Apuntes del Curso de Diseño en Acero Isaac Flores Gutiérrez – Ing. Civil - UTFSM
1.1.
Aspectos Generales del Diseño Estructural
El propósito final de todo diseño estructural es lograr el dimensionamiento de una estructura, de tal forma que ésta se comporte de manera segura y eficiente. Para este fin se deben considerar ciertos requisitos fundamentales:
Funcionalidad: Es decir, tanto el material como los espacios físicos deben ser diseñados para c umplir objetivos predeterminados. Economía: Que tiene que ver directamente con aspectos relacionados con: la estructura, el lugar de emplazamiento, emplazamiento, el tipo de financiamiento, las posibilidades de modificación, y a su relación con los materiales a usar. Seguridad: Este aspecto está estrechamente estrechamente ligado al anterior, dado que el límite de la economía va a estar dado por la resistencia de servicio de la estructura. Estética: Aún cuando se trata de un aspecto subjetivo, también es importante obtener una estructura de formas armónicas, visualmente agradables y que esté en concordancia con el medio circundante.
Para alcanzar estos objetivos el Ingeniero debe tener un conocimiento acabado de la mecánica de los materiales y del análisis estructural, así como también una gran experiencia, habilidad creativa e imaginación. También se ha de considerar como relevante, el desarrollo de nuevas técnicas de construcción, y otros tipos de estructuración no tradicional, siempre que cuenten con el respaldo de ensayos e investigaciones. investigaciones.
1.2.
Procedimiento de Diseño Estructural
Prácticamente no existe un procedimiento establecido para resolver todo tipo de diseño estructural, sino más bien líneas generales de las cuales el Ingeniero, basado en su experiencia y la complejidad del problema, puede establecer su propia secuencia de diseño. En términos globales se pueden indicar cuatro etapas básicas, que dicen relación con el planteamiento y solución del problema, el diseño estructural, y la presentación de los resultados.
i) Planteamiento del Problema Selección del tipo de estructura: Se determina sobre bases funcionales, económicas, de seguridad y estética. Formulación de un modelo matemático: Se deben establecer las hipótesis de cálculo y el tipo de análisis a realizar: elástico lineal, elasto-plástico, no lineal (ver figura 1.1.).
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Elástico-lineal
Elasto-plástico
No-Lineal
Figura 1.1.: Relaciones esfuerzo-deformación unitaria.
ii) Solución del Problema Determinación de las cargas de servicio: Se estiman las cargas a las que estará sometida la estructura en condiciones de funcionamiento, que pueden ser estáticas y permanentes, o dinámicas y eventuales. Como cargas permanentes se considera el peso propio de los elementos, de las personas, del mobiliario, de maquinaria, de materiales almacenados y otros similares. Entre las cargas eventuales están las producidas por sismos, el viento, la nieve, las vibraciones, etc. Obtención de momentos y fuerzas internas: Se realiza el análisis estructural de acuerdo al modelo matemático elegido, obteniéndose los esfuerzos axiales, de corte y de momento en cada uno de los elementos de la estructura. iii) Diseño Estructural Dimensionamiento de miembros y conexiones: Conocidas las fuerzas internas en cada elemento, se dimensionan de acuerdo a las normas vigentes. En nuestro país son válidas las recomendaciones dadas por la norma Nch 427 E74, el Instituto Chileno del Acero, y las especificaciones que entregan los fabricantes. Funcionamiento bajo condiciones de servicio: Se verifica la estructura bajo cargas de servicio conocidas, de forma que se compruebe si satisface los requisitos mínimos de funcionamiento, ya sean por vibraciones, fatiga, distorsiones, deformaciones máximas admisibles y cualquier otro requisito que amenace el comportamiento de la estructura. Revisión final: Cuando se hayan conocido todas las propiedades de las secciones, se verificará si los pesos que se han supuesto para dicha estructura corresponden a los pesos reales que resultaron en el diseño. iv)Presentación de los Resultados Se presentará una memoria de cálculo, croquis y dibujos, y las especificaciones de proyecto, de materiales, y de diseño.
Memoria de cálculo: El propósito fundamental es que sirva de referencia a otros profesionales para comprobar los cálculos realizados, y como pauta para la confección de planos. Debe incluir todas las hipótesis de cálculo, las cargas de diseño y especificaciones.
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1.3.
Especificaciones de proyecto: Se entregan en conjunto con Planos Generales y de diseño, información completa a los ejecutadores de obra (contratistas, instaladores, etc.) de los requisitos establecidos por el mandante del proyecto (el dueño o propietario) y el Ingeniero a cargo. Especificaciones de materiales: Se harán según las normas establecidas por todas aquellas Instituciones o Sociedades que regulan cada tipo de material que se usará en el diseño. Especificaciones de diseño: Estarán basadas en las especificaciones dadas por las instituciones antes mencionadas, y que establecen los criterios mínimos aceptables para dicho diseño, ya sean recomendaciones para esfuerzos límites, tipos de cargas, características de los elementos y conexiones a usar, las deformaciones máximas, etc.
Estructuras de Acero
1.3.1. Clasificación de las Estructuras En acero se distinguen con mayor frecuencia dos tipos estructurales, los que se clasifican de acuerdo a su forma y dimensión.
a) Estructuras de cascarón: Se caracterizan por estar constituidas principalmente de placas o láminas tales como: tanques de almacenamiento, silos, cascos de buques, carros de ferrocarril, aeroplanos y cubiertas de cascarón en edificios grandes. b) Estructuras reticulares: Están constituidas por un conjunto de elementos alargados unidos en sus extremos, que conforman estructuras tales como: marcos rígidos, y armaduras planas y espaciales. Los miembros principales de las estructuras reticulares se usan para la transmisión de las cargas; lo que obliga a utilizar elementos adicionales como muros, pisos, techos y losas, que permitan conformar una estructura funcional.
Marcos rígidos: Corresponde a un tipo estructural formado por elementos verticales y horizontales, unidos en forma rígida en sus intersecciones, de forma que sus elementos sean capaces de resistir tanto esfuerzos axiales como de flexión. Se utilizan como estructura soportante en edificios de altura, en construcciones industriales, en puentes, etc. Se pueden encontrar marcos rígidos de varios claros y de varios pisos, así como de sección variable. Armaduras: Son estructuras formadas por un sistema de elementos unidos por sus extremos, en forma de triángulos. Se utilizan para soportar techos de edificios, en construcciones industriales, en puentes carreteros y de ferrocarril, etc. Son capaces de cubrir luces que van desde los 12 hasta 120 metros. Las armaduras son estructuras que funcionan como vigas, esto pues son capaces de soportar cargas que producen flexión, por medio de sus cuerdas y corte a través de sus diagonales y montantes.
1.3.2. Clasificación de los Elementos Estructurales Un elemento estructural es un perfil de acero que puede ser soldado, laminado o formado en frío ( perfiles plegados ). Los perfiles de uso más generalizados se clasifican de acuerdo a la forma de sus secciones, de sus dimensiones y de su peso por metro lineal. _________________________________________________________________________ 3
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Existe en el mercado nacional una gran variedad de perfiles estructurales, que son tabulados por los distintos fabricantes y que entregan además, las propiedades básicas para el diseño.
Perfiles soldados: De acuerdo a la función que desarrollan en la estructura, se distinguen las series IN e IP normal, según la clasificación ICHA, y la serie IB híbrida de CINTAC, usadas básicamente como vigas. Y la serie HN normal, de uso generalizado en columnas. Perfiles laminados: En Chile su uso es bastante limitado, a pesar que resultan más baratos que los soldados, sin embargo, pierden eficiencia al no conseguirse espesores de alma pequeños. Entre estos se distinguen los tipos L, TL, XL y cajón L, según la clasificación ICHA, y las series W norteamericana, e IPE alemana, según la nueva clasificación entregada en el Manual de Diseño Estructural de CINTAC. Perfiles plegados: Se usan para transmitir esfuerzos axiales y de flexión. Aunque son menos eficientes que los perfiles soldados y laminados para soportar esfuerzos de flexión. Se distinguen aquí los tipos IC, C, Z, S, L, TL, TC, XL, y las series de alas atiesadas del tipo ICA, CA, ZA, TLA, y XLA, además de las series cajón C y L.
1.3.3. Nomenclatura para Perfiles de Acero La nomenclatura usada para perfiles de acero indica en su designación los aspectos más relevantes de éste, primero su designación, segundo su altura y finalmente el peso por metro lineal.
Tabla 1.1.: Designación para perfiles estructurales Perfil Soldado
Laminado Formado en Frío CINTAC
Designación IN 45 x 157 INc 45 x 111 IB 45 x 157 HN 35 x 232 W 18 x 6 x 132 IPE 360 x 57,1 IC 20 x 22,3 ICA 20 x 19,1 C CA L TL
15 x 5,66 15 x 6,13 10 x 6,07 10 x 12,1
XL 10 x 4,48 10 x 6,07 10 x 5 x 8,59 C 20 x 22,3 CA 20 x 19,1 L
Tubo CINTAC
5 x 4,48
O1 3/4 X 2,09
Significado Doble te Serie Normal de Vigas Doble te Serie Complementaria de Vigas Doble te Serie Híbrida de Vigas Doble te Serie Normal de Columnas Doble te Serie W Norteamericana Doble te Serie IPE Alemana Doble te Formada por Dos Canales Espalda Espalda Doble te Formada por Dos Canales Espalda Espalda, de Alas Atiesadas Canal Canal de Alas Atiesadas Angulo de Alas Iguales Te Formada por Dos Angulos Espalda Espalda, de Alas Iguales Cruz por Dos Angulos Vértice Vértice, de Alas Iguales Cajón Cuadrado Cajón Rectangular Cajón Formado por Dos Canales de Frente Cajón Formado por Dos Canales de Frente, de Alas Atiesadas Cajón Formado por Dos Angulos de Frente, de Alas Iguales Sección Tubular Redonda
Extraído del "Manual de Diseño Estructural" de CINTAC _________________________________________________________________________ 4
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1.4.
Solicitaciones y Combinaciones de Carga
1.4.1. Acciones sobre las Edificaciones Las edificaciones en general están afectas a variados fenómenos naturales, que pueden, en algún momento comprometer su resistencia. Para evitar posibles daños estructurales, el ingeniero deberá conocer la forma en que tales acciones influyen sobre la estructura y la cuantificación de sus efectos. De acuerdo a las especificaciones de la Norma Chilena Nch 427 E 74 las acciones sobre las edificaciones se pueden clasificar en dos grupos:
Cargas permanentes (situaciones estables en el tiempo; Peso Propio, Sobrecarga e Impacto). Cargas eventuales (actúan en forma breve y generalmente aleatoria, viento, sismo, impacto, etc.).
a) Peso Propio (PP) Carga debido al peso de los elementos resistentes de la estructura y todo material unido o soportado en forma permanente por ella. Estas cargas se estimarán de acuerdo a las pautas de la Nch 1537 Of 86, en la que se entregan una gran cantidad de densidades y pesos específicos, para diferentes materiales de uso en la construcción.
Tabla 1.2.: Pesos para materiales de construcción Materiales de Construcción Arena húmeda Cemento en sacos Ladrillo hecho a máquina Albañilería Hormigón armado Mortero de cemento Mortero de cal o yeso Laurel Roble Pino araucaria Acero estructural
Densidad en Kg/m3 1.800 1.500 1.700 1.800 2.500 2.000 1.750 586 778 672 7.800
b) Sobrecarga (SC) Corresponde al peso de los objetos que pueden gravitar por su uso en la estructura (muebles, máquinas, vehículos, productos almacenados, etc.), y por el uso de personas. La norma Nch 1537 Of 86, establece algunos valores básicos de sobrecargas de uso para diferentes tipos de edificios, y funciones específicas.
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Tabla 1.3.: Sobrecargas de uso Tipo de Edificio
Descripción de uso
Bibliotecas
Areas de lectura Areas de archivo Areas de mercadería liviana Areas de mercadería pesada Salas con asientos móviles Estacionamiento y vías de acceso Areas de maquinaria liviana Areas de maquinaria pesada Areas de internados Quirófanos y lab. mayor a: Areas para piezas Salones, comedores, otros. Areas sin equipos Areas con equipos Areas no habitables Areas de uso general Balcones, Terrazas y escalas
Bodegas Escuelas Estacionamientos Fábricas Hospitales Hoteles Oficinas Viviendas
Sobrecarga 2 Kg/m 300 500 600 1.200 300 500 400 600 200 300 200 500 250 500 100 200 250
c) Impacto (I) Se especifica como un coeficiente de impacto que incrementa la sobrecarga. Se debe considerar en soportes de elevadores, vigas portagrúas y sus uniones, soportes de maquinarias, etc. puede aparecer como carga permanente o eventual. d) Nieve (N) Se especifica como altura de nieve acumulada sobre el edificio, y depende de la ubicación geográfica (se considera como sobrecarga permanente) Nch 431 Of 77. e) Viento (V) Se especifica como presiones y succiones sobre la estructura, y queda determinada, por la velocidad media ( ) del viento; que a su vez depende de la ubicación geográfica (Nch 432 Of 71).
(1.2 sen
-0.4)q
-0.4q
+0.8q
(1.2 sen
-0.4q
(a)
-0.4)q
-0.4q
+0.8q
-0.4q
+0.8q
(b)
-0.4q
(c)
Figura 1.2.: Acción del viento sobre las estructuras
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En que: 2
q
16
q : presión básica del viento en kg/m2. : velocidad máxima instantánea del viento, en m/seg., la que se obtiene por estadísticas. La Nch 432 of 71 entrega una serie de valores de presiones básicas del viento, para distintas alturas sobre el suelo.
Tabla 1.4.: Presiones básicas de viento Construcciones situadas en la ciudad o Construcciones situadas en campo lugares de rugosidad comparable. abierto, ante el mar o en sitios asimilables a estas condiciones. Altura sobre el suelo (m)
Presión básica q en kg/m2
Altura sobre el suelo (m)
Presión básica q en kg/m2
0 15 20 30 40 50 75 100 150 200 300
55 75 85 95 103 108 121 131 141 162 186
0 4 7 10 15 20 30 40 50 75 100 150 200 300
70 70 95 106 118 126 137 145 151 163 170 182 191 209
f) Sismo (S) Se especifica mediante un coeficiente sísmico, que es función de la aceleración del suelo durante la sacudida. De acuerdo a la norma sísmica Nch 433 of 93, esto se traduce en una fuerza horizontal Q 0 aplicada en la base del edificio. Q0 = C I P
Donde: Q0 : esfuerzo de corte basal. I : es un coeficiente relativo al uso y forma estructural del edificio C : es el coeficiente sísmico que a su vez es función del período fundamental de vibración del edificio. P : corresponde al peso total del edificio a nivel basal más un _________________________________________________________________________ 7
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porcentaje de la sobrecarga que en ningún caso será inferior al 25%. En términos prácticos en diseños no muy complejos el corte basal puede ser estimado en un porcentaje del peso del edificio (entre 10 y 20%).
g) Otros Efecto térmico, efectos diferenciales en apoyos, empujes de tierra, cargas móviles en puentes, etc.
1.4.2. Combinaciones de Carga En el diseño de una estructura se obtienen como primer objetivo los esfuerzos que toma cada uno de los elementos que la componen. Para este fin se deben considerar todas las combinaciones de estados de carga posibles que puedan comprometer dicha estructura, y realizar el diseño con aquellas solicitaciones que resulten más desfavorables. En términos generales se deben considerar dos grupos de estados posibles, uno denominado estado normal, que incluye peso propio y sobrecarga, y otro eventual que incluye además, del estado normal una o dos eventualidades. La forma en que se materializan estas combinaciones depende, en un grado apreciable, del tipo de análisis que se realice (elástico o plástico).
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