Ingeniería Civil
Diseño de Estructuras de Acero
I.- Conceptos Generales de Diseño
Ingeniería Civil
Las propiedades de los materiales estructurales
tienen
una
influencia
esencial
en
el
comportamiento de la estructura que forman. Se
pueden diferenciar, en forma general, dos tipos de
ellos:
MATERIALES DÚCTILES:
Son los que presentan excesivas deformaciones
antes que se presente la fractura del miembro; la
fluencia incontrolada anuncia la inminente falla.
Las estructuras tienen entonces tanta capacidad
para absorber energía, como ductilidad tengan sus
componentes.
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MATERIALES FRAGILES:
Estos materiales presentan poca capacidad de
absorción de energía, debido a que no ocurren
grandes deformaciones sin que se presente la
falla, algunos ejemplos típicos son el vidrio, la
roca, el yeso, etc. La ausencia de deformaciones
apreciables hace que existan, en las estructuras
hechas con materiales frágiles, fallas inesperadas,
repentinas y por ello, lamentables.
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Entre los materiales estructurales actuales, EL
ACERO, es el metal mas importante y su
producción en perfiles de distintas formas y placas,
así como el avance en el estudio del
comportamiento estructural lo han hecho el
material de trabajo de muchas edificaciones.
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VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL
ESTRUCTURAL
ALTA RESISTENCIA: La alta resistencia por
unidad de peso, significa que las cargas
muertas son menores. Este hecho es de gran
importancia en puentes de gran claro, edificios
elevados, y en estructuras cimentadas en
condiciones precarias.
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VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL
ESTRUCTURAL
UNIFORMIDAD: Las propiedades del acero no
cambian apreciablemente con el tiempo, como
con las del concreto reforzado.
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VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL
ESTRUCTURAL
ELASTICIDAD: El acero está mas cerca de las
hipótesis de diseño que la mayoría de los
materiales, porque sigue la ley de Hooke hasta
para esfuerzos relativamente altos.
Ingeniería Civil
VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL
ESTRUCTURAL
DURABILIDAD: Las estructuras de acero con
mantenimiento adecuado durarán indefinidamente.
La investigación en algunos de los nuevos aceros
indica que bajo ciertas condiciones, solo requieren
pintura como mantenimiento.
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VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL
ESTRUCTURAL
DUCTILIDAD: La propiedad de un material que le permite soportar
deformaciones generales sin fallar, bajo esfuerzos de tensión
elevados, se conoce como ductilidad. Cuando un miembro de acero
dulce se somete a la prueba de tensión, ocurrirán una reducción
considerable de su área transversal y un fuerte alargamiento, en el
lugar de la falla antes de que la fractura real ocurra. Un material que
no tenga esta propiedad es probablemente duro y quebradizo,
vítreo, y posiblemente se rompa si recibe un choque súbito.
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ALGUNAS OTRAS VENTAJAS IMPORTANTES
DEL ACERO ESTRUCTURAL:
ADAPTACION A PREFABRICACION
•
RAPIDEZ DE MONTAJE
•SOLDABILIDAD
•TENACIDAD Y RESISTENCIA A LA FATIGA
•POSIBLE REUTILIZACIÓN DESPUES DE QUE LA
ESTRUCTURA SE DESMONTE
•VALOR DE RESCATE, AUN CUANDO NO PUEDA
USARSE SINO COMO CHATARRA.
•
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DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL:
COSTO DE MANTENIMIENTO
COSTO DE PROTECCION CONTRA INCENDIO
SUSCEPTIBILIDAD AL PANDEO
Diagramas de Esfuerzo-Deformación del Acero
Ingeniería Civil
Curvas típicas tensión-deformación para
aceros estructurales (se han modificado para
reflejar las propiedades específicas mínimas)
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ESPECIFICACIONES:
AMERICAN
AMERICAN
AMERICAN
AMERICAN
AMERICAN
INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION (AISC)
WELDIN SOCIETY (AWS)
ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY OFFICIALS (AASTHO)
RAILWAY ENINEERING (AREA)
SOCIETY FOR TESTING MATERIALS (ASTM)
Filosofía de Diseño
Ingeniería Civil
es un factor, normalmente menor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre
en la determinación de la resistencia nominal, incluye la variabilidad en la
calidad de los materiales y en las dimensiones previstas, errores de
construcción, idealizaciones de los modelos matemáticos, limitaciones en la
teoría de análisis y diseño.
es un factor, normalmente mayor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre
en la determinación del sistema de cargas nominales Qi. Incluye la variabilidad
del sistema de las cargas, modificaciones en el uso de la estructura, variación en
los pesos unitarios, etc.
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Métodos de Diseño
Método de Diseño por Esfuerzos Permisibles
(Allowable Stress Design, ASD)
Método de Diseño por Estados Límites
(Load and Resistance Factor Design, LRFD
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Allowable Stress Design, ASD
Bajo este criterio se diseña de manera tal que los esfuerzos calculados por efectos
de las cargas de servicio no superen los valores máximos en las especificaciones.
Método de diseño que trabaja en función de los Esfuerzos Permisibles.
Los esfuerzos permisibles son una fracción de los esfuerzos de fluencia del material.
Basado en el análisis elástico de las estructuras: los miembros deben ser diseñados para
comportarse elásticamente.
fi: son los esfuerzos elásticos calculados para cada
caso de carga.
Fpermisible=Fy/FS donde FS es un factor de seguridad
y Fy es el esfuerzo de fluencia del material
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Load and Resistance Factor Design, LRFD
Bajo este criterio los procedimientos de análisis y diseño son los de la teoría
plástica o una combinación de análisis elástico con diseño plástico.
Método de diseño por Estados Límites.
Es consistente con el método de diseño para concreto reforzado ACI-318.
Considera un procedimiento probabilístico.
Provee un nivel más uniforme de confiabilidad.
= factor de carga que afecta a las cargas de servicio.
Secciones de Perfiles de Acero
PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE:
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Son piezas únicas, que se obtienen por la laminación de tochos o palanquillas provenientes
del proceso de colada continua.
Las características técnicas de los perfiles laminados facilitan la solución de las conexiones y
uniformidad estructural, por no presentar soldaduras o costuras e inclusive un bajo nivel de
tensiones residuales localizadas, gracias a la ausencia de soldadura en su proceso de
fabricación.
Estos tipos de perfiles pueden ser laminados con alas paralelas (series I, H), que siguen la
norma ASTM A6/A6M, con nomenclatura de la serie americana WF (wide flange); o perfiles
laminados normales de alas inclinadas, cuyas secciones pueden ser en I (doble te), U (en
forma de U o canales) ó L (perfiles en forma de L o angulares), tal como se muestran en las
figuras.
Secciones de Perfiles de Acero
PERFILES SOLDADOS:
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Son aquellos fabricados mediante el corte, la composición y soldadura de
chapas planas de acero. Son elementos ensamblados generalmente de
forma rectangular, la ventaja que tiene este tipo de perfil es que se
adecua perfectamente a los requerimientos de diseño de acuerdo al
análisis estructural que se realiza, lo que permite obtener una gran
variedad de formas y dimensiones de secciones.
Las relaciones de las dimensiones en perfiles típicos H, I, son las siguientes:
CS, tienen la forma de H y su altura es igual al ancho del ala, h=b.
CVS, tienen forma de H y la proporción entre la altura y el ancho es de 1.5:1.
VS, son de sección tipo I y la proporción entre la altura y el ancho del ala es de 2:1 y 3:1.
Secciones de Perfiles de Acero
PERFILES ELECTROSOLDADOS:
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Los perfiles electrosoldados se fabrican a partir de bandas de acero
estructural laminadas en caliente mediante el proceso continuo y
automático de alta productividad.
La versatilidad de la línea de electrosoldadura permite obtener perfiles de
diferentes secciones y longitudes.
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