Diseño en AceroIntroducción

TIPOS DE ESTRUCTURAS

El ingeniero estructural se ocupa del diseño de una variedad de estructuras queincluyen, pero que no necesariamente se limitan, a las siguientes:

Puentes: Para ferrocarriles, carreteros, y de peatones.

Edificios: Que incluyen estructuras dé marco rígido, marcos simplemente conectados, muros de carga, soportados por cables, y en voladizo. Se pueden considerar o usar numerosos esquemas de' soporte lateral, como armaduras,simples y alternadas, y un núcleo central rígido. Además, se pueden clasificarlos edificios según su empleo o altura como edificios de oficinas, industriales,fábricas, rascacielos, etc.

Otras estructuras: Incluyen torres para transmisión de potencia, torres para instalaciones de radar y TV, torres de transmisión telefónica, servicios de suministro de agua, y servicios de terminales

Aceros Estructurales

(De acuerdo a la American Society of Testing Materials ASMT)

Aceros generales (A-36)Aceros estructurales de carbono (A-529)-b.1 Bajo contenido de carbono (<0.15 %)-b.2 Dulce al carbono (0.15 – 0.29 %)-b.3 Medio al carbono (0.30 – 0.59 %)-b.4 Alto contenido de carbono (0.6 – 1.7 %)Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (Mo, V y Cr), (A-441 y A-572) aleación al 5 %.Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión atmosférica (A-242, A-588).Acero templado y revenido (A-514).

Designación ASTM Acero Formas Usos Fy min Ksi Fu min tensión ksi

A-36 NOM B-254 Al carbono Perfiles, barras y placas

Puentes, edificios estructurales en gral. Atornillados, remachados y soldados

36 e < 8" 32 e > 8" 58 – 80

A-529 NOM B-99 Al carbonoPerfiles y placas

e< ½"Igual al A-36 42 60-85

A-441 NOM B-284Al magneso, vanadio de alta resistencia y baja aleación

Perfiles, placas y barras

e< 4"

Igual al A-36 Tanques

40-50 60-70

   

A-572 NOM BAlta resistencia y baja aleación

Perfiles, placas y barras

e< 4"

Construcciones atornilladas, remaches. No en puentes soldados cuando Fy> 55 ksi

42-65 60-80

A-242 NOM B-282Alta resistencia, baja aleación y resistente a la corrosión atmosférica

Perfiles, placas y barras

e< 4"

Construcciones soldadas, atornillada, técnica especial de soldadura

42-50 63-70

A-514 Templados y revenidosPlacas

e< 4"

Construcciones soldada especialmente. No se usa si se requiere gran ductilidad

90-100 100-150

Designación ASTM

Usos

A-53 NOM B-177

Tubo de acero con o sin costura negros y galvanizados por inmersión en caliente.

A-500 NOM B-

199

Tubo de acero para usos estructurales formados en frío con o sin costura de sección circular y otras formas.

A-501 NOM B-

200

Tubo de acero al carbono con o sin costura formado en caliente para uso estructural.

A-606 NOM B-

277

Lámina de acero de baja aleación y alta resistencia. Laminada en caliente o en frío, resistente a la corrosión.

A-570 NOM B-

347Lámina de acero al carbono laminada en caliente para uso estructural.

A-27 NOM B-353

Piezas coladas de acero de alta resistencia.

A-668 Forjados de acero al carbono y de aleación para uso industrial general.

i Unidad. Propiedades mecánicas de acero estructural

1. Métodos de Análisis.Existen dos métodos de análisis y son los siguientes:a. El método ASD (Allowable Stress Design.-Diseño por

esfuerzos permisibles), se diseña de manera tal que las tensiones calculadas por efectos de las cargas de servicio no superen los valores máximos en las especificaciones, es decir que se trabaja en función de las tensiones admisibles, donde estas son una fracción de las tensiones cedentes del material, ya que por basarse en el análisis elástico de las estructuras, los elementos deben ser diseñados para comportarse elásticamente.

b. El método de Load and Resistance Factor Design (LRFD) (diseño por estados limites).- emplea como criterios de análisis y diseño los de la teoría plástica o una combinación de análisis y diseño plástico. En este caso, basado en estados límites, hay consistencia con el método de diseño para concreto reforzado ACI-318, que emplea procedimientos probabilísticos y provee un nivel más uniforme de confiabilidad.

Elementos en tracción

La resistencia de diseño está asociada a dos posibles estados límites: fluencia en el área bruta y fractura en el área neta efectiva. Como parte del método LRFD se define la resistencia de diseño como el resultado de multiplicar la resistencia nominal por un factor que tiende a castigar la resistencia a la tracción. En el método ASD se define la resistencia admisible en tracción dividiendo la resistencia nominal por un factor de seguridad.En ambos, la resistencia del elemento es el menor valor obtenido al considerar los dos estados límites.

Elementos en compresiónEl diseño de secciones simétricas bajo esfuerzos de compresión requiere algunas consideraciones del estado límite de pandeo por flexión, asociado a la carga crítica de pandeo correspondiente. En ambas metodologías (ASD y LRFD), las columnas han sido tradicionalmente diseñadas tomando como límite la carga crítica de pandeo, elástico para el ASD o inelástico para el LRFD.

Elementos en flexiónEl diseño de elementos en flexión considera cuatro estados límites: fluencia, pandeo local del ala, pandeo local del alma y pandeo lateral en torsión, estos estados límites siempre estuvieron presentes en la especificación ASD, por lo tanto no se producen grandes cambios.

Estado límite de fluenciaControla el diseño de elementos compactos, cuya ala comprimida está suficientemente arriostrada para evitar el volcamiento. La resistencia nominal se presenta asociada a un momento plástico.En las versiones anteriores del formato ASD, la razón de módulos se tomaba conservadoramente igual a 1.1, con lo cual resulta para secciones compactas una tensión admisible de Fb = 0.66 Fy.La disposición ASD 2005 coincide con las anteriores en el estado límite de fluencia. Sin embargo, la especificación actual permite al diseñador aprovechar la verdadera relación de módulos que permite llegar a resistencias hasta un 20% mayores (~0.80Fy). En el caso del método LRFD, no se han producido cambios en las disposiciones actuales para definir el estado límite de fluencia con respecto de la especificación de 1999.

Estado límite de volcamiento

La ecuación que expresa la capacidad nominal de una viga sometida a momento, con soportes laterales entre los límites Lp y Lr, es una línea recta.Para vigas con soportes laterales a distancias mayores que Lr, se usa una ecuación de pandeo elástico. La especificación 2005 describe la resistencia de una viga no arriostrada mediante tres ecuaciones, cada una con su propio intervalo de aplicabilidad.Este es un cambio con respecto de la especificación anterior, la cual requería de cinco ecuaciones, que en algunos casos debían ser primero evaluadas para después elegir el mayor valor calculado, por lo que la nueva norma da valores mayores que los obtenidos usando la anterior. Por su parte, las versiones LRFD 1999 y 2005 dan valores muy próximos, excepto que las expresiones de las ecuaciones para pandeo elástico hayan sido modificadas en su presentación.Adicionalmente, en la especificación 2005, todas las disposiciones de flexión han sido circunscritas a un mismo capítulo, con la sola excepción de una sección específica destinada a la determinación de la esbeltez de los elementos planos componentes de la sección.

Esfuerzo de corteLas disposiciones para esfuerzo de corte en secciones de ala ancha y secciones armadas, considerando o no el efecto del campo de tracciones, se unificaron de forma tal que la resistencia al esfuerzo de corte de una sección W laminada en la especificación 2005 resulta ser la misma que se usaba en la especificación ASD 1989. En términos de tensión admisible, da un valor para el esfuerzo de corte de 0.4 Fy, lo que se traduce en un leve aumento en la resistencia LRFD 2005 respecto de las disposiciones LRFD 1999.Las resistencias a la compresión y la flexión se determinan considerando que cada solicitación actúa aisladamente, mediante un análisis de segundo orden (incluido en el proceso de análisis) o a través del análisis usual de primer orden, a cuyo resultado se le aplica un factor de amplificación.En la práctica, cuando una estructura se deforma, las fuerzas internas cambian de dirección, por lo que se requiere el estudio de una geometría deformada, lo que se conoce como análisis de segundo orden.Este efecto ha sido incluido en las especificaciones AISC en 1961. En las ASD 1989 se amplificaron las tensiones de flexión, en tanto que con el LRFD se combinó el uso de factores de amplificación. La norma 2005 permite el uso alternativo de varios factores, según la aproximación que se desee.Se puede afirmar que la especificación 2005 aumentó las opciones para considerar los efectos de segundo orden, pues incluye una metodología para la determinación directa de los efectos de segundo orden. También permite el diseño de todas las vigas columnas usando el verdadero largo de la columna y un largo efectivo K = 1 cuando se satisface las otras disposiciones.

Elementos compuestos

El tratamiento de la construcción compuesta representa uno de los cambios más importantes respecto de las primeras especificaciones ASD, el que refleja el generado en su filosofía, pues se considera que ASD no requiere una distribución de tensiones elásticas. Al igual que en las otras disposiciones, se establece una resistencia nominal de los elementos, a la cual se aplica un factor de seguridad para obtener los valores admisibles ASD.A pesar de que por algún tiempo el diseño de estructuras metálicas estuvo orientándose hacia el método LFRD o de estados límites, las nuevas disposiciones de la AISC han modificado el método ADS de forma tal que pueda ser usado indistintamente cualquiera de los dos métodos, dando al diseñador la libertad de elegir basado en su experiencia.El siguiente cuadro incluye las opiniones de empresas que están dentro del mercado de acero, las cuales dan su punto de vista sobre las limitaciones que enfrenta el diseño y construcción de este producto. Además, de las desventajas que encuentra en el diseño y construcción empleando el acero con respecto al tradicional concreto.

TIPOS DE CARGAS

Cargas muertasCargas vivasCargas accidentales

CARGAS MUERTAS

Son aquellas cuya magnitud y posición, permanecen prácticamente constantes durante la vida útil de la estructura.

Peso propio.Instalaciones.Empujes de rellenos definitivos. Cargas debidas a deformaciones permanentes

CARGAS VIVAS

Son cargas variables en magnitud y posición debidas al funcionamiento propio de la estructura.Personal.Mobiliario.Empujes de cargas de almacenes.

Estas cargas se especifican como uniformemente repartidas por unidad de área en el ANSI y otros códigos como el RCDF-87 título 6.

Cargas vivas máximas para diseño por carga gravitacional (combinación común).Cargas vivas medias para diseño por estado límite de servicio.Cargas vivas instantáneas para diseño por combinación accidental.

CARGAS ACCIDENTALES:

VIENTO: Estas cargas dependen de la ubicación de la estructura, de su altura, del área expuesta y de la posición. Las cargas de viento se manifiestan como presiones y succiones. En general ni se especifican normas de diseño para el efecto de huracanes o tornados, debido a que se considera incosteable el diseño contra estos efectos; sin embargo, se sabe que el detallado cuidadoso del refuerzo, y la unión de refuerzos en los sistemas de piso con muros mejora notablemente su comportamiento.

SISMO: Estas cargas inducidas en las estructuras están en relación a su masa y elevación a partir del suelo; así como de las aceleraciones del terreno y de la capacidad de la estructura para disipar energía; estas cargas se pueden determinar como fuerzas estáticas horizontales aplicadas a las masas de la estructura, aunque en ocasiones debido a la altura de los edificios o esbeltez se hace necesario un análisis dinámico para determinar las fuerzas máximas a que estará sometida la estructura.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES

COMPONENTES DE UN GALPON

ESQUEMA DE TRANSMISIÓN DE CARGAS

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

Tipos de Fuerzas

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

-Peso de la Estructura

-Fuerzas Internas en los miembros.

-Reacciones en los apoyos de la armadura

Barras en Tracción En la mecánica racional las estructuras se analizan suponiendo que los miembros son rígidos, esto es, que no sufren deformación por acción de las cargas aplicadas. En miembros reales tenemos deformaciones: la longitud y otras dimensiones cambian por la acción de las cargas.

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

 BARRA EN COMPRESION

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

PANDEO DE UN ELEMENTO

La deformación de un elemento en compresión se calcula por la expresión:

Método de los Nodos Ejemplo 01:Determinemos las reacciones en los soportes A y B y las fuerzas (tracción/compresión) en los miembros BE, BC y EF.

Se descomponen todas las fuerzas en sus componentes X e Y.Aplicamos las condiciones de equilibrio: SFx=0; SFy=0; SM=0 SFy=0=Ay+Dy-500 lb.SFx=0=Ax-800 lb. SMA=0=Dy (12 ft)-500 lb (8ft) -800 lb (3ft).

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

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

Junta Analizada

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

ANALISIS JUNTA “A”

JUNTA A: Se suponen los sentidos de las fuerzas desconocidas que actúan en las barras que llegan al nodo A y se dibujan todas las fuerzas externas que actúan sobre el mismo

JUNTA A: Se descomponen las fuerzas axiales sobre cada barra en sus componentes X e Y.Aplicamos las ecuaciones de equilibrio de la estática:SFx=0: AE - ABcos37º - 800 = 0.SFy=0: -ABsen37º - 33 = 0. Resolviendo : AB = - 55 lb (Tracción)

AE = + 756 lb (Tracción)

 El signo negativo de la fuerza AB indica que el sentido supuesto de la fuerza es incorrecto: la fuerza es en Tensión no en Compresión.

ANALISIS JUNTA B (que son las que trabajan)

SFx=0: -44 + BC = 0SFx=0: -33 + BE = 0

Resolviendo : BC = + 44 lb (Tracción)BE = + 33 lb (Compresión)

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

Método de las Secciones Ejemplo 02:Determinemos las reacciones en los soportes A y B y las fuerzas (tracción/compresión) en los miembros BE ; EF y EC.

SFx =0: -800 + EF - EC(Cos37º) + BC = 0

SFy =0: -33 - EC(Sen37º) = 0

SMe =0: 33 (4 ) - BC (3 ) = 0

Resolviendo:

BC = + 44 lb (Tracción)

EC = - 55 lb (Tracción)

EF = + 712 lb (Tracción)

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

 

A partir de la configuración deformada, se puede inferir cual es el estado de tensión de las barras

Estructura Reticulada

Fuerza entrando del nodo » barra en compresiónFuerza saliendo del nodo » barra en tracción

Si se aplica la fuerza en el nodo extremo superior se modifica la condición de tensión en las barras, también se puede inferir el estado de tensión

 

Fuerza entrando del nodo » barra en compresiónFuerza saliendo del nodo » barra en tracción

Recuerda el principio de acción y reacción. La fuerza de REACCION sobre la barra genera otra fuerza (ACCION) de igual magnitud y sentido contrario. En este caso la reacción es la que estamos dibujando sobre el miembro y la acción interna es justamente lo contrario.

 COMO SE DISEÑAN LOS ELEMENTOS DE UNA ARMADURA 

PRACTICA 01 01.- Hallar por el método de los nodos las tensiones en las barras

 02.- Hallar las reacciones y la tensión en la barra 1 de la estructura 

El diseño se orienta a determinar el AREA necesaria de sección de un elemento para resistir la FUERZA actuante sobre él, sin que exceda la TENSIÓN ADMISIBLE del material.

CRITERIOS DE DISENO: • Allowable Strength Design

(A.S.D.) Ra = SQi ≤ Rn / WDonde: Ra = Resistencia Requerida (ASD)Rn = Resistencia NominalW = Factor de SeguridadRn / W = Resistencia de Diseño

CRITERIOS DE DISENO: (A.S.D.)    •FUNCIONALIDAD DE LA ESTRUCTURA; •DEFLEXIONES, •VIBRACIONES, •DEFORMACION PERMANENTE Y RAJADURAS.

CRITERIOS DE DISENO: •Load and Resistance Factor Design (L.R.F.D.) Ru = SgiQi ≤ F RnDonde: Ru = Resistencia Requerida (LRFD)Rn = Resistencia NominalF = Factor de ResistenciaF Rn = Resistencia de Diseño

CRITERIOS DE DISENO: (L.R.F.D.)    •COMPORTAMIENTO MAXIMA RESISTENCIA; •DUCTILIDAD, •PANDEOS, •FATIGA, •FRACTURA, •VOLTEO O DESLIZAMIENTO.

COMBINACION DE CARGAS    

•LRFD – (A4.1) 1.4D – (A4.2) 1.2D+1.6L+0.5(S o Lr o R) – (A4.3) 1.2D+1.6(Lr o S o R)+(0.8W o 0,5L) – (A4.4) 1.2D+1.3W+0.5L+0.5(Lr o S o R) – (A4.5) 1.2D+1.5E+(0.5L o 0.2S) – (A4.6) 0.9D-(1.3W o 1.5E)