SIDOR Estructuras de Acero Tomo 3

1. II Los derechos inherentes a fa propiedad y publicaci6n de la presente obra han sido registrados conforme a la Ley. La misma no podra ser divulgada ni reproducida total ni parcialmente por ningun medio, sin el previo consentimiento escrito de la C. V.C. Siderurgica del Orinoco, C.A. (SIDOR). Las Especificaciones y Codigos extranjeros se han traducido con la debida autorizacion de los Organismos respectivos. La responsabilidad de estas traducciones, aSI como su adaptacion a los Sistemas de Unidad Internacional y Metrico, corresponde a la C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO C.A. (SIDOR). Los documentos normativos venezolanos incluidos en este tomo se han incorporado fielmente, salvo las modificaciones de diagramacion y notacion de unidades adoptadas como criterio general para su presentacion. La informacion proporcionada no debeni ser utilizada sin que previamente la avale la opinion profesional competente con respecto a su adaptabilidad para cualquier aplicacion dada. Quien utilice esta informacion asume toda la responsabilidad que provenga de tal uso. PRESENTACION La C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. (SIDOR) presenta la Segunda Edicion del Manual de Proyectos de Estructuras de Acero, con la finalidad de ofre- cer una guia util a los Ingenieros, Arquitectos, Constructores y Estudiantes, los cuales incorporan el acero como materia fundamental en el diseno de estructuras. Este Manual contiene la mas reciente informacion disponible sobre el tema. En su elaboracion no se ha pretendido establecer criterios originales, sino mas bien se ha intentado un esfuerzo particular de recoleccion, seleccion y adaptacion de las me- jores experiencias, prestando especial enfasis a los productos y preferencias del mercado venezolano. La edicion de este Manual, ademas de constituir una forma de promover el uso del acero en el pais, representa una contribucion a otras instituciones nacionales que directa 0 indirectamente tienen que ver con las normas que rigen la materia. Esta no es ni sera la ultima palabra sobre el tema, ya que mucho tenemos que aprender de esta tecnologia que, aunque generalizada en otras sociedades, todavia tiene bastante por desarrollar en el pais. Por ello agradecemos cualquier observa- cion 0 sugerencia que sirva para enriquecer futuras ediciones. III

2. IV EDITOR C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. (SIDOR) La elaboracion de este Manual ha estado a cargo de la empresa venezolana Cypeca Servicios S.A. (CYPESER) en colaboracion con el Instituto Chileno del Acero (ICHA) y el Instituto Latinoamericano del Fierro y el Acero (ILAFA). EI merito concreto de la realizacion de esta obra pertenece a los ingenieros Celso Fortoul Padron, Arnaldo Gutierrez Rodriguez, Miguel Angel Coca Abia, Juan Sivocrynski Rojas y Hector San Martin Caballero. A su vez, los integrantes de este equipo quieren dejar constancia de su agradeci- miento y reconocimiento a las instituciones anteriormente citadas, al Ing. Jorge Espinoza Otto por su invalorable ayuda tecnica, al Ing. Enrique Martinez Romero por sus oportunas opiniones y suministro de informacion, ala Srta. Andrea Pereira Fernandez y al Sr. Juan Carlos Espinoza Otto por el interes y preocupacion en la preparacion de los dibujos tecnicos y, finalmente, pero no menos importante, a nuestras respectivas familias por su abnegada solidaridad durante el desarrollo del proyecto. SIDOR agradece el aporte de todos aquellos profesionales que brindaron con su experiencia e ideas, invalorable apoyo a la realizacion de este Manual. A los libre- ros del pais, quienes al margen de su actividad comercial constituyen unos activos difusores de la ciencia y la cultura. A los siguientes Centros de Informacion, por sus eficientes servicios: Centro de Informacion de Cementos y Concretos (CINCCO), Fundacion Venezolana de Investigaciones Sismologicas (FUNVISIS), Bibliotecas de la Facultad de Ingenieria y del Instituto de Materiales y Modelos Estructurales (IMME) de la Universidad Central de Venezuela. V TOMO III CONTENIDO Pag. PARTE 8 INTRODUCCION AL DISENO ... ...... .... ... ....... .. ............. 8-1 A. Introduccion al Diseno de Miembros .. ..... ....... ..... ...... ... 8-3 1. Generalidades Sobre las Estructuras de Acero .... .. ....... 8-5 I. I Introduccion .. ..................... .... .... .. ......... ..... 8-5 1.2 Comportamiento de Miembros y Estructuras ..... 8-6 Comportamiento de los Miembros ... ... ... ...... 8-8 ,Comportamiento de la Estructura ................ 8-9 1.3 Criterios de Disefio .......... ....................... ..... 8- I I Criterio de Disefio por Tensiones Admisibles ... 8- 14 Criterio de Disefio Phistico .......... .. ............. 8- 15 1.4 EI Proyecto de Estructuras de Acero .............. 8-16 Pianos de Disefio .. .... ... ... .. ... .. ..... .. ... .. ....... 8- 17 Pianos de Detalle .............. .... ................... 8-18 Lista Avanzada de Materiales ................ .. ... 8- 19 2. EI Acero Estructural ...... ................... ..... ...... .. .. ... 8-21 2.1 Introduccion .............. .... ..... ..... ...... .. ...... ..... 8-2 I 2.2 Produccion y Clasificacion del Acero ...... ........ 8-2 I 2.3 Productos Comerciales de Acero ............ ........ 8-24 2.4 Propiedades Mecanicas del Acero ........ ... .. .. ... 8-26 Resistencia .............................................. 8-27 Ductilidad ... .......................... ... .. .... ..... .... 8-30 Soldabilidad ............ ...... .. .... .......... ... ....... 8-30 Tensiones Residuales ..... .................. .. .. ..... 8-3I Efecto del Trabajo en Frio ..... ... ........... ... ... 8-33 Efecto de la Temperatura ................ ... ........ 8-34 Efecto de las Bajas Temperaturas .... ... .. ... .... 8-34 Efecto de las Altas Temperaturas ..... ........... 8-36 Corrosion .... .............. ..... ....... .......... ....... . 8-38 Efecto de las Cargas Repetidas (Fatiga) .. ....... . 8-39 Desgarramiento Laminar ........................... 8-4 I 2.5 Anexos .. .. .. .. .......... ........ .... .. ...... ....... ... ..... . 8-43 SIDOR .... ........ ... .. .. .... ... .... .... ..... ............ 8-43 Glosario Siderurgico ........................... .. .... 8-49 3. Miembros en Traccion .. ...... ....... .... ...... ..... .... ....... 8-57 3.1 Introduccion .. .. ........ .... .... .... .. .. .......... ... ...... 8-57 3.2 Comportamiento de Miembros Centricamente Traccionados .. ..... ................. ... ....... .. .. ....... . 8-58 3.3 Comportamiento de Miembros Excentricamente Traccionados ......... .............. ......... ... .... ... .... 8-62

3. 3.4 Area Total y Area Neta ... ........ .... .... ......... .... 8-66 3.5 Criterio de Diseno ... ... ... ... ... ..... ... ... ...... ....... 8-69 3.5. I Criterio de Resistencia ........................ .. . 8-70 3.5.2 Criterio de Rigidez ................................ 8-71 3.6 Perfiles Armados en Traccion .. ...................... 8-77 3.7 Tirantes ... .... .... .. ....... ... ... ... ... ... .. ...... ..... ... .. 8-78 3.8 Empalmes... ... .... ... .. ..... ... ........ ....... .... ........ 8-80 4. Miembros en Compresion .................... ....... .......... 8-81 4. I Introduccion ... .......... ................ ............. ..... 8-81 4.2 Estabilidad Elastica del Equilibrio ..... ......... .. ... 8-82 4.3 Consideraciones Generales Relativas a la Estimacion de la Resistencia de Miembros en Compresion ................ .......... ...... .. .... .. ... ..... 8-85 4.3.1 Influencia de la Geometria de la Seccion Transversal y de la Posicion Relativa del Punto de Aplicacion de la Carga Axial .. .. .... 8-86 Pandeo Elastico .................................... 8-89 Pandeo Inelastico .................................. 8-93 Radios de Giro Equivalentes .... ............... 8-94 4.3.2 Influencia de las Imperfecciones Geometricas Iniciales ..... ...... ..... ... ......... 8-100 4.3 .3 Influencia del Comportamiento del Material .............................................. 8- 102 4.3.4 Influencia de las Condiciones de Apoyo ... ... 8-107 4.3.5 Pandeo Local de Miembros Comprimidos ... 8-129 4.3.5.1 Elementos de la Teoria de Placas: Placas Comprimidas en una Direccion por una Carga Uniformemente Distribuida en su Plano .. .. ............ . Pandeo ...................................... . Post-Pandeo ............................... . 4.3.5.2 Consideraciones de Pandeo Local en la Determinacion de Tensiones Admisibles 0 Interaccion entre el Pandeo Local y el Pandeo General .. .. Dispositivos Tendientes a Evitar la Iniciacion del Pandeo Local .. ........ . Disposiciones que Toman en Cuenta el Pandeo y el Post-Pandeo ...... ..... . 4.4 Criterios de Disefio ..................................... . 4.5 Perfiles Armados en Compresion ... ................ . 4.6 Miembros de Seccion Constante Sometidos a Compresion Variable. Miembros de Seccion Variable Sometidos a Compresion Constante. Miembros de Seccion Variable Sometidos a Compresion Variable por Efecto de Cargas Puntuales a Distintos Niveles a 10 Largo de su Directriz ................................................... . 4.7 Atiesadores Longitudinales .......................... . 8-130 8-130 8-137 8-140 8-141 8-145 8-146 8-167 8-177 8-177 VII 5. Miembros en Flexion ........................................... 8- 187 5.1 Introduccion ........... .. ....... .... .. ........... ... ....... 8-187 5.2 Generalidades Sobre el Comportamiento de Vigas .... ....... ... .... ...... ... ... .. ... .... ....... .. .... 8-190 5.3 Consideraciones Generales Relativas a la Resistencia de Miembros en Flexion ........... .... 8-203 5.3.1 Momento ..... ............. .. .. ... .. ... ... ..... ..... .. 8-205 5.3. I. I Estabilidad de la Flexion Recta .. .. .... 8-205 Pandeo Elastico .... ... .... ... ...... ....... 8-205 Pandeo Inelastico ..... ..... .. ... .......... 8-214 Pandeo Lateral en la Flexion Biaxial.. 8-214 Longitud Libre de Pandeo .......... ... 8-215 5.3.1.2 Pandeo Local. ......... ..... .... ... ... ..... 8-225 Alas .. ... ...... ... ....... ...... ...... ... ...... 8-225 Pandeo Lateral. ... ... ..... .... ... ...... ... 8-227 Pandeo Torsional ......................... 8-227 Pandeo Vertical... ... ..................... 8-228 Alma ... .... ... .. ........ ..................... 8-228 Pandeo del Alma por Flexion .... .... . 8-229 Pandeo del Alma por Compresion ..... 8-229 Post-Pandeo del Alma. ... ........ ....... 8-232 5.3.2 Corte ... ... .... .... ..... .... ...... ... .. ... ....... ...... 8-234 5.4 5.5 5.6 Pandeo ... .... .... .... .. ......... ......... ... ... ...... 8-235 Post-Pandeo ............. .. ......... .... ...... ..... .. 8-237 Fluencia ............. ......... ...... ... .... .. ......... 8-240 Capacidad Ultima de Corte... .. .... .. .. .... ... . 8-241 5.3.3 Efecto Combinado de Momento y de Corte. . 8-241 Interaccion Flexion-Corte ............... .. ...... 8-241 Influencia de las Tensiones Cortantes sobre la Distribucion de las Tensiones Normales en Alas Estables de Vigas Excepcionalmente Anchas ..... .......................................... 8-243 Consideraciones Generales Relativas a la Rigidez de Miembros en Flexion ............................... 8-244 Deflexion por Flexion ... ... .. ....................... 8-244 Vibraciones ............................................. 8-252 Efecto de la Retencion Acumulativa de Agua en Techos Pianos 0 con Drenaje Insuficiente ... 8-258 Arriostramiento Lateral ... .. .... .. ... ...... ... ... .. .. .. 8-258 Atiesadores de Alma .......... .... ... ............ ..... .. 8-267 Atiesadores Transversales ..... ... .... .... .......... 8-267 Atiesadores Longitudinales ........................ 8-269 5.7 Criterio de Disefio ..... .... .............................. 8-269 Macro-Etapas en el Disefio de un Miembro a Flexion .... ........ ... ... ...... ..... ....... ... .... ... ..... 8-270 5.8 Diferentes Tipos de Vigas ... .... ... ... .......... .. .... 8-307 Vigas Reforzadas .... ...... ... .. ..... ...... ... .... .... 8-307 Perfiles Armados .......... .. .. ..... ................... 8-311 Vigas de Almas Perforadas ........... .......... .... 8-312 Viguetas de Celosias ...... ....... ......... ....... .... 8-313

4. VIII Vigas de Seccion Variable ....... ..... .. .... .. ...... 8-314 Vigas de Seccion Hibrida .. .... .... ... ... ...... .... . 8-319 6. Miembros en Flexocompresion ........ ........ ... ......... ... 6. I Introduccion .......... ... ...... ................. .... .... ... 6.2 Consideraciones Generales Relativas a la Estimacion de la Estabilidad y Resistencia de Miembros en Flexocompresion ............. ..... ... . 6.2.1 Secciones Abiertas de Doble Simetria, Torsionalmente Estables ........ ... .. .... ... ... . Miembros Cortos. Tratamiento Elastico ... .. Tratamiento Plastico ..... ...... ............ ...... . Flexion Predominante ............. ....... .... .. .. Compresion Predominante ......... ... .... .. .... Flexion Alrededor del Eje Mayor ............ . Flexion Alrededor del Eje Menor ............ . Miembros Esbeltos ....... ... ..... ............... . 6.2.2 Secciones Abiertas Torsionalmente Inestables ............. ..... ... ... .. ......... .. .. .. ... Secciones Abiertas de Simetria Simple ..... .. 6.3 Criterios de Disefio ... .. .. ................. ... .......... . Carga Concentrica Equivalente .. .. ...... ....... .. 6.4 Criterios de Disefio para Miembros de Porticos PIanos Analizados Tomando en Cuenta los Efectos de Segundo Orden ........................... . Evaluacion del Efecto del Cambio de Geometria 0 Efecto P-~ ... ... .... ... ... ..... ..... .. . 7. Miembros en Torsion ............ ... .. .... ..................... . 7. I Introduccion ... .................. ... ... .... .. ... .......... . 7.2 Torsion Uniforme ............... .. ...................... . 7.3 Torsion No Uniforme .. ............... ..... .. ..... .... .. 7.3.1 Caracteristicas Sectoriales de la Seccion Transversal ..................... ........... :........ . Concepto de Area Sectorial ................... . Relacion entre el Area Sectorial y las Coordenadas Cartesianas .. .................... . Caracteristicas Sectoriales de la Seccion ... . Area Sectorial Principal ............... ......... . 7.3.2 Condiciones de Equilibrio Estatico ......... . Tensiones Normales ..... .. ......... .... .. ...... .. Tensiones de Corte ........ .. ... ..... ... .... ..... . 7.3.3 Desplazamientos Causados por las Tensiones Normales .... ..... .. .. ... ..... .... .... . 7.3.4 Metodos Aproximados ... ... ... ... .............. . 7.4 Torsion Mixta .. ........ ..... .... .... ...... ............ ... . Metodos Aproximados .............. ........ ....... . 7.5 Criterios de Disefio ........ ... .......... ................ . Criterio de Resistencia .................... ......... . Criterio de Rigidez ..... ........ ..................... . 8-321 8-321 8-322 8-324 8-324 8-325 8-326 8-327 8-328 8-328 8-329 8-335 8-337 8-341 8-350 8-390 8-392 8-409 8-409 8-411 8-413 8-414 8-414 8-415 8-416 8-416 8-422 8-422 8-423 8-429 8-431 8-432 8-433 8-441 8-441 8-442 II 7.6 Analogias ...... ..... ............. ..................... ...... 8-447 Analogia de la Membrana (L. Prandtl) para Secciones Solicitadas por Torsion Uniforme .. 8-447 Analogia de la Viga Sobre Fundacion Elastica para Secciones de Cajon Sujetas a Distorsion .. 8-447 Analogia entre la Torsion Mixta y la Flexotraccion ............. ....... .... .... .... ... .... 8-448 Analogia entre la Flexion Simple y la Torsion No Uniforme .. .............. ... ......... 8-449 B. Introduccion al Diseiio de Uniones ....... ...... ... ..... ........ .. 8-459 8. Medios de Union ................... .............................. 8-461 8.1 Introduccion................. ..... ......... ........ ....... . 8-461 8.2 Pemos ...... ... ...... .. ..... .......... ....... ................. 8-461 8.2.1 Consideraciones Generales Relativas a la Resistencia de los Pemos Estructurales ... 8-462 8.2.1.1 Comportamiento Individual de Pemos ........................ .......... ... .. 8-462 Pemos en Traccion Axial .............. 8-465 Pemos Solicitados por Fuerza Cortante ................................ ..... 8-469 Pemos Solicitados Simultaneamente por Fuerza Cortante y Traccion ...... 8-470 8.2.1.2 Comportamiento de un Grupo de Pemos ..... ........... .. ... ... ... ......... ... 8-471 Comportamiento Antes del Deslizamiento (Uniones del Tipo de Friccion) ............ .................... 8-473 Preparacion y Tratamiento de las Superficies ..... ....... ..................... 8-476 Procedimientos de Apriete ... .... .. .... 8-476 Dimension de las Perforaciones ..... .. 8-479 Comportamiento Despues del Deslizamiento Total (Uniones de Tipo Aplastamiento) ..................... 8-480 Tension Admisible de Corte ... .... .... 8-482 Fluencia de la Seccion Total de la Plancha ..... ....... .......... ....... ..... 8-483 Tension de Aplastamiento ............. 8-485 8.2.1.3 Comportamiento Bajo Cargas Repetidas (Fatiga) ................ ..... ... 8-487 8.2.1.4 Proteccion de los Pemos Contra la Corrosion ....... ............... ........... .. 8-488 8.2.2 Criterios de Disefio ..... ........ ....... ......... .. 8-489 8.3 Soldadura ... .... ... ....... .. ............ ... ................ 8-500 8.3.1 Materiales ... .... ....... ....... .. ....... .... ......... 8-504 Metal Base ........... ............................... 8-504 Metal de Aporte ........................ ... ........ 8-505 8.3.2 Clasificacion de las Soldaduras ................ 8-507 IX

5. x 8.3.3 8.3.4 8.3.5 Consideraciones Generales Relativas a la Resistencia de la Soldadura .......... ...... . Comportamiento Bajo Solicitaciones Extemas .. ..................... ................ .. ... . Tensiones y Deformaciones Debidas a la Soldadura .................. .. ....... .... ............ . Criterios de Diseno ... ............. ...... ... ..... . Uniones Empemadas y Soldadas ..... .. .. ... . 8-512 8-512 8-514 8-515 8-528 9. Uniones........ ..... ..... ..................... .. ......... ..... ..... 8-531 9. 1 Introduccion............ .... ..... ........ ..... ....... ...... 8-531 9.2 Consideraciones Generales Relativas a los Principios de Diseiio ..................... ....... ........ 8-531 Resistencia ..... ........ .......... ............. ..... ... .. 8-532 Rigidez ........... .... ... ... .............. ......... ... .... 8-532 Rigidez de una Union ............... ... .. ............ 8-533 Amilisis Estructural Considerando la Rigidez Real de las Uniones .......... ..... ....... ............ 8-535 Ductilidad ........... .. .................................. 8-540 Conducta Predecible ..... .. ... .... .......... ..... .... 8-541 Fatiga ............ ..... ... .............. .... .............. 8-542 Factura por Desgarramiento Laminar ........... 8-542 9.3 Resistencia de los Medios de Union que Forman un Conjunto ............................................... 8-542 9.3.1 Uniones Solicitadas a Corte y Torsion por Cargas Excentricas ................... ... ...... ... 8-542 Uniones Empemadas ............................. 8-542 Uniones Soldadas .. ...... .. .......... ..... .... .... 8-556 9.3.2 Uniones Solicitadas a Corte y Flexion por Cargas Excentricas ........ ..... ... ... .... ..... ... 8-569 Uniones Empemadas ............................. 8-569 Uniones Soldadas .... ... ... ... ........... .... ..... &-575 9.3.3 Uniones Solicitadas a Traccion. Accion de Palanca ........... .................................... 8-578 Modelo Propuesto por Nair, Birkemoe y Munse ................... ............ ... ... ... ........ 8-579 Modelo Propuesto por Struik y de Back...... 8-580 9.4 Diseno de Algunas Uniones Usuales en Estructuras de Edificios ............................... 8-582 9.4.1 Uniones de Estructuras Aporticadas ..... ..... 8-583 9.4.1. 1 Uniones Flexibles, Isostaticas 0 de Corte ..................................... 8-583 Union al Alma de la Viga .......... .... 8-583 Union a las Alas de la Viga ........... 8-59 I Union de Asiento No Atiesado ...... . 8-591 Union de Asiento Atiesado ......... ... 8-595 9.4.1.2 Uniones Semirigidas ..................... 8-601 9.4.1.3 Uniones Rigidas, Hiperestaticas 0 de Momento .............. ................. 8-60 I Resistencia ............................... .. 8-604 Estabilidad ................................ . 8-605 Deformacion ......... .. .......... .......... 8-606 Uniones de Plancha Extrema .......... . 8-616 9.4.2 Uniones en Armaduras Planas ................ . 8-623 9.5 Otros Tipos de Uniones ....... ... ........... ........ .. . 8-627 Uniones en Estructuras con Perfiles Formados en Frio .. ................ ... ... ............ . 8-627 Uniones en Estructuras con Perfiles Tubulares ... ... ................ .... .... ... ... . 8-628 Uniones en Estructuras Compuestas Concreto-Acero ................. ......... .... ....... .. 8-629 9.6 Empalmes en Vigas y Columnas ................... . 8-629 9.7 Placas Base ............................................... . 8-644 9.7.1 Placas de Apoyo para Vigas ................... . 8-644 9.7.2 Placas Base para Columnas ................... . 8-646 Criterios Generales para el Diseno .......... . 8-647 Diseno de Placas Base .................. ... ..... . 8-652 C. Introduccion a la Construccion Compuesta ............ ........ 8-663 10. Construccion Compuesta Acero-Concreto ............... 8-665 10.1 Introduccion............................................ 8-665 10.2 Criterio de Resistencia en Vigas de Seccion Compuesta .................................. 8-666 10.2. I Momento Resistente ................... ...... 8-668 Momento Ultimo Positivo .... .... .......... 8-670 Momento Ultimo Negativo ................ . 8-675 10.2.2 Resistencia al Corte de Vigas de Seccion Compuesta .......................... 8-676 10.3 Criterio de Rigidez en las Vigas de Seccion Compuesta .................................. 8-679 10.4 Criterios de Diseno ..... ...... ........... .......... ... 8-684 10.5 Columnas de Seccion Compuesta ... ...... ... .... 8-699 PARTE 9 INFORMACION COMPLEMENTARIA .......................... 9-1 1. Referencias. ............................................................. 9-3 2. Directorio .. ....... ....... ........ ............ .. ... ... ... ..... .... ....... 9-27 XI

6. XII PARTE 8 INTRODUCCION -AL DISENO C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

7. 8-2 A. INTRODUCCION AL DISENO DE MIEMBROS "In many technical libraries the supports of bookshelves containing works on the stability of structures are in danger of buckling under the weight of literature. Can another work on this subject be justified?". P. S. Bulson" C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. 8-3

8. 1. GENERALIDADES SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO 1.1 Introducci6n Las estructuras como obras de ingenieria son proyectadas y construidas para soportar cargas y resistir fuerzas que deben ser transferidas a las fundaciones. Las cargas y fuerzas provienen de la masa de la estructura, del uso que se haga de ella, 0 de las fuerzas de la Naturaleza. EI uso de la estructura incluye el cerramiento del espacio (edificios), el almacenamiento de materiales (tanques y silos), la provision de acceso (puentes), transporte (vehiculos), 0 procesamiento de materiales (maquinarias). Las estructuras pueden hacerse con diferentes materiales, tales como el acero, el concreto, la madera, etc., o con una combinacion de estos. Usualmente las estructuras son tridimensionales, aun cuando a veces son esencialmente bidimensionales (placas y cascaras) 0 lineales (cables). Por 10 general las estructuras de acero no son masivas, son armazones que al aire cuadriculan cual presuntas jaulas al viento fugitivo. La Fig. 1. 1 muestra el modelaje de una estructura metalica tridimensional como un arreglo indepen- diente de estructuras de dos 0 una dimension*. Estructura tridimensional " '" PortICOS rigldos r '(bldlmensionales) " , ", " Vigas (correas de techo y paredes) " + ~ldimensiOnaleS) (0/~ ~ I + Figura 1.1 Reduccion de una Estructura Tridimensional a Formas Simples9 Los miembros de acero estructural pueden considerarse unidimensionales cuando sus longitudes son mayores de sus dimensiones transversales, y bidimensionales, como es el caso de planchas, cuando las longitudes y anchos son mayores que el espesor. Los miembros estructurales que interactuan entre sl a traves de sus uniones, tambien pueden clasificarse por la manera Nota: Las referencias bibliognificas se suministran segiin su orden correlativo en la Parte 9. * No todas las estructuras pueden descomponerse de esta manera. as! por ejemplo en las torres de transmision electrica la imagen tridimensional es mas segura que la simplificaci6n en imagenes planas. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

9. 8-6 como soportan 0 transmiten las solicitaciones en: miembros en tracclOn, miembros en compresion, miembros en tlexo-compresion, etc. (Ver Fig.I.2). Esta parte de Manual SIDOR trata principalmente de estructuras aporticadas y porticos diagonalizados273 formados por miembros unidimensionales, aun cuando parte de la informacion suministrada es relevante a estructuras de placas. Igualmente, observando las recomendaciones apropiadas3, la informacion es aplicable al diseno de miembros de estructuras de puente. En este Capitulo se discuten de una manera global, el comportamiento de las estructuras de acero y de sus miembros componentes*, asi como los criterios que sustentan a las especificaciones de diseno en acero estructural. Niveles Portico Porticos CD y !J) -@ -2 - -@ I I 0 I ~ 1/4 1 1 c B II I (I ~~! I ! - A Miembros I Colurnnas 2 Vigas 3 Vigas soldadas 4 Uniones viga-viga 5 Empalme de columna 6 Arriostrarnientos 7 Placas base de columnas 8 Uniones viga-colurnna Al )..2 8)..3 J. J. ).. J. .!) ~ l) W W iJ (J) Planta nivel J Figura 1-2 Correspondencia entre los Miembros de una Estructura Aporticada y los Capitulos de este Tom0326 1.2 Comportamiento de Miembros y Estructuras Capitulos 4. 6 5 5 9 9 3. 49 9 EI objeto del calculo estructural (amilisis y diseno) es la descripcion y/o prediccion del comportamiento (RESPUESTA) de un material, 0 de un elemen- to, de un miembro 0 de una estructura (genericamente lIamaremos SISTEMA a cualquiera de estos nombres) ante la aceion de un sistema cualquiera de cargas y deformaciones externaG (EXCITACION). AI igual que en otras ra- mas de la ciencia, se formulan modelos matematicos simplificados que permi- tan, dentro de cierta precision, pasar del objeto 0 sistema material a ideali- zaciones de dilcuI082.83.327. De esta manera la accion, constituida por cargas y. def?rmaciones externas conocidas se puede representar mediante imagenes slmphficadas apropiadas y razonablemente seguras a los fines de la solucion * EI comportamiento del material acero se discute en el siguiente Capitulo. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, CA. fj-/ estructural. Los efectos de esta accion (genericamente excitacion) sobre un material, una seccion, un miembro 0 una estructura, 0 sea, la descripcion 0 prediccion del comportamiento es 10 que denominamos respuesta, la cual para fines de diseno se expresa, usualmente, en terminos de la magnitud y distribucion resultante de fuerzas y desplazamientos. La relacion entre la EXCITACION, las caracteristicas del SISTEMA y la RESPUESTA esta dada por el diagrama de bloques de la Fig. 1.3. La Tabla I. I contiene la clasificacion mas ampliamente aceptada por la mayoria de las normas de cargas y sobrecargas. Excitaci6n Q(t) Caracteristicas del Sistema G(t) Respuesta q(t) Figura 1-3 Modelaje Matematico del Problema Estructural338 Categoria Permanentes Variables Accidentales TABLA 1.1 Clasificaci6n ~ SS Accjones Cargas 0 Deformaciones Peso propio de los elementos estructurales y no estructurales. Peso de equipos fijos. Empuje estatico de tierra y liquidos de caracter permanente. Desplazamientos y deformaciones impuestos a la estructura (pretensi6n 0 movimientos diferenciales permanentes de los apoyos). Cargas transitorias durante la construcci6n y uso de la obra. Cambios de temperatura. Asentamientos diferenciales que tengan una intensidad variable con el tiempo. Efectos de maquinaria y equipos; acciones dinamicas inducidas por vibraciones, impacto 0 frenado. Efectos reol6gicos: retracci6n y fluencia. C1imaticas: viento, meve. Eventos sismicos. Otros: explosiones, incendio. etc. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. CA.

10. En la seleccion de los metodos de solucion para el problema estructural es imprescindible conocer si el sistema es lineal 0 n0337.338. 82. En el caso de sistemas lineales las variables dependientes que describen el sistema deben ser de potencia uno 0 cero (ausente). Obviamente338.* no pueden presentarse productos vectoriales de las variables dependientes, y por 10 tanto el sistema es descrito por ecuaciones diferenciales. En consecuencia, el principia de superposicion es valido y se dispone de una gran cantidad de recursos matematicos. En el caso de sistemas no lineales, las variables dependientes impli- can ecuaciones diferenciales no lineales. En este caso no es aplicable el principio de superposicion, 10 cual excluye el uso de muchos procedimientos matematicos. Hay una prueba sencilla para determinar si un sistema es lineal 0 n0338,*. Sea q 1(t) la respuesta del sistema en cuestion a una excitacion Q 1(t), y sea q2(t) la respuesta a una excitacion Q2(t). Lo anterior puede escribirse como en donde G es un operador diferencial que refleja solamente las propiedades del sistema. Sea ahora excitado el sistema por en la cual c 1 y c2 son constantes arbitrarias, y observese la respuesta. Si el sistema es lineal. En el caso contrario, 0 sea si Q3(t)=G[q3(t)] =/=c 1G[q 1(t)] +c2G[q2(t)] el sistema no es lineal. La expresion representa el establecimiento que eJ operador G es lineal. La teoria lineal esta bien desarrollada y sobre una buena base matematica. La teoria no lineal es relativamente nueva y al presente tiene un creciente y acelerado desarrollo. Comportamiento de los Miembros Las respuestas de un miembro a las acciones (modeladas estaticamente) pueden ser descritas por el diagrama tension versus deformacion, como se indica en la Fig.l.4 Un miembro tiene un comportamiento lineal (Curva 1) hasta que no se exce- de, teo~camente, la tension de fluencia, Fy , pues la presencia de las tensiones reslduales 0 de la concentracion de tensiones induce una fluencia. Sin Notas ineditas del Prof. Ing. Celso Fortoul Padron. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. I 0) Pandeo ---1--- _______-1-------_ j)DLineal __ --- --- -- I / - - - - - "'Q) No lineal por cambio de geometria +-;;r:-------~-I ' t 0No lineal debido r / al material 6 Plastificacion totalI I I I II Deformacion Figura 1.4 Comportamiento de los Miembros9 8-9 embargo, la gran ductilidad del material acero permite una redistribucion despues de esta primera fluencia, y a menudo, sin grave error se puede suponer que el miembro responde linealmente hasta tanto no se alcance Fy Una vez que el miembro fluye (Curva 2) exhibe un comportamiento no lineal que tiende al estado limite asociado con la condicion de plastificacion total (Curva 6). Los miembros tambien exhiben un comportamiento no lineal debido a los cambios de geometria, esto es que la respuesta esta influenciada tanto por la deformacion como por las cargas aplicadas. Esta no linealidad de la respuesta depende de los mOdulos de elasticidad longitudinal, E, y transversal, G, (Curva 3) y esta acotado por la condicion de pandeo elastico (Curva 4). EI comportamiento de un miembro que esta influenciado por la no linealidad del material y de la geometria esta representado por la Curva 5. Sin embargo, el pandeo local de los elementos pIanos de las secciones 0 la fractura fragil del material pueden precipitar la falla del miembro. Comportamiento de la Estructura La respuesta de la estructura depende del mecanismo de transferencia de carga de los miembros y sus uniones. De esta interaccion resultan diagramas tension-deformacion analogos a los de los miembros, como puede comprobar- se al comparar las Figs. 1.4 y 1.5. La formulacion del modelo lineal de la estructura se hace sobre las siguientes hipotesis: I. El material es elastico, lineal e isotropo. Es decir el material goza de la propiedad de reversibilidad de los procesos de solicitacion y descarga, y las propiedades definidas por los modulos de elasticidad longitudinal, E, transversal, G, y de Poisson, v, permanecen constantes durante toda la respuesta. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.

11. 8-10 2. Las deformaciones son pequeiias*, 0 dicho de otra manera, el cambio de orientacion de un cuerpo debido al desplazamiento es despreciable. Esta hipotesis conduce a relaciones lineales entre deformaciones y desplazamientos, y permite referir las ecuaciones de equilibrio a la geometria del cuerpo sin deformar. Tambien se denomina teorfa de los desplazamientos infinitesimos porque equivale a suponer, tnitese de un problema estatico 0 dinamico, la existencia de un campo de desplazamientos infinitesimos. OJ ~ OJ U I (4) Pandeo --J-------~--------f -- j-(DLinea1_- ~---- f /~ ~ 0 No hneal por cambio de geometria / ,.-~----,----- ;:;/ (1) No lineal debido al material I I I f I No lineal debido al cambio de geometria y al material Deformacion Figura 1.5 Comportamiento de Estructuras9 Si se cumple la segunda hipotesis y el material es elastico lineal (0 sea, no necesariamente isotropo), se puede demostrar que el problema es lineal y, en consecuencia, es valido el principio de superposicion. Es aplicable al principio de superposicion Sistemas Sistemas Sistemas Lineales No Lineales No Lineales relacionados con relacionados con el incumplimiento de grandes desplazamientos la ley de Hooke Es aplicable la teoria de los " . desplazamlentos mfimteslmos Figura 1.6 Principios Fundamentales de la Mec:inica de los S61idos82 El analisis estructural consistira en la resolucion de las ecuaciones fisicas 0 constitutivas del material (Ley de Hooke generalizada), las ecuaciones de * Esta hipotesis se conoce en Resistencia de Materiales como la Regia de Rigidez Relativa82 C.Y.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. 8-11 equilibrio (estaticas 0 dinamicas), y las ecuaciones de geometrfa (compatibili- dad de los desplazamientos 0 deformaciones), a traves de la organizacion de procedimientos numericos 0 analiticos338.339. c~ Criterios mayoradas de diseno T~ admisibles Amilisis que incorpora la degradacion de la rigidez Deformaci6n Figura 1.7 Respuestas de la Estructura Segiin el Metodo de Analisis y Diseii09 Normalmente se supone un comportamiento lineal de la estructura (Curva 1), ignorando la fluencia local prematura debida a las tensiones residuales y concentracion de tensiones, 10 que en la mayorfa de los casos no conduce a errores graves. Una idealizacion mas realista del comportamiento de la estructura es el representado por la Curva 5; se observa en ella que la curva de transicion entre el comportamiento lineal y no lineal se produce en una serie de etapas (no lineales) a medida que los componentes pandean 0 plastifican. El analisis de primer orden tiene tres implicaciones: La primera, que las ecuaciones de equilibrio se plantean usando la geometria no deformada de la estructura. La segunda, que la linea de accion de las cargas axiales, internas o externas, actuan a traves del baricentro de la seccion transversal del miembro. Y la tercera, se refiere al desacoplamiento de la rigidez de los miem- bros339. Cuando algunas de estas tres hipotesis son incluidas en el analisis, se dice que el analisis es de segundo orden. 1.3 Criterios de Diseiio En rigor, dado el caracter aleatorio de las magnitudes que describen las propiedades de las acciones y de la estructura, el analisis ha de ser de tipo pro- babilistico. En la practica, la seleccion de criterios de diseiio estructural por el metoda del analisis de confiabilidad25,128,328.334,336 queda restringido a aquellos casos en que la importancia de la construccion requiera la adopcion de niveles de seguridad que difieran de los empleados en las obras usuales. El metodo del analisis de confiabilidad 128 para el diseiio estructural se basa en seleccionar la solucion que debe adoptarse entre un conjunto de estructuras que constituyen soluciones alternativas en un problema dado de diseiio. c.Y.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

12. 11-1':: La eleccion se basa en una comparacion entre las esperanzas de los valores actualizados de las utilidades que se deriven de la obra en cada caso. Anali- ticamente, la utilidad esperada se define por la siguiente ecuacion U=B-C-D donde U =utilidad esperada B =esperanza de la suma de los beneficios actualizados que se derivan de obra desde su construccion hasta su eventual falla C =esperanza del costa inicial actualizado D =esperanza de la suma de los costos actualizados de los danos 0 fallas que ocurren La Fig. 1.8 permite afirmar entonces que el concepto de estado limite corresponde a una discretizacion de las variaciones continuas de la utilidad334. + IDefonnaci6n, corrosion I -4--_~ I I Falla local I I I :Falla general I I Acciones Figura 1.8 Los Estados Limites como Discretizacion de la Funcion Utilidad334 'mit aquella etapa del comportamiento a partir de la cual una estructura 0 parte de ella deja de cumplir con alguna funcion para la que fue proyectada. En la Tabla 1.2 se presenta la clasificacion de los estados limites, mas ampliamente aceptada. Se observa en esta tabla que los estados limites ultimos corresponderan al agotamiento definitivo de la capacidad resistente de la estructura 0 de cualquiera de sus miembros 0 al hecho de que la estructura, sin agotar su capacidad de carga, sufra danos irreversibles que afecten su resistencia ante nue- vas aplicaciones de carga240. EI estado limite ultimo corresponde a una falla ductil cuando la resistencia de la seccion, elemento 0 estructura en cuestion, se mantenga para deformaciones apreciablemente mayores que las existentes al alcanzar el estado limite. Se considerara una falla fragil cuando la resistencia de la seccion, elemento 0 estructura, se reduzca bruscamente al alcan- zarse el estado limite240. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. Estado Limite Ultimo Servicio Condicional TABLA 1.2 Clasificacion de los Estados Limites Corresponde a Perdida del equilibrio de una parte 0 de toda la estructura como cuerpo rigido. Rotura 0 deformacion excesiva de secciones criticas de la estructura. Transformacion de la estructura de un mecanismo. Fluencia, alabeo 0 pandeo debido a inestabilidad elastica 0 inelastica. Deterioro por fatiga. Deformaciones que afectan la apariencia 0 uso normal de la estructura. Deformacion capaz de causar dana local a la estructura misma 0 a miembros soportados. Vibraciones que afecten adversamente el confort de los usuarios 0 usa continuo de la estructura. Condiciones por acciones accidentadas tales como choque de vehiculo, explosiones, etc. Rotura de vidrios y choque entre estructuras debido a la accion sismica. Incendio. Durabilidad. II-U Los estados limites de serVICIO tendran lugar cuando la estructura lIegue a estado de deformacion, agrietamiento, vibracion 0 dana que afecte su correc- to funcionamiento, pero no su resistencia240. El planeamiento general de la teoria de los estados Iimites, 0 criterio de los factores de carga y resistencia* como tambien se Ie conoce, consiste en ase- gurar que23,48 n R:?: L yS i=1 I I (1.1) =factor que toma en cuenta la incertidumbre en la determinacion de la resistencia nominal R. Este incluye la variabilidad en la calidad de los materiales, en las dimensiones previstas, errores de construccion, idealiza- ciones de los modelos matematicos, limitaciones en la teoda, etc. * En la literatura tecnica se designa por las correspondientes iniciales anglosajonas, ~ Load and Resistance Factor Design33 J. c.v.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO,C.A.

13. 8-14 'Y = factor que toma en cuenta la incertidumbre en la determinacion del sistema de cargas nominales Si. Este incluye la variabilidad de las cargas, modificaciones de uso de la estructura, variacion en los pesos unitarios, etc. Normalmente cada tipo de carga tiene un factor distint05.~3. ~5. 195 Magnitud de la funcion de carga. f(S) o de la funci6n de resistencia. f(R) Figura 1.9 Descripci6n Probabilistica del Concepto de Seguridad Estructural9. 58.148 Suponiendo simplificadamente que las variables significativas del problema sean la resistencia mas baja posible R y el sistema de carga mas alto posible n .:2: Si' la Ec. I. I puede escribirse de dos formas diferentes que corresponden 1=1 a los criterios de diseiio actual mente vigentes en las especificaciones para diseiio en acero estructurall.2 3. 7. Criterio de Diseiio por Tensiones Admisibles Bajo este criterio se diseiia de tal forma que las tensiones calculadas por efecto de las cargas de servicio no superen los valores maximos prescritos en las especificaciones. En este caso los procedimientos de analisis y diseiici son elasticos. n R2:(I/1:2: 'YiSi 1=1 Considerando todos los factores Yi iguales para todos los tipos de carga n R2:(y/1:2: Si 1=1 o lIamando factor de seguridad, FS, a la relacion (1)/y) R n FS 2:.:2: Si 1=1 cV.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. CA . 8-5 Como estamos en el caso linealmente elastico, las tensiones son directamente proporcionales a las cargas, con 10 cual se puede expresar la desigualdad en base a las tensiones y final mente siendo n :2: fi:S Fadmisible i=1 fi =tensiones elasticas calculadas para cada caso de carga Fadmisible =tension maxima admisible igual a F y/FS, en donde Fy es la tension de tluencia y FS es un factor de seguridad para cada caso contemplado en las especificaciones. Consideran este metoda de diseiio la Especificacion AISC 1978 en su Parte I, la Especificacion AISI 1980, y la Especificacion AASHTO 1977, entre otras. Criterio de Diseiio Plastico En este criterio los procedimientos de analisis y diseiio son los de la teoria plastica 0 una combinacion de analisis elastico con diseiio plastico*. n R2: :2: (yJ1Si i=1 EI cociente (yJ1 se llama factor de carga, LF, que afecta a las cargas de servicio R2:(LF)Si . Este criterio de diseiio 10 utiliza la Especificacion AISC 1978 en su Parte 2 y la Especificacion AASHTO 1977. En la Fig. I.IO se transcribe la informacion recopilada por el Prof. Beedle (1958), y la cual demuestra que eI diseiio por tensiones admisibles no suministra un margen de seguridad consistente en contraste con el diseiio plastico que predice bastante bien la resistencia ultima. Eventualmente se ha plantea- d043 que el diseiio por los factores de carga y resistencia (LRFD) reemplace a la Parte 2 de la Especificacion AISC como un metoda alternativo al diseiio par tensianes admisibles 0 Parte I de la mencionada especificacion. * En este caso la conciliacion entre los metodos de amilisis y diseiio se hace introduciendo los conceptos de redistribucion de momentos y de ductilidad. C V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, CA.

14. 8-16 Carga en eI limite Carga ultima ehistico obtenida Caso Seccion Carga ultima Carga ultima predicha predicha j j j IS IS I W8 x40 0,63 1,07 6 " I I W8x40 0,83 1,06IS 6 I I I I 6 IS 6 WI2x36 0,66 1,02 ~ 2-S6x 12,5 0,84 1,04 I I tr IS I I "" 2-S6x 12,5 0,37 1,10 Il W8 x40 0,82 1,07 ~ WI2x36 0,70 1,02 Figura 1.10 Comparaci6n de los Criterios de Diseno 19 1.4 EI Proyecto de Estructuras de Acero En el caIculo de estructuras de acero es posible distinguir dos etapas bien definidas225: a. Diseiio general, que comprende la planificacion estructural*, el dimen- sionamiento de los miembros y el diseiio de las uniones mas importantes. b. Diseiio de detalles, que comprende eI caIculo de las uniones y la preparacion de los pIanos para el taJler** y10 el montador***, en los cuales se suministra la informacion requerida para que estos puedan de- sempeiiar su cometido sin necesidad de referirse a la memoria descrip- tiva del proyecto. Los pIanos denominados "PIanos de Diseiio" pueden considerarse como una representacion grafica de las concIusiones de caIculo. IncIuyen toda la informacion necesaria para la preparacion de los pIanos de taJler. EI caIculo y preparacion de los pIanos de detaJle 0 "PIanos de TaJler" re- quieren de un completo conocimiento del equipo y metodos de trabajos del taller en el cual se ejecutan las obras. La capacidad de las diversas maquinas, la forma de las planchas de union (cartelas) para aprovechar bien el material existente, los costos relativos de diversas operaciones en un mismo taller, etc. , son factores que un buen proyectista de detalles debe tener presente en forma constante225 . * Para un . .. .** . a mayo~ 1010rmaClOn sobre este tema. veanse las referencias 195. 294. 340 Y 342. *** V~anse las slgmentes referencias. especializadas en el tema. 192. 198. 226. 289. 290. 295. Veanse las referencias 130. 296. 341. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. IHI Adicionalmente, dependiendo de la complejidad de la obra, se requeriran pIa- nos de montaje para indicar la secuencia de la construccion y cualquier otra informacion esencial para el montaje de la estructura 296 . Para la elaboracion de los distintos pIanos mencionados, la pnictica de la construccion metalica ha desarroJlado dos modalidades de trabajo. En una de elias , el ingeniero y el proyectista de detaJles trabajan integradamente para suministrarle al taller toda la informacion. En esta modalidad se ahorra la preparacion de pIanos de diseiio intermedios a los de taJler, ya que los deta- lies se ejecutan directamente a partir de la memoria de caIculo 0 los croquis preparados por el ingeniero. EI plano resultante contiene informacion pertinente tanto al diseiio como al detaJle. En la segunda modalidad, el diseno general es ejecutado independientemente por el ingeniero y el diseno de los detaJles por personal de la industria. Para solventar el problema de las responsabilidades del caIculo, es costumbre que el ingeniero revise y apruebe los pIanos de detaJle, unicamente desde el pun- to de vista estructural; la responsabilidad por las dimensiones y ajuste de los diversos elementos es asumida por eI fabricante*. PIanos de Diseiio Un plano de diseiio debe contener la siguiente informacion 225 : a. Dimensiones principales de la estructura, ya sea entre ejes 0 libre, de acuerdo con las necesidades de cada caso; ejes, cotas y elevaciones. b. Caracteristicas generales de todos los miembros y elementos estructurales. c. Solicitaciones y cargas. d. Diseiio completo 0 forma tipica de las uniones mas importantes de la estructura. e. Notas explicativas sobre Especificaciones y Normas de diseiio, resistencia y calidad de los materiales, tolerancias de fabricacion, preparacion de superficies, pintura y, en fin, toda informacion que sea necesaria utilizar para Jlevar la obra a feliz termino. La informacion que el ingeniero debe suministrar al proyectista de detaJles, a manera de guia general, es la siguiente: 1. Plano de Planta: IncIuye los apoyos de columnas, lista de perfiles, esquemas de carga sobre las fundaciones y notas generales. 2. Plano de Vigas Porta-gruas: Ubicaci6n, dimensiones y solicitaciones de las vigas porta-gruas. * : ara una comprensi6n y conocimiento de los problemas de fabricaci6n. y no incurrir en costos IOnecesarios se sugiere seguir las indicaciones de los C6digos (AISC) consignados en el Torno I de esta obra. as; como una consulta con los talleres. Las referencias 341 . 343 Y 344 tambien son (ailes. C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

15. 3. Pianos de Arriostramiento: Arriostramientos en planta y elevacion, ubi- cacion de puertas y ventanas, tipo de muros y techumbre. 4. Cortes Principales: Seccion transversal de columna y cercha 0 POrtICO rfgido, seccion de muros laterales y frontales con detalles de herreria, etc. 5. Accesorios y Miscehinea: Escaleras, plataformas, etc. PIanos de Detalle Una vez realizados los pianos de disefio se procede a realizar los pianos de detalles. Estos tienen como objetivo proporcionar al taller las informaciones necesarias para construir la estructura y su utilidad desaparece despues de ejecutada la obra. En estos, generalmente, se sigue una ordenacion que corresponde al orden de elaboracion en el taller y a la secuencia de montaje en el terreno, y en su preparacion se emplean simbolos y convenciones internas de cada taller, 10 cual tiende a simplificar el trabajo. EI numero de pianos de detalle es considerablemente mayor que el de disefio. Por 10 general un plano de disefio puede generar entre I y 10 pianos de detalles, segun la complejidad de la estructura. EI primer paso de la preparacion de un plano de detalle es la resolucion del sistema, 0 sea, la determinacion de la longitud exacta, con aproximacion de I mm, entre los diversos nodos 0 puntos de cruce de los ejes de los elementos estructurales. A continuacion es necesario resolver los nodos, es decir, la disposicion de los diversos elementos que concurren a un punto, indicando la posicion de perforaciones, soldaduras, corte de piezas, etc. Los dos parrafos precedentes recalcan la necesidad de acotar todas las dimensiones para que los miembros y elementos puedan construirse sin necesidad de tomar medidas a escala. La secuencia a seguir en la preparacion de pianos de detalle para un edificio industrial es la siguiente: I. Lista avanzada de materiales. 2. Pernos de anclaje: Este plano debe prepararse con mucha anticipacion al resto, pues los pemos deben entregarse antes del vaciado de las fundaciones. Esto requiere del calculo preliminar de las fundaciones y tipos de apoyos de las columnas. 3. Columnas y placas de apoyo. 4. Vigas porta-gruas. 5. Armaduras de techo. 6. Estructura de fachadas. 7. Arriostramientos de techos y fachadas . C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. I II-I'J 8. Correas y tirantes (techos y fachadas) . 9. Escaleras, plataformas, barandas, escalones, vigas contravientos y elementos accesorios (canales y bajantes de aguas de lIuvias, etc.). 10. Pianos de montaje y uniones en el terreno. II. Cubiertas de techos y fachadas. 12. Herrerfa y acabados. Lista Avanzada de Materiales La obtencion del acero necesario para una construcclOn es un proceso que puede no presentar problemas, como ocasionar demoras de consideacion268.343. Por esto, a fin de ganar tiempo antes de preparar los pianos de detalle, y en base de los pianos de disefio se procede a preparar listas de materiales 192, denominadas "Iistas avanzadas de materiales" en las cuales se indican, 10 mas aproximado posible, las cantidades y dimensiones de los diversos miembros y elementos. Estas listas se utilizan para efectuar la compra del material . C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.

16. 8-21 2. EL ACERO ESTRUCTURAL 2.1 Introduccion EI acero estructural es un material ductil, pero esta ductilidad intrinseca puede reducirse 0 perderse en la estructura terminada si no se cuidan los deta- lies de diseno y construccion, por esto se plantea la necesidad de conocer sus propiedades mas importantes a fin de seleccionar, de manera eficiente y confiable, la combinacion mas economica de aceros para una aplicacion dada. EI acero estructural es un material practicamente homogeneo e isotropico de calidad constante que permite esfuerzos muy elevados, por 10 que en la mayoria de sus aplicaciones se obtienen miembros de espesores pequenos en comparacion con sus otras dimensiones. La utilizacion de miembros muy esbeltos y de secciones transversales complejas hacen necesario, aun para miembros muy sencillos, tomar en cuenta, ademas de los problemas de estabilidad, su comportamiento inelastico. Los parrafos anterioresplantean entonces que la complejidad del diseiio en ,.. acero, una vez conocidas' las propiedades del material bajo ciertos tipos de carga, sera la inherente a la complejidad de la estructura. 2.2 Produccion y Clasificacion del Acero La definicion del acero ha ido cambiando en el transcurso del tiempo paralelamente con los conceptos sobre las caracteristicas determinantes de este material de construccion. En el estado actual de la tecnologia siderurgica se admiten como aceros* los materiales ferreos que puedan conformarse en caliente y que contengan menos del 2% de Carbono (C), contenido este que 10 diferencia del mineral de hierro. El termino "materiales ferreos" designa a las aleaciones metalicas en las que el contenido en peso de hierro sea supe- rior a cualquier otro componente 197. Desde 1950 hasta la fecha han ocurrido cambios importantes en los procesos de produccion siderurgicos. La antigua integracion Alto Homo, Aceria Siemens-Martin 0 Convertidores Bessemer 0 Thomas y Laminadores Desbas- tadores, ha evolucionado hacia dos esquemas basicos para la produccion de acero319 : a. Alto Homo / Convertidor Basico al Oxigeno / Colada Continua. b. Reduccion Directa / Homo Electrico / Colada Continua. Dentro de la planta siderurgica del Orinoco, SIDOR ha integrado los dos siguientes esquemas para la produccion del acero317 , **: Un esquema tradicional que utiliza Homos Electricos de Reduccion y Homos de Hogar Abierto, mediante el cual los finos de mineral de * Definicion coincidente con la dada por la Norma Venezolana Covenin 803-75 Aceros. Defini- cion y Clasificacion. .. Ver Anexos de este Capitulo. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

17. "~ 00 '" "" "~ ,~ Wo g " "~ '0 V 'u~ ro "" Acero colado ~ 5 0 0 ~ ~______~~~~_____~~______~o__________ .c ~ Acero "~ 00 '" "" 0u,o >< .... W~ o ".::: 0 2% : - Soldabilidad - - + Deformacion en frio - - (- ) Resis:encia - - + Estabi!idad frente a la corrosion + Resistencia a la fatiga (+) (+) indirec- como ta en C Definicion de los signos (+) = aumen:o desprecia:,le de la propiedad. + = aumen:o de la propiedad. ++ = elevacion notavle de la propiedad. (-) = disminucion despreciavle de la propiedad. = disminucion de la propiedad. - - = disminucion notable de la propiedad. P + + (- ) - - - (+ ) Campo sin seiializar: ninguna variacion 0 no definida. S Cr Ni Mo (- ) + + + + + + - ( - ) - - - (+ ) - + - ( - ) ++ - - ++ (+ ) (+) indirec- to (+) (+) (+) como como en C en C Cu AI + + + + (- ) - - (- ) - (-) ( - ) + De acuenio con su composicion quimica los aceros pueden c1asificarse como aceros sin alear, ace:-os seP.1ialeados, y aceros aleados. Por su aplicacion resultan las siguien~es denominaciones del acero: COC1unes u ordinarios, de alta resis:encia, y esreciales. Pero la c1asificacion de interes mas inmediato para el ingeniero estructural es la que se hace en funcion de la cantidad de gases, especialmente del Oxige- no, disueltos en el acero Iiquido; esta c1asificacion en base al grado de desoxidacion del acero permite diferenciar los aceros efervescentes (debil- mente desoxidados), los aceros semicalmados (parcialmente desoxidados), y los aceros calmados (desoxidados). EI Oxigeno disueito en ei ace:-o reacciona con par.e del Carbono y produce Monoxido de CarJO::lo gaseoso que origina un movimiento activo del acero, todavia fundido , en la ;if'gotera. Esta efervescencia puede ser controlada por la adicion de elemen~os avidos de Oxigeno que desoxidan al acero, y que en C.V.G. SrDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

18. "~ 00 '" c: " "~ ,~ Wo g " c:~ '0 V 'u~ ro ~ Acero colado ~ 5 0 0 ~ ~______~~~~_____~~______~o__________ ..c: ~ Acero "~ 00 '" c: " 0< .... W~ o c: .::: 0 -< U Arrabio Figura 2.1 Esquema Tradicional de la Producci6n de Acero l2 hierro son mezclados jun~o con otras ma:erias y Iievados a un homo electrico donde, por accion del calor obtenido de la energia electrica y por la accion reductora del carbono del coque, se produce la reduccion y fusion de los oxidos con:enidos en el mineral. EI producto es un hierro con alto contenido de carbono, denominado arrabio. Para elaborar el acero, el arrabio es trasJadado a una aceria con homos de hogar abier- to (proceso Siemens-Martin), donde es fundido a altas teP1peraturas para realizar una oxidacion controlada de las impurezas que 10 acorr.pafian, ajustar su contenido de carbono y agregar otros elementos; en:onces ad- quiere otras propiedades, y se denomina acero. EI ace~o liquido es ver- tido en un cucharon y posteriormente vaciado en unos moldes, en los cuales se convertini por enfriamien~o a tempera~ura de ambiente, en lingotes de acero, que senin sometidos a ulteriores procesos de laminacion para obtener los productos terminados. EI segundo esquema, de aplicacion mas reciente que consiste en la combinacion de procesos de Peletizacion, Reduccion Directa y Homos Elec- tricos de Arco, acomplados a sistemas de Colada Continua. Dentro de este esquema, los finos de mineral de hierro son mezcIados con cal hidratada y aglomerados por accion del calor; el resultado son pequefias esferas compactas de tamafio controlado, denominadas pel/as, que luego son enviadas a los reactores de las unidades de Reduccion Directa, donde, por la accion reductora del gas na~urai reformado, se produce una reaccion similar a la de los homos electricos de la Planta de Arrabio, la cual libera los oxidos del mineral. De este proceso se obtiene un producto de hierro con alto grado de metaiizacion, denominado hierro esponja. Este producto sirve de carga a los homos electricos de arco, donde se produce el acero Iiquido que es vaciado en maquinas de colada continua, de donde se obtendran, segun sea el caso, planchones 0 palanquiIlas, sin necesidad de utiiizar lingo~eras ni recalentar los lingotes para ser laminados 0 moldeados. Aunque tambien, mediante la colada por surtidor, se pueden producir semielaborados para la fabricacion de tubos de acero sin costura. Todos los aceros contienen ademas de Carbono o:ros elementos que en parte son debidos al esquema de produccion adop:ado, 0 q:Je Ie han sido afiadidos para obtener determinadas propiedades en su utilizacion. En la siguiente c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. 8-23 tabla se puede observar la influencia de las aleciones en las propiedades del acero. TABLA 2.1 Influencia de los Elemenlos de Aleaci6n en el Acero 187 Propiedad C Si Mn Resistencia a la traccion + + + Limite ehistico + + + Alargal"liento - < 2%:(- ) (-) > 2%:- Soldabilidad - - + Deforrnacion en frio - - (- ) Resis:encia - - + Estabi!idad frente a la corrosion + Resis~encia a la fatiga (+) (+) indirec- como ta en C Definicion de los signos (+) = aumcn:o desprecia:,le de la propiedad. + = aumen:o de Ia propiedad. ++ = elevacion notavle de la propiedad. (-) = disminucion despreciavle de la propiedad. = disminucion de la propiedad. - - = disminucion notable de la propiedad. P + + (- ) - - - (+ ) Campo sin seiializar: ninguna variacion 0 no definida. S Cr Ni Mo (- ) + + + + + + - ( -) - - - (+) - + - ( - ) ++ - - ++ (+) (+) indirec- to (+ ) (+) (+) como como en C en C Cu AI + + + + (-) - - (- ) - ( -) (- ) + De acuenio con su composicion quimica los aceros pueden cIasificarse como aceros sin alear, ace:-os seP.1ialeados, y aceros aleados. Por su aplicacion resultan las siguien~es denominaciones del acero: COC'lUnes U ordinarios, de alta resis:encia, y esreciales. Pero la cIasificacion de interes mas inmediato para el ingeniero estructural es la que se hace en funcion de la cantidad de gases, especialmente del Oxige- no, disueltos en el acero Iiquido; esta cIasificacion en base al grado de desoxidacion del acero permite diferenciar los aceros efervescentes (debil- mente desoxidados), los aceros semicalmados (parcialmente desoxidados), y los aceros calmados (desoxidados). EI Oxigeno disuelto en ei ace~o reaccio:1a con par.e del Carbono y produce Monoxido de Carao;J,o gaseoso que origina un movimiento activo del acero, todavfa fundido, en la ;if1gotera. Esta efe:-vescencia puede ser controlada por la adicion de elemen~os avidos de Oxigeno que desoxidan al acero, y que en c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

19. 8-24 algunos casos se aprovechan para darle el acero ciertas propiedades*. En los aceros efervescentes** se produce en el curso de la solidificacion una zona superficial relativamente pura y otra con segregacion constituidas por agrupa- ciones de impurezas de Fosforo, Azufre, etc., en el centro del lingote***. En cambio los aceros calmados se caracterizan por una distribucion mas uniforme tanto en su composicion quimica como en su estructura cristalina. Los aceros semicalmados tienen caracteristicas intermedias entre los aceros calmados y efervescentes. Grupo de Desoxidaci6n Aceros calmados Aceros semicalmados Aceros eferveseentes TABLA 2.2 Aplicaei6n de los Aceros Aplicaci6n Tubos sin costura. Piezas forjadas. Rieles. Excelentes para soldadura y deformaci6n en frio. Perfiles de gran espesor fuertemente solicitados. Perfiles estrueturales. Barras. Planchas. Productos pianos. Propiedades de conformado en frio muy favorables. 2.3 Productos Comerciales del Acero EI prototipo de produccion de una aceria corresponde a los renglones conte- nidos en la Tabla 2.3. Desde el punto de vista de esta obra, especial interes dedicaremos a los perfiles, chapas 0 planchas, y a los medios de union. Los perfiles estan constituidos por dos grandes grupos que se complementan mutuamente y que definen el mercado 0 campo de aplicacion de las distintas series de productos****, estos dos grupos son el de los perfiles normalizados y el de los perfiles no normalizados. * Por ejemplo, el Aluminio Ie confiere al material caracteristicas de no envejecimiento y una estructura de grana fino. EI acero asf elaborado presenta muy buenas propiedades de soldabilidad y como consecuencia de sus posibilidades para la distribucion de tensiones resultan muy adecuados para la reduccion de los estados de tension triaxiales 187 ** Como los aceros efervescentes no se pueden colar en continuo y siendo por otra parte dificil su sustituci6n por aceros calmados, la industria sidenirgica ha producido los lIamados "aceros equivalentes", los cuales laminados en continuo presentan una calidad de superficie pa- recida al efervescente. Estos aceros equivalentes son productos patentados, como por ejemplo el acero Riband de la U.S. Steel, el cual se caracteriza por ser calmado con aluminio y muy poco 0 ningun Silicio. *** Por este motivo se debe tener especial cuidado de que no sea alcanzado por la soldadura. n** Veanse en las revistas "SIDOR hoy" , Ano 5, N.os. 13 y 14, 1983, los criterios para el establecimiento de series de perfiles, y en el Torno II de esta obra las series normalizadas propuestas para perfiles soldados y perfiles formados en frfo. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. Producto Arrabio Pellas Hierro esponja Acero crudo Alambr6n No pIanos Perfiles Cabillas Alambres Liso Galvanizado De puas PIanos Laminados en caliente Laminado en frio Hojalata y hoja cromada Tubulares Tubos de aeero sin costura Tubos de hierro centrifugado TABLA 2.3 Producei6n de SIDOR Semielaborados Aeerias y Fundaeiones. Usos Insumos para la fabricacion de hierro esponja. Insumo para la fabricaci6n de acero crudo. Lingotes, tochos, palanquillas y planchones para laminacion y forja. Insumos para fabricaeion de alambres, clavos, clips, ganchos de ropa, electrodos, mallas soldadas, etc. Produetos Acabados Construceion, mineria e industria petrolera. Construccion. Uso industrial. Cereas y uso industrial. Agricultura. Chapas gruesas, medias y finas para la industria naval , partes automotrices, calderas, tuberias. Chapas finas y ultrafinas para artefactos domesti- cos, latoneria, bidones, muebles. Envases para productos alimenticios, grasas, lu- bricantes, bebidas carbonatadas, productos se- cos, material pUblicitario, juguetes. Industria petrolera, eonstrucci6n y mineria. Aeueductos, regadio e industria. 8-25 Los perfiles normalizados son basicamente los perfiles, nacionales y extranjeros, laminados en caliente a partir de barras rectas. Los perfiles no normalizados son los formados a partir del material plano cuyas formas y dimensiones dependen del proceso de fabricacion y de la programacion particular de cada fabricante , ((omo son los perfiles soldados, los perfiles formados en frio, y los perfiles tubulares (cuadrados y rectangulares). J La designacion de los perfiles estructurales que se tabuIan en el Torno II de este Manual y que aparecen mencionados en el resto de la obra, se compo- ~en a partir de las formas que estos tienen y de sus dimensiones caracteris- tJcas (altura 0 altura y ancho) y del peso por metro lineal calculado a partir C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.

20. o-...v IIPN I Sidor [UPN U Sidor C IIPE W T T IIPBL 0 HEA W L Angular de alas i8uales Figura 2.2 Secciones de Perfiles Normalizados IIPS 0 HEB w L Angular de alas distintas de la secci6n transversal admitiendo para el acero un peso unitario de 7850 kgf/m 3 Ind~pendientemente de la serie de perfiles de que se trate el Ingeniero de- bera asegurarse con los suplidores de las existencias y plazos de entrega antes de definir el proyecto y establecer pedido de materiales. 2.4 Propiedades Mecanicas del Acero Las propiedade~ m~~anicas del acero estan fuertemente influenciadas por el I proceso de lammaclOn, rata de enfriamiento y posterior tratamiento termico temper.at.ura.de servicio, espesor a soldar, deformacion en frio, naturaleza d~ ! las SO~IcltaclOnes, etc., por 10 que es sumamente conveniente analizar la in- fluencI~ de estos agentes para establecer los criterios de eleccion de la calidad y tlpO de material mas recomendable para una aplicacion especifica. Peso unitario Modulo de elasticidad Modulo elastico de corte Coeficiente de Poisson TABLA 2.4 Propiedades F1sicas del Acero 7850 kgf/m3 E=2,04 x 106 kgf/cm 2 (AISC) E=2,07x 106 kgf/cm 2 (A1S!) E=2,1 x 106 kgf/cm2 (DIN) G E 2(1 + v) v=0,30 (elastico) v=0,50 (plastico) Coeficiente de dilatacion termica = 12 XI0- 6oC- 1 - c.v.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. 8-27 Resi!;tencia La resistencia a solicitaciones estaticas de los miembros estructurales de acero depende princi;>almente de la forma del diagrama tension versus deformacion y de los puntos 0 tensiones de fluencia, F y' y de la resistencia ultima a la traccion, F u' La forma inicial del diagrama tension versus deformacion es relevante en los casos donde el pandeo (local 0 total) determina la resistencia del miembro estructural, sin embargo, para explicar el comportamiento de mien:bros en flexion susceptibles de pandearse local 0 lateralmente es necesario tener en cuenta el endurecimiento por deformacion259. La Tabla 2.5 recoge las propiedc.des resistentes de mas inmediato interes para el uso de las especific:lciones de diseiIo en acero. Designacion PS-25 ALTEN A36 St 37 St 52 TABLA 2.5 Propiedades Mec:inicas de Algunos Aceros 2500 3500 2530 2400 3600 3700 5500 4080 3700 5200 Los miembros estructurales, sean secciones laminadas en caliente 0 formadas en frio, presentan uno de los dos tipos de diagramas de tension versus deformacion mostrados en la Fig.2.3* que representan eI resultado de un ensayo normativo a traccion uniaxial**. Los aceros de tipo (a) de la Fig.2.3 se cono- cen como de fluencia definida, y los del tipo (b) como de fluencia gradual. Para los primeros el punto de fluencia se define por el nivel para el cual el diagrama tension versus deformacion lJega a ser horizontal. Para los ultimos no hay, en general, una zona horizontal y las especificaciones definen un punto 0 resistencia de fluencia por una ordenada estipulada 0 un alargamien- to total estipulado**. La. te.nsion de fluencia, Fy , determinada en un ensayo estatico de traccion UnIaxIal se acepta tambien como el valor correspondiente de comprension uniaxial. Sin embargo en el caso general de las tensiones en un punto de un * La figura indica que las tensiones en el especimen se reducen despues que alcanza la maxima carga y antes de la fractura. Este es un fen6meno matematico que sucede porque convencio- n~lme~te las tensiones se calculan dividiendo la carga aplicada por la secci6n transversal ini- ** cIa!. S, se utiliza el area reducida, no se observa el decremento mostrado en la Fig.2.3 58. Pa~;4el momento de la redacci6n de este Capitulo estaba en curso un trabajo especial de grado en la Facultad de Ingenieria de la Universidad Cat6lica "Andres Bello" del cual se es- peraba obtener para los perfiles de Sidor los diagramas de tensi6n versus deformaci6n de probetas ensayadas a tracci6n uniaxial y de columnas cortas, de diferentes esbelteces, de acuerdo con las dIrectrices del Structural Stability Research Council23 y del correspondiente ante- proyecto de norma Covenin para ensayos a tracci6n. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

21. 8-28 Intervalo ellistico Intervalo inelastico Endurecimiento por deformacion Arc tg E E=O'/E Deformacion E (a) Aceros de fluencia definida fpr=limite de proporcionalidad E =O'/E E, =dO'/dE Deformacion E (b) Aceros de fluencia gradual Figura 2.3 Diagrama Tension versus Deformacion del Ensayo de Traccion Uniaxial42 miembro de pared delgada, como 10 son los perfiles metalicos en general, la fluencia depende de alguna combinacion particular de elias. No hay hasta el presente ningun metodo teorico para calcular la correlacion que pueda haber entre las tensiones componentes y la fluencia en un estado triaxial de tensiones, con la fluencia en el ensayo de traccion uniaxial. Se han propuesto dos ecuaciones empfricas para predecir el inicio de la fluencia en materiales isotropicos solicitados estaticamente82,83,100,262,320. EI criterio de la energia de distorsion 0 criterio de fluencia Huber (1904) - Hencky (1925) - von Mises (1913) 0 simplemente criterio de Von Mises, y el criterio de la tension cortante maxima 0 criterio de Tresca (1868), Coulomb (1773) 0 Guest. Los resultados experimentales son intermedios entre los dos criterios, pero se aproximan mas al criterio de von Mises. La expresion analftica que traduce el criterio de von Mises8 en un sistema arbitrario es c.v.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. T~ T~T Corte puro / / / / / / / 7 / / Criterio de von Mises --"g..------+------~---'.!::.---O'I /Fy Compresion /JI uniaxial I - 0'1 --+0- -0'1 -0'2=-0'1 I -0'1 -9--0'1 -0'2=-0'1 I I I I Criterio de Tresca Figura 2.4 Criterios de Iniciacion de la Fluencia9,260,262 " 8-29 Cuando el estado triaxial de tensiones esta dado en el sistema de los pianos principales la condicion de fluencia es: En el estado plano de tension, definido en su plano XOY, F y=Vu;+u;-uxU y+3T~y (2. I) 0, si el estado plano se define por sus tensiones principales, Fy =V u~ +u~- ul u 2 En el estado caracterizado por corte puro, U x=uy =0, la Ec.2.1 se reduce a FY=V3T~y Con 10 cual se obtiene que la tension de fluencia por corte es C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.

22. 8-30 EI criterio de Tresca establece que la fluencia se presenta cuand0 320 Ductilidad En el caso particular del material acero es un indice de la deformabilidad inelastica, cuantificada por el % de alargamiento 0 de reduccion del area, LI-Lo/LI AI-Ao/AI son valores que dependen fuertemente de la geometria de la muestra. La capacidad de deformacion permanente de un miembro estructural sin perdida apreciable de su capacidad resistente273 es un concepto general259 que puede definirse tomando como base cualquier desplazamiento lineal, a, 0 angular, 8. La relacion 8u /8y 0 au/ay corresponde al lIamado factor de duc- tilidad273 , donde el subindice u indica la condicion ultima y el subindice y la condicion de fluencia. En los siguientes parrafos se describe la variacion de la resistencia y ductilidad de miembros de acero a causa de distintos efectos. Soldabilidad Algunos aspectos del disefio (seleccion de la calidad y espesor del material, geometria y grado de restriccion de las uniones) sobre los cuales el ingeniero estructural tiene control, tienen un marcado efecto sobre la soldabilidad del acero estructural. Por eso, adicionalmente al conocimiento de disefio de uniones, el ingeniero estructural debe tener un razonable conocimiento de los fundamentos de la soldadura y familiarizarse con las condiciones que influen- cian la soldabilidad. La soldabilidad se define como la facilidad con la cual se obtienen las caracteristicas de ejecucion y funcionamiento de una union bajo determinadas condiciones de soldadura. En el caso del acero estructural, la soldabilidad esta relacionada con las aleaciones y contenido de Carbono, la historia de los tratamientos termicos y mecanicos del material, y de la respuesta del acero a los posteriores tratamientos termicos. Una conveniente aproximacion para determinar el grado de soldabilidad del acero es la formula de equivalencia del Carbona (CE) , la cual expresa la influencia relativa de los elementos quimicos respecto del Carbono en la soldabilidad. En la Tabla 2.6 se incluyen las diversas formulas propuestas*,348. * En la referencia 13 se suministran formulas para determinar las tensiones de fiuencia y rotura, % de alargamiento, y temperatura de transicion a partir de la composicion quimica. C. V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. TABLA 2.6 F6nnulas de Equivalencia del Carbono4 I CE =C+ 1/6(Mn)+ 1/5(Cr+Mo+V)+ 1/l5(Ni+Cu) 2 CE =C+ 1/4(Mo)+ 1/5(Cr)+ 1/8(Mn)+ 1/I3(Cu)+ 1/15(Ni) 2 CE=C+ 1/6(Mn) 3 CE=C+ 1/6(Mn)+ 1/20(Ni)+ 1/IO(Cr)+ 1/50(Mo)+ I/IO(V)+ 1/40(Cu) 3 CE=C+ 1/4(Mn)+ 1/4(Si) Notas: I. Formula de Dearden y O'Neill, aceptada en las normas canadienses y de la Convencion Europea de la Construccion Metalica8,76. CE Soldabilidad CE 0,52 Pobre 2. Referencia 12. 3. Referencia 293. 8-31 4. Vease tambicn el Apcndice de la norma venezolana Covenin 1293-79, Perfiles Laminados en Caliente. Caracterfsticas del Acero. En las especificaciones de disefio en acero se establecen los procedimientos a seguir para que la seleccion de los electrodos recomendados para aceros especificos este de acuerdo con las exigencias de las uniones y juntas. Tensiones Residua1es En general todas las secciones estructurales de acero se encuentran sometidas a tensiones internas generadas durante el proceso de fabricacion, principalmente a causa del enfriamiento no uniforme de los mismos. Estas tensiones internas de traccion y compresion reciben el nombre de tensiones residuales y su magnitud y distribucion dependen de varios factores, siendo c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.

23. 8-32 Fluencia incipiente bajo solicitacion Soldadura Soldadura Fluencia incipiente bajo solicitacion Seccion transversal de la columna Distribucion de las tensiones residuales Figura 2.5 Distribucion de las Tensiones Residuales y Localizaci6n de los Sitios de la Secci6n Transversal de una Columna que Primero Fluyen Bajo Carga Axial los mas importantes la geometria de la seCClOn transversal, los procesos de laminacion 0 soldadura, condiciones de enfriamiento y posterior tratamiento termico, y en menor grado de la tension de fluencia*. EI efecto neto de las tensiones residuales es el de alterar el diagrama de tension versus deformacion de los miembros reales con respecto al obtenido en probetas del material, este hecho es de particular importancia en los miembros solicitados por compresion axial, tal como se muestra en la Fig.2.6. En la referida figura la presencia de las tensiones residuales se refleja por la aparicion de una curva de transicion entre las rectas correspondientes a los intervalos elasticos e inelasticos, respectivamente. Se observa entonces un descenso del limite de proporcionalidad promedio y una reduccion de la amplitud de la zona elastica. No siempre la presencia de las tensiones residuales reduce la capacidad de la seccion, asi por ejemplo en la seccion cajon formada por cuatro planchas soldadas con tensiones residuales en las esqui- nas (Ver Fig.2.5) el efecto es favorable para solicitaciones de flexocompre- sion58 . * En la referencia 324 se muestra la distribucion de tensiones residuales en dos perfiles laminados australianos de forma muy similar a la de los perfiles I Sidor. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. Probeta Columna corta Columna corta con tensiones residuales sin tensiones residuales Figura 2.6 Influencia de las Tensiones Residuales en el Diagrama Tension versus Deformaci6n del Acero Estructural259. Efecto del Trabajo en Frio 8-33 Se ha demostrado ampliamente que cualquier trabajo en frio*, tal como el alargamiento, el plegado, etc., afecta las propiedades mecanicas del acero, de tal manera que el acero en el miembro una vez formado exhibe propiedades diferentes de aquellas del acero antes de formado. Generalmente el trabajo en frio produce deformacion-endurecimiento, esto es, se incrementa la tension de fluencia, FY' Y en un menor grado la resistencia a traccion, Fu' pero siempre disminuye la ductilidad evaluada sobre el alargamiento longitudinal. Deformaci6n de .-d----~--~~~~~u Deformacion de endurecimiento I B : IC Ductilidad Ductilidad Ductilidad virgen Deformacion de aiiejamiento Figura 2.7 Efecto del Trabajo en Frio Sobre el Diagrama Tensi6n versus Deformaci6n42 La Fig.2.7 aclara el sentido del parrafo precedente. La curva A representa el diagrama tension versus deformacion del material virgen. La curva B repre- La Especificacion AISI en su edicion de 1980 ha incorporado un nuevo articulado referente a los requerimientos de ductilidad que deben satisfacer los aceros a emplear para la fabricacion de perfiles formados en frio. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

24. 8-34 senta la descarga en el intervalo de deformacion por endurecimiento, la curva C representa la recarga inmediata y la curva D el diagrama tension versus deforrnacion cuando la recarga se efectua despues de varios dias a temperatura ambiente (0 en un lapso menor de tiempo con una moderada elevacion de la temperatura), este ultimo caso se conoce como fenomeno de aiiejamiento. En las curvas C y D la tension de fluencia es mayor que la del material virgen, pero la ductilidad tanto en el caso de endurecimiento como en el de aiiejamiento se ha reducido considerablemente. Otro fenomeno de especial interes cuando el pandeo 0 la deflexion son importantes, es el denominado efecto Bauschinger y que consiste en la reduccion del modulo de elasticidad, E, como se observa en la historia de carga versus deformacion mostrada en la Fig.2.8. Traccion 1,40 l,1O 0,90 Carga inicial en traccion Primera descarga en traccion Segunda carga en traccion --+--rf-....--,--.------,.--.-,...-....--+.--.------,.- Deformacion, mm/mm -1,40 Compresion 0,004 0,006 Descarga en compresion Figura 2.8 Efecto Bauschinger57 Efecto de la Temperatura 0,010 EI comportamiento del acero es muy sensible a los cambios extremos con respecto a la temperatura ambiente normal. Efecto de las 8ajas Temperaturas La capacidad de absorci6n de energia es un criterio importante de diseiio, particularmente en estructuras sujetas a cargas dinamicas y cargas de impac- to (por ejemplo: los puentes). A temperaturas normales el acero estructural posee una gran capacidad de absorcion de energia y falla ductilmente, pero en cuanto comienza a descender la temperatura su comportamiento se con- vierte de ductil a fragil a partir de una cierta temperatura Ilamada temperatura de transici6n. C.Y.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. Fractura fragil Temperatura, C Figura 2.9 Curva Energia versus Temperatura Obtenida en el Ensayo de Probetas Charpy con Entalla en V 8-35 Las curvas tfpicas de variacion de ductilidad y de la energfa de rotura, como la mostrada en la Fig.2.9, se obtienen de los ensayos de resilencia 0 ensayos de flexion por choque con probetas entalladas (probetas Charpy). De la curva energia-temperatura de la Fig.2.9 es evidente que existe una temperatura de transici6n de la ductilidad, relacionada con la tendencia a la iniciacion de la fractura, y una temperatura de transici6n es el aspecto de la fractura relacionada con la propagacion de las grietas. En la zona de transicion las fracturas se inician dificilmente, pero una vez iniciadas se propagan rapi- damente con poca absorci6n de energfa. La rotura fragil del acero ocurre por separaci6n 0 descohesion con poca 0 ninguna deformacion plastica, la superficie de este tipo de fractura tiene un aspecto granular brillante. La rotura ductil, que presenta un tfpico aspecto fi- broso y opaco, ocurre por corte y deslizamiento de la estructura cristalina, desput!s de una apreciable deformacion plastica. En la probabilidad de que se produzca una rotura fragil de un miembro 0 elemento estructural influyen las siguientes circunstancias8, 49: La probabilidad de rotura fragil aumenta al descender la temperatura, crecer el espesor del producto, y con la magnitud de la deformacion en frfo que haya sufrido el producto. Los aceros efervescentes tienen una mayor susceptibilidad a la rotura fragil que los semicalmados y estos mas que los calmados. La probabilidad de rotura fragil de un elemento estructural sometido a esfuerzos dominantemente estiiticos es menor que la del que esta solici- tado por esfuerzos altemados 0 procedentes de acciones dinamicas. Los estados de tensiones triaxiales, cuando las tres tensiones principales son de tracci6n, tienden a fragilizar el acero. Tanto la forma del elemento como el proceso de ejecucion pueden modificar el estado de tensiones debido a las acciones exteriores provocando una triaxialidad que acentue la probabilidad de rotura fragil. c.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A.

25. 8-36 Efecto de las Altas Temperaturas Si bien el acero es un material incombustible, en cuanto la temperatura exce- de los 93C la curva tension versus deformacion comienza a ser no lineal. A medida que se incrementa la temperatura sus propiedades resistentes se reducen, tal como se observa en la Fig.2.1O. "E ":0 100 ~ e 80 E ~ 60 ~ .s 40 ::l ~ 20 U "1:l ~ 0; c0) :E 100 ~ e 80::> e i 60 .s 40 ~ 0:; 20 "1:l ~ 200 400 600 Temperatura. C 200 Temperatura. C -----------Notas adicionales: I. EI mOdulo de corte. G. ticne un comportamiento analogo al mOdulo de elasticidad. 2. EI coeficiente de Poisson no varia en este rango de temperaturas. 3. La ductilidad decreee con la temperatura seglin una curva c6ncava. cuyo minimo a 26QOC corrcsponde a 60% por debajo del valor nonnal. a partir de estc punto aumenta r.ipidamente por encima del valor normal. 200 400 600 800 Temperatura. C 1000 (a) Efecto Promedio de la Temperatura Sobre la Resistencia a la Fluencia. Fy (b) Efecto Promedio de la Temperatura Sobre la Resistencia de Traccion. Fu (c) Efecto Tipico de la Temperatura Sobre el MOdulo de Elasticidad. E Figura 2.10 Efecto de las Altas Temperaturas Sobre las Propiedades del Acero Estructural260,297 C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO, C.A. 8-37 Desde el punto de vista del diseiio*, los edificios y los elementos que 10 componen han de estar concebidos para que resistan los efectos del fuego durante el tiempo que dure el incendio 0 durante un tiempo determinado. De ensayos de laboratorio se obtienen curvas temperatura-tiempo normalizadas para la determinacion de la duracion de la resistencia al fuego (Ver Fig.2.11) asi como la cIasificacion de los materiales en diversas categorias de resistencia al fuego y el grado de proteccion requerido. 2400 r-----------------,1320 2200 2000 1800 1600 ~ 14000 760 u0 Ii Ii::> ::> e 1200 649 e "Q. "Q. E E " 1000,... 538 ",... 800 427 600 316 400 204 200 93,3 0 0 2 3 4 ~ 7 817,8 Horas Figura 2.11 Curva Temperatura-Tiempo Normalizada. para la Determinacion de la Duracion de la Resistencia al Fuego297 En edificios industriales resulta imposible aplicar revestlmlentos de proteccion contra el fuego, por 10 que se instalan sistemas completos de deteccion, alarma y extincion de incendios. En edificios destinados a viviendas, oficinas o comercio se protegen los elementos de acero estructural con materiales resistentes al fuego, tales como los mostrados en la Fig.2.12. * En este Capitulo se cubre superficialmente una faceta del problema. y como en la actualidad las normas Covenin solo cubren los aspectos de sistemas de deteccion. alarma y extincion de incendios. y de los medios de escape (Ver Torno I). se sugiere al interesado ver las referencias 195. 297. 298. 300. 321 , 322 Y 349. C.V. G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

26. 8-38 Proteccion humeda (concreto) Perfil Metal desplegado Columnas Material aislante [ / J Ib. '"~ 0 "0 e '""-., ~ - 't.,Q. , '"2I ., ~!: / " Sistema de techo falso 1---++-- Perfil Vigas Sistema de recubrimiento Figura 2.12 Sistema de Proteccion Contra Incendios 13.1 30.32 1 Corrosion Material aislante L~ c?rrosion. e~ el resultado de una compleja accton electroquimica. En la practlca se dlstmgue el oxido de laminacion, que se produce por efecto del ~~u~ en el ~etal al rojo durante la laminacion, del oxido atmosfhico que se IDlCla a medlda que se desprende la costra de laminacion. La intensidad de la corrosion depende de las condiciones ambientales, los efectos de la corrosion se miden por medio del espesor del material perdido ("mils", milesimos de pulgada*) (Ver Fig.2.13). * I mil = 0,025 mm. C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. 6 5 A36 __----A36 con Cu A588 Grado A. __- - - - - - - - - CORTEN B, Sidor ARCO A514 Grado F ~~;;;~=================A242 Tipo I, CORTEN A 2 4 6 7 8 Tiempo, aiios Figura 2.13 Resistencia a la Corrosion 57 Los metodos de control de la corrosion se basan en la comprension del mecanismo que la produce. Sin embargo, las pinturas son el metoda mas usado para proteger el acero estructural*. Para conseguir una pintura eficaz y duradera ademas de la adecuada preparacion de la base, es necesaria una correcta eleccion de la pintura, una ejecucion tecnicamente correcta de las capas protectoras y una construccion de la estructura adecuada al recubrimiento, esto es que el proyectista debe pensar en un mantenimiento econo- mico y eficaz facilitando disposiciones constructivas contra la corrosion, por ejemplo con formas que aseguren el perfecto drenaje de las aguas pluviales, evitando la condensacion sobre superficies que puedan generar una corrosion local intensa, con la accesibilidad a todos los rincones, etc. Efecto de las Cargas Repetidas (Fatiga) Cuando un miembro estructural 0 una union estan sometidos a la accion de solicitaciones de intensidad variable repetidas un numero suficientemente elevado de veces, su rotura puede presentarse bajo magnitudes de cargas meno- res que la carga estatica de rotura. A este fenomeno se Ie conoce con el nombre de fatiga. Las fracturas por fatiga, que se presentan asociadas siempre con esfuerzos normales de traccion, se inician con una deformacion aparentemente muy re- * Vease en el Torno I los siguientes documentos: GUla para la Pintura en Taller del Acero Es- tructural, Especificacion para el Acero Estructural Arquitectonicamente Expuesto, Codigo de Pnlcticas Normalizadas en Edificios y Puentes de Acero, Criterios de Calidad y Patrones de Inspeccion. C. V.G. SIDERURGICA' DEL ORINOCO, C.A.

27. 8-40 ducida, son de naturaleza fnigil, es decir, estan acompaiiadas por deformaciones muy limitadas. La rotura por fatiga se propaga lentamente y presenta un aspecto caracteristico, ya que en la superficie de la rotura aparecen dos zonas claramente diferenciadas, una lisa y generalmente brillante y otra de granos gruesos y mate. EI origen de la fractura a menudo es identificable por la existencia de anillos concentricos alrededor del nucIeo y por las Iineas ra- diales. Area de fractura estatica Figura 2.14 Fractura por Fatiga75 Grieta que inicia la fractura Por consiguiente, cuando un elemento de acero estructural falla por fatiga su comportamiento no es ductil y dado que no puede efectuarse una redistribucion de tensiones, los metodos de analisis plastico no son validos a estructuras sometidas a un numero elevado de repeticiones de carga. A falta de una teoria 0 procedimiento analitico que explique satisfactoria- mente el fenomeno de fatiga, es necesario basar el diseiio en informacion obtenida experimentalmente. Esta informacion se presenta en curvas de diferentes formas: curvas S-N, diagramas de Goodman, diagrama AWS-WRC, etc.; pero es asimilada en las distintas especificaciones de manera mas senci- lIa. (Vease por ejemplo el Apendice B de la Especificacion AISC, 1978). ~a resistencia a la fatiga de un metal es funcion del numero total de repeti- clones de carga a que queda sometido y no depende del tiempo total bajo la carga, asi mismo es funcion de la magnitud de rango de tensiones (diferencia a~gebraica entre la maxima y la minima tension a esperarse en cualquier cIcio de carga) y de la amplitud de la parte variable de los ciclos de carga. No es ~osible dar reglas generales para el diseiio de piezas cuya resistencia a la fahga sea un fa~t~r pre~ominante y en los que el problema se complique por su forma geometnca, numero muy elevado de ciclos de carga, etc. , sin embargo, las co?~entraciones de tensiones ocasionadas por muescas, cambios bruscos de seCClOn, defectos de fabricacion, elementos ajenos a la estructura soldados a esta, etc., hacen que disminuya considerablemente la resistencia a la fatiga de uniones y miembros estructurales por 10 que deberan eliminarse C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A. ".. 8-41 o reducirse drasticamente en las zonas crfticas de las piezas sometidas a cargas repetidas. +f +f o Compresion Pulsantes +f +f o Alternante Fluctuante Figura 2.IS Tipos de Solicitaciones Repetidas75 Desgarramiento Laminar Toda la informacion presentada hasta este momenta es pertinente a solicitaciones aplicadas paralelamente a la direccion de laminacion de los perfiles 0 planchas. Esta inherente direccionalidad tiene pequeiias consecuencias en muchas aplicaciones, pero es importante en el diseiio y fabricacion de estructuras con miembros masivos con uniones altamente restringidas. Direcci6n transversal Direccion de laminacion .. z z=espesor Figura 2.16 Direccionalidad a Considerar en el Desgarramiento Laminar260.305 C.V.G. SIDERURGICA DEL ORINOCO. C.A.

28. lj-4L Algunas orienta

SIDOR Estructuras de Acero Tomo 3

Engineering

Transcript of SIDOR Estructuras de Acero Tomo 3