Acero Materiales_Construccion

El ACERO

1.2 Desventajas del acero como material estructural 3

En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas con- centraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitndose as fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla.

Tenacidad

Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones ser an capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una caracterstica mux importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su formacin y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin dao aparente. La propiedad de un material para absorber energa en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliacionesde estructurasexistentes

Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles adiciones. Se pueden aadir nuevas crujas e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con frecuencia pueden ampliarse.

Propiedades diversas

Otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexin como son la soldadura, los tomillos y los remaches; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) gran capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaos y formas como sedescribe en la seccin 1.4; e) resistencia a. la fatiga; t) reuso posible despus de desmon-tar una estructura y g) posihnidad de venderlo como "chatarra" aunque no pueda utili-zarse en su forma existente. El acero es el material reutilizable por excelencia.

1.2DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

En general el acero tiene las siguientes desventajas:

Costo de mantenimiento

La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente. El uso de aceros intemperi- zados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo.4 1 /Introduccin al diseno estructural en acero

Costo de la proteccincontra el fuego

Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios en inmuebles vacos en los que el nico material combustible era el mismo inmueble. El acero es un excelente conductor de calor, de manera que los miembros de acero sin proteccin pueden transmitir suficiente calor de una seccin o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacen- tes del mismo edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de una construccin debe protegerse mediante materiales con ciertas caractersticas aislantes o el edificio deber acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del cdigo de construccin de la localidad en que se halle.

Susceptibilidadal pandeo

Cuanto ms largos y esbeltos sean los miembros a compresin, tanto mayor es el peli- gro de pandeo. Como se indic previamente, el acero tiene una alta resistencia por uni- dad de peso, pero al usarse como columnas no resulta muy econmico ya que debe usarse bastante material, slo para hacer ms rgidas las columnas contra el posible pandeo.

Fatiga

Otra caracterstica inconveniente del acero es que su resistencia puede reducirse si se somete a un gran nmero de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran n- mero de cambios de la magnitud del esfuerzo de tensin. (Se tienen problemas de fatiga slo cuando se presentan tensiones.) En la prctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarn sometidos a un nmero mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto nmero Jmite.

Fractura frgil

Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la falla frgil puede ocurrir en lugares de concentracin de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy ba- jas temperaturas agravan la situacin.

1.3 PRIMEROSUSOS DEL HIERROY EL ACERO

Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algn tipo de aleacin de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estao y algn otro adi- tivo), los avances ms importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fa-1.3 Primeros usos del hierro y el acero 5

bricacin y uso del hierro y del acero. Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en peso de todos los metales producidos en el mundo.'A pesar de los esfuerzos de los arquelogos durante muchas dcadas, no ha sidoposible descubrir cundo se us el hierro por primera vez. Los arquelogos encontraron una daga y un brazalete de hierro en la Oran Pirmide de Egipto y afirman que la edad de stos era por lo menos de 5 000 aos, BI uso del hierro ha tenido una 'gran influencia en el avance de la civilizacin desde los tiempos ms remotos y probablemente la seguir teniendo en los siglos venideros. Desde: el principio de la edad de hierro, alrede- dor del ao 1000 a.c., el progreso de la civilizacin en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de enfrentamientos militares. Por ejemplo, durante la batalla de Maratn en Grecia, en el ao 490 a.C., los atenienses, en inferio- ridad numrica, mataron 6 400 persas y perdieron slo 192 de sus propios soldados. Cada uno de los soldados victoriosos llevaba 57 libras de armadura de hierro durante la batalla. (Fue en esta batalla en la que Feidpides corri aproximadamente 40 km hasta Atenas, muriendo al llegar despus de anunciar la victoria.) Esta batalla supuestamente salv a la civilizacin griega durante muchos a.os.Segn la teora clsica sobre la primera produccin de hierro en el mundo, hubo una vez un gran incendio forestal en el Monte Ida en la antigua Troya (la actual Tur- qua) cerca del mar Egeo. El terreno supuestamente era muy rico en depsitos ferrosos y el calor del fuego produjo una forma primitiva de hierro a la que se le pudo dar diver-sas formas, al golpearla. Muchos historiadores creen, sin embargo, que el hombre aprendi a usar primero el hierro que cay a la Tierra en forma de meteoritos. Con frecuencia el hierro de los meteoritos est combinado con nquel, resultando entonces un metal ms duro. Posiblemente los primeros pobladores del planeta forjaron este material para convertirlo en armas y herramientas primitivas.El acero se define como una combinacin de hierro y pequeas cantidades de carbono, generalmente menos del 1 %. Tambin contiene pequeos porcentajes de algunos otros elementos. Aunque se ha fabricado acero desde hace 2 000 o 3 000 aos, no exis- ti un mtodo de produccin econmico sino hasta la mitad del siglo XIX.El primer acero seguramente se obtuvo cuando los otros elementos necesarios para producirlo se encontraron presentes por accidente cuando se calentaba el hierro. Con el paso de los aos, el acero se fabric muy probablemente calentando hierro en contacto con carbn vegetal. La superficie del hierro absorbi algo de carbono del carbn vegetal que luego se martill en el hierro caliente. Al repetir este proceso varias. veces, se ob-tuvo una capa exterior endurecida de acero. De esta manera se produjeron las famosas espadas de To!edo1 y Damasco.Al primer proceso para producir acero en grandes cantidades se le dio el nombre deSir Henry Bessemerde Inglaterra. Recibi una patente inglesa para su proceso en 1855,pero sus esfuerzos para conseguir una patente en Estados Unidos en 1856 no tuvieron xito, ya que se aprob que William Kelly de Eddyville, Kentucky, haba producido

1American lron and Steel Institute, The Making o/ Steel, Washington, D.C., sin fecha, p. 6.6 1 llntroducciQn al diseno estructural en acero

acero mediante el mismo proceso siete aos antes de que Bessemer solicitara su patente inglesa. Kelly recibi la patente, pero se us el nombre de Bessemer para el proceso.2Kelly y Bessemer se percataron de que un chorro de aire a travs del hierro fundido quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente, el chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el carbono y el manganeso. Des-pus se aprendi que esos elementos podan restituirse aadiendo hierro especular, que es una aleacin de hierro, carbono y manganeso; se aprendi adems que, al agregar piedra caliza en el convertidor, poda removerse el fsforo y la mayor parte del azufre.Antes de que fuese desarrollado el proceso Bessemer, el acero era una aleacin costosa usada principalmente para fabricar cuchillos, tenedores, cucharas y ciertos tipos de herramientas cortadoras. El proceso Bessemer redujo los costos de produccin por lo menos en un 80% y permiti por primera vez la produccin de grandes cantidades de acero.El convertidor Bessemer se us en Estados Unidos hasta principios de este siglo, pero desde entonces se ha reemplazado con mejores mtodos como el proceso de hogar abierto y el de oxgeno bsico.Gracias al proceso Bessemer, en 1870 ya se poda producir en grandes cantidades acero estructural al carbono y por 1890 el acero era el principal metal estructural usadoen Estados Unidos.Aproximadamente 80% del acero estructural producido hoy da en Estados Uni- des, se hace fundiendo la chatarra de acero (principalmente de automviles viejos) en hornos elctricos. El acero fundido se vierte en moldes que tienen aproximadamente lasformas finales de los miembros. Las secciones resultantes pasan por una serie de rodi- llos que los oprimen para darles su forma final. Los miembros resultantes tienen mejor superficie. y menores esfuerzos residuales que el acero recin hecho.El trmino hierro fundido se usa para materiales con contenido muy bajo de carbono, mientras que a los materiales con contenido muy alto de carbono se les llama hierro forjado. Los aceros se encuentran entre el hierro fundido y el forjado y tienen contenidos de carbn en el rango de 0.15% al 1. 7%, como se ver en la seccin 1-7 de este captulo.El primer uso del metal para una estructura tuvo considerable lugar en Shropshire,Inglaterra (225 km al noroeste de Londres) en 1779, ah fue construido con hierro fun-dido el puente Coalbrookdale en forma de arco de l 00 pie de claro sobre el ro Sevem. Se dice que este puente (an en pie) fue un punto crtico en la historia de la ingeniera porque cambi el curso de la Revolucin Industrial al introducir al hierro como material estructural. Supuestamente este hierro era cuatro veces ms fuerte que la piedra y treinta veces ms que la madera. 3Muchos otros puentes de hierro fundido se construyeron en las dcadas siguientes, pero despus de. 1840 el hierro dulce ms maleable empez a reemplazar al hierro fundido. El desarrollo del proceso Bessemer y avances subsecuentes, como el proceso de

2American lron and Steel Institute, Steel '76, Washington, D.C., 1976, pp.. 5-1 l.3M.H. Sawyer, "World's First Iron Bridge", Civil Engineering, Nueva York, ASCE, diciembre 1979,pp. 46-49.1.4 Perfiles de acero 7

Los primeros perfiles estructurales hechos en Estados Unidos, en 1819, fueron ngulosde hierro laminados. Las vigas 1 de acero se laminaron por primera vez en ese pas en1884 y la primera estructura reticular (el edificio de la Home Insurance Company de Chicago) fue montada ese mismo ao, El crdito por inventar el rascacielo se le otorga generalmente al ingeniero William Learon Jenny que ide esta estructura, aparentemente durante una huelga de albailes. Hasta ese momento los edificios altos en Esta- dos Unidos se construan con muros :de carga de ladrillos de varios pies de espesor.Para los muros exteriores de este edificiode 10 niveles Jenny us columnas de hie-rro colado recubiertas por ladrillos. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabricaroncon hierro forjado, en tanto que.las vigas de los pisos superiores se fabricaron con acero estructural. El primer edificio totalmente de acero fue el segundo edificio de la Rand-McNally terminado en 1890 en Chiago, .Un aspecto importante de la torre Eiffel, de 985 pie.dealtura y construida con hie-rro forjado en 1889, fue el uso de elevadores para pasajeros operados mecnicamente.La disponibilidad.de estas mquinas junto con la idea de Jenny relativa a la estructuracin reticulada, condujo a la construccin de miles de edificios altos en todo el rnund .en los siguientes 100 aos. . '1Durante esos primeros aos, diversas laminadoras fabricaron sus propios perfiles y publicaron catlogos con las dimensiones, pesos y otras prepiedades de esas secciones. En 1896, la Association of'American Steel Manufacturers (Asociacin Americana de Fabricantes de Acero; actualmente llamada Instituto Americano del Hierro y el Acero, AISI) hizo los primeros esfuerzos para estandarizar los perfiles. En la actualidad casi todos los perfiles estructurales ..se encuentrari estandarizados, aunque sus dimensiones: exactas pueden variar un poco de laminadora a laminadora. 4 ' El acero estructural puede laminarse en forma econmica len una gran +iedad de formas y tamaos sin cambios apreciables en sus propiedades fsicas. Gencral-nente losmiembros estructurales m(ts convenientes son aquellos con grandes momentos de iner-cia en relacin con sus reas. Los perfiles 11 T y ( tienen esta propiedad ....Por lo general los perfiles de acero se designan por la forma de sus secciones trans- versales. Por ejemplo, se tienen perfiles en ngulo, tes, zetas y placas. Sin embargo, es necesario hacer una clara distincin entre las vigas estndar americanas (llamadas vigas

.S) y las vigas de patn ancho (llamadaa vigas W) ya que ambas tienen la forma de I. La superficie interna del patn 'de una.seccin W es paralela a la superficie externa o bien,'

4W. McGuire, Stee/ St11fClures,EQg]~w~ CJ.iffs; N. J., Prence Hall, 1968, pp. 19-21.' 1

PatnA~-:OaS% :[~~=16~% LSeccin W Viga S Angulo de l~os(Viga estndar americana) desiguales

TCanal estndar Perfil zeta Perfil teamericano

Figura 1.1 Perfiles laminados de acero.

1.4 Perfiles de acero 9

An&l'I de ladosiguales

pesores constantes o casi constantes de los patines de las vigas W, a diferencia de los patines ahusados de las vigas S, facilitan las conexiones. Las vigas de patn aricho re- presentan hoy en da casi el 50% de todos los perfiles estructurales laminados. Los perfiles W y S se muestran en la figura 1-1 junto con otros perfiles comunes de acero. Los usos de los diversos perfiles se expondrn en los captulos siguientes.En este libro se hace referencia constante a la segunda edicin del Manual of Steel Construction Load and Resistance factor Design (Manual de diseo en acero segn el mtodo de factores de carga y resistencia; Manual LRFD) publicado por el Instituto Americano de la Construccin en Acero (AISC)'. A este manual, que proporciona informacin detallada sobre los perfiles estructurales de acero, se le llamar aqu manual LRFD o simplemente Manual. Esta edicin se basa en la segunda edicin de "Load and Resistance Factor Design Specification for Bstructu-..-al Steel Buildings" de diciembre l de 1993. El manual consta del volumen 1 (Miem- bros estructura/es, especificaciones y cdigos) y del volumen 11 (Conexiones). Los dos volmenes estn divididos en 13 partes numeradas consecutivamente. En este texto, el autor se refiere a los nmeros de partes en vez de referirse al volumen 1 o bien al 11.Los perfiles se denominan en forma abreviada por medio de un sistema descrito en . el manual, para su uso en planos, especificaciones y diseos, Este sistema se encuentraestandarizado, de modo que todos los molinos de laminacin puedan usar la misma no- menclatura para fines prcticos de trabajo. Adems, actualmente se procesa mucho trabajo en computadoras y Ot(QS equipos automatizados por lo que es necesario tener un sistema a base de nmeros y letras que pueda imprimirse por medio de un teclado estndar (a diferencia del viejo sistema en donde cienos smbolos se usaron para ngulos, ca- nales, etc.). Ejemplos de este sistema de abreviaturas son los siguientes: .

1. Una W27 x 114 es una .seccin W con 27 pulg aproximadamente de peralte ypeso de 114 lb/pie.2. Una S 12 x 35 es una seccin S con 12 pulg de peralte y peso de 35 lb/pie.1/lntroduccin al diseno estructural en acero

3. Una HP12 x 74 es una seccin usada como pilote de carga con 12 pulg aproximadamente de peralte y peso de 74 lb/pie; estos perfiles tienen almas ms groe- sas que las W regulares para resistir mejor el impacto del hincado. El ancho y la altura de estas secciones son aproximadamente iguales, y sus patines y almas tienen espesores iguales o casi iguales.4. Una M8 x 6.5 es una seccin con 8 pulg de peralte y peso de 6.5 lb/pie. Forma parte.de un grupo de miembros estructurales tipo H con doblesimetra que no puede clasificarse por sus dimensiones como W, S o bien HP.S. Una ClO x 30 es una canal con 10 pulg de peralte y pesode 30 lb/pie.6. Una MC18 x 58 es una canal con 18 pulg de peralte, y peso de 58 lb/pie que no puede clasificarse por sus dimensiones como e,7. Un L6 x 6 x 1/2 es un ngulo de lados iguales, cada uno de 6 pulg de longitud y'. 1/2 pulg de espesor.8.' Una WT18 x 140 es una te que se obtiene al cortar en dos una W36 x 280. Este tipo de seccin se conoce como te estructural, 9. Las secciones rectangulares de acero se clasifican corno placas anchas o barras estrechas. En general, a las secciones con ms de 8 pulg de ancho se les llama placas y las menos anchas se les llama barras. En la primera parte del Manual LRFD se da informacin detallada sobre esas secciones. Una placa es usualmente designada por su espesor a veces por su ancho o por su longitud, por ejemplo, PL 1/2 x 6 x 1 pie 4 pulg. ~El estudiante debe consultar el Manual LRFD para obtener informacin sobre otrosperfiles laminados, por ejemplo, sobre la distincin entre barras y placas, tubos y tubulares estructurales, etc. Aqu se har mencin a otras secciones cuando sea necesario.En la primera parte del Manual LRFD se dan las dimensiones y propiedades de los perfiles W, S, C y otros ms, Las dimensiones de los perfiles se dan en decimales (para

uso de los proyectistas) y en. fracciones al dieciseisavo de pulgada ms prximo (para uso de los dibujantes y detallistas). Se proporcionan tambin, para el uso de los diseadores, los momentos de inercia, los mdulos de seccin, los radios de giro y otras propiedades de la seccin transversal que se analizarn ms' adelante en este texto.Se presentan variaciones en cualquier proceso de manufactura, y la industria del acero no es una excepcin. En consecuencia, las dimensiones de las secciones transver- sales de los perfiles de acero pueden variar un poco, respecto a los indicados en el ma-nual LRFD~ Las tolerancias mximas para .los perfiles laminados las establece laespecificacin A6 de la American Soeiety for Testing and Materials (ASTM) y se Citan en la primera parte del 'manual. Entonces los clculos se pueden hacer con base en las propiedades dadas en el manual, independientemente del fabricante ..Algunas de las secciones W ms pesadas no se consiguen con los productores loca- les. Sin embargo, no es 'difcil actualmente obtener cualquiera de esas secciones.A travs de los aos han existido cambios en las dimensiones de los perfiles de acero. Por ejemplo, puede haber poca demanda que justifique seguir laminando un cierto perfil; un perfil puede-descontinuarse porgu se desarrolla un perfil de tama.o si- milar, pero ms eficiente en su forma, Ocasionalmente el proyectista puede necesitar

1/lntroduccln al dlsel'k> estructural en acero

Si bien el trabajado en fro reduce algo la ductilidad, tambin incrementa en alguna medida la resistencia. En ciertos casos, las especificaciones permitirn el uso de tales resistencias superiores.

ngulo Canal Canalatiesada

Zeta

Sombrero

Figura 1-.2 Perfiles doblados en fro

El concreto y las losas de pisos son comnmente coladas sobre cubiertas dobladas de acero que sirven como cimbras econmicas para el concreto hmedo y que se dejan en el lugar despus que el concreto fragua. Varios tipos de estas cubiertas estn comer- cialmente disponibles.algunas de las cuales se muestran en la figura 1.3. Las secciones con las celdas ms profundas tienen la til caracterstica de que los conductos lctricos y mecnicos pueden alojarse en ellas. El uso de las cubiertas de acero para losas de pisos se analizan e.!l el captulo 16 de este texto.

, Concreto~.JL~t. Cubierta~ acero)

Figura 1.3 Algunos tipos de cubiertas de acero de losas para pisos

1.6RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIN DEL ACERO ESTRUCT.URAL

Para entender el comportamiento de las estructuras metlicas es absolutamente indis- pensable que el proyectista conozca las propiedades del acero. Los diagramas esfuerzo-deformacin ofrecen parte de la informacin necesaria para entender cmo se1.6 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural 13

comporta este material en una situacin particular. No pueden desarrollarse mtodos satisfactorios de diseo a menos que se disponga de informacin completa relativa a las relaciones esfuerzo-deformacin del material que se usa.Si una pieza de acero estructural dctil se somete a una fuerza de tensin, sta co-menzar a alargarse. Si se incrementa la fuerza a razn constante, la magnitud del alargamiento aumentar constantemente dentro de ciertos lmites. En otras palabras, elalargamiento se duplicar cuando el esfuerzo pase de 6 000 a 12 000 psi (pounds per square inch; se usar psi o lb/pulg2 indistintamente). Cuando el esfuerzo de tensin alcance un valor aproximadamente igual a un medio de la resistencia ltima del acero, el alargamiento comenzar a aumentar ms y rpidamente sin un incremento correspon-diente del esfuerzo.El mayor esfuerzo para el que todava es vlida la ley de Hooke o el punto ms altode la porcin recta del diagrama esfuerzo-deformacin se denomina lmite proporcio-nal. El mayor esfuerzo que un material puede resistir sin deformarse permanentementese llama lmite elstico. Este valor rara vez se mide y para la .mayora de los materiales

Montaje de la estructura de acero para el edificio del Chase Manhattan Bank en Nueva York. (Cortesa de la Bethlehem Steel Corporation.)14 1/lntraduccin al diseno estructural en acero

Puente Newport entre Jamestown y Newporf R.I. (Cortesa de la Bethlehem Steel Co~oration.)(.)

1estructurales, incluido el acero, es sinnimo del limite proporcional. Por esta razn sese .usa a veces el trmino lmite proporcional elstico.El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o defore- macin sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de fluencia; correas- ponde al primer punto del 'diagrama esfuerzo-deformacin para el cual la tangente a Id~ curva es horizontal. El esfuerzo de fluencia es. para el proyectista la propiedad ms imn- portante del acero, ya que muchos procedimientos de: disefo se basan en este 'Valor. Mus all de] esfuerzo de fluencia hay un intervalo en el que ocurre un .incremento consideras-ble de la deformacin sin incremento del esfuerzo. La deformacin que se presenta ans- tes del esfuerzo de fluencia se denomina deformacin elstica. La deformacin que.e ocurre despus del esfuerzo de influencia, sin incremento de esfuerzo, se denomina de!- formacin plstica. Esta ltima deforrnacines generalmente igual en magnitud a l O oo15 veces la deformacin elstica.La fluencia del acero puede parecer una seria desventaja, pero en realidad es unsa caracterstica muy til; con frecuencia ha prevenido la falla de una estructura debida :a omisiones o errores del proyectista. Si el esfuerzo en un punto de una estructura d.e acero dctil alcanza el esfuerzo de fluencia, esa parte de la estructura ceder localmente sin incremento en el esfuerzo, impidiendo as una falla prematura. Bsta ductilidad per-mite que se reajusten los esfuerzos en una estructura de acero. Otra manera de describir este fenmeno es afirmar que los altos esfuerzos causados porla fabricacin, el montaje o la carga tienden a igualarse entre s. Tambin puede decirse que una estructura de' ' 1 ~1.6 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural :15

acero tiene una reserva de deformacin plstica que le permite resistir s~brecargas y golpes repentinos. Si no tuviese esta capacidad se podra fracturar como el vidrio u otros materiales anlogos. .Despus de la regin plstica: se tiene una zona llamada endurecimiento por defor-macin en la que se requieren esfuerzos adicionales para producir deformaciones mayores. Esta porcin del diagrama esfuerzo-deformacin no resulta muy importante para Jos proyectistas actuales porque las deformaciones son muy grandes. En la figura 1.4 semuestra un diagrama tpico de un acero estructural de bajo contenido de carbono. Slo se presenta aqu la parte inicial de la curva, debido a la. gran deformacin que ocurre antes de la falla. En el punto de; falla los aceros dulces tienen deformaciones unitarias que equivalen a valores que oscilan entre 150 y 200 veces los correspondientes a Ia deformacin elstica, La curva alcanza su esfuerzo mximo y luego disminuyepeco a poco antes de que ocurra la falla de la probeta. En esta regin de la curva se presenta una mar-cada reduccin de la seccin transversal, llamada "estriccin del elemento".La curva esfuerzo-deformacinen Ja figura 1,4 es tpica de los aceros estructuralesdctiles y se supone que es la misma para miembros a tensin q a compresin. (Los miembros estructutales a compresin deben ser gruesos ya que los miembros esbeltos sujetos a compresin tienden a flexionarse lateralmente y sus propiedades se ven afec- tadas por los momentos que se generan.) La forma del diagrama varia con la velocidad de carga; el tipo de acero y con la temperatura. En la figura se muestra dicha variacin,la lnea interrumpida marcada fluencia superior ocurre cuando un acero dulce se carga

Figura 1.4 Diagrama esfuerzo..defonnacin caracterstico de un acero estructural con bajo conte- , nido de carbono.

1/lntroduccin al diseno estructural en acero

Mitad de una armadura de techo con 170 pies de claro libre para el Centro de Atletismo y Con- venciones de la lJniv~rsidad Lehigh en Bethlehem, Pa. (Cortesa de la Bethlehem Steel Corpora- tion.)

fractura; etc. La ASTM especifica los porcentajes exactos mximos de carbono, manganeso, silicio, etctera, que S permiten en los aceros estructurales. Aunque. las propiedades fsicas y mecnicas de los perfiles de. acero las determina principalmente su composicin qumica, tambin influye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de lam- nado, la historia de sus esfuerzos y el tratamiento trmico aplicado. En las dcadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con un esfuerzo mnimo de fluencia Fy = 36 ksi (o. klb/pulg-), era el acero estructural comnmente usado. Sin embarg, actualmente ( 1995), la mayora del acero estructural usado en los Estados Unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos elctricos. Con este proceso puede producirse un acero de 50 ksi y venderse a casi el mismo precio que el acero A36. Como consecuencia, al tiempo de escribir esto, el acero 50 ksi produ-- '1. 7 Aceros estructurales modernos 19

ctdo por el proceso de horno elctrico, es el acero estructural usado comnmente enJos Estados Unidos.En dcadas recientes los ingenieros y arquitectos han requerido aceros ms fuertes,aceros con mayor resistencia a la corrosin, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas caractersticas. Las investigaciones realizadas por la industria acerera durante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas, de manera que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en las especificaciones LRFD.Los aceros estructurales se agrupan generalmente segn varias clasificaciones principales de la ASTM: los aceros de propsitos generales (A36), los aceros estructurales de carbono (A529), los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleacin (A572), los aceros estructurales de alta resistencia, baja aleacin y resistentes a la corrosin atmosfrica (A242 y A588) y la placa de acero templada y revenida (A5 l 4 yA852).En los prrafos que siguen se hacen algunas observaciones generales sobre estasclasificaciones de los aceros y a continuacin se muestran en la tabla 1.1 los siete aceros ASTM mencionados aqu, junto con algunas observaciones sobre sus usos y caractersticas. (Observe en la tabla que entre ms delgado se lamina un acero, ms resistente resulta. Los elementos de mayor espesor tienden a ser ms frgiles y su enfriamiento ms lento produce una microestructura ms burda en el acero.)

Aceros de carbono

Estos aceros tienen como principales elementos de resistencia al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono son aquellos que tienen los siguientes elementos con cantidades mximas de: l. 7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro ca- tegoras dependiendo del porcentaje de carbono, como sigue:

1. Acero de bajo contenido de carbono-e 0.15%.2 Acero dulce al carbono 0.15 a 0.29%. (El acero estructural al carbono queda dentro de esta categora.)3. Acero medio al carbono 0.30 a 0.59%.4. Acero con alto contenido de carbono 0.60 a 1.70%.

Aceros de alta resistencia y baja aleacin

Existe un gran nmero de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Estos aceros obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adicin, aparte del carbono y manganeso, de uno a ms agentes aleantes como el columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre, nquel y otros. Se incluyen aceros con esfuerzos de fluencia comprendidos entre40 ksi y 70 ksi. Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosin atmosfrica que los aceros al carbono.El trmino baja aleacin se usa para describir arbitrariamente aceros en los que el total de elementos aleantes no excede el 5% de la composicin total.

-oesignacin delaASTM

~~ Us~Os~ recomendado~... '

A36Al carbonoPerfiles, barras y. Edificios,-puetesyotras36, pero 32 ~placasestrUCturas atorniI~~ si el espesor es~ - - J

AS29.

Al carbono Perfiles y- placashasta de! pulg

- o soldadas

Simil'1'. al A36

mayor de 8 pulg

42~so

60-100

AS12 Columblo-vanadio dealta resistencia y, baja aleacin

Perfiles, placas y barras hasta de6 pulg

Cns~ccin soldada o, atornillada. No para.. puentes so:ldados~n.Fy : . grado S.S o mayor . ~'

42-65

60--80

A242 De alta resistencia,.l)aja aleacin yresistentea la. corrocidn

Perfiles; pla~- ~ : . - - .Construcciones atcmlladas,y barras hasta . 5Ql4adas Q rema~hadas;de 5 pldg . \. ' tcnica de soldado mQY. imWrtante .

22 1 /Introduccin al diseno estructural en acero

Aceros estructuralesde alta resistencia, baja aleaciny resistentesa la corrosinatmosfrica

Cuando los aceros se alean con pequeos porcentajes de cobre, se vuelven ms resistentes a la corrosin. Cuando se exponen a la atmsfera, las superficies de esos aceros se oxidan y se les forma una pelcula adhesiva muy comprimida (conocida tambin como "ptina") que impide una mayor oxidacin y se elimina as la necesidad de pintarlos. Despus que ocurre este fenmeno, en un periodo de 18 meses a tres aos (depende deltipo de exposicin, por ejemplo, rural, industrial, luz solar directa o indirecta, etc.), el acero adquiere un color que va del rojo oscuro al caf y al negro.E] primer acero de este tipo lo desarroll en 1933 la U.S. Steel Corporation (ahora la USX Corporation) para darle resistencia a los carros de ferrocarril, que transporta- ban carbn y en tos que la corrosin era muy intensa. Estos aceros tienen gran aplicacin en estructuras con miembros expuestos y dificiles de pintar como puentes, torresde transmisin, etctera, sin embargo, no son apropiados para usarse en lugares donde queden expuestos a brisas marinas, niebla o a humos industriales corrosivos; tampoco son adecuados para usarse en condicin sumergida (agua dulce o salada) o en reas muy secas como en algunas partes del oeste de Estados Unidos. Para que a estos aceros se les forme la pelcula adhesiva comprimida (ptina) deben estar sujetos a ciclos de humedad y resequedad, de otra manera seguirn teniendo la apariencia de acero sin pintar.

Aceros templados y revenidos

Estos aceros tienen agentes aleantes en exceso, en comparacin con las cantidades usadas en los aceros al carbono, y son tratados trmicamente (templados y revenidos) para darles dureza y resistencia con fluencias comprendidas entre 70 ksi y 110 ksi. El revenido consiste en un enfriamiento rpido del acero con agua o aceite, cambiando la temperatura de por lo menos 1 650 F a 300 o 400 F. En el templado el acero se recalienta por lo menos 1 150 F y luego se deja enfriar.Los aceros templados y revenidos no muestran puntos bien definidos de fluenciacomo lo hacen los aceros al carbono y los acero de alta resistencia y baja aleacin. En vista de ello su resistencia a la fluencia se define en funcin del esfuerzo asociado a una deformacin del 0.2%. Los aceros templados y revenidos para placas y barras en la tabla 1.1 son designados A852 con un esfuerzo de fluencia de 70 ksi y A5 l 4 con esfuerzos de fluencia de 90 ksi a 100 ksi, segn e] espesor.En la seccin A3. l de la parte 6 del Manual LRFD estn registrados otros ocho gra- dos ASTM de acero (A53, A500, A501, A570, A606, A607, A618 y A709). Estos gra- dos comprenden tubos, tubulares doblados en fro y en caliente, lminas, soleras y perfiles de acero estructural para puentes.En la figura 1.6 se muestra una serie de curvas esfuerzo-deformacin para los tresprincipales tipos de aceros descritos aqu (al carbono, los de alta resistencia y baja aleacin y los templados y revenidos). Como puede observar el lector los dos primeros tipos tienen puntos de fluencia bien definidos, en tanto que los templados y revenidos no.1.8 USO$ de los aceros de alta reS{stencia 23

Aceros aleados trmicamente; ' acero AS14, aleado y revenido

o.os 0.10 O.IS 0.20 0.25 0.30Deformacin, pulgadas 1>9r pulgada

Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los d~ ultra alta resistencia que . tienen fluencias de entre 160 ksi y 300 ksi, Estos aceros no se 4an incluido en el Manual LRFD porque la ASTM no les ha asignado un nmero de clasificacin. ,Actualmente existen en el mercado ms de 200 aceros con esfuerzos de fluencia mayores de 36 ksi. La industria del acero est experimentando con aceros cuyos esfuerzos de fluencia varan entre 200 ksi y 300 ksi, y esto es slo el principio. Mucha gente de esta industria cree que en unos cuantos aos se dispondr de aceros con fluenclas.de500 ksi. La fuerza terica de unin entre los t9mos de hierro se ha stimado en msde4 000 ksi. 1 , ( .Aunque los precios de los aceros aumentan con el incremento de los puntos- de fluencia, el porcentaje de incremento en los precios no es mayor que el-porcentaje de incremento de los puntos defluencia. En consecuencia, e/uso de aceros ms resistentes resultar econmico en miembros a tensin, vigas y columnas. Tl vez la mayor econo-

7 . 'L.S. Beedle et al., Structural Stee/Design, Nueva York: Ronald Press, 1964, p. 44.24 1/lntroduccin al diseno estructural en acero

ma se obtendr con los miembros a tensin (sobre todo en aqullos sin agujeros para tomillos y remaches). Pueden producir ahorros considerables en vigas si las deflexiones no son de importancia o si stas pueden controlarse con los mtodos descritos en captulos posteriores. Adems, pueden lograrse ahorros sustanciales con los aceros de alta resistencia en columnas de longitud corta y mediana. Otra fuente de ahorro lo proporciona la construccin hbrida. En este tipo de construccin se usan dos o ms aceros de diferentes resistencias, empleando los aceros ms dbiles donde los esfuerzos son menores y los aceros ms resistentes donde los esfuerzos son mayores.Entre los factores adicionales que pueden conducir al uso de los aceros de alta resistencia se cuentan los siguientes:

l. Alta resistencia a la corrosin.2. Posibles ahorros en los costos de montaje, transporte y cimentaciones debido al menor peso ..3. Uso de vigas de menor peralte, que permite reducir el espesor de los pisos.4. Posibles ahorros en la proteccin contra el fuego porque pueden usarse elementos ms pequeos.

La primera consideracin que toman en cuenta muchos ingenieros al escoger un tipo de acero es el costo directo de los miembros. Dicha comparacin puede hacerse f- cilmente, pero la consideracin econmica respecto a qu acero se debe usar, no puede hacerse a menos que se tomen en cuenta otros factores como pesos, dimensiones, deflexiones, mantenimiento y fabricacin. Hacer una comparacin general exacta de los aceros probablemente resulte imposible, por lo que debe limitarse a considerar el caso particular en estudio.

1.9 MEDICINDE LA TENACIDAD

La tenacidad a la fractura del acero se usa como una medida general de su resistencia al impacto o de su capacidad para absorber incrementos repentinos en los esfuerzos de muesca. Entre ms dctil es el acero, mayor es su tenacidad. Por otra parte, entre ms baja es la temperatura, mayor es su fragilidad.Se dispone de varios procedimientos para estimar la tenacidad de muesca, pero laprueba Charpy de muesca V es la ms ampliamente usada. Si bien esta prueba (descrita en la especificacin A6 del ASTM) es algo inexacta, ella ayuda a identificar los aceros frgiles. Con esta prueba se mide la energa requerida para fracturar una pequea barra de seccin transversal rectangular con una muesca especfica (vea la figura 1.7).La barra es fracturada por un pndulo liberado desde cierta altura. La cantidad deenerga requerida para fracturar la barra se determina a partir de la altura a la que el pndulo se eleva despus del golpe. La prueba puede repetirse para diferentes temperaturas y graficarse como se muestra en la figura 1.8. Tal grfica muestra claramente la relacin entre temperatura, ductibilidad y fragilidad. La temperatura en el punto de mayor pendiente es la temperatura de transicin.1.1 O Secciones jumbo 25

Golpe de impacto

r=:2.Jm-

Dommmm4520mm 20mm

Figura 1.7 Probeta para la prueba Charpy de muesca en V.

Frgil(ductilidad despreciable)

Transicin defrgil a dctil Dctil

so=as. 40.,'O

Temperatura de transicin~-~IOe,;

30 (en la pendiente mxima)

20

10

-10 o

10 20Temperatura, F

30 40

Figura 1.8 Resultados de la prueba Charpy de muesca en V.

Varios aceros estructurales tienen especificaciones diferentes para los niveles de energa absorbida requerida (por ejemplo, 20 pie-lb a 20 F), dependiendo de la temperatura, esfuerzo y condiciones de carga bajo los cuales sern usados. El tema de la fragilidad se continuar viendo en la siguiente seccin.

1.10 SECCIONES JUMBO

En la tabla 1.2 del Manual LRFD, los perfiles de acero estn designados del 1 al 5, segn sus espesores en patines y almas. Los perfiles Wpesados (y las T estructurales cor- tadas de ellos) en los grupos 4 y 5 suelen denominarse seccionesjumbo.26 1 /Introduccin al diseno estructural en acero

Los ncleos de reas se muestranrayados

VZVZ///))Placa

PertilW

Figura 1.9 Ncleos de las reas donde una falla frgil puede presentar problemas en miembros gruesos, pesados.

Las secciones jumbo se desarrollaron originalmente para usarse como miembros a compresin, y como tales tienen un comportamiento satisfactorio. Sin embargo, los ingenieros los han usado con frecuencia como miembros a tensin o flexin. En tales casos, sus patines y almas han presentado serios problemas de agrietamiento cuando se ha utilizado soldadura o corte trmico. Esos agrietamientos tienen por resultados menores capacidades de carga y problemas relacionados con la fatiga. 8Las piezas gruesas de acero tienden a ser ms frgiles que las delgadas. Algunas de las razones de esto son que los ncleos de perfiles gruesos (mostrados en la figura 1.9) estn sometidos a un menor laminado, poseen mayor contenido de carbono (necesario para producir los esfuerzos de fluencia requeridos) y tienen mayores esfuerzos de tensin por el enfriamiento (esfuerzos residuales). Estos temas se analizarn en captulos posteriores.Las secciones jumbo empalmadas con soldaduras pueden usarse satisfactoria-mente en casos de tensin axial o de flexin si los procedimientos dados en la especificacin A3.lc del Manual son cuidadosamente observados. Algunos de los requisitos son los siguientes:

1. El acero usado debe tener ciertos niveles de absorcin de energa, determinados por la prueba Charpy de la muesca en V (20 pie-lb a 70 F). Es absolutamente necesario que las pruebas se hagan sobre especmenes tomados de reas del n- cleo (mostrado en la figura 1.9), donde la fractura frgil se ha evidenciado como problemtica.2. La temperatura debe ser controlada durante el soldado y el trabajo debe seguiruna cierta secuencia.3. Se requieren detalles especiales para los empalmes.

.r,

1.11 DESGARRAMIENTO LAMINAR

Las probetas de acero usadas para pruebas y desarrollo de curvas esfuerzo-deformacin unitaria usualmente tienen sus ejes longitudinales en la direccin en la que el

8 R. Bjorhovde, "Solutions for the Use of Jumbo Shapes", Proceedings 1988 National Steel ConstructionConference, Chicago: AISC,junio 8-11, 1988, pp. 2-1a2-20.1.12 Suministro de estructuras de acero 27

acero fue laminado. Si las probetas se toman con sus ejes longitudinales transversal- mente a la direccin del laminado (a travs del espesor) del acero, el resultado ser una menor ductilidad y tenacidad. Afortunadamente, esto es de poca importancia para casi todos los casos. Sin embargo, puede ser de gran importancia cuando se usan placas gruesas y perfiles estructurales pesados en juntas soldadas fuertemente restringidas. (Puede ser tambin problemtico en miembros delgados, pero es mucho ms importante en los elementos gruesos.)Si una junta est fuertemente restringida, la contraccin de las soldaduras en la di-reccin del espesor no puede redistribuirse adecuadamente y el resultado puede ser un desgarramiento del acero llamado desgarramiento laminar. (Laminar significa que consiste en capas delgadas.) La situacin se agrava por la aplicacin de una tensin externa. El desgarramiento laminar puede presentarse como un agrietamiento por fatiga despus de la aplicacin de un nmero de ciclos de carga.El problema del desgarramiento laminar puede eliminarse o minimizarse de formaconsiderable con detalles y procedimientos de soldadura apropiados. Por ejemplo, las soldaduras deben detallarse de manera que la contraccin ocurra tanto como sea posible en la direccin en que el acero fue rolado. Varias compaas fabricantes de acero producen aceros con propiedades mejoradas en la direccin del espesor, lo que proporciona una resistencia mayor al desgarramiento laminar. An si en tales aceros son usadas juntas fuertemente restringidas, ser necesario tomar en cuenta los detalles especiales. 9

1.12 SUMINISTRO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

El suministro de estructuras de acero consiste en el laminado de los perfiles, la fabricacin de los elementos para un trabajo especfico (incluido el corte a las dimensiones requeridas y el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y el montaje de stos. Muy rara vez una compaa ejecuta esas tres ftmciones y la compaa promedio realiza slo una o dos de ellas . Por ejemplo, muchas compaas fabrican estructuras de acero y las montan, en tanto que otras slo las montan o slo las fabrican. Existen aproximadamente entre 400 y 500 compaas en Estados Unidos que fabrican estructuras de acero, muchas de ellas tambin las montan.Los fabricantes de estructuras normalmente tienen pocos perfiles en bodega debido a los altos intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, or- denan los perfiles cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a los distribuidores de stas. Las distribuidoras, que son un factor cada vez ms importante en el suministro del acero estructural, compran y almacenan grandes cantidades de perfiles que adquieren a los mejores precios posibles en cualquier parte del mundo.El diseo de las estructuras generalmente lo hace un ingeniero en colaboracin con una empresa de arquitectos. El proyectista hace los dibujos del diseo que muestran las cotas de los miembros estructurales, las dimensiones generales as como conexiones

9 "Commentary on Highly Restrained Welded Connections," Engineering Journal, AISC, 1 O, no. 3, 3er. trimestre,1973, pp. 61~73.

-28 1/lntroduccin al diseno estructural en acero

fuera de lo comn. La compaa encargada de fabricar la estructura elabora los planos detallados y los somete a la aprobacin del ingeniero. Esos planos contienen toda la in .. formacin necesaria para fabricar la estructura correctamente. En ellos se muestran las dimensiones de cada miembro, las localizaciones y tamaos de agujeros, las posiciones y tamaos de las conexiones, etc. Una parte de, un dibujo para un detalle tpico de una viga de acero atornillada se muestra en la figura 1.1 O. Podran haber algunos detalles incluidos en este dibujo que no entienda, ya que ha ledo slo unas cuantas pginas de este libro. Sin embargo, tales detalles se aclararn conforme avance en el estudio de los captulos siguientes.En dibujos reales los detalles se mostrarn probablemente para varios miembros. Aqu, el autor ha mostrado slo un miembro pata indicar la informacin necesaria para fabricar correctamente el miembro en el taller. Los crculos y rectngulos sombreados indican que los tomillos deben instalarse en el campo mientras que los no sombreados muestran las conexiones que deben hacerse en el taller.El montaje de edificios es ms que en cualquier otro aspecto del trabajo de cons-truccin, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en taller con letras y nmeros para distinguirlo de los dems. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de planos de montaje. Esos planos no son dibujos detallados sino simples diagramas que

1 12 2Corte 5

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Figura 1.1 O Parte de un dibujo de detalles.

30 1 /Introduccin al diseno estructural en acero

1.13 EL TRABAJO DEL DISEAD()R ESTRUCTURAL

El diseador estructural distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de stas para que soporten satisfactoriamente las cargas a que quedarn sometidas. Sus funcio- nes son: el trazo general de la estructura, el estudio de las formas estructurales posibles, la consideracin de las condiciones de carga, el anlisis de esfuerzos, deflexiones, etc., el diseo de los elementos y la preparacin de los planos. Con ms exactitud, la palabra diseo se refiere al dimensionamiento de las partes de una estructura despus de que se han calculado las fuerzas, ste ser el proceso que se enfatizar a lo largo del texto,usando como material constructivo al acero estructural. .

1.14 RESPONSABILIDADES DEL INGENIERO ESTRUCTURll1S,TA

El ingeniero estructurista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las estructuras de manera que puedan montarse prcticamente, que tengan resistencia suficiente y que sean econmicas. Estos conceptos se analizan brevemente a continuacin.

Seguridad

Una estructura no slo debe soportar con seguridad las cargas impuestas sino soportar- las en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas y alar- men a los ocupantes o causen grietas en ella.

Costo

El proyectista siempre debe tener en mente la posibilidad de abatir los costos de la construccin sin sacrificar la resistencia. A lo largo de este texto se analizan algunos aspectos de construccin que pueden ayudar a reducir los costos, tales como: uso de elementos y materiales que no requieren un mantenimiento excesivo a travs de los aos.

Factibilidad

Otro objetivo es el diseo de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin mayores problemas. Los proyectistas necesitan conocer lo relativo a los mtodos de fabricacin y deben adaptar sus diseos a las instalaciones disponibles.Tambin deben aprender todo lo relativo al detallado y al montaje de las estructuras. Entre ms sepan sobre los problemas, tolerancias y mrgenes de taller y campo, mayor ser la posibilidad de que sus diseos resulten razonables, prcticos y econmi-'1.14 Responsabilidades del ingeniero estructurista 31

Montaje de la estructura de acero del edificio Transamerica Pyramid en San Francisco, Calif. (Cortesa de Kaiser Steel Corporation.)

cos. Este conocimiento debe incluir informacin relativa al envo de los elementos estructurales a la obra (por ejemplo, el tamao mximo de las partes que pueden transportarse por camin o ferrocarril) as como a la disponibilidad de mano de obra y equipo de montaje. Quiz el proyectista debe hacerse la pregunta, "podra yo erigir esta estructura si me enviaran a montarla?"Por ltimo, debe dimensionar las partes de la estructura de manera que stas no in- terfieran con las partes mecnicas (tuberas, duetos, etc.) o arquitectnicas.32 1/lntroduccinal diseno estructuralen acero

1.15 DISEO ECONMICO DE MIEMBROS DE ACERO

El diseo de un miembro estructural de acero implica mucho ms que el clculo de las propiedades requeridas para resistir las cargas y la seleccin del perfil ms ligero que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que presenta los diseos ms econmicos, deben considerarse otros factores. Algunos de estos son los siguientes:

1. El proyectista necesita seleccionar las dimenciones en que se fabrican los perfiles laminados. Vigas, placas y barras de tamaos poco comunes sern dificiles de conseguir en periodos de mucha actividad constructiva y resultarn costosos en cualquier poca. Un poco de estudio le permitir al proyectista aprender a evitar tales perfiles. Los fabricantes de acero reciben constantemente informacin de las empresas cons- tructoras acerca de las dimensiones de perfiles disponibles. (La mayor parte de los perfiles estructurales pueden conseguirse en iongitudes de 60 a 75 pies, dependiendo del fabricante, aunque bajo ciertas condiciones pueden conseguirse hasta de 120 pie.)

2. En ciertos casos, puede ser un error suponer que el perfil ms ligero es el ms barato. Una estructura diseada segn el criterio de la "seccin ms ligera" consistir en un gran nmero de perfiles de formas y tamaos diferentes. Tratar de conectar y adaptar todos esos perfiles ser bastante complicado y el costo del acero empleado probablemente ser muy alto. Un procedimiento ms razonable sera unificar el mayor n- mero posible de perfiles en cuanto al tamao y forma aunque algunos sean de mayor tamao.

3. Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya que esas secciones, para un mismo peso, tienen los mayores momentos de inercia y de resistencia. Conforme aumenta la altura de los edificios, resulta econmico modificar este criterio; consideremos, por ejemplo, un inmueble de 20 pisos debe tener una altura libre mnima. Si los peraltes de las vigas de los pisos se reducen 6 pulg, las vigas costarn ms, pero la altura del edificio se reducir 20 x 6 = 120 pulg o 1 O pie con el consiguiente ahorro en muros, pozos de elevadores, alturas de columnas, plomera, cableado y cimentaciones.

4. Los costos de montaje y fabricacin de vigas de acero estructural son aproximadamente los mismos para miembros ligeros o pesados. Las vigas deben entonces espa- ciarse tanto como sea fosible para reducir el nmero de miembros que tengan quefabricarse y montarse. 1

5. Los miembros de acero estructural deben pintarse slo si lo requiere la especificacin aplicable. El acero no debe pintarse si va a estar en contacto con concreto. Ade- ms, los diversos materiales resistentes al fuego usados para proteger a los miembros de acero se adhieren mejor si las superficies no estn pintadas. 11

10 H. Allison, Low-and Medium-Rise-Steel Buildings, Chicago: AISC, 1991, pp. 1-5.11 Ibid, pp. 1-5.1.15 D.ise.no econmico de miembros de acero 33

Montaje de la estructura de acero del edificio Transarnerica Pyramid en San Francisco, Calif. (Cortesa de Kaiser Steel Corporation.)

6. Es muy conveniente utilizar la misma seccin el mayor nmero de veces posible. Tal manera de proceder reducir los costos de detallado; fabricacin y montaje.

7: Para secciones grandes, particularmente las compuestas, el diseador necesita tener mfonnacin relativa a los problemas de transporte. Esta informacin incluye las34 1/lntroduccin al diseo estructural en acero

mximas longitudes y alturas que pueden enviarse por camin o ferrocarril (vea la seccin 1.17), los claros libres bajo puentes y lneas de transmisin que se encuentren en el camino a la obra, as como las cargas permisibles sobre los puentes que deban cruzarse. Es posible fabricar una armadura de acero para techo en una sola pieza, pero tal vez no sea posible transportarla a la obra y montarla en una sola pieza.

8. Deben escogerse secciones que sean fciles de montar y mantener. Por ejemplo, los elementos estructurales de un puente deben tener sus superficies expuestas, dispues- tas de manera que puedan pintarse peridicamente (a menos que se utilice un acero especial resistente a la corrosin).

9. Los edificios tienen con frecuencia una gran cantidad de tuberas, conductos, etctera, por lo que deben escogerse elementos estructurales que sean compatibles con los requisitos de forma y tamao impuestos por tales instalaciones.

10. Los miembros de una estructura de acero, a veces estn expuestos al pblico, sobre todo en el caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estticos cuando se disponen de manera sencilla y tal vez cuando se escogen elementos con lneas curvas; sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencia, tienen un costo muy razonable.

Surge con frecuencia la pregunta, cmo lograr un diseo econmico en acero estructural? La respuesta es simple: depende de lo que el fabricante de acero no tenga que hacer. (En otras palabras, un diseo econmico se alcanza cuando la fabricacin_se minimiza.)

1.16 FALLAS EN ESTRUCTURAS

La gente supersticiosa prefiere no hablar sobre neumticos desinflados o escribir su tes- tamento por temor de tentar al destino. Esa misma gente probablemente no se preocu- para por analizar el tema de las fallas en la ingeniera. A pesar de la prevalencia de esta supersticin, el autor considera que el conocimiento de las causas de los fracasos ms frecuentes del pasado, es de gran valor para los ingenieros con experiencia y sin ella, por igual. Tal vez un estudio de las fallas ocurridas en el pasado sea ms importante que un estudio de los xitos. Benjamin Franklin hizo la observacin que "un hombre sabio aprende ms de los fracasos que de los triunfos".El ingeniero con poca experiencia necesita saber a qu debe drsele la mayor atencin y dnde se requiere asesora exterior. La vasta mayora de los ingenieros, con o sin experiencia, seleccionan miembros de suficiente tamao y resistencia. El colapso de las estructuras se debe usualmente a una falta de atencin a los detalles de las conexiones, deflexiones, problemas de montaje y asentamientos en la cimentacin. Las estructuras de acero rara vez fallan debido a defectos del material ms bien lo hacen por su uso im- propio.

36 1/lntroduccin al diseno estructural en acero

La estructura usual cuando est terminada est suficientemente arriostrada con los pisos, muros, conexiones y arriostramiento especial, pero hay ocasiones durante la construccin en que muchos de esos elementos no estn presentes. Como se indic previamente, las peores condiciones pueden ocurrir durante el montaje y puede entonces requerirse un arriostramiento especial temporal.

1.17 MANEJO Y EMBARQUE DEL ACERO ESTRUCTURAL

Las siguientes reglas generales se aplican a las dimensiones y pesos de piezas de acero estructural que pueden ser fabricadas en un taller, embarcadas a la obra y montadas.l. Los pesos y longitudes mximos que pueden manejarse en el taller y en un sitio de construccin son aproximadamente 90 toneladas y 120 pie, respectivamente.2. Piezas de 8 pie de altura, 8 pie de ancho y 60 pie de largo pueden ser embarcadas sobre camiones sin dificultad (siempre que los pesos en los ejes no excedan los valores permisibles indicados por las autoridades a lo largo de las rutas designadas).3. Hay pocos problemas en el envo por ferrocarril si las piezas no tienen ms de 1 Opie de alto, 8 pie de ancho, 60 pies de largo y si no pesan ms de 20 toneladas.4. Las rutas deben ser cuidadosamente estudiadas y los transportistas consultados respecto a los pesos y tamaos que excedan los valores indicados en los puntos 2 y 3 anteriores.

1.18 EXACTITUD DE LOS CLCULOS

Un punto muy importante, que muchos estudiantes con sus excelentes calculadoras de bolsillo y computadoras personales tienen dificultad para entender, es que el diseo estructural no es una ciencia exacta y que no tiene sentido tener resultados con ocho cifras significativas. Algunas de las razones se deben a que los mtodos de anlisis se basan en suposiciones parcialmente ciertas, a que las resistencias de los materiales varan apreciablemente y a que las cargas mximas slo pueden determinarse en forma aproximada. Con respecto a esta ltima afirmacin, cuntos usuarios de este libro podran estimar con una aproximacin del 10% la carga mxima en libras por pie cuadrado que se presentar eventualmente en el piso del edificio que ahora ocupan? Los clculos con ms de dos o tres cifras significativas, obviamente son de poco valor y pueden darle al estudiante una falsa impresin de exactitud y precisin.

1.19 INFLUENCIA DE LAS COMPUTADORAS EN EL DISEO DE[ ACERO ESTRUCTURAL

La disponibilidad de las computadoras personales ha cambiado drsticamente la manera en que se analizan y disean las estructuras de acero. En prcticamente toda es- cuela de ingeniera y oficina, las computadoras se usan rutinariamente para resolver los problemas de anlisis estructural. Aunque se han usado mucho menos para trabajos de1.20 Diseno con ayuda de computadora en este texto 37

d1. se o, la situacin est cam. biando rpidamente conforme ms y ms programas se desarrollan y venden come~ci~lme~te. . _ _ _ ,- Muchos clculos estn implicados en el diseno del acero esn:ictuli~l y muchos declculos consumen mucho tiempo. Con una computadora, el ingemero estructural pesuoesde reducir considerablemente el ti.emp~drequenido pa1,raeso~ ca'l dculdo'~ yftemp 1ear su-puestamente el tiempo ahorrado para condsi erdar o~s a tem1attvas. e 1se o.Tericamente, el diseo por computac ora _ e sistemas a ternatvos para unos cuan-tos proyectos debera mejorar sustancialmente el buen juicio del ingeniero en un corto periodo. Sin computadoras, el desarrollo de este mismo juicio requerir que el ingeniero lo alcance a travs de una buena cantidad de proyectos hechos a mano.Aunque las computadoras incrementan la productividad en el diseo, ellas tiendensin duda al mismo tiempo a reducir la intuicin del ingeniero hacia las estructuras. Esto puede ser un problema especi~l par~ los ingenieros j~ven~~ ~on poca e~periencia previa en el diseo. A menos que los mgemeros tengan esta ntucn, el uso de las computadoras puede resultar ocasionalmente en la obtencin de grandes errores.Es interesante notar que hasta el tiempo presente se ha tenido la idea en la mayorlade las escuelas de ingeniera que la mejor manera de ensear el.diseo estructural enacero es con gis y un pizarrn.

1.20 DISEO CON AYUDA DE COMPUTADORA EN ESTE TEXTO

Anexo a este libro, en su forro posterior, hay un disquette que contiene un programa para disear en acero llamado INSTEP. Este programa fue- preparado por el Dr. James K. Nelson para ayudar al estudiante en la resolucin de muchos de los problemas pre- sentados en este texto. Es un programa limitado, ya que no se pueden realizar todas las revisiones necesarias para un diseo completo. Por medio del uso de INSTEP, el estudiante puede fcilmente estudiar los efectos de los cambios en un clculo y la importancia de los diversos parmetros del diseo. _INSTEP opera en microcomputadoras IBM y compatibles que tengan un disco duro y usen sistema operativo MS-DOS. El contenido del disquette puede copiarse a un directorio del disco duro. Para comenzar la operacin de INSTEP, simplemente cambie a ese directorio, entre INSTEP desde el teclado y siga ]as instrucciones proporciona- das .. INSTEP operar con xito en microcomputadoras que tengan un monitor de grfi- cas Hercules, EGA o VGA. Puede usarse un ratn para ayudar en la entrada de datos.La descripcin completa del sistema JNSTEP, las hiptesis y limitaciones de los procedimientos usados, as como la informacin necesaria para operar INSTEP puede obtenerse desde dentro del sistema. Durante Ja operacin, al ingeniero se le presentan vanos desplegados y opciones. La entrada de datos y las operaciones de diseo son efectuadas mediante el uso de parmetros y botones de operacin en un formato orien-~~o al usuario. Siempre que ha sido posible, los nombres de los parmetros y la nota- cion se han escogido en forma consistente con el texto y con el Manual LRFD.Una buena cantidad de ejemplos de diseo se tratan a lo largo de este texto usando el programa INSTEP. El primero de esos es el ejemplo 3.12 en el captulo 3.Captulo 2

E~pecificaciones,cargas y mtodosde diseo

2.1 ESPECIFICACIONESY CDIGOS DE CON~TRUCCIN

El diseo de la mayora de las estructuras est regido por especificaciones o normas. Aun si stas no rigen el diseo, el proyectista quiz las tornar como una gua. No im- porta cuntas estructuras haya diseado, es imposible que el proyectista haya encontrado toda situacin posible, por lo mismo al recurrir a las especificaciones, l recomendar el mejor material de que se dispone. Las especificaciones de ingeniera son desarrolladas por varias organizaciones y contienen las cpiniones ms valiosas de esas instituciones sobre la buena prctica de la ingeniera. 'Las autoridades municipales y estatales, preocupadas por la seguridad pblica, han establecido cdigos de control de la construccin de las estrucnras bajo su jurisdiccin. Estos cdigos, que en realidad son reglamentos, especifican las cargas de diseo, esfuerzos de diseo, tipos de construccin, calidad de los materiales y otros factores; varan considerablemente de ciudad a ciudad, hecho que origina cierta confusin entre arquitectos e ingenieros.Algunas organizaciones publican prcticas que se recomiendan para uso regional onacional; S'L!S especificaciones no son legalmente obligatorias, a menos que estn conte-nidas en el cdigo de edificacin local o formen parte de un ccntrato en particular; entre esas organizaciones estn el AISC y la AASHTO (American Association of State High- way and Transportation Officials). Casi todos los cdigos de construccin municipales y estatales han adoptado las especificaciones AISC, y casi todos los departamentos estatales de carreteras han adoptado las especificaciones AASHTO.Los lectores deben notar que los cdigos escritos lgica y claramente son muy ti- les para los ingenieros de diseo. Es un hecho que hay menosfallas estructurales en zonas que tienen buenos cdigos y que son estrictamente acatados.

382.1 Especificaciones y cdigos de con.struccin 39

South Fork Feather River Bridge (Puente sobre el ro South Fork Feathr) en el norte de Califor- nia, en proceso de montaje en donde se usa un cable de l 626 pies soportado por mstiles de 21 O pies de altura anclados en cada lado del can. (Cortesa de Bethlehem Steel Corporation.)

Mucha gente considera que las especificaciones impiden a~ ingeniero pensar por s mismo y tal vez haya alguna razn para tal eensura. Se: dice que a los antiguos ingenieros que construyeron las grandes pirmides, el Partenn y los grandes puentes romanos, los controlaban muy pocas especificaciones, lo que indudablemente es verdad. Por otraparte, podra decirse que slo algunos grandes proyectos fueron realizados en el trans- curso de muchos siglos, y que se hicieron aparentementesin tomar en cuenta el costo de materiales, trabajo y vidas humanas. Probablemente. fueron construidos por intuicin siguiendo reglas empricas desarrolladas en construcciones pequeas en donde la resistencia de sus miembros fallara precisamente bajo ciertas condiciones. Seguramente que sus numerosas fallas no han sido registradas en la historia y slo sus xitos han per-durado.. Actualmente, sin embargo, hay centenares de proyectos realizndose al mismo tiempo en Estados Unidos, que rivalizan en importancia y magnitud con las famosas es-!_ructuras de la antigedad. Obviamente, si a todos los ingenieros se les permitiera dise- nar construcciones como las mencionadas, sin restricciones, seguramente habra muchas fallas desastrosas. Por tanto, algo que debe recordarse como importante acerca de las especificaciones es que las mismas no se han elaborado con el propsito de restringir al ingeniero, sino con el de proteger al pblico.

2.4 Cargas Vivas 41

2.4 CARGASVIVASLas cargas vivas son aquellas que pueden cambiar. de lugar y magnitud. Dicho simplemente, todas las cargas que ~o son muertas . son vivas. Las cargas ~ue se mueve~ h.~jo su propio impulso como camiones, gente, gras, etctera, se denomman cargas mviles y aquellas que pueden ser desplazadas, como muebles, materiales en un almacn, nieve, etctera, se denominan cargas movibles. Otras cargas vivas son aquellas causadas alconstruir, viento, lluvia, sismo, voladuras, suelos y cambios de temperatura. A conti-nuacin se hace un breve examen de estas cargas.

t. Cargas de piso. El peso mnimo de las cargas vivas que debe usarse en el diseo de pisos de edificios se especifican claramente en los cdigos de construccin. Desafor- tunadamente, los valores dados en esos cdigos varan de ciudad a ciudad y el proyectista debe estar seguro de que sus diseos cumplen con los requisitos de la localidad. En la tabla 2.1 se dan algunos valores comunes para cargas de pisos; estos valores se toma .. ron del Cdigo ASCE standard 72 A falta de un cdigo local, este es un excelente susti..tuto.

TABLA 2.1 CARGAS VIVAS UNIFORMES MINIMAS COMUNES PARA EL DISEO DE EDIFICIOSTipos de edificios Carga viva en psf (o lb/pie2)Edificios de apartamentosHabitacionesSalones pblicos Comedores y restaurantes Garages (autos nicamente)Gimnasios, pisos principales y balconesEdificios de oficinas Vestbulos OficinasEscuelasSalones de clase Corredores en primer nivel Corredores en pisos superioresBodegasMaterial ligeroMaterial pesadoAlmacenes (menudeo) Primer nivel Otros pisos

4010010050100

10050

4010080

125250

10075

2 Ibid, p. 4.42 2/Especificaciones, cargas y mtodos de diseno

2. Hielo y nieve. En los estados ms fros (de Estados unidos), las cargas de hielo y nieve en ocasiones son muy importantes. Una pulgada de nieve equivale aproximadamente a 0.5 psf, pero puede set mayor en elevaciones menores, donde la nieve es ms densa. Para los diseos de techos se usan cargas de nieve de 1 O a 40 psf; la magnitud depende principalmente de la pendiente del techo y en menor grado de la ndole de la superficie de ste. Los valores mayores se usan para techos horizontales y los menores para techos inclinados. La nieve tiende a resbalar de los techos con pendiente, sobretodo de aquellos con superficies de metal o de pizarra. Una carga de aproximadamente1 O psf podra usarse para pendientes de 4$0 y una de 40 psf para techos horizontales. Enreas geogrficas con inviernos muy fros se han registrado valores mucho mayores de40 psf; en el norte del estado de Maine se han medido cargas de hasta 100 psf.La nieve es una carga variable que puede cubrir todo un techo o slo partes de l. El viento puede acumularla cerca de los muros o entre parapetos, puede deslizarla a otro techo situado ms abajo y tambin puede barrerla de una parte del techo o solidificarla y dejarla en su posicin original aun durante fuertes vendavales.Los puentes generalmente no se disean considerando las cargas de nieve, ya que el peso de sta resulta insignificante comparada con el peso de trenes y camiones. Entodo caso no es factible que se presenten simultneamente una carga total de nieve y una de trnsito mximo. Los puentes y las torres quedan a veces cubiertos con capas dehielo de 1 a 2 pulg de espesor. El peso del hielo es entonces aproximadamente de 1 O psf.Un factor que se debe considerar en la estimacin de las cargas de viento es el rea in- crementada en los miembros, debido a la formacin de hielo en su superficie.3. Lluvia. Aunque las cargas de nieve son un problema ms serio que las cargas de lluvia en los techos comunes, la situacin puede invertirse en los techos horizontales,especialmente aquellos localizados en lugares con clima clido. Si el agua en un techo sin pendiente se acumula ms rpidamente que lo que tarda en escurrir, el resultado sedenomina encharcamiento; la carga aumentada ocasiona que el techo se deflexione en forma de plato, que entonces puede contener ms agua, lo que a su vez causa mayores deflexiones. Este proceso contina hasta que se alcanza el equilibrio o el colapso de la estructura. El encharcamiento es un problema muy serio, como lo atestigua el gran n- mero de fallas que ocurren en techos horizontales cada ao en Estados Unidos durante la temporada de lluvias.El encharcamiento ocurre con cierto grado en casi todo techo horizontal aunque se disponga de drenes para el desage. Los drenes del techo pueden resultar insuficientes durante fuertes tormentas o estar tapados parcial o totalmente. El mejor mtodo para prevenir el encharcamiento es darle al techo una pendiente apreciable (1/4 pulg/pie omayor) junto con un buen sistema de drenes. Adems del encharcamiento comn puede presentarse otro problema en los techos con reas muy grandes (media hectrea o mayores). Durante lluvias muy copiosas en ocasiones tambin sobrevienen vientos muy fuertes que pueden desplazar una gran cantidad de agua hacia un extremo, con el consiguiente incremento de la carga de agua en ese lugar. Para tales eventualidades se usan a veces grandes agujeros o tubos en las paredes o parapetos que permiten que salga el agua cuando sta alcanza cierto nivel sobre el techo.2.4 Cargas Vivas 43

Estructura de una bodega en Grand Junction, Colo. (Cortesa del American lnsitute of SteelConstruction, Inc.)

4. Cargas de trnsito en puentes. Los puentes estn sujetos a una serie de cargasconcentradas de magnitud variable causadas por grupos de camiones o ruedas de trenes.5. Cargas de impacto. Las cargas de impacto las causan la vibracin de las eargasmviles. Es obvio que un bulto arrojado al piso de un almacn o un camin que rebota sobre el pavimento irregular de un puente, causan mayores fuerzas que las que se pre- sentaran si las cargas se aplicaran gradualmente. Las cargas de impacto son iguales a fa diferencia entre la magnitud de las cargas realmente generadas 1lam~gnitud de ta:s:.ear:.. gas consideradas como muertas.La especificacin LRFD (A4.2) requiere que las estructuras quevan a soportar cargas .vivas con tendencia a causar impacto, se diseen con sus cargas nominales supues- tas Incrementadas con los siguientes porcentajes:

Para soportes de elevadores y de maquinaria elevadora100%

Para soportes de maquinaria ligera, con rbol de transmisin o motor, no menor de20%

Para soportes de maquinaria de movimiento recproco o unidades impulsoras, no menor de50%

Para colgantes que soporten pisos o balcones33%

Para trabes de gras viajeras con cabina de operacin y sus conexiones25%

Para trabes de gras viajeras sin cabina de operacin y sus conexiones10%

44 2/Espe-cificaciones, cargas y mtodos de diseno

6. Cargas laterales. Las cargas laterales son de dos tipos principales: de viento y de sismo. En la bibliografia de la ingeniera estructural de los ltimos 150 aos se repor- tan muchas fallas causadas por el viento. Quiz los casos ms deplorables han tenido lugar en las estructuras de puentes como el Tay en Escocia que fall en 1879, causando la muerte de 75 personas y el puente del estrecho de Tacoma que lo hizo en 1940. Tam- bin han tenido lugar fallas desastrosas debido al viento en edificios como el colapso del edificio de la Union Carbide en Toronto en 1958. Es importante observar que un gran porcentaje de fallas por viento en edificios han ocurrido durante el montaje.3a) Cargas de viento. En aos recientes se ha llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones respecto a las cargas de viento. Sin embargo, todava se requiere efec- tuar mucho trabajo, ya que la estimacin de esas fuerzas de ninguna manera puede clasificarse como una ciencia exacta. Las magnitudes de las cargas de viento varan con la localidad geogrfica, las alturas sobre el nivel del terreno, los tipos de terreno que ro- dean a los edificios, incluyendo otras estructuras y algunos otros factores.Por lo general se supone que las presiones del viento se aplican uniformemente alas superficies de barlovento de los edificios y que pueden proceder de cualquier direccin. Estas hiptesis no son muy precisas ya que las presiones no son uniformes sobre grandes reas, por ejemplo, cerca de las esquinas de los edificios probablemente son mayores que en cualquier otra zona. Sin embargo, desde un punto de vista prctico, no es posible considerar en el diseo todas las posibles variaciones, aunque actualmente las especificaciones tienden a ser cada vez ms precisas.Cuando el proyectista trabaja con grandes edificios y hace estimaciones errneas sobre la presin del viento, los resultados probablemente no sern muy serios, pero este no es el caso cuando trabaje con edificios altos y esbeltos (o con puentes largos y flexi- bles). Durante muchos aos el proyectista promedio ignor las fuerzas del viento en edificios cuyas alturas no eran por lo menos el doble de sus dimensiones laterales mni-mas. En esos casos se consideraba que los pisos y muros proporcionaban suficiente ri-gidez lateral para eliminar la necesidad de sistemas especficos de arriostramiento. Sin embargo, un mejor punto de vista que los proyectistas pueden suponer es considerar todas ]as posibles condiciones de carga que una estructura tenga que resistir. Si una o ms de esas condiciones (la de viento, por ejemplo) parecen tener poca importancia, entonces pueden ignorarse. Si un edificio va a tener muros y pisos construidos con materiales ligeros y va a estar sujeto a cargas de viento extraordinariamente altas (como en las zonas costeras o montaosas), tendra que disearse tomando en cuenta las cargas deviento aunque la relacin entre :su altura y su dimensin lateral mnima sea menor que 2.En general los reglamentos; de construccin no preparan para las fuerzas estimadas durante los tornados, B] proyectista promedio considera que las fuerzas creadas directamente en las sendas de los tomados son tan violentas que no es econmicamente factible disear edificios que las resistan. Sin embargo, esta manera de pensar est cambiando, ya que se ha encontrado que la resistencia de las estructuras al viento (aun

3 Wind Forces on Structures, Task Committee on Wind Forces. Committee on Loads and Stresses, StructuralDivision, ASCE, Final Report, Transactions ASCE 126, segunda parte, 1961, pp. 1124-1125.2.4 Cargas Vivas 45

Puente de acceso en Renton, Wash. (Cortesa de la Bethlehem Steel Corporation.)

de los edificios pequeos, incluidas las casas) puede incrementarse considerablementea costos razonables, usando mejores mtodos de conexin entre techos, paredes y cimentaciones as como entre marcos de ventanas, paredes y quizs otras partes de la estructura.v 5Las fuerzas de viento actan como presiones sobre las superficies verticales a barlovento, como presiones o succiones sobre superficies inclinadas a barlovento (dependiendo de la pendiente) y como succiones sobre superficies planas y superficies verticales o inclinadas a sotavento (debido a la creacin de presiones negativas o vacos). El estudiante habr notado este efecto de succin en las tejas u otras cubiertas le- vantadas en las superficies del techo a sotavento. La succin se puede evidenciar fcilmente sosteniendo una hoja de papel en dos de sus extremos y soplando por encima de ella. Para algunas estructuras comunes la succin puede alcanzar valores de entre20 psf y 30 psf o mayores.. Durante el paso de un huracn ocurre una fuerte reduccin de la presin atmosf- nea. Esta disminucin de la presin no se manifiesta dentro de edificios hermtica- mente cerrados y las presiones internas, al ser mayores que las externas, originan

5~p~ Sparks, "Wind Induced Instability in Low-Rise Buildings", Proceedings of the 5th U. S. National on erence on Wind Engineering, Lubbock, Texas, noviembre 6-18, 1985.A;CR. Sparks, "The Risk of Progressive Collapse of Single-Story Buildings in Severe Storrns", Proceedings ofthe'E Structures Congress, Orlando, Florida, agosto 17-20, 1987.46 2/Especificaciones, cargas y mtodos de diseno

fuerzas hacia el exterior sobre los techos y las paredes. Casi todo mundo ha odo relatos de las paredes de un edificio que "explotan" durante una tormenta.El reglamento de construccin promedio en Estados Unidos no considera las velocidades del viento en el rea, las formas de los edificios ni otros factores. Por lo general requieren el uso de alguna presin de viento especifica para el diseo, por ejemplo, una presin de 20 psf sobre una superficie proyectada verticalmente hasta una elevacin de300 pie con un incremento de 2.5 psf por cada aumento de l 00 pie de altura. Los valores dados en esos reglamentos se consideran muy inexactos para el diseo estructural mo- derno.Durante un periodo que abarc varios aos, un comit de trabajo de la ASCE hizoun estudio detallado de la informacin existente sobre las fuerzas de viento. Un excelente reporte titulado Wind Forces on Structures6 fue presentado por este comit en1961. Como se indica en el reporte, el propsito de ste fue proporcionar una fuente compacta de informacin que pudieran usar prcticamente los profesionales del diseo.En el reporte se presenta mucha informacin relativa a los coeficientes de presindel viento para varios tipos de estructuras, a las velocidades mximas del viento de zonas geogrficas especficas y a muchos otros aspectos que pueden ser de gran valor enla estimacin de las fuerzas del viento.La presin del viento en un edificio puede estimarse con la siguiente expresin, en la que p es la presin en libras por pie cuadrado que acta sobre superficies verticales, Cs es un coeficiente de acuerdo a la forma, y V es la velocidad bsica del viento en mi/h estimada con ayuda de los reportes meteorolgicos en esa regin del pas.

El coeficiente Cs depende de la forma de la estructura, principalmente de la del techo. Para estructuras tipo caja, Cs es igual a 1.3 de donde 0.8 es para la presin de barlovento y 0.5 para la succin de sotavento. Para esos edificios la presin total sobre las dos superficies es igual a 20 psf para una velocidad del viento de 77 .8 mi/h.Como se describi en los prrafos anteriores, la determinacin precisa de las cargas ms crticas por viento sobre un edificio o puente es un problema extremadamente com- plejo; sin embargo, actualmente se dispone de suficiente informacin para obtener estimaciones satisfactorias con bases razonablemente sencillas.b) Cargas ssmicas. Muchas reas del mundo caen en "territorio ssmico" y enesas reas es necesario considerar fuerzas ssmicas en el diseo de todo tipo de estructuras. Durante siglos ha habido fallas catastrficas de edificios, puentes y otras estructuras debido a los sismos. Se ha estimado que por lo menos 50 000 personas perdieron la vida en el terremoto de 1988 en Armenia.7 Los sismos de 1989 en Loma Prieta y de1994 en Northridge, California, ocasionaron miles de millones de dlares en daos a propiedades, as como una considerable prdida de vidas.

6 lbid, pp. 1124-1198.7 V. Fairweather, The Next Earthquake, Civil Engineering, Nueva York; ASCE, marzo 1990, pp. 54-57.2.4 Cargas Vivas 47

La figura 2.1 muestra zo~as, de. riesgo ssn:ico en varias localidades ~e ~stados Unidos. Esas zonas se establecieroncon base en;s1smos pasado~.8 Este mapa indica que los riesgos ms severos estn en las zonas designadas c~~ numero 4 y las de menor sgo son las designadas con nmero O.. Este mapa algo viejo se presenta para dar al es-~~iante una idea de cules zonas del pas tienen mayores riesgos ssmicos. Mapas mu- ho ms detallados se usan actualmente para estimar las potenciales fuerzas ssmicas.e Las estructuras de acero pueden disearse y construirse econmicamente para resistir las fuerzas causadas durante la mayora de los sismos. Por otra parte, el costo de proporcionar resistencia ssmica a estructuras existentes pu~de. ser extremadamen~e alto. Sismos recientes han demostrado claramente que el edificio o puente promedio que no ha sido diseado para fuerzas ssmicas puede ser destruido por un sismo que no sea particularmente severo.Durante un sismo hay una aceleracin en la superficie terrestre. Esta aceleracinpuede descomponerse en elementos verticales y horizontales; por lo general se supone que los primeros son insignificantes, en tanto que los segundos pueden ser graves .. manlisis estructural de los efectos esperados de un sismo debe incluir un estudio.de la respuesta de la estructura al movimiento del suelo causado por el sismo. Sin embargo, es comn en el diseo aproximar los efectos del movimiento del suelo a un conjunto decargas estticas horizontales actuando en cada nivel de la estructura. Varias frmulas se usan para cambiar las aceleraciones ssmicas en fuerzas estticas que son dependientes de la distribucin de la masa de la estructura, del tipo de estructuracin, de su rigidez, de su localizacin, etc. Tal aproximacin es usualmente adecuada para edificios de poca altura, pero no es apropiada para edificios de muchos pisos, donde es necesario un anlisis dinmico del conjunto.Algunos ingenieros piensan que las cargas ssmicas usadas en el diseo son simplemente un incremento porcentual de las cargas de viento. Sin embargo, esta suposicin es incorrecta ya que las cargas ssmicas difieren en $U accin y no son proporcionales al rea expuesta del edificio; por el contrario, se debe considerar la distribucin de masa del edificio por arriba del nivel particular.Las fuerzas debidas a la aceleracin horizontal se incrementan con la distancia del piso por arriba de la tierra, debido al efecto de vibracin del sismo. Obviamente las torres, los tinacos y los departamentos en la parte superior de los edificios se encuentran en una situacin precaria cuando ocurre un sismo.Otro factor por considerar en el diseo ssmico es la condicin del suelo. Casi todo el ~ao estructural y prdida de vidas en el sismo de Loma Prieta ocurri en reas que teman suelos de arcilla blanda. Aparentemente esos suelos amplificaron los movimien- tos de la roca subyacente. 9

8American So . . .Nueva y k : ctety ofCzv1l Engmeers Minimum Design Loadsfor Buildings and OtherStructures, ASCE 7-88,9 or ASCE, pp. 33 y 34. V. Fairweathe Thr, e next Earthquake, Civil Engineering, Nueva York; ASCE, marzo 1990, pp. 54-57.48

Otras reas

Guam3

Tutuila3

Virgin Islands4

ALAS KA Millas

300

Kauaio"'O / . 1 Oahu\:/h~ L ~'-

Maui

HAWAU ~~//~ 3 Hawaii

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