ESTMET 1
51
Estructuras Metálicas R. Alex Quispe Choquechambi Ingeniero Civil Universidad Andina N.C.V. Juliaca, Peru Abril de 2015
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Estructuras Metlicas
R. Alex Quispe Choquechambi
Ingeniero Civil
Universidad Andina N.C.V.
Juliaca, Peru
Abril de 2015
-
El uso del acero estructural, se ha concentrado en las
estructuras metlicas de puentes, instalaciones industriales,
coliseos, cubierta, edificios de oficinas y vivienda.
INTRODUCCION Y GENERALIDADES
-
Las estructuras de acero estructural presentan ventajas
comparadas con el concreto reforzado:
En la fabricacin de los elementos hay un mejor control de calidad porque se lleva a cabo en un taller.
Mayor velocidad de construccin y no se debe esperar tiempo de fraguado. Implica menores costos indirectos.
Durante construccin hay reduccin en la mano de obra.
Las estructuras son ms livianas, en consecuencia una menor cimentacin.
Se generan menores fuerzas inerciales por sismo debido a menor masa.
Se pueden hacer luces ms largas que en concreto reforzado.
Mayor ductilidad y tenacidad de las estructuras
Mayor facilidad de reparacin
Mejor flexibilidad arquitectnica
INTRODUCCION Y GENERALIDADES
-
Las desventajas:
Se requiere mano de obra ms calificada y por lo tanto ms costosa que en concreto.
Muchos de los perfiles son importados y por lo tanto ms caros.
Cuando no haya disponibilidad de los perfiles estructurales que resultaron del diseo, hay que fabricarlos con platinas.
Muchas de las conexiones soldadas o empernadas, se hacen en el campo, por lo que es difcil asegurar un buen control de calidad en
soldadura.
Se requiere mtodos difciles y costosos para revisar soldaduras como por ejemplo, la verificacin por tintas, rayos X o ultrasonido.
Los elementos y conexiones son vulnerables a la corrosin y requieren mantenimiento peridico, y aplicar pintura anticorrosiva cada cierto
tiempo.
La estructura es vulnerable al fuego.
La estructura tiene menor rigidez.
El flujo de caja es mayor al inicio de la obra por la compra del material con anticipacin para fabricacin y costos.
INTRODUCCION Y GENERALIDADES
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PROCESO DE FABRICACION DE ACERO
-
ACERO ESTRUCTURAL
Combinacin de hierro y pequeas
cantidades de carbono, que
generalmente es menor al 1% y
pequeos porcentajes de otros
elementos.
La composicin Qumica influye en
propiedades como:
Soldabilidad.
Resistencia a la corrosin.
Resistencia a la Fractura.
Existe una variedad de aceros
estructurales ASTM los que son
especificados por la composicin
qumica y propiedades fsicas.
-
ACERO ESTRUCTURAL
Si se incrementa el contenido de carbono:
La resistencia aumenta
La ductilidad se reduce
La soldabilidad baja (el material se agrieta si es soldado).
Si se requiere una resistencia alta, es
mejor mantener el contenido de carbono
bajo y usar materiales de aleacin que
aumenten la resistencia sin reducir la
ductilidad.
-
ACERO ESTRUCTURAL
La DUCTILIDAD: Puede
soportar grandes
deformaciones sin fallar bajo
esfuerzos altos y la falla no
es prematura.
La RESISTENCIA Capacidad
del acero para soportar las
cargas que obran en l.
La TENACIDAD: Se puede
definir como la combinacin
o razn de resistencia y
ductilidad. Es decir posee
alta resistencia y ductilidad.
Un miembro que presenta
grandes deformaciones an
es capaz de resistir grandes
fuerzas.
-
ACERO ESTRUCTURAL
La soldadura econmica es posible slo cuando el contenido
de carbono no excede 0.30%.
El manganeso mejora la resistencia y disminuye la
ductilidad
El silicio beneficia a la resistencia, pero en cantidades excesivas
puede hacer que el carbono se
presente como escamas de
grafito.
El azufre y el fsforo tienen disminuyen la resistencia, la
ductilidad y la soldabilidad del
acero. Por eso se limitan a 0.06%.
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RELACION ESFUERZO DEFORMACION DEL ACERO
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RELACION ESFUERZO DEFORMACION DEL ACERO
-
PROPIEDADES DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES
SEGUN ASTM
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PROPIEDADES DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES
SEGUN ASTM
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PROPIEDADES DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES
SEGUN ASTM
-
PERFILES de ACERO
-
PERFILES de ACERO
-
PERFILES de ACERO
Los lingotes de acero de la
refinacin del arrabio se laminan
para formar placas de anchos y
espesores variables; diversos
perfiles estructurales; barras
redondas, cuadradas y
rectangulares; y tubos.
La mayor parte del laminado se
efecta sobre el acero en caliente,
y el producto se llama "acero
laminado en caliente". Algunas de
las placas ms delgadas se
laminan o doblan an ms,
despus de enfradas, para hacer
productos de acero laminados en
fro o "formados en fro"
-
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
PERFILES W (WIDE FLANGE)
Los miembros estructurales
mayormente utilizados son los
que tienen grandes momentos
de inercia con relacin a sus
reas.
Los perfiles I (W, S), T, C tienen
esta propiedad. Los perfiles se
designan por la forma de sus
secciones transversales. Los
perfiles W son de ala (patn)
ancha, la superficie interna de
un perfil W es paralela a la
superficie externa con una
pendiente mxima de 1:20 (5%)
en el interior, dependiendo de
su procedencia y fabricacin.
Eje de simetra en X e Y
Su peralte es igual o mayor que
el ancho del patn, y el espesor
del patn mayor que el del alma
(suelen llamarse perfil columna)
Los perfiles W con ancho de
patn menor que el peralte se
conocen como perfiles viga
-
PERFILES S (SLOPE)
Este tipo de perfiles fueron los
primeros en fabricarse y su uso fue
muy difundido en EE.UU., teniendo
una pendiente de 1:6 en el interior
de sus alas (patines), estos perfiles
a diferencia de los W tienen los
patines mas chicos y no presentan
espesores constantes y presentan
una cierta curvatura en el alma y
las alas.
Es muy utilizado en diseo de
puentes pues sus alas al tener una
suave pendiente facilitan el
escurrimiento del agua nieve que
esta en contacto con el perfil.
S24 x 121 (S = SLOPE = Pendiente)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
PERFILES de ACERO
NOMENCLATURA
La nomenclatura que es utilizada para
los perfiles W S, es:
El primer trmino indica con cierta
aproximacin la profundidad (peralte
nominal) o tamao aproximado d en pulgadas (in), y el segundo trmino
indica el peso del perfil en libras por pie
(lb/ft).
Los perfiles W y S son uno de los que
tiene una mayor resistencia a la flexin
esto porque estos perfiles cuentan con
un elevado Momento de Inercia y
mdulo plstico en relacin con sus
reas.
-
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
Nomenclatura (AISC)
-
Los perfiles W, al tener
espesores uniformes, sus
conexiones son mas fciles
durante el proceso constructivo.
El inconveniente radica en el
peralte nominal que varia para
cualquier grupo de seccin, lo
que afectara durante el proceso
constructivo.
Los perfiles S al no tener
espesores constantes y tener
cierta curvatura en el ala y alma
dificulta sus conexiones durante
el proceso constructivo. La
ventaja es que para cualquier
grupo de seccin el peralte
nominal es el mismo.
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
PERFILES M (MISCELNEOS)
La fabricacin de estos perfiles es a
pedido segn los requerimientos
especiales del que disea y el
constructor, estos perfiles son de
geometra rara especial, no son
perfiles estndar es decir que no
son comerciales.
Son perfiles ligeros y simtricos.
M10 x 8 (M = MISCELLANEOUS = Miscelneo )
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
PERFILES HP (HACHE PROFILE)
Es utilizado en diseo de pilotes de
acero para las fundaciones de
estructuras como pueden ser
puentes, edificios y otros.
Es similar al perfil W, pero est
fabricado de tal manera que el alma
tiene mayor espesor que el ala
(mayor rea y mayor peso) para
que el alma del perfil HP resista la
fuerza del martillo que ejerce en el
momento del hincado
Espesor del alma >Espesor del ala
HP14 x 117 (HP = HACHE PROFILE =
Perfil H)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES C y MC (CHANNEL)
Los perfiles canal, pueden usarse en
la construccin de armaduras planas
(techo) conectadas a placas de nudo
con pernos, remaches o soldadura.
Al igual que los perfiles M, la
fabricacin de los perfiles MC es a
pedido segn los requerimientos del
diseador y el constructor, estos
perfiles no son perfiles estndar es
decir que no son comerciales.
Los perfiles C tienen pendiente al
igual que los perfiles S. Los perfiles
miscelneos no poseen la pendiente
de los perfiles C
Un canal tiene un eje de simetra.
C15 x 50 (C = CHANNEL = Canal)
MC15 x 50 (M =MISCELLANEOUS
CHANNEL= Canal Miscelneo )
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
PERFILES L (ANGLES)
Los perfiles L son los ms
comnmente usados, para
minimizar las cargas de viento o
por razones estticas, pueden ser
de lados iguales o lados
desiguales.
Los angulares se designan por tres
nmeros, los dos primeros se
refieren a la longitud de los lados y
el tercero es el espesor.
Un L6 x 6 x 1/2 es un ngulo de
lados iguales, cada uno de 6 plg de
longitud y 1/2 plg de espesor.
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES WT
(STRUCTURAL TEES)
Las estructuras con perfiles T, son
satisfactorias como cuerdas de
armaduras soldadas porque los
miembros de la celosa se pueden
conectar fcilmente a ellas.
Este tipo de seccin se conoce
como te estructural
T22 x 167.5 (WT = TEES =Te)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES MT (STRUCTURAL TEES)
MT6 x 5.9
( MT =MISCELLANEOUS TEE =
Miscelneo Te)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES ST
(STRUCTURAL TEES)
Los perfiles ST, se obtienen de los
perfiles S tienen la ventaja de que
sus peraltes no varan con respecto
a los perfiles WT.
ST12 x 60.5
(ST = SLOPE TEES = Pendiente
Te)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES RECTANG y CUADR.
HSS (Hollow Structural Sections)
Son perfiles para uso expuesto,
para minimizar las cargas de viento
o por razones estticas. Se utiliza
para elementos sometidos a
compresin y flexocompresin.
Estos tubos se forman al doblar una
placa de acero que finalmente se
suelda en la unin.
Square HSS 20 x 20 x 1/2
Rectangular HSS 20 x 12 x 1/2
Peralte x Ancho x Espesor
(Seccin Rectangular y Cuadrada
Hueca)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFIL CIRCULAR HSS
Los perfiles Circular HSS seccin
tubular al igual que los perfiles
Rectangular y Cuadrado HSS son
utilizados para un uso expuesto.
Se denota con el dimetro externo
y el espesor ambos con tres
decimales.
HSS10.000 x 0.500
10 pulg. de diametro y pulg de
espesor
Los perfiles HSS se emplean
frecuentemente en estructuras de
techo y en cerchas para cubrir
grandes luces.
HSS10.000 x 0.500
(Round HSS=Seccion Circular
Hueca)
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES 2L (DOUBLE ANGLES)
Los perfiles 2L (doble angular) , se
los utiliza para miembros a traccin
de armaduras para techos que
consisten en angulares simples,
pero un miembro ms satisfactorio
se construye a base de dos
angulares, espalda con espalda,
que deben conectarse cada 1.2m
1.5m para prevenir vibracin,
especialmente en armaduras de
puentes.
Tiene la ventaja de tener una
mayor resistencia con respecto a
los perfiles L (simple angular),
2L8 x 8 x 11/8 (2L= DOUBLE
ANGLES = Doble Angular)
PERFIL DOBLE CANAL
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
PERFILES COMBINADOS WC
Perfiles que se obtienen de los
perfiles W combinndolos con un
perfil MC C.
W36 x 150 (W = WIDE = Ancho)
MC18 x 42.7 (C =
MISCELLANEOUS CHANNEL
= Miscelneo Canal )
C15 x 33.9 (C = CHANNEL = Canal
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
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PERFILES COMBINADOS SC
Perfiles que se obtienen de los
perfiles S combinndolos con un
perfil C MC.
S24 x 80 ( S = SLOPE = Pendiente)
C12 x 20.7 (C = CHANNEL = Canal
C10 x 15.3 (C = CHANNEL = Canal
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
RIELES
Existen adems otros tipos de
perfiles para rieles (rails), tubos
(pipes), barras y placas, etc.
PERFILES de ACERO LAMINADOS EN CALIENTE
(AISC)
-
PERFILES DOBLADOS EN FRIO
(AISI Instituto Americano Del Hierro y el Acero)
Son aquellos perfiles fabricados a
base de planchas, tratados
trmicamente (templados y
revenidos) dndoles dureza y
resistencia.
Se diferencian de los perfiles
laminados en caliente por las
esquinas redondeadas.
Los miembros formados en fro, a
diferencia de las secciones
laminadas en caliente, mas
pesadas, se usan esencialmente en
tres situaciones:
1) Cuando cargas y claros
moderados hacen antieconmicos
a los gruesos perfiles laminados en
caliente.
2) Cuando, independientemente del
espesor, se requieren miembros de
configuraciones transversales que
no pueden producir en forma
econmica por laminado en
caliente o por soldado en placas
planas.
3) Cuando se busca que los
miembros portadores de carga
tambin proporcionen superficies
tiles, como en paneles de piso y
paredes, tableros de techo y
similares y sean resistentes a la
corrosin.
-
Se diferencian de los perfiles
laminados en caliente por las
esquinas redondeadas.
El trabajo en fro genera
esfuerzos residuales, bajando
el esfuerzo de fluencia del
acero y reduciendo la
ductilidad.
Las propiedades de muchos
perfiles formados en fro se
consignan en el Cold-Formed
Steel Design Manual (AISI)
PERFILES DOBLADOS EN FRIO
(AISI)
-
STEEL DECK: Placa colaborante, losa colaborante: Cumple
principalmente tres funciones:
Actuar como ACERO DE REFUERZO de refuerzo para contrarrestar los esfuerzos de traccin generados en las fibras inferiores de la losa
producidas por las cargas de servicio.
Servir de ENCOFRADO para recibir el concreto en estado fresco y las cargas de servicio producidas durante el vaciado del concreto.
Actuar como PLATAFORMA DE TRABAJO, permitiendo tener una superficie de trnsito libre y segura para poder realizar las labores
necesarias sobre la placa colaborante, como la instalacin de tuberas,
perforaciones de la placa colaborante, armado del refuerzo o de las
mallas de temperatura, soldadura de los conectores, etc.
PERFILES DOBLADOS EN FRIO
(AISI)
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STEEL DECK:
PERFILES DOBLADOS EN FRIO
(AISI)
-
STEEL DECK:
PERFILES DOBLADOS EN FRIO
(AISI)
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METODOS DE DISEO
DISEO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA
(LRFD) Y DISEO POR ESFUERZOS ADMISIBLES (ASD)
El AISC considera dos mtodos filosofas de diseo aceptables
para disear miembros de acero estructural y sus conectores.
Diseo con factores de carga y resistencia (LRFD: Load and Resistance Factor Design)
(Diseo por Analisis Plstico).
Diseo por esfuerzos permisibles (ASD: Allowable Strength Design) (Diseo por Analisis Elstico)
Ambos procedimientos se basan en los principios del diseo
de ESTADOS LMITE.
-
METODOS DE DISEO
El mtodo ASD se disea de manera tal que las tensiones calculadas por efectos de las cargas de servicio no superen los valores mximos en las especificaciones, es decir que se trabaja en funcin de las tensiones admisibles, donde estas son una fraccin de las tensiones cedentes del material, ya que por basarse en el anlisis elstico de las estructuras, los elementos deben ser diseados para comportarse elsticamente.
El mtodo de LRFD emplea como criterios de anlisis y diseo los de la teora plstica o una combinacin de anlisis y diseo plstico. En este caso, basado en estados lmites, hay consistencia con el mtodo de diseo para concreto reforzado ACI-318, que emplea procedimientos probabilsticos y provee un nivel ms uniforme de confiabilidad.
-
ESTADOS LIMITE
El trmino estado lmite describe una condicin en la que la estructura
parte de ella deja de cumplir su funcin para la cual fue diseada. Este
procedimiento racional esta basado en conceptos probabilsticos.
Existen dos tipos de estados lmite:
ESTADOS LMITE DE RESISTENCIA: Tiene que ver con el comportamiento para su mxima resistencia dctil. Definen la capacidad
de sustentar una carga, incluyendo la fluencia excesiva, la fractura, el
pandeo, la fatiga, vuelco o deslizamiento y el movimiento brusco del
cuerpo rgido.
ESTADOS LMITE DE SERVICIO: Tiene que ver con la funcionalidad de la estructura. Definen el comportamiento, incluyendo la deflexin, el
agrietamiento, la vibracin y el deterioro.
TODOS LOS ESTADOS LMITE DEBEN EVITARSE.
-
El margen establecido entre la resistencia y la carga en los casos
reales tiene como objetivo reducir la probabilidad de falla,
dependiendo de las consecuencias de la falla o de la falta de
servicio.
Ambos mtodos tienen como objetivo obtener un margen numrico
entre la resistencia y la carga que conduzca a una probabilidad
aceptablemente pequea de una respuesta estructural inaceptable.
ESTADOS LIMITE
-
DIFERENCIA ENTRE LOS METODOS LRFD Y ASC
CLCULO DE LAS CARGAS: El mtodo que se usa para calcular
las cargas de diseo y sus combinaciones.
El mayor grupo de cargas (en el mtodo ASD) o la mayor
combinacin lineal de cargas de servicio en un grupo (en el
mtodo LRFD) son usados para el anlisis y el diseo.
Con el mtodo LRFD, se forman grupos posibles de cargas de
servicio, y cada carga se multiplica por un factor de carga,
normalmente mayor de 1.0. y se le llama carga factorizada.
Con el mtodo ASD, las cargas de servicio generalmente no se
multiplican por factores de carga o de seguridad. Ms bien, se
acumulan, tal como estn, para diversas combinaciones factibles.
Los mayores valores se usan para las fuerzas en los
miembros.
-
U: la carga ultima
D: cargas muertas (Dead
load)
L: cargas vivas (Live load)
Lr: cargas vivas en techos
(Roof Live load)
S: cargas de nieve (Snow
load)
R:carga inicial de agua de
lluvia o hielo (Rain water
or ice load)
W: fuerzas de viento
(Wind load)
E: Fuerzas de Sismo
(Earthquake load)
LRFD
ASD
DIFERENCIA ENTRE COMBINACIONES DE CARGAS
LRFD y ASC
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DIFERENCIA ENTRE LOS METODOS LRFD Y ASC
USO DE FACTORES DE
RESISTENCIA
( en el mtodo LRFD)
Se multiplica un factor de resistencia, generalmente menor
que 1, por la resistencia nominal
del miembro.
Pn = Resistencia nominal de un
miembro
Pu = Resistencia requerida en el
miembro
USO DE FACTORES DE
SEGURIDAD
( en el mtodo ASD).
Se divide la resistencia nominal del miembro entre un factor de
seguridad, generalmente mayor
que 1.
Pa = Resistencia requerida en el
miembro
Los valores de Resistencia requerida, NO deben ser mayores
que las resistencia nominales afectadas por
-
RESISTENCIA NOMINAL DE UN MIEMBRO
Resistencia terica calculada, sin la aplicacin de factores de
seguridad (ASD) de resistencia (LRFD)
RELACION ENTRE EL FACTOR DE SEGURIDAD Y EL FACTOR
DE RESISTENCIA
Para fluencia (flujo plstico) en la seccin bruta:
Para fractura en la seccin neta:
-
FACTORES LRFD Y ASD
![La%252525252520 selección%252525252520española[1][1][1][1][1][1]](https://static.fdocuments.es/doc/165x107/555b87d2d8b42acd238b497c/la252525252520-seleccion252525252520espanola111111.jpg)
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