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
ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ, SIN CUYA AYUDA, ESTE TRABAJO NO SE HUBIERA
REALIZADO.
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.
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
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
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.
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.
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 2 (28000 Ksi) a 2109000 kg/cm 2 (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 2 .
· 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.
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”.
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
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
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 2 ), pero el valor màs probable serà del orden de 43 a 48 Ksi (3020 a 3370 kg/cm 2 ). De modo similar, un acero A441, con un punto de fluencia de 50 Ksi (3515 kg/cm 2 ), tendra una resistencia de fluencia del orden de 57 Ksi (4000 kg/cm 2 ). Conforme la fluencia garantizada hasta aproximadamente 65 Ksi (4670 kg/cm 2 ) 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 2 ); 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.
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 %)
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
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.
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
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.
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:
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
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
∑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).
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
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
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.
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.
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.
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