Maestría Metálicas - CAPITULO 1 Generalidades

Teoría y Diseño Avanzado de Estructuras de Acero – Método LRFD

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Modulo 1 Diseño Estructural en Acero 1.

OBJETO

El objeto de la presente materia es el estudio del análisis y diseño estructural en acero, de acuerdo con el método de factores de carga y resistencia (LRFD). El objetivo principal es presentar las teorías fundamentales necesarias para el diseño de estructuras sencillas de acero. Durante varias décadas, los proyectistas de estructuras de acero han dimensionado los miembros estructurales y sus conexiones usando el método de diseño por esfuerzos permisibles. Sin embargo, en la actualidad los profesionales de esta disciplina empiezan a adoptar criterios de diseño basados en estados límite, uno de los cuales es el llamado diseño por factores de carga y resistencia (LRDF). La idea básica del diseño por estados límite es que los efectos combinados de los diversos tipos de carga no deben exceder la resistencia de la estructura. Las cargas últimas estimadas no deben ser mayores que la capacidad de carga de la estructura y tampoco las cargas de servicio o trabajo deben ocasionar deflexiones o vibraciones excesivas en la estructura. El alcance del tema de diseño estructural de acero por el método LRFD incluye diseño de miembros a tensión, de columnas, vigas, vigas-columnas (flexo-compresión), así como de sus conexiones (remachadas, atornilladas y soldadas). Por otra parte se considerará una exposición general sobre los tipos comunes de edificios de acero, del diseño de columnas y vigas compuestas, diseño de vigas y trabes armadas, y exposición introductoria de los edificios altos de acero.

2.

VENTAJAS DEL ACERO

El acero es un material de una supuesta perfección, mas aún un material perfeccionable a

medida que la tecnología logra mejores resultados en el manejo de dicho material. Aspectos

importantes que hacen que este material tenga importancia en su selección, especialmente en

países industrializados son su gran resistencia, peso bajo, facilidad de fabricación y otros

aspectos que se detallan a continuación:

El peso reducido con comparación con otros materiales resuelve problema de fundaciones (menor volumen) y/o solución ante malos suelos; flecha en tramos largos de puentes, edificios altos, entre otros.

Alta Resistencia por Unidad de peso


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Sus propiedades no cambian a lo largo del tiempo. Su fabricación es industrial con altos niveles de control de calidad. En todo su vano las características son las mismas (contrario al Hormigón Armado, a la Madera)

Uniformidad

El comportamiento real del material es prácticamente el mismo de la teoría (Ley de Hooke)

Elasticidad

Bajo un mantenimiento adecuado, los perfiles metálicos durarían indefinidamente. Aceros modernos no requieren incluso mantenimiento contra la corrosión, ni el fuego

Durabilidad

Ductibilidad es la capacidad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar ante altos esfuerzos, principalmente de tracción. La tracción de un perfil de acero hasta su carga última permite previamente alargamiento ante de alcanzar la falla misma; siendo otra particularidad que al ser sobrecargas se observan deflexiones que permiten prevenir colapsos.

Ductibilidad

Los aceros estructurales poseen resistencia y ductibilidad – características de la tenacidad. Un perfil de acero, a pesar de presentar deformaciones por sobrecargas, son aún capaces de resistir mayores solicitaciones, su capacidad se absorber energía en grandes proporciones se denomina Tenacidad.

Tenacidad

Adaptación fácil a ampliar estructuras mediante conexiones atornilladas, logrando una mejor utilidad de la estructura (Puentes, Estructuras)

Ampliación de Estructuras Existentes

El acero permite prefabricar elementos estructurales mientras se concluyen trabajos de obras civiles, reduciendo plazos de ejecución

Prefabricación / Rapidez de Montaje:

Es posible reutilizar la estructura desarmándola y montándola en otro sector, con las mismas dimensiones o incluso ampliada

Reutilización

En particular para conexiones articuladas con tornillos o remaches, su capacidad para la fatiga

Resistencia a la Fatiga


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es mucho mayor a otros tipos de materiales, tan solo se requiere ajustar periódicamente (cada 5 años) las conexiones

De acuerdo a la capacidad de manipuleo y transporte, es posible adquirir perfiles de largas dimensiones, simplificando el proceso de su movilización y armado.

Capacidad de Fabricación de Grandes Elementos

Cuando no posible reutilizarlo o readaptarlo a una nueva estructura es posible su venta como chatarra, obteniendo un factor adicional de recuperación financiera, o alternativamente se puede volver a fundirlo para su recuperación total.

Recuperación de la Materia Prima

3.

DESVENTAJAS DEL ACERO

El acero, como cualquier otro material, también tiene desventajas, que en un principio fueron

factores que llevaron a una segunda consideración antes de la selección de este material como

una alternativa constructiva. El avance de la tecnología, hace al presente – aunque por un

costo unitario adicional – se vayan minimizando las desventajas que se listan a continuación:

La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire, agua, o a agentes naturales y químicos de acuerdo a la ubicación física y geográfica de la estructura (i.e. – orillas del océano). Tratamientos anticorrosivos se deben aplicar periódicamente. Al presente existen una serie de aceros especialmente fabricados contra la corrosión, o que requieren periodos mas largos para su mantenimiento anticorrosivo. Sin embargo, siendo el acero un material perfeccionable a medida que la tecnología logra mejores resultados en el manejo de los materiales y elementos químicos, se están logrando, acero que aunque su costo unitario sea más elevado, aceros resistentes a la corrosión.

Costos de Mantenimiento por Corrosión

Aunque una buena parte de los aceros estructurales son incombustibles, su resistencia estructural se reduce considerablemente por efecto del incremento de temperaturas, como es el caso de los incendios. Además, siendo que el acero es un excelente conductor del calor, incide en la quema de los otros materiales de las construcciones. Esta situación demanda que periódicamente – cada cierto número de años – se efectúen tratamientos con el fuego. Evidentemente, aceros de alta resistencia o laminados a temperaturas muy elevadas logran alcanzar un tratamiento antitérmico que reduce la desventaja por estas circunstancias, con costos unitarios más elevados que los aceros corrientes o aceros al carbón.

Costos de Protección contra el Fuego

Mientras más largos y esbeltos sean los elementos estructurales, especialmente los sujetos a

Susceptibilidad al Pandeo Estructural


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cargas de compresión (columnas), mayor es el riesgo a confrontar pandeos debido a su alta resistencia por unidad de peso que lleva a que estos elementos sean muy esbeltos. Esta situación lleva a usar material adicional para controlar la tendencia al pandeo en todos los grados de libertad del elemento estructural.

Aunque la capacidad del acero estructural a soportar y absorber cargas de fatiga, en particular en conexiones atornilladas, es una de las ventajas del acero; la resistencia del acero tiende a reducirse cuando por efectos de cargas variables o dinámicas se produce inversiones de los signos de cortantes y/o momentos, así como en los cambios de magnitud de las tracciones. En la práctica del diseño de acero se reducen las resistencias estimadas de estos miembros cuando de antemano se conocen la cantidad de las posibles variaciones de ciclos de esfuerzos contra un cierto número límite para el cual se prevé su diseño.

Fatiga

4.

PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y EL ACERO

Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algún tipo de aleación de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estaño y algún otro aditivo), los avances más importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fabricación y uso del hierro y del acero. Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en peso de todos los metales producidos en el mundo. A pesar de los esfuerzos de los arqueólogos durante muchas décadas, no ha sido posible descubrir cuándo se usó el hierro por primera vez. Los arqueólogos encontraron una daga y un brazalete de hierro en la Gran Pirámide de Egipto y afirman que la edad de éstos era por lo menos de 5000 años. El uso del hierro ha tenido una gran influencia en el avance de la civilización desde los tiempos más remotos y probablemente la seguirá teniendo en los siglos venideros. Desde el principio de la edad de hierro, alrededor del año 1000 a.c., el progreso de la civilización en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de enfrentamientos militares. Por ejemplo, durante la batalla de Maratón en Grecia, en el año 490 a.c.., los atenienses, en inferioridad numérica, mataron 6400 persas y perdieron sólo 192 de sus propios soldados. Cada uno de los soldados victoriosos llevaba 57 libras de armadura de hierro durante la batalla. (Fue en esta batalla en la que Feidípides corrió aproximadamente 40 km. hasta Atenas, muriendo al llegar después de anunciar la victoria.) Esta batalla supuestamente salvó a la civilización griega durante muchos años. Según la teoría clásica sobre la primera producción de hierro en el mundo, hubo una vez un gran incendio forestal en el Monte Ida en la antigua Troya (la actual Turquía) cerca del mar Egeo. El terreno supuestamente era muy rico en depósitos ferrosos y el calor del fuego produjo una forma primitiva de hierro a la que se le pudo dar diversas formas, al golpearla. Muchos historiadores creen, sin embargo, que el hombre aprendió a usar primero el hierro que cayó a la Tierra en forma de meteoritos. Con frecuencia el hierro de los meteoritos está combinado con níquel, resultando entonces un metal más duro. Posiblemente los primeros pobladores del planeta forjaron este material para convertirlo en armas y herramientas primitivas.


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El acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de carbono, generalmente menos del 1%. También contiene pequeños porcentajes de algunos otros elementos. Aunque se ha fabricado acero desde hace 2000 o 3000 años, no existió un método de producción económico sino hasta la mitad del siglo diecinueve. El primer acero seguramente se obtuvo cuando los otros elementos necesarios para producirlo se encontraron presentes por accidente cuando se calentaba el hierro. Con el paso de los años, el acero se fabricó muy probablemente calentando hierro en contacto con carbón vegetal. La superficie del hierro absorbió algo de carbono del carbón vegetal que luego se martillé en el hierro caliente. Al repetir este proceso varias veces, se obtuvo una capa exterior endurecida de acero. De esta manera se produjeron las famosas espadas de Toledo y Damasco. Al primer proceso para producir acero en grandes cantidades se le dio el nombre de Sir Henry Bessemer de Inglaterra. Recibió una patente inglesa para su proceso en 1855, pero sus esfuerzos para conseguir una patente en los Estados Unidos no tuvieron éxito, ya que se probó que William Kelly de Eddyville, Kentucky, había producido acero mediante el mismo proceso siete años antes de que Bessemer solicitara su patente inglesa. Kelly recibió la patente, pero se usó el nombre Bessemer para el proceso. Kelly y Bessemer se percataron de que un chorro de aire a través del hierro fundido quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente, el chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el carbono y el manganeso. Después se aprendió que esos elementos podían restituirse añadiendo hierro especular, que es una aleación de hierro, carbono y manganeso; se aprendió además que, con la adición de piedra caliza en el convertidor, podía removerse el fósforo y la mayor parte del azufre. El convertidor Bessemer se usó en los Estados Unidos hasta principios de este siglo, pero desde entonces se ha reemplazado con mejores métodos como el proceso de hogar abierto y el de oxígeno básico. Gracias al proceso Bessemer, en 1870 ya se podía producir en grandes cantidades acero estructural al carbono y por 1890 el acero era el principal metal estructural usado en los Estados Unidos. El primer uso del metal para una estructura tuvo lugar en Shropshire, Inglaterra (200 km al noroeste de Londres) en 1779; ahí fue construido con hierro fundido el puente Coalbrookdale en arco de 100 pies de claro sobre el río Severn. Se dice que este puente (aún en pie) fue un punto crítico en la historia de la Ingeniería porque cambió el curso de la Revolución Industrial al introducir el hierro como material estructural. Supuestamente este hierro era cuatro veces más fuerte que la piedra y treinta veces más fuerte que la madera. Muchos otros puentes de hierro fundido se construyeron en las décadas siguientes; pero después de 1840. el hierro dulce más maleable empezó a reemplazar al hierro fundido. El desarrollo del proceso Bessemer y avances subsecuentes, como el proceso de hogar abierto, permitió la fabricación de acero a precios competitivos, lo que estimuló el increíble desarrollo que ha tenido lugar en los últimos 100 años del acero estructural. Los primeros perfiles estructurales hechos en los Estados Unidos, en 1819, fueron ángulos de hierro laminados. Las vigas I de acero se laminaron por primera vez en los Estados Unidos en


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1884 y la primera estructura reticular (el edificio de la Home Insurance Company de Chicago) fue montada ese mismo año. El crédito por inventar el rascacielos se le otorga generalmente al ingeniero William LeBaron Jenny que ideó esta estructura, aparentemente durante una huelga de albañiles. Hasta ese momento los edificios altos en los Estados Unidos se construían con muros de carga de ladrillos de varios pies de espesor. Para los muros exteriores de este edificio de 10 niveles Jenny usó columnas de hierro colado recubiertas por ladrillos. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabricaron con hierro forjado, en tanto que las vigas de los pisos superiores se fabricaron con acero estructural. El primer edificio totalmente de acero fue el segundo edificio de la Rand-McNaIly terminado en 1890 en Chicago. Un aspecto importante de la Torre Eiffel, de 985 pies de altura y construida con hierro forjado en 1889, fue el uso de elevadores para pasajeros operados mecánicamente. La disponibilidad de estas máquinas junto con la idea de Jenny relativa a la estructuración reticulada, condujo a la construcción de miles de edificios altos en todo el mundo en los siguientes 100 años.

5.

PERFILES DE ACERO

Los perfiles de acero de uso corriente son fabricados y laminados a altas temperaturas en acerías localizadas en países altamente industrializados; sin embargo existe una gran cantidades de empresas dobladoras de acero que elaboran perfiles de acuerdo a sus necesidades y/o pedidos especiales. La mayor parte de las acerías se encuentran localizadas en países de habla inglesa (Estados Unidos e Inglaterra), así como en países que fueron en algún momento dependientes de estos. En este sentido, los manuales de propiedades y dimensiones de perfiles laminados están elaborados en base al sistema inglés de medidas; que en el transcurso de los años fueron agrupados por el American Institute of Steel Construction (AISC), sistema de medias adoptado mundialmente tanto en diseño, construcción, fabricación y nomenclatura. La referencia general para obtención de propiedades y capacidades portantes de los perfiles de acero se hallan registrados en el Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (denominado como el Manual LRFD). Para el caso del diseño por el Método de Esfuerzos Permisibles (Diseño Elástico) existe editado el Manual del AISC (Manual of the American Institute of Steel Construction). El AISC ha estandarizado la fabricación y laminado de perfiles de acero a nivel mundial, con pequeñas excepciones. Las dimensiones de los perfiles son uniformes, aunque existen variaciones muy menores entre laminadoras. El acero estructural es laminado en forma más económica compacta posible (de tiempo a tiempo se optimizan sus características y propiedades geométricas), generalmente logrando los mejores (mayores) momentos de inercia en consideración a que los elementos estructurales que requieren mayor control y optimización corresponden a elementos sujetos a la flexión y/o a la flexo-compresión. Los perfiles I, T, C, W tienen tal particularidad. Por lo general, los perfiles se designan por la forma de su sección transversal, como ser el caso de ángulos (L), tes (T), zetas (Z), perfiles I, W, S (standard americana, primeros perfiles laminados en EE.UU.), hache (H), o pe (P) - estos cinco últimos que tienen forma de I, placas


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(PL), entre otros. La nomenclatura M se utiliza para identificar perfiles que tienen simetría de propiedades geométricas con referencia a sus dos ejes transversales. Es necesario hacer una clara distinción entre las vigas estándar americanas (llamadas vigas S) y las vigas de patín ancho (llamadas vigas W) ya que ambas tienen forma de I. La superficie interna del patín de una sección W es paralela a la superficie externa, o bien, casi paralela con una pendiente máxima de 1 a 20 en el interior, dependiendo del fabricante. Las vigas S, que fueron los primeros perfiles de vigas laminadas en los Estados Unidos, tienen una pendiente de 1 a 6 en el interior de sus patines. Debe notarse que los espesores constantes o casi constantes de los patines de las vigas W, a diferencia de los patines ahusados de las vigas S, facilitan las conexiones. Las vigas de patín ancho representan hoy en día casi el 50% de todos los perfiles estructurales laminados. El sistema de nomenclatura de los perfiles está generalmente relacionado a su forma, peso por unidad de longitud (lb/pie), peralte o espesor – todo acorde a su sección transversal. Ejemplos de este sistema de nomenclatura son los siguientes:

• W27 x 114 es una sección W con 27 plg aproximadamente de peralte y peso de 114 lb/pie.

• S12x35 es una sección 5 con 12 plg de peralte y peso de 35 lb/pie. • HP12 x 74 es una sección usada como pilote de carga con 12 plg aproximadamente de

peralte y peso de 74 lb/pie; estos perfiles tienen almas más gruesas que las W regulares para resistir mejor el impacto del hincado.

• M8 x 6.5 es una sección con 8 plg. de peralte y peso dc 6.5 lb/pie. Forma parte de un grupo de miembros estructurales tipo H con doble simetría que no puede clasificarse por sus dimensiones como W, S o HP.

• C10x30 es un canal con 10 pulg de peralte y peso de 30 lb/pie. • MC18 x 58 es un canal que no puede clasificarse por sus dimensiones como C. • L6 x 6 x 1/2 es un ángulo de lados iguales, cada uno de 6 plg de longitud y 1/2 plg de

espesor. • WT18 x 140 es una Te que se obtiene al cortar en dos partes iguales una W36x280.

Este tipo de sección se conoce como Te estructural. El Manual LRFD contiene información sobre otros perfiles laminados, distinción entre placas, barras, tubos, tubos estructurales, etc. El Manual LRFD tiene tablas tanto para diseño con perfiles en decimales, como para dibujo en fracciones de pulgadas (aproximadamente), conteniendo información de geometría, propiedades, constantes necesarias para el diseño respectivo. De acuerdo al avance de la tecnología, así como la búsqueda y fabricación de perfiles más eficientes, mas compactos, o mas resistentes han llevado a la discontinuidad en la fabricación de perfiles que han sido mejorados o substituidos. En consideración que existen estructuras construidas con este tipo de perfiles, el AISC ha editado un manual con detalles del os perfiles que fueron fabricados entre 1873 hasta 1952 (Iron and Steel Beams 1873 to 1952). Ya que este proceso es dinámico, es recomendable al proyectista de aceros, mantener ediciones anteriores del Manual del AISC (una edición excelente es la Séptima Edición de 1977 – dirigida al Diseño Elástico de Estructuras Metálicas).

6. COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL ACERO


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Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre; donde un acero que contenga cantidades considerables de estos últimos elementos se lo conoce como acero aleado. Aunque esos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeñas. Por ejemplo, el contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3%. La composición química del acero es de suma importancia en sus efectos sobre las propiedades del acero tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura, etc. El carbono presente en el acero incrementa su dureza y resistencia, pero al mismo tiempo reduce su ductilidad igual que lo hacen el fósforo y el azufre. La ASTM especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso, silicio, etc., que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades físicas y mecánicas de los perfiles de acero las determina principalmente su composición química, también influye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de laminado, la historia de sus esfuerzos y el tratamiento térmico aplicado. Cerca del 50% del acero estructural usado en los Estados Unidos es un acero al carbono designado A36 por la ASTM, pero existen muchos otros aceros y su demanda está aumentando rápidamente. El acero A572, se usa actualmente tanto como el A36, el cual es superior en resistencia. En décadas recientes los ingenieros y arquitectos han requerido aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria del acero durante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas, de manera que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en las especificaciones LRFD. Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de la ASTM:

• aceros de propósitos generales (A36), • aceros estructurales de carbono (A529), • aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A44l y A572), • aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión

atmosférica (A242 y A588) • placa de acero templada y revenida (A514).

En los párrafos que siguen se hacen algunas observaciones generales sobre estas clasificaciones de los aceros, los cuales se muestran en la Tabla 1-1, que contiene datos sobre los siete aceros ASTM mencionados, junto con algunas observaciones sobre sus usos y características. (Observe en la tabla que entre más delgado se lamina un acero, más resistente resulta. Los elementos de mayor espesor tienden a ser más frágiles y su más lento enfriamiento produce una microestructura más burda en el acero.)

TABLA 1-1


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6.1 Aceros de carbono Estos aceros tienen como principales elementos de resistencia al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono son aquellos que tienen los siguientes elementos con cantidades máximas de: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías dependiendo del porcentaje de carbono, como sigue:

1. Acero de bajo contenido de carbono (<0.15%). 2. Acero dulce al carbono (0.15 a 0.29%). El acero estructural al carbono queda dentro

de esta categoría. 3. Acero medio al carbono (0.30 a 0.59%). 4. Acero con alto contenido de carbono (0.60 a 1 .7007o).

El acero A36, acero común y de baja resistencia, con un esfuerzo de fluencia de 36,000 lb/plg2 (36 Ksi) es adecuado para puentes y edificios atornillados, soldados o remachados. Se usa para la mayoría de los problemas de diseño en estructuras metálicas, básicamente por su bajo costo y alta ductibilidad. 6.2 Aceros de Alta Resistencia y Baja aleación Existe un gran número de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Estos aceros obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, aparte del carbono y manganeso, de uno a más agentes aleantes como el columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre, níquel y otros. Se incluyen aceros con esfuerzos de fluencia comprendidos entre 40 000 y 70 000 psi (Lb/pul2). Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosión atmosférica que los aceros al carbono. El término baja aleación se usa para describir arbitrariamente aceros en los que el total de elementos aleantes no excede el 5% de la composición total. Aceros Estructurales de Alta Resistencia, Baja Aleación y Resistentes a la Corrosión Atmosférica Cuando los aceros se alean con pequeños porcentajes de cobre, se vuelven más resistentes a la corrosión. Cuando se exponen a la atmósfera, las superficies de esos aceros se oxidan y se les forma una película impermeable adherida (conocida también como “pátina”) que impide una mayor oxidación y se elimina así la necesidad de pintarlos. Después de que ocurre este fenómeno, o sea después de un periodo que oscila entre 18 meses a 3 años (que depende del tipo de exposición, por ejemplo, rural, industrial, luz solar directa o indirecta, etc.), el acero adquiere un color que va del rojo oscuro al café y al negro. El primer acero de este tipo fue desarrollado por U.S. Steel Corporation en 1933 para darle resistencia a los vagones de ferrocarriles, transportadores de carbón en los que la corrosión era muy intensa. Estos aceros tienen gran aplicación en estructuras con miembros expuestos y difíciles de pintar como puentes, torres de transmisión, etc.; sin embargo, no son apropiados para usarse en lugares donde queden expuestos a brisas marinas, niebla o a humos industriales corrosivos; tampoco son adecuados para usarse en condición sumergida (agua dulce o salada) o en áreas muy secas como en algunas partes del oeste de los Estados Unidos. Para que a estos aceros se les forme la película impermeable adherida (pátina) deben estar sujetos a ciclos de humedad y resequedad, de otra manera seguirán teniendo la apariencia de acero sin pintar.


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6.4 Aceros Templados y Revenidos Estos aceros tienen agentes aleantes en exceso, en comparación con las cantidades usadas en los aceros al carbono, y son tratados térmicamente (templados y revenidos) para darles dureza y resistencia con fluencias comprendidas entre 80 Ksi y 110 Ksi. El revenido consiste en un enfriamiento rápido del acero con agua o aceite, cambiando la temperatura de por lo menos 1650º.F a 300º.F o 400º.F. En el templado el acero se recalienta por lo menos a 1150º.F y luego se deja enfriar. Los aceros templados y revenidos no muestran puntos bien definidos de fluencia como lo hacen los aceros al carbono y los aceros de alta resistencia y baja aleación. En vista de ello su resistencia a la fluencia se define en función del esfuerzo asociado a una deformación del 0.2%. - en otras palabras, se traza una línea paralela a la porción recta del diagrama esfuerzo-deformación a partir de una deformación igual a 0.002 hasta que interseca la curva del diagrama. El esfuerzo en el punto de intersección se define entonces como el punto de fluencia.) Los aceros templados y revenidos en la Tabla 1-1 están registrados bajo la designación A514 del ASTM y tienen esfuerzos de fluencia entre 90 Ksi y 100 000 Ksi, dependiendo de sus espesores. En la sección A3.1 de la Sexta Parte del Manual LRFD están registrados otros siete grados de aceros (A53, A500, A501, A570, A606, A607 y A618). Estos tipos o grados de acero comprenden tubos, tubulares doblados en frío y en caliente, láminas y soleras. En la Gráfica siguiente se muestran una serie de curvas esfuerzo-deformación para los tres principales tipos de aceros descritos aquí (al carbono, los de alta resistencia y baja aleación y los templados y revenidos). Los dos primeros tipos tienen puntos de fluencia bien definidos, en tanto que los templados y revenidos no lo tienen. La resistencia a la fluencia de estos últimos se define entonces, como se indicó antes, en función del 0.2% de la deformación unitaria.

GRAFICA

7.

USOS DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA

Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los de ultra alta resistencia que tienen fluencias de entre 160 Ksi. y 300 000 Ksi.. Estos aceros no se han incluido en el Manual LRFD porque la ASTM no les ha asignado un número de clasificación. Actualmente existen en el mercado más de 200 aceros con esfuerzos de fluencia con mayores de 36 Ksi.. La industria del acero está experimentando con aceros cuyos esfuerzos de fluencia varían entre 200 Ksi. y 300 Ksi., y esto es sólo el principio. Mucha gente de esta industria cree que en unos cuantos años se dispondrá de aceros con fluencias de 500 Ksi. La fuerza teórica de unión entre los átomos de hierro se ha estimado en exceso de 4 000 Ksi. Aunque los precios de los aceros aumentan con el incremento de los puntos de fluencia, el porcentaje de incremento en los precios no es mayor que el porcentaje de incremento de los puntos de fluencia. En consecuencia, el uso de aceros más resistentes resulta económico en miembros a tensión, vigas y columnas. Tal vez, la mayor economía se obtendrá con los miembros a tensión (sobre todo en aquellos sin agujeros para tornillos y remaches); se pueden alcanzar ahorros considerables en vigas si las deflexiones no son de importancia o si éstas


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pueden controlarse con otros métodos descritos posteriormente. Además, pueden lograrse ahorros sustanciales con los aceros de alta resistencia en columnas resistentes de longitud corta y mediana. Otra fuente de ahorro la proporciona la construcción híbrida. En este tipo de construcción se usan dos o más aceros de diferentes resistencias, empleando los aceros más débiles donde los esfuerzos son menores y los aceros más resistentes donde los esfuerzos son mayores. Entre los factores adicionales que pueden conducir al uso de los aceros de alta resistencia se cuentan los siguientes:

1. Alta resistencia a la corrosión. 2. Posibles ahorros en los costos de montaje, transporte y cimentaciones debido al

menor peso. 3. Uso de vigas de menor peralte, que permite reducir el espesor de los pisos. 4. Posibles ahorros en la protección contra el fuego porque pueden usarse perfiles

más pequeños. La primera consideración que se hacen muchos proyectistas al escoger un tipo de acero es el costo directo de los perfiles. Dicha comparación puede hacerse fácilmente, pero la consideración económica respecto a qué acero se debe usar, no puede hacerse a menos que se tomen en cuenta otros factores como pesos, tamaños, deflexiones, mantenimiento y fabricación. Hacer una comparación general exacta de los aceros probablemente resulte imposible, por lo que uno debe limitarse a considerar el caso entre algunas opciones.

8.

RELACION ESFUERZO – DEFORMACIÓN

Los perfiles de acero en su rango elástico se comportan prácticamente en forma acorde a la Ley de Hooke, tanto en el proceso de carga como en el descarga. Dentro de este rango de la relación esfuerzo – deformación, la tendencia es la aplicación del diseño elástico, que se enmarca a factores del Límite de Fluencia Fy, coincidente con el límite elástico o límite de proporcionalidad elástico. Este factor esfuerzo de fluencia es el parámetro más importante del acero estructural, y se aplica para establecer la calidad y resistencia de los diferentes tipos de aceros. La deformación que ocurre luego del límite de fluencia Fy, sin incremento de esfuerzo, se conoce como la deformación plástica, cuya magnitud es del orden de 10 a 15 veces al de la deformación elástica dependiendo del tipo de acero y de su límite de fluencia Fy, La fluencia del acero resulta ser una característica muy útil del acero, aspecto que ha prevenido fallas estructurales debida a errores u omisiones de proyectistas ya que en este rango la estructura fluye sin incremento de esfuerzo – es decir que internamente el perfil redistribuye y compensa los esfuerzos solicitados impidiendo fallas prematuras y/o violentas debido a la misma ductibilidad del acero (una de sus ventajas) que ajusta esfuerzos a lo largo del elemento estructural. Esta característica se la conoce como la reserva de deformación plástica que balancea o reajusta las cargas internamente resistiendo sobrecargas, incluso golpes violentos o repentinos. Esta particularidad del acero, es la que ha desarrollado el Método de Diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD); el mismo que en la practica introduce a la teoría de plasticidad, o representa un análisis y diseño plástico de estructuras metálicas sin entrar de pleno en esta teoría.


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Pasada la región plástica, es decir el incremento de deformaciones hasta el límite plástico, en la que con la aplicación de pequeños incrementos de las cargas o solicitaciones llevan a mayores deformaciones hasta hacerse irreversibles determinando una deformación permanente, incluso quiebre del elemento estructural, rango del cual el proyectista debe alejarse definitivamente. El esfuerzo previo al quiebre o ruptura por estricción se lo denomina Limite Último Fu ; esta zona se la conoce como la Zona de Endurecimiento por Deformación, región donde el material llega a perder su ductibilidad

GRAFICO 1-3

Se aclara que este comportamiento es idéntico tanto en compresión como en tracción. En el punto de transición entre la fluencia elástica y la fluencia plástica llega a producirse un pequeño incremento del esfuerzo dependiendo de la mayor o menor velocidad o incremento unitario de la carga o solicitación sobre el elemento metálico, que es diferente en el proceso de descarga que retorna en forma horizontal. Este punto también es afectado por el nivel de la temperatura existente, ocasionando que a mayor temperatura se cree un esfuerzo residual que reduce en cierta forma el valor del esfuerzo de fluencia Fy . La diferencia absoluta entre valor del Esfuerzo de Fluencia Fy y el valor del Esfuerzo Último Fu es mayor para aceros al carbón (aceros de baja resistencia) que para aceros de alta o mayor resistencia (revenidos, templados, aleados).

9.

SUMINISTRO DE ACERO ESTRUCTURAL

El suministro del acero estructural consiste en el laminado de los perfiles, la fabricación de los elementos para un trabajo especifico (incluido el corte a las dimensiones requeridas y el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y el montaje de éstos. Muy rara vez una misma compañía ejecuta esas tres actividades. Por ejemplo, muchas compañías fabrican estructuras de acero y las montan, en tanto que otras sólo las montan o sólo las fabrican. Existen aproximadamente entre 400 y 500 compañías en los Estados Unidos que fabrican estructuras de acero, muchas de ellas también las montan. Los fabricantes de estructuras normalmente tienen pocos perfiles en bodega debido a los altos intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, ordenan los perfiles cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a los distribuidores de éstas. Las distribuidoras, que son un factor cada vez más importante en el suministro del acero estructural, compran y almacenan grandes cantidades de perfiles que adquieren a los mejores precios posibles en cualquier parte del mundo. El diseño de las estructuras generalmente lo hace un ingeniero en colaboración con una empresa de arquitectos. El proyectista hace los dibujos del diseño que muestran los tamaños de los miembros estructurales, las dimensiones generales así como conexiones fuera de lo común. La compañía encargada de fabricar la estructura elabora los planos detallados y los somete a la aprobación del ingeniero. Esos planos contienen toda la información necesaria para fabricar la estructura correctamente. En ellos se muestran las dimensiones de cada


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miembro, las localizaciones y tamaños de agujeros, las posiciones y tamaños de las conexiones, y otros factores. El montaje de edificios es más que en cualquier otro aspecto del trabajo de construcción, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en taller con letras y números para distinguirlo de los demás. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de planos de montaje. Esos planos no son dibujos detallados sino simples diagramas que muestran la posición de cada elemento en la estructura. En el extremo izquierdo de cada elemento se pone una marca que corresponde a su identificación en el plano de detalle. Generalmente se pintan indicaciones respecto a la dirección en las caras de las columnas (N, E, O, S). Estas marcas ayudan a los montadores de estructuras a orientar correctamente los elementos estructurales.

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EL PROYECTISTA ESTRUCTURAL Y SUS OBJETIVOS

Las estructuras del futuro ofrecerán grandes oportunidades para el desenvolvimiento de los nuevos ingenieros dentro del campo estructural. El proyectista estructural distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de éstas para que soporten satisfactoriamente las cargas a que quedarán sometidas. Sus funciones son: • el trazo general de la estructura • el estudio de las formas estructurales posibles • la consideración de las condiciones de carga, • el análisis de esfuerzos, deflexiones, etc., • el diseño de los elementos • la preparación de los planos. Con mayor precisión, la palabra diseño se refiere al dimensionamiento de las partes de una estructura después de que se han calculado las fuerzas. Este proceso es el que considera el Método LRFD. El proyectista estructural debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las estructuras de manera que puedan montarse prácticamente, que tengan resistencia suficiente y que sean económicas. 10.1 Seguridad Una estructura no sólo debe soportar con seguridad las cargas impuestas sino soportarlas en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas y alarmen a los ocupantes o causen grietas en ella. 10.2 Costo El proyectista siempre debe tener en mente la posibilidad de abatir los costos de la construcción sin sacrificar la resistencia. En el Método LRDF se analizan algunos aspectos de construcción que pueden ayudar a reducir los costos, tales como: uso de miembros estructurales estándar, uso de conexiones y detalles simples y el uso de elementos y materiales que no requieren un mantenimiento excesivo a través de los años. 10.3 Factibilidad


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Otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin mayores problemas. Los proyectistas necesitan conocerlo relativo a los métodos de fabricación y deben adaptar sus diseños a las instalaciones disponibles. Los proyectistas deben aprender también todo lo relativo al detallado y al montaje de las estructuras. Entre más se conozca sobre los problemas, tolerancias y márgenes de taller y de campo; mayor será la posibilidad de que sus diseños resulten razonables, prácticos y económicos. Este conocimiento debe incluir información relativa al envío de los elementos estructurales a la obra (por ejemplo, el tamaño máximo de las partes que pueden transportarse por camión o ferrocarril) así como a la disponibilidad de mano de obra y equipo de montaje. Por último el proyectista debe dimensionar las partes de la estructura de manera que éstas no interfieran con las partes mecánicas (tuberías, ductos, etc.) o arquitectónicas .

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EL PROYECTISTA ESTRUCTURAL Y SUS OBJETIVOS

El diseño de un miembro estructural de acero implica mucho más que el cálculo de las propiedades requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que presenta los diseños más económicos, deben considerarse muchos otros factores. Algunos de estos son los siguientes: 1. El proyectista necesita seleccionar los tamaños en que se fabrican los perfiles laminados.

Vigas, placas y barras de tamaños poco comunes serán difíciles de conseguir en periodos de mucha actividad constructiva y resultarán caros en cualquier época. Algo de estudio permitirá al Proyectista aprender a evitar tales perfiles. Los fabricantes de acero reciben constantemente información de las empresas constructoras acerca de los tamaños disponibles de perfiles. Esta información incluye los tamaños así como las longitudes de los perfiles en existencia. La mayor parte de los perfiles estructurales pueden conseguirse en longitudes de 60 a 75 pies, dependiendo del fabricante, aunque bajo ciertas condiciones pueden conseguirse hasta de 120 pies.)

2. En ciertos casos, puede ser un error suponer que el perfil más ligero sea el más barato.

Una estructura diseñada según el criterio de la “sección más ligera” consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes. Tratar de conectar y adaptar todos esos perfiles será bastante complicado y el costo del acero empleado se probablemente se incrementará. Un procedimiento más razonable sería uniformar el mayor número posible de perfiles en cuanto al tamaño y forma aunque algunos sean de mayor tamaño.

3. Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya que esas

secciones, para un mismo peso, tienen los mayores momentos de inercia y momentos de resistencia. Conforme aumenta la altura de los edificios, resulta económico modificar este criterio; consideremos por ejemplo, un edificio de 20 pisos en el cual cada piso debe tener una altura libre mínima. Si los peraltes de las vigas de los pisos se reducen 6 plg, las vigas costarán más, pero la altura del edificio se reducirá 20 x 6 = 120 plg o 10 pies con el consiguiente ahorro en muros, pozos de elevadores, alturas de columnas, plomería, cableado y cimentaciones.


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4. Para perfiles más grandes, en particular los armados, el Proyectista necesita tener información relativa a los problemas del transporte. Esta información incluye: • máximas longitudes y peraltes que pueden transportarse por camión o ferrocarril, • alturas libres bajo puentes y líneas de transmisión situadas en las vías de acceso a la

obra y las cargas permitidas sobre los puentes que deberán cruzarse. Es posible fabricar en el taller una armadura de techo de una sola pieza, pero no siempre será posible transportarla y montarla en esa condición.

5. Deben escogerse secciones que sean fáciles de montar y mantener. Por ejemplo, los

elementos estructurales de un puente deben tener sus superficies expuestas y dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente (a menos que se utilice un acero especial resistente a la corrosión).

6. Los edificios tienen con frecuencia una gran cantidad de tuberías, conductos, etc., por lo

que deben escogerse elementos estructurales que sean compatibles con los requisitos de forma y tamaño impuestos por tales instalaciones.

7. Los miembros de una estructura de acero a veces están expuestos al público, sobre todo

en el caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estéticos cuando se disponen de manera sencilla y tal vez cuando se escogen elementos con líneas curvas; sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencia, resultan muy razonables desde el punto de vista de su costo.

1-12 EXACTITUD DE LOS CALCULOS Un punto muy importante, es que el diseño estructural no es una ciencia exacta y que no tiene sentido tener resultados con muchas cifras significativas. Algunas de las razones se deben a que los métodos de análisis se basan en suposiciones parcialmente ciertas, a que las resistencias de los materiales varían apreciablemente y a que las cargas máximas sólo pueden determinarse en forma aproximada.

Maestría Metálicas - CAPITULO 1 Generalidades

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