Construcciones metálicasProf. Dr. Juan Carlos Vielma Pérez

Diseño Título y objeto con lista

Contenido del curso Evaluaciones Bibliografía

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Contenido por unidades

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Unidad Contenido

1 PERFILERÍA METÁLICA Y MATERIALES AFINES

2 DISEÑO DE PERFILES EN CALIENTE

3 ELABORACIÓN DE MODELOS

Unidad Tema

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Diseño Título y objeto con lista

Temas a desarrollar:• Tema 1: Introducción al acero estructural• Tema 2: Cargas• Tema 3: Elementos sometidos a tracción• Tema 4: Elementos sometidos a compresión• Tema 5: Elementos sometidos a flexión• Tema 6: Elementos sometidos a flexocompresión

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Unidades de la materia

• Unidad 1• Tema 1. Introducción al acero estructural

• El acero como material de construcción• Características mecánicas y geométricas del acero estructural• El proyecto de estructuras de acero• Normativas vigentes

• Tema 2. Cargas y tipos de diseño• Cargas gravitatorias• Cargas accidentales• Método de diseño elástico y método de diseño plástico• Diseño aplicando el Método de Diseño de Factores de Carga y Resistencia (DFCR)• Factores de carga• Factores de resistencia• Ventajas y confiabilidad del DFCR

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Unidades de la materia

• Unidad 2• Tema 3. Análisis y diseño de miembros sometidos a tracción

• Diseño por resistencia• Área neta y área neta efectiva• Conexiones a tracción• Diseño de miembros a tracción: perfiles, secciones compuestas, barras y varillas• Diseño por fatiga

• Tema 4. Análisis y diseño de miembros sometidos a compresión• Análisis de miembros comprimidos• Perfiles utilizados como miembros a compresión• Desarrollo de la formulación para columnas• Longitud efectiva de columnas• Fórmulas para columnas largas, intermedias y cortas• Relaciones de esbeltez• Tablas de diseño del Método de DFCR• Empalmes de columnas• Columnas compuestas• Columnas armadas• Columnas en celosía• Placas base para columnas cargadas axialmente

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Unidades de la materia

• Unidad 3• Tema 5. Análisis y diseño de miembros sometidos a flexión

• Flexión en vigas• Rótulas plásticas• Teoría de análisis plástico• Mecanismo de falla• Diseño de vigas continuas• Diseño de vigas de pórticos• Diseño de elementos sometidos a flexión• Capacidad en zona de pandeo plástico• Capacidad en zona de pandeo inelástico• Capacidad en zona de pandeo elástico• Secciones no compactas

• Tema 6. Análisis y diseño de miembros sometidos a flexo-compresión• Miembros sometidos a flexo-compresión• Momentos de primer y segundo orden• Factores de amplificación• Factores de modificación de momentos• Diseño de miembros a flexocompresión de marcos arriostrados• Diseño de elementos a flexocompresión de marcos no arriostrados

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Tema 1. Introducción al acero estructuralEl acero como material de construcciónLa supuesta perfección de este metal, tal vez el más versátil de todos los materialesestructurales, parece más razonable cuando se considera su gran resistencia, poco peso,facilidad de fabricación y otras propiedades convenientes.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralBibliografíaMcCormac, J. y Csernak, S. (2012) Diseño de estructuras de acero. Editorial Alfaomega,México.Este libro se encuentra disponible en la base de datos de la ESPE como e-book.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralEl acero como material de construcciónVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL• Alta resistencia• Uniformidad• Elasticidad• Durabilidad• Ductilidad• Tenacidad• Ampliaciones de estructuras existentes• Propiedades diversas

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Tema 1. Introducción al acero estructuralEl acero como material de construcción

DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL• Corrosión• Costo de la protección contra el fuego• Susceptibilidad al pandeo• Fatiga• Fractura frágil

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Tema 1. Introducción al acero estructuralCaracterísticas mecánicas y geométricas del acero estructuralEl acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de carbono,generalmente menos del 1%. También contiene pequeños porcentajes de algunos otroselementos. Aunque se ha fabricado acero desde hace 2 000 o 3 000 años, no existiórealmente un método de producción económico sino hasta la mitad del siglo xix.

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Tema 1. Introducción al acero estructural

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Tema 1. Introducción al acero estructural

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Tipos de aceroAcero al carbono (0,03-2.1% C)Acero corten (para intemperie)Acero inoxidable (aleado con cromo)Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)

Tema 1. Introducción al acero estructuralCaracterísticas mecánicas y geométricas del acero estructuralLos diagramas esfuerzo-deformación presentan información valiosa necesaria paraentender cómo se comporta el acero en una situación dada. No pueden desarrollarsemétodos satisfactorios de diseño, a menos que se disponga de información completarelativa a las relaciones esfuerzo-deformación del material que se usa.

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Tema 1. Introducción al acero estructural

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Tema 1. Introducción al acero estructuralEl proyecto de estructuras de aceroEl proyecto de las estructuras de acero está a cargo de los ingenieros estructurales. Losingenieros estructurales deben trabajar estrechamente con los arquitectos para poderinterpretar adecuadamente el sentido del diseño de los espacios que estos últimospersiguen dentro de la edificación.La formación de los ingenieros estructurales es un proceso progresivo que requiere nosolo del conocimiento de los procedimientos de cálculo, sino también un adecuadoconocimiento sobre la naturaleza de los materiales, los procesos constructivos y lanaturaleza de las cargas que la estructura ha de soportar a lo largo de su vida útil.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralEl proyecto de estructuras de aceroUna de las grandes ventajas que presenta el acero estructural es que su utilización esmuy versátil, permitiendo vencer grandes luces con secciones relativamente ligeras yesbeltas, lo que desde el inicio de la era industrial permitió su intensa utilización en laedificación de grandes obras que aun persisten.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralNormativas vigentesLas normas estructurales recogen un conjunto de reglas mínimas que persiguengarantizar un diseño seguro y eficiente, mediante el que se asegure en primer términola integridad física de los usuarios de la estructura y que esta no tendrá problemas quepongan en riesgo la inversión que esta ha supuesto.En cada país existe un grupo de normas que rigen el desempeño de los profesionalesencargados de diseñar las estructuras. En algunos casos en los que no existen normasnacionales suelen adoptarse las normas de países más avanzados.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralNormativas vigentesEn el caso particular del Ecuador existe la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC)que dispone de una serie de capítulos afines al diseño de estructuras de acero.Capítulo 1. Cargas y materialesCapítulo 2. Peligro sísmico y requisitos de diseño sismo resistenteCapítulo 5. Estructuras de aceroCapítulo 9. Geotecnia y cimentaciones

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Tema 1. Introducción al acero estructuralNormativas vigentesEl capítulo 5 se dedica exclusivamente al diseño de estructuras de acero. Este capítulose ha derivado de una serie de normativas internacionales que a continuación seenumeran:• ANSI/AISC 341-05, ANSI/AISC 341-10 (Seismic Provisions for Structural Steel

Buildings)• 358-05 (Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames

for Seismic Applications)• FEMA 350 (Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment Frame

Buildings).• Especificaciones para Edificios de Acero Estructural de la ANSI/AISC 360 -10

(Specification for Structural Steel Buildings)

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicacionesSeguidamente se muestran algunas aplicaciones de construcciones metálicas aplicadasa las estructuras civiles.Es importante notar que dentro de las construcciones metálicas se encuentra una grancantidad de aplicaciones, pero que entre las principales se encuentran las estructurasaporticadas para edificios de oficinas y/o viviendas, los galpones industriales y algunasconstrucciones industriales como escaleras pasarelas, soportes de tanques, soportes deequipos, soportes de máquinas, plataformas, entre otros.Finalmente, no debe olvidarse el importante papel que han jugado las estructurasmetálicas en el desarrollo de los puentes.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicacionesEl primer ejemplo que se muestra corresponde a un galpón industrial. Este galpón tienela particularidad de que está constituido por pórticos de miembros de acero. Cuando sepresenta este tipo de estructuras se le denomina galpón de pórticos de alma llena.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Galpón industrial

Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Columna

Viga de carga

Cruz de SanAndrés

Correa

Apoyo

Arriostramientode techo

Columna defachada

Viga de fachada

Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicacionesEs muy frecuente encontrar galpones cuyas luces son muy grandes. En este caso elingeniero estructural resuelve planteando una armadura o cercha en lugar de las vigasde carga.Se muestra un ejemplo de este tipo de estructura.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Armadura ocelosía

Alero

Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Cordónsuperior

Cordón inferiorMontante

Diagonales

Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Escalera metálica enplanta industrial

Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Columna

Viga de cargaCorrea

Viga de amarre

Chapa metálicay hormigón

Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAplicaciones

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Tema 1. Introducción al acero estructuralAsignación:Buscar dos estructuras metálicas en su entorno (grupos de 2 estudiantes). Tomarfotografías y traer para una exposición corta de 5 min.Exponer en clase resaltando los componentes estudiados en la clase presente.Identificar cualquier otro componente no apreciado

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Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPara diseñar estructuras de acero existe una amplia gama de perfiles comerciales quehan sido desarrollados para cubrir las exigencias de los diferentes tipos de esfuerzos alos que son sometidos los miembros estructurales.Es importante indicar que no todos los perfiles disponibles pueden ser utilizados paradeterminados fines. Por otro lado, se tiene que las secciones disponibles no siempresatisfacen determinados niveles de solicitaciones. Para resolver este problema suelencombinarse diferentes tipos de perfiles para conseguir secciones compuestas.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroEntre los tipos de perfiles es necesario distinguir entre los perfiles laminados encaliente, los perfiles compuestos a partir de láminas soldadas y los perfiles formados enfrío.La utilización de estos perfiles está limitada, no siempre puede llevarse a cabo el diseñocon algún tipo específico de perfiles ya que quizá no satisfagan condiciones básicas dediseño

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Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroTambién es necesario distinguir entre los tipos comerciales de perfiles. Las industriasamericanas han producido perfiles laminados con denominaciones en el sistemaimperial, mientras que las industrias europeas y asiáticas producen perfiles laminadosen denominación métrica.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles Americanos (imperial).

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40C HP L

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles Americanos (imperial).

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HSSQHSROHSRE

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles Americanos (imperial).

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42M MT S W

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles Europeos (métricos).

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43L simétrico HEA HEB IPE

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles Europeos (métricos).

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IPN MHEB Viga soldada UPN

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles Europeos (métricos).

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Tubo cuadrado Tubo hexagonal Tubo rectangular Tubo circular

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles formados en frío.

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C L Z CCL

Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroPerfiles formados en frío

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Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de perfiles de aceroExiste una gran cantidad de tablas que contienen las características geométricas ymecánicas de las secciones de perfiles metálicos.Conjuntamente con estas presentaciones se suministrarán algunas de estas tablas a losestudiantes, de manera que puedan utilizarlas en los procedimientos de diseño.

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Tema 1. Introducción al acero estructuralTipos de conexionesExisten tres familias de conexiones que se pueden aplicar en los proyectos deestructuras metálicas. Las más usuales y estudiadas son: las conexiones soldadas, lasconexiones apernadas y las conexiones mixtas.A lo largo de este curso se estudiaran los tres tipos de conexiones, aplicándolas adiferentes situaciones de solicitaciones. Se proveerán ejemplos que permitirán conoceren qué situaciones es más conveniente u obligatorio utilizar un determinado tipo deconexión.

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