54984_Diseno de Acero Estructural

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La presente obra aborda los siguientes temas: - Consideraciones generales de diseño - Elementos de diseño de marcos, armaduras y , puentes. - Comportamiento elástico, plástico y por pandeo del acero estructural - Diseño de vigas a flexión - - Diseño de miembros a tensión - Columnas y puntales axialmente cargados - Diseño de vigas-columnas - Conexiones atornilladas y remachadas - Conexiones soldadas • Trabes armadas - Apéndice. Selección de programas de computadoras

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La presente obra aborda los siguientestemas:- Consideraciones generalesde diseo- Elementosde diseode marcos, armaduras y ,puentes.- Comportamiento elstico,plstico y por pandeodel acero estructural- Diseode vigasa flexin-- Diseode miembrosa tensin- Columnas y puntales axial mente cargados- Diseode vigas-columnas- Conexiones atornilladas y remachadas- Conexiones soldadas Trabes armadas- Apndice. Seleccinde programas decomputadorasDISEO DE ACEROESTRUCTURALJOSEPHE. BOWLESCatedrtico de Ingeniera Civilen BradleyUniversity~ LlMUSA G R ~ ~ ~ E ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ' a . ArgentinalB Colombia. Puerto RicoVersin autorizada en espaolde la obrapublicadaen inglsporMcGraw-Hill Book Company, con el titulo:STRUCTURAL STEELDESIGN, 1980 by McGraw-Hill, Inc.ISBN 0-07-006765-1Versin espaola:CARLOSALBERTOGARCIA FERRERIngeniero Quimico e Ingeniero Civilde la Universidadde LaHabana,Cuba.Revisin:JOSEDE LA CERAALONSOIngeniero Civil de la Facultad de Ingenierade la UniversidadNacional Autnoma de Mxico, UNAM.Diplom-Ingenieurde la Universidad Tcnica deMunich, AlemaniaFederal. Profesor de TiempoCompletoe Investigadordel Departamento de Ma-teriales de la UniversidadAutnoma Metropolitana.Conla colaboracin de:ENRIQu'E MARTINEZROMEROIngenieroCivil de la Facultad de Ingenierade la UniversidadNacional Autnoma de Mxico, UNAM.Maestraen Ciencias de la UniversidaddeComel!, EstadosUnidos. Profesor del Area deEstructuras de la Facultad de Ingeniera de laUNAM y Profesor de Estructuras Metlicas en laEscuela deIngeniera de la UniversidadAnhuac.Consultor en Ingeniera Estructural.Lap"'sentaci6n y disposici6nen conjuntodeOIsERoDEACERO ESTRUCTURALson propiedaddel editor. Ningunaparte de esta obtapuede ser reproch.cif,M optmsmiticla. medianteningtJn sistemao mtodo. electrnico 'o mecnico(INCLUYENDO ELFOTOCOPIADO.la gtabacino cualquiersistemadefflCUp9ff1Ci6n y almacenamientode informacin). sin consentimiento por escritodel editor.Derechosreservados: 1993, EDITORIALL1MUSA, S.A. deC.V.GRUPONORIEGAEDITORESBalderas95, C.P. 06040, Mxico. Q.F.Telfono521-21-05Fax 51229-03Miembrode la Cmara Nacional de la IncJustaEditoal Mexicana.Registronmero121Primera edicin: 1984Pmerareimpresin:1989Segundareimpresin: 1991Tercerareimpresin:1992Cuarta reimpresin: 1993Impresoen Mxico(11996)ISBN968-18-1623-4'PROLOGOEl propsito principal de este librode texto es exponer los temas bsicos para unprimer curso en diseo de acero estructural. El texto contiene elementos de diseotantodeedificios comodepuentes, parausarloenlasecuenciade ingenieraestructural de los programas de ingenieria civil. Si el instructor quisiera hacer n-fasis eh las estructuras de edificios, el texto tambin es apropiado como introduc-cin al diseode aceroestructural en los programas de arquitectura.Se le da aproximadamente igual importancia a las unidades pie-lb-s y SI.Seutilizan en la exposicin de los temas ambos sistemas de unidades; los problemaspresentados como ejemplo y los que se dan para que los resuelva el alumno estn10mismoen un sistema de unidades que en el otro.Se adopt este formato des-pus de entrevistar y consultar a algunosmiembrosde la facultad y especialistasde distintas industrias afines, que se interesan en este tema. Se acord que en eltexto se deban seguir usando ambossistemas de unidades, ya que la transicin alas unidades mtricasnoocurre en la industria de la construccin con la mismarapidezque en otras reas de la ingeniera. Parece que es necesario este uso dualpara proporcionar tanto al estudiante como al instructor con la comprensin nece-sariade 10que representan tanto para el estudiante como para el profesor, el ta-mao razonable de un miembro (nmero), deflexin,o cualquier otro parmetrode diseo, en ambas sistemas de unidades.La instruccin prctica en el uso de las unidades SI requiere utilizar datosdediseo,y corno ninguno de ellos era de fcil obtencin, se ha reunido un juego de5ti PROLOGOtablas con datos de secciones de acero laminado, como suplemento del texto;es-tos datosse calcularon usando computadoras. Estastablas por lo general se ajus-tana las especificacionesde la AISCy la A-6 de la ASTM. Este grupo de datostambin incluye material elaborado conbase en las especificaciones de la AISC,AASHTO, y AREA. Se espera que este texto, junto con el manual suplementarioStructura/Stee/Design Data(SSDD), sean los instrumentos necesarios para un cur-so de diseo de acero, sin necesidad de ninguna otra obra de consulta. El materialpresentado en el cursodebe ser suficientepara permitir a los estudiantes disearmiembros estructurales de rutina (y algunos no tan de rutina), ya sea en las unida-des p, lb, s o SI, y usando cualesquiera de las tresespecificaciones de diseodeacero que es ms probable que controlen el diseo -al menos en la prctica en losE.V.A.- Los problemas especializados por lo general no se presentan en el aula, ypara estos casos (as como la prctica de diseo en las oficinas de ingeniera y paraotros trabajosnoacadmicos), el lector debe obtener, de laagenciacorrespon-diente, unacopiade las ltimasespecificaciones.Se ha usado la computadora digital como auxiliar en el diseo, de modo algointeractivo (por medio del procesamiento en lotes) para la parte de diseo del cur-so de diseo de acero. Se ha visto que el uso de la computadora en los cursos dediseo de acero es unade las mejores experiencias acadmicas para el estudiante,porque los ayuda a adquirir rpidamente experiencia en el rea del comportamien-to estructural. Esto puede ser por accidente (al perforar de manera equivocada losdatos sobre el mdulo de elasticidad, rea transversal de la seccin, o el momentode inercia de un miembro) o por la repeticin de un problema de diseo en el quese cambian las dimensiones de los miembros segn lo indiquen los resultados de lacomputadora. En cualesquiera de los casos, los estudiantes perciben con facilidadlos efectos de la seccin del miembro sobre el comportamiento estructural. El usode los programas de computadora permite obtener este resultado con slo una pe-quea cantidad detrabajoporparte del estudiante, y sinnecesidaddeescribirprogramas.En el Apndice del texto se da una lista de algunos programas de computado-ra, para el uso de quienesnousen ya la computadora comoauxiliar del diseo.Estosprogramas sonrelativamente simples, peroeficaces, y se pueden perforarfcilmenteen tarjetaspara serusadasenunsistemalocal decomputadoras. Seusa el mtodo de reduccin del anchode banda a fin de que sean mnimos los re-querimientos de capacidad de la computadora. El autor puede suministrar estosprogramas en cintas, al costo de la misma, la reproduccin y los gastos de envo,para cualquier persona queuse actualmente este texto en lasaulas.No se ha tratado de citar, o promover el uso de calculadoras programables demesa, para simples tareas, como son el diseo de vigas o columnas, debido a la di-versidaddedispositivosdisponibles(porejemplo, HP, TI, Sharp, Casio, etc.),cada unode los cuales requiere un mtodo diferente de programacin y adems acausa de los continuos y rpidos cambios en las tcnicas. Para dar una lista de losmltiples programas necesarios para el empleo de las diversas calculadoras, se hu-biese necesitado demasiado espacio de esta obra, en detrimento del estudio de te-masms importantes.PROLOGO 7El texto trata de establecer un equilibrio entre la teora y la "manera de pro-ceder". El tratamiento de los temas no es lo suficientemente complejo como paraoscurecer las bases, pero tiene la suficiente profundidad para que el lector conoz-ca el origen de las ecuaciones de diseo que aparecen en las varias ecuaciones. Al-gunas de estas ecuaciones se deducentotal o parcialmente, de modo que el lectorse d cuenta de sus limitaciones. Tambin se da unaexplicacin razonablementedetallada de los problemas bsicosdel diseo y los ejemplosilustrativos se efec-tan por lo general paso por paso. Con este formato, los estudiantes deben ser ca-paces de resolverlos problemas de diseoms complejosanivel profesional, yobtener solucionesde diseopara los problemas asignadospara resolverlos porsu cuenta.Se citadirectamente en el textola bibliografa apropiada para aquelloste-mas cuyo tratamiento sea limitado peroque sean lo suficientemente importantescomo para que el lector desee estudiar el asunto con mayorprofundidad. Por logeneral, la inclusinde referenciasse acostumbra ms en la prctica profesionalque a nivel escolar. La experiencia adquirida por el autor durante la enseanza devarios aosde diseode acero, indica quela mayora de los estudiantes del pri-mer cursode diseose interesaprincipalmente en aprender cmo disearlos di-versos tipos demiembros estructuralesquese les asignarnparasu trabajoencasa o en el laboratorio. En este punto de su desarrollo profesional no estn dema-siado interesados en las consideraciones tericas ni en los extensos trabajos de la-boratoriodelosinvestigadores ytericos, que han producidolasecuacionesactualesde diseo.La complejidad de las ecuaciones de diseo semitericas y empricas, ademsdelanaturalezadel diseoestructural ysuntimarelacinconlasespecifica-ciones y cdigos de diseo, hace necesario adoptar unaactitud definida sobre elenfoque que se debe utilizar al ensear el diseo de acero. Es esencial presentar alque los va a usar un juego de datos hipotticos (o reales) y realizar un diseo co-moilustracin. Se presumequelos estudiantes tienenpreparacin suficienteenlas secuencias bsicas de ingeniera y matemticas,para poder apreciar lo que seha ilustrado,y luego se les ensea a aplicar los pasos en un problema semejantepara as adquirir confianza y, basndose en los problemas ilustrativos extrapolar,conunmnimode supervisin, aunproblema donde los parmetros de diseosean considerablemente diferentes.En los problemas de ejemplo se introducen como apropiados, factoresprc-ticos y de fabricacin. Se consideran, en varias secciones, la separacin de los su-jetadores, ladistancia alborde, losespacioslibresparael montaje, distanciasnormales de paso, paso de rosca, y mantenimiento. Esto da al usuario un panora-ma de los problemas de fabricacin y otras consideraciones prcticas. Adems detodo esto, el texto tienenumerosas fotografas, complementadasconcroquisde los elementos y conexiones estructurales, lo que debe ser de ayuda particular alprincipiante. El lector debe complementar dichas ilustraciones con la observacinde armaduras de aceroen proceso de construccin. Lasfotografasse tomaronespecialmente para este libro, para mostrar las caractersticas individuales de lasestructuras segn se vayan estudiando a lo largode la obra.8 PROLOGOEn el captulo 3 se describe brevemente el diseo plstico, junto con los con-ceptos bsicos de la teora de placas. Se procede de este modo a fin de referir efi-cazmenteal captulo 3 las ecuaciones que tienensu origen en el diseo plsticoola teora de placas, lo que representa un ahorro de espacio en el texto. No se hacehincapien los mtodos de diseoplstico por dosrazonesbsicas: no hay sufi-ciente tiempo en unprimercursopara cubrir apropiadamente el tema, y ademsparece ser que, en la prctica profesional se prefiereel diseoelstico.El autor se ha apartado de la tendencia actual en estos librospara reflejar elformato que se incorpor en algunosde los textossobreaceropublicados en losaos cincuenta. Este formato incluye el uso de simples ejemplos ilustrativos, don-dese enunciansencillamente losdatos dediseo, as comoejemplosdediseoms realistas. Estos ejemplos se analizan en el captulo 2 usando la computadora,y se dejan algunosmiembros para ser diseados en captulos posteriores. El usode ejemplos sencillos le da al lector una rpida comprensin de los objetivos gene-rales de la exposicin. Se usan ejemplos de diseo ms detallados para dar un sen-tidode realismo e indicar claramente que el diseo del acero no es slo asunto demanipular nmeros. En cada ejemplo se comenta razonablemente el anlisis utili-zado.Considerando las restricciones de tiempo en las clases, un diseo de-acero de-be ser tan realista como sea posible. Por esta razn se alienta al alumno a proce-sar cualesquiera de los problemas de diseo estructural, asignados en el captulo 2,en los captulos posteriores, rediseando los miembros segn fuere necesario y re-calculando una y otra vez el problema para determinar el tamao de losmiembros antes de llegar a disear las conexiones, en los captulos 8 y 9. Se puedecrear un falso sentido de seguridad en lo que respecta a la complejidad real del di-seo estructural, y hasta de la manera como se llega a las cargas de diseo, si se ledansimplemente al alumno las cargas para cada problema de diseo. Se debe re-conocer que losproblemas dediseo ms realistas requierenmayor esfuerzofsico y mental de parte del alumno y un mayor esfuerzo de clasificacin de partedel instructor. Sepuede compensar un poco este esfuerzo asignando menosproblemas totales, pero incluyendo algunos en que se suministran las cargas, paraaumentar la confianza, y algunoscon problemas de diseo, para aumentar la pe-riciaen el diseo.El siguienteprograma podra ser apropiado para el sistemade semestres:3 horas semestre. Tratamiento rpido de los captulos 1 y 3, con el captulo 3asignadocomo lectura. Un tratamiento razonable de los captulos 4 a 10. Tal vezdossemanasen cada unode los captulos 4,7,y10.4horassemestre. Tratamientorpido dlos captulos1 y 3. Dossemanaspara los captulos 2, 4, 7, y 10, seguidos por el diseo real de la estructura de un edifi-. cio y un puente de armadura para carreteras, o un edificio industrial, basndose enlos anlisis del-captulo 2. Una de las estructuras se debe calcular en unidades p,lb, sy la otra en unidades SI. Se debe llevar una libreta de notas del diseo, donde semuestren los clculos y las entradas y salidas de la computadora. Tambin se acon-seja que se labore en grupos, con un mximo de cuatro estudiantes en cada grupo.AGRADECIMIENTOSMuchas personasy organizacionesproporcionaron considerableapoyoy ayudaen la preparacin de este libro. Primeramente quisieraexpresar mims sinceragratitud al Dr. PeterZ.Bulkeley, Decanode Ingeniera y Tecnologa de la Uni-versidad de Bradley, que me concedi la licencia necesaria en mis labores docen-tes.Tambinquisiera dar gracias a Mr. Andrew Lally y Mr. FranckStockwell,Jr., de la AISC, quienes me suministraron una copia preliminar de las nuevas es-pecificaciones de la AISC y quienes me dedicaron el tiempo necesario para revisarjuntoconmigolasmodificaciones msimportantes. Mr. Lallytambinsumi-nistrprovechosainformacinsobre cmorealizar las conversiones aunidadesSI. Mr. Robert Lorenz, de la OficinaRegional de la AISCen Chicago, tuvo lagentileza de proporcionarme las correcciones ms recientes para los cambios preli-minares en las especificaciones.LascorporacionesBethlehemy laUSSteel fueronmuyamablesalsumi-nistrar copias de los nuevos perfiles de sus seccionesde acero, casi un ao antes dequetuvierancarcteroficial; estopermitiadelantarel trabajode clculoporcomputadora de las tablasdel Structura/ Stee/ Design. Doy particularmente lasgracias a Mr. RolandGrahamde la US Steel, quin revis cuidadosamente sec-ciones escogidas del manuscritoy todoel manualde datosde acero, e hizo muytiles sugerencias e indicaciones.Doy mis ms expresivas gracias al Dr. Eugen Chesson, del Departamento deIngeniera Civil de la Universidad de Delaware, por su gran ayuda al revisar congran cuidado los manuscritostanto preliminarescomofinales del libro. Graciastambin al Dr. T. V. Galambos, del Departamento de Ingeniera Civil de la Uni-versidad de Washington, San Luis, quien revis el material de diseo para el fac-torde resistencia de carga.El autor tambindesea expresarsu agradecimientoa Mr. Gary Zika, inge-nierodeconstruccindelaPittsburg-DesMoinesSteel Company, unantiguoalumno en Bradley, quien ayud a conseguir muchas de las fotografas usadas enel texto.Finalmente, doy gracias a mi esposa Faye, que ayud a mecanografiar el ma-nuscrito, verific las cifras y las orden y, lo que es ms importante, fue pacienteconmigo durante esos difciles momentos.Joseph E. Bow/es9PrlogoCONTENIDO5Captulo 11-11-21-31-41-51-61-71-81-91-101-111-121-131-141-15Captulo 22-12-2Consideraciones generales de diseoTipos de estructurasProcedimientos de diseoElacero comomaterialestructuralProductos de aceroResistencia del aceroEfectos delatemperatura en el aceroCdigos dediseo estructuralCargas deconstruccinCargas sobre lospuentes de carretera yferrocarrilCargas de impactoCargas ssmicasFatigaEstructurasdeaceroExactitud delosclculosy delascomputadoraselectrnicasClculos deingeniera estructuralenunidades SIElementosde diseode marcos, armadurasypuentesMtodosdeanlisisAnlisis devigas111717181922252731334248505659656571717512 CONTENIDO2-32-42-52-62-72-82-92-102-11Estructuras determinadasAnlisisde armadurasAnlisisde marcosrgidosAnlisisde puentesElprograma de computadora quese presenta en elApndiceLamatriz PCondiciones de cargaRevisin de la salida de la computadoraEjemplos de diseo787881838586909192Captulo 3 Comportamiento elstico, plsticoyporpandeo del aceroestructural 1353-1 Introduccin 1353-2 Teora elstica y teora plstica de diseo 1363-3 Factores de seguridaden los diseos elsticosyplsticos 1463-4 Deflexiones de diseo plstico vs deflexiones de diseo elstico 1483-5 Longitud de la articulacin plstica 1493-6 Diseo elsticoy diseoplstico 1503-7 Diseoporfactor de resistenciade carga 1573-8 Pandeo local de placas 1583-9 Resistencia posterior al pandeo deplacas 164Captulo 44-14-24-34-44-54-64-74-84-94-104-114-124-134-14Captulo 55-15-2Diseode vigas aflexinConsideraciones generalesDiseo de vigas porel mtodo elsticoDiseode vigas continuasPandeo y aplastamiento del almaCriterios de cortanteFlexinsegn el eje fuertey flexinsegn el eje dbilDeflexionesFlexinbiaxialyflexin en secciones asimtricasCentro de cortante de secciones abiertasDiseode vigas sin soporte lateralVigas con patinesnoparalelosDiseode largueros de puente y vigas de pisoVigas compuestas .Diseode vigas usando el factor de resistenciadecarga (DFRC)Diseode miembros a tensinTiposde miembros a tensinEsfuerzos permisibles atensin169169173181183187188189192200203212214220241249249251CONTENIDO135-3 Consideraciones generales de diseo 2545-4 Esfuerzos debidosa lacarga axial sobrelaseccinneta 2615-5 Diseode lasbarras atensin 2635-6 Secciones netas 2655-7 Diseodemiembros atensin segnel AISC 2715-8 Diseodemiembros atensin enlos puentes 2755-9 Diseode cables 2785-10 Diseode miembros a tensin usando el DFRC 284Captulo 6 Columnasy puntales axialmente cargados 2936-1 Introduccin 2936-2 LafrmuladeEuler para columnas 2946-3 Columnas con condiciones de extremo 2976-4 Esfuerzos permisibles en las columnas de acero2986-5 Diseodemiembrosarmados a compresin 3126-6 Placas debasede columnas 3266-7 Soporte lateralde las columnas 3336-8 Diseo de columnasypuntales usando el DFRC 334Captulo. 7 Diseo de vigas-columnas 3417-1 Introduccin 3417-2 Consideraciones generales sobrelacarga axialcombinada conlaflexin 3447-3 Longitudes efectivas de columnas enmarcos deedificios 3487-4 Deduccin de lasfrmulasde diseo para vigas-columnas 3597-5 Determinacin del coeficiente Cm de reduccin porinteraccin 3667-6 Frmulas dediseo dela AASHTOy el AREA, paravigas-columnas 3677-7 Dise.o de vigas-columnas usandolas ecuaciones de368interaccin7-8 Columnas escalonadasycolumnas concargaaxialintermedia3777-9 Control del desplazamiento lateral 3847-10 Diseo de vigas-columnas usando el DFRC 386Captulo 8 Conexiones atornilladasy remachadas 3958-1 Introduccin 3958-2 Remaches y conexiones remachadas 3998-3 Tornillos de alta resistencia 4038-4 Factores queafectan el dise.o de lasjuntas 40914 CONTENIDO8-5 Remachesy tornillos sometidos a cargasexcntricas 4258-6 Conexiones de las vigas a los marcos 4358-7 Sujetadores sometidos atensin 4398-8 Conexiones sometidas a cortante y tensincombinados4478-9 Conexiones por momento (Tipo1) 4518-10 Factor de resistenciadecarga(DFRC)para diseodeconexiones 457Captulo 9 Conexionessoldadas 4659-1 Consideraciones generales 4659-2 Electrodos para soldar 4689-3 Tiposde juntas y soldaduras 4699-4 Desgarramiento laminar4759-5 Orientacin de las soldaduras 4769-6 Conexiones soldadas 4779-7 Conexiones soldadas sometidas a cargasexcntricas 4869-8 Placas soldadas para basesde columnas 4969-9 Conexiones soldadas para placasde extremo 4999-10 Conexiones soldadas en las esquinas 5029-11 Diseode soldaduras defiletes, usando el DFRC 508Captulo 10 Trabes armadas 51310-1 Generalidades51310-2 Cargas 51910-3 Proporcionamiento del patn y el alma de lastrabes ysecciones armadas52210-4 Cubreplacas de longitudparcial52710-5 Proporciones generales de las trabes armadas 53010-6 Teora del diseo de las trabes armadas - AISC 53210-7 Teora del diseode lastrabes armadas~ AASHTOyAREA 553Apndice Seleccin de programas de computadoras 575A-l Programa para el anlisisde unmarco 575A-2 Generador de la matrizde cargaspara el casodecamiones, segn la AASHTO, en unpuente dearmadura 588A-3 Generador de la matrizde carga, segn el AREA,para la carga COOPER E-80 en un puente de armadura 592Indice 597DISEO DE ACERO ESTRUCTURALFigura 11 El puente Eads a travs del Mississippi en St. Louis, Missouri. Este puente de ferrocarril ycarretera, terminado en1874, representa uno de los primeros usos del acero de alta resistencia (Fy=50a 55 kip/pulg2) en los Estados Unidos, para una estructura importante. Al fondo se puede ver el ar-co de Sto Lous, con192 m (630 pies) de altura, cubierto con unapelcula de aceroinoxidable.CAPITULOUNOCONSIDERACIONES GENERALESDEDISEO1-1TIPOS DEESTRUCTURASEl ingenieroestructural se ocupa del diseode unavariedadde estructuras queincluyen, peroquenonecesariamente se limitan, a las siguientes:Puentes: Para ferrocarriles, carreteros, y de peatones.Edificios:Que incluyen estructuras d marcorgido, marcossimplemente conec-tados, muros de carga, soportados por cables, y en voladizo. Se pueden con-siderar ousar numerosos esquemas de' soportelateral, comoarmaduras,simples y alternadas,y unncleoc ~ n t r a l rgido. Adems, se puedenclasifi-car losedificiossegnsuempleooalturacomoedificios deoficinas, in-dustriales, fbricas, rascacielos, etc.Otras estructuras:Incluyen torrespara transmisin de potencia, torrespara ins-talacionesde radar y TV, torres de transmisin telefnica, servicios de sumi-nistrode agua, y servicios de terminalesde transporte, queincluyenferro-carriles, camiones, aviaciny marina.Adems de las estructuras anteriores, el ingeniero estructural tambin se ocu-pa del diseo de navos,aeroplanos, partes de diversas mquinas y otros equiposmecnicos, automviles, presas y otras estructuras hidrulicas, incluyendo el su-ministrode aguay la eliminacinde desperdicios.1718 CONSIDERACIONES GENERALESDE DISEOEn este libro se trata en primer trmino del diseo estructural usandometa-les, y en particular, perfiles estructurales estndar como los que producen directa-mente los diversos fabricantes de acero, o en algunos casos con el uso demiembros que se componen de placas y perfiles de acero y que se fabricanen lasfbricasproductoras de acero o en talleres locales de elaboracin de acero.1-2PROCEDIMIENTOS DE DISEOEl diseo estructural requiere la aplicacin del criterio del ingeniero para producirun sistema estructural que satisfaga de manera adecuada las necesidades del clien-te o el propietario. A continuacin, este sistema se incorpora a un modelo mate-mticopara obtener las fuerzas en los miembros. Comoel modelomatemticonuncarepresenta con exactitudla estructura real, otra vez es necesaria la habili-dad del ingeniero para evaluar la validez del anlisis a fin de poder aplicar las to-lerancias apropiadas a la incertidumbre tanto en la deformacin como en la est-tica.Conbaseenlaspropiedadesdelosmateriales, lafuncinestructural, lasconsideracionesambientalesy estticas,se efectan modificacionesgeomtricasen el anlisis del modelo, y se repiten los procesos de resolucin hasta obtener unasolucin que produce un equilibrio satisfactorio entre la seleccin del material, laeconoma, lasnecesidades delcliente, susposibilidadeseconmicas, y diversasconsideraciones arquitectnicas. Rara vez, excepto quizs en las estructuras mselementales, seobtiene una nica solucin; nica enel sentido de que doscompaas de ingeniera estructural obtendran exactamente la misma solucin.~ En la prctica de la ingeniera estructural, el diseador dispone, para su po-sible uso, de numerosos materialesestructurales, queincluyen acero, concreto,madera, yposiblementeplsticos y/oalgunosotrosmetales, comoaluminioyhierro colado. A menudo, el empleo o el uso, el tipode estructura, la situacin uotro parmetro de diseo impone el material estructural. En este texto se suponeque el diseo ha llegado al punto en que se ha decidido la forma estructural (es de-cir, como armadura,trabe, marco, domo, etc.) y que se han eliminado todos losdiversos materiales estructurales alternativos posibles, en favor del uso del acero.Se procede entonces a efectuar cualquier anlisis estructural requerido, y se hacela seleccin del miembroy el diseo de la conexin,que sea apropiada al asuntoen estudio.Las limitaciones de espacio y tiempo en el texto y en las aulas, limitan necesa-riamente al minimo esencial la complejidad de la presentacin del diseo. El lec-tordebe-estar consciente de que el diseo real es considerablemente mucho mscomplejo, anconexperiencia, quelassimplificacionespresentadasenlossi-guientes captulos.La seguridad, comopreocupacindediseotiene precedenciasobretodaslas otrasconsideraciones de diseo. La"seguridad"de cualquier estructura de-pende, naturalmente, de las cargas subsiguientes. Como la estructura, despus desu construccin, siempre estarsometida a cargas,y no siempre del modoo ma-ELACEROCOMOMATERIAL ESTRUCTURAL 19nera conque fuediseada, laseleccindelascargas dediseoconstituyeunproblema de estadstica y probabilidad. Estaparte del problema resultara bas-tante subjetiva, y producira diseos extremadamente dispares, si no fuese por loscdigosdeconstruccin quese handesarrollado (y queen unaformau otra seusan casi universalmente); estos cdigosestablecen lmites mnimosrequeridos osugeridos enaquellos casos enque laseguridadpblicaconstituyeun factorimportante.1-3EL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURALEl aceroes unodelos ms importantesmateriales estructurales. Entre sus pro-piedades de particular importancia en los usos estructurales, estn la alta resisten-cia, comparada concualquier otro materialdisponible, y laductilidad. Q:?uctili-dades la capacidad que tiene el material de deformarse sustancialmente ya sea atensin o compresin antes de fallar)Otras ventajas importantes en el uso del ace-ro son su amplia disponibilidad y durabilidad, particularmente con unamodestacantidad de proteccin contra el intemperismo.El acerose produce porla refinacin del mineral de hierro y metales de de-secho, junto con agentes fundentes apropiados, coke (para el carbono) y oxgeno,enhornosaaltatemperatura, para producir grandesmasasdehierrollamadasarrabiodeprimera fusin. Elarrabiose refma anmspara removerel excesode carbono y otras impurezas y/o se alea con otros metales comocobre, nquel,cromo, manganeso, molibdeno, fsforo, slice, azufre, titanio, columbio, y vana-dio, para producir las caractersticas deseadas de resistencia, ductilidad, soldadu-ray resistenciaa la corrosin.Los lingotes de acero obtenidos de este procesopasan entre dos rodillosquegirana la misma velocidady en direccionesopuestas para producir un productosemiterminado, largo y de forma rectangular que se llama plancha o lingote, depen-diendo de su seccin transversal. Desde aqu, seenva el producto a otros molinos la-minadores para producir el perfil geomtrico final de la seccin, incluyendo perfilesestructurales as como barras, alambres, tiras, placas y tubos. El proceso de lamina-do, ademsde producir el perfildeseado, tiende a mejorar las propiedades mate-riales de tenacidad, resistencia y maleabilidad. Desde estos molinos laminadores, losperfiles estructurales se embarcan a los fabricantes de acero o a los depsitos, segnse soliciten.El fabricantede estructuras de acerotrabaja conlos planos de ingeniera oarquitectura para producir dibujos detallados de taller, de los que se obtienen lasdimensiones requeridas para cortar, aserrar, o cortar con antorcha, los perfiles altamao pedido y localizar conexactitud los agujeros para barrenar o punzonar.Los dibujos originales tambin indican el acabado necesario de la superficie de laspiezas cortadas. Muchasveces se arman las piezas en el tallerpara determinar sise tiene el ajuste apropiado. Las piezas se marcanpara facilitar su identificacinen el campo y se embarcan las piezas sueltas o armadas parcialmente hasta el sitiode la obra para su montaje. El montaje en el sitio la ejecuta a menudoel propiofabricante, perolapuedehacerel contratista general.kg/rn:kN/m:20 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEOEntre las ms importantes propiedades estructurales del acero se tienen las si-guientes:1. Mdulo de elasticidad, E. El rango tpico para todos los aceros (relativamenteindependientedelaresistenciadefluencia) esde28 000a30 000 k/pulg-193 000a207 000MPa.1--lbaja aleacin grado 46 46 315 67 460 4a5 102 a127 - tr1grado 50 50 345 70 485 hasta 4 hasta102 1 hasta 5 inclusive::o;;r-'Vanse lastablas dedatos de lasseccionesdeacero(por ejemplo, tabla1-1 V-l delStructura/ Stee/Design Datade l.Etr1Cf.l--lBowles). ::obPuede queseadifcil obtener el acero A-440, porque noes soldable,c:o--le::o>r-N...22 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEONtese que se han usado indistintamente en el sistema fps, la lb ma-sa y la libra fuera debido a que la fuerza que produce la aceleracines la fuerza de la gravedad. Esto no se puede hacer en el sistema SI,puestoque el newtones unaunidad derivada quedefine la fuerzanecesaria para acelerar l-kg masa1 m/s-. La aceleracindebida ala gravedad es aproximadamente 9.807 m/s-,Ejemplo: Dadounperfil estructural laminadoquepesa300 lb/pie (elmayor de todos, W36).Se requiere: masa/m y peso/m.Solucin: masa/m= kg/m= 1.488164(300)= 446.4 kg/mpeso/m= kN/m= 0.0145939(300)= 4.38 kN/mEl valorde la masase usara para hacerestimaciones de costos dematerial y para solicitarlas cantidades necesariasde la fbrica de acero. Elvalorde peso se usa para calcularcargas, momentosflectoresy esfuerzos.1-4PRODUCTOSDE ACEROLos lingotes de acero de la refinacin del arrabio se laminan para formar placasde anchosy espesores .variables; diversos perfiles estructurales; barras redondas,cuadradas y rectangulares; y tubos. La mayor parte del laminado se efecta sobreel acero en caliente, y el producto se llama "acero laminado en caliente". Algu-nas de las placas ms delgadas selaminan o doblan an ms, despus deenfradas, parahacer productosdeacero laminadosenfro o"formadosenfro" . En las siguientes secciones se describen varios de los perfiles ms comunes.1-4.1Perfiles WEl perfil estructural que se usa con mayorfrecuencia es el perfil de patn ancho. oW. Este perfil es doblemente simtrico (tanto con respecto al eje de las x como pa-rael eje de las y), queconsiste en dospatinesdeforma rectangular conectadospor una placa de alma tambin rectangular. Las caras del patn son esencialmenteparalelas con la distancia interior entre patines para la mayora de los grupos, conuna dimensin constante" .** Hay algunavariacin debido al desgaste del rodillolaminador y otros factores, perola distancia se mantiene constante dentro de lastolerancias de la ASTM. El perfil se produce comose ilustra en la figura1-1.La designacin:W16x 40 significa un peralte nominal total de 16 pulg y con unpeso de 40 lb/pie.La designacin:W410x 59.5 es la misma W16 anterior con un peraltenominalen mm (basado en el promedio aproximado de los peraltes de todas las seccionesy redondeado hasta los ms cercanos 5 mm) y con una masa de 59.5 kg/m.*Las varias secciones con peraltenominalconstante. Cuando un grupo consiste en un grann-merode secciones. se puedeusarunasegundadistancia interior alpatn.**Puedehaber diferenciasconsiderablesentrelos peraltesnommaresy los reales (N. del R.).PRODUCTOSDE ACERO 23~ - - - - . . . . - - Se varia esta distanciapara controlar el espesor del almaFigura 1-1Mtodo de laminacin deunlingotede aceropara producir unperfil W. Se hade notarQuela variacin de los rodillosy la configuracin de los mismos produce perfiles S. C. y de angulares.Antes de 1978, cuando menos una seccin W en la designacin de un grupo tena"exactamente" el peraltenominal indicado ( o sea unaW16 tena unperalte de16.00 pulg; una W18 tena un peralte de 18.00 pulg). Ahora, la W16 ms cercanaes la W16x 40, con un peralte indicado de 16.01 (por ejemplo, la W21 varia de20.66 a 22.06 pulg). Para la W14, el equivalente SI es W360, pero el intervalo reales de 349 a 570 mm (en este caso, el "promedio" estaba muy lejos del valor nomi-nal y la designacinW360 se usalgo arbitrariamente).Se debe notar que el producto laminado se contrae al enfriarse y con una tasavariable que depende del espesor en cualquier punto de la seccin transversal. Losrodillos laminadores que se usan para producir los perfiles estn sujetos a desgas-te, lo que unido a las enormes fuerzas implicadas en el proceso de laminado, sola-mente dar lugar a la produccin de perfiles nominales (que varan de los valorestericosode diseo). La especificacinA-6 de la American Society forTestingandMaterials(ASTM) da, ensuParte 4, toleranciaspermisibles de laminado,incluyendo la cantidad de alabeo en el patn y el alma y la desviacin permisibleen el peralte del almapara quela seccin sea satisfactoria. En general, la mxi-ma variacin permisible en el peralte, medidaen el plano del almaes ipulg 3 mm. Sin embargo, ntese que la diferencia permisible en el peralte de dos vi-gas laminadas conunperalte terico de16.01 puedeproducir peraltesextremosde 15.8885 a16.135 pulgoseaunadiferenciade pulg6mm. Estas va-riaciones deben tenerse en cuenta, en particular al convertir a dimensiones SI parael detallado,los espacios libres y el acoplamiento de las piezas.1-4.2Pelles SSonperfilesdoblemente simtricosproducidosde acuerdoconlas dimensionesadoptadas en 1896 y que se conocan anteriormente como vigas I o vigas Ameri-canStandard. Haytres diferencias esenciales entrelos perfiles S y W:24 CONSIDERACIONES GENERALESDEDISEOI 1[LPerfiles W Perfiles S Perfiles C Perfil LSeccin de Viga American Canal Angulardepatnancho Standard (Viga 1) ladosigualeslTc:::=::::J Rectangulares~ CuadradosPerfil L Perfil TORedondosAngular de Te estructural,lados desiguales cortado deunBarrasperfil WPlacaFigura 1-2Perfilesestructurales tal comosonproducidos directamente por los fabricantes de acero.1. El anchodel patn del perfilS es menor.2. La cara interna del patntiene una pendientede aproximadamente16.703. El peraltetericoes el mismo que el peralte nominal. Unaviga S510 x 111.6es unperfil conperaltenominal 510 mmx 111.6 kg/rn(S20x 75).1-4.3Perfiles MSon perfiles doblemente simtricos que no se clasifican como perfiles W o S. Exis-ten unos 20 perfiles ligeros, clasificados como perfiles M. Un perfil M360x25.6es el mayor de la clasificacin M, y es una seccin de peralte nominal de 360 mm yunamasade 25.6 kg/m (M14x 17.2).1-4.4 Perfiles eSon perfiles de carial, producidos de acuerdo con estndares dimensionales adop-tados en 1896. La pendiente interna del patn es la misma que la de los perfiles S.Estos canales se llamaban anteriormente canales Standard o American Standard.Losperaltestericos y nominalessonidnticos(lo mismoquepara losperfilesMC que se describena continuacin).Un C150x 19.3 es un perfil estndar de canal con un peralte nominal de 150mm y unamasade19.3 kg/m(C6x 13).1-4.5Perfiles MeEstos son perfiles en canal que no se clasifican como perfiles C. Se conocan co-mo canalesdiversoso para construccin de barcos.RESISTENCIA DEL ACERO 251-4.6Perfiles LEstos perfiles pueden ser angulares de lados iguales o desiguales. Todos los angu-lares tienen paralelaslas carasde los lados. Las dimensionesde los ladosdel an-gularpueden tenerunavariacin de 1 mm en el ancho.Unperfil L6x 6x ! es unangularde ladosiguales condimensinnomi-, 4 3nalde 6 pulg y un espesor de pulg.Unperfil L89 x 76x 12.7 es unangular deladosdesiguales condimen-siones en sus ladosde 89 y 76 mm respectivamente,y un espesor de 12.7 mm ensus lados(L3 x 3 t).1-4.7Perfiles TLas tes estructurales son miembros estructurales que se obtienen cortando perfilesW (para WT), S (para ST), o M (para MT).Por lo general se hace el corte de talmodoque se produce un perfilcon rea equivalente a la mitaddel rea de la sec-cinoriginal,peroa menudose puede desplazarel cortecuando se requiere unaseccin con mayor peralte. Las tablas publicadas con perfiles T se basan en cortessimtricos. No se tiene en cuenta la prdida de material debido al corte de la sec-cinoriginal, poraserrarniento ocorteconsoplete.Un perfil WT205x 29.8 es una te estructural con un peralte nominal de 205mm y una masa de 29.8,kg/m, y se obtiene dividiendo la seccin W410 x59.5 (deunaseccin W16x 40).Enlafigura1-2 se muestran variosperfiles laminados estructurales. DEL ACEROEntododiseode acerose tieneen consideracin la resistenciade fluenciadelmaterial. La resistencia de fluenciade diversos grados de aceroque estndispo-nibles para el diseo, se pueden ver en la Tabla 1-1. La resistencia defluenciaes elmnimo valor garantizado por el productor de acero y que se basa en el promedioestadsticoy laconsideracindelvalor mnimodefluenciaobtenidomediantegran nmero de pruebas. As, para el acero A-36, el valor garantizado es F; = 36k/pulg- 250 MPa, pero el valor ms probable ser del orden de 43 a 48 k/pulg-(300 a 330 MPa;vase las figuras1-3a y 1-3b. De modo similar, un acero A-441,con un punto de fluencia de 345 MPa, tendr una resistencia de fluencia del ordende 400 MPa. Conforme la fluencia garantizada aumenta hasta aproximadamente450 MPa (65 k/pulg-) los valoresreal y garantizado, convergen.Desde cerca de 1 900 a 1 960, el grado principal de acero disponible era ellla-mado A-7 con Fy= 33 k/pulg-. En1954 se introdujo un grado A-373 para usarcon soldadura y Fy= 32 k/pulg-; esto fue la consecuencia de la mayorpopulari-dadde lasoldadura debidoalas actividadesen laconstruccin de buquesen laSegunda GuerraMundial. Cuandose renuevenedificiosmsantiguos, el inge-26 CONSIDERACIONES GENERALESDE DISEO00 0.04 0.080.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32Deformacin, mm/mmo m/m50

O50 Nivel delesfuerzo eleOtluencia--r-:-:-'tt-- Rango plstico _ I50y Est ./-"-Pendiente= d' IIde elastidd E enlen-O-e eastc a , te = EII _Nivel del I resfuerzo de tluencia50EstRango inelsticoO:o_ Rango elsticoOOyO5O 4 8 12 16 20 24 28 32Deformacin. m/mx 10-350541510Y1NV 0.7 s)Lascargas por pisose hallanusandoh; = distanciadesdeel terrenohasta el pison, de la manera siguiente: L Wnhn=337(90) +337(80) +337(60) +.. , +337(10) = 151 650 pie kips56 CONSIDERACIONES GENERALESDEDISEO13.7ktO. 9810'36.4231.8727.3222.7718.2113.669.114.SSk\0'\0'Figura EI-7b( )Wh WnhnF = F - F n n (2186 13 7 ) - : - : : - : ~ C 7tope ~ Wh = . - . 151650n nPara el dcimo pisoFIO= 0.001351(337x90) = 40.98 kips (que se muestran en la figuraEI-7b)F9 = 0.001351(337 X80) = 36.42 kipsFa = 0.001351(337 X70) = 31.87 kipsF2 = 0.001351(337 X 10) = 4.55 kipsSumando las cargashorizontales de piso e incluyendo el valordel techode13.7, se obtiene como verificacin 218.59 versus 218.6. Estas cargas lateralesde piso se tienen todava que prorratear entrelos diversos claros en la direc-cin E-W para la condicin (o condiciones)de carga del anlisis de la estruc-tura, el queincluye las fuerzasssmicas. ///1-12FATIGASe hanregistrado numerosasfallas estructurales que se hanatribuido a la fatiga.La falla por fatiga es una fractura del material causada por un nmero suficiente-Ii 1I ! i11I11II!I IIX j.,lj0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0000000__ ooo __z 0000000000000000000000000000000000000000000000000000 gggggggggggggggggggggggggg _____Oo00000000000000000000000 000 N N N N N N N N __.........................._ ---- ----- ----- 00000000000000000000000000

1 N N N N N N N NN 2 __ NN __

Z N .. --- ._- ._-- -._-- ._- . ..

Z __ NN __ . z _ _ __N 000000000000000000000000000000000000000000000000

000000000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000 ;C'I __ .ozvU z _ v zDe'CJzzzv"

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