I.
EL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
I. 1 GENERALIDADES El acero es uno de los más importantes materiales estructurales. Sus propiedades de mayor importancia para el uso estructural, comparado con cualquier otro material, son la resistencia y la ductibilidad.. La ductibilidad es la capacidad que tiene el material para desformarse sustancialmente ya sea en tracción o compresión antes de fallar. Otras ventajas importantes en el uso de acero son su amplia disponibilidad, costo y durabilidad, con una adecuada protección anticorrosiva. El acero se produce por la refinación del mineral de hierro y metales de desecho, junto con agentes fundentes apropiados, coke ( para el carbono ) y oxígeno en hornos a altas temperaturas, para producir grandes masas de hierro llamadadas arrabio de primera fusión. El arrabio se refina aún más para remover el exceso de carbono y otras impurezas y/o se alea con otros metales como cobre , níquel manganeso, etc para producir las características deseadas de resistencia , ductibilidad, soldadura y resistencia a la corrosión. El acero como producto, puede obtenerse en forma de barras, planchas o perfiles. En acerías extranjeras existen rodillos laminadores que permiten obtener perfiles con forma de I, T, L, etc. En nuestro país, la Compañia de Acero del Pacífico, CAP, entrega el acero en forma de planchas y barras para hormigón armado. Las maestranzas nacionales (EDYCE, CERRILLOS, ARRIGONI, etc) poseen la capacidad para fabricar perfiles tipo I y plegar planchas para obtener perfiles tipo L, C, CA, Z, etc. El fabricante de estructuras de acero trabaja con los planos de ingenería o arquitectura para producir dibujos detallados de taller, de los que se obtienen las dimensciones requeridas para cortar, aserrar o cortar con antorcha, los perfiles al tamaño pedido y localizar con exctitud los agujeros para barrenar o punzonar. Los dibujos originales también indican el acabado necesario de la superficie de las piezas cortadas. Muchas veces se arman las piezas en taller para determinar si se tiene el ajuste apropiado. Las piezas se marcan para facilitar su identificación en terreno y se embarcan las piezas sueltas o armadas parcialmente hasta el sitio de la obra para su montaje. El montaje en terreno lo
ejecuta a menudo el mismo fabricante, aunque lo puede hacer el contratista general.
I.2. PROPIEDADES DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL Entre las más importantes propiedades estructurales del acero se tienen las siguientes:
1.- Modulo de elasticidad, E. Esta propiedad se obtiene del análisis de las curvas de esfuerzo - deformación del acero. Si una pieza de acero estructural se somete a una fuerza de tracción, ésta comenzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza a razón constante, la magnitud del alargamiento aumentará constantemente dentro de ciertos límites. Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valor aproximadamente igual a un medio de la resistencia última del acero, el alargamiento comenzará a aumentar más rápido sin un incremento correspondiente del esfuerzo. El mayor ezfuerzo para el que aún es válida la ley de Hooke o punto más alto de la porción recta del diagrama esfuerzo deformación se denomina límite proporcional. El mayor esfuerzo que un material puede resistir sin desformarse permanentemente se llama límite elástico. Este valor rara vez se mide y para la mayoría de los materiales incluído el acero es sinónimo del límite proporcional. Por esta razón se usa a veces el término límite proporcional elástico.
El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o deformación, sin un incremento correspondiente en el esfuerzo, se denomina tensión de fluencia; corresponde al primer punto del diagrama tensióndeformación para el cual la tangente a la curva es horizontal. La tensión de fluencia es para el ingeniero la propiedad más importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseño se basan en este valor. Más allá de la tensión de fluencia hay un intervalo en el que ocurre un incremento considerable de la deformación sin incremento de la tensión. La deformación que se presenta antes de la tensión de fluencia se denomina deformación elástica; la deformación que ocurre después de la tensión de fluencia, sin incremento de tensión, se denomina deformación plástica. Esta última deformación es generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformación elástica. La fluencia del acero puede parecer una serie deventaja, pero en realidad es una característica muy útil. Con frecuencia ha prevenido la falla de una estructura, debido ha omisiones o errores del ingeniero. Si el esfuerzo en un punto de una estructura de acero (dúctil) alcanza el esfuerzo de fuencia, esa parte de la estructura fluirá localmente sin incremento en aquel esfuerzo, impidiendo así una falla prematura. Esta ductilidad permite que los esfuerzos en una estructura de acero se reajusten. Si el acero no tubiese esta capacidad se podría fracturar como el vidrio u otro material frágil. Después de la región plástica se tiene un zona llamada de endurecimiento por deformación en la que se requieren esfuerzos adicionales para producir deformaciones mayores. Esta parte del diagrama tensión - deformación no resulta muy importante para los ingenieros. El módulo elasticidad, se define como:
E = f y /
y
2.- Módulo de Poisson, ν: Este valor se obtiene del análisis a compresión de una probeta en que se ve la deformación lateral que experimenta. Se utiliza para obtener el módulo de corte, definido momo.
G = E / 2 (1 + )
3.- Coeficiente térmico, : Este valor representa la variación de la longitud de una barra de acero ante cambios de temperatura. El valor característico es de:
= 1.0 x 10 -5
I.3 VENTAJAS
DEL
ACERO
COMO
MATERIAL
ESTRUCTURAL Las principales propiedades del acero, en ámbito de las estructuras son:
Alta Resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de longitud implica que será poco el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en fuentes de grandes luces, en edificios altos, en galpones y en estructuras fundadas en suelo deficiente.
Uniformidad: Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.
Elasticidad: El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, gracias a que con la ley de Hooke, hasta esfuerzos bastantes altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.
Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durán indefinidamente. En estos momentos existen dos alternatives para la protección del acero:
Pintura anticorrosiva: Pintura especial que inhibe la formación de óxido, esto al aislar la superficie de acero del ambiente.
Para la aplicación de la pintura se requiere un tratamiento de las superficies, que eliminen las impurezas, restos de acero, soldaduras, grasas, etc y que pueden afectar la adherencia entre la pintura y el acero.
Galvanizado en caliente: Se trata de la inmersión de perfiles individuales o de una estructura completa en una tina con zinc. El zinc, a 400 ºC se presenta en estado líquido y se adhiere a la superficie de acero, formando una película protectora. Para el galvanizado en caliente se requiere una limpieza química que se realiza en la planta de tratamiento y que consiste en sumergir la pieza, tal como viene desde la maesranza, a un baño con algunos ácidos que remueven los residuos superficiales de grasas, óxido, pinturas, etc. El perfil, desde la maesytranza, viene ya con una limpieza en que se han retirados las partículas residuales de soldadura, rebarbas, etc. El galvanizado en caliente tiene algunas restricciones de acuerdo al tamaño de las piezas a proteger. Dentro de este punto también se puede señalar lo referente a la protección antifuego, en que se tienen varias sistemas de protección de tipo pasiva, como la pintura inttumescente, el schotcret, o la protección con láminas. La pintura intumescente, se trata de una pintura que reacciona con el fuego, formando una capa aislante que retarda el paso de la temperatura hacia el acero. El shotcret, se trata de la colocación de una capa de mortero de hormigón sobre las láminas de acero y que evitan el avance de la temperatura sobre el perfil. Las láminas de protección, son láminas como la volcanita, que evitan que el fuego alcance el acero, retardando su degradación por la temperatura.
Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Cuando se prueba a tracción un acero con bajo contenido de carbono ocurre una reducción considerable de la seccióntranversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes que se presente la ruptura. Un material que no tenga esta propiedad
probablemente será duro yfrágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino.
II
DISEÑO ESTRUCTURAL
II.1 GENERALIDADES Para lograr un buen diseño estructural se debe reunir tres conceptos claves: Ciencia Arte Experiencia
Æ Æ
Conocimiento Intuición, naturalidad
El diseño estructural persigue un objetivo claro, obtener una estructura segura y económica y que a su vez satisfaga por completo las necesidades para la cual fue diseñada (funcionalidad, belleza, etc). El conocimiento necesario se refiere a los conceptos de análisis estructural, comportamiento de los materiales, etc. El Arte, se puede entender en la sensibilidad ante una estructura. En entender conceptualmente su funcionamiento, detectar fallas en su funcionamiento y corregir si es que se está a tiempo. La Experiencia, representa uno de los aspectos más importantes del diseño, ya que permite abordar un diseño nuevo con más soltura, tratando de asimilarlo a alguno ya realizado. Hasta el año 1850, el diseño se realizó en forma intuitiva, copiando formas que se encontraban en la naturaleza. Ahora, se cuenta con los conocimientos necesarios para realizar un modelo, representativo de la situación, trabajar sobre el y obtener resultados.
II.2 PRINCIPIOS DEL DISEÑO El diseño es un proceso, mediante el cual se busca una solución óptima a un determinado problema, para ello deben establecerse algunos criterios, que pueden ser: a) Costo mínimo. b) Mínimo peso. c) Mínimo tiempo de contrucción. d) Mínimo trabajo. e) Mínimo costo de montaje. f) Máxima eficiencia de mano de obra. En la práctica, lo que más se considera es: Costo mínimo. Mínimo trabajo. Mínimo tiempo de contrucción. Se puede ver que existen varios criterios de diseño, sin embargo si se observa con atención el común denominador es el bajo costo de la obra.
Procedimiento de Diseño Lo primero que se debe considerar en un diseño es la funcionalidad. Aquí se debe estudiar los espacios interiores, la luminosidad, la circulación peatonal, de operación o de máquinas, la forma en general, ventilación interior, accesos vehiculares, estacionamientos, estética y armonía con el entorno. Actualmente esta labor recae en los arquitectos, sin embargo en los proyectos estructurales industriales, deben asesorarse con un ingeniero.
Diseño estructural Una vez que se ha definido la forma general se realiza el diseño estructural, en que se selecciona el material estructural, la ubicación de los elementos
estructurales principales o erstructuración y el dimensionamiento de los mismos. Los elementos estructurales deben ser capaces de resisitir las distintas cargas que sobre ellos pueden actuar, cargas muertas, o de peso propio o cargas vivas como sobre cargas y cargas eventuales como el viento y el sismo. Los elementos deben resistir las cargas de tal forma de generar un ambiente seguro. Para realizar el diseño, se sigue un orden básico:
1.- Criterios de Diseño. Se debe establecer criterios básicos de diseño, basados en las normas y leyes y que especifiquen comomínimo lo siguiente: - Características de los materiales. - Método de diseño. - Deformaciones máximas en los elementos. - Suposiciones básicas
2.- Estructuración Este etapa consiste en el estudio de la arquitectura o lay-out definido por el usuario. Se establece, en base a conceptos estructurales simples y las características de los materiales a utilizar, la forma en que resistirá la estructura, definiéndose la ubicación de los elementos estructurales principales y secundarios.
3.- Solicitaciones Una vez que se cuenta con la estructuración, se determinan las cargas que actuarán sobre la estructura y especificamente sobre cada elemento. Las cargas podrán actuar como carga distribuída o carga puntual segun corresponda. En general, se consideran las siguientes cargas (condiciones o estado de:)
Peso propio:
cubierta perfiles entrepisos
Sobrecargas: de uso de viento Cargas vivas: viento sismo Cargas de impacto Asentamientos diferenciales Dentro de este punto, se deben incluir las combinaciones de carga, las que dependen de las normas utilizadas, del tipo de estructura analizada y del método del diseño.
4.- Predimensionamiento Teniendo claro los puntos anteriores y su influencia sobre la estructura, se debe realizar un predimencionamiento de los elementos estructurales. Esto pretende encontrar un tamaño aproximado de los elementos, para esto se recurre a fórmulas simples, pero principalmente a la experiencia.
5.- Análisis de la estructura Definidas las cargas, combinaciones, estructuración y dimensiones básicas se realiza el modelo con el cual se realiza el análisis. El modelo de análisis generalmente trata de representar lo más fielmente posible la estructura, pero siempre hay que tener claro que es un modelo. Actualmente, se utilizan ampliamente los modelos compuyacionales, que traducen toda la información entregada en matrices. Los programas más utilizados en Estructuras Metálicas son: SAP, STAT 3, AVANSSE, RISA,etc.
El modelo debe contener lo siguiente. - nodos (intersecciones de barra) - barras (perfiles) - condiciones de apoyo - cargas - combinaciones de carga. Actualmente los programas de análisis, incorporan el diseño de los elementos, lo cual es muy peligroso si no se cuenta con los conocimientos básicos para interptretar los resultados. El diseño estructural no es una ciencia exacta, por lo que no tiene sentido obtener resultados con 8 cifras significativas. Algunas de las razones se deben a que las resistencias de los materiales varían apreciablemente y a que las cargas máximas sólo pueden determinarse en forma aproximada. Los cálculos con más de dos o tres cifras significativas, obviamente son de poco valor y pueden darle al usuario una falsa idea de precisión.
6.- Evaluación de resultados Una vez que se ha realizado el análisis, se debe chequear los resultados obtenidos. Los resultados que se pueden obtener, dependiendo del programa utilizado, son: Deformación de los nodos Momentos flectores Esfuerzos de corte Esfuerzos axiales Tensiones Estado del perfil, diseño Los resultados se deben chequear de acuerdo a lo indicado en el punto 1
7.- Rediseño Si con una iteración, no se cumple con lo indicado en los criterios de diseño, se debe volver y realizar el análisis nuevamente, si es que se ha cambiado alguna condición al modelo.
8.- Decisión final Una vez que se chequea el cumplimiento de los criterios dediseño, en cuanto a tensiones y deformaciones y que a su vez el proyecto es óptimo en lo económico, se da el visto bueno para desarrollar los planos.
III MÉTODOS ESTRUCTURAL.
DE
DISEÑO
DE
ELEMENTO
DE
ACERO
En el último tiempo ha tomado vigor el diseño de elementos metálicos por el método de cargas y Resistencias, en reemplazo del Método de Tensiones Admisibles (ASD). El Método de Tensiones Admisibles considera que los perfiles no pueden sobrepasar un porcentaje de las tensión de fluencia (fy), definido según el esfuerzo a analizar El método de las tensiones admisibles ASD puede ser representado mediante la inecuación:
∑ γ iQi ≤
Rn FS
El miembro de la izquierda se denomina Resistencia Requerida y es la sumatoria de los efectos Qi de igual índole (esfuerzo característico: M o N o Q, etc. los que resulten los más apropiados) debidos a las causas (cargas, variaciones de temperatura, etc.) y sus combinaciones, determinados mediante un procedimiento de análisis estructural. El miembro de la derecha representa la Resistencia de Cálculo (o de Diseño) y es la Resistencia Nominal Rn o la resistencia que provee el elemento o unión (capacidad resistente a la flexión, esfuerzo axil, corte, etc.) con su estado límite claramente definido, dividida por un coeficiente de seguridad F.S. Cuando dividimos ambos miembros de la inecuación por una característica geométrica adecuada (por ej.: área o módulos de la sección) el miembro de la
izquierda se transforma en la tensión de trabajo y el de la derecha en la tensión admisible El método de tensiones admisibles ASD está caracterizado entonces, por el uso de cargas de trabajo (de valores nominales fijados por los códigos) no factorizadas, con la adopción simultánea de un coeficiente o factor único de seguridad (F.S.) aplicado a la Resistencia Nominal (media o característica). Debido a la gran variabilidad y por lo tanto a la impredictibilidad de las cargas vivas y de las cargas accidentales en comparación con las cargas permanentes, sumado a los valores distintos de los coeficientes de variación (que indican la dispersión de los resultados) que presentan las diversas Resistencias Nominales que corresponden a cada solicitación, no resulta posible mediante este método obtener una confiabilidad uniforme para toda la estructura. Para distintos esfuerzos y de acuerdo a los factores de seguridad correspondientes, se tiene los siguientes valores para las tensiones admsisibles máximas. Corte Tracción Compresión Flexión
: 0.40 fy : 0.60 fy : 0.60 fy : 0.60 fy
El Método de Carga y Resistencia permite que los perfiles puedan alcanzar valores mayores de tensiones, incluso llegar a la fluencia, como es el caso de perfiles en flexión. La metodología de diseño, se puede resumir en la siguiente fórmula:
∑γ Q i
i
≤ φ Rn
En qué
Qi = Representan los distintos estados de carga que solicitan la estructura. = Factores de carga para los distintos estados de carga Rn = Resistencia nominal del perfil = Factor de resistencia que depende del tipo de solicitación en estudio. i
En el esquema siguiente, se puede ver un resumen de la metodología de diseño de ambos métodos. El actual código AISC, ha unificado ambos metodos, de forma de que independiente del método que se use, los resultados sean similares.
Para obtener resultados similares, se ha calibrado el método ASD con el método LRFD, de forma que al considerar la combinación de carga básica del ASD (DL + LL), se obtengan resultados similares al utilizar la combinación básica del método LRFD, 1.2DL + 1.6 LL. Esto se ha logrado, para la relación LL/DL = 3.0 Si LL/DL = 3.0, entonces, la relación entre FS (
Ω=
) y φ, es la siguiente
1.5 φ
Estados límites Con este método se dimensiona la estructura de modo que no se sobrepase ningún estado límite aplicable cuando la estructura queda sujeta a las
combinaciones de carga mayoradas (anteriormente indicadas). Los estados límites pueden ser de resistencia o servicio.
Estados límites de resistencia: Están asociados a la capacidad resistente e la estructura determinada por su resistencia al pandeo, fatiga, fluencia, volcamiento, etc.
Estados límites de servicio: Asociados al comportamiento de la estructura bajo condiciones normales o de uso, determinadas por limitaciones de deformaciones, deslizamiento, vibración, agrietamiento, etc. Los factores de resistencia que se especifican en el Método de Carga y Resistencia, están basados en investigaciones sobre un gran universo de aceros, que satisfacen las normas ASTM correspondientes. Los valores de los factores de resistencia se pueden ver en la siguiente tabla:
Factores de Resistencia
Situaciones
1.00 0.90
0.85 0.80 0.75 0.65 0.60
Aplastamiento en áreas proyectantes de pasadores, fluencia del alma bajo cargas concentradas, cortante en tornillos en juntas de tipo fricción Vigas en flexión y corte, filetes de soldadura con esfuerzos paralelos al eje de la soldadura, soldaduras de ranura en el metal base. Columnas, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad de aplastamiento en agujeros Columnas, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad de aplastamiento en agujeros Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, fractura en la sección neta de miembros a tensión. Aplastamiento en tornillos (excepto A 307) Aplastamiento en tornillos A 307, aplastamiento en cimentaciones de concreto.
