CÁLCULO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS Y NAVES INDUSTRIALES
GENERALIDADES DEL ACERO
El Acero es una aleación de hierro con una canidad de car!ono "ue #uede $ariar enre %&%' &%'( ) *&%+,( en #eso de su co-#os co-#osici ición& ón& de#endi de#endiend endo o del .rado/ .rado/ El acero conser$a las caracer0sicas -e1licas del hierro en esado #uro& #ero la adición de car!ono ) de oros ele-enos ano -e1licos co-o no -e1licos -e2 -e2ora sus #ro #ro#iedades 30sico 30sico4"u 4"u0-i 0-icas cas&& so!re so!re odo odo su resis resise enci ncia/ a/
Los dos co-#onenes #rinci#ales del acero se encuenran en a!undancia en la naurale5a/ Esa dis#oni!ilidad lo hace a#o #ara nu-erosos usos co-o la consrucción de -a"uinaria& herra-ienas& o!ras ci$iles& aeron1uica& indusria auo-ori5& insru-enal -6dico& ec/ conri!u)endo al desarrollo ecnoló.ico de las sociedades indusriali5adas/ Nin.7n -aerial lo.ra i.ualarlo cuando se raa de resisencia al i-#aco o la 3ai.a/
Vena2as del Acero co-o Maerial Esrucural
Ala resisencia Uni3or-idad ) ho-o.eneidad Ran.o el1sico a-#lio Dura!ilidad Ducilidad ) enacidad Ra#ide5 de consrucción 8osi!ilidad de reuili5ación Gran 3acilidad #ara unir di$ersos -ie-!ros #or -edio de conecores/ - 8osi!ilidad de #re3a!ricar los -ie-!ros de una esrucura/ - Ra#ide5 de -ona2e/ - Ca#acidad de la-inarse& en di$ersos a-a9os ) 3or-as/ -
8roducción del acero El acero se #uede o!ener a #arir de dos -aerias #ri-as 3unda-enales: *; El arra!io& o!enido a #arir de -ineral en insalaciones doadas de alo horno <#roceso ine.ral;/ <=O>; ?; Las chaarras ano 36rricas co-o ino@ida!les/ orno de arco el6crico
urnace;/ ;
En la #roducción de acero !ruo su #arici#ación es del +%( <=O>; ) del '%( ;/
Clasi3icación del acero
Co-#osición u0-ica Cro-o
Co!re
Man.aneso
-
Aceros sin alear. Aceros semi-aleados. Aceros Aleados
8ro#iedades -ec1nicas -
Acero común (acero dulce). Aceros de alta resistencia. Aceros Especiales
El acero común también conocido como acero dulce! es un acero con bajo contenido de carbono (entre ".#$% y ".&"% en peso). 'os aceros de alta resistencia son auellos ue an incrementado notablemente su punto de cedencia por contenidos elevados de carbono (entre #.*% y #.+% en peso) sin embargo su ductilidad se ve dr,sticamente disminuida. 'os aceros especiales se fabrican con sofisticadas aleaciones para cubrir necesidades especificas y no todos son adecuados para su aplicación estructural.
8ro#iedades -ec1nicas -
ensión de edencia 'imite de /roporcionalidad ensión de Agotamiento 0uctilidad 1odulo de Elasticidad 1odulo de orte oeficiente de /oisson
/eso especifico ()2 +34" 56 1odulo de elasticidad longitudinal ()2 $.#"".""" 5$ 1odulo de Elasticidad transversal o 1odulo de corte ( )2 $7(#8) oeficiente de /oisson ()2 ".6 (en rango el,stico) y ".4 (en rango pl,stico) oeficiente de dilatación térmica ( )2 ##.+ 7 #"9& 5:
Dia.ra-a de ensión De3or-ación uniaria ensión ()2 ; 5o 0eformación unitaria ()2 ; <5o
Le) de ooFe
@
Dia.ra-a de ensión De3or-ación uniaria -
Ran.o *4?: =ona el,stica Ran.o ?4': =ona elastopl,stica Ran.o '4H: =ona de fluencia o cedencia Ran.o H4,: =ona de endurecimiento Ran.o ,4: =ona de estricción
Dia.ra-a de ensión De3or-ación uniaria Conce#os Jona El1sica 'a >ona el,stica es la parte donde al retirar la carga el material regresa a su forma y tama?o inicial en casi toda la >ona se presenta una relación lineal entre la tensión y la deformación y tiene aplicación la 'ey de @ooe. 'a pendiente en este tramo es el 1ódulo de Elasticidad del material. El punto donde la relación entre el esfuer>o y la deformación deja de ser lineal se llama 'ímite de /roporcionalidad y el valor de la tensión en donde termina la >ona el,stica se llama límite el,stico.
Jona de Cedencia: Begión en donde el material se comporta pl,sticamente! es decir en la ue continúa deform,ndose bajo una tensión CconstanteC o en la ue fluctúa un poco alrededor de un valor promedio llamado límite de cedencia.
Endureci-ieno #or de3or-ación: =ona en donde el material retoma tensión para seguir deform,ndose! va asta el punto de tensión m,Dima llamado por algunos tensión ó resistencia última por ser el último punto útil del gr,fico.
Jona de Esricción: En éste último tramo el material se va poniendo menos tenso asta el momento de la fractura.
Dia.ra-a de es3uer5o de3or-ación #ara acero con disinos #orcena2es de car!ono
ttp255classroom.materials.ac.u5tensile.pp
Ducilidad 'a ductilidad es la propiedad ue tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuer>os de tensión. isto en el grafico es una medida del grado de deformación pl,stica del material ue puede ser soportada asta la fractura.
Calidad del Acero ASTM 4 A-erican Socie) 3or Tesin. and Maerials: Frgani>ación de normas internacionales ue desarrolla normas técnicas para una amplia gama de materiales productos sistemas y servicios. 'a misma establece la designación de acuerdo a su aplicación especifica en este caso las normas AG1 establecen los siguientes valores para las propiedades mec,nicas del acero2 -
'ímite de fluencia. Besistencia a la tracción. Alargamiento. 0oblado.
Dia.ra-a es3uer5o de3or-ación de aceros con disina calidad
8er3iles la-inados en caliene Se o!ienen a ra$6s de unos lin.oes "ue son raados ) con3or-ados -ediane la-inadoras hasa darles la 3or-a ) di-ensiones 3inales/ 8ara eso los lin.oes en caliene de!en #asar a ra$6s de rodillos "ue co-#ri-en el -aerial d1ndole la 3or-a rans$ersal deseada/ Lue.o los #er3iles son corados en di-ensiones es1ndar/ -
/erfiles doble /erfiles tipo H /erfiles angulares /erfiles tubulares Etc.
8er3iles la-inados en 3r0o Se o!ienen do!lando la-inas del.adas en la 3or-a deseada
En las secciones I de ala mediana o anca la definición de las propiedades es la siguiente2
: $ : ó : # () : () : () & : & ( (* ) & : ó ó ( (6 ) & : ( () : ó(* ) : ! (& ) (5)
ESTRUCTURACIKN Crierios
E@i.encias #ara el Dise9o Hna edificación en acero al ser construida debe cumplir eDigencias de2 -
Estabilidad Besistencia Bigide> Juncionalidad Economía Jactibilidad constructiva
Sise-as Esrucurales en Acero
/órticos resistentes a momentos.
/órticos rígidos
/órticos diagonali>ados
Gistemas miDtos aceroconcreto
Crierios de Esrucuración Los crierios son -u) si-ilares a los uili5ados en oros -6odos consruci$os& lo "ue si& en odo caso de#enden del crierio del #ro)ecisa de acuerdo a la re.ularidad& i#o de #er3iles& uso ) oras $aria!les .enerales/ 'a Estructura debe ser económica confiable y responder a las condiciones ue sirvieron de base para su an,lisis y dise?o. El sistema elegido debe ser congruente con el tipo de suelo factores eólicos y >ona sísmica. (K1/FBALE) 'a estructura debe ser capa> de adaptarse a cambios aruitectónicos o funcionales los ue son inevitables durante el desarrollo del proyecto y toda su vida útil.
8recauciones es#eciales #ara el Dise9o -
Estructuras ubicadas en >onas de alta sismicidad. Guelos de baja capacidad portante. (Knestabilidad) =onas de vientos fuertes (Eje costero). =onas con ambiente corrosivo (Eje costero M >onas monta?osas) Gitios donde se tengan incertidumbres con relación a las acciones (0esconocimiento de variables) omar en consideración las variables de resistencia pero también deformación.
Condición deseada #ara el Dise9o
REGULARIDAD ESTRUCTURAL 'as eDperiencias derivadas de los últimos sismos fuertes ocurridos alrededor del mundo an recalcado el buen comportamiento de las edificaciones simétricas y regulares2 en geometría (elevación y planta) en distribución de masas en rigideces y en resistencia.
Condición deseada #ara el Dise9o Es con$eniene "ue la esrucura cu-#la los re"uisios de re.ularidad esi#ulados en la nor-a E/%'% o códi.os de dise9o sis-orresisene/
Ge debe evitar un dise?o bajo condiciones de2 -
Entrepiso débil. ambios bruscos de rigide>. ambios bruscos de simetría en elementos rígidos tanto en planta y elevación. Nrandes entrantes y salientes.
Condición deseada #ara el Dise9o 8or oro lado& al.uno de los 3acores "ue #ueden .enerar un -al dese-#e9o sis-orresisene en las esrucuras ienden a ser de!ido a:
-
onfiguración en planta. Asimetría en planta. onfiguración en altura. 0iscontinuidad de elementos verticales. oncentraciones de masa en pisos. Knteracción entre elementos estructurales y no estructurales. Knadecuada distancia entre edificaciones adyacentes.
Reco-endaciones .enerales #ara el Dise9o
#) $) 6) *)
/oco peso. Gencille> simetría y regularidad en planta. /lantas poco alargadas. Hniformidad en la distribución de resistencia rigide> y ductilidad en elevación. 4) Jormación de articulaciones pl,sticas en miembros ori>ontales antes ue en los verticales para sismos eDcepcionales. &) /ropiedades din,micas de la estructura adecuadas al terreno.
Reco-endaciones .enerales #ara el Dise9o
El Dise9o con #er3iles de Acero -
iene acceso a una gran variedad de perfiles laminados o soldados. Alta capacidad de material para soportar cargas. 0uctilidad intrínseca del acero. Bapide> constructiva. Nrandes espacios libres entre columnas. Estructuras m,s ligeras comparadas con las estructuras de concreto. Jacilidad en la remodelación o ampliación.
Reco-endaciones adicionales #ara un -e2or Dise9o
#) $) 6) *) 4)
Htili>ar distancia entre elementos verticales est,ndar de acuerdo a la pr,ctica del país. Aprovecar los espacios aruitectónicos para los sistemas resistentes a fuer>as laterales. Evitar el uso de secciones ue no son de fabricación común. Bepetir la configuración aciendo uso de elementos idénticos. 0isminuir la complejidad del control de construcción.
O!2ei$os #rinci#ales de la Esrucuración #) 'ograr un nivel de seguridad adecuado contra fallas estructurales causadas por sismos fuertes. $) 'ograr un comportamiento estructural aceptable en condiciones normales de operatividad durante su vida útil. 6) Evitar da?os severos a elementos estructurales y no estructurales cuya falla pudiera afectar a las personas en el edificio. *) 0ise?ar las instalaciones vitales para ue inmediatamente después de un sismo severo est,n en pleno funcionamiento para poder atender la emergencia.
Deno-inaciones de -ie-!ros en esrucura -e1lica a#oricada
VIGAS <8rinci#ales;
CORREAS
COLUMNA
Co-#ora-ieno de -ie-!ros esrucurales de acero so-eidos a 3uer5as de racción& co-#resión& 3le@ión ) 3le@o4co-#resión/
El objetivo principal es resistir las Soliciaciones (fuer>as internas) ue se producen debido a las Acciones (fuer>as eDternas) para la cual a sido dispuesta la estructura.
Naurale5a de las Acciones OAcciones .ra$iacionales: peso propio cargas permanentes cargas variables. OAcciones s0s-icas/ OAcciones eólicas <$ieno;/ OAcciones accidenales
Co-#ora-ieno Estos Estos efect efectos os tambi también én llamad llamados os comp comport ortami amien ento to se describ describen en a continuación2
Co-#ora-ieno EDiste un uinto estado conocido como JleDo-compresión el cual se gene generra como como una una comb combin inac ació ión n de la acci acción ón de comp compre resi sión ón y la fle fleDión Dión.. Est Este caso caso se pres presen entta gene generralme almen nte en el caso caso de las las columnas cuya esbeltez sea tal ue no sean considerados bloues de compresión.
Tracción Es el caso m,s simple de considerar a nivel matem,tico ya ue las variables ue influyen en el dise?o son menores y m,s predecibles. Kgualmente es importante considerar ue si bien la tracción resulta f,cil de comprender a nivel de miembros estructurales las fallas en este caso casi siempre se presentan a nivel de las coneDiones.
>LEIKN
>le@ión odos auellos miembros estructurales de acero ue soportan cargas longitudinalmente sobre la longitud de los mismos. Gon considerados las vigas viguetas vigas secundarias dinteles correas largueros etc.
>le@ión omando en cuenta la filosofía de Estados 'ímites 'BJ0 los distintos comportamientos ue podrían ocasionar falla en los miembros solicitados a fleDión son los siguientes2 -Cedencia: igas compactas con adecuados soportes laterales vigas compactas con insuficientes soportes laterales. -8andeo #ri-ario alla 3r1.il/ -De3le@ión o 3lecha/
>le@ión /ara poder entender el comportamiento de las vigas sometidas a fleDión es indispensable entender la importancia de los so#ores laerales. 'os soportes laterales son elementos ue confinan el ala comprimida de la sección perpendicularmente obligando a permanecer en la línea de acción de la fuer>a ue lo solicita.
>le@ión El pandeo es la falla ue se produce en las vigas producto de la inestabilidad de la sección ue provoca un movimiento anómalo de la sección (o una de sus partes) fuera de su eje de movimiento o aplicación de fuer>a. EDisten b,sicamente $ tipos de pandeo en perfiles estructurales de acero2 -8andeo local
>le@ión 'a resistencia en fleDión de las vigas b,sicamente consiste en determinar el momento justo antes de ue la viga incursione en fase de pandeo lateral torsional! cuando esto no ocurre se considera ue el miembro es una $i.a #l1sica (0e superar el pto. de rotura).
>le@ión Gegún el método de los estados límites ('BJ0MAKG 6&" y L/ E."P") las vigas se pueden clasificar en los siguientes grupos2 -Vi.as #l1sicas/ -Vi.as co-#acas con adecuados so#ores laerales/ -Vi.as no co-#acas con o sin adecuados so#ores laerales/ -Vi.as es!elas/ Esta clasificación ace ue la resistencia a fleDión de una viga no siempre se encuentre afectada por la resistencia del miembro estructural per sé (,rea inercia sección) sino ue dependa también de variables ue no siempre son tomadas en cuenta por el ingeniero estructural.
>le@ión Gegún el método de los estados límites ('BJ0MAKG 6&" y L/ E."P") las vigas se pueden clasificar en los siguientes grupos2
>le@ión Gegún el método de los estados límites ('BJ0MAKG 6&" y L/ E."P") las vigas se pueden clasificar en los siguientes grupos2
>le@ión
COM8RESIKN
Co-#resión Besulta m,s complejo debido a ue de por sí el acero es un material poco eficiente ante la acción compresiva. A partir de este momento es importante comen>ar a comprender variables ue nos permitir,n tener un mayor entendimiento sobre el proceso de resistencia a la compresión de los miembros estructurales de acero2 O8andeo/ OLon.iud e3eci$a/ OEs!ele5/ O>uer5as cr0icas/
Co-#resión O'ongitud efectiva2
Co-#resión Es!ele5: Belaciona la rigide> de la sección transversal de una pie>a prism,tica con su longitud total. Ge caracteri>a por un par,metro adimensional ue interviene en el c,lculo de las tensiones y predice las inestabilidades el,sticas de las barras.
Co-#resión OCar.a cr0ica: 1ide la cantidad de fuer>a ue se debe aplicar a un miembro para ue se comience a generar la inestabilidad transversal al eje de compresión conocida como pandeo.
Co-#resión 'a curva de la columna nos permite observar el comportamiento de un miembro estructural de acero sometido a compresión junto con las variables ue influyen en la determinación de la carga crítica de Euler.
Enendido lo anerior& es i-#orane sa!er "ue e@ise una relación direca enre la car.a cr0ica& la es!ele5& el #andeo ) la lon.iud e3eci$a/ En 3unción al con2uno de oda relación se #uede #redecir la #osi!le resisencia del #er3il/
>LEO4COM8RESIKN
>le@o4co-#resión: 'a fleDo-compresión se presenta cuando un mismo miembro estructural de acero presenta cargas de fleDión y de compresión al mismo tiempo. Es un estado de carga complejo ya ue intervienen todas las variables estudiadas asta el momento. 'a fleDo-compresión puede darse de dos maneras2 -Unia@ial: -o-enos en * solo
e2e de inercia/ -=ia@ial: -o-enos en los ? e2es de inercia/
DISEO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS
Conenido: -
Lormas y códigos de dise?o. Jilosofía para el dise?o. Aspectos generales del comportamiento. Beuerimientos de dise?o y combinaciones de cargas. lasificación de secciones según ductilidad. Q/órticos especiales a momento (G1J). Q/órticos rigidi>ados con diagonales concéntricas. Q/órticos rigidi>ados con diagonales eDcéntricas.
Nor-as ) Códi.os de Dise9o • ANSI/AISC 360-10 “Specification for Structural Steel Buildings” • ANSI/AISC 341-10 “Seisic !ro"isions for Structural Steel Buildings” • ANSI/AISC 3#$-10 “!re%ualified Connections for Special and Interediate Steel &oent 'raes for Seisic Applications” • Nora ()cnica !eruana *+0,0 “*structuras &etlicas”
>iloso30a #ara el Dise9o Limitar mecanismos frágiles (fractura o inestabilidad) y propiciar mecanismos dúctiles (cedencia).
>iloso30a #ara el Dise9o •
Elegir los miembros (“Fusibles”) que entrarán en cedencia durante un evento externo, por ejemplo:
- Vigas en pórticos resistentes a momento. - Arriostramientos en pórticos con arriostramientos concéntricos - Eslabones en pórticos con arriostramientos excéntricos, entre otros. • • • •
Los miembros “Fusibles” deben ser diseñados y detallados para desarrollar considerables deformaciones inelásticas previo a la ocurrencia de lafractura. Diseñar el resto de miembros del sistema secundario para que incursionen en el dominio plástico. Las conexiones de los miembros “Fusibles” deben ser diseñadas en función a la capacidad inelástica esperada de los mismos. Las conexiones del resto de los elementos del sistema resistente deben ser diseñadas para las fuerzas que se producen al presentarse las fallas dúctiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”.
>iloso30a #ara el Dise9o
Miembros fusibles – Mecanismos decedencia
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno uando ablamos de comportamiento en este caso ante un sismo o vien vientto prim primor ordi dial alme men nte se tra trata de anal anali> i>ar ar la resp respue uest sta a de un sistema estructural ante ante dica acción.
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno El obje objeti tiv vo del del comp compor orta tami mien ento to sism sismorr orres esis iste ten nte o ante ante acci cciones de vientos es lograr grandes deform ormacio ciones inel,sticas durante los eventos sísmicos sin poner en riesgo la estabilidad de la estructura.
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno En las curvas de istéresis se muestra la diferencia entre el comp compor orta tami mien ento to dúcti dúctill (a) (a) y un comp compor orta tami mien ento to meno menoss dúctil(b).
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno uando una estructura es solicitada por un evento sísmico o de viento las fuer>as derivadas de tal movimiento suelen ser muco mayores ue las consideradas para el predise?o de esta manera el sistema estructural debe encontrar >onas consideradas RfusiblesS capaces de plastificarse generando deformaciones inel,sticas elevadas ue traen como resultado la liberación de la energía eDcesivamente inducida durante el sismo al sistema estructural. Estas >onas son llamadas comúnmente RBótulas /l,sticasS.
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno 'o usual es ue esta plastificación se presente en las vigas a una distancia prudencial a partir de la cara de la columna.
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno Galvo ue sea una consideración de dise?o las rótulas pl,sticas no deben aparecer en los eDtremos de las columnas ue conectan con otros nodos del entrepiso.
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno
As#ecos .enerales del co-#ora-ieno Zonas Protegidas Son porciones del sistema resistente al sismo que se designan como zonas protegidas, en las cuales: • •
•
No se permite la colocación de conectores de corte soldados. No se permite la colocación de accesorios que penetren el ala de la viga, ni colocar accesorios para ángulos de borde, soporte de fachadas, tabiques, tuberías, entre otros. Cualquier daño o alteración en estas zonas por operaciones de fabricación o montaje debe ser reparadas (por ejemplo: puntos de soldadura, ayudas de montaje).
Clasi3icación de secciones se.7n Ducilidad *l pandeo local de los ie.ros puede afectar considera.leente tanto la resistencia coo la delie.ro+ os ie.ros del sistea resistente al siso %ue se espera proporcionen una capacidad de deforacin inelstica significati"a de.en satisfacer estrictas relaciones lites de anc2o-espesor %ue peritan desarrollar una adecuada ductilidad antes del pandeo local del ie.ro+ Condiciones para ie.ros de *l resto de los ie.ros del sistea resistente a sisos sern . considerados coo ie.ros de
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Clasi3icación de secciones se.7n Ducilidad 8óricos ri.idi5ado con dia.onales e@c6nricas/ 'o ue ace interesante a este tipo de pórtico es el elemento de unión o eDcentricidad conocida como RlinS. Este tipo de sistemas puede entenderse como un íbrido entre G1J y TJ el cual trabajar, como una me>cla entre pórtico a momento y pórtico rigidi>ado. Es importante resaltar ue la ductilidad se desarrolla gracias al elevado comportamiento inel,stico del RlinS (elevada ductilidad)
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