento o al sismo.

    Clculo de las Cargas por Viento W

    W = c * qW 60 kgf/m2

    Condiciones de la ubicacin de la construccin

    Altura de la construccin (m)

    10 15 20 25

    Normales en terreno llano 50 55 60 65

    En terreno elevado no abrigado 100 110 120 125

    Expuestos a orillas del mar 130 145 155 165

    En donde:

  • Flechas Mximas

    Se puede controlar el problema de flechas excesivas, limitando la razn luz a altura de viga, L/d.

    Frases para Pensar y Recordar

    Recopilacin Prof. Joaqun Marn y Arnaldo Gutirrez

    El propsito de calcular es el ENTENDER y DECIDIR, no los nmeros.

  • Lo primero que debemos hacer ante un problema de clculo es examinar cuestionadoramente QUE VAMOS A HACER LUEGO CON LOS RESULTADOS?

    Nuestros resultados jams sern mejores que nuestras hiptesis. Si sabemos que nos vamos a equivocar, Equivoqumonos por el

    camino ms corto!!! ENSAYA Y REVISA MUCHAS VECES, como los msicos y los

    deportistas; a la primera no sale. Seamos APROXIMADOS y CORRECTOS, NO PRECISOS Y

    EQUIVOCADOS. Nadie puede ir ms all de su vocabulario.

    + Algunas de las 26 leyes de Murphy:

    1. Si una persona tiene una forma de cometer un error, lo har2. Los problemas complejos, tienen soluciones errneas3. "Si algo puede salir mal, saldr mal"4. Si los hechos no se ajustan a la teora, tendr que deshacerse de

    los hechos.5. Cuando todo falle, lea las instrucciones6. Nunca intentar repetir un experimento que haya salido bien7. Ningn experimento es un fracaso absoluto. Siempre puede servir

    como mal ejemplo8. "No aplique ningn modelo hasta que no entienda los supuestos

    simplificados sobre los que se fundamenta y compruebe que es aplicable"

    9. "No crea que el modelo es la realidad"10. "No distorsione la realidad para que se ajuste al modelo"11. "No defienda un modelo desprestigiado"12. "No se limite a un solo modelo. Emplear ms de uno puede

    ser til para entender los distintos aspectos de un mismo fenmeno""No piense que lo ha construido con slo ponerle un nombre al modelo"

    13. "Si su proyecto no funciona, investigue la parte que pens que no tena importancia.

    14. "La suposicin es la madre de todas las pifias"15. "Es sorprendente el tiempo que se necesita para terminar

    algo en lo que no se est trabajando"

    y, en relacin a las 26 leyes, la conclusin final a la que lleg Murphy en su teora y comprobacin: Todas las leyes son simulacros de la realidad.

  • Captulo 2.

    Sistema Estructural

    El edificio industrial est principalmente destinado a alojar procesos de produccin y al almacenamiento de equipos e insumos. En este contexto, el edificio industrial brinda proteccin a los empleados contra las inclemencias del tiempo y resguarda la maquinaria y materiales contra la intemperie, del robo y de otras causas de prdidas o deterioro. En el

  • diseo de edificios industriales se debe considerar los siguientes aspectos: esttica del edificio, distribucin de plantas libres y pasillos, lmites de altura, maquinarias, equipos y mtodos de almacenamientos, futuras remodelaciones y cambios de uso, cargas, materiales y terminaciones, y relaciones entre las reas de trabajo, flujos de produccin y consideraciones acsticas.

    Por su economa, la forma ms utilizada en edificios industriales es el prtico con cubierta inclinada tpicamente con luces o vanos de 20 30 metros y 6 metros entre prticos. Puesto que las columnas internas suelen ocupar espacios apreciables en su entorno, su separacin puede incrementarse utilizando armaduras o vigas reticuladas para soportar las cargas de techo. Las armaduras o vigas reticuladas son ms livianas que las armaduras de los prticos, por lo que, basndose slo en requisitos estructurales, los sistemas de armaduras o vigas reticuladas resultan econmicamente efectivos para luces o vanos superiores a 20 metros. Adems, miembros armados o reticulados pueden utilizarse para estructuras que soportan puentes de gra pesados.

    Sistemas Estructurales de Plantas Industriales

  • Sistemas Estructurales Bsicos

  • TIPOLOGAS BSICAS

    UNA SOLA

    ALTURA

    VARIAS ALTURAS

  • NAVE NICA

    NAVES MLTIPLES

    SISTEMA PLANO

  • SISTEMA ESPACIAL

    A DOS AGUAS

    EN DIENTE DE SIERRA

  • EMPOTRADA EN LA BASE

    ARTICULADA EN LA BASE

  • Naves Aporticadas

    ESQUEMA ESTRUCTURAL

  • ESQUEMA DE TRANSMISIN DE CARGAS

    ACCIONES GRAVITATORIAS

  • ESQUEMA DE TRANSMISIN DE CARGAS VIENTO LATERAL

  • ESQUEMA ESTRUCTURAL

    CELOSAS

    PILARES

    PRTICOS DE FACHADA

    SISTEMA CONTRAVIENTO

    CRUZ DE SAN ANDRS

  • ESQUEMA DE TRANSMISIN DE CARGAS ACCIONES GRAVITATORIAS

  • ESQUEMA DE TRANSMISIN DE CARGAS VIENTO LATERAL

  • Ejercicio

    Dibujar los diagramas de fuerza cortante y momento flector de la estructura aporticada la cual est unida a su fundacin mediante un empotramiento en A y un rodillo en E. Determinar los valores mximos de corte y momento para la estructura.

  • Para el prtico mostrado, calcular las expresiones y los diagramas de fuerza cortante y momento flector en la barra DC. Los nodos B y C son articulaciones de pasador liso, A es un empotramiento y D una articulacin.

  • Captulo 3.

    Estructuras Articuladas

    Galpn es una palabra de origen americano significa barraca de construccin simple y es poco conocida en la Pennsula Ibrica. Sin embargo, hacia comienzos del sigloXVII, se usaba en Castilla galpol, que le dio origen, y que significaba gran saln de un palacio. Galpol haba sido llevada a Espaa desde Mxico, como corrupcin de la voz nhuatl kalpulli, que significaba casa grande o sala grande. Era con ese sentido que Fernndez de Oviedo usaba galpn en 1535, como referencia al palacio de Moctezuma. La palabra se extendi rpidamente, tanto que en 1602 el peruano Garcilaso la empleaba en Per con la denotacin de casa grande donde habitan varias familias, pero su sentido se fue alterando con el tiempo y hoy denota construcciones ms modestas que un palacio imperial (Sosa, R., 2005).

    Un galpn industrial es una construccin techada adaptable a un gran nmero de usos, cuya separacin entre columnas permite grandes espacios libres de obstrucciones, con mayor libertad para la distribucin de la tabiquera interna y un mayor aprovechamiento de las reas tiles. Por lo general, suelen ser estructuras de un solo nivel, con pavimentos y fachadas, que pueden ser cerradas o no. Eventualmente, pueden albergar mezzaninas destinadas a usos administrativos o de depsito. Las caractersticas de estas estructuras conducen a importantes economas en la solucin del sistema de fundaciones (Arnal, E., et al, 2007).

    Entre los usos ms comunes que se les suelen dar, se pueden mencionar los siguientes:

    Comerciales: Tiendas y centros comerciales, depsitos, estacionamientos, oficinas, hangares, mercados, comedores.

    Industriales: Fbricas, talleres, casetas. Educativos: Centros comunitarios, centros deportivos y

    recreacionales, religiosos, centros de salud, auditorios. Agrcolas: Avcolas, porcinas, etc.

  • ndice Definicin de una estructura articulada plana Hiptesis para el anlisis Estructuras Isostticas, Hiperestticas y Mecanismos Anlisis de una armadura. Clculo de las tensiones

    o Mtodo de los nodoso Mtodo de las secciones

    Definicin de una Armadura

  • Las armaduras son estructuras formadas por elementos rectos, conectados mediante pasadores en sus extremos en forma de tringulo o por un sistema de tringulos. La caracterstica principal de este sistema es que cada elemento recto est sometido a compresin o traccin.

    Materiales de Construccin

    Madera Acero Aluminio

    Plstico

    Madera, acero y aluminio son los principales materiales con los cuales se construyen las armaduras, debido a la alta resistencia de estos materiales a la traccin y compresin. Los materiales tales como el concreto no son

  • usados como miembros de estas estructuras por su bajo nivel de resistencia en traccin.

    Usos de Este Tipo de Estructuras

    PUENTES

    Otaki-mura, Saitama Prefecture Edogawa-ku, Tokyo

  • TECHADOS

    Las armaduras tambin son usadas para generar diversas formas geomtricas

    Sistemas de techado para viviendas y galpones industriales

  • Ejemplos de Celosas para Puentes

    Celosa tipo Warren

  • Celosa tipo Howe

  • Celosa tipo Pratt

  • Una importante caracterstica de una armadura es su estabilidad. La figura rgida elemental, formada por barras unidas mediante articulaciones no permite ningn tipo de movimientos. Esta configuracin es estable.

    Una configuracin cuadrada o pentagonal son inestables.

    El tringulo es la unidad bsica de una estructura reticular

  • Hiptesis para el Anlisis

    Las barras (miembros) de la estructura estn unidas mediante pasadores lisos colocados en sus extremos. Las cargas y reacciones actan nicamente en los nodos. Las barras tienen un peso despreciable. Rgimen elstico lineal. Proporcionalidad entre cargas y desplazamientos.

    Pequeos desplazamientos. Principio de superposicin.

    Tipos de Fuerzas

    Peso de la Estructura. Fuerzas Internas en los

    miembros. Reacciones en los apoyos

    de la armadura.

  • Bajo las hiptesis indicadas, cada miembro de una estructura en equilibrio se encuentra sometida a la accin de dos fuerzas que deben ser iguales en magnitud, pero de sentido contrario y colineales con el eje de la barra.

    Cuando se calculan las dimensiones de las secciones transversales de una barra capaces de resistir las fuerzas actuantes en ellas es indispensable conocer si las mismas son de Traccin o Compresin.

  • Barras en Traccin

    En la mecnica racional las estructuras se analizan suponiendo que los miembros son rgidos, esto es, que no sufren deformacin por accin de las cargas aplicadas. En miembros reales tenemos deformaciones: la longitud y otras dimensiones cambian por la accin de las cargas.

  • Barras en Compresin

    La compresin ocurre cuando dos fuerzas actan en la misma direccin y sentido contrario haciendo que el elemento se acorte y se deforme. Cada pieza falla bajo diferentes magnitudes de carga. La cantidad de carga bajo la cual falla un elemento en compresin depende del tipo de material, la forma del elemento y la longitud de la pieza.

    BARRA EN COMPRESION

    El problema es que si se presiona dos extremos de una barra delgada la misma no permanece recta, se acorta y se flexiona fuera de su eje (PANDEO).

    La deformacin de un miembro en

    compresin se calcula

    por la expresin:

    PANDEO DE UN ELEMENTO

  • Como Puede Fallar una Celosa?

    Hay tres formas bajo las cuales puede fallar una cercha:

    PANDEO DE UN MIEMBRO EN COMPRESIN (Un miembro se flexionar por pandeo en la direccin del eje respecto al cual su momento de inercia sea menor).

    FALLA DE UN MIEMBRO POR TRACCIN (Esta falla se presenta generalmente en la seccin media del miembro).

    FALLA DE LAS UNIONES DE LA ESTRUCTURA

  • Estructuras Isostticas, Hiperestticas y Mecanismos.

    Grado de Hiperestaticidad (GH)

    La estructura propiamente dicha puede ser:

    Internamente mecanismo. Internamente isosttica. Internamente hiperesttica.

    GHI = 2 n nudos - n barras - 3

    GHI > 0 ... Mecanismo interno.

    GHI = 0 ... Isosttica interna.

    GHI = 0 ... Hiperesttica interna.

    Siempre que los apoyos estn bien dispuestos

    La fuerza F da un Momento no nulo

    Respecto a A

  • Hay un caso particular en el que las tres reacciones no se cortan en un punto que tampoco asegura la estabilidad de la estructura: es cuando las reacciones son paralelas. Cualquier pequea fuerza horizontal la desplazara.

  • Ejemplos

    Internamente

    hiperesttica

    de grado dos

    GHI = 2 n nudos - n barras - 3 = 2 12 - 23 - 3 = -2

  • Internamente isosttica y simple

    Internamente isosttica. Se cataloga tambincomo compuesta. Aunque en vez de una barra de uninhay una celosasimple

    Mecanismo interno

    de grado 2

  • De las siguientes estructuras articuladas planas indicar si son isostticas, hiperestticas o mecanismos en conjunto (contando con los apoyos).

    Hiperesttica interna de grado 2 e hiperesttica externa de grado 1.

    Hiperesttica en conjunto de grado 3.

    Se tienen 3 reacciones que se cortan, por lo que la estructura no es estable

  • Isosttica interna (celosa simple)

    e isosttica externa

    Isosttica en conjunto

    Internamente isosttica y 5 apoyosbien dispuestos. Hiperesttica de grado 2.

  • Anlisis de una Armadura Clculo de las Tensiones

    Mtodo de los NODOSMtodo de las SECCIONES

  • Mtodo de los Nodos

    Determinemos las reacciones en los soportes A y B y las fuerzas (traccin/compresin) en los miembros BE, BC y EF.

    Dibujamos un diagrama de cuerpo libre de toda la estructura donde se muestren todas las cargas externas y las reacciones.

    Se descomponen todas las fuerzas en sus componentes X e Y. Aplicamos las condiciones de equilibrio: SFx=0; Fy=0; M=0

  • SFx=0=Ax+800 lb. (suma de fuerzas en X)

    SFy=0=y+Dy-500 lb. (suma de fuerzas en Y)

    MA=0=Dy (12 ft)-500 lb (8ft) -800 lb (3ft). (momento respecto de A)

    Resolviendo tenemos : Ax = 800 lb ; Ay = -33 lb ; Dy = 533 lb

    Una vez determinadas los valores de las reacciones en los apoyos procedemos a determinar los valores de las fuerzas en los miembros (fuerzas internas).

    Junta Analizada

  • ANALISIS JUNTA A

    JUNTA A: Se suponen los sentidos de las

    fuerzas desconocidas que actan en las barras que llegan al nodo A y se dibujan todas las fuerzas externas que actan sobre el mismo.

    JUNTA A: Se descomponen las fuerzas axiales sobre cada barra en sus componentes X e Y. Aplicamos las ecuaciones de equilibrio de la esttica:

    Fx=0: AE - ABcos37 - 800 = 0.

    Fy=0: -ABsin37 - 33 = 0.

    Resolviendo : AB = - 55 lb (Traccin)

    AE = + 756 lb (Traccin)

    El signo negativo de la fuerza ABindica que el sentido supuesto de la fuerza

    es incorrecto: la fuerza es enTensin no en Compresin.

  • ANALISIS JUNTA B (que son las que trabajan)

    Fx=0: -44 + BC = 0

    Fx=0: -33 + BE = 0

    Resolviendo : BC = + 44 lb (Traccin)

    BE = + 33 lb (Compresin)

  • COMPLETADO EL ANALISIS DE LA ESTRUCTURA LA DISPOSICION DE FUERZAS AXIALES SOBRE CADA MIEMBRO ES:

    Esta es una Estructura Reticulada

  • A ver que pasa cuando le aplicamos una fuerza en los nodos extremos

    A partir de la configuracin deformada, se puede inferir cual es el estado de tensin de las barras

  • Fuerza entrando del nodo barra en compresinFuerza saliendo del nodo barra en traccin

  • Si se aplica la fuerza en el nodo extremo superior se modifica la condicin de tensin en las barras, tambin se puede

    inferir el estado de tensin

  • Fuerza entrando del nodo barra en compresinFuerza saliendo del nodo barra en traccin

    Recuerda el principio de accin y reaccin. La fuerza de REACCION sobre el miembro genera otra fuerza (ACCION) de igual magnitud y sentido contrario. En este

  • caso la reaccin es la que estamos dibujando sobre el miembro y la accin interna es justamente lo contrario.

    Notar que si lo dibujamos asi pareciera que el miembro esta en traccin. PERO NO!!.

    Estas fuerzas son la reaccin. La ACCION INTERNA que se opone a esta es otra fuerza que es de COMPRESION .

    Por conveniencia y para no confundir se dice: Cuando la fuerza comprime al nodo el miembro esta en compresin. Cuando la fuerza sale del nodo el miembro esta en traccin. As se evita la mala interpretacin y se hace compatible el anlisis.

  • Mtodo de las Secciones

    Determinemos las reacciones en los soportes A y B y las fuerzas (traccin/compresin) en los miembros BE ; EF y EC.

  • Resolviendo:

    Fx =0: -800 + EF - EC(Cos37) + BC = 0 BC = + 44 lb (Traccin)Fy =0: -33 - EC(Sin37) = 0 EC = - 55 lb (Traccin)Me =0: 33 (4 ) - BC (3 ) = 0 EF = + 712 lb (Traccin)

  • COMO SE DISEAN LOS MIEMBROS DE UNA ARMADURA

    El diseo se orienta a determinar el AREA necesaria de seccin de un miembro para resistir la FUERZA actuante sobre l, sin que exceda la TENSIN ADMISIBLE del material.

  • Ejercicios

    Hallar por el mtodo de los nodos las tensiones en las barras

  • Hallar las reacciones y la tensin en la barra 1 de la estructura

  • Captulo 4.

    Elementos Solicitados a Traccin Los miembros en traccin son miembros estructurales

    que estn solicitados a fuerza de tensin axial.

    a. Miembros en sistemas reticulados tipo cercha.

    b. Sistemas de arriostramiento en estructuras para resistir las fuerzas laterales impuestas por explosiones, viento o sismo.

    c. Tensores, barras o cables en puentes de suspensin.

  • Miembros a Traccin

    Los miembros en traccin son elementos estructurales que estn sometidos a fuerza de tensin axial

    Perfiles laminados

    Miembros en sistemas reticulados tipo cercha.

    Perfiles compuestos

    Sistemas de arriostramiento en estructuras para resistir las fuerzas laterales impuestas por explosiones, viento o sismo.

    Perfiles soldados

    Varillas, Barras

  • Tensores, barras o cables en puentes de suspensin.

    TornCables

  • Diagrama Tensin-Deformacin

  • Resistencia de Elementos Sometidos a Traccin Pura

    Un miembro en traccin puede fallar por:

    Deformacin excesiva (cedencia bajo cargas gravitatorias). Fractura.

    La falla por deformacin excesiva puede ser prevenida (para cargas gravitatorias) limitando el nivel de esfuerzo sobre el rea gruesa de la seccin a un valor menor que el esfuerzo de cedencia del material. Para la cedencia sobre la seccin gruesa, la resistencia nominal es:

    Nn = Fy Ag

    La fractura se puede ser prevenir limitando el nivel de esfuerzo sobre la seccin neta a un valor menor que la resistencia de agotamiento a traccin. Para la fractura sobre la seccin neta, la resistencia nominal es:

    Nn = Fu An

  • Resistencia de Elementos Sometidos a Tensin Axial Pura

    Para verificar la resistencia ltima de elementos sometidos a tensin axial pura se consideran los siguientes estados lmites y la resistencia de diseo:

    ; ser el menor valor que se obtenga de considerar los modos de falla:

    Fluencia de la seccin bruta (total)

    Fractura de la seccin neta efectivaFalla del bloque de cortante

    Cedencia en la Seccin Total:

    Donde: A = rea total de la seccin transversal del miembro.

  • Fractura en la Seccin Neta Efectiva:

  • Fractura por Bloque de Corte:

    Se toma el mayor valor entre los dos casos siguientes:

  • Bloque de Cortante

    La resistencia de diseo de un miembro a tensin no siempre est especificada por ft Fy Ag o por ft Fy Ae 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 en un miembro puede ocurrir a lo largo de una trayectoria que implique tensin en un plano y cortante en otro plano perpendicular. Es poco probable que la fractura ocurra en ambos planos simultneamente.

    El miembro tiene un rea grande de cortante y una pequea rea en traccin. 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.

  • Bloque de Cortante en Conexiones de Vigas

    Para conexiones soldadas, la ruptura por bloque de corte se trata en forma similar a de las conexiones apernadas. La nica diferencia es la ausencia de orificios para los pernos, con lo cual: Anc=Ac y Ant=At.

  • Bloque de Cortante en Conexiones de Cerchas

  • Procedimiento de Revisin de Elementos Sometidos a Traccin

    Axial Pura

    El procedimiento de revisin de los perfiles laminados sometidos a tensin axial pura, esta definido en el Captulo 14, Miembros a Traccin de la Norma COVENIN 1618:1998 Estructuras de acero para edificaciones. Mtodo de los Estados Lmites, y puede resumirse de la siguiente manera:

    1. Definir el esfuerzo de fluencia del acero, Fy.

    2. Determinar el valor de NU con base en el anlisis estructural.

    3. Evaluar el valor de Ag, el rea bruta (total) de la seccin.

    4. Determinar la resistencia a la tensin debida al estado lmite de fluencia del rea total (bruta).

    5. Determinar los dimetros de los pernos que atraviesan el elemento estructural (dperno).

    6. Determinar los dimetros de los huecos donde se colocan los pernos (dhueco).

    7. Determinar el rea neta de la seccin transversal de la siguiente manera:

    a. Si se tienen pernos en una sola lnea el rea neta se debe calcular como se indica a continuacin:

  • Para el elemento nmero 1, An1 = Ag1 t1 (2dhueco).

    y para el elemento nmero 2, An2 = Ag2 t2 (2dhueco).

    b. Si se tienen pernos no alternados en varias lneas se debe encontrar la seccin neta crtica para cada elemento de la conexin. Por ejemplo, para el elemento 1 la seccin neta crtica es (a-a) mientras que para el elemento 2 es (c-c).

  • Posteriormente se procede a evaluar el rea neta para la seccin neta crtica como en el inciso (a).

    Perpendicular al eje del miembro

    En zig - zag En diagonal

    c. Si se tienen pernos con huecos alternados la fractura puede no ser perpendicular a la fuerza de tensin, sino que su trayectoria puede ser diagonal. En este caso, se utiliza la siguiente frmula emprica para calcular el rea neta a lo largo de diversas trayectorias.

    donde g es el gramil y S el paso

    La ruta que produzca la menor An es la ruta crtica. Igualmente en el clculo de las reas netas por corte y traccin hay que explorar cual es la ruta crtica para efectos del bloque de corte.

  • 8. Determinar la resistencia a tensin debido al estado lmite de fractura de rea neta:

  • reas a Traccin en Conexiones Apernadas

    rea Neta Efectiva:

    El rea neta efectiva de un miembro estructural conectado, se obtiene de multiplicar el rea neta calculada, por un coeficiente de reduccin Ct 1. Este coeficiente toma en cuenta el efecto de corte diferido pues la seccin cercana a los conectores permanece plana. Ct refleja la eficiencia en la distribucin de las tensiones en la conexin.

    La longitud L es la distancia paralela a la lnea de accin de la fuerza, entre el primer y el ltimo de los pernos en una lnea de la conexin efectuada. La longitud efectiva de la conexin se reduce en la distancia x medida a partir del ngulo de transferencia:

  • donde: L es la longitud de la conexin y X es la distancia del baricentro del perfil al plano de transferencia de la carga.

    Efectos del corte diferido (Shear Lag)

  • reas a Traccin en Conexiones Soldadas

    rea Neta Efectiva:

    Cuando la fuerza de traccin es transmitida solamente por

    cordones de soldadura transversales

    Ct=1.0

    Aneta efectiva = Ae = CtAn

    Cuando la fuerza de traccin es transmitida a una placa plana mediante cordones de soldadura longitudinales a lo largo de ambos bordes prximos al extremo de la placa, debe ser L W:

  • L = Longitud de cada cordn de soldaduraW = ancho de la chapa (distancia entre los cordones de soldadura)

    Ejemplos de planos crticos en la seccin neta efectiva y por bloque de corte

    En ocasiones se presentan casos en los que no resulta claro que secciones deben considerarse para el clculo del bloque de cortante. En tales situaciones el proyectista debe usar su buen juicio.

  • Estado Lmite de Servicio La esbeltez mxima de miembros en traccin que no sean barras, es L / r = 300. Esta esbeltez corresponde a consideraciones de evitar excesivas vibraciones o movimientos durante la fabricacin, el montaje y el uso de la estructura. No responde a consideraciones de la integridad estructural. Los miembros en traccin que trabajen como arriostramientos ssmicos deben satisfacer requisitos de resistencia a compresin: esbeltez ms estricta.

    La relacin de esbeltez mxima recomendada de 300 no es aplicable a varillas. El valor

    mximo de L/r en este caso queda a juicio del proyectista.

  • Varillas y Barras:El esfuerzo de diseo nominal a traccin para varillas roscadas es igual a f 0.75 Fu; este esfuerzo se aplica al rea total A de la varilla calculada con base al dimetro exterior de la rosca. El rea requerida para una carga particular a traccin pueden entonces calcularse con la siguiente expresin:

    VERIFICACIN POR FATIGA

    APNDICE D, Norma 1618-98

    Funcin de las condiciones de carga, tipo y localizacin del detalle de conexin.

  • Disear los tensores de la plataforma mostrada con las barras

    Equipos mecnicos = 90 tf.Personal de Operacin = 100 kgf/m2.Peso de la Plataforma = 75 kgf/m2.

    Cargas sobre los tensores:

    Cargas permanentes:Plataforma6 x 6 x 75 / 4 = 675 kgfEquipos90000 / 4 = 22500 kgf

    Total CP = 23175 kgf

    Cargas variables:Personal6 x 6 x 100 / 4 = 900 kgf

    Total CV = 900 kgf

  • Ejemplo 1. Determinar la carga axial de traccin en la conexin mostrada

  • Bloque de Corte

  • Bloque de Corte

  • Ejemplo 2. Determinar la carga axial de traccin en la conexin mostrada

  • Disear el miembro diagonal mostrado en la figura

  • Se puede:

    Aumentar el espesor, por ejemplo a 8 mm. Modificar el detalle de la conexin (bloque de corte y distancias

    entre pernos y de stos a los bordes del perfil). Los dos cambios anteriores, simultneamente. Usar una seccin doble L. En este caso de debe garantizar el

    comportamiento de la seccin armada y evitar la falla prematura de un angular, colocando tacos o presillas.

    Solucin soldada.

  • Exploraremos la solucin soldada usando E70XX (4920 kgf/cm2)

  • Captulo 5.

    Elementos Solicitados a Compresin

    La compresin ocurre cuando dos fuerzas actan en la misma direccin y sentido contrario haciendo que el elemento se acorte y se deforme. Cada

    pieza falla bajo diferente magnitud de carga. La cantidad de carga bajo la cual falla un elemento en compresin depende del tipo de material, la forma del elemento y la longitud de la pieza.

    El problema es que si se presionan dos extremos de una barra delgada la misma no permanece recta, se acorta y se flexiona fuera de su eje (PANDEO).

    Los miembros en compresin, tales como las columnas, estn sujetas principalmente a carga axiales. Entonces, las tensiones principales

    en un miembro comprimido son las tensiones normales.

    La falla de un miembro en compresin, tiene que ver con la resistencia, la rigidez del material y la geometra (relacin de esbeltez) del miembro. La consideracin de columna corta, intermedia o larga depende de estos factores.

  • Barras en Compresin

    La compresin ocurre cuando dos fuerzas actan en la misma direccin y sentido contrario haciendo que el elemento se acorte y se deforme. Cada pieza falla bajo diferentes magnitud de carga. La cantidad de carga bajo la cual falla un elemento en compresin depende del tipo de material, la forma del elemento y la longitud de la pieza.

    BARRA EN COMPRESIN PANDEO DE UN ELEMENTO

    El problema es que si se presiona dos extremos de una barra delgada la misma no permanece recta, se acorta y se flexiona fuera de su eje (PANDEO).

  • Haciendo la analoga entre un miembro comprimido axialmente y el equilibrio de una esfera sobre una superficie, nos permite clarificar el problema de la resistencia de una columna:

    EQUILIBRIO

    ESTABLEEQUILIBRIO

    NEUTRO EQUILIBRIO INESTABLE

  • Frmula de Euler

    Leonhard Euler, estableci la carga crtica de pandeo de una columna comprimida axialmente que verifica las siguientes hiptesis.

    Las deformaciones son lo suficientemente pequeas. El material cumple indefinidamente la Ley de Hooke, as

    como las hiptesis de Navier. El eje de la pieza es matemticamente recto y la carga P de

    compresin est exactamente centrada. La pieza se encuentra en sus extremos perfectamente

    articulada, sin rozamientos y con los desplazamientos impedidos en la direccin perpendicular a la directriz de la barra que es de seccin constante en toda su longitud, cuadrada o circular.

    La pieza se encuentra en un estado tensional neutro, sin tensiones residuales o de cualquier tipo.

  • Factor de Longitud Efectiva, k

    El problema estudiado por Euler fue el de predecir la ecuacin de la deformada de una columna con apoyos simples, para la cual se tiene una carga crtica de pandeo igual a:

    TABLA DE COEFICIENTES DE LONGITUD EFECTIVA

    En el caso de usar los coeficientes para miembros individuales, se debe modelar el miembro reproduciendo sus restricciones en la estructura.

  • Columnas que Forman Parte de los Prticos

    Para el clculo del factor de longitud efectiva en columnas de el cual debe serprticos contnuos, se define el trmino de rigidez relativa evaluado en cada extremo de la columna, identificados por los subndices A y B, mediante la siguiente expresin, donde la sumatoria comprende todos los miembros conectados rgidamente a cada junta y ubicados en el plano donde se analiza el pandeo de la columna.

  • es un factor de correccin que toma en cuenta las condiciones del extremo lejano de las vigas.

    IC es el momento de inercia y LC es la longitud no arriostrada de una

    columna. IV es el momento de inercia y LV es la longitud no arriostrada de una

    viga u otro miembro que genere una restriccin. Las inercias se toman alrededor de ejes perpendiculares al plano donde se considera el pandeo.

    Los nomogramas de O.G. Julian y L.S. Lawrence (1959) ignoran, entre otras cosas, el efecto de la fuerza axial en las vigas y por eso en cada extremo de ellas se supone una rigidez rotacional de:

    6EI/L, en prticos desplazables 2EI/L, en prticos no desplazables

    y por eso se introducen los factores de correccin,

  • En lugar de usar los nomogramas del Manual AISC, pueden usarse las expresiones que figuran en las Normas francesa y europeas en general (P. Dumonteil, AISC Eng, Journal Mayo-Junio 1993), para calcular el valor de K.

    Prticos de desplazamiento lateral impedido:

    Prticos de desplazamiento lateral impedido:

  • EjemploCalcular el factor elstico de longitud efectiva, k, para las columnas AB y FG mostradas, considerar para todas las columnas, IX = 11860 cm4

  • Modos de Falla de un Elemento Sometido a Compresin

    Cedencia en los apoyos. Pandeo General del miembro.

  • o Pandeo Flexional, NF. o Pandeo Torsional, NT. o Pandeo Flexotorsional, NFT.

    Pandeo Local.

    El estudio de los modos de falla se hace a travs de las siguientes variables

    Forma de la seccin transversal ( NF, NT, NFT ) Condiciones de apoyo o de vinculacin (Factor de longitud efectiva k).

    Esbelteces locales de los elementos de la seccin transversal (factor de reduccin ).

  • Procedimiento de Diseo

  • Pandeo Flexional

    Se usan dos frmulas para determinar la tensin crtica en columnas: una para columnas elsticas y otra

    para columnas inelsticas. Estas frmulas estn en funcin del trmino

    es el coeficiente de reduccin de tensiones por concepto de pandeo local.

  • Pandeo Torsional y Flexotorsional

    Segn sea el caso, FCR se designar como FTCR FFTCR en las siguientes expresiones:

    Fe Tensin elstica de pandeo flexional.

    Fe se calcular segn uno de los dos casos siguientes:

  • Pandeo Torsional, Fe = FTCR

    CW es la constante de torsin no uniforme o de alabeo; J es la constante de torsin uniforme o de Saint-Venant; x0 , y0 las coordenadas del centro de corte y G el mdulo de corte.

    Pandeo Flexotorsional, Fe = FFTCR

  • Fey Tensin elstica de pandeo flexional calculada segn el eje de simetra

  • Ejemplo

  • Captulo 6.

    Miembros en Flexin y Flexo-Compresin

    Este captulo, dividido en dos partes, presenta en la primera parte los conceptos principales del comportamiento y diseo de miembros de acero solicitados a tensiones de flexin: se definen los miembros en flexin, se ilustran sus principales usos en estructuras de acero, se describe su comportamiento, se presentan sus propiedades geomtricas relevantes, y se indican sus modos de falla y requisitos de diseo asociados a estos modos.

    Casi todos los miembros de una estructura estn solicitados a una combinacin de momento y carga axial. Cuando la magnitud de alguna de ellas es relativamente pequea, su efecto se desprecia y el miembro se disea como

    una viga, una columna axialmente cargada o un miembro a traccin. En muchas situaciones ningn efecto puede despreciarse y el diseo debe considerar el comportamiento del miembro bajo carga combinada, ste diseo se presenta en la segunda parte de ste captulo.

    Como la flexin forma parte del juego, todos los factores considerados en ella aplican, particularmente los relacionados con estabilidad (pandeo lateral-torsional y pandeo local de miembros a compresin). Cuando la flexin se combina con traccin axial, se reduce la posibilidad de inestabilidad y la cedencia usualmente gobierna el diseo. Para el caso de

  • flexin combinada con compresin axial se incrementa la posibilidad de inestabilidad; adems cuando est presente la compresin axial, aparece un momento flector secundario, igual a la fuerza de compresin por el desplazamiento, la cual a su vez es funcin de la magnitud del momento.

  • Introduccin al Comportamiento de las Vigas

    Un miembro en flexin est sometido a cargas perpendiculares a su eje, las que pueden incluir momentos puntuales aplicados en el tramo o los extremos del elemento. Estas cargas generan momentos flectores y corte en el miembro.

    La resistencia de una viga de acero est dada, fundamentalmente, por su momento de inercia I. Tambin la resistencia a la flexin puede incrementarse modificando las condiciones de apoyo, como por ejemplo, hacindola continua en lugar de isosttica.

    Sin embargo, esta resistencia puede verse reducida significativamente si no se toman previsiones contra el pandeo lateral de la viga.

  • La forma de prevenir este pandeo lateral puede ser incrementando la resistencia de la viga, o disponiendo elementos transversales al eje de la viga que acten como arriostramiento lateral.

    Comportamiento de Miembros Dctiles

  • La capacidad de la estructura no es agotada durante la formacin de la primera articulacin plstica. Esta es significativamente ms grande que la capacidad correspondiente a la formacin de la primera rtula plstica.

    Al cociente entre el momento plstico MP y el elstico MY se le da el nombre de factor de forma.

  • Una viga que forme parte de una estructura diseada plsticamente debe estar en capacidad de resistir el momento plstico completo.

    La capacidad de rotacin, R, de una barra solicitada por flexin viene entonces dada por:

  • Resistencia de Vigas a Flexin Simple

    PLASTIFICACIN DE UNA SECCIN COMPACTA

  • ...donde S es el mdulo de seccin elstico y Z el mdulo de seccin plstico.

    A medida que la seccin se va plastificando se produce un incremento en la curvatura, hasta que el momento flector alcanza la magnitud Mp > My siendo My el momento flector correspondiente a la cedencia de las fibras extremas de la seccin nicamente.

  • Diseo Plstico de Vigas El anlisis elstico de estructuras supone que la capacidad resistente de una estructura se agota cuando en cualquier seccin de la misma una de sus fibras alcanza su lmite elstico. En materiales de gran ductilidad, como el acero laminado, la falla no se presenta sino hasta que ocurre una gran plastificacin despus que se alcanza la tensin de fluencia.

  • Resistencia de Miembros en Flexin El momento resistente de un perfil de acero es igual al momento plstico, Mr = Mp, cuando las proporciones de los elementos planos de la seccin transversal, los arriostramientos laterales, etc., son tales que puedan desarrollarse las deformaciones unitarias correspondientes a la iniciacin del endurecimiento por deformacin del material sin falla prematura de tipo frgil o por pandeo local o lateral. Estas caractersticas permiten la aplicacin del concepto de redistribuicin de momentos y denominar a estas vigas como secciones plsticas (Curva 1).

    La Curva 2 representa una seccin compacta, es decir, libre de pandeo local y que sin embargo no satisface las otras condiciones que se exigen para aplicar el concepto de redistribucin de momentos, en consecuencia, Mr < Mp.

    La Curva 3 identifica a una seccin no compacta puesto que pierde su capacidad de carga prematuramente despus del punto de fluencia (falla inelstica) a causa del pandeo local, por lo tanto Mr < My.

    Finalmente, una seccin esbelta (Curva 4) que falla elsticamente por pandeo lateral o pandeo local, es decir, Mr < Mcr.

  • En las cuatro estaciones indicadas en la figura, el comportamiento es controlado por una de las siguientes formas de pandeo:

    Pandeo Local del Ala. Pandeo Local del Alma. Pandeo Lateral Torsional.

  • Pandeo Local - Durante el proceso de flexin, si el ala en compresin es demasiado delgada, la placa puede fallar por pandeo o inestabilidad. Entonces no es posible que la viga desarrolle el Momento Plstico.

    Falla local del Alma - En los puntos donde se apliquen cargas puntuales y en los apoyos se pueden producir fallos debidos al aplastamiento (crushing) del alma; por pandeo localizado (crippling) en la proximidad de la carga donde se concentran las deformaciones transversales y por pandeo (buckling) del alma entre las dos alas.

  • Pandeo Lateral Torsional: Las vigas flectadas que no se encuentran adecuadamente arriostradas, impidiendo su movimiento lateral, pueden sufrir el efecto de pandeo lateral torsional si su resistencia a la torsin y el momento de inercia respecto al eje de inercia, en que estos valores son menores, resultan lo suficientemente pequeos frente al eje perpendicular en que sus valores son mximos.

  • Valores Lmites de la Relacin Ancho/Espesor en Elementos a Compresin de Perfiles Electrosoldados o Soldados

  • Valores Lmites de la Relacin Ancho/Espesor en Elementosa Compresin de Perfiles Laminados

  • Determinacin del Coeficiente de Flexin, Cb

    se ha usado desde 1961 para ajustar la frmula de pandeo flexotorsional al diagrama de momentos dentro de la longitud no arriostrada de la viga.

    Cb es un factor que permite tener en cuenta las variaciones del diagrama de momentos. Dado que las ecuaciones planteadas son aplicables al caso de flexin constante, si el diagrama es variable, la viga puede resistir momentos algo mayores antes que se presente el fenmeno de inestabilidad lateral.

    ...donde:

    Mmx = Valor absoluto del momento mximo en la luz libre de arriostramiento lateral.

    MA = Valor absoluto del momento en los puntos del primer cuarto de la luz.

    MB = Valor absoluto del momento en los puntos del medio de la luz.

    MC = Valor absoluto del momento en los puntos del ltimo cuarto de la luz.

    Conservadoramente, Cb puede tomarse igual a la unidad en todos los casos.

  • Ejemplo

  • Valores de Cb para Vigas Simplemente Apoyadas

  • Procedimiento de Diseo por Flexin

    El procedimiento de diseo ser el menor valor que resulte del anlisis de los estados lmite del pandeo local de las alas, pandeo local del alma y del pandeo lateral torsional segn las siguientes expresiones dadas en unidades mtricas (Fy en kgf/cm2, ry en cm, etc.).

    Calculamos las esbelteces locales o relaciones ancho/espesor y el coeficiente Cb.

    Para no necesitar rigidizadores

    Para ser tratada como viga y no viga armada

    h = d - 2 t f en perfiles soldados y electrosoldados; h = d - 2 d f en perfiles laminados.

  • Se calculan los siguientes valores:

  • Pandeo Local de las Alas

    Al final de esta etapa de verificacin del pandeo local de las alas debemos tener los valores de:

    Mpx Mnfx : Mpy Mnfy : Lp Lpf

  • Pandeo Local del Alma

    Al final de esta etapa de verificacin del pandeo local del alma debemos tener los valores de:

    Mpx Mnw : Lp Lpw

  • Pandeo Lateral Torsional

  • Al final de esta etapa de verificacin del pandeo lateral se tiene Mn que es funcin de la luz de la viga

  • Ejemplo de Diseo de una Viga de Seccin Compacta

    Para el perfil laminado cuyas caractersticas se suministran, calcular para Cb=1.0, 1.75 y 1.30 para condiciones no ssmicas.

    d = 608 mmbf = 228 mmtf = 17.3 mmtw = 11.2 mmdf = k = 36.5 mm

    C1 = 128000 kgfcm2 C2 = 0.352 x 10-5

    (1/kgf/cm2)2

    Fy = 2530 kgfcm2

    Fr = 700 kgfcm2

    A = 145 cm2

    Sx = 2880 cm3

    Zx = 3280 cm3

    Iy = 3430 cm4

    ry = 4.88 cmJ = 112 cm4

    Cw = 2981000 cm6

  • Solucin:

    Verificacin por pandeo local:

    Alas:

    Alma:

    La seccin es compacta, su resistencia est determinada por pandeo lateral

  • 2) Para Cb = 1.0

  • 3) Para Cb = 1.75

  • 4) Para Cb = 1.30

  • Miembros Solicitados Simultneamente a Fuerzas Normales y Flexin Introduccin

    Casi todos los miembros de una estructura estn sometidos a una combinacin de momento y carga axial. Cuando la magnitud de alguna de ellas es relativamente pequea, su efecto se desprecia y el miembro se disea como una viga, una columna axialmente cargada o un elemento a traccin. En muchas situaciones ningn efecto puede despreciarse y el diseo debe considerar el comportamiento del miembro bajo carga combinada.

    Como la flexin forma parte del juego, todos los factores considerados en ella aplican, particularmente los relacionados con estabilidad (pandeo lateral-torsional y pandeo local de elementos a compresin). Cuando la flexin se combina con traccin axial, se reduce el chance de inestabilidad y la fluencia usualmente gobierna el diseo. Para el caso de flexin combinada con compresin axial se incrementa la posibilidad de inestabilidad; adems cuando est presente la compresin axial, aparece un momento flector secundario, igual a la fuerza de compresin por el desplazamiento.

  • Frmulas de Diseo del LRFD

    Miembros simtricos solicitados por flexin y fuerza axial

    Los miembros de seccin simtrica solicitados simultneamente por fuerza axial y momentos flectores se dimensionarn para satisfacer los siguientes requisitos:

  • DEMANDA

    Nu: resistencia requerida en compresin o traccin (las cargas mayoradas en compresin o traccin)

    Mu: resistencia a la flexin. En el caso de la compresin se determina de un anlisis de segundo orden, elstico o plstico segn sea el diseo, usando cargas mayoradas.

    CAPACIDAD NOMINAL

    Nn: resistencia nominal en compresin o traccin. En el caso de la compresin se determina en base al concepto de longitud efectiva.

    Mn: resistencia nominal a la flexin.

  • Anlisis de Segundo Orden Debido a que no todos los programas de computadoras para el anlisis y el diseo de estructuras pueden hacer un anlisis real de segundo orden, en el caso de estructuras con conexiones totalmente restringidas se permite un anlisis simplificado a partir del anlisis elstico de primer orden para obtener el valor de Mu utilizando la siguiente frmula:

    MU = Bl Mnt + B2 Mlt

    Mnt: resistencia a la flexin requerida del miembro, suponiendo que no hay traslacin lateral del prtico.

    Mlt: resistencia a la flexin requerida del miembro debida solamente a la desplazabilidad lateral del prtico.

  • Mnt son los momentos obtenidos bajo cargas verticales, mientras que los momentos Mlt son los debidos al desplazamiento lateral del prtico. En prticos arriostrados y tambin cuando hay simetra de las cargas verticales y la geometra del prtico Mlt = 0. En cualquier otro caso existen los momentos de traslacin, Mlt, los cuales pueden obtenerse con el modelo que se muestra en la figura: restringir el desplazamiento lateral

  • del prtico para obtener las reacciones laterales en cada piso, R, y luego aplicarlas en cada piso adicionalmente a las cargas laterales existentes.

    Prtico y cargasde diseo =

    Prtico no desplazable

    para obtener Mnt +Prtico no desplazable

    para obtener Mlt

    MU = Bl Mnt + B2 Mlt

  • Cm = coeficiente que se basa en un anlisis de primer orden suponiendo que no hay desplazabilidad lateral del prtico y cuyo valor es:

    a) Para miembros comprimidos pertenecientes a prticos arriostrados lateralmente y no solicitados por cargas transversales entre sus apoyos en el plano de la flexin:

    Cm = 0.6 - 0.40 ( M1 / M2 )

    M1 / M2 es la relacin del momento menor al momento mayor en los extremos no arriostrados en el plano de flexin considerado.

    M1 / M2 es positivo cuando la flexin produce contracurvatura y es negativo en curvatura simple.

    b) Para miembros en compresin de prticos arriostrados contra la traslacin y solicitados por cargas transversales entre sus apoyos:

    Cm = 0.85 en miembros cuyos extremos estn restringidos contra la rotacin.Cm= 1.0 en miembros cuyos extremos estn articulados.

  • L es la longitud real no arriostrada en el plano de flexin y K es el factor de longitud efectiva en dicho plano, calculado considerando el prtico con desplazabilidad impedida, K < 1.0. Se puede tomar K = 1.

    Para B2 hay dos expresiones. La diferencia entre ambas no es significativa a nivel de diseo y no afecta sustancialmente los resultados; diferencias de 41% en el valor de B2 se traducen en una diferencia de 9.57% en el resultado final.

  • PrediseoEl Prof. Joseph Yura de la Universidad de Texas ha propuesto las siguientes expresiones para el prediseo de secciones bajo solicitaciones combinadas de carga axial y momentos. En general se usar la frmula de la

    carga equivalente, Neq

    Salvo que los efectos de momentos sean predominantes, lo que ocurre cuando la carga axial es pequea, en cuyo caso es preferible usar la frmula del momento equivalente.

    En ambas frmulas las dimensiones del perfil, d y bf deben expresarse en metros, Nu en tf y Mu en m-tf para que la carga o el momento equivalente resulten en tf m-tf, respectivamente. Los valores de d y bf pueden estimarse como:

    Siendo L la luz o altura del miembro; d la altura total de la seccin y bf el ancho de las alas.

  • Consideraciones sobre el Procedimiento de Anlisis y Diseo

  • Ejemplo 1

  • Ejemplo 2Se muestran los resultados de un anlisis de primer orden alrededor del eje de mayor momento de inercia. La columna de 4.60 metros de altura, pertenece a un prtico simtrico, con cargas verticales simtricamente aplicadas.

    kX= 1.2 para los casos de desplazabilidad lateral permitidakX= 1.0 para los casos de desplazabilidad lateral impedida kY = 1.0 para todos los casos.

  • DATOS DEL PERFIL

    d = 310 mmbf= 300 mmtW = 10 mmtf = 15 mmA = 81.8 cm2

    IX = 22000 cm4

    IY = 6750 cm4

    rX = 16.40 cmry = 4.42 cm

    = 1.0

    Acero tipo A36Fy = 2530 kgf/cm2

    Cargas por viento Cargas de servicio

  • Solucin:

    Combinaciones de carga

    1) 1.4 CP2) 1.2 CP + 1.6 CV3) 1.2 CP + (0.5CV 0.8W)4) 1.2 CP + 1.3 W + 0.5 CV5) 1.2 CP + 0.5 CV6) 0.9 CP 1.3W

    Las combinaciones crticas son la 2 y la 4

    Para la combinacin: 1.2 CP + 1.6 CV

  • Para la combinacin: 1.2 CP + 1.6 CV

    N = 1.2 (10) + 1.6 (35)N = 68.0 tf

    MSUP = 1.2 (1.52) + 1.6 (4.28)MSUP = 8.672 tf-m

    MINF = 1.2 (1.80) + 1.6 (5.12)MINF = 10.352 tf-m

  • Demanda por flexin:

    Demanda por flexin:

  • Clculo de Cb

  • Capacidad por carga axial:

  • Captulo 7.

    Conexiones SoldadasConexiones, Juntas y Conectores

    Cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La soldadura es una de esas maneras y la otra es por medio de pasadores, como remaches o pernos.

    Una conexin es el conjunto de elementos que unen cada miembro estructural a la junta: placas o ngulos por patines o alma, soldaduras, tornillos. Una junta es la zona completa de interseccin de los miembros estructurales. En la mayora de los casos, esta zona es la parte de la columna que queda comprendida entre los planos horizontales que pasan por los bordes superior e inferior de la viga de mayor peralte, incluyendo atiesadores y placas de refuerzo del alma, cuando los haya.

    Se conoce como soldadura el proceso de unin de partes metlicas mediante la aplicacin de calor con o sin adicin de otro metal fundido

    Existen dos procedimientos generales de soldadura: soldadura con gas y soldadura por arco elctrico. En las edificaciones de acero, casi toda la soldadura estructural es por arco.

  • Procedimiento para Soldar Se conoce como soldadura el proceso de unin de partes metlicas mediante la aplicacin de calor con o sin adicin de otro metal fundido.

    Procedimiento para soldar

    Existen dos procedimientos generales de soldadura: soldadura con gas y soldadura por arco elctrico. En las edificaciones de acero, casi toda la soldadura estructural es por arco.

    En la soldadura por arco se forma un arco elctrico entre las piezas que se sueldan y el electrodo. El arco es una chispa continua, entre el electrodo y el metal base, provocando la fusin de ambos con temperaturas que oscila entre 5000 grados centgrados, en el acero cerca del arco, hasta unos 1900 grados.

    El tipo de electrodo que se utiliza es muy importante, ya que afecta las propiedades de la soldadura, tales como la resistencia y ductilidad.

  • ElectrodoPunto de Cedencia

    Ruptura por Tensin

    E60 3150 kgf/cm2 4220 kgf/cm2

    E70 3500 kgf/cm2 4920 kgf/cm2

    El material del electrodo es especificado en varias normas de la American Welding Society (AWS) y es resumido en la tabla anterior. La designacin como E60XX o E70XX indican 60 ksi y 70 ksi como esfuerzo a la traccin. Las X se refieren a factores como las posiciones adecuadas para soldar, tipo de revestimiento y caractersticas del arco. En general el acero A36 puede ser soldado exitosamente con electrodos E60XX o E70XX.

    Otro tipo de proceso es la soldadura por arco sumergido. En este proceso el arco se cubre con material fusible granular por lo que queda oculto. La soldadura por arco sumergido tiene una mayor penetracin, por lo que el rea efectiva para resistir carga es mayor.

    Tipos de Juntas Soldadas

  • Los tipos de juntas dependen de factores como el tamao y forma de los miembros que forman la junta, el tipo de carga, la cantidad de rea en la junta disponible para soldar y el costo relativo de varios tipos de soldaduras. Existen cuatro tipos bsicos de juntas soldadas, aunque en la prctica se consiguen muchas variaciones y combinaciones. Estos cuatro tipos bsicos son: a tope, a solape, en te, en esquina y juntas de extremo, como se muestra en la Figura.

    a) Junta a Topeb) Junta a Solape

    c) Junta en Te

    d) Junta de Esquina

    Figura 1. Tipos Bsicos de Juntas Soldadas

    Clasificacin de las Soldaduras Los cuatro tipos de soldadura son:

  • Soldadura acanalada Soldadura de filete Soldadura de ranura Soldadura de tapn

    a) Soldadura Acanalada b) Soldadura a Filete

    c) Soldadura de Ranura

    d) Soldadura de Tapn

    Figura 2. Tipos de Soldadura

    Los dos tipos principales de soldaduras son: la de ranura y la de filete. Las soldaduras de tapn y de canal son menos comunes en el trabajo estructural.

    Soldadura de Ranura

  • Cuando la penetracin es completa y las soldaduras de ranura estn sujetas a traccin o compresin axial el esfuerzo en la soldadura se calcula dividiendo la carga entre el rea neta de la soldadura.

    El refuerzo es metal de aportacin que hace mayor la dimensin de la garganta que la del espesor del material soldado y se utilizan para aportar cierta resistencia adicional ya que contrarresta los poros y otras irregularidades y porque al soldador se le facilita realizar una soldadura un poco ms gruesa que el material soldado.

    Las soldaduras de ranura se usan cuando los miembros que se conectan estn alineados en el mismo plano y las uniones estn normalmente sujetas a esfuerzos directos de traccin o compresin. Ofrece mayor resistencia que la de filete; sin embargo la mayora de las uniones estructurales soldadas deben resolverse a filete.

    Soldadura de FileteLos cordones de soldadura a filete A estn cargados en corte longitudinal y el cordn B est cargado en corte transversal. Si se incrementa la

  • fuerza Ru hasta que exceda la resistencia de las soldaduras, la ruptura ocurrir en los planos de menor resistencia. Se asume que esto sucede en la garganta de la soldadura donde se presenta la menor rea transversal. Pruebas de soldadura a filete utilizando electrodos compatibles han demostrado que la soldadura falla a travs de su garganta efectiva antes que el material falle a lo largo del lado del cordn.

    Figura 3. Soldadura a Filete

    Las soldaduras de filete son ms resistentes a la traccin y a la compresin que al corte, de manera que los esfuerzos determinantes son los de corte. Este tipo de soldadura falla por corte en un ngulo de aproximadamente 45 grados a travs de la garganta.

    La dimensin efectiva de la garganta de una soldadura de filete es, nominalmente, la distancia mas corta desde la raz a la cara de la soldadura. Si se asume que la soldadura de filete tiene lados iguales de tamao nominal a, la garganta efectiva es igual a 0.707a. Si la soldadura a filete se disea para ser asimtrica (una situacin rara), con lados desiguales, el valor de te debe calcularse de la forma de la soldadura. LRFD modifica las dimensiones efectivas de la garganta para cordones de soldadura a filete hechos con el proceso de arco sumergido (SAW), para tomar en cuenta la calidad superior de dichas soldaduras:

  • a. Para cordones de soldadura a filete con el tamao nominal menor o igual a 3/8 (10 mm), la dimensin efectiva de la garganta se tomar igual al tamao nominal w.

    b. Para cordones con tamao nominal mayor que 3/8 la dimensin efectiva de la garganta se tomar como 0.707w + 2.8 mm (0.11 in).

    a) b)

    Figura 4. Dimensiones Efectivas de la gargantapara soldadura a filete

    El rea efectiva de un cordn de soldadura a filete AW es el producto de la longitud efectiva del cordn de soldadura por la dimensin efectiva de la garganta.

    Procedimiento de Diseo de Conexiones Soldadas

    Seleccionar el proceso de soldadura y el electrodo correspondiente (Ver Tabla 18.2 de la Norma 1618).

  • De acuerdo con su geometra y espesor de los materiales a unir, definir el tipo de unin.

    Por razones prcticas se escoge un dimetro de electrodo el cual depositar un espesor constante de soldadura. Para definir la capacidad o resistencia de agotamiento de la soldadura, debe calcularse su longitud.La capacidad de la soldadura se calcula como:

    En el caso particular de la soldadura de filete:

    Seleccionar el tamao del filete. Con el tamao del filete escogemos el valor de correspondiente

    (ver Tabla). En el caso particular de corte en el rea efectiva de la soldadura,

    verificar que no exceda la resistencia de los elementos que se conectan:

    La longitud de clculo de la soldadura ser:

  • Diseo de Soldadura de Filete para Miembros de Armadura

    Los miembros de una armadura soldada consisten de ngulos simples o dobles, u otros perfiles como canales, perfiles tubulares; y estn sujetos solamente a cargas axiales estticas. Las especificaciones de la Normas aceptan que sus conexiones se diseen mediante los mismos procesos descritos anteriormente.

    El proceso consiste en seleccionar el espesor de la soldadura, calcular la longitud total de la soldadura necesaria y colocar los cordones de soldadura alrededor de los extremos de los miembros de acuerdo al siguiente criterio:

    Si el miembro conectado es simtrico, las soldaduras se colocarn simtricamente. Si el miembro no es simtrico, la soldaduras no deben ser simtricas.

  • Ejemplo 1

    Para la conexin mostrada se debe disear la soldadura a filete para que resista la carga de resistencia plena de la placa de 3/8x10 cm, usando acero A36 y electrodo E70.

    Solucin:

    Resistencia de la placa:

    Estando el cordn de soldadura en la misma direccin de la aplicacin de la fuerza, se encuentra sometido a esfuerzos de corte, por lo que la resistencia de diseo del cordn ser:

  • Usando segn dato: electrodo E70 en la Tabla:

    ElectrodoPunto de Cedencia

    Ruptura por Tensin

    E60E70

    3150 kgf/cm2

    3500 kgf/cm24220 kgf/cm2

    4920 kgf/cm2

    FEXX = 4920 kgf/cm2

    Los tamaos mximos que pueden utilizarse a lo largo de las partes conectadas se encuentran definidos en la seccin 23.9.2.2 de la Norma COVENIN 1618-1998, donde se dan los siguientes valores:

    En los bordes de los materiales de menos de 6 mm de espesor, no mayor del espesor del material.

    En los bordes de los materiales de 6 mm o ms de espesor el tamao mximo ser 2 mm menor que ese espesor, a menos que se seale especialmente en los planos que la soldadura ha de ser reforzada hasta obtener un espesor de garganta total. En estas condiciones de soldadura, la norma permite que la distancia entre el borde del metal base y la garganta de la soldadura sea menor de 2 mm, siempre que el tamao de las soldaduras sea claramente verificable.

    En las soldaduras entre ala y alma y conexiones similares, el tamao de la soldadura no necesita ser mayor que el requerido

  • para desarrollar la capacidad del alma ni satisfacer los requisitos de la Tabla.

    Tamao mnimo de soldadura a filete (COVENIN 1618-1998):

    Dmin = 5 mm

    Usar D = 7.5 mm

    Espesor efectivo de la garganta:

  • Segn 23.9.2.6. Norma Covenin 1618-98, los remates no deben ser menor que 2 veces el tamao de la soldadura.

    Remates: 2 x D = 2 x 7.5 mm = 1.5 mm.

  • Ejemplo 2 Disear la soldaduras de filete para el miembro en traccin de una armadura constituido por un ngulo de 100x100x10 mostrado en la Figura. Usar acero PS-25, electrodos E70 y proceso de soldadura por arco sumergido.

  • Smbolos de la Soldadura Los tipos de juntas dependen de factores como el tamao y forma de los miembros que forman la junta, el tipo de carga, la cantidad de rea en la junta disponible para soldar y el costo relativo de varios tipos de soldaduras. Existen cuatro tipos bsicos de juntas soldadas, aunque en la prctica se consiguen muchas variaciones y combinaciones. Estos cuatro tipos bsicos son: a tope, a solape, en te, en esquina y juntas de extremo, como se muestra en la Figura.

    Smbolo de soldadura Soldadura deseada

    En el caso de soldaduras intermitentes, se indica primero la longitud del filete seguida de la distancia entre centros de filetes adyacentes. Si los filetes estn intercalados a un lado y al otro, se desplaza el smbolo de soldadura de uno de los lados.

  • Captulo 8.

    Conexiones ApernadasConexiones, Juntas y Conectores

    Las conexiones apernadas presentan ciertas caractersticas que las hacen ms o menos apropiadas dependiendo de la aplicacin. Las principales ventajas de las conexiones apernadas estn en la rapidez de ejecucin, el bajo nivel de calificacin requerido para construirlas, la facilidad de inspeccin y reemplazo de partes daadas y la mayor calidad que se obtiene al hacerlas en obra comparadas con conexiones soldadas. Entre las desventajas se pueden mencionar el mayor trabajo requerido en taller, lo que puede significar un costo ms alto: el mayor cuidado requerido en la elaboracin de los detalles de conexin para evitar errores en la fabricacin y montaje; la mayor precisin requerida en la geometra, para evitar interferencias entre conectores en distintos planos; el peso mayor de la estructura, debido a los miembros de conexin y los conectores y, el menor amortiguamiento.

    Pernos Estructurales

    Cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La soldadura es una de esas maneras y fu tratada en el tema anterior. La otra es por medio de pasadores, como remaches o pernos. En este tema

  • trataremos principalmente sobre pernos, en particular, pernos de alta resistencia.

    Pernos de alta resistencia

    Los dos tipos bsicos de pernos de alta resistencia son designados por ASTM como A325 y A490. Estos pernos tienen cabeza hexagonal y se usan con tuercas hexagonales no terminadas. Pernos A325 son de acero con mediano contenido de carbono, tratados al calor, su esfuerzo a la fluencia vara aproximadamente entre 5700 a 6470 kgf/cm2, dependiendo del dimetro.

    Los pernos A490 son tambin tratados al calor, pero son de acero aleado con un esfuerzo de fluencia de 8085 a 9140 kgf/cm2, dependiendo del dimetro. Los pernos A449 son usados ocasionalmente cuando se necesitan dimetros mayores de 1" hasta 3".

    Los pernos de alta resistencia tienen dimetros entre " a 1". Los dimetros ms usados en construccin de edificios son 3/4" y 7/8", mientras los tamaos ms comunes en diseo de puentes son 7/8" y 1".

  • Comparacin entre los distintos grados de pernos hexagonalespara uso estructural, a Traccin Directa

    Los pernos A307 son hechos de acero de baja resistencia (acero con bajo contenido de carbono) y son los pernos mas baratos, sin embargo, producen las conexiones ms costosas porque se requerirn muchos ms para una conexin en particular. Su uso principal es en estructuras livianas, secundarias, miembros de arriostramiento u otras situaciones donde las cargas son pequeas y estticas por naturaleza. Estos pernos generalmente vienen con cabeza y tuerca cuadradas y se conocen como pernos comunes

  • La capacidad resistente al corte est controlada por el rea resistente ms que por la ubicacin misma del plano de corte. Cuando el plano de corte pasa por el cuerpo del perno, la capacidad resistente y de deformacin se maximiza y cuando pasa por la parte roscada se minimiza.

    Las grficas son por dems elocuentes sobre la prohibicin del re-uso de los pernos A490 y al cuidado en la re-utilizacin de los pernos A325

  • Los pernos de alta resistencia se aprietan para que desarrollen un esfuerzo a traccin especificado, lo que resulta en una fuerza sujetadora predecible en la junta. Por lo tanto, la transferencia de cargas de servicio a travs de una junta es debida a la friccin entre las piezas que se unen. Las juntas formadas por pernos de alta resistencia se pueden disear de dos maneras:

    Conexiones crticas a deslizamiento (tipo de friccin), donde se desea una alta resistencia a deslizamiento bajo cargas de servicio.

    Conexiones tipo aplastamiento, donde no es necesaria una alta resistencia a deslizamiento bajo cargas de servicio.

  • Fuerzas presentes en una unin resistente al deslizamiento.

  • El deslizamiento entre las partes conectadas de una unin slo se obtiene cuando el vstago del perno toma contacto con el borde de la perforacin. En este estado de deslizamiento total, la carga es transferida por corte y aplastamiento sin la intervencin de la pretraccin del perno.

    Inicialmente, la tensin est concentrada en el punto de contacto, pero el incremento de la carga resultar en una distribucin ms uniforme.El perno mismo tambin soporta esta tensin, pero usualmente no se considera ya que por evidencia experimental la falla por aplastamiento solo puede ocurrir cuando las planchas sean de acero de mayor dureza que la del perno, cosa que normalmente no ocurre.

    Los modos de falla por aplastamiento depende de factores geomtricos, del dimetro del perno y de el espesor del material a unir. A menudo la falla se produce por corte o desgarramiento de la plancha despus de una gran deformacin frente a la perforacin.

  • Posibles Modo de Falla en Uniones Empernadas

    Para prevenir que uno o ms de los modos posibles de falla se hagan presente, se debe proveer un nmero adecuado de pernos, con las separaciones entre conectores, distancias a los bordes, longitudes de pernos y dems exigencias geomtricas recomendadas por las Especificaciones; todo ello presuponiendo que tanto el proceso de fabricacin como el de montaje satisfacen lo requerimientos de calidad.

  • Resistencia Nominal de Pernos Individuales

    La norma AISC reconoce dos categoras generales de requerimientos de comportamiento para conexiones con pernos de alta resistencia: conexiones crticas al deslizamiento y conexiones tipo aplastamiento. La diferencia bsica entre los dos tipos es la hiptesis de deslizamiento que ocurre bajo cargas de servicio, lo que resulta en el uso de valores de resistencia nominal diferentes.

    El tipo de conexin crtica al deslizamiento asume que no debe existir deslizamiento bajo condiciones de cargas de servicio y que la transferencia de la carga a travs de la conexin se realiza mediante las fuerzas de agarre generadas entre las placas que se conectan. Este tipo de conexin es principalmente usada en estructuras que tienen casos con cargas altas de impacto o cuando no se desea deslizamiento en la junta.

    Las conexiones tipo aplastamiento asumen deslizamiento solamente bajo cargas muy altas. Si este deslizamiento ocurre la junta transferir las cargas a travs de corte en los pernos y aplastamiento de las placas. Este tipo de conexin es usada para estructuras menos susceptibles a impacto, reversiones de carga o vibraciones.

    La resistencia de diseo de pernos individuales es determinada de

    acuer