ANALISIS Y DISEÑO EN ACERO ESTRUCTURAL

CAPITULO II: MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL CONCEPTUAL

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MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL 2.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se define algunos conceptos y teorías de análisis y diseño en acero estructural en todo sus etapas que los contempla dicho procedimiento de diseño: Diseño preliminar, cuantificación de cargas, análisis estructural (estático, dinámico y de estabilidad, generalizado en un método matricial denominado método de elementos finitos) y diseño de elementos estructurales de acero. Por otro lado, se abordarán las principales hipótesis y ecuaciones que gobiernan esta ciencia así como el alcance de las normas usadas para este fin. Finalmente, se mencionan algunas ventajas y desventajas del material estructural (acero como elemento estructural). Asimismo algunas definiciones y alcances según la norma E-030, las especificaciones AISC-LRFD y E-090 de diseño de elementos estructurales sometidos a tensión, compresión, flexión, flexo-compresión flexo-compresión y diseño de conexiones es sus diferentes tipos de restricción, de análisis y diseño en ingeniería estructural. 2.2 ESTRUCTURACIÓN Estructurar es definir la ubicación y características de los elementos estructurales de la infraestructura (losas, vigas, columnas, placas o muros de corte y otros), a partir de un diseño arquitectónico con el objetivo de garantizar ante los eventos externos de carga, definidos por el ingeniero estructural, distribuyendo y ordenando las partes del todo, teniendo en cuenta que el comportamiento comportamiento estructural depende de la estructuración. estructuración. La Norma Peruana especifica que las edificaciones ante los sismos deben resistir los sismos leves sin presentar daños; en caso de sismos moderados se puede considerar la posibilidad de daños estructurales leves y para sismos severos debe resistir con la posibilidad de daños importantes, con una posibilidad remota de ocurrencia de colapso de la edificación.

Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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2.2.1 OBJETIVOS DE LA ESTRUCTURACIÓN Toda edificación que se construya debe presentar una estructuración que tenga un adecuado comportamiento ante solicitaciones sísmicas. Uno podría optar por diseñar un edificio resistente a un gran sismo, de manera que no presente daños pero esto sería antieconómico ya que la probabilidad de que un sismo de tal magnitud ocurra es muy pequeña; Lo que se quiere es tener una estructura económica, únicamente con los elementos estructurales indispensables y con las características necesarias garantizando el comportamiento de la estructura ante las solicitaciones de gravedad y sismo. Un segundo objetivo es el de mantener la estética del edificio, existen casos en que es necesario realizar cambios en la arquitectura al momento de estructurar, pero éstos deben ser mínimos y contar con la aprobación del arquitecto. Un tercer objetivo es la seguridad que debe presentar la edificación, en caso de producirse un sismo como indica el RNE. E-030 y que se mantenga la operatividad del edificio después de un sismo, en el caso de estructuras estructuras importantes es decir la funcionalidad de la infraestructura en conjunto. 2.2.2 PRINCIPIOS DE LA ESTRUCTURACIÓN La estructuración es la parte de la ingeniería que consiste en crear, formar la estructura a partir de un diseño arquitectónico, siendo este evaluado, distribuido y ordenando las partes del todo por el ingeniero estructural, teniendo en cuenta que el comportamiento estructural depende de la estructuración. La buena estructuración permite resistir todo los efectos estático-dinámicos tales como: Peso propio, sobrecargas, efectos de sismo y otros a las que estará sometida la edificación durante su vida útil [Blanco, 1997]. A continuación continuación se describe los criterios de estructuración: 2.2.3 CRITERIOS PARA ESTRUCTURAR 2.2.3.1 SIMPLICIDAD Y SIMETRÍA La simplicidad está íntimamente relacionada con la proporcionalidad de la estructura, ya que en el diseño sísmico las proporciones de un edificio pueden ser más importantes que su altura (formas alargadas y esbeltas). La simetría es deseable por las mismas razones, ya que la asimetría tiende a producir excentricidades entre el centro de masa y el centro de rigidez , y por lo tanto provoca torsión, esta puede deberse a causas no geométricas como variaciones en la distribución de peso en la estructura simétrica. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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2.2.3.2 RESISTENCIA Y DUCTILIDAD La estructura debe tener la resistencia sísmica adecuada en todas las direcciones, por lo menos asegurar con dos direcciones ortogonales (verificar que la suma de momentos flectores externos divididos por la luz sea menor que la capacidad resistente al corte de la viga). La resistencia proporcionada por corte sea mayor que por la resistencia por flexión es decir que se produzcan rotulas plásticas en las vigas, por ejemplo en concreto armado que la falla se produzca por fluencia de acero y no por compresión de concreto a lo que se denomina falla dúctil. dúctil. 2.2.3.3 HIPERESTATICIDAD Y MONOLITISMO Toda estructura debe tener una disposición hiperestática de tal manera de lograr una mayor capacidad al formarse rotulas plásticas se disipa mejor la energía sísmica, y se recomienda que el proceso constructivo sea uno solo entre las columnas, vigas y losas llegando a obtenerse la concepción de monolitismo. 2.2.3.4 UNIFORMIDAD Y CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación con elementos que no cambien bruscamente de rigidez (sección transversal), de manera de evitar concentraciones de esfuerzos. 2.2.3.5 RIGIDEZ LATERAL Es conveniente proveer suficiente cantidad de elementos estructurales que aporten rigidez lateral en sus direcciones principales. principales. Para ser capaz de resistir fuerzas horizontales horizontales sin tener deformaciones importantes. 2.2.3.6 DIAFRAGMAS RÍGIDAS La existencia de una losa rígida en su plano permite la idealización de la estructura como una unidad, donde las fuerzas horizontales aplicadas pueden distribuirse en los elementos verticales (columnas y placas) de acuerdo a su rigidez lateral, manteniendo todas una misma deformación lateral para un determinado determinado nivel. 2.2.3.7 ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES Se debe tener en cuenta en la estructuración la presencia de los elementos no estructurales, especialmente de los muros (tabiques), que en ocasiones son los causantes de pérdidas de vidas



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humanas y económicas. Para no tener problemas en la estructuración estos tabiques y otros elementos no estructurales se aíslan de la estructura mediante juntas sísmicas apropiadamente detalladas, cuyo espesor está íntimamente ligado con el máximo desplazamiento relativo de entrepiso, además se les asegura a ellos para evitar su colapso en eventuales sismos. 2.2.3.8 CIMENTACIÓN Para la cimentación de la edificación se buscará una acción integral entre (zapatas y cimientos corridos), frente a las solicitaciones de sismo. Considerándose luego en el diseño los momentos volcantes, transmisión de la cortante basal de la estructura a la cimentación, asentamientos diferenciales y licuefacción del subsuelo. 2.3 DISEÑO PRELIMINAR O PREDIMENSIONAMIENTO El predimensionamiento brinda con las dimensiones mínimas a las secciones de los elementos estructurales para que tengan una buena respuesta estructural ante solicitaciones por carga de gravedad y de sismo. El predimensionamiento es la asignación previa de dimensiones de los miembros, se puede hacer basados en la experiencia o usando algunos criterios para el diseño en acero que convierten la estructura estructura indeterminada indeterminada en estáticamente determinada determinada [Uribe, 2000]. 2.4 METRADO Y/O CUANTIFICACIÓN DE CARGAS La cuantificación de cargas comprende en determinación de todas las cargas que actúen sobre la estructura. El metrado de cargas es una técnica de estimación de cargas actuantes sobre los distintos elementos estructurales estructurales que componen al edificio. Este proceso es aproximado ya que por lo general se desprecian efectos hiperestáticos producidos por los momentos flectores, salvo que estos sean muy importantes [Bartolomé, 1998]. 2.4.1 TIPOS DE CARGAS Las edificaciones y todas sus partes deberán ser capaces de resistir las cargas que se les imponga como consecuencia de su uso previsto. Estas actuarán en las combinaciones combinaciones prescritas y no deben causar esfuerzos ni deformaciones que excedan los señalados para cada material estructural en su



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norma de diseño específica. Además estas cargas son clasificadas en siguiente tipos: Cargas estáticas, cargas dinámicas y otras solicitaciones [Bartolomé, 1998]. 2.4.1.1 CARGAS ESTÁTICAS Son aquellas que se aplican lentamente sobre la estructura, lo cual hace que se originen esfuerzos y deformaciones que alcanzan sus valores máximos en conjunto con la carga máxima, prácticamente, prácticamente, estas solicitaciones no producen vibraciones en la estructura y estas son: 2.4.1.1.1 Carga Muerta. Son cargas gravitacionales que actúan durante la vida útil de la estructura; peso propio de la estructura o adheridos a ella (acabados, tabiquería, tuberías, cubiertas de techos, cielos rasos y otros). Compilado del anexo 1 (peso unitario) del RNE. E-020. 2.4.1.1.2 Carga Viva. Es aquella carga de gravedad de carácter movible, que dependen del tipo de uso de la edificación, tales como: peso de los ocupantes, materiales, muebles, nieve, agua, equipos y otros elementos movibles soportados por la edificación [Bartolomé, 1998]. 2.4.1.1.2.1 Carga Viva del Piso. Es muy importante diferenciar estas cargas de las que actúan sobre el techo o azoteas, dentro de estas tenemos: carga viva mínima repartida indicada en la tabla 02 del Anexo 1 de esta tesis, la carga viva concentrada (pisos y techos que soporten cualquier tipo de maquinaria u otra carga viva concentrada en exceso de 500 kg-f incluido el peso de los apoyos o bases), y tabiquería móvil estas son distribuidas por unidad de área tales como (50 y 100 kg-f/m2 para divisiones livianas móviles de media altura y de altura completa respectivamente) respectivamente) [RNE. E-020, 2009]. 2.4.1.1.2.2 Carga Viva del Techo. Las cargas mínimas en techo, presenta E-020 los siguientes: a) Para techos con una inclinación hasta de 3°, 100 kg-f/m 2. b) Para techos con inclinación mayor de 3°, 100 kg-f/m 2 reducida en 5 kg-f/m 2, por cada grado de pendiente por encima de 3°, hasta un mínimo de 50 kg-f/m 2. c) Para techos curvos, 50 kg-f/m2. d) Para techos con coberturas livianas de planchas onduladas o plegadas, calaminas, fibrocemento, fibrocemento, material plástico y otros, cualquiera sea su pendiente, 30 kg-f/m 2. e) Cuando los techos tengan jardines, 100 kg-f/m 2. Excepto cuando los jardines puedan ser de uso común o público, en cuyo caso la carga viva será de 400 kg-f/ m 2. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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2.4.1.1.3 Carga de Nieve. La carga de nieve es considerado en zonas donde la nevada es significativa, el mismo que permite selección apropiada de pendientes de los techos. Es recomendable que los techos de las estructuras que se encuentren a una altitud a más de 3000 m.s.n.m. serán diseñado para las carga viva de nieve de un peso específico igual a 100 kg/m3 y un espesor no menor de 40 cm. El RNE. E-020 aclara que no es necesario incluir en el diseño el efecto simultáneo de viento y carga de nieve. 2.4.1.2 CARGAS DINÁMICAS Son aquellas cuya magnitud, dirección y sentido varían rápidamente con el tiempo, por lo que los esfuerzos y desplazamientos que originan sobre la estructura, también cambian con el tiempo; cabe indicar que el instante en que ocurre la máxima respuesta estructural, no necesariamente coincide con el de la máxima solicitación solicitación y estas son [Bartolomé, 1998]: 2.4.1.2.1 Cargas de Sismo. Un sismo es una sacudida de la superficie del terreno como consecuencia de fuerzas internas generadas por el movimiento de placas tectónicas o erupciones de volcanes en las profundidades de los océanos [RAE, 2001]. No obstante, para su estudio en ingeniería es común interpretar este fenómeno como una aceleración del suelo (onda sísmica), que generalmente está dada en dos componentes, una vertical y otra horizontal. La aceleración horizontal es intensa en comparación con la vertical, pero pocas veces es considerada insignificante. Varias normas, incluyendo la peruana E-030, consideran una aceleración vertical alrededor alrededor de dos tercios (66%) del efecto total. 2.4.1.2.2 Cargas de Viento. Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento en especial las de 2 o más pisos, en zonas donde la velocidad del viento es significativa, debido a su forma, son más vulnerables a los efectos aerodinámicos. Toda edificación será diseñado para resistir las cargas de presión o succión exterior e interior del viento, presumiendo presumiendo que éste actúa en 2 direcciones horizontales perpendiculares entre sí. En caso de estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del viento pueden ser más importantes que las del sismo. La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la velocidad máxima adecuada a la zona de ubicación del edificio (Anexo 2 de E-020), E -020), pero no menos de 75 Km/h.

    h   





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2.4.1.2.2.1 Carga Exterior De Viento. La carga exterior (presión o succión) ejercida por el viento se supondrá estática y perpendicular a la superficie sobre la cual actúa. Se calculará mediante la expresión:

h h

Dónde:



es la presión o succión de viento a una altura h, C, factor de forma indicado

en la tabla N° 2.01,





, velocidad de diseño y , velocidad de diseño a 10 m de altura.

Tabla Nº 2.01; Factores de Forma (C) * CONSTRUCCION BARLOV. S SO OTAV. Sup e rficie s v e rtic ale s d e e d ificio s + 0.80 - 0.60 Anuncio Anuncios, s, muros aislados, aislado s, ele mentos con co n una dime nsión + 1.50 corta en el sent s entido ido del viento Tanques ques de agua gua, chi chimenea eneass y otr otros de secc secciión cir circul cular o + 0.70 elí elí tica Tanques ques de agua gua, chi chime men neas, eas, y otr otros de secc secció ión n cua cuadra drada + 2.00 o rect recta an ular lar Arcos y cubiertas c ubiertas cilíndricas con c on un ángulo de inclinación + 0.80 - 0.50 Sup e rficie s inclinad as a 15° o me no s 0.30 - 0.70 - 0.60 Sup e rficie s inclinad as e ntre 15° y 60° 0.70 - 0.30 - 0.60 Sup e rficie s inclinad as e ntre 60° y la ve rtical + 0.80 - 0.60 Superf Superficies icies vertica verticales les ó inclin inclina adas(pla das(plana nass ó cur curvas) vas) paral paralela elass + 0.70 - 0.70 a la direcc dirección ión del viento * El signo positivo indi ca presión y el negativo succión. Fuente: (RNE. E-020, 2009, adaptado)

2.4.1.2.2.2 Carga Interior De Viento. Para el diseño de los elementos de cierre, incluyendo sus fijaciones y anclajes, que limitan en cualquier dirección el nivel que se analiza, tales como paneles de vidrio, coberturas, alféizares y elementos de cerramiento, se adicionará a las cargas exteriores anteriormente definidas, y estas calculadas con los factores de forma para presión interior de la Tabla N° 2.02. Tabla Nº 2.02; 2. 02; Factores Factores de Forma Para P ara Cargas Cargas Adicionales en Elementos de Cierre C DESCRIPCION DE ABERTURAS C Princ ip ale s e n lad o a so tave nto + - 0.30 Princ ip ale s e n lad o a b arlo v e nto + 0.80 Princ ip ale s e n lad o a so tave nto o e n lo s co s tad o s - 0.60 Fuente: (RNE. E-020, 2009, adaptado)



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2.5 ANÁLISIS ESTÁTICO Y DINÁMICO La mecánica estructural, al igual que el resto de ciencias en ingeniería, se fundamenta en las leyes físicas. Además, se apoya en modelos matemáticos (análisis estático y dinámico en sus teorías de la ley de constitutivas, equilibrio, compatibilidad de deformaciones, integración paso a paso o el principio de D’Alembert generalizado en un método matricial denominado método de elementos

finitos), que idealizan los fenómenos en un contexto de estudio teórico. Los modelos son representados por ecuaciones denominadas gobernantes o fundamentales. Existen dos tipos de análisis dentro de la mecánica estructural; el estático y el dinámico que dependen de los tipos de cargas actuantes sobre el sistema estructural. Así, las cargas constantes en el tiempo corresponden a un análisis estático mientras que las que varían en éste, a un análisis dinámico. 2.5.1 ANÁLISIS ESTÁTICO En éste análisis se destacan tres ecuaciones fundamentales, la primera de éstas es la ley constitutiva, que aproxima las propiedades elásticas de los materiales como una variación lineal de esfuerzos y deformaciones (contrastadas mediante ensayos de laboratorio). La segunda ecuación fundamental es del equilibrio estático que determina que los esfuerzos y deformaciones deformaciones internos de un sistema estructural, así como de cada componente de éste (miembros estructurales), e incluso de cada elemento diferencial, todos deben relacionarse directamente con las cargas aplicadas y los desplazamientos generados sobre el sistema respectivamente. La tercera ecuación fundamental es la compatibilidad de deformaciones. 2.5.1.1 LA LEY CONSTITUTIVA Esta ecuación cumple para materiales cuya deformación es elástico-lineal y proporciona información de las propiedades mecánicas de éste. En efecto, se sabe que las propiedades mecánicas del acero son definidas a partir de módulo de Elasticidad o módulo de Young (E), el módulo de Poisson,

  

(

 

), y el coeficiente de expansión expansión térmica ±Á, y otros como la densidad volumétrica. volumétrica.

Hay ciertas propiedades del acero, así como de varios materiales, que permiten que la relación

esfuerzo-deformación pueda simplificarse. Éstas pueden ser la isotropía. No obstante, ahora es posible evaluar la anisotropía de los materiales con más eficacia que antes pues hay numerosos



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métodos, incluido el MEF, para la solución de problemas reales de la mecánica estructural. Pero, para el caso del acero, el error para efectos de cálculo es insignificante, de tal manera que aún es una buena aproximación considerar este material isotrópico y/o homogéneo. En este contexto de estudio, se define un elemento diferencial de un sólido y con éste, un sistema de coordenadas referencial figura 2.01, de manera que las ecuaciones fundamentales, demostradas demostradas a continuación, continuación, se referirán convencionalmente. 3

3 23

13

32 31

2 21

12

2

1 1

Figura 2.01; Tensor de Cauchy y/o convención de esfuerzos positivos. Fuente: Edward L. Wilson, 2004-“Analisis 2004-“Analisis estático dinámico de estructuras

Entonces, la primera ecuación fundamental del análisis estático, según el sistema de coordenadas

                                     [ ]       [] [] [     ]

de la figura 2.01, es según la matriz:



Si se considera que el acero es dúctil (para aplicaciones aplicaciones estructurales en general), entonces la falla mecánica de éste se origina en un plano cortante a cuarenta y cinco grados del plano de tensión o

   

compresión. En consecuencia, consecuencia, se define el Módulo de Corte G según la expresión:





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Por lo tanto, se concluye que es suficiente definir el Módulo de Elasticidad E y el módulo de Poissón

. Por otro lado, para simplificar la forma general de la ecuación (matriz seis por seis) puede suponerse isotropía de esfuerzos o de deformaciones en un plano, con lo cual la matriz queda reducida a una tres por tres [Wilson, 2004]. En ingeniería, es común expresar la ley constitutiva en términos de fuerza y desplazamiento y desarrollarla en una dimensión, en lugar de tres. Por ejemplo, para un miembro estructural de acero cargado axialmente con una fuerza F, de longitud L y sección transversal A; la ecuación fundamental (unidimensional) es deducida según: [  = E•], [F = •A] y [ = L•], donde  es el esfuerzo axial,  es la deformación unitaria y  es el desplazamiento absoluto del miembro. En consecuencia [F = k •A], donde k es la constante de rigidez del material independiente de la fuerza aplicada, definido por

  

.

2.5.1.2 LA ECUACIÓN FUNDAMENTAL DEL EQUILIBRIO ESTÁTICO El equilibrio estático es la condición primordial de todos los sistemas estructurales. Por lo tanto, éste se cumple en todo instante en que se aplican cargas externas. Éstas cargas equivalen a la suma de las reacciones internas originadas en los elementos del sistema [Wilson, 2004]. Las ecuaciones de equilibrio estático (tridimensionales) referidas al sistema de referencia de la

                          

figura 2.01 son:

i ij

  

Donde:  y  son los esfuerzos axial y de corte respectivamente. En estas ecuaciones también aparece el término que representa las fuerzas gravitacionales. Por otro lado, se asume que un

ij  ji

elemento del sistema estructural se encuentra en equilibrio rotacional si 

 [Wilson, 2004].

No obstante, en la mecánica estructural es común representar la ecuación fundamental del equilibrio estático en términos del esfuerzo resultante, resultante, en vez de las variaciones de los esfuerzos en las tres direcciones. Así, la fuerza o carga resultante es producto de la integración del esfuerzo normal o cortante aplicado en una superficie y el momento resultante, de la integración de los esfuerzos aplicados en una superficie multiplicada por la distancia perpendicular al eje de referencia. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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Finalmente, la parte principal en el análisis estático de estructuras es cuantificar las cargas y los momentos. Para un elemento diferencial, miembro estructural o para el sistema en conjunto, se definen las siguientes ecuaciones de equilibrio, por convención:

 M   M   M     

 

2.5.1.3 LA COMPATIBILIDAD DE DEFORMACIONES Anteriormente se había definido que para el acero se cumple que la deformación deformación es proporcional al desplazamiento por unidad de longitud



(unidimensional). Por lo tanto, el cálculo del

desplazamiento absoluto en un punto se procede mediante integración de la deformación en función de la longitud. Sin embargo, esto nos conduciría a través de varias trayectorias. Por definición, la solución es compatible si y sólo si, el desplazamiento en todos los puntos no es dependiente de la trayectoria. Esto también implica que una solución compatible es resultado de la existencia de un campo de desplazamientos desplazamientos [Wilson, 2004]. Otra forma de representar la tercera ecuación fundamental está dada por la disposición de los elementos en un sistema estructural. Esto significa que si estos están unidos a un punto en común, deben tener el mismo desplazamiento absoluto en ese punto. Luego, se puede determinar la deformación de cada elemento en cualquier punto a partir de la geometría. Por último, la

                            i ij   

compatibilidad de deformaciones es representada, según las siguientes expresiones:

 

Donde:  y  son las deformaciones lineal y angular respectivamente. Asimismo, si el campo de desplazamientos

,

y

, son asumidos o calculados, la deformación puede ser cuantificada

mediante la ecuación de compatibilidad. Por último, la definición de rotación o desplazamiento angular es similar. Los objetivos de las ecuaciones fundamentales de análisis estático son: (1) Determinar de forma precisa cómo las reacciones internas generadas en un sistema estructural dado la configuración de éste (geometría y tipos de apoyos) y dadas las cargas externas que lo solicitan. (2) Cuantificar las deformaciones de sus elementos. Y (3) expresar estos resultados en términos de desplazamientos absolutos absolutos en sus nodos (puntos de convergencia convergencia de los elementos). A este criterio de análisis se le denomina la respuesta estática. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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2.5.1.4 LA RESPUESTA ESTÁTICA DE SISTEMAS ESTRUCTURALES El análisis estático se justifica cuando sobre el sistema estructural, se aplican cargas externas constantes en el tiempo. Al aplicar el análisis de la respuesta estática (equilibrio en los nodos), se obtiene el resultado en notación matricial (generalizando la respuesta estática a sistemas de varios grados de libertad). R = A •r, donde R es la carga externa, r es la reacción interna de un miembro y A es una matriz de transformación en función de la geometría de los elementos estructurales. Por otro lado, se sabe que el sistema es elástico-lineal (en hipótesis), entonces r = k •d, donde: k es la matriz de rigidez y d es la deformación del elemento. Y por compatibilidad, se puede cuantificar esta deformación, que es de la forma; d = B •u; donde B es la matriz que relaciona la deformación con el desplazamiento vectorial u. Finalmente, agrupando términos se consigue expresar la respuesta estática o ecuación de equilibrio en los nodos en: R = K •u, donde K es la matriz global de rigidez compuesta por A, B y k. 2.5.2 ANÁLISIS DINÁMICO Mientras que el análisis estático se limita a los tipos de cargas de constantes en el tiempo, el dinámico abarca mucho más cargas entre las cuales se puede citar la sísmica, las cargas de impacto, las dinámicas alternantes o pulsantes (en tracción o compresión) y otras como las cargas producto de la presión hidrodinámica de algún fluido. En donde se describirá, en síntesis, las hipótesis y ecuaciones de este análisis. Asimismo el método de solución de la ecuación fundamental, el análisis modal: 2.5.2.1 EL MODELO MATEMÁTICO Y LA RESPUESTA DINÁMICA Un sistema de uno ó varios GDL se representa en modelo matemático Masa-Resorte-Amortiguador Masa-Resorte-Amortiguador instalada sobre una plataforma plataforma móvil, la misma que se desplaza igual que el suelo, figura 2.02: F(t) fuerza externa

Masa m s

uabs u k

Rigidez k

P(t)

c

Amortiguador c

a) Modelo principal del pórtico

m Suelo

b) Sistema masa-resorte-amortiguador masa-resorte-amortiguador

Figura 2.02; Modelo matemático Masa-resorte-Amortiguamiento de un pórtico Fuente: Ale andro Muñoz, 2010-“In 2010-“In enieria enieria sismor sismorres resist istente ente”” .



Donde:



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es el desplazamiento absoluto del oscilador, u es el desplazamiento del oscilador

relativo al suelo, s es el desplazamiento del suelo y P (t) es la carga externa aplicada a la estructura. Además de la fig. 2.03, se obtendrá por equilibrio la ecuación fundamental de movimiento que se detallara mas adelante, por lo que se muestra el diagrama de cuerpo libre del sistema masa-resortemasa-resorteamortiguador.   

    

m

P(t)

 

MI D K S  Ms

x, u Figura 2.03; Diagrama de cuerpo libre del sistema masa-resorte-Amortiguamiento masa-resorte-Amortiguamiento

Este sistema consiste de una masa concentrada M que representa la masa total del sistema. Los elementos estructurales tipo columnas (considerados de masa despreciable) proveen de rigidez al sistema K. Por último, el amortiguador viscoso de constante C, disipa la energía vibracional del sistema, generada por la carga externa variable en el tiempo o de excitación P (t). Este modelo se explica de la siguiente manera, cada elemento estructural del sistema por separado (columna, viga, arriostre y otros) contribuye en las propiedades de inercia (masa), elasticidad (rigidez), y de disipación de energía vibracional (amortiguamiento), necesarias para la estabilidad y equilibrio dinámico del mismo. Cada una de estas propiedades ha sido separada definiendo las componentes de masa, de rigidez y de amortiguamiento. En un sistema elástico-lineal se considera, que el desplazamiento lineal es proporcional a la fuerza en el punto donde se aplica ésta. En consecuencia, la constante de rigidez K se expresa en unidades de fuerza por unidad de longitud. Como se mencionó antes, el cálculo de esta constante depende de la geometría de la sección transversal y del material de los elementos del sistema. Otra propiedad característica de las estructuras es el amortiguamiento, éste se define como un proceso mediante el cual se consigue disminuir en amplitud y de forma estable en el tiempo la vibración libre. Esto se logra mediante varios mecanismos que disipan esta energía liberada, producto de excitaciones externas. En realidad, estos mecanismos actúan simultáneamente, de manera que es muy complicado cuantificar sus efectos matemáticamente. Por lo tanto, son usualmente idealizados idealizados como un amortiguador viscoso en el rango elástico-lineal, lo que significa que, para un sistema excitado por una carga externa, se genera una reacción interna en éste, la cual es proporcional a la velocidad de desplazamiento del sistema (en los nodos). El coeficiente de amortiguamiento viscoso C, tiene unidades de fuerza multiplicado por tiempo entre longitud. Por último, este coeficiente es difícil de calcular analíticamente y lo que se hace es una evaluación experimental experimental de éste [Chopra, 2007]. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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2.5.2.2 LA ECUACIÓN FUNDAMENTAL DEL EQUILIBRIO DINÁMICO Con los componentes de masa, rigidez y amortiguamiento, la ecuación de movimiento o ecuación de equilibrio dinámico para sistemas de 1 GDL puede ser descrita usando la Segunda Ley de Newton o el Principio del Equilibrio Dinámi co de D’Alembert. En la figura 2 .04, la carga externa variable en el tiempo excita el sistema constituido por la masa concentrada M, y se generan dos reacciones internas contrarias al sentido de P(t), que son: FS, la fuerza elástica y FD, la fuerza de amortiguamiento (observados en la figura 2.04b). Mi

Pi(t)

Ii m i SiSi  Kiimi  iDii iii  

Diagrama de cuerpo libre

ui

Pi (t) Ki Ci

Figura 2.04; Sistema estructural de un grado de libertad Fuente: (Genaro Delgado, 2011-“Dinamica 2011-“Dinamica estructural”).

  I  D  S  IIMM  MMs MMs

El desplazamiento

, la velocidad

y la aceleración

del sistema estructural tienen el

mismo sentido que P (t). Por otro lado, Newton define la ecuación de movimiento en el rango elásticolineal como una diferencial de segundo orden.



Sin embargo, el Principio de D’Alembert sostiene que se genera una fuerza inercial ficticia opuesta a

la aceleración cuya magnitud es producto de la masa y la aceleración absoluta del oscilador (

), dada por la siguiente expresión expresión [Muñoz, 2010]:



Por lo tanto, para el estado de equilibrio dinámico en el sistema, se cumple que la resultante de

fuerzas es nula (de forma similar al principio del análisis estático). Conocido la fuerza de inercia, y en función de la rigidez y el factor de amortiguamiento del sistema sistema es:

MK



Ahora, los sistemas de varios grados de libertad (n GDL) son el modelo más realista del fenómeno

físico. En la figura 2.05, se esquematiza un sistema de 3 GDL, que al igual que en los sistemas de 1 GDL, la masa concentrada se reparte en la parte superior de cada nivel, los mecanismos de amortiguamiento se consideran lineales, la rigidez lateral presentes en cada miembro vertical y estas sometida a una excitación sísmica, la cual es representada generalmente como una



Pág. Nº 22

aceleración horizontal en la base, producto por el cual se genera las cargas externas variable en el tiempo actúan en cada entrepiso o en los nodos. mi+1

Pi+1

Ki+1

Ci+1

mi

Pi Ki

mi-1

Pi+1

Ci

Diagrama de cuerpo libre

ui+1

ui

          Di   i   i   i i  Kii  i Ii  mi i     K    i i i i   Di  ii  i mm g  eff   mI g FI

Pi (t)

ui-1 Ki-1

⇝ g Ci-1

Figura 2.05; Sistema estructural de varios grados de libertad Por equilibrio de fuerzas F = 0, del diagrama de cuerpo libre ya citada se obtiene:

mmiiii  iii ii iii i i ii iiiiiiiiiiiiiiii mjj  Dj  SjSj  j  m  m      DD  SS       mn n Dn Sn nn   

Resolviendo estas expresiones se determina la ecuación fundamental de equilibrio dinámico para cada nivel dada por la siguiente expresión:

Generalizando la ecuación 2.11 para sistemas n GDL, en forma matricial o vectores es expresado de la siguiente manera:

Finalmente, al definir los vectores de desplazamiento ( ), de velocidad ( ) y aceleración ( ) para los nodos del sistema estructural y las matrices de masa M, de rigidez K, de amortiguamiento C y de fuerzas P para sistemas de 3 GDL elástico-lineales, la ecuación de equilibrio generalizada es de la forma matricial:

m  m                    m           Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


También se puede representar la ecuación matricial de la siguiente manera:

M    K  

Pág. Nº 23



Si se tratase de una vibración libre sin amortiguamiento la ecuación de equilibrio dinámico se

deduce e inclusive es el proceso mas recomendable la solución por principio de D’Alembert considerando que el coeficiente de amortiguamiento es nulo y tomando en consideración la figura 2.05 del diagrama de cuerpo libre se obtiene la expresión:

mii  ii  i  ii  ii  i  m  m                   mn n     n n nn m  

Esta ecuación es llevada a una solución matricial de donde se tiene la expresión:

Por otro lado asumiendo que la carga exterior y la disipación de energía es nula es decir sin la excitación sísmica y/o con condiciones iniciales de una estructura. La ecuación de equilibrio dinámico se reduce: (

), a esta ecuación aplicamos el problema de valores y vectores

propios generalizado con la hipótesis; que la energía potencial elástica es positivo o nulo cuando corresponden desplazamiento de solido rígido y que una energía cinética negativa o nula no tiene sentido cuando la velocidad es distinto a cero y con las propiedades de [M] y [K] obtenemos la

Ki  iMi

expresión siguiente:



i

Donde: i es el iesimo valor propio y ( ),), el vector propio asociado a la matriz de rigidez y masa. Si estas matrices son ambas positivas entonces los valores propios son todos positivos es decir en

i  i i  i K  ||M  K  ||M    i      i  i i mi i  ii mi i           i     [     n   mn ] n

ningún caso habrá valor propio negativo y se podrá hacer

siendo

. Finalmente

resolviendo la ecuación 2.16, se obtendrá la ecuación fundamental de valor propio para estructuras de vibración libre sin amortiguamiento amortiguamiento en función de forma de modo [Delgado, 1994]:

Estas ecuaciones también se puede expresar matricialmente en donde la frecuencia natural es igual a(

),), con los que determinaremos las formas de modo de vibración sísmica [ i], además se

determinara el período de vibración (

) de la siguiente manera:



Pág. Nº 24

2.5.2.3 LA RESPUESTA MODAL DE SISTEMAS ESTRUCTURALES Existen varios métodos de solución de la ecuación diferencial generalizada (de n GDL). Entre ellos se pueden distinguir, por ejemplo, el de los Valores Propios, los Vectores de Ritz y otros, ambos aplicables tanto de forma analítica como numérica. Por otro lado, el análisis por superposición modal o análisis modal es uno de los métodos usado únicamente para sistemas lineales. Este análisis determina los modos de vibración de un sistema para dos casos, el primero cuando el sistema estructural no está excitado con cargas variables en el tiempo (vibración libre) y el segundo, cuando sí lo está (vibración forzada). La investigación investigación de este método ha determinado que el primer caso es ideal y poco práctico para un análisis preciso, mientras que el segundo es más próximo a la realidad. Por lo que se desarrolla el fundamento teórico de este último en particular. Para entender la respuesta dinámica de sistemas de n GDL, se introducirá el análisis modal en sistemas excitados a partir de sus conceptos generales. El análisis modal es un método numérico de solución de la ecuación de equilibrio dinámico de sistemas elástico-lineales. Éste consiste en desacoplar los componentes componentes de la ecuación original (fuerza inercial, elástica y de amortiguamiento) y transformarlos convenientemente en función de variables modales (ecuaciones modales) para cuantificar los efectos absolutos de estos a la solución analítica [Chopra, 2007]. La ecuación modal representativa para sistemas elástico-lineales excitados por una carga externa variable en el tiempo (vector de fuerzas modales) es:

M    K     m g             



La ecuación 2.19 es llevada a una transformación modal una vez determinada la matriz modal de

masa M, de rigidez K y luego aproximar la matriz de amortiguamiento C, por separación de variables de (



), donde  representa el modo natural que corresponde a la frecuencia natural

ωn independiente del tiempo y X(t) es la transformada o vector modal en función del tiempo,

ajustando a las expresiones:

     K  n  M

La otra condición del método es la ortogonalidad de modos con respecto a la masa y rigidez, lo cual implica que las matrices de masa M y rigidez K son diagonales [Wilson, 2004].

KMnnnnK n Mn ni

Por otro lado, K y M se relacionan por la frecuencia natural al cuadrado: ( matriz modal

es descrita de la forma siguiente:

). Además la



Pág. Nº 25

   nn   jin  [    n]



Luego, en el análisis se introduce el concepto de normalización de modos [Chopra, 2007], con lo cual se generan la matriz de identidad I, una matriz diagonal de valores unitarios y la matriz



n  

espectral  , matriz diagonal compuesta por las frecuencias naturales elevadas al cuadrado (

).

Normalizando K y M se obtienen las siguientes expresiones, luego de las cuales se puedes hallar las matrices modales M y K:

  KMnn nnKMnnnM M K n  n K  M  M||  ||  K||     n     n  Mnnn           nn    n   Mn   MMg  i  M  ∑ M  g n Mi  M Mi  ∑ M ni      n n  n n  n

Al sustituir la ecuación 2.20 en la ecuación 2.19 y pre multiplicando por ecuaciones diagonales diagonales de masa, amortiguamiento y rigidez generalizada:

, se obtendrá las

Para definir la ecuación modal equivalente es necesario suponer amortiguamiento clásico clásico para que no exista acoplamiento de nodos, es decir normalizado por condiciones de ortogonalidad la masa M y rigidez K; y asimismo el amortiguamiento (



 ), análogamente a los otros

elementos diagonales. De esta ecuación se deduce el factor de amortiguamiento para cada modo (enésimo modo):

  

Ahora, dividiendo la ecuación modal equivalente entre Mn y remplazando la ecuación 2.25 a la ec. 2.24 se obtiene la expresión de factor de participación modal (FPM) que define la escala del modo i:i :

Por ultimo cuantificamos el resultado de la contribución de todos los modos a la respuesta dinámica. dinámica. La superposición modal cuantifica el desplazamiento nodal absoluto del sistema, cuya expresión es:



Además, se considera una distribución espacial de la carga aplicada P (t), esta distribución tiene la misma variación de tiempo que P (t) y al espacio donde se aplica ésta, independiente del tiempo,



simbolizada s en notación matricial (

 s

Pág. Nº 26

). El objetivo es simplificar el análisis al remplazar

la carga dinámica por una estática equivalente cuyos efectos sobre el sistema sean similares.

  ss     m

Donde. La contribución del enésimo modo es (

sn  n m

 ), n, factor de participación o

contribución modal. En consecuencia, se puede expresar esta ecuación en función de una carga generalizada Pn(t):

nn  n  Mn  



Remplazando esta expresión en la ecuación 2.26 y además por la definición de un sistema n GDL,

que es la resultante de n sistemas de 1 GDL [Chopra, 2007], es conveniente conveniente definir el término Dn en lugar de n, que relaciona mejor estos sistemas, denominado deformación del modo n y la ecuación

  n  nnn n  nnn  n    n  nnn     n nn   n  n  n

2.26 queda expresada mejor por: Donde: (



); Por último, la contribución del enésimo modo a la respuesta dinámica

del sistema (desplazamiento absoluto

) es

generando como resultado de la

contribución de todos los modos a la respuesta dinámica:



2.5.3 ANÁLISIS SÍSMICO Este análisis forma parte del análisis dinámico, pero se decidió separarlo de éste por su trascendencia para el análisis estructural. La periodicidad y la espontaneidad son características de esta carga, razón por la cual los investigadores en el campo han desarrollado hipótesis de diseño sismorresistente, cuyo objetivo es modelar la carga sísmica real con precisión. Este modelo se basa en registros sismográficos, sismográficos, lográndose diseñar probables espectros de respuesta sísmica en función del tiempo o considerando los valores máximos absolutos de la respuesta. 2.5.3.1 EL ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA RESPUESTA SÍSMICA Dentro de este análisis modal existen dos métodos para cuantificar los efectos de un sismo. Estos son el análisis tiempo-historia (RHA Response History Analysis) y el espectral (RSA Response



Pág. Nº 27

Spectrum Analysis). El análisis tiempo-historia permite determinar analíticamente las soluciones a las ecuaciones de equilibrio dinámico: (

   

), pero este proceso demandará un poco

más de tiempo de cálculo puesto que las soluciones depende depende de éste, método que no se emplea en esta tesis, sino más bien, el de análisis espectral, que aproxima la solución de las ecuaciones a sus valores representativos que son los máximos absolutos o valores pico. Esto es suficiente para el análisis dinámico en estructuras, pero se puede optar por un tiempo-historia si se conocen las variables de entrada de éste análisis. En resumen, la respuesta espectral espectral para el enésimo modo es:

nono m  n  n  n nn    n

 nn

Donde:

, respuesta en el tiempo, An, seudoaceleración que depende del período natural del

sistema

y el factor de amortiguamiento  del enésimo modo. Además, el signo de

depende de

pues An es positivo, positivo, por definición.

n

La respuesta espectral se genera a partir de los criterios de combinación modal espectral que

permiten aproximar los valores máximos absolutos de

nn

, los que no será precisamente precisamente iguales a

los generados por el análisis tiempo-historia. En consecuencia, los modos tienen una respuesta independiente, pero es la combinación de estos la que determina el comportamiento dinámico del sistema. En efecto, el valor máximo absoluto de la combinación modal se determina ignorando el signo algebraico de éste. Los tres criterios de combinación modal son usados para obtener la respuesta dinámica total, entres éstas la sísmica, sobre un sistema estructural: 2.5.3.1.1 La Suma Absoluta o ABS (Absolute Sum). Es conservadora en su estimación de la respuesta dinámica total porque asume que todos los valores máximos absolutos de las respuestas independientes de los n modos ocurren en el mismo instante [Chopra, 2007]. Sin embargo, se hace referencia que muchos diseñadores aún la consideran:

   n|nono|



2.5.3.1.2 La Raíz Cuadrada de la Suma de Cuadrados o SRSS (Square Root of Sum of Squares). Es aplicable para sistemas estructurales cuya frecuencia natural de vibración tiene un amplio período [Chopra, 2007]. Asumiendo que todos los valores máximos absolutos de la respuesta dinámica total son estadísticamente independientes [Wilson, 2004] dada por la expresión:



Pág. Nº 28

     n nn



2.5.3.1.3 La combinación Cuadrática Completa ó CQC (Complete Quadratic Combination). Es el criterio de combinación formulada por Wilson, Der Kiureghian y Bayo en 1981 y está basada en teorías de vibraciones vibraciones avanzadas. Ésta engloba algunos conceptos de la SRSS y abarca aquellos sistemas estructurales cuya frecuencia natural de vibración es más pequeña [Chopra, 2007]. La expresión general de la respuesta dinámica total es:

       n nn     i n i  n n  i n



Según el RNE. E-030 la respuesta máxima elástica esperada (r) correspondiente al efecto conjunto de los diferentes modos de vibración empleados (ri) dados por la expresión

 ∑i|i|    ∑i i

. En cada dirección se considerará aquel modo

de vibración cuya suma de masas efectivas sea por lo menos el 90% de la masa de la estructura, pero deberá tomarse en cuenta por lo menos los tres primeros modos predominantes en la dirección de análisis.

2.5.3.2 ALCANCES DE LA NORMA DE DISEÑO SISMORRESISTENTE; E-030 La filosofía de diseño sismoresistente sismoresistente consiste en: evitar pérdidas de vidas, asegurar la continuidad de los servicios básicos y minimizar los daños a la propiedad; dar protección completa frente a todos los sismos no es técnica ni económicamente factible para la mayoría de las estructuras. Estas deben cumplir que: La estructura no debería colapsar, ni causar daños graves a las personas debido a movimientos sísmicos severos que puedan ocurrir en el sitio. La estructura debería soportar movimientos sísmicos moderados, que puedan ocurrir en el sitio durante su vida útil, experimentando posibles daños dentro de límites aceptables. Inicialmente, Inicialmente, es importante definir los parámetros de sitio que básicamente básicamente son dos: zonificación y condiciones geotécnicas geotécnicas . El primero depende de la ubicación geográfica donde se va a edificar

la estructura, puesto que en Perú hay zonas de mayor movimiento telúrico que otras. El RNE. E-030 diferencia tres zonas sísmicas para nuestro país con distintos factores de zonificación Z, asignando



Pág. Nº 29

aceleración máxima a un suelo firme (de base rocosa), como una fracción de aceleración de la gravedad g. Esta aceleración corresponde al tiempo de exposición y peligro sísmico. A cada zona se asigna un factor Z según se indica en la Tabla N° 2.03. Este factor se interpreta como la aceleración máxima del terreno con una probabilidad de 10 % de ser excedida en 50 años y un amortiguamiento de 5%. Tabla N° 2.03; Factor de Zona (Z) DESCRIP. DE ZONA

Figura 2.06; mapa de zonificación sísmica

Z

3

COSTA

0.40

2

SIERRA

0.30

1

SELVA

0.15

Fuente: (RNE. E-030, 2009, adaptado)

En la figura 2.06 se observa que la zona de mayor sismicidad es costa en su distancia epicentral, tabla N° 2.03, para su mayor consideración consideración de zonificación ver el Anexo 01 del RNE. E-30. Además, la norma considera un tiempo de exposición o vida útil de 50 años y acepta sólo un 10% de probabilidad de excedencia de la respuesta esperada. Estadísticamente, esto corresponde a la aceleración máxima máxima de los sismos que tienen un período de retorno de 475 años [Muñoz, 2010]. Por otro lado, existen dos factores a tomar en cuenta dentro del segundo parámetro (condiciones geotécnicas). El primero de estos se refiere a los perfiles o tipos de suelo, que se clasifican según las propiedades mecánicas, el período fundamental de vibración y la velocidad de propagación de las ondas de corte. En consecuencia, quedan definidos; Suelos rígidos

 

y suelos flexibles

 

 

(roca), suelos intermedios

, así como una cuarta categoría de estos,

muy diferente a lo

mencionado. Finalmente, el factor de tipos de suelos brinda la información del período esperado

para cada tipo de suelo

(mayor al período fundamental del perfil del suelo).

Tabla Nº 2.04; Factores Factores del Tipo Ti po de Suelo S uelo TI P O S1 S2 S3 S4

DESCRI PCI ON: Ro c a o sue lo muy rig id o Sue lo s inte rme d io s Sue lo s fle x ib le s o c o n e s trato d e g ran e sp e s o r Co nd ic io ne s e x c e p c io nale s

Tp (seg. ) 0.40 0.60 0.90

S 1. 00 1. 20 1. 40

(*)

(*)

(*), Los valores de "Tp y S" sera establecido por el especialista, pero en ningun caso sera menor que S3. Fuente: (RNE. E-030, 2009, adaptado).



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Por último, este factor puede interpretarse como la aceleración esperada de una estructura en un suelo rígido, que se modifica al pasar por los distintos estratos del suelo hasta llegar a la cimentación de ésta. En consecuencia, este factor estima la amplificación de las solicitaciones sísmicas respecto al perfil del suelo cuya aceleración máxima esperada en la cimentación de una estructura queda expresada por el producto de ZS [Carrasco, 2011]. El segundo factor es el de amplificación sísmica

 



de la aceleración como respuesta estructural

respecto a la aceleración máxima máxima esperada en la cimentación de ésta. Definida por la expresión:

De donde el producto

   

es amplificado por este factor, en función del período fundamental . Por

lo que la aceleración como respuesta estructural queda definida por el producto de

y el período

fundamental de la estructura, se estima mediante dos análisis: El estático, que por lo general se

  n 

realiza inicialmente inicialmente desconocidos los parámetros del otro tipo de análisis, el dinámico. dinámico.

Donde:

es la altura total de la estructura en metros y



, constante que depende del tipo de

estructura: Para estructuras solo con pórticos, C T=35, para estructuras de concreto armado (pórticos con cajas de ascensores y escaleras), C T=45 y para estructuras de mampostería y muros de corte, CT=60. Por otro lado, el período fundamental se obtiene de análisis dinámico, en donde considera las características de rigidez y distribución de masas en la estructura. Definida por la expresión:

n  ∑   i i     ∑in ii i              s                 ∑inii i i    

Donde:

peso del iésimo nivel,

referida al iésimo nivel y

desplazamiento lateral relativo al suelo,

fuerza horizontal

aceleración de la gravedad. Es recomienda usar los resultados del

análisis dinámico para estructuras regulares en general. La norma precisa que si el período fundamental

es mayor a 0,70 seg, una fracción de la fuerza cortante basal , se deberá aplicar

como carga concentrada en la parte superior de la estructura (

. Mientras que la diferencia

), deberá ser distribuida a cada nivel de la estructura. Las expresiones asociadas asociadas son:

El tercer parámetro es de categoría de las edificaciones o factor U. A continuación se muestran, en una tabla extraída del RNE. E-030.



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Tabla Nº 2.05: Factor de Uso (Cat (Categoria egoria de las Edificaciones) CATEGORIA DESCRIPCION

U

Edificacio Edificaciones nes cuya cuya función función no debería debería interrump interrumpirse irse inmediatament inmediatamente e desp despué ués s

que que

ocur ocurra ra un sis sismo,

como omo

hos hospit pitales ales,,

cent entrale rales s

de

comunicaciones, subestaciones subestaciones eléctricas, eléctricas, reservorios de agua, cuarteles A = centros educativos y edificaciones que Edificaciones de bomberos y policía. Además de centros Esenciales puedan servir de refugio después de un desastre. También También se incluyen

1.50

edificaciones cuyo colapso puede representar un riesgo adicional, como grandes hornos, depósitos de materiales inflamables o tóxicos. Edificaciones donde se reúnen gran cantidad de personas como teatros,

B= estadios, estadios, centros centros comerciales, comerciales, establecim establecimientos ientos penitenciarios, penitenciarios, o que Edificaciones guardan guardan patrim patrimonios onios valios valiosos os como como museos museos,, bibliot biblioteca ecas s y archiv archivos os Importantes especi especiales ales.. Tambi También én se consid considerar erarán án depósito depósitos s de granos granos y otros otros

1.30

almacenes im ortantes ara el abastecimiento. Edificaciones cuya falla ocasionaría pérdidas de cuantía intermedia in termedia como como

C= vivienda viviendas, s, oficin oficinas, as, hoteles hoteles,, resta restaura urant ntes, es, depósit depósitos os e insta instalac laciones iones Edificaciones industriales industriales cuya falla no ocasione peligros adicionales de incendios, incendios, Comunes

1.00

D= normalmente la probabili dad de causar víctimas víctimas es baja, como cercos de Edificaciones altura altura menor a 1,5 metros, metros, depósitos depósitos temporales temporales,, pequeñas viviendas Menores

(*)

fugas de contaminantes y otros. Edif Edific icac acion iones es cuya cuyas s falla fallas s caus causan an pérdid pérdidas as de menor menor cuant cuantíía y

temporales y construcciones similares.

(*); En estas edificaciones, a criterio del especialista, se podra omitir el análisis por fuerzas sísmicas, pero debera proveerse de la resistencia y rigidez adecuada para acciones laterales. Funete: (R NE. E-030, 2009, adaptado)

Al producto ZUCS se le denomina como el coeficiente sísmico elástico que brinda una importante aclaración. En consecuencia, la norma define un factor de reducción



, cuya función es reducir la

resistencia lateral de las estructuras a una fracción de la máxima solicitación elástica, a cambio de garantizar un comportamiento inelástico adecuado, durante y posterior al sismo [Muñoz, 2010]. Tabla Nº 2.06; Sistema Estructural - Factor de Reduccion SISTEMA ESTRUCTURAL Acero Por Porticos cos du ducti ctiles con con uniones ones resi esisten stenttes a mom omen enttos Otras estructuras de Acero Arriostr Arrios tres es exce ex centr ntricas icas Arriostr Arrios tres es en cruz Concreto Armado Po rtic o s (1) Dual (2) De muro s e structurale s (3) Muro s d e d uc tib ilid ad limitad a (4) Albañileria Alb añileria Armad a o Confinada (5) Mad e ra (p o r e s fue rz o s ad mis ib le s )

R 9.50 .50 6.50 6.00 8.00 7.00 6.00 4.00 3.00 7.00

Fuente: (RN E. E-030, 2009, adaptado) adaptado)



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El RNE. E.030 concluye con análisis de edificios de forma estática o de dinámica, para el análisis estático es necesario definir la carga y/o peso de la edificación P, y esta es igual a la sumatoria de la carga permanente más un porcentaje de la sobrecarga suministrada en las siguientes condiciones: a) En edificaciones de las categorías A y B, se tomará el 50% de la carga viva. b) En edificaciones de la categoría C, se tomará el 25% de la carga viva. c) En depósitos, el 80% del peso total que es posible almacenar. almacenar. d) En azoteas y techos en general se tomará el 25% de la carga viva. e) En estructuras de tanques, silos y estructuras similares similares se considerará el 100% de la carga. Finalmente para este tipo de análisis la fuerza cortante en la base de la estructura en su dirección

   s   mm  

correspondiente, correspondiente, es determinada por la siguiente expresión:



Por otro lado para el diseño estructural, es común desarrollar el análisis dinámico y/o espectral, en

función de los factores citados anteriormente. Además, recomienda acoplar a éste, alguno de los criterios de combinación modal espectral, ya sea el SRSS o el CQC. Para el segundo método en particular, la norma propone emplear un factor de amortiguamiento del 5%. Este espectro elástico

   

de pseudo-aceleraciones generará la carga sísmica de diseño, conocida como la cortante basal:



El espectro en dirección horizontal está dado por la ecuación 2.40b y para el análisis de dirección vertical se tomara 2/3 del espectro de dirección horizontal.

El RNE. E-030 considera efectos de torsión suponiendo que la fuerza de cada nivel (Fi) actúa en el centro de masa del nivel respectivo, mediante una excentricidad accidental igual a 0,05 veces la dimensión del edificio en la dirección perpendicular a la dirección de análisis. Por lo que se genera momento accidental en cada nivel denominado Mti calculado por la expresión:

Mi  i  i



En resumen los únicos objetivos de determinar las fuerzas y momentos es la de conocer la

estabilidad y los desplazamientos. Los desplazamientos laterales se calcularán multiplicando por 0,75R los resultados obtenidos del análisis lineal y elástico con las solicitaciones sísmicas reducidas. Para el cálculo de ( i) no se consideran los valores mínimos de C/R 0.125 ni el cortante mínimo en la base de 80-90 % de estructuras de análisis estático y dinámico respectivamente. El máximo desplazamiento relativo de entrepiso, según el artículo 16.4 del RNE. E-030, no deberá exceder la fracción de la altura de entrepiso indicada por la Tabla N° 2.07.



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Tab Tabla Nº 2.07 .07; Limit Limite e de Despla plazamien miento Lat Lateral de Ent Entrepis piso MATERIAL PREDOMINANTE (Di/hei) Co nc re to Armad o 0.0070 Ace ro 0.0100 Albañileria Alb añileria 0.0050 Mad e ra 0.0100 Fuente: (RNE. E-030, 2009)

Para el control de estabilidad se hace por efectos de segundo orden (P- ), deberán ser considerados cuando produzcan un incremento de más del 10% en las fuerzas internas. Para estimar la importancia de los efectos de segundo orden, podrá usarse para cada nivel el siguiente

  iN i i i   sss s   

cociente como índice de estabilidad:



2.6 DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES EN ACERO 2.6.1 GENERALIDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL Los aceros estructurales son materiales de construcción, construcción, utilizada en gran variedad de aplicaciones, disponibles en muchas formas y ofrecen una alta resistencia inherente, módulo de elasticidad muy alto de manera que las deformaciones bajo cargas son muy pequeñas y este es el mismo a tensión que a compresión, poseen una gran ductilidad (capacidad a deformarse) su relación esfuerzodeformación unitaria es lineal, incluso para esfuerzos relativamente relativamente altos. Además, incluyen un gran número de aceros, debido a su economía, resistencia, ductilidad y otras propiedades son apropiadas para miembros que se cargan en variedad de estructuras. Los perfiles de acero que se destinan para su uso en edificios y otros, se sujetan a las especificaciones de la ASTM, que suministra “la calidad del acero” de acuerdo a la ASTM A-36.

2.6.1.1 ACEROS ESTRUCTURALES Y/O CLASIFICACIÓN DE ACEROS Los aceros estructurales modernos se clasifican según la ASTM (American Society for Testing and Materials) en: Aceros de propósitos generales A-36, Aceros estructurales al carbono A-529 (sus principales componentes de resistencia al, Carbono 1.70%, Manganeso 1.65%, Silicio 0.60% y Cobre 0.60%, divididos en cuatro categorías: 0.15% bajo, 0.15-0.29% dulce, 0.30-0.59% medio y 0.60-1.70% alto contenido de carbono), Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (5%)



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“Mo, V y Cr” A-441 y A-572, Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la

corrosión atmosférica atmosférica A-242 y A-588 y Aceros templados y revenidos A-514 y A-852. Tabla N° 2.08; Clasificación y agrupación del acero estructural según ASTM incluidos en LRFD. ASTM

Tipo de Acero

A-36

Al carbono

A-529

Al carbono

A-441

A-572

A-242

A-588

A-852

A-514

Formas

Usos

Fymin ksi

Edificios, puentes y otras Perfiles, barras y estructuras atornilladas, placas remachadas, o soldadas Perfiles y placas e Igual o similar al A-36 ≤½" (12.7mm)

Al magnesio, vanadio Perfiles, placas y de alta resistencia y Igual al A-36, Tanques barras e ≤8" baja aleación Construcciones remachadas, Alta resistencia resisten cia y baja Perfiles, placas y soldadas, o atornilladas. No en aleación barras e ≤6" puentes soldados con Fy   55ksi 55ksi Alta resistencia, baja Construcciones atornilladas, aleación y resistentes Perfiles, placas y soldadas, o remachadas; a la corrosión barras e ≤5" técnica de soldadura especial atmosférica Alta resistencia, baja aleación y resistentes Perfiles, placas y Construcción atornillada a la corrosión barras e ≤4" atmosférica Construcción soldada o Aleación templada y atornillada, principalmente para Placas solo e ≤4" revenida puentes y edificios soldados; Técnica de soldadura especial Placas solo de Estructura soldada con gran Baja aleación 2.5” a 6” Espesor atención a la técnica; No se usa templada y revenida promedio 4" si se requiere gran ductilidad

Fumin ksi

36 e ≤8" 32 e >8"

58 - 80

42 - 50

60 - 100

40 - 50

60 - 70

42 - 65

60 - 80

42 - 50

63 - 70

42 - 50

63 - 70

70

90 - 110

90 - 100

100 - 130

Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)

Nota: a mayor resistencia de acero menor soldabilidad y más frágil, debido a su alto contenido de carbono; además Fy varia con el espesor y grupo y Fu varia con el grado y el tipo de acero según manual de LRFD.

2.6.1.2 VENTAJAS: Alta resistencia del acero por unidad de peso permite estructuras relativamente livianas (importantes en puentes de grandes claros, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos blandos); Homogeneidad, las propiedades del acero no se alteran con el tiempo ni varían con la localización de miembros; Elasticidad, material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley de Hooke); Precisión dimensional, los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección (momento de inercia); Ductilidad, el acero permite soportar grandes deformaciones sin falla, alcanzando altos



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esfuerzos de tensión; Tenacidad, el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación (elástica e inelástica); Ampliaciones de estructuras existentes, es decir se puede añadir nuevas crujías; Facilidad de unión con otros miembros por medio de varios tipos de conexiones a través de: Soldadura, tornillos y remaches; Rapidez de montaje, por la disponibilidad y gran cantidad de tamaños y formas; Resistencia a la fatiga; Reúso posible después de desmontar una estructura; Las estructuras de acero tienen un costo de recuperación en el peor de los casos como chatarra de acero. El acero es el material altamente reutilizable reutilizable o reciclable. reciclable. 2.6.1.3 DESVENTAJAS: Corrosión, el acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con esmaltes alquidálicos alquidálicos exceptuando a los aceros inoxidables; ino xidables; Calor y fuego, en caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes como mortero); Pandeo elástico, debido a su alta resistencia al peso el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicos las columnas de acero; Fatiga, la resistencia del acero puede disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión (cargas pulsantes); Resistencia de plastificación solamente para columnas cortas. 2.6.1.4 RELACIÓN ESFUERZO-DEFORMACIÓN DEL ACERO δ

 o

 á  ε

y=0.2%

máx

ruptura Limite de fluencia superior Fy Endurecimiento Límite mínimo de por deformación ro orci orcion onal alid idad ad   =  Limite mínimo de fluencia 1 Fluencia elástico Fluencia plástico

ε

Estricción de fluencia (adelgazamiento de la sección)

máx

ε

 LL

 (Deformación unitaria)

Figura 2.07; Diagrama de esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación unitaria de acero estructural. Fuente: (Sandra F. Silva, 2005-Tesis 2005-Tesis “Edificación con estructuras Metálicas”)

La relación esfuerzo-deformación de los aceros estructurales dúctiles es la misma para miembros a tensión y a compresión. La forma del diagrama varía con la velocidad de carga, el tipo de acero y Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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con la temperatura, dividido en cuatro zonas según la mecánica de materiales, figura 2.07 (fluencia elástica, fluencia plástica, endurecimiento por deformación y estricción estricción de fluencia). 2.6.1.5 DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA (AISC-LRFD) El manual AISC-LRFD en su método de diseño LRFD por factores de carga y resistencia basado en los conceptos de estado límite de: Resistencia y servicio . El primero se basa en la seguridad o capacidad de carga de la estructura e incluye resistencia plástica de, pandeo, fractura, fatiga, volteo y otros, y el segundo se refiere al comportamiento de la estructura bajo cargas normales de servicio y tiene que ver con el uso y ocupación, tales como deflexión excesiva, deslizamiento, vibración y agrietamiento [McCormac, 2008]. La estructura no solo debe ser capaz de resistir las cargas de diseño sino también las de servicio. LRFD se concentra en requisitos muy específicos relativos a los estados límite de resistencia y permiten cierta libertad en el área de servicio. En el método LRFD, las cargas de trabajo o servicio Qi, se multiplican por factores de carga o de seguridad (

i

1.0), 1.0), obteniéndose las cargas factorizadas, y que la estructura proporcione

resistencia ultima para resistir la carga factorizada igual a la resistencia teórica o nominal Rn del miembro estructural multiplicada por un factor de resistencia (

≤ 1.0).

Con este factor, se intenta

tomar en cuenta las incertidumbres relativas a resistencia de los materiales, dimensiones y mano de obra y otros, formulado por la siguiente relación:

ii 



2.6.1.5.1 Factores de Carga o Combinación de Cargas. El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas, muertas y accidentales durante la vida útil de la estructura. La resistencia requerida del elemento estructural y conexiones es determinada para una adecuada combinación crítica de las cargas factorizadas [McCormac, 2008]. Tabla N° 2.09; Factores de carga según RNE. E-090 y las especificaciones AISC-LRFD. AISC-LRFD. Factores de Carga Según AISC-LRFD y E-090 U = 1.40D U = 1.20D + 1.60L + 0.50(Lr o S o R) U = 1.20D + 1.60(Lr o S o R) + (0.50L o 0.80W) U = 1.20D + 1.30W + 0.50L + 0.50(Lr o S o R) U = 1,20D  1.00E + 0.50L + 0.20S U = 0.90D  (1.30W o 1.00E)

Descripción de Tipo de Cargas: D = Carga muerta o peso propio. L = Carga viva, mobiliario y ocupantes. Lr = Carga viva en las azoteas. R = Carga por lluvia o granizo. graniz o. W = Carga de viento. S = Cargas de nieve. E = Carga de sismo, E-030



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En las combinaciones de 3, 4 y 5 el factor de carga para L debe considerarse igual a 1.0 en el caso de estacionamientos, auditorios y todo lugar donde la carga viva sea mayor a 4800 Pa, y en las combinaciones 2 y 3 del método LRFD, se debe tener en cuenta del impacto si es que hubiera (capítulo 1.4.2 de E-090).

2.6.1.5.2 Factores de Resistencia. Para estimar con precisión la resistencia última de una estructura, es necesario tomar en cuenta las incertidumbres incertidumbres que se tiene en, la resistencia de los materiales, dimensiones, y la mano de obra, como: La resistencia de materiales debido al flujo plástico, a la corrosión y la fatiga; métodos de análisis por criterio de estructuración; fenómenos naturales (sismos y tornados); proceso constructivo y el montaje; estimación de cargas muertas vs cargas vivas; presencia de esfuerzos residuales por concentración de esfuerzo y variación de sección transversal [McCormac, 2008]. Tabla 2.10; Factores de Resistencia Característicos [AISC-LRFD, 2005] Factor 1.00 0.90 0.85 0.80 0.75 0.65 0.60

Descripción del Miembro o Conector definido por AISC-LRFD Aplastamiento en áreas proyectadas de pasadores, fluencia local del alma bajo cargas concentradas, cortante en tornillos en juntas tipo fricción. Vigas sometidas a flexión, corte, filete de soldadura con esfuerzos paralelos al eje de soldadura, soldadura de ranura en el metal base, fluencia de la sección total de miembros a tensión. Columnas sometidas a compresión axial, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad de aplastamiento en agujeros. Cortante en el área efectiva de soldaduras de ranura con penetración completa, tensión normal al área efectiva de soldadura de ranura con penetración parcial. Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muescas, fractura en la sección neta de miembros a tensión. Aplastamiento en tornillos (que no sean del tipo A307). Aplastamiento en tornillos A307, aplastamiento en cimentaciones de concreto.

Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)

2.6.2 DISEÑO DE ELEMENTOS A TENSIÓN El diseño por tensión no presenta problemas de pandeo ni estabilidad interna solo se necesita calcular la fuerza factorizada que debe tomar el miembro y dividirla entre un esfuerzo de diseño para obtener el área de la sección transversal necesaria, logrando la máxima capacidad en su resistencia de acero, sin embargo el diseño de conexiones es muy importante. Para asegurar un buen comportamiento del miembro en tensión en sus conexiones se debe tener cuidado con: las áreas netas y cadenas de falla en agujeros, áreas netas efectivas y bloques de corte por misma razón de que estos elementos son aplicadas en armaduras, puentes, techos, torres de antenas y de líneas de Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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trasmisión y en arriostramientos de edificios (con el objetivo de disminuir los efectos de flexión en vigas y esbeltez de columnas). 2.6.2.1 DISEÑO POR RESISTENCIA DE MIEMBROS A TENSIÓN La resistencia de miembros de acero en tracción está definida por el estado límite, estos son: estados límites de fluencia de sección bruta y de fractura en la sección efectiva de las conexiones. El manual AISC-LRFD, especifica que la resistencia de diseño de un elemento a tensión ( tPn), será el menor de los valores indicadas de la ecuación 2.44, porque en miembros dúctiles de acero, sin agujeros sometidos a una carga de tensión puede resistir sin fracturarse a una carga mayor del producto del área de sección bruta y el esfuerzo de fluencia de acero gracias al endurecimiento por deformación pero sin embargo con agujeros para tornillos este puede fallar por fractura en la sección neta que pasa por los agujeros resultando esta carga mas pequeña que la requerida para plastificar la sección bruta alejada de los agujeros [McCormac, 2008]: 2.6.2.1.1 Fluencia. Para el estado limite de fluencia en el área total de la sección, Ag, Ag, fuera de las conexiones.

         



2.6.2.1.2 Fractura. Para el estado limite de fractura en la sección neta efectiva, Ae, Ae, en la zona de las conexiones de agujeros de tornillos o remaches tal como se detalla en la figura 2.08.

        



Donde Fu es el esfuerzo de tensión mínimo especificado y Ae es el área neta efectiva que resiste la tensión en la sección a través de los agujeros y en el caso especial para varillas y barras redondas el área neta efectiva es remplazada por Ad (área total de la varilla con base en el diámetro exterior de la rosca). Fu

F T

Estado limite de fractura

Estado limite de fluencia Sección total, Ag

Sección neta efectiva, Ae

Figura: 2.08; Estados límites de fluencia y de fractura Fuente: (Zapata, 2004-“Diseño 2004-“Diseño estructural en acero”)



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2.6.2.2 CÁLCULO DE ÁREAS NETAS Se define como el área bruta de la sección transversal menos el área de las ranuras, muescas o agujeros. Al considerar el área de los agujeros, es necesario restar un área un poco mayor que la nominal del agujero. Para tornillos de alta resistencia, es necesario incrementar el diámetro del tornillo en un octavo de pulgada , el área que se resta por agujeros es igual al área de los agujeros

por el espesor del metal. Cuando se tiene más de una hilera de agujeros para tornillos en un miembro, a veces es conveniente escalonar los agujeros a fin de tener el máximo de área neta en cualquier sección para resistir la carga. Para determinar el ancho neto del elemento (Wn) con agujeros alternados, se consid considera era el ancho total del elemento (Wg) sin tomar en cuenta la línea a lo largo donde pueda ocurrir la falla, restar el diámetro de los agujeros a lo largo de la sección

g

considerada y añadiendo por cada diagonal una cantidad ( ). Si s es el espaciamiento longitudinal o paso entre dos agujeros cualesquiera y g es el espaciamiento o gramil de dichos agujeros. 1

En caso que si la fuerza es transmitida

2 3

Wg

g D

directamente a cada uno de los elementos de la sección transversal por medio de conectores o soldadura, el área neta efectiva es igual a su

s área neta (Ae = An). 4 Figura 2.09; Agujeros alternados en conexiones sometidos a tracción

Por la concentración de esfuerzos cortantes en vecindad de una conexión en elementos sometidos a tensión, se presenta una reducción de la resistencia por tensión. Si el flujo de esfuerzos de tensión entre la sección transversal del miembro principal y la del miembro más pequeño conectada a él, no es 100% efectiva. AISC-LRFD estipula que el área neta efectiva Ae, de dicho miembro se determina multiplicando su área neta (si está atornillada o remachada) o su área total (si está soldada) por un factor de reducción U. Este factor toma en cuenta la distribución no uniforme del esfuerzo de tensión 2.6.2.2.1 Elementos Atornillados o Remachados (CAR). Si la fuerza se transmite por medio de tornillos o remaches a través de algunos, pero no de todos los elementos de la sección, el área neta efectiva Ae se determina con:

̅



Donde: , excentricidad de la conexión, L, longitud de conexión en dirección de la fuerza y coeficiente de reducción U definido por la expresión 2.46 o se toma valores facilitadas:



̅L

Pág. Nº 40



a) U = 0.90 En los perfiles W, M, S con anchos de patín no menores que 2/3 de sus peraltes y Tees estructurales cortadas de esos perfiles, siempre que la conexión sea

por los patines. Las conexiones CAR deben tener no menos de tres conectores por hilera en la dirección de la fuerza. b) U = 0.85 En los perfiles W, M, S que no cumpla con requisitos anteriores del inciso a. c) U = 0.75 en todos los miembros de conexiones CAR con sólo dos conectores por hilera en la dirección de la fuerza. 2.6.2.2.2 Elementos soldados (CSL). Si la carga se transmite por medio de soldadura a través de algunos, pero no de todos los elementos de la sección, el área neta efectiva es el producto del coeficiente de reducción por el área total del miembro, y valor de U es lo mismo de CAR, sin tomar en cuenta la especificación especificación relativa al numero de conectores:





Por otro lado si la carga se transmite por medio de soldadura transversal a algunos, pero

no de todos los elementos con perfiles W, M, S y Tees estructurales cortadas de esos perfiles, el área neta efectiva será igual al área de las partes conectadas directamente. Finalmente si la carga se transmite por medio de soldadura longitudinal longitudinal a lo largo de esta, la cual no podrá ser menor al ancho de las placas o barras, el área neta efectiva será igual U•Ag. Si: L es la longitud del cordón de soldadura y W es el ancho de la placa (distancia entre cordones), y valor de U se calcula de las siguientes relaciones: 

U = 1.00 si L  2W



U = 0.87 si 2W > L  1.5W



U = 0.75 si 1.5W > L  W

2.6.3 DISEÑO DE ELEMENTOS A COMPRESIÓN Una columna es un miembro que soporta una carga de compresión axial. Esta carga puede ser concéntrica, es decir, aplicada a lo largo del eje centroidal, o excéntrica, cuando la carga es aplicada paralelamente al eje del miembro centroidal, pero a cierta distancia del mismo. Las diferencias de miembros sometidos a tensión y a compresión son: (1) Las cargas de tensión tienden a mantener rectos o soportan las cargas sin problemas de pandeo, mientras que las de Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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compresión tienden a flexionarse hacia fuera del plano de las cargas (pandeo). (2) La presencia de agujeros para tornillos en la sección transversal de miembros a tensión, reduce el área efectiva para resistir las fuerzas, mientras en el caso de miembros a compresión (los tornillos, remaches y pernos) llenan los agujeros apoyándose en ellas a pesar la holgura que existe, se considera área total disponible para resistir las cargas. La resistencia a la carga aplicada depende de la longitud efectiva del miembro así como de la forma de su sección transversal, y la longitud efectiva depende a su vez, de los tipos de conexiones y del desplazamiento relativo de sus nudos. Los miembros en compresión sufren pandeos al crecer la carga axial de compresión, los pandeos se presenta cuando se alcanza una carga crítica denominada carga de pandeo y se debe a: Excesiva flexión alrededor de uno de los ejes de su sección transversal llamado eje critico; denominado “pandeo flexional” o pandeo de Euler , rotación alrededor del centro de corte de su sección transversal; denominado “pandeo torsional”, e xcesiva flexión combinada con rotación; denominado “ pandeo flexo-torsional ”, pandeo local ocurre cuando alguna parte de la sección

transversal de una columna es tan delgada, es decir que se pandea localmente en compresión por efectos de deformaciones excesivas. 2.6.3.1 ECUACIÓN DE EULER La base de la teoría de las columnas es la fórmula de Euler, que fue publicada en 1757 por Leonard Euler, basada en la teoría elástica

  M

. La fórmula de Euler es válida solo para columnas

largas o esbeltas que también es denominado pandeo elástico flexional de Euler, figura 2.10. P x y



P

Para que una columna se pandee elásticamente, deberá ser larga

L L

Y

y esbelta, y su carga de pandeo P es calculado con la formula de Euler [McCormac, 2008].

L

   L



π

Dónde: P, carga crítica de pandeo elástico o carga crítica de

Euler, E, módulo de elasticidad del material, material, I, momento de inercia

de la sección transversal y L, longitud del miembro. Figura 2.10; Representación típica del comportamiento de una columna por Euler De la ecuación de Euler se concluye que: L se tomará como la distancia entre los puntos de inflexión elástica, donde el momento de flexión vale cero, considerado como la longitud efectiva de Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


   I   

la columna. El radio de giro es (

Pág. Nº 42

), resolviendo esta ecuación podemos decir que el momento

de inercia (I = Ar 2), sustituyendo este valor en la ecuación 2.48, se obtiene el esfuerzo crítico de pandeo elástico o de Euler (

     

), designado con Fe en el las especificaciones especificaciones de AISC-LRFD.



2.6.3.2 LONGITUD EFECTIVA Es la distancia entre puntos de momento nulo en una columna o la distancia entre puntos de inflexión, en las especificaciones de AISC-LRFD, la longitud efectiva de una columna se denomina KL, donde K es el factor de longitud efectiva, número por el que se debe multiplicar la longitud de la columna para obtener la longitud efectiva de la columna. El valor de K depende de la restricción rotacional en los extremos de la columna y a su resistencia al movimiento lateral. [McCormac, 2008]. Tabla N° 2.11; Valores de K para columnas aisladas o factor longitud efectiva de columnas columnas a

b

0.50

0.70

Valores recomendados de diseño cuando las condiciones reales son 0.65 parecidas a las ideales.

0.80

d

e

(f)

1.00

1.00

2.00

2.00

1.20

1.00

2.10

2.00

(c)

Las líneas interrumpidas muestran la forma pandeada de la columna

Valor K teórico

Rotación y traslación impedidas Símbolos para las condiciones de

Rotación libre y traslación impedida

extremo.

Rotación impedida y traslación libre Rotación y trasl traslación ación libres

Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD” )

El concepto de longitud efectiva es un artificio matemático para remplazar una columna con cualquier condición en sus extremos por una columna equivalente con sus extremos articulados, a fin de aplicar la ecuación de Euler. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


Pág. Nº 43

Sin embargo, para pórticos continuos, no es recomendable usar los valores de K dados en la tabla N° 2.11. Para estos casos, es posible obtener K con base en un análisis matemático o utilizando los nomogramas para determinar las longitudes efectivas de pórticos continuos, de donde G es:

I oln ∑    ∑ I



 ig

Figura 2.11; Nomogramas de longitud efectiva de columnas en pórticos continuos Fuente: (Manual of Steel Construction, 2005- “AISC -LRFD” -LRFD” ).

Las recomendaciones para el uso de nomogramas son hechas por la guía SSRC (consejo de investigación investigación de estabilidad estabilidad estructural) en diferentes tipos de conexiones o restricciones: a) para la base de una columna conectada conectada en la zapata por medio de una articulación sin fricción “apoyos articulados” , G es teóricamente infinita, pero debe tomarse igual a 10 en el diseño

práctico. Si la base de la columna esta rígidamente unida a una zapata apropiada “apoyos empotrados”, G tiene a un valor teórico de cero, pero debe tomarse igual a 1.00.

b) Incrementar la longitud efectiva de las vigas en función de las condiciones de apoyo que tengan. El incremento de las longitudes de las vigas se puede calcular usando los valores de K de la tabla anterior, en los cuales K >1.0. Por otro lado existen expresiones analíticas para calcular K.



Pág. Nº 44

2.6.3.2.1 Columnas Arriostradas o Pórtico sin Desplazamiento Lateral. En pórticos arriostrados la estabilidad es controlado por elementos de arriostre por lo que la longitud efectiva será menor o igual a la longitud real, K ≤ 1.00, determinado por las expresiones:

  K          K     m  



2.6.3.2.2 Columnas no Arriostradas o Pórtico con Desplazamiento Lateral. La estabilidad del pórtico depende de la rigidez flexionante de la viga, columnas y nudos de donde la longitud de pandeo de las columnas será mayor que la longitud real, K  1.00,

 m   m    K  m   m m    m    K   m m  m m     determinado por las expresiones:

Donde:

2.6.3.3 TIPOS DE COLUMNAS Una columna sujeta a compresión axial se acortará en la dirección de la carga. Si la carga se incrementa hasta que dicho miembro se pandee, el acortamiento cesará y la columna se flexionará lateralmente torciéndose en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. La resistencia de una columna y la manera como falla, dependen en gran medida de su longitud efectiva. Mientras mayor sea la relación de esbeltez de un miembro, menor será la carga que pueda soportar y disminuye su esfuerzo de pandeo, es decir la relación de esbeltez mide la tendencia de una columna a pandearse. Si la relación de esbeltez excede de cierto valor, el esfuerzo de pandeo será menor al límite proporcional del acero. Las columnas en este intervalo fallan inelásticamente. Además se pueden clasificar en tres tipos: columnas cortas, intermedias y largas o esbeltas. Las columnas cortas fallan por aplastamiento, las columnas largas fallan por pandeo y las columnas intermedias fallan en combinación de pandeo y aplastamiento [McCormac, 2008]. 2.6.3.4 DISEÑO DE COLUMNAS SEGÚN LAS ESPECIFICACIONES AISC-LRFD El manual AISC-LRFD define, la resistencia de diseño para pandeo por flexión en miembros a compresión como: Pu ≤ c•Pn, donde, c = 0.85 (factor de resistencia a compresión), y la Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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resistencia nominal (Pn = Ag•Fcr), donde Fcr, esfuerzo unitario de pandeo elástico. Asimismo proporciona formulas para columnas largas con pandeo inelástico y una fórmula parabólica para las columnas cortas e intermedias, con los cuales se determinara determinara el esfuerzo crítico de pandeo Fcr. Fcr Fy Columnas cortas

Columnas intermedias

Pcr

Columnas largas

c = 1.50

          KL/ K L/     KL/KL/ L

L

π

FP

π

c ≤ 1.50 Pandeo inelástico

c  1.50 Pandeo elástico o de Euler

Pcr

Fi ura 22.12 .12;; Ti o de fall fallas as en ccolu olumn mnas as somet sometid idas as a fuerz fuerzaa axial axial de ccom om res resió iónn El manual AISC-LRFD recomienda las siguientes expresiones:

   *+   ásás    KL     

 

Donde:

Sin embargo el apéndice E del manual AISC-LRFD intro duce un factor de reducción “ ” para considerar el caso en que haya espesores delgados en los elementos de la sección. (Cuando las relaciones ancho-espesor de las placas constituyentes de la sección son grandes). Este factor sirve para controlar el pandeo local de los elementos de la sección de columna que pandea en el rango

     

inelástico. Para placas gruesas

y para placas delgadas

 

, resultando. Además

este no influye en el rango elástico por lo que no es modificada modificada la ecuación 2.54b:



Finalmente en diseño de elementos a compresión será multiplicada por factor de reducción de rigidez (FRR) debido a que los nomogramas fueron elaborados bajo criterios de condiciones ideales

o elásticas y la realidad dista mucho de estas condiciones por lo que las columnas fallan en el intervalo inelástico, obteniéndose K muy conservadores. Por lo que K debe corregirse de acuerdo a los siguientes criterios. En el intervalo elástico, la rigidez de la columna es proporcional a E •I, Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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mientras que en el intervalo inelástico la rigidez es más bien proporcional a Et •I, Et, módulo reducido o módulo tangente dadas en la tabla 03 del Anexo 1. 2.6.4 DISEÑO DE ELEMENTOS A FLEXIÓN Las vigas o miembros en flexión son elementos estructurales que soportan cargas transversales a su eje longitudinal. Entre los tipos de vigas están: viguetas, dinteles, largueros y vigas de piso o trabes y otros. El término trabe denota una viga grande a la que se conectan otras vigas de menor tamaño, conocido como viga principal en edificaciones y trabes armas o trabes de planchas en puentes o para claros considerables. considerables. Los perfiles W son por lo general, las secciones más económicas para vigas y tienen una mayor cantidad de acero conectados en sus patines que las vigas S, por lo que posee mayor momento de inercia (teorema de Steiner) y momentos resistentes para un mismo peso, además de que son relativamente anchos y tienen una rigidez lateral considerable. También se usan canales como largueros en cubiertas aligeradas y cuando los claros que tiene que cubrir no son muy grandes. Otro tipo de vigas utilizada comúnmente para soportar losas de piso y techo son las armaduras ligeras de cuerdas paralelas (Joist beam) Resulta muy económica para grandes claros y cargas ligeras. 2.6.4.1 COMPORTAMIENTO DE VIGAS A FLEXIÓN Como se sabe por mecánica de materiales que el comportamiento de una viga esta sujeta a momento flector y al esfuerzo cortante dando lugar a las deformaciones de una viga en sus diferentes puntos de comportamiento comportamiento como es el caso de la figura 2.13. Y

 M

σ



T

Fb

X

C M

E.N

 M 

=

X

y

C

M

y ε

Fig. 2.13; Representación típica del comportamiento real de una viga 2.6.4.1.1 Esfuerzo de Flexión o Diseño Elástico. El esfuerzo de flexión en una viga esta sujeta a momento flexionante, el esfuerzo en cualquier punto de la sección transversal se puede Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


calcular con la expresión (

Pág. Nº 47

  

); esta expresión es aplicable cuando el esfuerzo

máximo calculado es menor al límite elástico. El momento de fluencia My de una sección transversal se define como el momento para el cual empiezan a fluir las fibras extremas de la sección y es igual al esfuerzo de fluencia por el modulo de sección elástica (My = S •Fy) [McCormac, 2008]. P1

Fb

P

P2

M

=

X RA

y

C y

M

V

Figura 2.14; Diagrama Diagrama de esfuerzo cortante cortante de un miembro en flexión El diagrama mostrada en la figura 2.14, asume una hipótesis básica de la teoría elástica; el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria es decir que el esfuerzo es lineal debido a que las cargas son pequeñas, pero en la vida real no ocurre esto. Por lo que es incrementado la carga progresivamente progresivamente en acero dúctil mas allá del momento de fluencia, proporcionado momentos adicionales por las fibras mas cercanas al eje neutro para mantener en estado de fluencia de donde el módulo de sección elástica alrededor del eje

M   I M M       /          mayor es (

), y el esfuerzo máximo de flexión se obtendrá con la expresión.



Donde: C, distancia perpendicular del eje neutro a la fibra extrema, S es el módulo de

sección elástico, elástico, para secciones simétricas se debe centrar centrar con d/2 valores para las fibras superiores e inferior; en los que debe cumplir ( Fb ≤ Fy) y (Mn ≤ My). 2.6.4.1.2 Momento Plástico. El momento plástico es el momento que producirá una plastificación completa en una sección transversal del miembro creándose ahí mismo una articulación plástica, es decir cuando la fibra superior e inferior de distribución de esfuerzos ha alcanzado la etapa de distribución plástica, se dice que se ha formado una articulación plástica, ya que no puede resistir en esta sección ningún momento adicional. Cualquier momento adicional aplicado en la sección causaría una rotación en la viga con un pequeño incremento del esfuerzo, definida por la expresión [McCormac, 2008].



MM  MM  M   

Dónde: (

Pág. Nº 48

 p  S  

), Modulo de sección plástico. La relación del momento plástico Mp

al momento elástico o de fluencia My se denomina factor de forma (

),), estos

factores pueden ser igual a 1.50 para secciones rectangulares y varía de 1.10 a 1.20 para secciones W (perfil laminado estándar). Para alcanzar Mp se requiere gran rotación concibiendo las rotulas plásticas los que serán estudiadas a partir de distribución de esfuerzos de compresión y de tensión tal como se muestra en la figura 2.15. Fy

Articulación plástica

P1

C=Ac Fy •

=

Área de fluencia

̅

a T=Ac Fy •

Figura 2.15; Articulación plástica en una viga por la presencia de la carga concentrada Si: Ac, At; son los áreas de compresión y de tensión de la sección transversal, y por

̅ M M     M

equilibrio de esfuerzos se deduce: Fc = Ft  Ac•Fy = At•Fy entonces Ac = At, y el eje neutro plástico

divide a dos secciones transversales iguales en perfiles simétricos

respecto al eje de flexión, los ejes neutros elástico y plástico es el mismo, el momento plástico Mp es el par resistente formado por las dos fuerzas iguales y opuestas.



Dónde: A es el Área total de la sección, a es la distancia entre los centroides de los dos medias áreas (C y T). 2.6.4.2 DISEÑO DE VIGAS POR MOMENTOS (AISC-LRFD)

En diseño de vigas, con secciones compactas* para diferentes condiciones de soporte lateral en los patines a compresión. Primero se supondrá, que las vigas tienen soporte lateral continuo en sus patines a compresión pandeándose plásticamente, posteriormente se incrementará la separación entre soportes laterales a intervalos cortos pandeándose inelásticamente y finalmente se supondrá, que las vigas están soportadas a intervalos cada vez más grandes o sin soporte lateral pandeándose elásticamente, figura 2.16, muestra una curva típica de momentos de pandeo en función de la longitud del soporte lateral. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


Mp

Pág. Nº 49

CASO 1; Análisis plástico permitido Mn=Mp (Mn vs Lb) y (Mn vs )

CASO 2: Mr

Análisis plástico no permitido Mn=Mp CASO 3 o 4; comport. Inelástico

CASO 5; Comportamiento Comportamiento Elástico

Lpd Lp = p Lr = r Sección compacta Sección no compacta Sección esbelta – pandeo elástico –pandeo inelástico –pandeo plástico Figura 2.16; Momento Mn en función de Lb sin apoyo lateral del patín a compresión

Lb = 

Fuente: (Zapata, 2004-“Diseño 2004-“Diseño estructural en acero”)

El manual AISC-LRFD define, la resistencia de diseño a flexión por el estado límite de fluencia (para vigas compactas con o sin arriostre lateral o no compactos), es decir el momento último es igual a (Mu ≤ b•Mn), donde, b = 0.90 (factor de resistencia a flexión), Mn = Mp ≤ 1.2 0•My  Zx•Fy ≤ 1.20•Sx•Fy (resistencia nominal en flexión) y Mu resistencia requerida para el diseño a flexión. A continuación se describe los cinco casos de la figura 2.16, la resistencia nominal en función de sus tres intervalos de pandeo y la longitud de soporte lateral, para la resistencia el pandeo lateraltorsional y el pandeo local: Caso 1: Cuando se alcanza Mp con largas deformaciones en las rotulas plásticas (R>3.0), la sección debe ser compacta es decir que las relaciones ancho-espesor del ala (bf/2tf) y del alma (hc/tw) no deben exceder p ( ≤ p); siendo aplicable al diseño plástico en acero.

  L   ss  ff   h Mn  M M L  ss



Caso 2: Cuando se alcanza el momento plástico (Mn = Mp) pero con relativamente pequeña rotación (R<3.0), sin pandeo lateral-torsional (PLT). La sección debe ser compacta para prevenir el pandeo local, es decir

≤ p. Asimismo Lb ≤ Lp cuando Cb = 1.00.



Caso 3: Cuando el pandeo lateral-torsional de secciones compactas puede ocurrir en el rango

inelástico (MP > Mn ≥ Mr), No debe existir posibilidad de pandeo local, es decir  ≤ p entonces la

resistencia nominal en flexión es: Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


Pág. Nº 50

MM 〈MM MM〉 LL LLM



Dónde: Mr = Sx •(Fy - Fr), (momento del pandeo limite), Fr, esfuerzo residual en compresión del patín, Lb, longitud sin soporte o arriostre lateral del patín en compresión, para prevenir la torsión de la sección recta. La longitud Lr se obtiene igualando Mr a Mcr (frontera de comportamiento elástico e inelástico) dada por la expresión:

                     LL               {         *  h   h++ I     

Donde: E, modulo de elasticidad del acero, modulo de elasticidad al corte ( de torsión (

),), constante

), para secciones circulares macizas o huecas es igual

a su momento de inercia polar, constante de alabeo (

) de perfiles tipo W, esfuerzo

de compresión residual en el patín Fr (10.0 Ksi y 16.5 Ksi en perfiles laminados y soldados respectivamente).

Caso 4: Estado limite general cuando la resistencia nominal de momento Mn ocurre en el rango inelástico (Mp  Mn  Mr). AISC-LRFD da ecuaciones ecuaciones de resistencia resistencia nominal:

h        MM MM MM  MM 〈MM MM〉  M  L⁄ L⁄ L⁄

Para el estado límite de pandeo local del alma (

) y del patín (

Y para el estado límite de pandeo lateral-torsional lateral-torsional (Lp  Lb ≤ Lr):

Donde: (

), (

) y (

  ff  

):):

 

). Finalmente el factor de modificación de

momentos y siempre en cuando la carga aplicada sea uniforme sobre la longitud no soporta Lb,

  M  MM M  M    M M    MM  M⁄M 

entonces la gradiente de momentos se calcula con la expresión:

Para considerar la gradiente de momento cualquiera sea el tipo de curvatura, se calculara Cb en función de los momentos de sus extremos con la expresión:



M  M   M/M  M/M Donde: (

Pág. Nº 51

), son los momentos en los extremos de la viga. Si M 1 o M2 = 0, la relación

. La relación

es positivo cuando se presenta curvatura doble y negativo

cuando se presenta curvatura simple, Cb = 1 para vigas en vuelo sin soporte lateral.

Casos 5: Estado limite general donde la resistencia nominal Mn iguala la resistencia del pandeo elástico Mcr: (Mn = Mcr = Sx •Fcr ≤ Mp), Lb  Lr o cuando el pandeo local de ala y alma no exceden

r, y para secciones I con simetría doble y canales, se determina con la siguiente expresión:

   MM L    L        √ √   l  MM        M

  

Por otro lado si un elemento no atiesado es una pieza proyectante con un borde libre, paralelo a la dirección de la fuerza de compresión, en tanto que un elemento atiesado está soportado a lo largo de los dos bordes en esa dirección. En función de la relación ancho-espesor del miembro y de sí éstos están atiesados o no, los elementos se pandearán bajo diferentes condiciones de esfuerzo: 2.6.4.2.1 Secciones Compactas. Es aquella con un perfil lo suficientemente fuerte para que sea capaz de desarrollar una distribución total de esfuerzos plásticos antes de pandearse. El término plástico significa que en todas las secciones tiene presente el esfuerzo de fluencia. Para que un elemento se clasifique como compacto, sus patines deben estar conectados en el alma o almas en forma continúa y la relación ancho-espesor de sus elementos a compresión deben ser menores que p, dados por la Tabla N° 2.12. 2.6.4.2.2 Secciones No Compactas. Es aquella en la que el esfuerzo de fluencia puede alcanzarse en algunos, pero no en todos sus elementos a compresión compresión antes de que ocurra el pandeo, no es capaz de alcanzar una distribución plástica de esfuerzos total. Las secciones no compacta son aquellas con relación ancho-espesor mayores que p pero menores que r. 2.6.4.2.3 Elementos Esbeltos a Compresión. Estos elementos tienen relaciones ancho-espesor mayor que r y se pandearán elásticamente antes de que se alcance el esfuerzo de fluencia en cualquier parte de la sección. Para estos elementos es necesario considerar resistencias al pandeo elástico. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


Pág. Nº 52

Tabla N° 2.12; Límite Ancho-Espesor para Elementos a Compresión [AISC-LRFD, 2005] Relaciones Limite Ancho-Espesor p Compacta r No Compacta

Descripción de elementos

ff       ff             **+ +     *   +          ff    ⁄ ⁄  ⁄ f  ff     ff  f   ⁄k  ⁄k f   ff   ff   

Patines de cajones rectangulares o cuadrados y secciones estructurales huecas con espesor uniforme sujetos a flexión o compresión; patines de cubre placas y placas diafragma entre líneas de sujetadores o soldadura. s o d a s e i t A s o t n e m e l E

Anchos de cubre placas sin soporte perforados con una sucesión de agujeros de acceso [b].

NA

Almas en Flexo-compresión [a]. Almas en compresión combinados.

flexión y axial

[c]

Si:

[g]

[c] [c]

Si:

[g]

Cualquier otro elemento atiesado uniformemente comprimido, i. e. soportado a lo largo de dos bordes.

NA

Secciones circulares huecas:  En Flexo-compresión o compresión axial  En flexión.

NA [d]

[c]

Patines de vigas I laminadas y de canales a flexión.

[e]

[f]

Patines de vigas I híbridas o soldadas en flexión. s o d a s e i t A o N s o t n e m e l E

Patines proyectantes de miembros armados a compresión. Pares de alas de ángulos sobresalientes en contacto continuo, patines de canales en compresión axial, ángulos y placas proyectantes de vigas o miembros a compresión. Puntales en alas de ángulos simples, puntales en alas de ángulos dobles con separadores, elementos no atiesados como elementos soportados solo en un borde. Almas de Tees.

NA

[f]

NA

NA

NA

[a] Para las vigas híbridas, use el esfuerzo de fluencia en patín (Fy )f f en lugar de Fy. [b] Se asume área neta de placas en el agujero más ancho. [c] Asume una capacidad de rotación inelástica de 3. Para las estructuras en zonas de sismos altos, puede ser necesaria u na mayor capacidad de rotación. [d] Para el diseño plástico use ( ). [e] Esfuerzo de compresión residual en el ala o patín use: 10.00 Ksi para perfiles laminados y 16.50 Ksi para perfiles soldados.

  ⁄

[f] (

 ⁄

), pero no menos de: de : 0.35 ≤ 0.35 ≤ kc ≤ kc ≤ 0.763.

[g] Para miembros con patines desiguales, vea el Apéndice B5.1, Fy es el esfuerzo mínimo de fluencia especificado de acuerdo al tipo de acero que se usa. Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)



Pág. Nº 53

2.6.4.3 DEFLEXIONES Las deflexiones de las vigas de acero se limitan generalmente a ciertos valores máximos. Algunas de las buenas razones para limitar las deflexiones son las siguientes: Las deflexiones excesivas pueden dañar los materiales unidos o soportados por las vigas consideradas, las grietas, las deformaciones deformaciones excesivas no inspiran confianza en las personas que utilizan una estructura, aunque exista una completa seguridad desde el punto de vista de la resistencia. Por tal razón en términos generales se pueden usar deflexiones máximas de L/300 hasta L/360 para edificaciones según AISC-LRFD resultantes de las condiciones de cargas actuantes: Para una viga simplemente apoyada con carga uniformemente distribuida:

 L m   L m 

Para una viga simplemente apoyada con una carga puntual en el centro del claro:

 

2.6.4.4 FUERZA CORTANTE La resistencia por fuerza cortante de una viga debe ser suficiente para satisfacer la relación (Vu ≤

v•Vn), además de la mecánica de materiales sabemos que el esfuerzo cortante es (fv = VQ/Ib). Donde: V, fuerza cortante externa, Q es el momento estático respecto al eje neutro de la parte de la sección transversal situada arriba o abajo del nivel en que se busca el esfuerzo fv y bf, ancho de la sección al nivel del esfuerzo que se busca [McCormac, [ McCormac, 2008].

M RA

   

tf

P

V

v

y

τ

d

x

tw hc



tf bf

 

Figura 2.17; Representación esquemática del diagrama de esfuerzo de corte De acuerdo a la teoría de la “energía de distorsión” y de la figura 2.17 el esfuerzo de fluencia al

corte ( = Vn/Aw) es igual al esfuerzo de fluencia (Fy) de tensión o compresión divido por 3, es decir equivalente al 60% del esfuerzo de fluencia (Vn = 0.60 •Fy•Aw), donde el área del alma (Aw), es igual al peralte total de la sección o solo del alma (d o hc), para vigas laminadas o soldadas respectivamente, respectivamente, multiplicado por el espesor del alma (tw). Según las especificaciones especificaciones AISC-LRFD Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


Pág. Nº 54

y RNE. E-090, se presenta tres casos de fallas y esta será verificada por la expresión de la cortante nominal (Vn = 0.60 •Fy•Aw): 1. Fluencia del alma; todos los perfiles W y C del manual AISC-LRFD queda en esta clasificación; siempre en cuando no exceda la expresión ( v•Vn = v•0.60•Fy•Aw):

     (  s)     





2. Para secciones con relación ancho-espesor en su alma mayor al límite antes indicado, se espera que ocurran pandeos inelásticos o elásticos, donde los esfuerzos deben reducirse con la relación del esfuerzo crítico de pandeo del alma al esfuerzo de fluencia del material del alma para prevenir los problemas ya citados: Pandeo elástico del alma:

           ⁄  k                [ ]  h   h  h⁄  ⁄h

Pandeo inelástico del alma:





Donde: Fyw es el esfuerzo mínimo especificado de fluencia del alma,  = 0.90 y la constante (

), donde k = 5 si (

)o(

), a, distancia entre atiesadores o

rigidizadores rigidizadores transversales del alma, h (distancia libre entre alas menos el radio de la esquina o filete para perfiles laminados) o (distancia libre entre alas para perfiles soldados). 2.6.5 DISEÑO DE ELEMENTOS A FLEXO-COMPRESIÓN Los miembros flexo-comprimidos son elementos estructurales sometidos a la acción simultánea de fuerzas normales de compresión y momentos flexionantes, que pueden actuar alrededor de uno de los ejes centroidales y principales de sus secciones transversales o tener componentes según los dos ejes principales. Su importancia es fundamental, fundamental, ya que los elementos en compresión axial pura no existen prácticamente nunca en estructuras reales en las que, debido a principalmente a la continuidad entre los diversos miembros que las componen, la compresión se presenta acompañada por flexión.



Pág. Nº 55

2.6.5.1 MOMENTOS DE PRIMER Y SEGUNDO ORDEN (EFECTO: P Y P ) En diseño viga-columna se puede aplicar procedimientos numéricos iterativos, llamado método de segundo orden que es empleado para encontrar las deflexiones y los momentos secundarios, pero este procedimiento no es aplicable en un análisis analítico por lo que las especificaciones AISCLRFD establece un análisis elástico de primer orden o método de la amplificación del momento, consiste en calcular el momento flector máximo de la carga de flexión y fuerzas de primer orden (carga axial y momentos en sus extremos del miembro) por medio de un análisis de 1er orden para

 

luego multiplicar por un factor de amplificación

y

momento secundario [Segui, 2000].

del momento para tomar en cuenta el

En elementos viga-columna viga-columna de un pórtico arriostrado sometido a carga axial y momento a lo largo de su longitud no soportada, se desplazará lateralmente en el plano de flexión, resultando un momento secundario igual a la carga de compresión axial multiplicada por flexión lateral o excentricidad, es decir al momento del miembro se incrementa (Pu ) figura 2.18a, ocasionado una deflexión lateral adicional que causará un momento mayorado de tipo local (M 1 = Mnt + Pu), y en un pórtico no arriostrado también se presentan momentos secundarios adicionales por ladeo o desplazamiento lateral (Pu ) figura 2.18b, este momento se presenta en todas las columnas de un entrepiso siendo de fenómeno global expresado por (M 2 = Mlt + Pu ) [McCormac, 2008]. M

H

Pu





H

MM MnMn

δ

a)

M

Pu

b)

Pu

Pu

MM MlMl

Figura 2.18; Momentos de 1er y 2do orden en pórticos arriostrados y no arriostrados El manual AISC-LRFD especifica que el momento final (Mu) que estima los momentos de primer y segundo orden en un miembro sometido a flexo-compresión es:

MMM

     

Donde: ( ), factor de amplifica ción que toma en cuenta los efectos Pδ y ( ), factor de amplificación que toma en cuenta los efectos PΔ , Mnt es la resistencia requerida en flexión de

pórticos arriostrados (sin traslación , “nt” se refiere a “no “no traslación” del del pórtico), Mlt Mlt es el resistencia requerida en flexión de pórticos sin arriostrar (con traslación, “lt” se refiere a “traslación lateral”). Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


Pág. Nº 56

2.6.5.2 FACTORES DE AMPLIFICACIÓN Los factores de amplificación son

   y

. Con

o no el marco soportado contra el ladeo. Con

se estima el efecto Pu  para una columna, este se estima el efecto Pu  en marcos sin soporte

lateral. A continuación se presenta en sus dos casos: 2.6.5.2.1 Marcos Contraventeados ó Pórticos Arriostrados. Para pórticos arriostrados contra

 

ladeo (sin traslación de nudos por efectos de fuerzas laterales y cargas de gravedad),

   e          

(magnificador de momentos) es usado solo para amplificar los momentos Mnt:

Donde: Pu es la resistencia requerida en compresión axial del miembro y

al pandeo del Euler



, resistencia

para un marco arriostrado, c es el parámetro de esbeltez

, para el diseño se utiliza longitud efectiva (KL), es decir el factor de longitud

efectiva es K ≤ 1.0, en condición arriostrada y así mismo el radio de giro definido en el

capitulo de elementos de compresión pura se resuelve se obtiene la expresión:

I                  KK  

  I

, sustituyendo estos valores



El factor Cm basado en el análisis elástico de primer orden, aplicados únicamente a la condición arriostrada (sin traslación lateral del pórtico). Asumiendo aquellos con y sin carga transversal, cuyo valor deberá tomarse como sigue: a) Para elementos en compresión impedidos de traslación en sus juntas o ladeo y sin

Me  M   MM

carga transversal entre sus apoyos en el plano de flexión.



Donde: (M1/M2) es la relación del menor al mayor momento en los extremos de la

longitud no arriostrado en el plano de flexión (M 1≤M2), es positivo cuando el diagrama de momentos cambia de signo (doble curvatura) y es negativo cuando no cambia (curvatura simple), En caso del que M 1 = 0 o M2 = 0 la relación (M 1/M2) = 1.0.



Pág. Nº 57

b) Para elementos en compresión sujetos a cargas transversales entre sus apoyos y soportados contra traslación de nudos en el plano de carga (pórticos arriostrados), el

m         

valor de

puede determinarse analíticamente, por medio de la ecuación 2.76 y con

el apoyo de la tabla N° 2.13, en diferentes condiciones de extremo:



Tabla N° 2.13; Factor Cm, para diferentes condiciones de carga y apoyos Sistemas de cargas 1 2

M

M

P

P W P

P L/2

3

4 5 6 7

q

P

P W P

P W

P

P L/2

q

P

P L/2

q

P MA

P W

8 P

MA  MB

MB

Cm Momento [+]

Cm Momento [-]

1+0.2

-

1.00

-

+

1 - 0.2

-

+

1 - 0.3

1 - 0.4

1 - 0.4

1 - 0.4

1 - 0.4

1 - 0.3

1 - 0.6

1 - 0.2

1 + 

P

No disponible

Momento Flector de Primer Orden Mm +

Mm

Mm -

+ -

Mm

+

+

-

-

+

Mm Mm

Mm

+ Mm

Fuente: (Zapata, 2004-“Diseño 2004-“Diseño estructural en Acero” )

Por otro lado el manual AISC-LRFD, para miembros cargadas transversalmente, recomienda el empleo de los siguientes valores: 

Cm = 0.85; Para elementos cuyos extremos restringidos contra rotación en el plano de flexión (conexiones empotrados). Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho




Pág. Nº 58

Cm = 1.00; Para elementos cuyos extremos no restringidos contra rotación en el plano de flexión (conexiones (conexiones articulados).

2.6.5.2.2 Marcos no Contraventeados ó Pórticos Sin Arriostramiento. En cambio, un pórtico sin arriostramiento de los nudos, depende enteramente de la capacidad flexionante de sus elementos, vigas y columnas así como de rigidez de sus nudos, para su estabilidad y el control de la magnitud de los desplazamientos laterales entre nudos. Por lo tanto, un pórtico sin arriostramientos, requiere un análisis especial. Hu

Pu Mtl1

1

1u

Pu 1´

Pu 1 2u B2Mtl1

Hu

Ls

Ls Hu Mtl2

Pu

Por Equilibrio Mlt1+Mlt2=HuLs 2´ B2Mtl2 2 Pu

Hu

Pu 1´

Por equilibrio B2(Mlt1+Mlt2) =Hu.Ls+Pu

2´ 2 Pu

Pu b Anál Anális isis is de se undo undo orde ordenn

a) Análisis de primer orden Figura 2.19; Análisis esquemático de pórticos no arriostrados lateralmente

M  M    L     ∑  ∑   ∑  L         MM M  L M∑M 

Por equilibrio; Análisis de primer orden: M=0: ( desplazamiento desplazamiento lateral

). La deflexión del

figura 2.19a, causa que la carga de gravedad

actué con

una excentricidad y el momento de la fuerza lateral Hu•Ls, es incrementado por

es decir el momento actuante es horizontal a

, que incrementara el desplazamiento

como se muestra en la figura 2.19b.

El momento final de equilibrio (incluido el efecto P- ∆); Análisis de segundo orden: M=0: (

). AISC-LRFD define

amplificación y los momentos

como el factor de

son los momentos primarios resultantes de un

análisis bajo cargas factorizadas, sustituyendo la ecuación de momento de primer orden

  L ∑L  

en la ecuación del momento de segundo orden y resolviendo se tiene:



En la figura 2.19a se observa que hay una proporcionalidad entre Hu y el desplazamiento que se expresa:

= β•Hu siendo β el factor de proporcional idad, y la carga

amplificada equivalente en la figura 2.19b es el momento amplificado dividido por Ls. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


   ∑   + ∑*             ∑∑    *+    ∑∑e      *+ h⁄L h Carga equivalente lateral es igual a

, y sustituyendo

despejando  :

Pág. Nº 59

   

, también es expresado como: por •Hu se tiene:

Finalmente esta expresión es llevada al

factor de amplificación del momento en pórticos no arriostrados en donde Hu es la fuerza

cortante en el entrepiso:

, obteniéndose las siguientes expresiones:

 

Donde: Pu, es la resistencia axial necesaria de compresión del entrepiso sujeto a

desplazamiento lateral, ( 



) representa la distorsión relativa de entrepiso en estudio,

deformación lateral del piso cuando actúa la carga Hu, H es la suma de todas las

h

fuerzas horizontales de piso que producen  , L altura del entrepiso y

  

.

2.6.5.3 DISEÑO DE ELEMENTOS A FLEXO-COMPRESIÓN SEGÚN AISC-LRFD Para fines de diseño, es recomendable diseñar los miembros verticales de tal manera que se cumpla la condición que la suma de los momentos en los extremos de la viga no serán menor que 1.5 veces la suma de los momentos en los extremos de las columnas que concurren en el nudo ΣMcol.  1.5ΣMvig. Esto con el fin de garantizar el criterio de “columna fuerte y viga débil” en el

diseño sismorresistente sismorresistente de edificios. El manual AISC-LRFD recomienda para diseño de elementos a

     M M  M M      M M  M M  M  Mn  Ml

flexo-compresión (sometidos a flexión más la carga de compresión axial) el método LRFD:

 

 

Dónde: Pu, resistencia requerida a compresión axial, Pn es la resistencia nominal a la compresión,

Mux y Muy son la resistencia requerida a flexión alrededor del eje “X e Y”, incl uido los efectos de

segundo orden

, Mnx y Mny, resistencias nominales a flexión, c = 0.85,

factor de diseño a compresión axial, b = 0.90, factor de diseño para miembros a flexión.



Pág. Nº 60

2.6.6 DISEÑO DE CONEXIONES El comportamiento de las conexiones es muy importante y complejo, resultando imposible describir por medio de formulas ya sean sencillas o complejas. De hecho, las formulas obtenidas de manera analítica deben ser adecuadas con pruebas experimentales para tener resultados más seguros y satisfactorios. satisfactorios. Lamentablemente, en la mayoría de los casos se deja al fabricante de las estructuras el diseño de las conexiones y los ingenieros calculistas no le dan la importancia requerida. Además, las pruebas de laboratorio han demostrado que las fallas se originan en las conexiones y no en los miembros estructurales. Los tipos de conexiones son: atornilladas y soldadas, esta última con mayor detalle será estudiada en este proyecto de investigación. investigación. Las especificaciones especificaciones AISC-LRFD define en función de la rigidez que transmiten, las conexiones se clasifican en simples o extremo articulado (extremo libre o pórtico no continuo), en donde el momento resistente que se desarrolla en la conexión es prácticamente cero; las conexiones rígidas o extremo empotrado (pórtico continuo), donde se toma en cuenta la presencia de momento en la conexión evitando la rotación de nudo y las conexiones semi-rígidas que es una combinación de las dos anteriores. 2.6.6.1 CONEXIONES ATORNILLADAS El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos, es un proceso que es relativamente rápido y requiere mano de obra “menos especializada” que cuando se trabaja con soldadura o

remaches. Los dos tipos de tornillos que se emplean para las conexiones de miembros estructurales son los tornillos ordinarios (A307) y los tornillos de alta resistencia (A325 y A490), figura 2.20.

Figura 2.20; Esquema típica del tornillo de conexiones atornilladas atornilladas Fuente: (Zapata, 2004 “Diseño estructural en Acero”)

Los tornillos A307 son fabricados en acero de bajo carbono y en grado A y B con una resistencia mínima a la tensión de 60 Ksi y una resistencia máxima a la tensión de 100 Ksi para los tornillos de grado B. Se usan para estructuras sometidas a cargas gravitacionales y no son adecuados para cargas vibratorias o de impacto. En cambio las de alta resistencia se fabrican a base de acero al Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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carbono tratado térmicamente y aceros aleados, su resistencia a la tensión es de más del doble de los tornillos ordinarios. La resistencia mínima a tensión en los tornillos A325 es de 105-120 Ksi y para los tornillos A490 es de 150 Ksi, se usan para cualquier tipo de estructuras. Los tornillos de alta resistencia pueden apretarse hasta que alcanzan esfuerzos de tensión muy altos, de manera que las partes conectadas queden afianzadas entre la cabeza del tornillo y la tuerca de apriete, lo que permite que las fuerzas fuerzas se transfieran por fricción fricción [McCormac, [McCormac, 2008]. 2.6.6.2 CONEXIONES SOLDADAS La soldadura es un proceso en el que se unen partes metálicas mediante el calentamiento de sus superficies a un estado plástico, permitiendo que las partes fluyan y se unan con o sin la adición de otro metal fundido. 2.6.6.2.1 Ventajas de la Soldadura: Las estructuras soldadas permiten eliminar un gran porcentaje de las placas de unión y empalme, tan necesarias en las estructuras con sujetadores, así como la eliminación de sus cabezas, en algunas estructuras es posible ahorrar hasta un 15% o más de peso de acero usando soldadura. Tiene una zona de aplicación mucho mayor que los remaches o los tornillos, por ejemplo, una columna de tubo de acero y las dificultades que representaría conectarla con otros miembros de acero con sujetadores. Las estructuras soldadas son estructuras un poco más rígidas, porque los miembros por lo general están soldados directamente directamente uno a otro. El proceso de fusionar las partes por unir, hace a las estructuras realmente realmente continuas, esto se traduce en la construcción de una sola pieza y puesto que las juntas soldadas son tan fuertes o más que el metal base, no debe haber limitaciones a las uniones y Se usan menos piezas y, como resultado, se ahorra tiempo en detalle, fabricación y montaje de la obra. 2.6.6.2.2 Desventajas de la soldadura. Los sismos recientes han demostrado que las conexiones soldadas tienen poca capacidad de deformación, lo que la hace poco segura ante cargas que produzcan fatiga en las conexiones de miembros estructurales importantes. La revisión de las conexiones soldadas no es muy sencillo con al resto. 2.6.6.3 TIPOS DE SOLDADURAS ESTRUCTURALES Existen dos tipos principales de soldaduras, con gas y con arco. En soldadura por arco se forma un arco eléctrico entre las piezas a soldarse y el electrodo. El arco es una chispa continua, entre el Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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electrodo y las piezas, provocando la fusión. La resistencia del aire o gas entre el electrodo y las piezas que se sueldan convierten la energía eléctrica en calor, que varía de 3,200 a 5,500°C. A medida que el extremo del electrodo se funde, se forman pequeñas gotitas o globulitos de metal fundido, forzadas por el arco hacia las piezas por unir, penetrando en el metal fundido para formar la soldadura. El grado de penetración se puede controlar con la corriente consumida. Puesto que las gotitas fundidas de los electrodos, en realidad son impulsadas en la soldadura de arco puede usarse con éxito en trabajos en lo alto. El acero fundido en estado líquido puede contener una cantidad muy grande de gases en solución, y si no hay protección contra el aire circundante, aquel puede combinarse químicamente con el oxígeno y el nitrógeno; después de enfriarse, las soldaduras quedarán relativamente porosas debido a pequeñas bolsas formadas por los gases. Esas soldaduras son relativamente frágiles y tienen mucha menor resistencia a la corrosión. Una soldadura debe protegerse utilizando un electrodo recubierto de ciertos compuestos minerales. El arco eléctrico hace que el recubrimiento se funda, creando un gas inerte o vapor alrededor del área que se suelda. El vapor actúa como un protector alrededor del metal fundido y lo protege de quedar en contacto directo con el aire circundante. El tipo de electrodo puede afectar las propiedades de la soldadura como; resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión. Los electrodos se dividen en dos, electrodos con recubrimiento ligero y los electrodos con recubrimiento pesado. Electrod Charco fundido Escoria

Recubrimiento extruido Gas rotector

Electrodo Fundente Escoria

Charco fundido Metal base

Arco

Metal Arcoo met Arc metáli álico co rote rote ido Figura 2.21; Tipos de soldadura en arco metálico

Tubo fundente

Metal soldado Arco metálico metálico sumer sumer ido SAS

Fuente: McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”

El proceso de soldadura de arco sumergido (SAS) proporciona una mayor penetración que el proceso de arco protegido (SAP). Por tanto, se puede emplear un área de garganta mayor en las soldaduras hechas mediante el proceso de arco sumergido. El manual AISC-LRFD establece que el espesor de la garganta efectiva para filetes hechos con el proceso SAS con lados de 3/8” o

menores, será igual al lado del filete. Para filetes mayores a 3/8”, el espesor de la garganta efectiva será igual al espesor teórico de la garganta más 0.11 pulgadas. Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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2.6.6.3.1 Soldadura al Arco con Electrodo Protegido. Aquí el calor derrite la varilla protegida, que es de acero con un recubrimiento que rodea al electrodo, y este origina CO alrededor del material recién depositado, que impide el paso del oxígeno hacia la soldadura, formando CO2. El recubrimiento del electrodo es una mezcla de celulosa, carbonatos y aleaciones que previamente se muelen y luego se cocinan para secarlos y pegarlos al electrodo, evitando oxidación del material, donde se produce una costra depositada encima de la soldadura mantiene el cordón fuera del contacto del oxígeno del aire mientras se va EABXX, donde E significa electrodo enfriando. Las especificaciones ASTM, define como EABXX, protegido, AB corresponden a los números de la resistencia mínima a tensión o a fractura en Ksi y los dígitos restantes XX identifica el tipo de corriente, polaridad o la posición. Tamaño Nominal del Electrodo Protegido in (pulgada) mm 1/8” 3.1750 3/16” 4.7625 ¼” 6.3500 5/16” 7.9375 3/8” 9.5250 7/16” 11.1125 ½” 12.7000 9/16” 14.2875 5/8” 15.8750 11/16” 17.4625 19.0500 ¾”

Tabla Nº 2.14; Resistencia de Diseño al Corte de la Soldadura E60XX E70XX kip/in ton/cm kip/in ton/cm 2.38 0.412 2.77 0.480 3.58 0.667 4.18 0.779 4.77 0.800 5.57 0.934 5.97 1.068 6.96 1.245 7.16 1.214 8.35 1.416 8.35 1,494 9.74 1.743 9.54 1.634 11.14 1.914 10.74 1.921 12.53 2.242 11.93 2.135 13.92 2.491 13.12 2.348 15.31 2.734 14.32 2.563 16.70 2.988

2.6.6.3.2 Soldadura al Arco Sumergido. El electrodo es una varilla desnuda continua de acero. El arco se efectúa dentro de una capa gruesa de fundente que es un polvo inerte que aísla la soldadura de la atmósfera para que no se oxide. Este polvo se retira con una aspiradora y se guarda para otra ocasión. Este proceso es adecuado para máquinas automáticas o semiautomáticas, pero tiene el inconveniente que sólo realiza soldaduras "planas", si no el fundente se derrama. Los electrodos son designados por el prefijo F seguido por dos dígitos que indican Fu (esfuerzo de fractura del material depositado) y luego por EXXX que designa el tipo de electrodo que se trata. Tamaño Nominal del Electrodo Sumergido in (pulgada) mm 1/8” 3.1750 3/16” 4.7625 ¼” 6.3500

Tabla Nº 2.15, Resistencia de Diseño al Corte de la Soldadura E60XX E70XX kip/in ton/cm kip/in ton/cm 3.38 0.585 3.94 0.682 5.06 0.943 5.91 1.102 6.75 1.132 7.88 1.322



5/16” 3/8” 7/16” ½” 9/16” 5/8” 11/16” ¾”

7.9375 9.5250 11.1125 12.7000 14.2875 15.8750 17.4625 19.0500

8.44 10.13 11.32 12.51 13.71 14.90 16.09 17.29

1.582 1.813 2.026 2.239 2.453 2.666 2.879 3.094

Pág. Nº 64 9.84 11.31 13.21 14.60 15.99 17.38 18.78 20.17

1.761 2.113 2.364 2.613 2.861 3.110 3.361 3.610

2.6.6.4 TIPO DE JUNTAS SOLDADAS Los tipos de juntas básicas se muestran en la figura 2.21 donde prima la forma en que se unen las piezas o también se puede clasificar de acuerdo al tipo de juntas tales como: a tope, traslapada, en tee, de canto o borde, de esquina. A To e Tras Trasla la ada ada

Te

De borde

De es uina uina

Figura 2.22; Tipos de juntas soldadas Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)

2.6.6.5 TIPO DE SOLDADURAS Dentro de estas tenemos dos tipos de soldadura son las soldaduras de filete y de ranura. Además existen las soldaduras de tapón y de muesca que no son comunes en el trabajo estructural. Soldadura de filete

Soldadura de muesca Soldadura de filete

Soldadura de tapón Soldadura de ranura

Figura 2.23; Clasificación de la soldadura Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)

Las soldaduras de filete han demostrado ser más débiles que las soldaduras de ranura; sin embargo, la mayoría de las conexiones estructurales se realizan con soldaduras de filete. Las soldaduras de ranura se usan cuando los miembros que se conectan están alineados en el mismo plano. Una soldadura de tapón es una soldadura circular que une dos piezas en una de las cuales se hacen la o las perforaciones necesarias necesarias para soldar. Una soldadura de muesca es una soldadura formada en una muesca o agujero alargado que une un miembro con otro a través de la muesca. La soldadura puede llenar parcial o totalmente la muesca. Estos tipos de soldadura se utilizan cuando Bach. Cristóbal Jiménez Jiménez Mucho


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los miembros se traslapan y no se tiene la longitud de filete de soldadura. Las soldaduras de tapón y de muesca no se consideran en general adecuadas para transmitir fuerzas de tensión perpendiculares a la superficie de contacto. 2.6.6.5.1 Soldaduras de ranura. Cuando la penetración es completa y las soldaduras de ranura están sujetas a tensión o compresión axial, el esfuerzo en la soldadura se supone igual a la carga, dividida entre el área transversal neta de la soldadura. No es necesario preparar para unir material relativamente delgado menores a 5/16” de espesor. A medida que el material es más grueso, es necesario usar soldaduras de ranura en V y en doble V, es decir los miembros se biselan o preparan antes de soldar, para facilitar la penetración total de la soldadura. Es indudable que el refuerzo origina soldadura de ranura más fuertes, cuando van a estar sujetas a cargas estáticas. Sin embargo, cuando la conexión va a estar a cargas vibratorias y cíclicas, el refuerzo no resulta tan satisfactorio porque las concentraciones de esfuerzos parecen desarrollarse en el refuerzo y contribuyen a una falla más rápida (falla frágil). Para tales casos, una práctica común es suministrar suministrar refuerzo y luego rebajarlo enrasándolo con el material conectado [McCormac, 2008]. Cuando no se requieren secciones completas de soldaduras se les denomina soldaduras de penetración parcial. Las soldaduras de ranura brindan esfuerzos residuales más altos y las preparaciones de biselado o empalmado de los bordes de los miembros por unir son muy costosos para su ensamblaje en la obra. 2.6.6.5.2 Soldadura de Filete. Se ha demostrado que las soldaduras de filete son más resistentes a la tensión y a la compresión que al corte, de manera que los esfuerzos determinantes en soldaduras de filete que se establecen en las especificaciones para soldadura, son esfuerzos de corte. Cuando sea práctico usar soldadura de filete es conveniente arreglar las conexiones de modo que estén sujetas únicamente a esfuerzos de corte, y no a la combinación de corte y tensión o de corte y compresión. Cuando las soldaduras de filete se prueban a la ruptura, parecen fallar por corte en ángulos de aproximadamente 45° a través de la garganta. Por tanto, su resistencia se supone igual al esfuerzo de corte permisible por el área teórica de la garganta de soldadura. Para el filete de 45° o de lados iguales, el grueso de la garganta es de 0.707 veces el tamaño de la soldadura, pero tiene diferentes valores para soldaduras de filete de lados desiguales.



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2.6.6.6 DISEÑO DE LAS SOLDADURAS POR METODO AISC-LRFD El esfuerzo en una soldadura se considera igual a la carga P dividida entre el área de la garganta efectiva de la soldadura. En las soldaduras, el material del electrodo deberá tener propiedades del metal base. Si las propiedades son comparables se dice que el metal de aportación es compatible con el metal base. La resistencia de diseño de una soldadura específica se toma como el menor de los valores de •Fw (Fw, resistencia nominal de la soldadura) y •FBM (FBM, resistencia nominal del metal base). Para las soldaduras de filete la resistencia nominal por esfuerzos en el área efectiva de la soldadura es 0.60 •FEXX (FEXX, resistencia por clasificación del metal base) y  = 0.75. Si se tiene tensión o compresión paralela al eje de la soldadura, la resistencia nominal del metal base F BM es Fy y  = 0.90. La resistencia de diseño por cortante de los miembros conectados es •Rn•Anv en donde  = 0.75, Rn = 0.60 •Fu y Anv es el área neta sujeta a cortante. Tabla N° 2.16, Resistencia de Diseño de Soldaduras Por Método LFRD [AISC-LRFD, 2005]. Tipo de soldadura y esfuerzo Resistencia Nivel de resistencia Factor de Material [a] requerido [b, c] resistencia nominal FBM o FW Soldadura de ranura o acanalada con penetracion completa Tension normal al area efectiva Debe usarse soldadura Base 0.90 Fy “compatible”

Compresion normal al area efectiva Tension o compresion paralela al eje de la soldadura Cortante en el area efectiva

Base

0.90

Fy

Base; electrodo 0.90 0.60Fy de soldadura 0.80 0.60FEXX Soldadura de ranura o acanalada con penetracion parcial Compresion normal al area efectiva Base 0.90 Fy Tension o compresion paralela al eje de la soldadura [d] Cortante paralelo al eje de la Base; electrodo 0.75 [e] 0.60FEXX soldadura de soldadura Tension normal al area efectiva Base; electrodo 0.90 0.60Fy de soldadura 0.80 0.60FEXX Soladura de filete Cortante en el area efectiva Base; electrodo 0.75 [f] 0.60FEXX de soldadura Tension o compresion paralela al eje de la soldadura [d] Base 0.90 Fy

Puede usar un metal de aportacion (electrodo) con un nivel de resistencia igual o menor que el “compatible”



Cortante paralelo al area de contacto (sobre area efectiva)

Soldadura de tapon o muesca Base; electrodo 0.75 [e] 0.60FEXX de soldadura

Igual al de la soldadura de filete



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[a] Para la definicion de area efectiva vease la seccion J2 de las especificaciones LRFD o 10.2 del RNE. E-090. [b] Para los metales de aportacion “compatibles” vease “compatibles” vease la tabla 4.1, de la AWS D1.1 o tabla 10.2.6 de E-090. [c] Se permite un metal de aportacion con un nivel de resistencia mayor que el “compatible” . [d] Las soldaduras de filete y de ranura con penetracion parcial que unen componentes de miembros armados, tales como conexiones entre ala o patin y alma, pueden diseñarse sin considerar los esfuerzos de tension o compresion en los elementos paralelos al eje de las soldaduras. [e] El diseño de material conectado esta regido por las secciones J4 y J5 de las especificaciones LRFD o 10.4 y 10.5 de E-090. [f] [f] Para el diseño alternativo, vea el Apéndice J2.4, o 10.2.4 del RNE. E-090. Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)

Además de los esfuerzos nominales dados en la tabla N° 2.16, existen otras recomendaciones del LRFD aplicables a la soldadura: 1) La longitud mínima de una soldadura de filete no debe ser menor de cuatro veces la dimensión nominal del lado de la soldadura. Si su longitud real es menor de este valor, el grueso de la soldadura considerada efectiva debe reducirse a ¼ de la longitud de la soldadura. 2) El tamaño máximo de una soldadura de filete a lo largo de material menor de ¼“ de grueso debe ser igual al grueso del material. Para material más grueso, no debe ser mayor del espesor del material menos 1/16”, a

menos que la soldadura se arregle especialmente para dar un espesor completo de la garganta. Para una placa con un espesor de ¼” o mayor, es conveniente terminar la soldadura por lo menos a 1/16” del borde para que

el inspector pueda ver el borde de la placa y determinar con exactitud las dimensiones de la garganta. 3) Los filetes permisibles mínimos según el AISC-LRFD se dan en la tabla N° 2.16. Estos valores varían entre 1/8” para material de 1/4” de espesor o menor y 5/16” para material con espesor mayor de 3/4”. El tamaño mínimo práctico para la soldadura es de aproximadamente 1/8” y el tamaño que probablemente resulta más económico

es de alrededor de 1/4” o 5/16”. 4) Cuando sea posible, deben realizarse vueltas en el extremo (remates) para soldadura de filete, la longitud de estas vueltas no debe ser menor que 2 veces el grueso nominal de la soldadura. Cuando no se usan, se recomienda restar el doble del grueso de la soldadura de la longitud efectiva de ésta. Las vueltas de extremo son muy útiles en la reducción de concentraciones de esfuerzos que ocurren en los extremos de las soldaduras, sobre todo para conexiones donde hay vibraciones considerables y excentricidad en la carga. 5) En soldadura de filete longitudinal para conexión de placas o barras, su longitud no debe ser menor que la distancia perpendicular entre ellas. La distancia entre soldadura de filete no debe ser mayor de 8” en las

conexiones de extremo. Y en juntas traslapadas, el traslape mínimo es igual a 5 veces el espesor de la parte más delgada conectada, pero no debe ser menor de 1”.

2.6.6.7 DISEÑO POR RESISTENCIA A LA ROTURA 2.6.6.7.1 Resistencia a la Rotura en Corte. La resistencia de diseño para el estado límite de rotura a lo largo de una línea de falla en corte en los elementos afectados de los miembros conectados es Rn = (0.60Fu•Anv); donde:  = 0.75, Anv es el área neta sujeta a corte.





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

2.6.6.7.2 Resistencia a la Rotura en Tracción. La resistencia de diseño para el estado límite de rotura a lo largo de un área en tracción en los elementos afectados de los miembros conectados es Rn = (Fu•Ant); donde:  = 0.75, Ant es el área neta neta sujeta a tensión. tensión.





2.6.6.7.3 Resistencia a la Rotura por Bloque de Corte. La falla de un miembro que involucre tensión en un plano y corte en otro plano perpendicular se llama bloque de corte. Es poco probable que la fractura ocurra en ambos planos simultáneamente [Zapata, 2004]. Plano de tensión Área pequeña a tensión

Plano de corte Área grande a corte

Plano de tensión

Área grande a tensión

b Placas Placas solda soldadas das a Patín atornillado atornillado de sección ón W Figura 2.24; Bloques de cortante en conexiones atornilladas y soldadas

Plano de corte

Área pequeña a corte

Fuente: McCormac, 2008-“ 2008-“ Diseño Diseño de estructuras de acero método LRFD”

El AISC-LRFD considera que cuando ocurre una fractura en esta zona con alta capacidad de corte, la pequeña área a tensión ya ha fluido. Desde el punto de vista del bloque de corte que tiene un área grande a tensión y un área pequeña para el corte, además especifica que en este caso la fuerza resistente primaria contra la falla en el bloque de corte será de tensión y no de corte; entonces, la falla en el bloque de corte no puede ocurrir hasta que se fracture el área de tensión, es decir que el área de corte ya ha fluido. El diseño por bloque cortante se realiza con la hipótesis de que una de las dos superficies de falla se fractura y la otra fluye. Ecuación gobernante será la que constituya mayor fractura: 1.- Si: Fu•Ant  0.60Fu•Anv; Fractura por tensión y fluencia por cortante:

   



2.- Si: Fu•Ant  0.60Fu•Anv; Fractura por cortante y fluencia por tensión:



Donde:

 

= 0.75; Agv, área total sujeta a corte; Agt, área total sujeta a tensión; Anv, área

neta sujeta a corte y Ant, área neta sujeta a tensión.



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2.6.6.8 DISEÑO Y SIMBOLOGÍA DE LAS SOLDADURAS Tabla Nº 2.17; SÍMBOLOS BÁSICOS DE SOLDADURA Tapón o Posterior Filete Cuadrado V Ranura

Respaldo

Espaciado

Bisel

U

Ensanchami ento V

J

SÍMBOLOS COMPLEMENTARIOS Contorno Soldadura todo Soldadura alrededor de campo Nivelado Convexo

Ensanchamie nto de Bisel

Véase la AWS A.2.4-79 para otros símbolos básicos y complementarios de soldadura

Localización estándar de los elementos de un símbolo de soldadura Angulo de ranura o ángulo incluso en soldaduras de tapón

Acabado



Contorno Abertura en la raíz, profundidad del relleno en muecas y tapones Garganta efectiva

Línea de referencia

Cola (se omite cuando no hay referencias) Símbolo básico o referencia de detalle.

Paso (espaciamiento entre centros) de soldadura en pulgadas

R

Profundidad de la preparación o tamaño en pulgadas

Especificación, proceso u otras referencias

Longitud de soldadura en pulgadas

T

S (E)

) ) s o o s d o a n a j d L e a ( l L ) s o o s n b o a c m d r a e A ( L ( c

Soldadura de campo Soldadura todo alrededor L@P

Los elementos en esta área indican cuando la cola y la flecha son contrarias.

A

B

La fecha conecta la línea de referencia al lado cercano de la junta. Use un quiebre como en A o B para significar que la flecha señala al elemento de la junta que debe prepararse son algún tipo de bisel.

Nota: Tamaño, símbolo de la soldadura, longitud y espaciamiento deben leerse en ese orden de izquierda a derecha sobre la línea de referencia. Ni la orientación de la línea de referencia ni la localización de la flecha alterna esta regla. El lado perpendicular de los símbolos debe estar a la izquierda. Las soldaduras en los lados cercano y alejado son del mismo tamaño a menos que se indique otra cosa. Las dimensiones de los filetes deben mostrarse en ambos lados. La punta de la bandera del símbolo de campo debe señalar hacia la cola. Los símbolos se aplican entre cambios bruscos en la dirección de la soldadura a menos que se muestre el símbolo de “todo alrededor” o se indique algo diferente. Estos símbolos no se refieren al caso de ocurrencia frecuente en las estructuras en donde material duplicado (por ejemplo, atiesadores) se localiza en el lado posterior de una placa de nudo o alma. Los fabricantes han adoptado la siguiente convención de estructuras: cuando en la lista de embarque se detecte la existencia de material en el lado posterior, la soldadura p ara ese lado será la misma que qu e para el lado anterior. an terior. Fuente: (McCormac, 2008-“Diseño 2008-“Diseño de estructuras de acero método LRFD”)


ANALISIS Y DISEÑO EN ACERO ESTRUCTURAL

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