INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL...Especificaciones del Instituto Americano de la Construccion en...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO SECCIONES COMPUESTAS DE ACEROCONCRETO (MÉTODO LRFD) TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO CIVIL PRESENTA: JUAN CARLOS NAVARRETE BAUTISTA ASESOR: ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ MÉXICO, D. F. 2003

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  • INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 

    ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 

    SECCIONES COMPUESTAS DE ACEROCONCRETO (MÉTODO LRFD) 

    TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: 

    INGENIERO CIVIL 

    PRESENTA: 

    JUAN CARLOS NAVARRETE BAUTISTA 

    ASESOR: ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ 

    MÉXICO, D. F.  2003

  • GRACIAS A MI ASESOR DE TESIS: 

    ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ, SIN CUYA AYUDA, ESTE TRABAJO NO SE HUBIERA 

    REALIZADO.

  • A TODOS  LOS QUE CREEN EN MÍ. 

    A LA MEMORIA DE MI ABUELO ALEJANDRO NAVARRETE HERNANDEZ. 

    A MI MADRE  QUE SIEMPRE ME HA APOYADO CON SU GRAN ESFUERZO Y 

    SACRIFICIO. 

    A MI  PADRE QUE ME HA ENSEÑADO A VER LA VIDA DE DIFERENTES MANERAS. 

    A TODOS MIS HERMANOS,  QUIENES  ME AYUDAN CONSTANTEMENTE A SER 

    CADA DIA MEJOR. 

    A MI ABUELA Y MI TIA QUE SABEN AYUDARME CUANDO  MAS LO 

    NECESITO.

  • SECCIONES COMPUESTAS DE ACEROCONCRETO (MÉTODO LRFD) 

    CONTENIDO 

    PROLOGO.................................................................................................................... Ι

    1. GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL................................................. 1 1.1.Diseño estructural ............................................................................................. 1 1.2.Acero estructural ............................................................................................... 1 1.3.Productos de acero........................................................................................... 3 1.4.Resistencia del acero........................................................................................ 5 1.5.Influencia de la temperatura en el acero........................................................... 8 1.6.Solicitaciones de cargas ................................................................................... 9 

    2.REGLAMENTOS, MÉTODOS Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO ................... 12 2.1.Reglamentos de construcción......................................................................... 12 2.2. Métodos de diseño......................................................................................... 12 2.3.Especificaciones de diseño............................................................................. 15 2.4.Especificaciones del Instituto Americano de la Construcciòn en Acero (AISC) .................................................................................................................... 16 2.5.Factores de carga y resistencia usados en las Especificaciones AISC .......... 17 2.6.Manual de la Construcción en Acero .............................................................. 19 

    3.SECCIONES COMPUESTAS................................................................................ 21 3.1.Introducción .................................................................................................... 21 3.2Desarrollo histórico .......................................................................................... 21 3.3.Ventajas de la construcción compuesta.......................................................... 22 3.4.Construcción compuesta................................................................................. 23 3.5.Vigas compuestas........................................................................................... 25 3.6.Procedimientos de construcción ..................................................................... 28 3.7.Dimensionamiento .......................................................................................... 30 3.8.Conectores de cortante................................................................................... 32 3.8.1.Introducción............................................................................................... 32 3.8.2.Desarrollo de los conectores de cortante .................................................. 33 3.8.3.Tipos de conectores de cortante ............................................................... 33 3.8.4.Conexión de cortante ................................................................................ 34 3.8.5.Resistencia de conectores de cortante...................................................... 39 

    3.9.Resistencia por flexión.................................................................................... 45 3.10.Resistencia por cortante ............................................................................... 52 3.11.Deflexiones ................................................................................................... 54 3.11.1.Deflexiones a largo plazo por flujo plástico ............................................. 54 3.11.2.Deflexiones de vigas compuestas ........................................................... 55 3.11.3.Deflexiones de vigas embebidas............................................................. 57 3.11.4.Deflexiones segun las Especificaciones de la AASHTO ......................... 57 

    3.12.Vigas  compuestas con cubiertas de acero troqueladas............................... 57 3.13.Vigas parcialmente compuestas ................................................................... 61 3.14.Vigas embebidas........................................................................................... 62

  • 3.15.Vigas continuas............................................................................................. 62 3.16.Diseño de secciones compuestas................................................................. 63 3.17.Diseño de secciones embebidas .................................................................. 65 3.18.Columnas compuestas.................................................................................. 67 3.18.1.Introducción............................................................................................. 67 3.18.2.Especificaciones...................................................................................... 68 3.18.3.Resistencia de diseño para columnas compuestas cargadas axialmente ........................................................................................................... 70 3.18.4.Diseño de columnas compuestas  sujetas a carga axial y flexión ........... 73 

    4.APLICACIONES .................................................................................................... 80 

    5.DIAGRAMAS DE FLUJO .................................................................................... 135 

    CONCLUSIONES .................................................................................................... 144 

    NOMENCLATURA................................................................................................... 145 

    BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 150

  • PROLOGO 

    Aparte  del método de  Diseño por Esfuerzos Permisibles y el método de Diseño Plastico, el  método  de  Diseño  por  Factores  de  Carga  y  Resistencia  (LRFD)  es  una  nueva alternativa  para  los  edificios  de  acero  estructural.    En  1986,  el  AISC  edito  las  primeras especificaciones para  el  diseño de  factores de  carga  y  resistencia  de  edificios de acero estructural  y  en  1988  un  manual  de  construcción  en  acero,  denominado  (LRFD).  La segunda edición del manual LRFD publicada en 1994, contiene las especificaciones AISC de 1993. 

    Debido  a  la  importancia  en  la  resistencia,  economía  y  estética,  ingenieros  y  arquitectos recurren  actualmente  al  diseño  compuesto.  El  presente  trabajo  esta  basado  en  las Especificaciones del Instituto Americano de la Construccion en Acero (AISC) y el manual LRFD ; lo cual se enfoca principalmente al diseño de vigas y columnas compuestas. 

    Las diversas ecuaciones indicadas y  empleadas  en los respectivos problemas ilustrativos de los diferentes temas, se han traducido al sistema métrico decimal. Las dimensiones y valores de resistencia se tomaron de acuerdo  a  las empleadas en nuestro país; a fin de facilitar su aplicación y entendimiento. Se incluye suficiente teoría y diferentes problemas ilustrativos  para una mayor información y comprensión, a si como también diagramas de flujo para que se pueda entender  aun más el proceso del diseño compuesto.

  • 1. GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL 

    1.1.DISEÑO ESTRUCTURAL 

    La  palabra  diseño  se  refiere  al  dimensionamiento  de  los  miembros  de  una  estructura después  de  que  se  han  calculado  los  elementos  mecanicos,  ya  sea  esta  de  acero estructural,  de  concreto  reforzado  y/o  compuesto  de  aceroconcreto,  para  lo  cual  se selecionan las secciones transversales adecuadas para que  resistan las cargas a que va estar sometida, por  lo que el estructurista debe distribuir  y proporcionar adecuadamente los miembros estructurales para que puedan montarse facilmente, y tengan la resistencia sufuciente,  al  igual    que  sean  econòmicas.  En  consecuencia  el  estructurista  debe garantizar que no se va a caer la estructura diseñada, por lo cual una de las prioridades màs  imporatntes del estructurista es  la seguridad ya que  la estructura debe soportar no solo las cargas a que va estar sometida, si no tambièn debe de soportar los estados limite de servicio, es decir debe considerar que los desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños no sean excesivos, para que no puedan perjudicar su capacidad para soportar las cargas de  la estructura. Para  hacer un buen diseño  se  requiere  la  evaluaciòn de  varias alternativas de estructuraciòn de los miembros y de sus conexiones, por lo que se deven hacer  varios  diseños    para  poder  abatir  costos,  tanto  en  la  estructuraciòn  como  en  la construciòn sin sacrificar la resistencia de la misma. Otra prioridad del estructurista es la factibilidad, ya que en el diseño de los miembros se debe ver que se puedan fabricarse y montarse sin que haya problemas, por lo que el estructurista debe adaptar sus diseños a los mètodos de fabricaciòn y a los materiales e instalaciones disponibles. Para poder selecionar y evaluar el sistema estructural en una forma global, el estructurista debe  de  tener  un  conocimiento  suficiente  en  el  diseño  de miembros  individuales  de  la estructura para poder diseñar de una forma eficiente y econòmica. 

    1.2. ACERO  ESTRUCTURAL 

    El  acero  resulta  de  la  combinaciòn  de  hierro  y  pequeñas  cantidades  de  carbono,    que generalmente es menor al 1% y pequeños porcentajes de otros elementos, siendo uno de los  materiales  estructurales  màs  importantes,  ya  que  es  de  alta  resistencia  en comparaciòn  con  otros  materiales  estructurales,  otras  de  sus  propiedades  es  la uniformidad  ya  que  no  cambia  apreciablemente  con  el  paso  del  tiempo,  como  las estructuras de concreto reforzado, que se da por el efecto del flujo plàstico. La elasticidad del  acero  es  otra  caracteristica  importante,    ya  que  es  capaz  de  recuperar  su  estado primitivo  despues de que  se  le ha aplicado una  fuerza que  lo  deforma,  esto  se  da  si  la deformaciòn no ha pasado un limite  (limite de elasticidad), este comportamiento sigue la ley  de  Hooke.  La  durabilidad;  si  el  mantenimiento  de  la  estructura  es  adecuado,  esta tiende  a  tener  un  ciclo  de  vida màs  largo.  La  ductibilidad  es  la  propiedad  que  tiene  un material de soportar grandes deformaciones antes de fallar bajo esfuerzos de tensiòn muy grandes. En el acero con bajo contenido de carbono, en  la prueba de  tensiòn sufre una reducciòn considerable en su secciòn  transversal y un gran alargamiento en el punto de falla,  antes  de  que  se  fracture.  La  tenacidad  es  otra  propiedad;  el  acero  cuando  se  le aplica  una  fuerza  considerable  que  provoca  una  gran  deformaciòn    en  su  seccion transversal, serà  a un capaz de resistir mayores fuerzas.

  • Otra  ventaja  es  la  soldabilidad  que  consiste  en  la  union  de  dos metales  por  presión  y fusión,  esto  se  realiza  a  altas  temperaturas  (soplete,  etc.).  La  facilidad  de  corte  es  otra propiedad ya que se puede cortar facilmente. 

    El acero se produce por la refinaciòn del mineral de hierro y metales de desecho, junto con agentes  fundentes  apropiados;  Coke  (para  el  carbono)  y  oxìgeno,  en  hornos  a  alta temperatura, para producir grandes masas de hierro llamadas arrabio de primera fusiòn. El arrabio  se  refina  aùn  mas  para  mover  el  exceso  de  carbono  y  otras  impuresas  y/o  se combina (aleación) con otros metales como cobre, nìquel, cromo, manganeso, molibdeno, fosforo,  sìlice,  azufre,  titanio,  columbio,  y  vanadio,  para  producir  las  caracteristicas deseadas de resistencia, ductibilidad, soldabilidad y resistencia  a la corrosiòn. 

    Los lingotes de acero obtenidos de este proceso pasan entre rodillos que giran a la misma velocidad y en direcciones opuestas para producir un producto semiterminado, largo y de forma rectangular que se llama plancha o lingote, dependiendo de su secciòn transversal. Desde  aquì,  se  envìa  el  producto  a  otros  molinos  laminadores  para  producir  el  perfil geomètrico  final  de  la  secciòn,  incluyendo  perfiles  estructurales  asì  como  barras, alambres,  tiras,  placas  y  tubos.  El  proceso  de  laminado,  ademàs  de  producir    el  perfil deseado,  tiende  a  mejorar  las  propiedades  materiales  de  tenacidad,  resistencia  y maleabilidad. Desde estos molinos laminadores,  los perfiles estructurales se embarcan a los fabricantes de acero o a los depòsitos, segùn se soliciten. 

    Algunas  propiedades  de  las  mas  importantes  del  acero  estructural  es  el  modulo  de elasticidad  (Es),  relativamente  independiente  de  la  resistencia de  fluencia;  el modulo  de alasticidad  para  todos  los  aceros  es  de  1968400  kg/cm 2 (28000  Ksi)  a  2109000  kg/cm 2 (30000 Ksi), pero el que generalmente se  toma para el diseño es de 2040000 kg/cm²   o 29 000 Ksi. La densidad del acero estructural es de 7.85 ton/m³ o 490 lbs/pie³.

    • El modulo cortante (G) es otra propiedad y se puede calcular como: 

    G = E / 2(1 +μ  ) 

    Donde μ= coeficiente de Poisson, igual a 0.3 para el acero. Usando μ=3; G=784615 kg/cm 2 .

    • El coeficiente de expansiòn termica del acero (ά). 

    ά = 11.25  X 10 6 por ºCelsius Δ L = ά( Tf – Ti)L

    • El punto de  fluencia (Fy) y resistencia ùltima a  tensiòn (Fu). En la  tabla 1.1 se dan los puntos de fluencia de los varios grados de acero que interesan al ingeniero estructural.

  • Tabla 1.1. Propiedades de los aceros estructurales Designación 

    ASTM Acero  Formas  Usos  Fy min 

    Ksi Fu min 

    tensión ksi 

    A36  Al carbono  Perfiles, barras y placas 

    Puentes, edificios estructurales en gral. 

    Atornillados, remachados y soldados 

    36 e 

  • Perfiles W 

    Este tipo de perfil es el que  generalmente se usa para el diseño, ya que es un perfil de patìnes anchos, es doblemente simetrico. Un W16 X 40 tiene un  peralte nominal total de 16 pulg y  un peso de 40 Lb/pie. Tambièn se indica como  W410 X 59.5 con un peralte nominal 410 mm ( este valor es el promedio de varios peraltes de todas las secciones con un redondeo de 5 mm) y con una masa de 59.5 kg/m. 

    Perfiles S 

    Estos perfiles se conocian anteriormente como vigas I (vigas American Standard), siendo doblemente simetricos.Estos se diferencian con los perfiles W por tener el patìn mas chico, con una pendiente aproximada de 16.7  º, su peralte nominal y el  teorico son  iguales   a diferencia de los perfiles W que varian. 

    Perfiles M. 

    Son perfiles ligeros y simètricos. Existen 20 perfiles de este tipo. Un perfil M360 X 25.6 es el mayor de la clasificaciòn M, y es una secciòn de peralte nominal de 360 mm y una masa de 25.6 kg/m (M14 X 17.2). 

    Perfiles C 

    Son perfiles de canal, con la misma inclinaciòn  de los patines que los perfiles S, llamados anteriormente  canales  standard o American Standard,  siendo el  peralte  nominal  igual  al peralte teorico. Un C150 X 19.3 es un perfil estàndar de canal que tiene un peralte nominal de 150 mm y una masa de 19.3 kg/m (C6 X 13). 

    Perfiles MC 

    Estos  son  perfiles  en  canal  que  no  se  clasifican  como  perfiles  C.  Se  conocian  como canales diversos o para construciòn de barcos. 

    Perfiles L 

    Estos perfiles son de lados iguales o desiguales. Un perfil L6 X 6 X ¾ es un angulo de lados iguales con una dimensiòn nominal de 6 pulg y con un espesor de 3/4 pulg. Un perfil L89 X 76 X 12.7 es un angulo de lados desiguales con una  dimension nominal de cada uno de sus lados de 89 y 76 mm recpectivamente, y  con un espesor de 12.7 mm en sus lados (L3  ½ X 3 ½ ). 

    Perfiles T 

    Son tes estructurales que se obtienen cortando los perfiles W , S, M. Para  la obtenciòn de una WT, ST, MT respectivamente, generalmente el corte se hace a la mitad, pero tambièn

  • se pueden cortar mas largos. Las tablas con perfiles T se basan en cortes simetricos. Un perfil WT 205 X 29.8 es una te estructural con un peralte nominal de 205 mm y una masa de 29.8 kg/m, y se obtiene dividiendo la secciòn W410 X 59.5 ( de una secciòn W16 X 40). 

    Figura  1.1. Secciones de perfiles laminados 

    1.4.RESISTENCIA DEL ACERO 

    Las  propiedades  del  acero  estructural  nos  permite  conocer  el  comportamiento  de  las estructuras  de  acero,  y  para  entender  parte  de  ese  comportamiento  se  cuenta  con  los

  • diagramas  de  esfuerzodeformación.  El  esfuerzo  de  fluencia    es  la  propiedad  más importante que  ingeniero estructural  considera para un diseño, ya que  la mayoria de  los procedimientos se basan en el. La resistencia de fluencia es el mìnimo valor garantizado por el  productor de acero y que se basa en el promedio estadistico y la consideraciòn del valor mìnimo de fluencia obtenido mediante un gran nùmero de pruebas. Asì, para el acero A36, el valor garantizado es Fy=36 Ksi (2530 kg/cm 2 ), pero el valor màs probable serà del orden de 43 a 48 Ksi (3020 a 3370 kg/cm 2 ). De modo similar, un acero A441, con un punto de fluencia de  50 Ksi (3515 kg/cm 2 ), tendra una resistencia de fluencia del orden de 57  Ksi  (4000  kg/cm 2 ).  Conforme  la  fluencia  garantizada  hasta  aproximadamente  65  Ksi (4670 kg/cm 2 ) los valores real y garantizdo, convergen. 

    Desde cerca de  1 900 a 1 960, el grado principal de acero disponible era el llamado A7 con Fy = 33 Ksi  (2320 kg/cm 2 ); esto  fue  la consecuencia de  la mayor popularidad de  la soldadura  debido  a  las  actividades  en  la  construcciòn  de  buques  en  la  segunda  guerra mundial.  Cuando  se  renueven  edificios  màs  antiguos,  el  ingeniero  estructural  puede ocuparse de incorporar los nuevos aceros a los antiguos grados. 

    A partir de 1960 se han sustituìdo los grados de acero A373 y A7 por aceros A36, que representan un 10 % de aumento en la resistencia de fluencia sobre el grado A7. En los años  treinta,  se  inicio  la  producciòn  de  acero  de  alta  resistencia  y  tambièn  resiste  a  la corrosiòn, y al que se le designo como A272 (està descrito en la especificaciòn  A272 de la  ASTM).  En  1959  se  escribiò  la  especificaciòn  ASTM  A440,  para  otro  acero  de  alta resistencia, aplicable a  la construcciòn con remaches y  tornillos; en 1960 se  introdujo el acero A441, aplicable a la construcciòn soldada. Todos estos tres aceros tienen un punto de fluencia que depende del espesor del metal, como se muestra en la tabla 1.1. 

    Desde  cerca  de  1964  se  han  incorporado  las  normas  ASTM    las  especificaciones  para varios  otros aceros de alta resistencia (baja aleaciòn); estos aceros aparecen como A572 y A588. En la tabla 1.1 se muestra que el acero descrito en la especificaciòn A572 cubre varias resistencias de fluencia, llamadas grados, tales como los grados 42, 45, 50, 55, 60, y 65 para el correspondiente esfuerzo mìnimo garantizado de fluencia en Ksi. En general, la resistencia de fluencia de estos nuevos aceros tambièn dependen del espesor como se muestra en la tabla 1.1. 

    En terminos de costo/unidad de masa, el acero A36 es el màs econòmico. Los aceros de alta resistencia  tienen su aplicaciòn principal en aquellos casos donde los esfuerzos son principalmente  de  tensiòn.  Las  vigas  de  acero  de  alta  resistencia  pueden  tener  una deflexiòn excesiva, debido asl mòdulo de secciòn reducido. Las columnas de acero de alta resistencia pueden resultar menos econòmicas que el acero A36 si la relaciòn de esbeltez ( KL/r ) es grande. 

    Las  trabes  hibridas  en  el  que  se  usa  el  acero  de  alta  resistencia  en  los  patines,  o  las columnas armadas, en estas puede que  suministre mejores soluciones en los casos que se  restrinjan  las  dimensiones  de  los  miembros.  En  su  caso  determinado,  es  necesario efectuar un anàlisis econòmico y de disponibilidad para determinar si es apropiado usar acero de alta resistencia.

  • Figura 1.2. Diagrama esfuerzodeformacion del acero 

    El  límite  de  proporcionalidad  es  el  punto  más  alto  de  la  porción  recta  del  diagrama esfuerzodeformación,  para  la  cual  es  todavía  es  valida  la  ley  de  Hooke.  Cuando  un material soporta un esfuerzo (máximo), sin que se deforme permanentemente se dice que esta  en  su  límite  elastico  o  límite  de  proporcionalidad.  Cuando  el  acero  presenta  un incremento  brusco  en  su  deformación  sin  que  el  esfuerzo  se  incremente,  se  denomina esfuerzo de fluencia del acero. La deformación del acero antes del esfuerzo de fluencia se llama  limite  elastico    en  el  cual  se  basa  el  diseño  por  esfuerzos  permisibles  o  diseño elastico; en el rango donde el acero se deforma despues del esfuerzo de fluencia, sin que se incremente el esfuerzo, se le considera rango plastico o deformación plastica, en la cual se  basa  el  diseño  plástico  o  diseño  ultimo,  lo  cual  aprovecha  la  resistencia  de  reserva (deformación  plástica)  que  proporciona  la  ductibilidad  del  acero.  En  la  zona  de endurecimiento  por  deformación  el  acero  requiere  esfuerzos  adicionales  para  que  se pueda  deformar  más;  posteriormente  alcanza  un  esfuerzo  máximo  sin  que  se  rompa tadavía, es esfuerzo de roptura sucede por debajo del esfuerzo máximo, cuando el acero presenta una reducción máxima de su sección transversal (estricción de fluencia). La  resistencia  de  fluencia  de  diversos  grados  de  acero  que  estàn  disponibles  para  el diseño, se pueden ver en la tabla 11. 

    Aceros Estructurales 

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

    • Aceros generales (A36).

    • Aceros estructurales al carbono (A529). 

    b.1 Bajo contenido de carbono (

  • 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), (A441 y A572) aleación al 5 %.

    • Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión atmosférica (A242, A588).

    • Acero templado y revenido (A514). 

    1.5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL ACERO 

    Efectos de altas temperaturas 

    Los miembros de acero no son  inflamables, pero su resistencia se reduce de una  forma considerable cuando aumenta drasticamente su  temperatura en un incendio, el acero es un excelente conductor del calor, por lo que en las zonas que no estan protegidas contra el fuego y que estan en contacto con materiales inflamables,  se deben proteger ya que se pueden incendiar. La resistencia depende en alto grado de la temperatura; a 1 000º F, la resistencia  tanto de  fluencia  como de  tensiòn  es  alrededor  del  60  a  70 por  ciento de  la obtenida  a  la  temperatura  ambiente  (alrededor  de  70º  F).  La  perdida  de  resistencia  es bastante notable a altas temperaturas, donde la resistencia del acero a 1 600º F es sòlo el 15  por ciento de la resistencia a la temperatura ambiente. 

    La  resistencia  contra  el  fuego  de  los miembros  estructurales  se  puede  incrementar  con una  cierta  protección que depende del  tipo de estructura,  en  estructuras  de acero  se  le puede aplicar  pinturas  especiales  (aislantes y  expansivas),  una  capa de  concreto,  yeso, fibras minerales etc., en un  miembro de acero  hueco se le  puede proveer un liquido con un agente anticongelante en su interior, para el control de altas temperaturas.  El concreto anteriormente se usaba mucho para proteger estructuras de acero contra el fuego, ya que resulta muy efectivo en espesores de 1 ½ a 2 pulg. (4 a 5 cm) de espesor; pero su costo de  instalación es muy alto y su peso  también,  lo cual resulta antieconomico, debido a  lo anterior, en  las secciones compuestas se aprovecha  las caracteristicas estructurales del concreto y del acero, para contrarrestar esta problemática y pueda ser satisfactorio, tanto en la protección contra el fuego, como en la resistencia de los miembros estructurales. Se han establecido clasificaciones de protecciòn contra incendios para los diversos materiales y espesores que se pueden aplicar a un miembro estructural para controlar la temperatura. Se  incluyen  productos  a  base  de  yeso,  o  concreto  ligero  que  se  puede  rociar  sobre  el miembro ò tableros aislantes de fibra para proteger el acero. La clasificaciòn de incendios se basa en el nùmero de horas que le toma el acero alcanzar una temperatura promedio de  540  a  650ºC  para  el  espesor  dado  de  material  de  protecciòn  contra  incendios, utilizando un procedimiento estàndar de prueba segùn viene dado por la ASTM E119 (en la parte 18). Una clasificaciòn de incendio de 2 horas, que se usa comùnmente, indica que

  • tarda  2  horas  que  la  temperatura  del  acero  alcance  el  nivel  indicado  por  la  prueba estàndar. 

    Efectos de bajas temperaturas 

    La fractura fragìl a menudo se asocia con las bajas temperaturas. Bàsicamente, la fractura fràgil  ocurre  sin  que  haya  fluencia  del  material.  Las  curvas  de  esfuerzodeformaciòn indican  que  en  la  falla  usual  de  un  espècimen  a  tensiòn,  tiene  lugar  una  considerable elongaciòn. De hecho, en la prueba estàndar a tensiòn de la ASTM, se especifica un por ciento  mìnimo  de  elongaciòn  para  el  acero.  En  el  diseño  del  acero  està  implìcita  la deformaciòn  resultante  (fluencia)  del  material  bajo  un  alto  esfuerzo  local.  Cuando  el material  sufre  elongaciòn,  las  dimensiones  laterales  se  contraen,  debido  al  efecto  de Poisson.  Si  las  dimensiones  laterales  estàn  total,  o  hasta  parcialmente  restringidas,  el acero  se  separà  sin  desarrollar  totalmente  su  potencial  de  fluencia.  Este  tipo  de  falla constituye lo que se conoce como “fractura fràgil”. 

    Una  combinaciòn  de  baja  temperatura,  un  cambio  en  las  dimensiones  de  la  secciòn (efecto de muesca) o alguna imperfecciòn, junto con la presencia de esfuerzos de tensiòn, pueden iniciar una fractura fràgil. Esto puede empezar como una grieta que se desarrolla hasta constituir la falla del miembro. No todos los miembros que presentan muescas en un ambiente  de  baja  temperatura  y  sometido  a  una  alta  tasa  de  deformaciòn  por  tensiòn fallan;  tiene que haber exactamente  la combinaciòn apropiada de deformaciòn y  tasa de deformaciòn, temperatura y efecto de muesca. 

    1.6. SOLICITACIONES DE CARGAS 

    Toda  estructura  y  cada  uno  de  sus  miembros  deben  diseñarse    para  cualquier  estado lìmite  de  falla  posible  ante  las  combinaciones  de  acciones  màs  desfavorables  que  se puedan presentar durante la vida ùtil de la estructura, no rebasando ningun estado lìmite de  servicio  ante  las  combinaciones  de    acciones  que  corresponden  a  condiciones normales de operaciòn. 

    El  estado  lìmite  de  falla  corresponde  al  agotamiento  de  la  capacidad  de  carga  de  la estructura  o  de  cualquier  miembro,  ocurriendo  daños  irreversibles  que  afectan considerablemente  la  resistencia ante nuevàs aplicaciones de carga. El estado  lìmite de servicio  corresponde  a  los  desplazamientos,  agrietamientos,  vibraciones  o  daños  que afectan al funcionamiento de la estructura, estas no deben de perjudicar la capacidad de carga de la estructura o de cualquier miembro estructural. 

    En el diseño de estructuras se deben tomar encuenta los efectos de las cargas muertas, de las cargas  vivas, del sismo y del viento, cuando este ùltimo sea significativo, tambièn cuando  otros  efectos  producidos  por  otras  acciones  sean  significativos  (nieve,  lluvia  o hielo,  debido    al  funcionamiento  de  maquinaria  y  equipo  y  su  acupaciòn)  se  deben considerar  en diferentes combinaciones para el diseño.

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    Categorias de acciones, deacuerdo con la duraciòn: 

    1.  Acciones  Permanentes:  Son  aquellas  que  obran  sobre  la  estructura  en  forma continua,  y  cuya  intensidad  casi  no  varía  con  el  tiempo  (carga  muerta,  el  empuje estatico de tierras y de liquidos, etc.). 

    2.  Acciones Variables: Son aquellas que obran sobre la estructura  con una intensidad que  varía  considerablemente  con  el  tiempo  (cargas  vivas,  efectos  de  tamperatura (lluvia, nieve, hielo), etc.). 

    3.  Acciones Accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la estructura,  y  que  pueden  tomar  valores  significativos  en  periodos  sumamente pequeños con respecto a la vida útil de la estructura (vientos, sismos, incendios, etc.). 

    Toda  fuerza  que  actue  sobre  la  estructura  se    se  denomina  carga,  estas  cargas  se clasifican en muertas y vivas.

    • Las  cargas muertas  ocupan  una  posiciòn permanente  y  son de magnitud  constante, incluyen el peso propio de la estructura, el peso de componentes no estructurales como recubrimientos de pisos, lo muros divisorios, plafones, instalaciones, equipo macànico y plomerìa  . Todas  las cargas mencionadas hasta ahora son  fuerzas que  resultan de  la gravitaciòn  y  se  llaman  cargas  de  gravedad.  Para  su  evaluaciòn  se  cuantan  con  las dimensiones de los elementos constructivos y los pesos unitarios de los materiales.

    • Las cargas vivas, que tambièn pueden ser fuerzas de gravedad, estas se producen por el uso y ocuapaciòn de las edificaciones, estas no son tan permanentes como las cargas muertas. Ellas  pueden o no estar actuando sobre la estructura en cualquier momento y su posiciòn puede no ser fija  (muebles, el equipo  y los ocupantes de los edificios). En general,  la  magnitud  de  una  carga  viva  no  està  bien  definida  como  la  de  una  carga muerta y usualmente debe ser estimada, pero el peso mìnimo de las cargas vivas que debe usarse en el diseño de edificios se especifican claramente en  los  reglamentos o còdigos de construcciòn que serìan las cargas de piso, para el caso del reglamento del D.F.  presenta  una  tabla  de  cargas  unitarias  que  no  incluyen  el  peso  de  los  muros divisorios,  de muebles,  equipos  u  otros  elementos  de peso,  por  lo  cual  si  se  preveen deben  cuantificarse  y  tomarse  en  cuanta  en  el  diseño  en  forma  independiente  de  la carga viva especificada en el reglamento del D.F., lo cual, se deveran estudiar diferentes posiciones  de  carga  viva  para  ciertos  miembros  estructurales  a  fin  de  que  se  pueda pasar por alto una condiciòn potencial de falla. 

    Otras cargas vivas; 

    Si una carga viva se aplica lentamente y no es retirada, ni se àplica un nùmero excesivo de  veces,  la  estructura  puede  analizarse  como  si  la  carga  fuera  estàtica.  La  carga  de impacto las causan la vibraciòn de cargas mòviles, en el caso de una carga que se aplica repentinamente, como es el caso cuando la estructura soporta una grùa mòvil, los efectos de  impacto deben  tomarse encuenta.   Cuando  la carga se aplica y  retira muchas veces durante la vida de la estructura, como en el caso de los puentes que estan sujetos a una serie de cargas de magnitud variable, el esfuerzo de fatiga se vuelve problemàtico y sus

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    efectos  deben  considerarse.  Las  cargas  de  impacto  ocurren  relativamente  en  pocos edificios, sobre  todo en edificios  industriales, y  la carga por  fatiga es  rara,  requirìendose miles de ciclos de carga durante la vida de la estructura antes que la fatiga se vuelva un problema. 

    El viento actua como presiones o succiones sobre las superficies exteriores de un edificio; este  se  toma  como    uan  accion accidental debido a  su  naturaleza  transitorial,  tal  carga permanece mas bien a la categorìa de las acargas vivas. Sin embargo, debido a la relativa complejidad de determinar las cargas de viento, èstas se consideran como una categoria aparte de carga. Este tipo de carga lateral es mas perjudicial en edificios altos, siendo no tan  importante  en  edificios  de  poca  altura,  pero  estructura  de  poco  peso  como  naves industriales puede causar efectos como el levantamiento del sistema de techo, lo cual es muy cririco. Si bien el viento èsta presente la mayor parte del tiempo, las cargas de viento de  la  magnitud  considerada  en  el  diseño  no  son  frecuentes  y  no  se  consideran  como cargas  de  fatiga.  La  presiòn  del  viento  que  actua  sobre  superficies  verticales  de  una estructura se puede estimar con la siguiente expresiòn: 

    P=0.002558 CsV² 

    Donde: P= Presiòn del viento en lb/pie² Cs=Coeficiente de acuerdo a la forma; para estructuras tipo caja es igual a 1.3 de donde 0.8 es  para la presiòn de barlovento y 0.5 para la succiòn de sotavento. V=  Velocidad  bàsica  del  viento  en  mi/hra.  Estimada  con  ayuda  de  los  reportes meteorologicos en cada regiòn del paìs. 

    Las  cargas  de  sismo  son  consideradas  en  zonas  sismicas  y  donde  pueda  haber probabilidad  de  que  se  pueda  presentarse.  Cuando  se  presenta  un  sismo  hay  una aceleraciòn en el  terreno,  la  cual  tiene dos componentes,  que  serian  una  vertical  y otra horizontal, debido  a que la componente vertical es insignificante, en un anàlisis estructural se toman encuanta los efectos de la componente horizontal de un sismo y se simula por un  sistema  de  cargas  horizontales,  similares  a  los  originados  por  la  presiòn  del  viento, actuando en cada nivel de piso del edificio, el efecto de la aceleraciòn horizontal crece con la altura debido al efecto de “resonancia” del sismo. 

    La  nieve  es  otra  carga  viva,  en  paises  muy  frios  estas  cargas  son  muy  importantes. Debido a la incertidumbre que es causada por la presencia del viento que suele acumular la nieve sobre àreas muy pequeñas. Los valores mayores de carga se usan para techos horizontales y los menores para techos inclinados. 

    La  lluvia,  es  otro  tipo  de  carga  y  que  se  puede  considerar menos  problematica  que  la carga  de  nieve,  pero  si  se  acumula  el  agua  en  techos  sin  pendiente  (encharcamiento), puede causar que la losa se deflexione y forme una especie de vaso y se pueda acumular màs agua, y que con el tiempo provoque daños en la estructura. Otros  tipos  de  cargas  vivas  que  en  ocasiones  debe  considerar  en  el  diseño  son  las presiones hidrostaticas y la presiòn del suelo, pero los casos que se han mencionado son  los comùnmente encontrados en el diseño de  los marcos estructurales de acero de edificios y de sus miembros.

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    2. REGLAMENTOS, ESPECIFICACIONES Y MÉTODOS DE DISEÑO. 

    2.1. REGLAMENTOS DE CONSTRUCCIÓN 

    El diseño y construcciòn de todas las estructuras debe estar deacuerdo a un reglamento de  construcciòn,  que  es  un  documento  legal  que  contiene  los  requisitos  relativos  a  la seguridad  estructural,  construcciòn,  seguridad  contra  el  fuego,  plomerìa,  ventilaciòn  y accesibilidad  para minusvàlidos.  Un  reglamento  de  construcciòn  tiene  fuerza  legal  y  es administrado  por  una  entidad  gubernamental  como  una  ciudad,  un  municipio  o  para algunas  àreas  metropolitanas  grandes,  un  gobierno  establecido.  Los  reglamentos  de construcciòn  no  dan  procedimientos  de  diseño,  pero  ellos  especifican  los  requisitos  y restricciones de diseño que deben satisfacerse. De particular importancia para el ingeniero estructurista  es  la  prescripciòn  de  las  cargas  vivas  mìnimas  en  edificios.  Aunque  el ingeniero  es  alentado  a  investigar  las  condiciones  de  cargas  reales  y  a  determinar  sus valores, la estructura debe ser capaz de soportar esa cargas mìnimas especificadas. 

    Aunque  en  algunas  grandes  ciudades  tienen  sus  propios  reglamentos  de  construccion, muchas minicipalidades modifican un reglamento de contrucciòn modelo cuando conviene a  sus  necesidades  particulares  y  lo  adoptan  en  forma  modificada.    Los  reglamentos modelo  son  escritos  por  varias  organizaciones  no  lucrativas  en  forma  que  puede  ser facilmente  adoptada  por  un  organismo  gubernamental.  En  EUA  tiene  tres  reglamentos modelo nacionales: El Uniform Building Code (ICBO, 1997), el Standard Building Code es el  reglamento  màs  ampliamente  usado  en  Estados  Unidos.  Un  documento  similar  en forma  a  un  reglamento  de  contrucciòn,  es  el    ASCE  795,  Minimum  Design  Loads  for Building and Other Structures  (ASCE,  1996). Este  documento  proporciona  los  requisitos de  carga  en  un  formato  adecuado  para  adopciòn  como  parte  de  un  reglamento  de construciòn. 

    2.2.METODOS DE DISEÑO 

    Para el diseño de una estructura se debe de hacer de acuerdo a un mètodo de diseño, por lo que se debe tener conocimiento de los mètodos existentes. 

    En  el  diseño  elàstico,  tambièn  llamado  diseño  por  esfuerzos  permisibles  o  diseño  por esfuerzos de trabajo, donde se consideran las cargas de servicio o de trabajo, es decir, las cargas que la estructura tiene que soportar, para lo cual se obiene el àrea transversal y el momento  de  inercia    suficiente  para  soportar  los  esfuerzos  màximos  debidos  a  esas cargas, sin que rebasen el esfuerzo permisible que es menor que el esfuerzo de fluencia Fy,  encontrandose en el  rango elastico del material,  el  esfuerzo permisible  sera  igual al esfuerzo de fluencia Fy ò la resistencia ùltima de tensiòn Fu entre un factor de seguridad. Lo cual un miembro debera soportar las cargas aplicadas que son las cargas de  trabajo quedando sometido a esfuerzos no mayores que el esfuerzo permisible. 

    El factor de seguridad para miembros de acero estructural se obtiene como sigue:

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    R S F =

    Donde: 

    F=Factor de seguridad S=Resistencia calculada de la seccion R=Carga calculada de servicio 

    Como hay incertidumbre en las cargas de servicio y en resistencia real de la seccion, para F=1, se tiene la siguiente expresion. 

    R / R 1 S / S 1 

    S R 

    R R S S 1

    ∆ + ∆ −

    = ∆ + ∆ −

    =

    Si se toma ΔS/S=ΔR/R=0.25 y que S/R=F, se obtiene: 

    25 . 1 75 . 0 F 1 =

    Por lo que 

    3 5 667 . 1 

    6 . 0 1 F = = =

    Este  factor  no  se  utiliza  en  estructuras  como  puentes  y  ferrocarriles,  ya  que  estos presentan  condiciones  de  carga  mas  severas,  por  lo  que  se  toma  un  valor  de incertidumbre igual a 0.29, donde F=1/0.55=1.82. El valor de F=1/0.6 se modifica a 1/0.66 para perfiles compactos. 

    Esfuerzos permisibles: 

    0.6Fy=0.6(36 Ksi)=21.6 Ksi (El AISC permite 22 Ksi). 

    Para las especificaciones  AREA y AASHTO. 

    0.55(36)=19.8 Ksi  (estas especiificaciones permiten usar 20 Ksi). 

    El  diseño  plàstico  se  basa  en  el  rango  plastico  del  material,  lo  cual  considera  una condiciòn  de  falla  del miembro  estructural  (colapso),  es  decir,  se  basa  en  la  resistencia que proporciona la ductibilidad del acero y esta ocurre bajo esfuerzo constante por encima del limite elastico. Despues de cierta cantidad de deformacion plastica, el acero  tiende a endurecerse  por  deformacion,  y  es  posible  un  amento  en  la  carga,  acompañado  por deformaciones adicionales.  Las cargas de trabajo se multiplican por factores de seguridad o  de  carga  (sobrecapacidad),  y  donde  los miembros  estructurales    fallaran  bajo  cargas mayores que la carga de trabajo; provocando deformaciones muy grandes introduciendo al miembro  en  un  rango  elastico,  y  cuando  la  secciòn  transversal  se  plastifica  en  varias

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    localidades, se formaran articulaciones plasticas en las mismas localidades, llevando asì al miembro al colapso. Las cargas reales son inferiores a las cargas de falla, resultando esta ultima    de  la  multiplicaciòn  de  las  cargas  de  servicio  por  el  factor  de  carga correspondiente, este metodo nos dice que el miembro fallara cuando este sometido a las cargas factorizadas, pero como el miembro estara soportando esfuerzos menores debido a  las  cargas  reales,  este  no  tendra  problemas  de  falla,  lo  cual  nos  proporciona  cierta seguridad. 

    El  factor  de  seguridad  (factor  de  carga)  para miembros  de  acero  estructural  se  obtiene como sigue: 

    Como  el  factor  de  forma  f  es  igual  a    a  la  relacion  del modulo  plastico  y  el modulo  de seccion,  Z/S.  Para  secciones  compactas  F=1/0.66=1.52.  El  momento  plastico  Mp=fMy, donde el factor de forma es igual a 1.22 como valor tipico para todos los perfiles laminados W. Usando el mismo valor de esfuerzo de trabajo fb para el metodo elastico y plastico, se tiene: 

    S 1 F fMy 

    S 1 F Mp 

    S 52 . 1 My

    = =

    Cancelando el modulo de seccion, S, se obtiene 

    F1=1.52f=1.52(1.12)=1.70 

    (este valor se usa en la parte 2 de las especificaciones del AISC) 

    El  diseño  por  factores  de  carga  y  resistencia  (LRFD)  se  basa  en  los  estados  lìmite  del material, siendo similar al diseño plàstico ya que considera la resistencia o la condiciòn de falla. Las cargas de servicio o de trabajo se multiplican por factores de seguridad que son casi  siempre  mayores  que  uno  obteniendose  las  cargas  factorizadas,  estas  cargas factorizadas  se  usan  para  el  diseño  del miembro  estructural,  lo  cual  debe  resistirlas.  La resistencia  teorica  ò  nominal  es  multiplicada  por  un  factor  de  resistencia  que  es normalmente  menor  que  la  unidad.  Este  factor  toma  encuenta  las  incertidumbres  de resistencia de los materiales, dimensiones y la mano de obra. 

    En la siguiente expresiòn la carga factorizada es la sumatoria de las cargas de trabajo por su factor de carga correspondiente y la resistencia factorizada es la resistencia tèorica por un factor de resistencia. 

    Carga factorizada ≤ resistencia factorizada 

    O bièn 

    ∑(cargas X factores de carga) ≤ resitencia X factor de resistencia 

    O bièn

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     i Qi ≤ ø Rnال∑

    En el mètodo por esfuerzos permisibles los factores de seguridad son los mismos para las cargas muertas que para las cargas vivas, en el mètodo LRFD son diferentes, ya que para las cargas muertas el factor de carga es menor que el factor de carga de las cargas vivas, por lo que las cargas muertas se pueden determinar màs facilmente que las cargas vivas, lo que se podrìa decir que el mètodo LRFD puede ser màs  econòmico que el diseño por esfuerzos  permisibles  ya  que  si  las  cargas  vivas  son  mas  pequeñas  que  las  cargas muertas,  las  cargas  factorizadas  se  reducirian.  El  mètodo  LRFD  proporciona  màs confiabilidad en el diseño de las estructuras, no importando cuales sean las cargas. 

    2.3. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO 

    En contraste con los reglamentos de construcciòn, las especificaciones de diseño dan una guìa  especifica  sobre  el  diseño  de  miembros  estructurales  y  sus  conexiones.  Ellas presentan las directrices y criterios que permiten aun  ingeniero estructurista  llevar acabo los objetivos indicados en un reglamento de construcciòn. 

    Las  especificaciones  de  diseño  representan  una  investigacion  constante,  ya  que  son renovadas  periodicamente  y  puestas  al  dia  en  suplementos  o  ediciones  completamente nuevas.  Igual    que  los  reglamentos  modelo  de  construccion,  las  especificaciones  de diseño  se  escriben  en  un  formato  legal  por  organizaciones  no  lucrativas.  Tales especificaciones no  tienen por sì mismas vigencia  legal, pero al presentar  los criterios y lìmites  de  diseño  en  forma  de  mandatos  y  prohibiciones  legales,  ellas  pueden  ser fàcilmente adoptadas, por referencia, como parte de un reglamento de construcciòn. 

    Las  especificaciones  de  mayor  interès  para  el  ingeniero  estructurista  en  acero,  son aquellas publicadas por las siguientes organizaciones. 

    1.American Institute of Steel Constructiòn (AISC): Estas especificaciones se refieren al diseño de edificios de acero estructural y sus conexiones  (AISC, 1993). 

    2.American  Association  of  State  Highway  and  Transportation  Officials  (AASHTO): Estas especificaciones se refieren al diseño de puentes carreteros y estructuras afines. Ellas se refieren a todos los materiales estructurales usados normalmente en puentes, como el acero, el concreto reforzado y la madera  (AASHTO, 1992, 1994). 

    3.American Railway  Engeneering  Association  (AREA):  Este  documento  se  refiere  al diseño de puentes ferroviarios y estructuras afines (AREA, 1992). 

    4.American Iron and Steel Institute (AISI): Estas especificaciones tratan todo lo relativo al acero formado en frìo, (AISI, 1996).

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    2.4.ESPECIFICACIONES DEL  INSTITUTO AMERICANO DE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO 

    Estas  estan  escritas  y  mantenidas  al  dìa  por  un  comitè  del  AISC  que  comprende practicantes de  la  ingenieria estructural, educadores, productores de acero y  fabricantes de estructuras. Periodicamente se publican nuevas ediciones y, siempre es necesaria una revisiòn intermedia, se editan suplementos. El diseño por esfuerzos permisibles ha sido el principal  mètodo  usado  para  los  edificios  de  acero  estructural  desde  que  las  primeras especificaciones AISC fueron editadas en 1923, aunque recientes ediciones han contenido estipulaciones  para  el  diseño  plàstico.  En  1986,  el  AISC  aditò  la  primera  especificaciòn para el diseño de factores de carga y resistencia de edificios de acero estructural y un libro en  paralelo,  el  Manual  of  Steel  Construction  (Manual  de  construcciòn  en  acero).  El proposito  de  esos  documentos  es  proporcionar  un  diseño  alternativo  al  diseño  por esfuerzos permisibles, tal como el diseño plàstico es tambièn una alternativa. La segunda ediciòn del manual (AISC, 1994), incluye las especificaciones  AISC de 1993. Las normas de  las  especificaciones  LRFD  se  basan  en  las  investigaciones  reportadas  en  ocho artìculos  publicados  en  1978  en  la  revista  estructural  de  la  American  Society  of  Civil Engineers  (Ravindra  y  Galambos;  Yura,  Galambos  y  Ravindra;  Bjorhovde,  Galambos  y Ravindra; Cooper, Galambos y Ravindra; Hansell y otros; Fisher y otros; Ravindra, Cornell y Galambos; Galambos y Ravindra, 1978). A menos que se indique de manera diferente, las  referencias  a  las  especificaciones AISC y  al Manual  of Steel Construction  seràn  las versiones LRFD. 

    EL diseño por factores de carga y resistencia no es un concepto reciente, desde 1974 se ha usado en Canadà, donde se conoce como diseño por estado lìmite. Es tambièn la base de la mayorìa de los reglamentos europeos de edificaciòn. En Estados Unidos, el  LRFD ha sido un mètodo aceptado de diseño para el  concreto  reforzado durante años y es el principal  mètodo  autorizado  por  American  Concrete  Institute’s  Building  Code,  donde  se conoce  como  diseño  por  resistencia  (ACI,  1995).  Las  normas  de  diseño  para  puentes carreteros permiten el diseño por esfuerzos permisibles (AASHTO, 1992) y el diseño por factores de carga y resistencia (AASHTO, 1994). 

    Las especificaciones AISC son publicadas como un documento  independiente, pero son tambièn  parte  del  manual  de  construcciòn  en  acero.  Exepto  por  los  productos especializados  de  acero  como  los  de acero  formados  en  frìo,  que  son  tratados por  una especificaciòn diferente (AISI, 1996), las especificaciones AISC son las normas por medio de las cuales virtualmente todos los edificios de acero estructural se diseñan y construyen en Estados  Unidos. 

    Las  especificaciones  consisten  en  cuatro  partes:  el  cuerpo  principal,  los  apèndices,  la secciòn  de  valores  numèricos  y  los  comentarios.  El  cuerpo  principal  està  organizado alfabèticamente  segùn  los  capitulos  A  al  M.  Dentro  de  cada  capitulo,  los  encabezados mayores  èstan  rotulados  con  la  designaciòn  del  capitulo  seguido  por  un  nùmero. Subdivisiones adicionales estàn rotuladas numèricamente. Por ejemplo, los tipos de acero estructural  autorizados  se  dan  en  una  lista  del  capìtulo  A,  “General  Provisions”,  bajo  la secciòn A3. Material y, bajo èsta, la secciòn 1. Acero estructural. El cuerpo pricipal de las especificaciones  es  seguido  por  apèndices  a  capìtulo  seleccionados.  Los  apèndices  de designan B, E, F,G,H,I,J, y K para corresponder a los capìtulos a los que se refieren. Esta

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    secciòn  es  seguida  sobre  la  secciòn  sobre  valores  numèricos,  que  contiene  tablas  de valores numèricos es seguida por comentarios, que explican muchas de las estipulaciones de  las  especificaciones.  Su  esquema  organizativo  es  el  mismo  que  el  de  las especificaciones, por lo que el material aplicable a una secciòn particular puede localizarse fàcilmente. Los apèndices, la secciòn de valores numèricos y los comentarios consideran las partes oficiales de las especificaciones y tienen la misma autoridad que el material en el cuerpo principal. 

    2.5.FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA USADOS EN LAS ESPECIFICACIONES AISC 

    Los  factores  de  carga  incrementan  las  cargas  de  servicio  tomando  encuenta  la incertidumbre que estan implicitas en los valores de las cargas muertas y cargas vivas. La ecuaciòn: 

     i Qi ≤ ø Rnال∑

    Donde: 

     iال = un factor de carga Qi =un efecto de carga (una fuerza o un momento) ø  =factor de resistencia Rn=resistencia tèorica o nominal del miembro 

    La  resistencia  factorizada  ø  Rn  se  llama  resistencia  de  diseño  y  la  carga  factorizada resulta de  la combinaciòn de  los diferentes efectos de carga a que va estar sometido el miembro  estructural.  Las  condiciones  de  carga  por  considerarse  se  dan  en  el  capìlo  A, “general provisions”, de las especificaciones AISC como 

    U=1.4D  (A41) U=1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R)                                                                       (A42) U=1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (0.5L o 0.8W)                                                        (A43) U=1.2D +1.3 W + 0.5L + 0.5(Lr o S o R)                                                          (A44) U=0.9D ± 1.0E + 0.5L + 0.2S                                                                           (A45) U=0.9D ±  (1.3W o 1.0E)  (A46) 

    Donde: 

    U =carga factorizada D = carga muerta L =carga viva debido al equipo y ocupaciòn Lr=carga viva de techo S =carga de nieve R =carga de lluvia o hielo W=carga de viento E =carga por sismo

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    Estas  ecuaciones de  combinaciones  de  cargas,  el AISC  las  identifica  con una  letra  que reprsenta el capitulo, el primer numero la secciòn, y el segundo numero la secuencia de la misma secciòn. 

    En cada combinaciòn, uno de los efectos se considera como el valor “máximo” durante su vida  y  los  otros    como  los  valores  en  “puntos  arbitrarios  del  tiempo”.  Esos  factores  de carga y combinaciones de carga son los recomendados en el Minimun Design for Building and Other structures (ASCE, 1996) y se basan en amplios estudios estadísticos. 

    Los  factores  de  resistencia  toman  encuenta  las  incertidumbres  de  la  resistencia  de  los materiales,  dimensiones  y  mano  de  obra.  El  factor  de  resistencia  ø  para  cada  tipo  de resistencia està dado por el AISC en el capìtulo de las especificaciones que trata con esa resistencia. Esos factores varìan en valor de 0.75 a 1.0. (0.85 para columnas, 0.75  0.90 para elementos en tensiòn, 0.90 para flexiòn o corte en vigas, etc.). 

    Tabla 2.1. Factores de resistencia de las especificaciones LRFD 

    Fr(ø)  SITUACIÓN 1.00  Aplastamiento en áreas proyectantes de pasadores, fluencia del alma bajo cargas 

    concentradas, cortante en tornillos en juntas tipo fricción. 0.90  Vigas sometidas a flexión y corte, filetes de soldadura con esfuerzos paralelos al 

    eje de la soldadura, soldaduras de ranura en el metal base. 0.85  Columnas,  aplastamiento  del  alma,  distancias  al  borde  y  capacidad  de 

    aplastamiento de agujeros. 0.75  Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, fractura en la sección neta de 

    miembros a tensión. 0.65  Aplastamiento de tornillos (menos A307) 0.60  Aplastamiento en tornillo A307, aplastamiento en cimentaciones de concreto. 

    Tabla 2.2 Factores de resistencia de las especificaciones  de las NTC Diseño de Estructuras Metálicas 

    Fr  CASO 0.9  Resistencia  a  tensión  para  estado  límite  de  flujo  plástico  en  la  sección  total, 

    resistencia a flexión y cortante en vigas, determinación de cargas críticas, tensión o compresión paralela al eje de soldaduras tipo filete y de penetración parcial. 

    0.80  Tensión normal al área efectiva en soldaduras de penetración parcial cortante en el área efectiva en soldaduras de penetración completa. 

    0.75  Resistencia a tensión por estado límite de fractura en la sección neta, resistencia a compresión para estado límite de pandeo local en secciones tipo 4, cortante en el área efectiva en soldaduras de filete, cortante paralela al eje de la soldadura de penetración parcial, resistencia a tensión de tornillos. 

    0.70  Resistencia a compresión de columnas de sección transversal circular hueca tipo 4. 

    0.60  Resistencia al cortante en conexiones por aplastamiento.

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    2.6.MANUAL DE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO 

    La  publicación  del  Manual  of  Steel  Construction  del  AISC  (AISC,  1994),    contiene  las especificaciones AISC y numerosas ayudas de diseño en  forma de  tablas y graficas así como un catalogo de los perfiles estructurales de acero mas ampliamente disponibles. El manual consta de dos volúmenes.

    • El volumen I, subtitulado “Structural Members, Specifications and Codes”, contiene las partes    1  a  la  7  y  trata  principalmente  con  el  diseño  de  miembros.  El  volumen  II, subtitulado  “Connections”,  contiene  las  partes  8  al  12  y  se  dedica  al  diseño  de conexiones. 

    1.  Dimensiones y propiedades. Esta parte contiene detalles sobre perfiles estándar laminados, tubos y perfiles tubulares, incluidas  todas  las  dimensiones  de  secciones  transversales  necesarias  y  propiedades como área y momento de inercia. Se da también información sobre la disponibilidad de los perfiles  en  varias  resistencias.  Los aceros  considerados  son algunas de  los autorizados por las especificaciones AISC para su uso en la construcción de edificios y se incluyen los siguientes: 

    ASTM A36: Acero estructural al carbono ASTM A529: Acero estructural al carbonomanganeso, de alta resistencia ASTM A572: Acero estructural de baja aleación, de alta resistencia ASTM  A242:  Acero  estructural  de  bajo  aleación,  de  alta  resistencia,  resistente  a  la corrosión ASTM  A588:  Acero  estructural  de  baja  aleación,  de  alta  resistencia,  resistente  a  la corrosión ASTM A852: Placa de acero estructural de baja aleación, templado y revenido ASTM A514: Placa de acero aleado estructural de lata resistencia, templado y revenido 

    2.  Aspectos esenciales del LRFD. Esta  parte  es  una  introducción  condensada  a  los  aspectos  básicos  del  diseño  por factores  de  carga  y  resistencia  de  las  estructuras  de  acero.  Se  incluyen  ejemplos numéricos. 

    3.  Diseño de columnas. Esta  parte  contiene numerosas  tablas  para  facilitar  el  diseño  de miembros  cargados en compresión axial y de vigascolumnas. La mayoría de esas tablas se refieren a aceros con esfuerzos de fluencia de 36 Ksi y 50 Ksi. Se dan adicionalmente ejemplos de diseño que ilustran el uso de las tablas. 

    4.  Diseño de vigas y trabes. Esta parte, igual que la parte 3, contiene muchas ayudas de diseño, incluyendo graficas y tablas.  Muchas  de  ellas  tratan  sobre  los  requisitos  de  las  Especificaciones  AISC,  pero algunas, como los diagramas y formulas de vigas, pertenecen al análisis estructural. Esta parte también contiene un anàlisis de los procedimientos de diseño de vigas y trabes, así como ejemplos de diseño.

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    5.  Diseño compuesto. Esta  parte  trata  de  los  miembros  compuestos,  usualmente  vigas  o  columnas,  que  son componentes  estructurales  formadas  por  dos  materiales:  acero  estructural  y  concreto reforzado.  Comúnmente  las  vigas  compuestas  se  usan  cuando  un  sistema  de  vigas paralelas soporta una losa de piso de concreto reforzado. En esta aplicación, elementos soldados al patín superior quedan embebidos en el concreto, formando la conexión entre los dos materiales. Las columnas compuestas consisten en perfiles estructurales de acero embebidos  en  concreto  reforzado  o  en  perfiles  huecos  rellenos  de  concreto.  Esta  parte contiene información básica, ayudas de diseño y ejemplos. 

    6.  Especificaciones y reglamentos. Esta parte contiene las especificaciones y comentarios del AISC, una especificación para tornillos de alta resistencia (RCSC, 1994) y otros documentos. 

    7.  Datos diversos y tablas matemáticas. Esta parte  trata el alambre y  lamina de acero, así  como varias propiedades del acero y otros materiales de construcción. Se incluyen también formulas matemáticas y factores de conversión para diferentes sistemas de unidades.

    • El volumen  II, que comprende  las partes 8 a  la 13, contiene  tablas de ayuda para el diseño de conexiones atornilladas y soldadas junto con tablas que proporcionan detalles sobre  conexiones  “estandarizadas”.  (La  parte  13 es  una  lista  de organizaciones de  la industria de la construcción). 

    Las  especificaciones  AISC  son  solo  una  pequeña  parte  del  manual.  Muchas  de  los términos  y  constantes  usados  en  otras  partes  del manual  se  presentan  para  facilitar  el proceso  de  diseño  y  no  son  necesariamente  parte  de  las  especificaciones.  En  algunos casos, las recomendaciones son solo “reglas empíricas” basadas en la práctica común, no requisitos de las especificaciones, es importante reconocer que es un requisito (cuando es adoptado por un reglamento de construcción)  y que no lo es.

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    3.SECCIONES COMPUESTAS 

    3.1.INTRODUCCIÓN 

    En  la actualidad el uso de secciones compuestas ha  ido aumentando. Anteriormente  las vigas  de  acero  y  las  losas  de  concreto  se  consideraban  por  separado,  es  decir,  en  su diseño  no  se  aprovechaban  sus  características  estructurales  de  cada  uno  para  la aumentar  su  resistencia.    En  la  acción  compuesta  (unión  del  acero  y  del  concreto) aumenta la resistencia de la sección, ya que se aprovechan las propiedades estructurales de  cada uno. En  vigas  compuestas  la  resistencia  se  puede aumentar  aproximadamente una  tercera parte, en comparación de una viga de acero normal, al  igual que  la sección compuesta reduce las deflexiones considerablemente, lo cual permite usar  vigas de acero más chicas en su sección. En vigas compuestas, cuando el eje neutro se encuentra en la unión de los dos elementos, el concreto resiste la fuerza de compresión y el acero la fuerza de tensión,  ya que si no hay  suficiente  adherencia  entre  ambos  elementos,  esta  unión  se  hace  por  medio  de conectores de cortante, para que la sección trabaje como una sola. Las  columnas  compuestas  son  otro  tipo  de  secciones,  estas  se  componen  por  perfiles laminados o armados de acero embebidos en concreto reforzado; en estas el concreto se aprovecha para reforzar y proteger el acero contra el fuego y la corrosión, los estribos se colocan alrededor de las barras longitudinales a una cierta separación especificada, estos estribos ayudan principalmente al concreto de recubrimiento para que no se   desprenda. También  las  columnas  tubulares  son  rellenadas  de  concreto;  el  concreto  y  el  acero trabajan en conjunto y se ayudan mutuamente para evitar el pandeo y soportar las cargas. Durante  la  construcción  de  las  secciones  de  las  columnas  compuestas,  los  perfiles  de acero soportan las cargas iniciales, incluido el peso propio de la estructura, las cargas de gravedad y laterales, posteriormente se le cuela el concreto. 

    3.2.DESARROLLO HISTÓRICO 

    La  combinación de  dos a más materiales  anteriormente  ya  estaba en uso en  diferentes culturas  o  civilizaciones,  pero  cuando  se  empezó  a  reconocer  el  uso  compuesto  fue  a mediados  del  siglo  XIX.  En  1840   William  Howe  patento  una  armadura  compuesta  de madera  hierro  forjado;  esta  misma  combinación  de  materiales  la  utilizaron  Thomas  y Caleb Pratt para diseñar una armadura de una configuración diferente. 

    Figura 3.1.Armadura Howe 

    Posteriormente, con el uso del concreto en vigas de acero para protegerlas del  fuego se empezó  a  utilizar  la  construcción  compuesta.  La  construcción  híbrida  es  otra  forma  de

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    construcción compuesta que actualmente  también se esta desarrollando, ya que en esta se emplea  aceros de diferentes resistencias en las distintas partes de la estructura. El uso compuesto  se  vino  desarrollando en diferentes  estructuras  como puentes  colgantes  con armaduras. 

    A principios del siglo XX se realizaron varios estudios de las vigas compuestas, ya que se utilizaba  como  un  sistema  para  la  protección  contra  el  fuego.    En  1923  se  realizaron estudios sobre el comportamiento de vigas embebidas en concreto, lo cual en 1925 Scott publico  los  resultados  de  la  investigación,  mas  tarde  R.  A.  Caughey  estudio  el comportamiento de vigas compuestas de acero estructural y concreto,. En 1929 Caughey y Scott publicaron un articulo sobre el diseño de una viga de acero con una  losa  de  concreto,  donde  mencionaron  que  para  resistir  las  fuerzas  cortantes horizontales se tienen que incluir conectores mecánicos; estos estudios los hicieron con el uso de puntales y sin puntales. 

    Una vez que se había extendido el uso compuesto, se empezaron a utilizar conectores de cortante  de  diferentes  tipos  como  el  de  espiral.  El  uso  compuesto  se  empleaba comúnmente  en  puentes,  por  lo  que  se  empezó  a  incluir  en  las  especificaciones  de  la American Association of State Highway Officials (AASHO) en 1944 y el American Institute of Steel Construction (AISC) en 1952. 

    La  tendencia  de  las  investigaciones  se  encamino a  secciones de aceroconcreto,  par  lo cual  se  trataron  sobre  aspectos    como  la  tendencia  al  levantamiento  de  las  losas,  la eficiencia  de  los  conectores  de  cortante  de  distintos  tipos,  la  adherencia  natural  entre acero y concreto, vibración y resistencia última, y los efectos de la torsión. 

    En  estos  últimos  años  la  construcción  compuesta  es  una  de  las  alternativas  para  los ingenieros  y  arquitectos  en  el  diseño  de  estructuras,  par  lo  cual  su  uso  se  ha  ido extendiendo. 

    3.3.VENTAJAS DE LA CONSTRUCCIÓN COMPUESTA 

    En  la construcción compuesta  la viga sigue siendo  todavía la más utilizada, en los pisos compuestos se aprovecha la resistencia del concreto y del acero, haciendo que la mayoría de la sección de la losa trabaje a compresión, y la sección de acero trabaje a tensión. Las secciones compuestas tienen mayor rigidez en comparación con las secciones de acero y concreto por separado, al igual que presentan menos deflexiones. Anteriormente el concreto se utilizaba para proteger al acero contra el fuego y la corrosión, sin considerar sus características estructurales, en los últimos años los estructuristas han aprovechado  las  propiedades  estructurales  del  concreto  en  la  acción  compuesta  con  el acero;  lo  cual  ha  proporcionado  una  disminución  de  peso  total  de  las  estructuras,  a  sí como también de  la dimensión de  la cimentación. Las secciones compuestas se pueden utilizar en estructuras de gran altura, a sí como también en estructuras de poca altura; las columnas  compuestas  sometidas  a  ciertas  cargas  en  comparación  con  las  de  concreto reforzado,  disminuyen considerablemente su sección.

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    Al  ser más pequeñas en su peralte las vigas de piso, estas transmiten menos peso a las columnas,  lo  cual  provoca  la  disminución  de  la  sección  de  estas.  También  hay  una reducción  en  el  peralte  del  sistema  de  piso,  lo  cual  reduce  la  altura  total  del  edificio, ahorrando  una  gran  cantidad  de  los  recubrimientos  exteriores  de  cada  piso,  acortando también la longitud de los ductos verticales. Al igual que el ahorro de recubrimiento contra incendios de las vigas compuestas. En la contemplación del análisis de la estructura, el aumento de la rigidez y capacidad de carga de  las  secciones  compuestas  en  comparación  con  las  secciones  convencionales, reduce considerablemente las dimensiones del acero estructural (10 al 15% del peso total del acero), al igual que el sistema de piso compuesto, donde la losa actúa como diafragma ayudando a resistir cargas laterales que actúan sobre la estructura. 

    En  la construcción compuesta se  tienen que colocar conectores de cortante para que el acero  y  el  concreto  trabajen  como  una  sección  única,  anteriormente  se  instalaban conectores de cortante en espiral, lo cual era muy difícil, al igual que en los conectores de canal, que todavía son aceptados por las especificaciones del AISC y AASHTO. Los  conectores  de  perno  resolvió  el  problema  de  la  instalación,  ya  que  son  fáciles  de manejar y de colocar; la colocación se hace con una pistola especial. Los ahorros de costos de las vigas compuestas, en relación al costo de las no compuestas varia entre el 15 al 25 %, tomando en cuenta el costo de la instalación de los conectores de  cortante,  la  soldadura  de  las    cubre  placas  y  el  costo  del  acero  estructural.  En  la construcción compuesta estos ahorros están entre el 15 al 40 %, dependiendo del diseño y del procedimiento constructivo. 

    3.4.CONSTRUCCIÓN COMPUESTA 

    En los puentes carreteros  no compuestos el problema más usual es el agrietamiento de la losa y en consecuencia su deterioro, ya que la parte de la losa trabaja en compresión y la parte inferior en tensión, lo cual esta ultima parte se agrieta y  con la acción repetida de las cargas  estas  se  van  abriendo  cada  vez  más.  La  trabe  compuesta  disminuye  este problema, ya que si el eje neutro queda en la unión entre la losa de concreto y la viga de acero,  la  losa  trabaja  completamente  en  compresión,  y  el  acero  en  tensión, aprovechándose así las características estructurales de los dos materiales. En ocasiones cuando el eje neutro queda en el espesor de  la  losa y solo una parte de ella  trabaja en compresión;  para evitar  esto  se  le agrega una  cubreplaca en el  patín  inferior  de  la  viga para lograr que el eje neutro baje y quede por debajo de la losa. 

    Flexión negativa 

    En  los  puentes  carreteros  de  varios  claros  continuos, en  donde  los momentos máximos (negativos)  se  presentan  en  los  apoyos  interiores,  el  uso  de  las  cubreplacas  se  puede utilizar  en    esos  puntos,  lo  cual  se  escoge  una  sección  de  acero  que  sea  capaz  de soportar los momentos positivos, y en los claros de los momentos negativos se puede usar las cubreplacas.

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    En  las secciones de momento negativo de  las vigas compuestas continuas se considera que la parte de flexión negativa se agrieta, pero a pesar de esto la losa reforzada transmite parte de las cargas a las varillas  de refuerzo, por lo que la acción compuesta la forman el acero de refuerzo y la viga de acero. Para determinar el numero de conectores de cortante en las zonas de flexión negativa, el AISC, la AASHTO contienen formulas que se basan en el área y en la resistencia de las varillas de refuerzo. 

    Para evitar el agrietamiento de la losa en la zona de flexión negativa, se pueden colocar conectores  de  cortante  solamente  en  las  zonas de momento  positivo,  lo  cual  elimina  la acción compuesta en las zonas de momento negativo de una viga continua. También se puede  presforzar  la  losa  esas  zonas  de momento  negativo  para  que  pueda  trabajar  en compresión. 

    Soporte lateral 

    Para el diseño de  vigas de vigas compuestas, antes de que el concreto fragüe, se tiene que  proporcionar el  soporte  lateral  adecuado  al  patín  de  compresión para  evitar  que  se pandee, ya que si es insuficiente, su resistencia de diseño  tiene que reducirse. Después de  que  se  ha  alcanzado  el  comportamiento  compuesto,  la  losa  proporciona  suficiente soporte lateral al patín de compresión de la viga de acero, al igual que cuando se unen al patín  de  compresión  de  la  viga,  cubiertas  de  acero  formado  o  cimbra  para  el  concreto, estas por lo general  proporcionan el suficiente soporte lateral. En secciones embebidas los moldes no proporcionas soporte lateral, por lo que se  tiene que  hacer  por  elementos  auxiliares;  el  soporte  lateral  a  las  vigas  se  puede  hacer  por arriostramiento  lateral  al  patín  de  compresión  de  la  viga  de  acero  a  intervalos suficientemente cortos. 

    Uso de concretos ligeros 

    El uso de concretos  ligeros en secciones compuestas no  implica que estas sean menos resistentes  que  las  secciones  compuestas  con  concreto  normal.  En  el  cálculo  de  la conexión de  cortante,  se disminuye  la  resistencia  de  los  conectores  de  cortante,  lo  cual aumenta el número de conectores para obtener la acción compuesta total. Los  factores  que  más  influyen  en  la  resistencia  de  los  conectores  de  cortante  son  el modulo de elasticidad y la resistencia última del concreto utilizado en la acción compuesta. Los efectos de flujo plástico y contracción aumentan  en una forma considerable en  este tipo de concreto. En el calculo de las deflexiones con el uso de concretos ligeros, es peso por carga muerta disminuye (30 % aproximadamente), lo cual se podría decir que las deflexiones  también, pero no es así, ya que al reducirse el peso del concreto aumenta la relación modular,  que aumenta  las  deflexiones  de  larga  plazo,  estos  dos  efectos  son  del  mismo  orden  y  se anulan mutuamente. 

    En  el  calculo  de  la  resistencia  de  los  conectores  de  cortante  cuando  se  use  concreto ligero,  de  deben multiplicar  las  resistencias normales  de  los  conectores  por  coeficientes

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    para  reducir  el  valor  de  la  resistencia,  lo  cual  estos  coeficientes  los  proporciona  las especificaciones del AISC (Tabla 3.1). Para valores comprendidos entre 280 y 350 kg/cm 2  se pueden obtener por  interpolación en la tabla 3.1. 

    Tabla 3.1. Coeficientes de reducción 

    Peso unitario del  concreto seco en aire, kg/m 3 (lb/pie³) 

    1440 (90) 

    1520 (95) 

    1600 (100) 

    1680 (105) 

    1760 (110) 

    1840 (115) 

    1920 (120) 

    Coeficiente, f’c≤ 280 kg/cm 2 (4.0 Ksi). 

    0.73  0.76  0.78  0.81  0.83  0.86  0.88 

    Coeficiente, f’c≥ 350 kg/cm 2 (5.0 Ksi). 

    0.82  0.85  0.87  0.91  0.93  0.96  0.99 

    Las  Normas  Técnicas  Complementarias  para  Diseño  y  Construcción  de  Estructuras  de Concreto del Reglamento de Construcciones para el D.F. nos dice que el peso volumétrico del concreto  ligero es  inferior a 1.9  ton/m 3  y que solo se permite el uso de este  tipo de concreto  en  elementos  secundarios.  En  las  NTC  para  Diseño  y  Construcción  de Estructuras Metálicas nos dice que en construcción compuesta los conectores de cortante deben de estar ahogados en losas hechas con un concreto volumétrico no menor de 1.8 ton/m 3 , por lo que también permite el uso de concretos ligeros. 

    3.5.VIGAS COMPUESTAS 

    En el diseño de vigas compuestas las que más fácilmente se diseñan y se construyen, es la sección  formada por una viga  laminada (simétrica, de patines anchos),  y una  losa de concreto que apoya en la viga de acero (figura 3.2 a). Para proporcionar mayor estabilidad contra el pandeo del patín de compresión de la viga, este se puede embeber a la losa como se muestra en la figura 3.2 b, esta adherencia no se toma encuenta en el diseño por cortante. 

    Figura 3.2. a, b. 

    En las vigas anteriores en ocasiones el eje neutro queda dentro de la losa, lo cual la parte superior  de  eje  neutro  queda  en  compresión  y  la  parte  inferior  en  tensión,  lo  que provocaría que la parte que esta en tensión de la losa se agriete, y con el paso del tiempo se  deteriore  la misma.  Para  evitar  este  problema  se  le  agrega  una  cubreplaca  al  patín

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    inferior de  la viga para que el eje neutro baje y pueda quedar en  la unión entre  los dos elementos, para que la viga de acero trabaje totalmente en tensión y la losa de concreto en  compresión.  También  se  puede  hacer  con  el  uso  de  una  trabe  armada  con  el  patín inferior más grande que el patín superior. 

    La figura 3.3 muestra una viga con cubreplaca con conector de canal. 

    Figura 3.3.Viga con cubreplaca 

    En  el  diseño  por  cortante  se  deben  cumplir  ciertos  requisitos,  lo  cual  en  vigas    que  no tienen la suficiente adherencia o conexión para que los dos elementos trabajen como una sola sección; no se le pueda considerar como compuesta. Cuando existe adherencia entre la viga y la  losa, como es le caso de las figura 3.2 a, b, mostradas anteriormente, no se considera en el calculo por cortante. 

    En el caso de vigas embebidas (figura 3.5),  la adherencia debe ser tal que debe cumplir ciertos  requisitos  para  que    le  pueda  considerar  como  compuesta,  anteriormente  el uso principal  del  concreto  en  las  vigas  de  acero  era  para  protegerlas  del  fuego,  sin  que  se tomara una acción compuesta. 

    Figura 3.4.Vigas con cubierta de acero troquelada

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    Figura 3.5. Viga embebida 

    En  la  figura 3.6 se muestra una viga compuesta  “T sobre T”, en donde  la  “T”  inferior es más grande que la “T” superior, ya que en vigas compuestas simétricas los esfuerzos de compresión  se suelen   desplazar hacia  la losa de concreto, por lo que se puede utilizar este tipo de vigas para que el eje neutro baje. 

    Figura 3.6.Viga T sobre T 

    También se puede utilizar una “T” laminada  o formada con dos placas soldadas como se muestra en la figura 3.7. 

    Figura 3.7. Viga con “ T”  laminada

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    Como la sección cuadrada es la que tiene mayor rigidez a la torsión, lo cual las vigas cajón proporcionan  esta  propiedad,  al  igual  que  presentan  buena  capacidad  para  soportar cargas. Este tipo de secciones se pueden aprovechar como conductos de calefacción, aire acondicionado, para  la protección contra  los incendios se le puede usar para el paso de líquidos  con  agentes  anticongelantes  para  el  control  de  las  altas    temperaturas,    vease figura 3.8. 

    Figura 3.8.Viga cajón 

    3.6.PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN 

    En  el  proceso  de  construcción  del  sistema  de  piso  compuesto,  para  que  se  pueda considerar una acción compuesta, el concreto de la losa debe alcanzar por lo menos un 75 % de su resistencia en compresión; antes de que se alcance la acción compuesta los pesos  debidos  a  la  losa,  a  la  cimbra,  y  otros  que  se  puedan  presentar,  deben  ser soportados ya sea por la viga o por puntales. La viga de acero se puede apuntalar antes de que soporte esas  cargas, para que sean soportadas por los puntales y no por  la viga de acero. Si no se apuntala  las cargas son soportadas  por  la  viga  de  acero,  lo  cual  la  viga  de