ORGANIZAN:PATROCINAN:1CURSOAISC: NUEVAS ESPECIFICACIONESPARA ESTRUCTURAS DE ACERORelator: Sr. Carlos Aguirre A.Agosto 2006INSTITUTO CHILENO DEL ACEROINSTITUTO LATINOAMERICANO DEL FIERRO Y EL ACERO ORGANIZAN:PATROCINAN:2CURSO AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARAESTRUCTURAS DE ACEROFUNDAMENTOSLaexitosaexperienciadelas EspecificacionesAISC eneldiseoy construccin,desde unaprimeraversinrealizadaelao1923,basadaenelmtodoenTensionesAdmisibles(ASD) ha evolucionado a lo que hoy se denomina el mtodo de diseo en base a Cargas yResistenciasFactoradas(LRFD),metodologaquefueintroducidaporprimeravezelao1986.En esta nueva versin, el Comit de Especificaciones del AISC presenta por primera vez untratamiento unificado, que permite el uso alternativo de ambos mtodos de diseo (LRFD yASD). Adems esta nueva norma contiene Disposiciones Sismorresistentes para el Diseo deEstructurasdeAceroqueseaplicanenzonasdeactividadssmicaelevada,queeselresultado de la investigacin desarrollada con posterioridad a los terremotos de Northridge yKobe.EstanormavieneareemplazarlasanterioresespecificacionesASD1989yLRFD1999.Histricamente las normas chilenasse basan ensus similares AISCy soncomplementariasentodosloscriterioscuandolanormachilenanocontemplaundeterminadoaspectodediseo.Este curso esta patrocinado por el American Institute of Steel Construction (AISC)y es el primero que se imparte en Sudamrica.El curso est dirigido a Ingenieros Civiles dedicados al desarrollo de Proyectos Estructuralesde toda ndole e interesados en ampliar sus conocimientosy conocer los ltimos avances enmateriadelclculoestructural.Igualmente,estdirigidoaprofesoresuniversitariosyalumnos de las carreras de Ingeniera Civil.ICHA e ILAFA agradecen el esfuerzo y dedicacin del profesional Sr. Carlos Aguirre A. en lapreparacin de las exposiciones y el presente apunte. El texto ha sido presentado en formaamistosayesperamosquepaseaserundocumentodeconsultayapoyoparalosingenieros, docentes universitarios y estudiantes afines durante su prctica profesional.SR. CARLOS AGUIRRE A.IngenieroCivilUniversidaddeChile,MiembroasesordelComitdeEspecificacionesdelAmerican Institute of Steel Construction (AISC) y miembro del American Concrete Institute(ACI). Postgrado en Ingeniera Ssmica del Building Research Institute de Japn. Profesor yDirector del Departamento de Obras Civiles de la Universidad Tcnica Federico Santa Mara. ORGANIZAN:PATROCINAN:3AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARA ESTRUCTURASDE ACERO.NDICEMODULO CONTENIDO PGINAICriterios de Diseo.Estados Lmites.Elementos en Flexin.4IIElementos en Compresin.Pandeo Local.Pandeo Flexo-Torsional.27IIIElementos en Flexin.Elementos en Corte.47IVInteraccin Flexin - Corte.Flexin Compuesta.64VSeismic Provisions. 76 ORGANIZAN:PATROCINAN:4Carlos AguirreEE- -mail: mail: carlos.aguirre@usm.cl carlos.aguirre@usm.clAI SCLRFD, 1999AISCASD, 1989Criterios de DiseoEstados LmitesElementos en TensinOBJETIVOS Presentar la Especificaci Presentar la Especificaci n AISC n AISC - - 2005 2005 Establecer un Criterio Unificado de Dise Establecer un Criterio Unificado de Dise o ASD y LRFD o ASD y LRFD Destacar que permanece y que cambia en la normativa Destacar que permanece y que cambia en la normativa ORGANIZAN:PATROCINAN:5AISC - 2005 (1/2)HITOS1988 AISC - Seismic Provisions17-01-94Northridge (M=6,8)17-01-95Kobe (M=7,2)STRUCTURAL ENGINEER(September-2000)Encuestados: 600Repuestas : 158No usan LRFD: 87(55%) ORGANIZAN:PATROCINAN:6AISC - 2005 (2/2)n n S S mbolos mbolosn n Glosario GlosarioA. A. Disposiciones Generales Disposiciones GeneralesB. B. Bases de Dise Bases de Dise o oC. C. An An lisis de Estabilidad y Dise lisis de Estabilidad y Dise o oD. D. Elementos en Tensi Elementos en Tensi n nE. E. Elementos en Compresi Elementos en Compresi n nF. F. Elementos en Flexi Elementos en Flexi n nG. G. Elementos en Esfuerzo de Corte Elementos en Esfuerzo de CorteH. H. Interacci Interacci n de Solicitaciones, etc. n de Solicitaciones, etc. ORGANIZAN:PATROCINAN:7AISC 20051. Riostras Restringidas Al Pandeo(BRB)2. Muros Especiales de Plancha de Corte(SPSW)3. Soldadurasde Demanda Crtica.- Soldaduradepenetracincompleta,conrequerimientos adicionalesde calidad(acabado)y tenacidad (energamedidaen ensayo de Charpy a temperatura especificada).4. ZonasProtegidas.- reasexpuestasadeformacionesinelsticassignificativas,querequierenundetallamientomasprolijo(evitardiscontinuidades, eliminar placas de respaldo, reparar defectos de punzonadoocortequecausendiscontinuidades,nousarconectores decorte, sujecionesnoestructurales).EnvigasdeSMFeIMF,extremosycentroderiostrasylinks.AISC 2005 (4/4)BRB BRBSPSW SPSW ORGANIZAN:PATROCINAN:8BASES DEL CRITERIO UNIFICADOLa estructura de acero no sabe por que mtodo fue diseada.FACTORES UNIFICANTES1. Los Estados Lmites son los mismo cualquiera sea la metodologa de diseoque se aplique.2. La Resistencia Nominal es la misma en todas las Filosofas de Diseo, solocambian los mrgenes de seguridad que se usa.3. Puede encontrarse una relacin directa entre los ~Factores de Carga yResistencia y los ~Factores de SeguridadESTADOS LIMITESB. B.- - Estados L Estados L mites de Servicio mites de Servicio cr crA Aw w cr cr8. Inestabilidad por Corte 8. Inestabilidad por Corte yyA Aw w y y7. Fluencia por Corte 7. Fluencia por CorteF Fcr crA Ag gF Fcr cr4. Pandeo por Flexi 4. Pandeo por Flexi n n------- ------- ------- ------- 3. Pandeo Local 3. Pandeo LocalF Fu uA An nF Fu u2. Fractura (Tracci 2. Fractura (Tracci n o Compresi n o Compresi n) n)------- ------- ------- ------- 5. Pandeo por Flexo Torsi 5. Pandeo por Flexo Torsi n nF FyyA Ag gF Fy y1. Fluencia (Tracci 1. Fluencia (Tracci n o Compresi n o Compresi n) n)R Rn n n nA. A.- - Estados L Estados L mites Resistentes mites Resistentes------- ------- ------- ------- Deformaci Deformaci n, vibraciones, corrosi n, vibraciones, corrosi n, fuego, etc. n, fuego, etc.------- ------- ------- ------- 9. Resistencia Uni 9. Resistencia Uni n (perno, soldadura, aplastamiento, etc.) n (perno, soldadura, aplastamiento, etc.)F Fcr crS S F Fcr cr6. Volcamiento 6. VolcamientoResistencia Resistencia Tensi Tensi n nCONDICION LIMITE CONDICION LIMITE ORGANIZAN:PATROCINAN:9ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (1/4)Noinvolucrancolapso,estnasociadosadaoslocalesdelaestructura,deterioro o deformacin de las componentes y a la comodidad de los ocupantesSi no se las considera en el diseo, pueden dar lugar a costosas reparaciones1. DEFORMACIONEXCESIVA.- Apariencia,drenaje,transferenciadecargaaelementos no estructurales.2. VIBRACINEXCESIVA.- Actividadeneledificio,equiposmecnicosoefecto de viento, comodidad de los ocupantes y fallas de funcionamiento.3. DAOLOCALEXCESIVO.- Efectoslocalesde:fluencia,pandeo,deslizamiento de conectores o fracturas o deterioro (corrosin, desgaste)Losvaloreslmitesparaverificarlacondicindeserviciodebieranserdeterminadosporunequipo:dueo usuario arquitecto ingeniero.Laverificacin bajo cargas de servicio pueden considerar solo una fraccin de lacarga nominal de diseo (ASCE 7, Minimum Design Loads for Buildings andother Structures)ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (2/4)1. DEFECTOSDEFABRICACION(curvatura,excentricidad,etc.).- Indicarenplanos si incide en funcionamiento de la estructura.2. DEFORMACIONES.- Debidasacargasgravitacionales(pesopropio,nieve),efectostrmicos y asentamientos. Lmites segn uso y funcionamiento, valores usuales son:a. L/240 en techosb. L/360 en pisosc. 3/8 si hay tabiques frgiles (independiente de L)3. DISTORSIONLATERAL.- Bajocargasdeservicioybajocargasdediseoparaevitar colisin. (1/600/h1/400 y 3/8 para elementos no estructurales frgiles)4. VIBRACIONES (maquinaria, personas, etc.)5. MOVIMIENTODEBIDOAVIENTO.- LaaceleracinMediaCuadrticanodebeexceder 21 mili-g (Edificios Comerciales) y 15 mili-g (Edificios Residenciales) para unviento con perodo de recurrencia de 10 aos).6. DILATACIONES Y CONTRACCIONES7. DESLIZAMIENTO DE LAS CONEXIONES ORGANIZAN:PATROCINAN:10ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (3/4)Steel Design Guide N3: Serviceability Design Considerations for Steel Buildings (2003)DEFORMACIONES ADMISIBLES (Manual ICHA)N Elemento /L Notas123456789101112131415VERTICALESPlanchas onduladas de techo.Planchas onduladas de techo.Costaneras.Vigas corrientes de piso.Vigas que soportan cielos estucados.Porta gras soldadas o laminadas.Id. remachadas o apernadas.Vigas porta gras de acero.Cerchas, vigas enrejadas.Vigas de equipo vibratorio. (*)Vigas de piso colaborante.HORIZONTALESPlanchas onduladas de muro.Costaneras de muro.Columnas de viento.Vigas porta gra.1/1201/2401/2001/3001/3501/4501/6001/10001/7001/8001/1801/1001/1001/2001/500Carga total.Sobrecarga nicamente.Efecto de la sobrecarga.Salvo indicacin del fabricanteCon hormign fresco.ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (4/4)DEFORMACIONES LATERALES (Manual ICHA) Cargas Ssmicas en Edificios (NCh 433): 0,002H Cargas Ssmicas en Est. Industriales (NCh 2369): 0,015H/R Viento (USA, 10 aos de perodo de retorno): 0,0025H ORGANIZAN:PATROCINAN:11FORMULACION UNIFICADAMtodo LRFDMtodo ASDRn: Resistencia Nominal definida por Estado Lmite (fluencia, pandeo, etc.)Ru: Resistencia Requerida(LRFD)Ra: Resistencia Requerida (ASD) : Factor de Resistencia : Factor de SeguridadRn: Resistencia de Diseo Rn/: Resistencia AdmisibleLRFD calibrado respecto ASD para estado de carga 1,2D+1,6L con L/D=3En zonas de alta sismicidad deberaplicarse las AI SC Seismic Provisions /n a n uR R R RELEMENTO EN TENSION (1/2)Rn= AyRn=A yTensin LmiteResistencia NominalE =200.000 MPa ORGANIZAN:PATROCINAN:12ELEMENTO EN TENSION (2/2)1) ASDResistencia Requerida Resistencia Admisible2) LRFDResistencia Requerida Resistencia de Diseog yg ytg ytnaA FA F A FRL D R 60 , 067 , 1 + Tensin Admisibleg y g y t n t uA F A F R L D R + 9 , 0 6 , 1 2 , 1 FACTOR DE CARGA EFECTIVACALIBRACIN CON ASD EN LRFD - 1986(para L/D=3,0)LRFD: 1,2D+1,6LASD: (D+L)1,001,101,201,301,401,501,600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12L/D50 , 1160 , 1 20 , 1++DLDL ORGANIZAN:PATROCINAN:13CRITERIOS COMPARATIVOS (1/4)ASD ASD LRFDAllowable Stress Design Allowable Strength Design Load and Resistance Factor Design inad i Rn= AgFyTraccin o CompresinRn= AnFuTraccin o CompresinRn= AgFcrPandeoRn= crAwPandeo AlmaMn= ZxFyRotulacin Plstica, etc. in d i iR R Q * * inad iRR RCRITERIOS COMPARATIVOS (2/4)ASD LRFD1,2D+1,6L Rdd Rn1,2MD+1,6ML Rd=0,9 RnD+L Ra=Rn/OMD+ML Ma=WFy/ 1,67S* S*0,60Fyd=0,90O = 1,67L/D = 3+

,_

+ DLDL6 , 1 2 , 11 ORGANIZAN:PATROCINAN:14CRITERIOS COMPARATIVOS (3/4)Ejemplo: =0,90=1,67Si L/D = 3 50 , 1 CRITERIOS COMPARATIVOS (4/4) ORGANIZAN:PATROCINAN:15COMBINACIONES DE CARGASASCE 7-02 Secciones 2.3 (LRFD) y 2.4 (ASD)D: Carga Muerta - L: Carga Viva - W: Carga de viento - E : Carga SsmicaLr:Carga Viva en Techo - S : Sobrecarga de Nieve - R: Carga inicial de lluvia o hieloD (W o 0,7E) 1,2D1,0E+0,5L+0,2S 5D+0,75(W o 0,7E)+0,75L+0,75(Lro S o R) 0,9D 1,6W 6D+0,75L+0,75(Lro S o R) 1,2D+1,6W+0,5L+0,5(Lro S o R) 4ASD LRFD N0,6D (W o 0,7E) 0,9D 1,0E 7D+(Lro S o R) 1,2D+1,6 (Lro S o R) +(0,5L o 0,8W) 3D+L 1,2D+1,6L+ 0,5(Lro S o R) 2D 1,4D 1Sidosomascargaseventualesactansimultneamente,solounadeellasdesarrolla su valor mximo y las restantes un valor arbitrario en el tiempo. Losfactores de cargas permiten usar solo cargas nominales, ajustando las diferencias.1,001,101,201,301,401,501,600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12L/DSEGURIDAD ASD Mediante el Factor deseguridad Factor de Seguridad nodepende del tipo de carga LRFD Mediante los factores deresistencia y de carga Factores dependientes del tipode carga y la combinacinFactor de Carga Efectiva - Estado de Carga (2)DLDL++160 , 1 20 , 1 ORGANIZAN:PATROCINAN:16B.- REQUERIMIENTOS DE DISEOCONEXIONESTIPOS DE CONEXIONES Conexiones Simples (SA) Conexiones a MomentoCompletamente Restringidas (FR)Parcialmente Restringidas (PR)FRPRSAMMpv0,030,20Mpv0,02LEIKs20LEIKs2D.-ELEMENTOS EN TENSIONRESISTENCIA NOMINALt=0,90(LRFD)t=1,67(ASD)t=0,75(LRFD)t=2,00(ASD)LasdisposicionesexpresadasenTensionesAdmisiblessonlasmismasdelasdisposiciones ASD-1989 y en trminos de Resistencias Nominales son las mismasde las disposiciones LRFD-1999ESTADO LI MITE DEESTADO LIMI TE DEFLUENCI ARUPTURA (FRACTURA)e u nA F Pg y nA F P ORGANIZAN:PATROCINAN:17ESTADO LIMITE DE ROTURArea Neta Efectiva (Pn= FrAe- =0,75) rea Bruta. Elementos sin perforaciones rea Neta. Elementos c / perforaciones (D=d+1/8)(Cochrane,V. H. - 1922) rea Neta Efectiva. Vnculos y geometra de la seccin (Shear Lag)(Munse y Chesson - 1963)gi iii nAgsD B e A 85 , 0421]1

,_

U=L/L=(L-x)/L)=1-x/LLL`xxSeccin CrticaSHEAR LAG (1/2) ORGANIZAN:PATROCINAN:18SHEAR LAG (2/2)SHEAR LAG - D3.1 ORGANIZAN:PATROCINAN:19SHEAR LAG - D3.1(CONT.)BLOQUE DE CORTE( =0,75 =2,00)PbsFalla en Tensin y CorteMunse y Chesson, 1963TensinCorteUsar menor valor entre:( )nv u nt u bs nA F A F U R 6 . 0+ ( )gv y nt u bs nA F A F U R 6 . 0+ ORGANIZAN:PATROCINAN:20EJEMPLO 101 - Datos2L3x3x1/23 a 3 =9 2x=0,932a) Acero A36 Fy=36 ksi - Fu=58 ksib) 2L3x3x1/2 Ag=5,5 pulg2 - e=0,5 pulg - L=11c) Pernos A325N d=7/8=0,88 pulg - x=0,932 pulgEJEMPLO - 102 - Verificacin SeccinD=d+1/8=7/8+1/8=1U=1-x/L=0,90An=Ag-2De=4,50 in2Ae=U An=4,05 in2(=0,75) (=2,00)(=1,67) (=0,9)176 117 235 Pn=FuAe2) Rotura178 119 198 Pn=FyAg1) FluenciaRd= Rn(LRFD - kips)Ra=Rn/(ASD - kips)Rn(kips)R. NOMINAL E. LIMITEEn ambos casos controla el Estado Lmite de Rotura ORGANIZAN:PATROCINAN:21EJEMPLO - 103Bloque de Corte Resistencia Nominal119 0,6 FyAgv=Ag(in2)c) FLUENCIA EN CORTE113 0,6 FuAnt=An v=Ag-3,5De(in2)b) ROTURA EN CORTE58 FuAnt=An t=Ag-De(in2)a) ROTURA EN TENSIONRn= FuAn t+ 0,6 FuAn t=58+113=171 kipsControla (a) Rotura en Tensin+(b) Rotura en CorteUn nguloEJEMPLO 104 - Bloque de Corte Admisible y de Diseo257 0,75 342 LRFD171 2,00 342 ASDRa - Rd 2RnMETODODos ngulos ORGANIZAN:PATROCINAN:22EJEMPLO - 105 Resumen257 176 LRFD171 117 ASDBL. CORTE TENSION METODOEn ambos caso el Bloque de Corte no ControlaASTM A992TD=30 kipsTL=90 kipsL=25 ftEJEMPLO - 201 - Datos02.- Resistencia Requerida y Admisible ORGANIZAN:PATROCINAN:23EJEMPLO - 203.- Propiedades del Acero y SeccinW8x21 ASTM A992Fy=50 ksiFu=65 ksiAg= 6,16 in2bf= 5,27 in tf= 0,40 in d = 8,28 inry= 1,26 in y = 0,831 in(para WT4 x 10,5)Pn= FyAg=(50ksi)(6,16 in2)=308 kips04.- rea Neta Efectiva.-1) ConservadorU=0,85 para bf= 5,27 d = 8,28bf< 2d/32) Segn Expresin: U=1-y/L=1-0,831/9=0,908 Usar U=0,908An=Ag- 4(D+1/16)=Ag-4(3/4+1/16+1/16)=6,16 in2-(14/16)=4,76 in2Ae=AnU=0,908x4,76=4,32 in2 Pn= FuAe=(65ksi)(4,32in2)=281 kipsFluencia: =1,67Pn/=(308kips)/1,67=184 kips > 120 kipsFluencia: t=0,90tPn=0,90(308kips)=277 kips > 180 kipsRotura: =2,00Pn/=(281kips)/2,00=141 kips > 120 kipsRotura: t=0,75tPn=0,75(281kips)=211 kips > 180 kipsASD LRFDEJEMPLO - 205.- Verificacin de Resistencia y Esbeltez.-L/r = (25,0ft/1,26)(12in/ft) = 23 8 < 300OK ORGANIZAN:PATROCINAN:24ASTM A36TD=20 kipsTL=60 kipsL=25 ftEJEMPLO - 301 - Datos02.- Resistencia Requerida y AdmisibleA partir de que largo el elemento no satisface el lmite de esbeltez?Pa= 20kips+60kips = 80,0kips Pu=1,2(20kips)+1,6(60kips) = 120kipsASD LRFDEJEMPLO - 303.- Propiedades del Acero y SeccinL4x4x1/2 ASTM A36Fy=36 ksiFu=58 ksiAg= 3,75 in2rx= 0,776 in x = y = 1,18 inPn= FyAg=(36ksi)(3,75 in2)=135 kips04.- rea Neta Efectiva.-1) ConservadorU=0,80 para 4 o mas conectores por lnea en direccin esfuerzo2) Segn Expresin: U=1-y/L=1-1,18/9=0,869 Usar U=0,869An=Ag- (D+1/16)t=Ag-(3/4+1/16+1/16)t=3,75 in2-(14/16)(1/2)=3,31 in2Ae=AnU=0,869x3,31=2,88 in2 Pn= FuAe=(58ksi)(2,88in2)=167 kips ORGANIZAN:PATROCINAN:25Fluencia: =1,67Pn/=(135 kips)/1,67=81 kips > 80 kipsFluencia: t=0,90tPn=0,90(135 kips)=122 kips > 120 kipsRotura: =2,00Pn/=(167 kips)/2,00=84 kips > 80 kipsRotura: t=0,75tPn=0,75(167 kips)=125 kips > 120 kipsASD LRFDEJEMPLO - 305.- Verificacin de Resistencia y Esbeltez.-Largo mximo recomendado:Lmax= 300rx= (300)(0,776in)(1ft/12in) = 19,4 ftASTM A992TD=40 kipsTL=120 kipsL=30 ft - Lsoldad=16EJEMPLO - 401 - Datos02.- Resistencia Requerida y AdmisiblePa= 40kips+120kips = 160kips Pu=1,2(40kips)+1,6(120kips) = 240kipsASD LRFDVerifique el elemento suponiendo que la placa gusset cumple satisfactoriamente ORGANIZAN:PATROCINAN:26EJEMPLO - 403.- Propiedades del Acero y SeccinWT6x20 ASTM A992Fy=50 ksiFu=65 ksiAg= 5,84 in2rx= 1,57 in x = y = 1,09 inPn= FyAg=(50ksi)(5,84 in2)=292 kips04.- rea Neta Efectiva.-Solo Expresin: U=1-y/L=1-1,09/16=0,932 (pues la tabla es muy conservadora)An=Ag= 5,84 in2Ae=AnU=0,932x5,84=5,44 in2 Pn= FuAe=(65ksi)(5,44in2)=354 kipsFluencia: =1,67Pn/=(292 kips)/1,67=175 kips > 160 kipsFluencia: t=0,90tPn=0,90(292 kips)=263 kips > 240 kipsRotura: =2,00Pn/=(354 kips)/2,00=177 kips > 160 kipsRotura: t=0,75tPn=0,75(354 kips)=266 kips > 240 kipsASD LRFDEJEMPLO - 405.- Verificacin de Resistencia y Esbeltez.-L/r = (30,0ft/1,57)(12in/ft) = 229 < 300OK