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ORGANIZAN: PATROCINAN: 1

CURSO

AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONESPARA ESTRUCTURAS DE ACERO

Relator: Sr. Carlos Aguirre A.

Agosto 2006

INSTITUTO CHILENO DEL ACERO

INSTITUTO LATINOAMERICANO DEL FIERRO Y EL ACERO


CURSO

“AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARAESTRUCTURAS DE ACERO”

FUNDAMENTOS

La exitosa experiencia de las Especificaciones AISC en el diseño y construcción, desde unaprimera versión realizada el año 1923, basada en el método en “Tensiones Admisibles”(ASD) ha evolucionado a lo que hoy se denomina el método de diseño en base a “Cargas yResistencias Factoradas” (LRFD), metodología que fue introducida por primera vez el año1986.

En esta nueva versión, el Comité de Especificaciones del AISC presenta por primera vez untratamiento unificado, que permite el uso alternativo de ambos métodos de diseño (LRFD yASD). Además esta nueva norma contiene Disposiciones Sismorresistentes para el Diseño deEstructuras de Acero que se aplican en zonas de actividad sísmica elevada, que es elresultado de la investigación desarrollada con posterioridad a los terremotos de Northridge yKobe.

Esta norma viene a reemplazar las anteriores especificaciones ASD 1989 y LRFD 1999.Históricamente las normas chilenas se basan en sus similares AISC y son complementariasen todos los criterios cuando la norma chilena no contempla un determinado aspecto dediseño.

Este curso esta patrocinado por el American Institute of Steel Construction (AISC)y es el primero que se imparte en Sudamérica.

El curso está dirigido a Ingenieros Civiles dedicados al desarrollo de Proyectos Estructuralesde toda índole e interesados en ampliar sus conocimientos y conocer los últimos avances enmateria del cálculo estructural. Igualmente, está dirigido a profesores universitarios yalumnos de las carreras de Ingeniería Civil.

ICHA e ILAFA agradecen el esfuerzo y dedicación del profesional Sr. Carlos Aguirre A. en lapreparación de las exposiciones y el presente apunte. El texto ha sido presentado en formaamistosa y esperamos que pase a ser un documento de consulta y apoyo para losingenieros, docentes universitarios y estudiantes afines durante su práctica profesional.

SR. CARLOS AGUIRRE A.

Ingeniero Civil Universidad de Chile, Miembro asesor del Comité de Especificaciones delAmerican Institute of Steel Construction (AISC) y miembro del American Concrete Institute(ACI). Postgrado en Ingeniería Sísmica del Building Research Institute de Japón. Profesor yDirector del Departamento de Obras Civiles de la Universidad Técnica Federico Santa María.


AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARA ESTRUCTURASDE ACERO.

ÍNDICE

MODULO CONTENIDO PÁGINA

I Criterios de Diseño.

Estados Límites.

Elementos en Flexión.

4

II Elementos en Compresión.

Pandeo Local.

Pandeo Flexo-Torsional.

27

III Elementos en Flexión.

Elementos en Corte.

47

IV Interacción Flexión - Corte.

Flexión Compuesta.

64

V Seismic Provisions. 76


Carlos AguirreEE--mail:mail: [email protected]@usm.cl

§ AISC LRFD, 1999

§ AISC ASD, 1989

§ Criterios de Diseño

§ Estados Límites

§ Elementos en Tensión

OBJETIVOS

§§ Presentar la EspecificaciPresentar la Especificacióón AISCn AISC 20052005§§ Establecer un Criterio Unificado de DiseEstablecer un Criterio Unificado de Diseñño ASD y LRFDo ASD y LRFD§§ Destacar que permanece y que cambia en la normativaDestacar que permanece y que cambia en la normativa

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


AISC 2005 (1/2)

HITOS1988 AISC - Seismic Provisions

17-01-94 Northridge (M=6,8)

17-01-95 Kobe (M=7,2)

STRUCTURAL ENGINEER (September-2000)Encuestados: 600Repuestas : 158No usan LRFD: 87 (55%)


AISC 2005 (2/2)

nn SSíímbolosmbolosnn GlosarioGlosarioA.A. Disposiciones GeneralesDisposiciones GeneralesB.B. Bases de DiseBases de DiseññooC.C. AnAnáálisis de Estabilidad y Diselisis de Estabilidad y DiseññooD.D. Elementos en TensiElementos en TensióónnE.E. Elementos en CompresiElementos en CompresióónnF.F. Elementos en FlexiElementos en FlexióónnG.G. Elementos en Esfuerzo de CorteElementos en Esfuerzo de CorteH.H. InteracciInteraccióón de Solicitaciones, etc.n de Solicitaciones, etc.


AISC – 2005

1. Riostras Restringidas Al Pandeo (BRB)

2. Muros Especiales de Plancha de Corte (SPSW)

3. Soldaduras de Demanda Crítica.- Soldadura de penetración completa, conrequerimientos adicionales de calidad (acabado) y tenacidad (energía medidaen ensayo de Charpy a temperatura especificada).

4. Zonas Protegidas.- Áreas expuestas a deformaciones inelásticassignificativas, que requieren un detallamiento mas prolijo (evitardiscontinuidades, eliminar placas de respaldo, reparar defectos de punzonadoo corte que causen discontinuidades, no usar conectores de corte, sujecionesno estructurales). En vigas de SMF e IMF, extremos y centro de riostras ylinks.

AISC – 2005 (4/4)

BRBBRB SPSWSPSW


BASES DEL CRITERIO UNIFICADO

La estructura de acero no sabe por que método fue diseñada.

FACTORES UNIFICANTES

1. Los Estados Límites son los mismo cualquiera sea la metodología de diseñoque se aplique.

2. La Resistencia Nominal es la misma en todas las Filosofías de Diseño, solocambian los márgenes de seguridad que se usa.

3. Puede encontrarse una relación directa entre los Factores de Carga yResistencia y los Factores de Seguridad

ESTADOS LIMITES

B.B.-- Estados LEstados Líímites de Serviciomites de Servicio

ττcrcrAAwwττcrcr8. Inestabilidad por Corte8. Inestabilidad por CorteττyyAAwwττyy7. Fluencia por Corte7. Fluencia por Corte

FFcrcr AAggFFcrcr4. Pandeo por Flexi4. Pandeo por Flexióónn----------------------------3. Pandeo Local3. Pandeo LocalFFuuAAnnFFuu2. Fractura (Tracci2. Fractura (Traccióón o Compresin o Compresióón)n)

----------------------------5. Pandeo por Flexo Torsi5. Pandeo por Flexo Torsióónn

FFyyAAggFFyy1. Fluencia (Tracci1. Fluencia (Traccióón o Compresin o Compresióón)n)RRnnσσnnA.A.-- Estados LEstados Líímites Resistentesmites Resistentes

----------------------------DeformaciDeformacióón, vibraciones, corrosin, vibraciones, corrosióón, fuego, etc.n, fuego, etc.

----------------------------9. Resistencia Uni9. Resistencia Unióón (perno, soldadura, aplastamiento, etc.)n (perno, soldadura, aplastamiento, etc.)

FFcrcr SSFFcrcr6. Volcamiento6. Volcamiento

ResistenciaResistenciaTensiTensióónnCONDICION LIMITECONDICION LIMITE


ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (1/4)

No involucran colapso, están asociados a daños locales de la estructura,deterioro o deformación de las componentes y a la comodidad de los ocupantesSi no se las considera en el diseño, pueden dar lugar a costosas reparaciones

1. DEFORMACION EXCESIVA.- Apariencia, drenaje, transferencia de carga aelementos no estructurales.

2. VIBRACIÓN EXCESIVA.- Actividad en el edificio, equipos mecánicos oefecto de viento, comodidad de los ocupantes y fallas de funcionamiento.

3. DAÑO LOCAL EXCESIVO.- Efectos locales de: fluencia, pandeo,deslizamiento de conectores o fracturas o deterioro (corrosión, desgaste)

Los valores límites para verificar la condición de servicio debieran serdeterminados por un equipo: dueño usuario arquitecto ingeniero. Laverificación bajo cargas de servicio pueden considerar solo una fracción de lacarga nominal de diseño (ASCE 7, Minimum Design Loads for Buildings andother Structures)


1. DEFECTOS DE FABRICACION (curvatura, excentricidad, etc.).- Indicar enplanos si incide en funcionamiento de la estructura.

2. DEFORMACIONES.- Debidas a cargas gravitacionales (peso propio, nieve), efectostérmicos y asentamientos. Límites según uso y funcionamiento, valores usuales son:

a. L/240 en techosb. L/360 en pisosc. 3/8” si hay tabiques frágiles (independiente de L)

3. DISTORSION LATERAL.- Bajo cargas de servicio y bajo cargas de diseño paraevitar colisión. (1/600 ∆/h 1/400 y 3/8” para elementos no estructurales frágiles)

4. VIBRACIONES (maquinaria, personas, etc.)

5. MOVIMIENTO DEBIDO A VIENTO.- La aceleración Media Cuadrática no debeexceder 21 mili-g (Edificios Comerciales) y 15 mili-g (Edificios Residenciales) para unviento con período de recurrencia de 10 años).

6. DILATACIONES Y CONTRACCIONES

7. DESLIZAMIENTO DE LAS CONEXIONES



Steel Design Guide N° 3: Serviceability Design Considerations for Steel Buildings (2003)

DEFORMACIONES ADMISIBLES (Manual ICHA)Nº Elemento ∆/L Notas

1234567891011

12131415

VERTICALES

Planchas onduladas de techo.Planchas onduladas de techo.Costaneras.Vigas corrientes de piso.Vigas que soportan cielos estucados.Porta grúas soldadas o laminadas.Id. remachadas o apernadas.Vigas porta grúas de acero.Cerchas, vigas enrejadas.Vigas de equipo vibratorio. (*)Vigas de piso colaborante.

HORIZONTALES

Planchas onduladas de muro.Costaneras de muro.Columnas de viento.Vigas porta grúa .

1/1201/2401/2001/3001/3501/4501/6001/10001/7001/8001/180

1/1001/1001/2001/500

Carga total.Sobrecarga únicamente.

Efecto de la sobrecarga.

Salvo indicación del fabricanteCon hormigón fresco.


DEFORMACIONES LATERALES (Manual ICHA)

§ Cargas Sísmicas en Edificios (NCh 433): ∆ 0,002H

§ Cargas Sísmicas en Est. Industriales (NCh 2369): ∆ 0,015H/R

§ Viento (USA, 10 años de período de retorno): ∆ 0,0025H


FORMULACION UNIFICADA

Método LRFD Método ASD

Rn : Resistencia Nominal definida por Estado Límite (fluencia, pandeo, etc.)

Ru : Resistencia Requerida (LRFD) Ra : Resistencia Requerida (ASD)φ : Factor de Resistencia Ω : Factor de SeguridadφRn : Resistencia de Diseño Rn/Ω: Resistencia Admisible

LRFD calibrado respecto ASD para estado de carga 1,2D+1,6L con L/D=3En zonas de alta sismicidad deberá aplicarse las AISC Seismic Provisions

Ω≤⋅≤ /nanu RRRR φ

ELEMENTO EN TENSION (1/2)

Rn= Aσy

Rn=A σy

Tensión Límite

Resistencia Nominal

E =200.000 MPa


ELEMENTO EN TENSION (2/2)

1) ASDResistencia Requerida Resistencia Admisible

2) LRFDResistencia Requerida Resistencia de Diseño

gygy

t

gy

t

na AF

AFAFRLDR 60,067,1

==Ω

=Ω

≤+=Tensión Admisible

gygytntu AFAFRLDR ⋅⋅=⋅⋅=⋅≤+= 9,06,12,1 φφ

FACTOR DE CARGA EFECTIVACALIBRACIÓN CON ASD EN LRFD 1986

(para L/D=3,0)

LRFD: 1,2D+1,6L

ASD: γ (D+L)γ

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

L/D50,11

60,120,1=

+

+=

DL

DL

γ


CRITERIOS COMPARATIVOS (1/4)

ASD ASD LRFDAllowable Stress Design Allowable Strength Design Load and Resistance Factor Design

∑ Ω=≤

i

nadi

σσσ

Rn = Ag Fy Tracción o Compresión

Rn = An Fu Tracción o Compresión

Rn = AgFcr PandeoRn = τcrAw Pandeo AlmaMn = ZxFy Rotulación Plástica, etc.

è

è

∑ Φ=≤i

ndii RRQ **λ∑ Ω=≤

i

nadi

RRR


ASD LRFD

1,2D+1,6L Rd Rn

1,2MD+1,6ML Rd=0,9 Rn

D+L Ra=Rn

MD+ML Ma=WFy / 1,67

S*σ S*0,60Fy

è=0,90= 1,67 è L/D = 3

Φ

+=

+Ω D

L

DL 6,12,1

1



Ejemplo: =0,90è = 1,67

Si L/D = 3è

φ50,1=Ω



COMBINACIONES DE CARGASASCE 7-02 Secciones 2.3 (LRFD) y 2.4 (ASD)

D: Carga Muerta - L: Carga Viva - W: Carga de viento - E : Carga SísmicaLr: Carga Viva en Techo - S : Sobrecarga de Nieve - R: Carga inicial de lluvia o hielo

D ± (W o 0,7E)1,2D±1,0E+0,5L+0,2S5

D+0,75(W o 0,7E)+0,75L+0,75(Lr o S o R)0,9D ± 1,6W6

D+0,75L+0,75(Lr o S o R)1,2D+1,6W+0,5L+0,5(Lr o S o R)4

ASDLRFDNº

0,6D ± (W o 0,7E)0,9D ± 1,0E7

D+(Lr o S o R)1,2D+1,6 (Lr o S o R) +(0,5L o 0,8W)3D+L1,2D+1,6L+ 0,5(Lr o S o R)2

D1,4D1

Si dos o mas cargas eventuales actúan simultáneamente, solo una de ellasdesarrolla su valor máximo y las restantes un valor arbitrario en el tiempo. Losfactores de cargas permiten usar solo cargas nominales, ajustando las diferencias.

γ

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

L/D

SEGURIDAD

• ASDØ Mediante el Factor de

seguridadØ Factor de Seguridad no

depende del tipo de carga• LRFD

Ø Mediante los factores deresistencia y de carga

Ø Factores dependientes del tipode carga y la combinación

Factor de Carga Efectiva - Estado de Carga (2)

DL

DL

+

+=

1

60,120,1γ


B.- REQUERIMIENTOS DE DISEÑOCONEXIONES

TIPOS DE CONEXIONES

Ø Conexiones Simples (SA)

Ø Conexiones a Momento

§ Completamente Restringidas (FR)

§ Parcialmente Restringidas (PR)

FR

PR

SA

M

θ

Mpv

0,03

0,20Mpv

0,02

LEIKs

20=

LEIKs

2=

D.-ELEMENTOS EN TENSIONRESISTENCIA NOMINAL

φt=0,90 (LRFD)

Ωt=1,67 (ASD)

φt=0,75 (LRFD)

Ωt=2,00 (ASD)

Las disposiciones expresadas en Tensiones Admisibles son las mismas de lasdisposiciones ASD-1989 y en términos de Resistencias Nominales son las mismasde las disposiciones LRFD-1999

ESTADO LIMITE DE ESTADO LIMITE DEFLUENCIA RUPTURA (FRACTURA)

eun AFP =gyn AFP =


ESTADO LIMITE DE ROTURAÁrea Neta Efectiva (Pn = Fr Ae - Φ=0,75)

§ Área Bruta. Elementos sin perforaciones

§ Área Neta. Elementos c / perforaciones (D=d+1/8 )

(Cochrane,V. H. - 1922)

§ Área Neta Efectiva. Vínculos y geometría de la sección (Shear Lag)

(Munse y Chesson - 1963)

gi i

iin A

gsDBeA 85,0

4

2

≤

−−= ∑

U=L /L=(L-x)/L)=1-x/LL

x

x

Sección Crítica

SHEAR LAG (1/2)


SHEAR LAG (2/2)

SHEAR LAG D3.1


SHEAR LAG D3.1 (CONT.)

BLOQUE DE CORTE

(φ = 0,75 Ω = 2,00)

Pbs

Falla en Tensión y CorteMunse y Chesson, 1963

Tensión

Cor

te

Usar menor valor entre:

( )nvuntubsn AFAFUR 6.0+=φ

( )gvyntubsn AFAFUR 6.0+=φ


EJEMPLO 101 - Datos

2L3x3x1/2

3 a 3 =9

x=0,932

a) Acero A36è Fy=36 ksi Fu=58 ksi

b) 2L3x3x1/2è A g=5,5 pulg2 e=0,5 pulg L=11

c) Pernos A325Nè d=7/8 =0,88 pulg x=0,932 pulg

EJEMPLO 102 - Verificación Sección

D=d+1/8 =7/8 +1/8 =1

U=1-x/L=0,90

A n=A g-2De=4,50 in2

A e=U A n=4,05 in2

(Φ=0,75)(Ω=2,00)

(Ω=1,67) (Φ=0,9)

176117235P n=F u A e2) Rotura

178119198P n=F y A g1) Fluencia

Rd=Φ R n(LRFD - kips)

Ra=R n/Ω(ASD - kips)

R n(kips)

R. NOMINALE. LIMITE

En ambos casos controla el Estado Límite de Rotura


EJEMPLO 103 Bloque de Corte Resistencia Nominal

1190,6 F y A gv=A g(in2)

c) FLUENCIA EN CORTE

1130,6 F u A nt=A n v=A g-3,5De

(in2)b) ROTURA EN CORTE

58F u A nt=A n t=A g-De

(in2)a) ROTURA EN TENSION

R n= F u A n t + 0,6 F u A n t =58+113=171 kips

Controla (a) Rotura en Tensión+(b) Rotura en Corte

Un ángulo

EJEMPLO – 104 - Bloque de Corte Admisible y de Diseño

2570,75342LRFD1712,00342ASD

Ra RdΩ − Φ2R nMETODO

Dos ángulos


EJEMPLO 105 Resumen

257176LRFD

171117ASD

BL. CORTETENSIONMETODO

En ambos caso el Bloque de Corte no Controla

ASTM A992TD=30 kipsTL=90 kipsL=25 ft

EJEMPLO 201 - Datos

02.- Resistencia Requerida y Admisible


EJEMPLO 2

03.- Propiedades del Acero y SecciónW8x21 ASTM A992 Fy=50 ksi Fu=65 ksi

Ag = 6,16 in2 b f = 5,27 in t f = 0,40 in d = 8,28 in

r y = 1,26 in y = 0,831 in (para WT4 x 10,5)

Pn= F y Ag=(50ksi)(6,16 in2)=308 kips

04.- Área Neta Efectiva.-1) Conservador U=0,85 para b f = 5,27 d = 8,28 b f < 2d/3

2) Según Expresión: U=1-y/L=1-0,831/9=0,908è Usar U=0,908

A n=Ag- 4(D+1/16 )=Ag-4(3/4+1/16+1/16)=6,16 in2-(14/16 )=4,76 in2

Ae=A n U=0,908x4,76=4,32 in2è Pn= F u Ae=(65ksi)(4,32in2)=281 kips

Fluencia: Ω=1,67Pn/Ω=(308kips)/1,67=184 kips > 120 kips

Fluencia: Φt=0,90Φt Pn=0,90(308kips)=277 kips > 180 kips

Rotura: Ω=2,00Pn/Ω=(281kips)/2,00=141 kips > 120 kips

Rotura: Φt=0,75Φt Pn=0,75(281kips)=211 kips > 180 kips

ASDLRFD

EJEMPLO 2

05.- Verificación de Resistencia y Esbeltez.-

L/r = (25,0ft/1,26)(12in/ft) = 23 8 < 300 OK


ASTM A36TD=20 kipsTL=60 kipsL=25 ft

EJEMPLO 301 - Datos


¿A partir de que largo el elemento no satisface el límite de esbeltez?

P a= 20kips+60kips = 80,0kipsP u=1,2(20kips)+1,6(60kips) = 120kips

ASDLRFD

EJEMPLO 3

03.- Propiedades del Acero y SecciónL4x4x1/2 ASTM A36 Fy=36 ksi Fu=58 ksi

Ag = 3,75 in2 r x = 0,776 in x = y = 1,18 in


04.- Área Neta Efectiva.-1) Conservador U=0,80 para 4 o mas conectores por línea en dirección esfuerzo

2) Según Expresión: U=1-y/L=1-1,18/9=0,869è Usar U=0,869

A n=Ag- (D+1/16 )t=Ag-(3/4+1/16+1/16)t=3,75 in2-(14/16 )(1/2 )=3,31 in2



Fluencia: Ω=1,67Pn/Ω=(135 kips)/1,67=81 kips > 80 kips

Fluencia: Φt=0,90Φt Pn=0,90(135 kips)=122 kips > 120 kips

Rotura: Ω=2,00Pn/Ω=(167 kips)/2,00=84 kips > 80 kips

Rotura: Φt=0,75Φt Pn=0,75(167 kips)=125 kips > 120 kips

ASDLRFD

EJEMPLO 3


Largo máximo recomendado: L max = 300rx = (300)(0,776in)(1ft/12in) = 19,4 ft

ASTM A992TD=40 kipsTL=120 kipsL=30 ft - L soldad=16

EJEMPLO 401 - Datos


P a= 40kips+120kips = 160kipsP u=1,2(40kips)+1,6(120kips) = 240kips

ASDLRFD

Verifique el elemento suponiendo que la placa gusset cumple satisfactoriamente


EJEMPLO 4

03.- Propiedades del Acero y SecciónWT6x20 ASTM A992 Fy=50 ksi Fu=65 ksi

Ag = 5,84 in2 r x = 1,57 in x = y = 1,09 in


04.- Área Neta Efectiva.-Solo Expresión: U=1-y/L=1-1,09/16=0,932 (pues la tabla es muy conservadora)

A n=Ag = 5,84 in2


Fluencia: Ω=1,67Pn/Ω=(292 kips)/1,67=175 kips > 160 kips

Fluencia: Φt=0,90Φt Pn=0,90(292 kips)=263 kips > 240 kips

Rotura: Ω=2,00Pn/Ω=(354 kips)/2,00=177 kips > 160 kips

Rotura: Φt=0,75Φt Pn=0,75(354 kips)=266 kips > 240 kips

ASDLRFD

EJEMPLO 4


L/r = (30,0ft/1,57)(12in/ft) = 229 < 300 OK