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Secciones compuestas de acero-concreto (método LRFD)

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(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA  UNIDAD ZACATENCO 

SECCIONES COMPUESTAS DE ACERO­CONCRETO  (MÉTODO LRFD) 

TESIS 

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: 

INGENIERO CIVIL  PRESENTA: 

JUAN CARLOS NAVARRETE BAUTISTA 

ASESOR: ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ 

MÉXICO, D. F.  2003

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ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ, SIN CUYA  AYUDA, ESTE TRABAJO NO SE HUBIERA 

REALIZADO.

(3)

A LA MEMORIA DE MI ABUELO  ALEJANDRO NAVARRETE HERNANDEZ. 

A MI MADRE  QUE SIEMPRE ME HA  APOYADO CON SU GRAN ESFUERZO Y 

SACRIFICIO. 

A MI  PADRE QUE ME HA ENSEÑADO A  VER LA VIDA DE DIFERENTES MANERAS. 

A TODOS MIS HERMANOS,  QUIENES  ME  AYUDAN CONSTANTEMENTE A SER 

CADA DIA MEJOR. 

A MI ABUELA Y MI TIA QUE SABEN  AYUDARME CUANDO  MAS LO 

NECESITO.

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CONTENIDO 

PROLOGO ... I

1.­ GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL ... 1 

1.1.­Diseño estructural ... 1 

1.2.­Acero estructural ... 1 

1.3.­Productos de acero... 3 

1.4.­Resistencia del acero... 5 

1.5.­Influencia de la temperatura en el acero ... 8 

1.6.­Solicitaciones de cargas ... 9 

2.­REGLAMENTOS, MÉTODOS Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO ... 12 

2.1.­Reglamentos de construcción... 12 

2.2.­ Métodos de diseño... 12 

2.3.­Especificaciones de diseño... 15 

2.4.­Especificaciones del Instituto Americano de la Construcciòn en Acero  (AISC) ... 16 

2.5.­Factores de carga y resistencia usados en las Especificaciones AISC ... 17 

2.6.­Manual de la Construcción en Acero ... 19 

3.­SECCIONES COMPUESTAS ... 21 

3.1.­Introducción ... 21 

3.2­Desarrollo histórico ... 21 

3.3.­Ventajas de la construcción compuesta... 22 

3.4.­Construcción compuesta... 23 

3.5.­Vigas compuestas... 25 

3.6.­Procedimientos de construcción ... 28 

3.7.­Dimensionamiento ... 30 

3.8.­Conectores de cortante... 32 

3.8.1.­Introducción... 32 

3.8.2.­Desarrollo de los conectores de cortante ... 33 

3.8.3.­Tipos de conectores de cortante ... 33 

3.8.4.­Conexión de cortante ... 34 

3.8.5.­Resistencia de conectores de cortante... 39 

3.9.­Resistencia por flexión ... 45 

3.10.­Resistencia por cortante ... 52 

3.11.­Deflexiones ... 54 

3.11.1.­Deflexiones a largo plazo por flujo plástico ... 54 

3.11.2.­Deflexiones de vigas compuestas ... 55 

3.11.3.­Deflexiones de vigas embebidas ... 57 

3.11.4.­Deflexiones segun las Especificaciones de la AASHTO ... 57 

3.12.­Vigas  compuestas con cubiertas de acero troqueladas ... 57 

3.13.­Vigas parcialmente compuestas ... 61 

3.14.­Vigas embebidas... 62

(5)

3.17.­Diseño de secciones embebidas ... 65 

3.18.­Columnas compuestas... 67 

3.18.1.­Introducción... 67 

3.18.2.­Especificaciones... 68 

3.18.3.­Resistencia de diseño para columnas compuestas cargadas  axialmente ... 70 

3.18.4.­Diseño de columnas compuestas  sujetas a carga axial y flexión ... 73 

4.­APLICACIONES ... 80 

5.­DIAGRAMAS DE FLUJO ... 135 

CONCLUSIONES ... 144 

NOMENCLATURA... 145 

BIBLIOGRAFÍA ... 150

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PROLOGO 

Aparte  del método de  Diseño por Esfuerzos Permisibles y el método de Diseño Plastico,  el  método  de  Diseño  por  Factores  de  Carga  y  Resistencia  (LRFD)  es  una  nueva  alternativa  para  los  edificios  de  acero  estructural.    En  1986,  el  AISC  edito  las  primeras  especificaciones  para  el  diseño  de  factores  de  carga  y  resistencia  de  edificios  de  acero  estructural  y  en  1988  un  manual  de  construcción  en  acero,  denominado  (LRFD).  La  segunda edición del manual LRFD publicada en 1994, contiene las especificaciones AISC  de 1993. 

Debido  a  la  importancia  en  la  resistencia,  economía  y  estética,  ingenieros  y  arquitectos  recurren  actualmente  al  diseño  compuesto.  El  presente  trabajo  esta  basado  en  las  Especificaciones del Instituto Americano de la Construccion en Acero (AISC) y el manual  LRFD ; lo cual se enfoca principalmente al diseño de vigas y columnas compuestas. 

Las diversas ecuaciones indicadas y  empleadas  en los respectivos problemas ilustrativos  de los diferentes temas, se han traducido al sistema  métrico decimal. Las dimensiones y  valores de resistencia se tomaron de acuerdo  a  las empleadas en nuestro país; a fin de  facilitar su aplicación y entendimiento. Se incluye suficiente teoría y diferentes problemas  ilustrativos  para una mayor información y comprensión, a si como también diagramas de  flujo para que se pueda entender  aun más el proceso del diseño compuesto.

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1.­ GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL  1.1.­DISEÑO ESTRUCTURAL 

La  palabra  diseño  se  refiere  al  dimensionamiento  de  los  miembros  de  una  estructura  después  de  que  se  han  calculado  los  elementos  mecanicos,  ya  sea  esta  de  acero  estructural,  de  concreto  reforzado  y/o  compuesto  de  acero­concreto,  para  lo  cual  se  selecionan las secciones transversales adecuadas para que  resistan las cargas a que va  estar  sometida,  por  lo  que  el  estructurista  debe  distribuir  y  proporcionar  adecuadamente  los miembros estructurales para que puedan montarse facilmente, y tengan la resistencia  sufuciente,  al  igual    que  sean  econòmicas.  En  consecuencia  el  estructurista  debe  garantizar que no se va a caer la estructura diseñada, por lo cual una de las prioridades  màs  imporatntes  del  estructurista  es  la  seguridad  ya  que  la  estructura  debe  soportar  no  solo las cargas a que va estar sometida, si no tambièn debe de soportar los estados limite  de servicio, es decir debe considerar que los desplazamientos, agrietamientos, vibraciones  o daños no sean excesivos, para que no puedan perjudicar su capacidad para soportar las  cargas  de  la  estructura.  Para  hacer  un  buen  diseño  se  requiere  la  evaluaciòn  de  varias  alternativas de estructuraciòn de los miembros y de sus conexiones, por lo que se deven  hacer  varios  diseños    para  poder  abatir  costos,  tanto  en  la  estructuraciòn  como  en  la  construciòn  sin  sacrificar la  resistencia  de la misma.  Otra  prioridad  del  estructurista  es la  factibilidad, ya que en el diseño de los miembros se debe ver que se puedan fabricarse y  montarse sin que haya problemas, por lo que el estructurista debe adaptar sus diseños a  los mètodos de fabricaciòn y a los materiales e instalaciones disponibles. 

Para poder selecionar y evaluar el sistema estructural en una forma global, el estructurista  debe  de  tener  un  conocimiento  suficiente  en  el  diseño  de  miembros  individuales  de  la  estructura para poder diseñar de una forma eficiente y econòmica. 

1.2.­ ACERO  ESTRUCTURAL 

El  acero  resulta  de  la  combinaciòn  de  hierro  y  pequeñas  cantidades  de  carbono,    que  generalmente es menor al 1% y pequeños porcentajes de otros elementos, siendo uno de  los  materiales  estructurales  màs  importantes,  ya  que  es  de  alta  resistencia  en  comparaciòn  con  otros  materiales  estructurales,  otras  de  sus  propiedades  es  la  uniformidad  ya  que  no  cambia  apreciablemente  con  el  paso  del  tiempo,  como  las  estructuras de concreto reforzado, que se da por el efecto del flujo plàstico. La elasticidad  del  acero  es  otra  caracteristica  importante,    ya  que  es  capaz  de  recuperar  su  estado  primitivo  despues  de  que  se  le  ha  aplicado  una  fuerza  que  lo  deforma,  esto  se  da  si  la  deformaciòn  no  ha  pasado un limite  (limite  de  elasticidad), este  comportamiento  sigue la  ley  de  Hooke.  La  durabilidad;  si  el  mantenimiento  de  la  estructura  es  adecuado,  esta  tiende  a  tener  un  ciclo  de  vida  màs  largo.  La  ductibilidad  es  la  propiedad  que  tiene  un  material de soportar grandes deformaciones antes de fallar bajo esfuerzos de tensiòn muy  grandes.  En  el  acero  con  bajo  contenido  de  carbono,  en  la  prueba  de  tensiòn  sufre  una  reducciòn  considerable  en  su  secciòn  transversal  y  un  gran  alargamiento  en  el  punto  de  falla,  antes  de  que  se  fracture.  La  tenacidad  es  otra  propiedad;  el  acero  cuando  se  le  aplica  una  fuerza  considerable  que  provoca  una  gran  deformaciòn    en  su  seccion  transversal, serà  a un capaz de resistir mayores fuerzas.

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Otra  ventaja  es  la  soldabilidad  que  consiste  en  la  union  de  dos  metales  por  presión  y  fusión,  esto  se  realiza  a  altas  temperaturas  (soplete,  etc.).  La  facilidad  de  corte  es  otra  propiedad ya que se puede cortar facilmente. 

El acero se produce por la refinaciòn del mineral de hierro y metales de desecho, junto con  agentes  fundentes  apropiados;  Coke  (para  el  carbono)  y  oxìgeno,  en  hornos  a  alta  temperatura, para producir grandes masas de hierro llamadas arrabio de primera fusiòn. El  arrabio  se  refina  aùn  mas  para  mover  el  exceso  de  carbono  y  otras  impuresas  y/o  se  combina (aleación) con otros metales como cobre, nìquel, cromo, manganeso, molibdeno,  fosforo,  sìlice,  azufre,  titanio,  columbio,  y  vanadio,  para  producir  las  caracteristicas  deseadas de resistencia, ductibilidad, soldabilidad y resistencia  a la corrosiòn. 

Los lingotes de acero obtenidos de este proceso pasan entre rodillos que giran a la misma  velocidad y en direcciones opuestas para producir un producto semiterminado, largo y de  forma rectangular que se llama plancha o lingote, dependiendo de su secciòn transversal. 

Desde  aquì,  se  envìa  el  producto  a  otros  molinos  laminadores  para  producir  el  perfil  geomètrico  final  de  la  secciòn,  incluyendo  perfiles  estructurales  asì  como  barras,  alambres,  tiras,  placas  y  tubos.  El  proceso  de  laminado,  ademàs  de  producir    el  perfil  deseado,  tiende  a  mejorar  las  propiedades  materiales  de  tenacidad,  resistencia  y  maleabilidad.  Desde estos  molinos laminadores, los perfiles estructurales  se  embarcan  a  los fabricantes de acero o a los depòsitos, segùn se soliciten. 

Algunas  propiedades  de  las  mas  importantes  del  acero  estructural  es  el  modulo  de  elasticidad  (Es),  relativamente  independiente  de  la  resistencia  de  fluencia;  el  modulo  de  alasticidad  para  todos  los  aceros  es  de  1968400  kg/cm (28000  Ksi)  a  2109000  kg/cm  (30000  Ksi), pero el  que  generalmente  se  toma  para  el  diseño es  de  2040000  kg/cm²    o  29 000 Ksi. La densidad del acero estructural es de 7.85 ton/m³ o 490 lbs/pie³.

· El modulo cortante (G) es otra propiedad y se puede calcular como: 

G = E / 2(1 +μ  )  Donde 

μ= coeficiente de Poisson, igual a 0.3 para el acero. 

Usando μ=3; G=784615 kg/cm .

· El coeficiente de expansiòn termica del acero (ά). 

ά = 11.25  X 10 ­6 por ºCelsius  Δ L = ά( Tf – Ti)L

· El  punto de  fluencia (Fy)  y  resistencia  ùltima  a  tensiòn (Fu).  En la  tabla 1.1  se  dan los  puntos de fluencia de los varios grados de acero que interesan al ingeniero estructural.

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Tabla 1.1.­ Propiedades de los aceros estructurales 

Designación  ASTM 

Acero  Formas  Usos  Fy min 

Ksi 

Fu min  tensión ksi 

A­36  Al carbono  Perfiles,  barras y  placas 

Puentes, edificios  estructurales en gral. 

Atornillados, remachados y  soldados 

36 e < 8" 

32 e > 8" 

58 – 80 

A­529  Al carbono  Perfiles y  placas 

e< ½" 

Igual al A­36  42  60­85 

A­441  Al 

magnesio,  vanadio de 

alta  resistencia y 

baja  aleación 

Perfiles,  placas y  barras  e < 8" 

Igual al A­36  Tanques 

40­50  60­70 

A­572  Alta 

resistencia y  baja  aleación 

Perfiles,  placas y  barras 

e< 6" 

Construcciones atornilladas,  remaches. No en puentes  soldados cuando Fy> 55 ksi 

42­65  60­80 

A­242  Alta 

resistencia,  baja  aleación y  resistente a  la corrosión  atmosférica 

Perfiles,  placas y  barras 

e< 4" 

Construcciones soldadas,  atornillada, técnica especial 

de soldadura 

42­50  63­70 

A­588  Alta 

resistencia,  baja  aleación y  resistente a  la corrosión  atmosférica 

Placas y  barras 

Construcciones atornilladas  y remachadas 

42­50  63­70 

A­514  Templados  y revenidos 

Placas  e< 4" 

Construcciones soldada  especialmente. No se usa si 

se requiere gran ductilidad 

90­100  100­150 

1.3.­ PRODUCTOS DE ACERO 

Los lingotes de acero de la refinaciòn del arrabio se laminan para formar placas de anchos  y  espesores  variables;  diversos  perfiles  estructurales;  barras  redondas,  cuadradas  y  retangulares; tubos. La mayor parte del laminado se efectùa sobre el acero en caliente, y  el producto se laama “ acero laminado en caliente”. Despues de que se enfrian, algunas  de las placas màs delgadas se laminan o doblan aùn màs, para hacer productos de acero  laminados en frìo o “formados en frìo”.

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Perfiles W 

Este tipo de perfil es el que  generalmente se usa para el diseño, ya que es un perfil de  patìnes anchos, es doblemente simetrico. 

Un W16 X 40 tiene un  peralte nominal total de 16 pulg y  un peso de 40 Lb/pie. 

Tambièn se indica como  W410 X 59.5 con un peralte nominal 410 mm ( este valor es el  promedio de varios peraltes de todas las secciones con un redondeo de 5 mm) y con una  masa de 59.5 kg/m. 

Perfiles S 

Estos perfiles se conocian anteriormente como vigas I (vigas American Standard), siendo  doblemente simetricos.Estos se diferencian con los perfiles W por tener el patìn mas chico,  con  una  pendiente  aproximada  de  16.7  º,  su  peralte  nominal  y  el  teorico  son  iguales    a  diferencia de los perfiles W que varian. 

Perfiles M. 

Son perfiles ligeros y simètricos. Existen 20 perfiles de este tipo. Un perfil M360 X 25.6 es  el mayor de la clasificaciòn M, y es una secciòn de peralte nominal de 360 mm y una masa  de 25.6 kg/m (M14 X 17.2). 

Perfiles C 

Son perfiles de canal, con la misma inclinaciòn  de los patines que los perfiles S, llamados  anteriormente  canales  standard  o  American  Standard,  siendo  el  peralte  nominal  igual  al  peralte teorico. 

Un C150 X 19.3 es un perfil estàndar de canal que tiene un peralte nominal de 150 mm y  una masa de 19.3 kg/m (C6 X 13). 

Perfiles MC 

Estos  son  perfiles  en  canal  que  no  se  clasifican  como  perfiles  C.  Se  conocian  como  canales diversos o para construciòn de barcos. 

Perfiles L 

Estos perfiles son de lados iguales o desiguales. 

Un perfil L6 X 6 X ¾ es un angulo de lados iguales con una dimensiòn nominal de 6 pulg y  con un espesor de 3/4 pulg. 

Un perfil L89 X 76 X 12.7 es un angulo de lados desiguales con una  dimension nominal  de cada uno de sus lados de 89 y 76 mm recpectivamente, y  con un espesor de 12.7 mm  en sus lados (L3  ½ X 3 ½ ). 

Perfiles T 

Son tes estructurales que se obtienen cortando los perfiles W , S, M. Para  la obtenciòn de  una WT, ST, MT respectivamente, generalmente el corte se hace a la mitad, pero tambièn

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se pueden cortar mas largos. Las tablas con perfiles T se basan en cortes simetricos. Un  perfil WT 205 X 29.8 es una te estructural con un peralte nominal de 205 mm y una masa  de 29.8 kg/m, y se obtiene dividiendo la secciòn W410 X 59.5 ( de una secciòn W16 X 40). 

Figura  1.1.­ Secciones de perfiles laminados 

1.4.­RESISTENCIA DEL ACERO 

Las  propiedades  del  acero  estructural  nos  permite  conocer  el  comportamiento  de  las  estructuras  de  acero,  y  para  entender  parte  de  ese  comportamiento  se  cuenta  con  los

(12)

diagramas  de  esfuerzo­deformación.  El  esfuerzo  de  fluencia    es  la  propiedad  más  importante  que  ingeniero  estructural  considera  para  un  diseño,  ya  que  la  mayoria  de  los  procedimientos se basan en el. La resistencia de fluencia es el mìnimo valor garantizado  por el  productor de acero y que se basa en el promedio estadistico y la consideraciòn del  valor mìnimo de fluencia obtenido mediante un gran nùmero de pruebas. Asì, para el acero  A­36,  el  valor  garantizado  es Fy=36  Ksi (2530  kg/cm ),  pero  el  valor  màs  probable  serà  del orden de 43 a 48 Ksi (3020 a 3370 kg/cm ). De modo similar, un acero A­441, con un  punto de fluencia de  50 Ksi (3515 kg/cm ), tendra una resistencia de fluencia del orden de  57  Ksi  (4000  kg/cm ).  Conforme  la  fluencia  garantizada  hasta  aproximadamente  65  Ksi  (4670 kg/cm ) los valores real y garantizdo, convergen. 

Desde cerca de  1 900 a 1 960, el grado principal de acero disponible era el llamado A­7  con  Fy  =  33  Ksi  (2320  kg/cm );  esto  fue  la  consecuencia  de  la  mayor  popularidad  de  la  soldadura  debido  a  las  actividades  en  la  construcciòn  de  buques  en  la  segunda  guerra  mundial.  Cuando  se  renueven  edificios  màs  antiguos,  el  ingeniero  estructural  puede  ocuparse de incorporar los nuevos aceros a los antiguos grados. 

A partir de 1960 se han sustituìdo los grados de acero A­373 y A­7 por aceros A­36, que  representan un 10 % de aumento en la resistencia de fluencia sobre el grado A­7. En los  años  treinta,  se  inicio  la  producciòn  de  acero  de  alta  resistencia  y  tambièn  resiste  a  la  corrosiòn, y al que se le designo como A­272 (està descrito en la especificaciòn  A­272 de  la  ASTM).  En  1959  se  escribiò  la  especificaciòn  ASTM  A­440,  para  otro  acero  de  alta  resistencia,  aplicable  a  la  construcciòn  con  remaches  y  tornillos;  en  1960  se  introdujo  el  acero A­441, aplicable a la construcciòn soldada. Todos estos tres aceros tienen un punto  de fluencia que depende del espesor del metal, como se muestra en la tabla 1.1. 

Desde  cerca  de  1964  se  han  incorporado  las  normas  ASTM    las  especificaciones  para  varios  otros aceros de alta resistencia (baja aleaciòn); estos aceros aparecen como A­572  y A­588. En la tabla 1.1 se muestra que el acero descrito en la especificaciòn A­572 cubre  varias resistencias de fluencia, llamadas grados, tales como los grados 42, 45, 50, 55, 60,  y 65 para el correspondiente esfuerzo mìnimo garantizado de fluencia en Ksi. En general,  la resistencia de fluencia de estos nuevos aceros tambièn dependen del espesor como se  muestra en la tabla 1.1. 

En terminos de costo/unidad de masa, el acero A­36 es el màs econòmico. Los aceros de  alta resistencia  tienen  su  aplicaciòn  principal  en  aquellos  casos donde los esfuerzos  son  principalmente  de  tensiòn.  Las  vigas  de  acero  de  alta  resistencia  pueden  tener  una  deflexiòn excesiva, debido asl mòdulo de secciòn reducido. Las columnas de acero de alta  resistencia pueden resultar menos econòmicas que el acero A­36 si la relaciòn de esbeltez  ( KL/r ) es grande. 

Las  trabes  hibridas  en  el  que  se  usa  el  acero  de  alta  resistencia  en  los  patines,  o  las  columnas armadas, en estas puede que  suministre mejores soluciones en los casos que  se  restrinjan  las  dimensiones  de  los  miembros.  En  su  caso  determinado,  es  necesario  efectuar  un  anàlisis  econòmico  y  de  disponibilidad  para  determinar  si  es  apropiado  usar  acero de alta resistencia.

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Figura 1.2.­ Diagrama esfuerzo­deformacion del acero 

El  límite  de  proporcionalidad  es  el  punto  más  alto  de  la  porción  recta  del  diagrama  esfuerzo­deformación,  para  la  cual  es  todavía  es  valida  la  ley  de  Hooke.  Cuando  un  material soporta un esfuerzo (máximo), sin que se deforme permanentemente se dice que  esta  en  su  límite  elastico  o  límite  de  proporcionalidad.  Cuando  el  acero  presenta  un  incremento  brusco  en  su  deformación  sin  que  el  esfuerzo  se  incremente,  se  denomina  esfuerzo de fluencia del acero. La deformación del acero antes del esfuerzo de fluencia se  llama  limite  elastico    en  el  cual  se  basa  el  diseño  por  esfuerzos  permisibles  o  diseño  elastico; en el rango donde el acero se deforma despues del esfuerzo de fluencia, sin que  se incremente el esfuerzo, se le considera rango plastico o deformación plastica, en la cual  se  basa  el  diseño  plástico  o  diseño  ultimo,  lo  cual  aprovecha  la  resistencia  de  reserva  (deformación  plástica)  que  proporciona  la  ductibilidad  del  acero.  En  la  zona  de  endurecimiento  por  deformación  el  acero  requiere  esfuerzos  adicionales  para  que  se  pueda  deformar  más;  posteriormente  alcanza  un  esfuerzo  máximo  sin  que  se  rompa  tadavía, es esfuerzo de roptura sucede por debajo del esfuerzo máximo, cuando el acero  presenta una reducción máxima de su sección transversal (estricción de fluencia). 

La  resistencia  de  fluencia  de  diversos  grados  de  acero  que  estàn  disponibles  para  el  diseño, se pueden ver en la tabla 1­1. 

Aceros Estructurales 

(De acuerdo a la American Society of Testing Materials ASMT)

· Aceros generales (A­36).

· Aceros estructurales al carbono (A­529). 

­b.1 Bajo contenido de carbono (<0.15 %)

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­b.2 Dulce al carbono (0.15 – 0.29 %) 

­b.3 Medio al carbono (0.30 – 0.59 %) 

­b.4 Alto contenido de carbono (0.6 – 1.7 %)

· Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (Mo, V y Cr), (A­441 y A­572)  aleación al 5 %.

· Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión  atmosférica (A­242, A­588).

· Acero templado y revenido (A­514). 

1.5.­ INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL ACERO  Efectos de altas temperaturas 

Los  miembros  de  acero  no  son  inflamables, pero  su  resistencia  se  reduce  de  una  forma  considerable  cuando  aumenta  drasticamente  su  temperatura  en  un incendio,  el  acero  es  un excelente conductor del calor, por lo que en las zonas que no estan protegidas contra  el fuego y que estan en contacto con materiales inflamables,  se deben proteger ya que se  pueden incendiar. La resistencia depende en alto grado de la temperatura; a 1 000º F, la  resistencia  tanto  de  fluencia  como  de  tensiòn  es  alrededor  del  60  a  70  por  ciento  de  la  obtenida  a  la  temperatura  ambiente  (alrededor  de  70º  F).  La  perdida  de  resistencia  es  bastante notable a altas temperaturas, donde la resistencia del acero a 1 600º F es sòlo el  15  por ciento de la resistencia a la temperatura ambiente. 

La  resistencia  contra  el  fuego  de  los  miembros  estructurales  se  puede  incrementar  con  una  cierta  protección  que  depende  del  tipo  de  estructura,  en  estructuras  de  acero  se  le  puede  aplicar  pinturas  especiales  (aislantes  y  expansivas),  una  capa  de  concreto,  yeso,  fibras minerales etc., en un  miembro de acero  hueco se le  puede proveer un liquido con  un agente anticongelante en su interior, para el control de altas temperaturas.  El concreto  anteriormente se usaba mucho para proteger estructuras de acero contra el fuego, ya que  resulta muy efectivo en espesores de 1 ½ a 2 pulg. (4 a 5 cm) de espesor; pero su costo  de  instalación  es  muy  alto  y  su  peso  también,  lo  cual resulta  antieconomico,  debido  a  lo  anterior,  en  las  secciones  compuestas  se  aprovecha  las  caracteristicas  estructurales  del  concreto y del acero, para contrarrestar esta problemática y pueda ser satisfactorio, tanto  en la protección contra el fuego, como en la resistencia de los miembros estructurales. Se  han establecido clasificaciones de protecciòn contra incendios para los diversos materiales  y espesores que se pueden aplicar a un miembro estructural para controlar la temperatura. 

Se  incluyen  productos  a  base  de  yeso,  o  concreto  ligero  que  se  puede  rociar  sobre  el  miembro ò tableros aislantes de fibra para proteger el acero. La clasificaciòn de incendios  se basa en el nùmero de horas que le toma el acero alcanzar una temperatura promedio  de  540  a  650ºC  para  el  espesor  dado  de  material  de  protecciòn  contra  incendios,  utilizando un procedimiento estàndar de prueba segùn viene dado por la ASTM E­119 (en  la parte 18). Una clasificaciòn de incendio de 2 horas, que se usa comùnmente, indica que

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tarda  2  horas  que  la  temperatura  del  acero  alcance  el  nivel  indicado  por  la  prueba  estàndar. 

Efectos de bajas temperaturas 

La fractura fragìl a menudo se asocia con las bajas temperaturas. Bàsicamente, la fractura  fràgil  ocurre  sin  que  haya  fluencia  del  material.  Las  curvas  de  esfuerzo­deformaciòn  indican  que  en  la  falla  usual  de  un  espècimen  a  tensiòn,  tiene  lugar  una  considerable  elongaciòn. De hecho, en la prueba estàndar a tensiòn de la ASTM, se especifica un por  ciento  mìnimo  de  elongaciòn  para  el  acero.  En  el  diseño  del  acero  està  implìcita  la  deformaciòn  resultante  (fluencia)  del  material  bajo  un  alto  esfuerzo  local.  Cuando  el  material  sufre  elongaciòn,  las  dimensiones  laterales  se  contraen,  debido  al  efecto  de  Poisson.  Si  las  dimensiones  laterales  estàn  total,  o  hasta  parcialmente  restringidas,  el  acero  se  separà  sin  desarrollar  totalmente  su  potencial  de  fluencia.  Este  tipo  de  falla  constituye lo que se conoce como “fractura fràgil”. 

Una  combinaciòn  de  baja  temperatura,  un  cambio  en  las  dimensiones  de  la  secciòn  (efecto de muesca) o alguna imperfecciòn, junto con la presencia de esfuerzos de tensiòn,  pueden iniciar una fractura fràgil. Esto puede empezar como una grieta que se desarrolla  hasta constituir la falla del miembro. No todos los miembros que presentan muescas en un  ambiente  de  baja  temperatura  y  sometido  a  una  alta  tasa  de  deformaciòn  por  tensiòn  fallan;  tiene  que  haber  exactamente  la  combinaciòn  apropiada  de  deformaciòn  y  tasa  de  deformaciòn, temperatura y efecto de muesca. 

1.6.­ SOLICITACIONES DE CARGAS 

Toda  estructura  y  cada  uno  de  sus  miembros  deben  diseñarse    para  cualquier  estado  lìmite  de  falla  posible  ante  las  combinaciones  de  acciones  màs  desfavorables  que  se  puedan presentar durante la vida ùtil de la estructura, no rebasando ningun estado lìmite  de  servicio  ante  las  combinaciones  de    acciones  que  corresponden  a  condiciones  normales de operaciòn. 

El  estado  lìmite  de  falla  corresponde  al  agotamiento  de  la  capacidad  de  carga  de  la  estructura  o  de  cualquier  miembro,  ocurriendo  daños  irreversibles  que  afectan  considerablemente  la  resistencia  ante  nuevàs  aplicaciones  de  carga.  El  estado  lìmite  de  servicio  corresponde  a  los  desplazamientos,  agrietamientos,  vibraciones  o  daños  que  afectan al funcionamiento de la estructura, estas no deben de perjudicar la capacidad de  carga de la estructura o de cualquier miembro estructural. 

En el diseño de estructuras se deben tomar encuenta los efectos de las cargas muertas,  de las cargas  vivas, del sismo y del viento, cuando este ùltimo sea significativo, tambièn  cuando  otros  efectos  producidos  por  otras  acciones  sean  significativos  (nieve,  lluvia  o  hielo,  debido    al  funcionamiento  de  maquinaria  y  equipo  y  su  acupaciòn)  se  deben  considerar  en diferentes combinaciones para el diseño.

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Categorias de acciones, deacuerdo con la duraciòn: 

1.  Acciones  Permanentes:  Son  aquellas  que  obran  sobre  la  estructura  en  forma  continua,  y  cuya  intensidad  casi  no  varía  con  el  tiempo  (carga  muerta,  el  empuje  estatico de tierras y de liquidos, etc.). 

2.  Acciones Variables: Son aquellas que obran sobre la estructura  con una intensidad  que  varía  considerablemente  con  el  tiempo  (cargas  vivas,  efectos  de  tamperatura  (lluvia, nieve, hielo), etc.). 

3.  Acciones Accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la  estructura,  y  que  pueden  tomar  valores  significativos  en  periodos  sumamente  pequeños con respecto a la vida útil de la estructura (vientos, sismos, incendios, etc.). 

Toda  fuerza  que  actue  sobre  la  estructura  se    se  denomina  carga,  estas  cargas  se  clasifican en muertas y vivas.

· Las  cargas  muertas  ocupan  una  posiciòn  permanente  y  son  de  magnitud  constante,  incluyen el peso propio de la estructura, el peso de componentes no estructurales como  recubrimientos de pisos, lo muros divisorios, plafones, instalaciones, equipo macànico y  plomerìa  .  Todas  las  cargas  mencionadas  hasta  ahora  son  fuerzas  que  resultan  de  la  gravitaciòn  y  se  llaman  cargas  de  gravedad.  Para  su  evaluaciòn  se  cuantan  con  las  dimensiones de los elementos constructivos y los pesos unitarios de los materiales.

· Las cargas vivas, que tambièn pueden ser fuerzas de gravedad, estas se producen por  el uso y ocuapaciòn de las edificaciones, estas no son tan permanentes como las cargas  muertas. Ellas  pueden o no estar actuando sobre la estructura en cualquier momento y  su posiciòn puede no ser fija  (muebles, el equipo  y los ocupantes de los edificios). En  general,  la  magnitud  de  una  carga  viva  no  està  bien  definida  como  la  de  una  carga  muerta y usualmente debe ser estimada, pero el peso mìnimo de las cargas vivas que  debe  usarse  en  el  diseño  de  edificios  se  especifican  claramente  en  los  reglamentos  o  còdigos de construcciòn que serìan las cargas de piso, para el caso del reglamento del  D.F.  presenta  una  tabla  de  cargas  unitarias  que  no  incluyen  el  peso  de  los  muros  divisorios,  de  muebles,  equipos  u  otros  elementos  de  peso,  por  lo  cual  si  se  preveen  deben  cuantificarse  y  tomarse  en  cuanta  en  el  diseño  en  forma  independiente  de  la  carga viva especificada en el reglamento del D.F., lo cual, se deveran estudiar diferentes  posiciones  de  carga  viva  para  ciertos  miembros  estructurales  a  fin  de  que  se  pueda  pasar por alto una condiciòn potencial de falla. 

Otras cargas vivas; 

Si una carga viva se aplica lentamente y no es retirada, ni se àplica un nùmero excesivo  de  veces,  la  estructura  puede  analizarse  como  si  la  carga  fuera  estàtica.  La  carga  de  impacto las causan la vibraciòn de cargas mòviles, en el caso de una carga que se aplica  repentinamente, como es el caso cuando la estructura soporta una grùa mòvil, los efectos  de  impacto  deben  tomarse  encuenta.    Cuando  la  carga  se  aplica  y  retira  muchas  veces  durante la vida de la estructura, como en el caso de los puentes que estan sujetos a una  serie de cargas de magnitud variable, el esfuerzo de fatiga se vuelve problemàtico y sus

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efectos  deben  considerarse.  Las  cargas  de  impacto  ocurren  relativamente  en  pocos  edificios,  sobre  todo  en  edificios  industriales,  y  la  carga  por  fatiga  es  rara,  requirìendose  miles de ciclos de carga durante la vida de la estructura antes que la fatiga se vuelva un  problema. 

El viento actua como presiones o succiones sobre las superficies exteriores de un edificio; 

este  se  toma  como    uan  accion  accidental  debido  a  su  naturaleza  transitorial,  tal  carga  permanece mas bien a la categorìa de las acargas vivas. Sin embargo, debido a la relativa  complejidad de determinar las cargas de viento, èstas se consideran como una categoria  aparte de carga. Este tipo de carga lateral es mas perjudicial en edificios altos, siendo no  tan  importante  en  edificios  de  poca  altura,  pero  estructura  de  poco  peso  como  naves  industriales puede causar efectos como el levantamiento del sistema de techo, lo cual es  muy cririco. Si bien el viento èsta presente la mayor parte del tiempo, las cargas de viento  de  la  magnitud  considerada  en  el  diseño  no  son  frecuentes  y  no  se  consideran  como  cargas  de  fatiga.  La  presiòn  del  viento  que  actua  sobre  superficies  verticales  de  una  estructura se puede estimar con la siguiente expresiòn: 

P=0.002558 CsV²  Donde: 

P= Presiòn del viento en lb/pie² 

Cs=Coeficiente de acuerdo a la forma; para estructuras tipo caja es igual a 1.3 de donde  0.8 es  para la presiòn de barlovento y 0.5 para la succiòn de sotavento. 

V=  Velocidad  bàsica  del  viento  en  mi/hra.  Estimada  con  ayuda  de  los  reportes  meteorologicos en cada regiòn del paìs. 

Las  cargas  de  sismo  son  consideradas  en  zonas  sismicas  y  donde  pueda  haber  probabilidad  de  que  se  pueda  presentarse.  Cuando  se  presenta  un  sismo  hay  una  aceleraciòn  en  el  terreno,  la  cual  tiene  dos  componentes,  que  serian  una  vertical  y  otra  horizontal, debido  a que la componente vertical es insignificante, en un anàlisis estructural  se toman encuanta los efectos de la componente horizontal de un sismo y se simula por  un  sistema  de  cargas  horizontales,  similares  a  los  originados  por  la  presiòn  del  viento,  actuando en cada nivel de piso del edificio, el efecto de la aceleraciòn horizontal crece con  la altura debido al efecto de “resonancia” del sismo. 

La  nieve  es  otra  carga  viva,  en  paises  muy  frios  estas  cargas  son  muy  importantes. 

Debido a la incertidumbre que es causada por la presencia del viento que suele acumular  la  nieve  sobre  àreas  muy  pequeñas. Los  valores  mayores  de  carga  se  usan  para techos  horizontales y los menores para techos inclinados. 

La  lluvia,  es  otro  tipo  de  carga  y  que  se  puede  considerar  menos  problematica  que  la  carga  de  nieve,  pero  si  se  acumula  el  agua  en  techos  sin  pendiente  (encharcamiento),  puede causar que la losa se deflexione y forme una especie de vaso y se pueda acumular  màs agua, y que con el tiempo provoque daños en la estructura. 

Otros  tipos  de  cargas  vivas  que  en  ocasiones  debe  considerar  en  el  diseño  son  las  presiones hidrostaticas y la presiòn del suelo, pero los casos que se han mencionado  son  los  comùnmente  encontrados  en  el  diseño  de  los  marcos  estructurales  de  acero  de  edificios y de sus miembros.

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2.­ REGLAMENTOS, ESPECIFICACIONES Y MÉTODOS DE DISEÑO. 

2.1.­ REGLAMENTOS DE CONSTRUCCIÓN 

El diseño y construcciòn de todas las estructuras debe estar deacuerdo a un reglamento  de  construcciòn,  que  es  un  documento  legal  que  contiene  los  requisitos  relativos  a  la  seguridad  estructural,  construcciòn,  seguridad  contra  el  fuego,  plomerìa,  ventilaciòn  y  accesibilidad  para  minusvàlidos.  Un  reglamento  de  construcciòn  tiene  fuerza  legal  y  es  administrado  por  una  entidad  gubernamental  como  una  ciudad,  un  municipio  o  para  algunas  àreas  metropolitanas  grandes,  un  gobierno  establecido.  Los  reglamentos  de  construcciòn  no  dan  procedimientos  de  diseño,  pero  ellos  especifican  los  requisitos  y  restricciones de diseño que deben satisfacerse. De particular importancia para el ingeniero  estructurista  es  la  prescripciòn  de  las  cargas  vivas  mìnimas  en  edificios.  Aunque  el  ingeniero  es  alentado  a  investigar  las  condiciones  de  cargas  reales  y  a  determinar  sus  valores, la estructura debe ser capaz de soportar esa cargas mìnimas especificadas. 

Aunque  en  algunas  grandes  ciudades  tienen  sus  propios  reglamentos  de  construccion,  muchas minicipalidades modifican un reglamento de contrucciòn modelo cuando conviene  a  sus  necesidades  particulares  y  lo  adoptan  en  forma  modificada.    Los  reglamentos  modelo  son  escritos  por  varias  organizaciones  no  lucrativas  en  forma  que  puede  ser  facilmente  adoptada  por  un  organismo  gubernamental.  En  EUA  tiene  tres  reglamentos  modelo nacionales: El Uniform Building Code (ICBO, 1997), el Standard Building Code es  el  reglamento  màs  ampliamente  usado  en  Estados  Unidos.  Un  documento  similar  en  forma  a  un  reglamento  de  contrucciòn,  es  el    ASCE  7­95,  Minimum  Design  Loads  for  Building  and  Other  Structures  (ASCE,  1996).  Este  documento  proporciona  los  requisitos  de  carga  en  un  formato  adecuado  para  adopciòn  como  parte  de  un  reglamento  de  construciòn. 

2.2.­METODOS DE DISEÑO 

Para el diseño de una estructura se debe de hacer de acuerdo a un mètodo de diseño, por  lo que se debe tener conocimiento de los mètodos existentes. 

En  el  diseño  elàstico,  tambièn  llamado  diseño  por  esfuerzos  permisibles  o  diseño  por  esfuerzos de trabajo, donde se consideran las cargas de servicio o de trabajo, es decir, las  cargas que la estructura tiene que soportar, para lo cual se obiene el àrea transversal y el  momento  de  inercia    suficiente  para  soportar  los  esfuerzos  màximos  debidos  a  esas  cargas, sin que rebasen el esfuerzo permisible que es menor que el esfuerzo de fluencia  Fy,  encontrandose  en  el  rango  elastico  del  material,  el  esfuerzo  permisible  sera  igual  al  esfuerzo de fluencia Fy ò la resistencia ùltima de tensiòn Fu entre un factor de seguridad. 

Lo  cual  un  miembro  debera  soportar las  cargas  aplicadas  que  son las  cargas  de  trabajo  quedando sometido a esfuerzos no mayores que el esfuerzo permisible. 

El factor de seguridad para miembros de acero estructural se obtiene como sigue:

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R  F = S 

Donde: 

F=Factor de seguridad 

S=Resistencia calculada de la seccion  R=Carga calculada de servicio 

Como hay incertidumbre en las cargas de servicio y en resistencia real de la seccion, para  F=1, se tiene la siguiente expresion. 

R  /  R  1 

S  /  S  1  S  R  R  R 

S  1 S 

D +

D

= - D +

D

= -

Si se toma ΔS/S=ΔR/R=0.25 y que S/R=F, se obtiene: 

25  .  1 

75  .  F 0  1 =

Por lo que 

3  667  5  .  6  1  .  0 

F = 1  = =

Este  factor  no  se  utiliza  en  estructuras  como  puentes  y  ferrocarriles,  ya  que  estos  presentan  condiciones  de  carga  mas  severas,  por  lo  que  se  toma  un  valor  de  incertidumbre igual a 0.29, donde F=1/0.55=1.82. 

El valor de F=1/0.6 se modifica a 1/0.66 para perfiles compactos. 

Esfuerzos permisibles: 

0.6Fy=0.6(36 Ksi)=21.6 Ksi (El AISC permite 22 Ksi). 

Para las especificaciones  AREA y AASHTO. 

0.55(36)=19.8 Ksi  (estas especiificaciones permiten usar 20 Ksi). 

El  diseño  plàstico  se  basa  en  el  rango  plastico  del  material,  lo  cual  considera  una  condiciòn  de  falla  del  miembro  estructural  (colapso),  es  decir,  se  basa  en  la  resistencia  que proporciona la ductibilidad del acero y esta ocurre bajo esfuerzo constante por encima  del limite  elastico.  Despues de  cierta  cantidad  de  deformacion  plastica,  el  acero  tiende  a  endurecerse  por  deformacion,  y  es  posible  un  amento  en  la  carga,  acompañado  por  deformaciones adicionales.  Las cargas de trabajo se multiplican por factores de seguridad  o  de  carga  (sobrecapacidad),  y  donde  los  miembros  estructurales    fallaran  bajo  cargas  mayores que la carga de trabajo; provocando deformaciones muy grandes introduciendo al  miembro  en  un  rango  elastico,  y  cuando  la  secciòn  transversal  se  plastifica  en  varias

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localidades, se formaran articulaciones plasticas en las mismas localidades, llevando asì al  miembro al colapso. Las cargas reales son inferiores a las cargas de falla, resultando esta  ultima    de  la  multiplicaciòn  de  las  cargas  de  servicio  por  el  factor  de  carga  correspondiente, este metodo nos dice que el miembro fallara cuando este sometido a las  cargas factorizadas, pero como el miembro estara soportando esfuerzos menores debido  a  las  cargas  reales,  este  no  tendra  problemas  de  falla,  lo  cual  nos  proporciona  cierta  seguridad. 

El  factor  de  seguridad  (factor  de  carga)  para  miembros  de  acero  estructural  se  obtiene  como sigue: 

Como  el  factor  de  forma  f  es  igual  a    a  la  relacion  del  modulo  plastico  y  el  modulo  de  seccion,  Z/S.  Para  secciones  compactas  F=1/0.66=1.52.  El  momento  plastico  Mp=fMy,  donde el factor de forma es igual a 1.22 como valor tipico para todos los perfiles laminados  W. Usando el mismo valor de esfuerzo de trabajo fb para el metodo elastico y plastico, se  tiene: 

S  1  F  fMy  S 

1  F  Mp  S  52  .  1 

My = =

Cancelando el modulo de seccion, S, se obtiene  F1=1.52f=1.52(1.12)=1.70 

(este valor se usa en la parte 2 de las especificaciones del AISC) 

El  diseño  por  factores  de  carga  y  resistencia  (LRFD)  se  basa  en  los  estados  lìmite  del  material, siendo similar al diseño plàstico ya que considera la resistencia o la condiciòn de  falla. Las cargas de servicio o de trabajo se multiplican por factores de seguridad que son  casi  siempre  mayores  que  uno  obteniendose  las  cargas  factorizadas,  estas  cargas  factorizadas  se  usan  para  el  diseño  del  miembro  estructural,  lo  cual  debe  resistirlas.  La  resistencia  teorica  ò  nominal  es  multiplicada  por  un  factor  de  resistencia  que  es  normalmente  menor  que  la  unidad.  Este  factor  toma  encuenta  las  incertidumbres  de  resistencia de los materiales, dimensiones y la mano de obra. 

En la siguiente expresiòn la carga factorizada es la sumatoria de las cargas de trabajo por  su factor de carga correspondiente y la resistencia factorizada es la resistencia tèorica por  un factor de resistencia. 

Carga factorizada ≤ resistencia factorizada  O bièn 

∑(cargas X factores de carga) ≤ resitencia X factor de resistencia  O bièn

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∑ﻻi Qi ≤ ø Rn 

En el mètodo por esfuerzos permisibles los factores de seguridad son los mismos para las  cargas muertas que para las cargas vivas, en el mètodo LRFD son diferentes, ya que para  las cargas muertas el factor de carga es menor que el factor de carga de las cargas vivas,  por lo que las cargas muertas se pueden determinar màs facilmente que las cargas vivas,  lo que se podrìa decir que el mètodo LRFD puede ser màs  econòmico que el diseño por  esfuerzos  permisibles  ya  que  si  las  cargas  vivas  son  mas  pequeñas  que  las  cargas  muertas,  las  cargas  factorizadas  se  reducirian.  El  mètodo  LRFD  proporciona  màs  confiabilidad en el diseño de las estructuras, no importando cuales sean las cargas. 

2.3.­ ESPECIFICACIONES DE DISEÑO 

En contraste con los reglamentos de construcciòn, las especificaciones de diseño dan una  guìa  especifica  sobre  el  diseño  de  miembros  estructurales  y  sus  conexiones.  Ellas  presentan las  directrices  y  criterios  que  permiten  aun  ingeniero  estructurista llevar  acabo  los objetivos indicados en un reglamento de construcciòn. 

Las  especificaciones  de  diseño  representan  una  investigacion  constante,  ya  que  son  renovadas  periodicamente  y  puestas  al  dia  en  suplementos  o  ediciones  completamente  nuevas.  Igual    que  los  reglamentos  modelo  de  construccion,  las  especificaciones  de  diseño  se  escriben  en  un  formato  legal  por  organizaciones  no  lucrativas.  Tales  especificaciones  no  tienen  por  sì  mismas  vigencia  legal,  pero  al  presentar  los  criterios  y  lìmites  de  diseño  en  forma  de  mandatos  y  prohibiciones  legales,  ellas  pueden  ser  fàcilmente adoptadas, por referencia, como parte de un reglamento de construcciòn. 

Las  especificaciones  de  mayor  interès  para  el  ingeniero  estructurista  en  acero,  son  aquellas publicadas por las siguientes organizaciones. 

1. American Institute of Steel Constructiòn (AISC): Estas especificaciones se refieren al  diseño de edificios de acero estructural y sus conexiones  (AISC, 1993). 

2. American  Association  of  State  Highway  and  Transportation  Officials  (AASHTO): 

Estas especificaciones se refieren al diseño de puentes carreteros y estructuras afines. 

Ellas  se  refieren  a todos los  materiales  estructurales  usados  normalmente  en  puentes,  como el acero, el concreto reforzado y la madera  (AASHTO, 1992, 1994). 

3. American  Railway  Engeneering  Association  (AREA):  Este  documento  se  refiere  al  diseño de puentes ferroviarios y estructuras afines (AREA, 1992). 

4. American Iron and Steel Institute (AISI): Estas especificaciones tratan todo lo relativo  al acero formado en frìo, (AISI, 1996).

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2.4.­ESPECIFICACIONES  DEL  INSTITUTO  AMERICANO  DE  LA  CONSTRUCCIÓN  EN  ACERO 

Estas  estan  escritas  y  mantenidas  al  dìa  por  un  comitè  del  AISC  que  comprende  practicantes  de  la  ingenieria  estructural,  educadores,  productores  de  acero  y  fabricantes  de estructuras. Periodicamente se publican nuevas ediciones y, siempre es necesaria una  revisiòn intermedia, se editan suplementos. El diseño por esfuerzos permisibles ha sido el  principal  mètodo  usado  para  los  edificios  de  acero  estructural  desde  que  las  primeras  especificaciones AISC fueron editadas en 1923, aunque recientes ediciones han contenido  estipulaciones  para  el  diseño  plàstico.  En  1986,  el  AISC  aditò  la  primera  especificaciòn  para el diseño de factores de carga y resistencia de edificios de acero estructural y un libro  en  paralelo,  el  Manual  of  Steel  Construction  (Manual  de  construcciòn  en  acero).  El  proposito  de  esos  documentos  es  proporcionar  un  diseño  alternativo  al  diseño  por  esfuerzos permisibles, tal como el diseño plàstico es tambièn una alternativa. La segunda  ediciòn del manual (AISC, 1994), incluye las especificaciones  AISC de 1993. Las normas  de  las  especificaciones  LRFD  se  basan  en  las  investigaciones  reportadas  en  ocho  artìculos  publicados  en  1978  en  la  revista  estructural  de  la  American  Society  of  Civil  Engineers  (Ravindra  y  Galambos;  Yura,  Galambos  y  Ravindra;  Bjorhovde,  Galambos  y  Ravindra; Cooper, Galambos y Ravindra; Hansell y otros; Fisher y otros; Ravindra, Cornell  y Galambos; Galambos y Ravindra, 1978). A menos que se indique de manera diferente,  las  referencias  a  las  especificaciones  AISC  y  al  Manual  of  Steel  Construction  seràn  las  versiones LRFD. 

EL diseño por factores de carga y resistencia no es un concepto reciente, desde 1974 se  ha usado en Canadà, donde se conoce como diseño por estado lìmite. Es tambièn la base  de la mayorìa de los reglamentos europeos de edificaciòn. En Estados Unidos, el  LRFD  ha  sido  un  mètodo  aceptado  de  diseño  para  el  concreto  reforzado  durante  años  y  es  el  principal  mètodo  autorizado  por  American  Concrete  Institute’s  Building  Code,  donde  se  conoce  como  diseño  por  resistencia  (ACI,  1995).  Las  normas  de  diseño  para  puentes  carreteros permiten  el  diseño  por  esfuerzos permisibles  (AASHTO,  1992)  y  el  diseño  por  factores de carga y resistencia (AASHTO, 1994). 

Las  especificaciones  AISC  son  publicadas  como  un  documento  independiente,  pero  son  tambièn  parte  del  manual  de  construcciòn  en  acero.  Exepto  por  los  productos  especializados  de  acero  como  los  de  acero  formados  en  frìo,  que  son  tratados  por  una  especificaciòn diferente (AISI, 1996), las especificaciones AISC son las normas por medio  de las cuales virtualmente todos los edificios de acero estructural se diseñan y construyen  en Estados  Unidos. 

Las  especificaciones  consisten  en  cuatro  partes:  el  cuerpo  principal,  los  apèndices,  la  secciòn  de  valores  numèricos  y  los  comentarios.  El  cuerpo  principal  està  organizado  alfabèticamente  segùn  los  capitulos  A  al  M.  Dentro  de  cada  capitulo,  los  encabezados  mayores  èstan  rotulados  con  la  designaciòn  del  capitulo  seguido  por  un  nùmero. 

Subdivisiones adicionales estàn rotuladas numèricamente. Por ejemplo, los tipos de acero  estructural  autorizados  se  dan  en  una  lista  del  capìtulo  A,  “General  Provisions”,  bajo  la  secciòn A3. Material y, bajo èsta, la secciòn 1. Acero estructural. El cuerpo pricipal de las  especificaciones  es  seguido  por  apèndices  a  capìtulo  seleccionados.  Los  apèndices  de  designan B, E, F,G,H,I,J, y K para corresponder a los capìtulos a los que se refieren. Esta

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secciòn  es  seguida  sobre  la  secciòn  sobre  valores  numèricos,  que  contiene  tablas  de  valores numèricos es seguida por comentarios, que explican muchas de las estipulaciones  de  las  especificaciones.  Su  esquema  organizativo  es  el  mismo  que  el  de  las  especificaciones, por lo que el material aplicable a una secciòn particular puede localizarse  fàcilmente. Los apèndices, la secciòn de valores numèricos y los comentarios consideran  las partes oficiales de las especificaciones y tienen la misma autoridad que el material en  el cuerpo principal. 

2.5.­FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA USADOS  EN LAS  ESPECIFICACIONES  AISC 

Los  factores  de  carga  incrementan  las  cargas  de  servicio  tomando  encuenta  la  incertidumbre que estan implicitas en los valores de las cargas muertas y cargas vivas. 

La ecuaciòn: 

∑ﻻi Qi ≤ ø Rn  Donde: 

ﻻi  = un factor de carga 

Qi =un efecto de carga (una fuerza o un momento)  ø  =factor de resistencia 

Rn=resistencia tèorica o nominal del miembro 

La  resistencia  factorizada  ø  Rn  se  llama  resistencia  de  diseño  y  la  carga  factorizada  resulta  de  la  combinaciòn  de  los  diferentes  efectos  de  carga  a  que  va  estar  sometido  el  miembro  estructural.  Las  condiciones  de  carga  por  considerarse  se  dan  en  el  capìlo  A, 

“general provisions”, de las especificaciones AISC como 

U=1.4D  (A4­1) 

U=1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R)       (A4­2)  U=1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (0.5L o 0.8W)      (A4­3)  U=1.2D +1.3 W + 0.5L + 0.5(Lr o S o R)      (A4­4)  U=0.9D ± 1.0E + 0.5L + 0.2S       (A4­5) 

U=0.9D ±  (1.3W o 1.0E)  (A4­6) 

Donde: 

U =carga factorizada  D = carga muerta 

L =carga viva debido al equipo y ocupaciòn  Lr=carga viva de techo 

S =carga de nieve 

R =carga de lluvia o hielo  W=carga de viento 

E =carga por sismo

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Estas  ecuaciones  de  combinaciones  de  cargas,  el  AISC  las  identifica  con  una  letra  que  reprsenta el capitulo, el primer numero la secciòn, y el segundo numero la secuencia de la  misma secciòn. 

En cada combinaciòn, uno de los efectos se considera como el valor “máximo” durante su  vida  y  los  otros    como  los  valores  en  “puntos  arbitrarios  del  tiempo”.  Esos  factores  de  carga y combinaciones de carga son los recomendados en el Minimun Design for Building  and Other structures (ASCE, 1996) y se basan en amplios estudios estadísticos. 

Los  factores  de  resistencia  toman  encuenta  las  incertidumbres  de  la  resistencia  de  los  materiales,  dimensiones  y  mano  de  obra.  El  factor  de  resistencia  ø  para  cada  tipo  de  resistencia està dado por el AISC en el capìtulo de las especificaciones que trata con esa  resistencia. Esos factores varìan en valor de 0.75 a 1.0. (0.85 para columnas, 0.75 ­ 0.90  para elementos en tensiòn, 0.90 para flexiòn o corte en vigas, etc.). 

Tabla 2.1.­ Factores de resistencia de las especificaciones LRFD 

Fr(ø)  SITUACIÓN 

1.00  Aplastamiento en áreas proyectantes de pasadores, fluencia del alma bajo cargas  concentradas, cortante en tornillos en juntas tipo fricción. 

0.90  Vigas sometidas a flexión y corte, filetes de soldadura con esfuerzos paralelos al  eje de la soldadura, soldaduras de ranura en el metal base. 

0.85  Columnas,  aplastamiento  del  alma,  distancias  al  borde  y  capacidad  de  aplastamiento de agujeros. 

0.75  Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, fractura en la sección neta de  miembros a tensión. 

0.65  Aplastamiento de tornillos (menos A307) 

0.60  Aplastamiento en tornillo A307, aplastamiento en cimentaciones de concreto. 

Tabla 2.2­ Factores de resistencia de las especificaciones  de las NTC­ Diseño de  Estructuras Metálicas 

Fr  CASO 

0.9  Resistencia  a  tensión  para  estado  límite  de  flujo  plástico  en  la  sección  total,  resistencia a flexión y cortante en vigas, determinación de cargas críticas, tensión  o compresión paralela al eje de soldaduras tipo filete y de penetración parcial. 

0.80  Tensión normal al área efectiva en soldaduras de penetración parcial cortante en  el área efectiva en soldaduras de penetración completa. 

0.75  Resistencia a tensión por estado límite de fractura en la sección neta, resistencia  a compresión para estado límite de pandeo local en secciones tipo 4, cortante en  el área efectiva en soldaduras de filete, cortante paralela al eje de la soldadura de  penetración parcial, resistencia a tensión de tornillos. 

0.70  Resistencia a compresión de columnas de sección transversal circular hueca tipo  4. 

0.60  Resistencia al cortante en conexiones por aplastamiento.

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2.6.­MANUAL DE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO 

La  publicación  del  Manual  of  Steel  Construction  del  AISC  (AISC,  1994),    contiene  las  especificaciones  AISC  y  numerosas  ayudas  de  diseño  en  forma  de  tablas  y  graficas  así  como un catalogo de los perfiles estructurales de acero mas ampliamente disponibles. 

El manual consta de dos volúmenes.

· El volumen  I, subtitulado “Structural Members, Specifications and Codes”, contiene las  partes    1  a  la  7  y  trata  principalmente  con  el  diseño  de  miembros.  El  volumen  II,  subtitulado  “Connections”,  contiene  las  partes  8  al  12  y  se  dedica  al  diseño  de  conexiones. 

1.  Dimensiones y propiedades. 

Esta parte contiene detalles sobre perfiles estándar laminados, tubos y perfiles tubulares,  incluidas  todas  las  dimensiones  de  secciones  transversales  necesarias  y  propiedades  como área y momento de inercia. Se da también información sobre la disponibilidad de los  perfiles  en  varias  resistencias.  Los  aceros  considerados  son  algunas  de  los  autorizados  por las especificaciones AISC para su uso en la construcción de edificios y se incluyen los  siguientes: 

ASTM A36: Acero estructural al carbono 

ASTM A529: Acero estructural al carbono­manganeso, de alta resistencia  ASTM A572: Acero estructural de baja aleación, de alta resistencia 

ASTM  A242:  Acero  estructural  de  bajo  aleación,  de  alta  resistencia,  resistente  a  la  corrosión 

ASTM  A588:  Acero  estructural  de  baja  aleación,  de  alta  resistencia,  resistente  a  la  corrosión 

ASTM A852: Placa de acero estructural de baja aleación, templado y revenido 

ASTM A514: Placa de acero aleado estructural de lata resistencia, templado y revenido  2.  Aspectos esenciales del LRFD. 

Esta  parte  es  una  introducción  condensada  a  los  aspectos  básicos  del  diseño  por  factores  de  carga  y  resistencia  de  las  estructuras  de  acero.  Se  incluyen  ejemplos  numéricos. 

3.  Diseño de columnas. 

Esta  parte  contiene  numerosas  tablas  para  facilitar  el  diseño  de  miembros  cargados  en  compresión axial y de vigas­columnas. La mayoría de esas tablas se refieren a aceros con  esfuerzos de fluencia de 36 Ksi y 50 Ksi. Se dan adicionalmente ejemplos de diseño que  ilustran el uso de las tablas. 

4.  Diseño de vigas y trabes. 

Esta parte, igual que la parte 3, contiene muchas ayudas de diseño, incluyendo graficas y  tablas.  Muchas  de  ellas  tratan  sobre  los  requisitos  de  las  Especificaciones  AISC,  pero  algunas, como los diagramas y formulas de vigas, pertenecen al análisis estructural. Esta  parte también contiene un anàlisis de los procedimientos de diseño de vigas y trabes, así  como ejemplos de diseño.

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5.  Diseño compuesto. 

Esta  parte  trata  de  los  miembros  compuestos,  usualmente  vigas  o  columnas,  que  son  componentes  estructurales  formadas  por  dos  materiales:  acero  estructural  y  concreto  reforzado.  Comúnmente  las  vigas  compuestas  se  usan  cuando  un  sistema  de  vigas  paralelas  soporta  una losa  de  piso  de  concreto  reforzado.  En  esta  aplicación,  elementos  soldados al patín superior quedan embebidos en el concreto, formando la conexión entre  los dos materiales. Las columnas compuestas consisten en perfiles estructurales de acero  embebidos  en  concreto  reforzado  o  en  perfiles  huecos  rellenos  de  concreto.  Esta  parte  contiene información básica, ayudas de diseño y ejemplos. 

6.  Especificaciones y reglamentos. 

Esta parte contiene las especificaciones y comentarios del AISC, una especificación para  tornillos de alta resistencia (RCSC, 1994) y otros documentos. 

7.  Datos diversos y tablas matemáticas. 

Esta  parte  trata  el  alambre  y  lamina  de  acero,  así  como  varias  propiedades  del  acero  y  otros materiales de construcción. Se incluyen también formulas matemáticas y factores de  conversión para diferentes sistemas de unidades.

· El  volumen  II,  que  comprende  las  partes  8  a  la  13,  contiene  tablas  de  ayuda  para  el  diseño de conexiones atornilladas y soldadas junto con tablas que proporcionan detalles  sobre  conexiones  “estandarizadas”.  (La  parte  13  es  una  lista  de  organizaciones  de  la  industria de la construcción). 

Las  especificaciones  AISC  son  solo  una  pequeña  parte  del  manual.  Muchas  de  los  términos  y  constantes  usados  en  otras  partes  del  manual  se  presentan  para  facilitar  el  proceso  de  diseño  y  no  son  necesariamente  parte  de  las  especificaciones.  En  algunos  casos, las recomendaciones son solo “reglas empíricas” basadas en la práctica común, no  requisitos de las especificaciones, es importante reconocer que es un requisito (cuando es  adoptado por un reglamento de construcción)  y que no lo es.

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3.­SECCIONES COMPUESTAS  3.1.­INTRODUCCIÓN 

En  la  actualidad  el  uso  de  secciones  compuestas  ha  ido  aumentando.  Anteriormente  las  vigas  de  acero  y  las  losas  de  concreto  se  consideraban  por  separado,  es  decir,  en  su  diseño  no  se  aprovechaban  sus  características  estructurales  de  cada  uno  para  la  aumentar  su  resistencia.    En  la  acción  compuesta  (unión  del  acero  y  del  concreto)  aumenta la resistencia de la sección, ya que se aprovechan las propiedades estructurales  de  cada  uno.  En  vigas  compuestas  la  resistencia  se  puede  aumentar  aproximadamente  una  tercera  parte,  en  comparación  de  una  viga  de  acero  normal,  al  igual  que  la  sección  compuesta reduce las deflexiones considerablemente, lo cual permite usar  vigas de acero  más chicas en su sección. 

En vigas compuestas, cuando el eje neutro se encuentra en la unión de los dos elementos,  el concreto resiste la fuerza de compresión y el acero la fuerza de tensión,  ya que si no  hay  suficiente  adherencia  entre  ambos  elementos,  esta  unión  se  hace  por  medio  de  conectores de cortante, para que la sección trabaje como una sola. 

Las  columnas  compuestas  son  otro  tipo  de  secciones,  estas  se  componen  por  perfiles  laminados o armados de acero embebidos en concreto reforzado; en estas el concreto se  aprovecha para reforzar y proteger el acero contra el fuego y la corrosión, los estribos se  colocan alrededor de las barras longitudinales a una cierta separación especificada, estos  estribos ayudan  principalmente  al  concreto  de  recubrimiento  para  que  no  se   desprenda. 

También  las  columnas  tubulares  son  rellenadas  de  concreto;  el  concreto  y  el  acero  trabajan en conjunto y se ayudan mutuamente para evitar el pandeo y soportar las cargas. 

Durante  la  construcción  de  las  secciones  de  las  columnas  compuestas,  los  perfiles  de  acero soportan las cargas iniciales, incluido el peso propio de la estructura, las cargas de  gravedad y laterales, posteriormente se le cuela el concreto. 

3.2.­DESARROLLO HISTÓRICO 

La  combinación  de  dos  a  más  materiales  anteriormente  ya  estaba  en  uso  en  diferentes  culturas  o  civilizaciones,  pero  cuando  se  empezó  a  reconocer  el  uso  compuesto  fue  a  mediados  del  siglo  XIX.  En  1840    William  Howe  patento  una  armadura  compuesta  de  madera­  hierro  forjado;  esta  misma  combinación  de  materiales  la  utilizaron  Thomas  y  Caleb Pratt para diseñar una armadura de una configuración diferente. 

Figura 3.1.­Armadura Howe 

Posteriormente,  con el  uso  del  concreto en  vigas  de  acero  para  protegerlas  del  fuego  se  empezó  a  utilizar  la  construcción  compuesta.  La  construcción  híbrida  es  otra  forma  de

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