Introducción al diseño de estructuras de acero

Introducción al diseño de
estructuras de acero
1.1
INTRODUCCION
Se puede observar por medio de las estructuras, que se va alterando la superficie de
nuestro planeta, las cuales indican la existencia de nuestra civilización, y a medida que se
van construyendo obras que son exclusivamente de ingeniería civil como ser, edificios,
presas, puentes, plantas de energía y torres, que nos sirven de refugio, el uso de la
energía, el mejor transporte y las comunicaciones.
Por lo tanto el Ingeniero Civil adquiere una responsabilidad para decidir si el medio
afectado o no, a causa de las estructuras que el construye.
Una vez estudiado el lugar donde se va a construir la estructura y después de haber
considerado varios sistemas estructurales, alternativas y como deberán ir dispuestos los
elementos de la estructura. Se debe aprender primero a diseñar las partes antes de
planificar el conjunto. Por consiguiente, se hace énfasis en el diseño y selección de
elementos de acero a tracción como ser las vigas, elementos a compresión como ser las
columnas, viga-columnas, trabes armadas y conexiones que unan esos miembros para
formar un edificio, un puente, una torre u otras estructuras de acero.
Para establecer cuan adecuado puede ser un miembro estructural, se determina por todo
un conjunto de reglas de diseño, que se denominan especificaciones, las cuales son de
guía para el diseñador en la verificación de la resistencia, la rigidez, proporciones y otros
criterios que se presenten en los miembros en cuestión.
Existe una variedad de especificaciones que fueron y son desarrolladas para materiales y
estructuras. Cada una esta basada en años de experiencia adquirida por medio del uso
real de la estructura. Las diversas fórmulas y reglas de especificación que se dan cuando
se realiza estudios sobre las estructuras de acero muchas veces ocasionan confusión al
momento de diseñar. Este documento se referirá a una sola especificación la cual se
estudia a lo largo de la materia de estructuras de acero y es el LRFD (Load and Resitance
Factor Desing Specification for Structural Steel Buildings) del Instituto Americano de la
Construcción en Acero (AISC) y son especificaciones para el diseño por factores de carga y
resistencia en edificios de acero estructural.
PÁG.
1
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
Aquellos que dominen el uso de esta especificación y entiendan el significado e
importancia estructural de sus requisitos, podrán fácilmente trabajar con otra
especificación diferente al diseño de estructuras de acero y pueda así entender la similitud
de reglas de diseño que contenga.
Las especificaciones AISC del 2001 se encuentran en la tercera edición (2001) del Manual
para la construcción en acero del AISC (Manual of Steel Construction). El manual del AISC
debe considerarse como el libro base para todo el desarrollo de este documento en el que
se harán frecuentes referencias a él, aconsejando así leer el Prólogo y el Prefacio del AISC
para obtener una idea preliminar de su contenido.
1.2
EL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
El conocer acerca de las características elásticas, inelásticas, de fractura y de fatiga de un
metal es necesario para la fabricación de un miembro estructural, y es requerido para un
cierto diseño estructural.
La elasticidad es la capacidad de un metal de regresar a su forma original después de ser
cargado y luego descargado.
La fatiga de un metal ocurre cuando es sometido a esfuerzos en forma repetida por arriba
de su limite de fatiga, por medio de muchos ciclos de carga y descarga, se tienen
problemas de fatiga solo cuando se presentan tracciones y compresiones en el elemento.
La ductilidad es la capacidad de un cuerpo de deformarse sin fracturarse en el rango
inelástico, cuando se carga mas allá del punto de fluencia, la ductilidad del acero
estructural le permite experimentar grandes alargamientos inelásticos. Finalmente la
probeta se fractura cuando alcanza la resistencia última de rotura .
La tenacidad puede definirse como una combinación de resistencia y ductilidad.
En la sección A.3 (Pág.16.1-1) del AISC-01 presentan 17 aceros empleados en la
fabricación de acero. La carga de tracción en la fractura, dividida entre el área original y la
probeta descargada se denomina resistencia última a la tracción.
Los valores mínimos especificados para el punto de fluencia [Fy], y la resistencia última de
tracción [Fu] que es un esfuerzo nominal basado en el área original, índices de ductilidad y
parámetros químicos, fueron establecidos por Sociedad Americana para Pruebas y
Materiales (ASTM) para así controlar la aceptación de los aceros estructurales, como se
puede observar en la tabla 1.1.
1.3
DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO ESTRUCTURAL
Para que se entienda de mejor forma el comportamiento de las estructuras de acero es
necesario que el calculista conozca las propiedades de la misma.
Los diagramas de esfuerzo-deformación nos indican parte de la información necesaria para
entender de mejor manera el comportamiento que el acero desempeña cuando es
sometido a fuerzas internas y externas.
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2
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Punto de
fluencia mínima
[ksi (Mpa)]a
Designación
Acero estructural, ASTM A36
Tubos estructurales de acero al carbono,
laminados en caliente, soldados y sin costura.
ASTM A501
Resistencia
última
[ksi (Mpa)]a
36 (248 )
58-80 (400-552)
36 (248 )
58 (400)
42 (290)
63 (434)
Acero estructural de baja aleación y alta resistencia
Con punto de fluencia mínima de 50.000 psi en piezas
de hasta 4 in de espesor. ASTM A588
46 (317)
50 (345)
67 (462)
70 (483)
min
Tubos estructurales de baja aleación y alta resistencia,
laminados en caliente, soldados y sin costura. ASTM A618
50 (345)
50 (345)
65 (448)
min
Aceros de calidad estructural al columbio-vanadio de baja
aleación y alta resistencia. ASTM A572
42 (290)
50 (345)
60 (414)
65 (448)
90 (621)
100 (689)
60 (414)
65 (448)
75 (517)
Acero estructural de baja aleación y alta resistencia
ASTM A242
Placa de acero de aleación de alta resistencia a la fluencia,
Templado y tratado, apropiado para soldarse, ASTM A514
a
70 (483)
min
min
80 (552)
110-130 (758-896)
110-130 (758-896)
ksi, kips por pulgada cuadrada; 1 kip =1000 lb. Un megapascal ( Mpa ) es igual a un newton por milímetro cuadrado
( N/mm2 ). La practica de ingeniería estructural en Estados Unidos no ha decidido que notación aún es preferible.
Tabla 1.1 Aceros usados en los perfiles y placas de acero estructural1
1
Los siguientes aceros son valores aproximados para todos los aceros:
Modulo de elasticidad (E)
Modulo de cortante (G)
Relación de Poison
Esfuerzo de cedencia en corte
Resistencia ultima en corte
:
:
:
:
:
29000 [ksi]
11200 [ksi]
0.30
0.57 veces esfuerzo de cedencia en tracción.
2/3 a 3/4 veces la resistencia a la tracción.
Véase ASTM A6 para conocer la clasificación del grupo de los perfiles estructurales
Entre los aceros estructurales mas importantes se tiene :
Acero estructural; ASTM A36
donde
Fy = 36 Ksi
Fy = 36 Kilo pound per square inch = 36 klb/pulg2
Fy = 36 ksi x 70.3 ≈ 2500 kg/cm2
ASTM A50
donde
Fy = 50 Ksi x 70.3 ≈ 3500 kg/cm2
Se sabe que no es posible que se desarrollen métodos de diseño que satisfagan a menos
que se entienda y disponga de la información referente a las relaciones esfuerzodeformación del material que se utiliza para cualquier diseño estructural.
Para esto consideremos una probeta de acero sujeta entre las mordazas de una maquina
de pruebas de tracción Figura 1-1. y si aplicamos cargas de tracción a la muestra, los
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3
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
extremos de la muestra con mayor diámetro se fijan en las mordazas de montaje, para
que la ruptura se presente en el centro de la misma, el dispositivo sujeta a la muestra
mediante dos brazos, y donde un extensómetro mide el alargamiento de la muestra
durante la prueba y observándose que al incrementar simultáneamente la carga hay un
alargamiento en una determinada longitud, es decir que la muestra se alarga como se
observa en la Figura 1-2.
Figura 1-1.
Equipo de prueba para relizar ensayos generales
La muestra estandarizada de la ASTM tiene un diámetro de 0.5 plg. y una longitud de 2
plg., entre las marcas de calibración, que son los puntos donde los brazos del
extensómetro se sujetan a la muestra, midiendo y registrando la carga de tracción
mediante calibradores eléctricos de resistencia variable (strain gages). En una prueba
estática la carga se aplica lentamente ; sin embargo en una prueba dinámica la variación
de la carga puede ser muy elevada y también debe medirse esto debido a que son
afectados las propiedades de los materiales.
Figura 1-2.
Medidores de deformación (strain gages).
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4
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Si vamos incrementando la fuerza de una manera constante, la magnitud del alargamiento
aumentará gradualmente dentro de ciertos límites. Los resultados se suelen representar
en un gráfico en el que en las ordenadas se muestran las cargas y en las abscisas los
alargamientos.
La representación de este gráfico se muestra en la Figura 1-1.; se puede observar que no
aparecen representadas las fuerzas y alargamientos totales, sino las fuerzas unitarias o
esfuerzos unitarios y los alargamientos unitarios o deformaciones unitarias, ya que solo se
pueden comparar las propiedades de una muestra con las de otra si se reducen los valores
observados a unos puntos de referencia común.
El sector que comienza la curva de esfuerzo–deformación unitaria para acero estructural
es cuando el esfuerzo de tracción alcance un valor aproximadamente de un medio de la
resistencia ultima del acero [Fu], entonces el alargamiento aumenta mas rápidamente sin
incrementarse el esfuerzo.
Figura 1-1. Diagrama esfuerzo-deformación (Véase el libro Diseño de estructuras de Acero de Jack C.
McCormac publicado en 1996)
Es donde se deduce la relación de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación,
enunciada el año 1678 por Robert Hooke1.
Por lo tanto el esfuerzo mayor o punto mas alto de la porción recta del diagrama
esfuerzo–deformación para que todavía sea valida la ley de Hooke se denomina límite
proporcional.
El mayor esfuerzo que un material resiste sin deformarse es el límite elástico. El valor no
es medido frecuentemente para la mayoría de los aceros estructurales, por esta razón se
usa en la mayoría de los casos el término límite proporcional elástico.
El sector donde se presenta un incremento brusco en la deformación sin un incremento
correspondiente en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de fluencia; que corresponde al
1
La ley de Robert Hooke, Ut tesio sic vis, es decir, “Según la deformación, así es la fuerza”, relacionó la deformación total
con la fuerza total sin admitir limite alguno a esta proporcionalidad. (Véase Resistencia de Materiales de Ferdinand L. Singer)
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5
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
primer punto del diagrama esfuerzo–deformación para el cual la tangente a la curva es
horizontal. El esfuerzo de fluencia es para el proyectista una de las propiedades
importantes del acero, ya que el procedimiento de diseño siguen este valor. Existe un
intervalo mas allá del esfuerzo de fluencia denominado, deformación elástica; la
deformación que ocurre después del esfuerzo de fluencia sin que incremente el mismo es
denominado deformación plástica que es igual en magnitud a 10 o 15 veces la
deformación elástica.
Después que comienza el endurecimiento por deformación en la prueba de tracción, el
esfuerzo continua creciendo y el sector inelástico de la sección continua uniforme (sin que
se reduzca el área de la sección transversal) hasta que llega a la carga máxima. El
espécimen experimenta una constricción local llamada estricción.
P
Figura 1-2.
P
Estricción o ensanchamiento súbito de una probeta de acero en la sección.
La pendiente de la curva esfuerzo–deformación unitaria en el rango elástico se denomina
modulo de elasticidad E, y es igual a 29000 [ksi], para aceros estructurales.
El punto de fluencia del acero varia según la temperatura, velocidad de la prueba y las
características (tamaño, forma y acabado superficial) del espécimen de la prueba.
Figura 1-3.
El valor de la Deformación unitaria
Diagrama esfuerzo-deformación
ε
es el cociente del alargamiento (deformación total)
∆l y la longitud l en la que se ha producido. Por tanto :
ε=
∆l
l
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6
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Las condiciones para que se determine el valor de la deformación en una longitud tan
pequeña (∆l) que se considera constante en dicha longitud son:
1.
2.
3.
El elemento sometido a tracción debe tener una sección transversal o recta
constante.
El material debe ser homogéneo.
La fuerza o carga debe ser axial. Es decir producir un esfuerzo uniforme.
Cuando se aplica una carga de tracción a una sección de modo que el esfuerzo varia de O
hasta B, supóngase también que cuando la carga se retira, el material sigue la misma
curva al regresar a O.
La propiedad de un material en la cual recupera sus dimensiones originales al descargarse,
como ya se hizo referencia anteriormente se denomina elasticidad, y el material se dice
que es elástico.
Cuando se aplica una carga a nivel mucho mayor, de tal manera que alcanza el punto D
del diagrama esfuerzo–deformación, en este caso cuando ocurre la descarga, el material
sigue la línea DC del diagrama de la Figura 1-4.
Esta línea de descarga característica es paralela a una tangente del diagrama esfuerzo–
deformación en el punto O.
Cuando alcanza el punto C, la carga se ha retirado totalmente, pero ahí es donde persiste
en el material una deformación residual o deformación permanente OC.
Figura 1-4.
1.4
Comportamiento parcialmente elástico
PERFILES Y PLACAS DE ACERO ESTRUCTURAL
Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en peso de todos los metales
producidos en el mundo. Los aceros para usos estructurales se clasifican por su
composición química, las propiedades que se presentan cuando es sometido a tracción y
por la forma de fabricación, en : aceros de carbono, aceros de alta resistencia y de baja
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7
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
aleación, aceros de carbono tratados térmicamente, y aceros aleados para construcción
tratados térmicamente. En la Figura 1-5 se observa una curva típica de esfuerzo –
deformación para un tipo de acero para cada grupo, con la finalidad de observar los
niveles crecientes de resistencia de cada uno de los tipos de aceros.
En la Tabla 1-1 se presenta algunos de los aceros más utilizados en cada uno de los
grupos con sus resistencias específicas en perfiles y placas. En la Norma AISC-012 se
puede observar las propiedades mínimas especificadas para perfiles y placas de acero
estructural como se indica en la Tabla 1-2.
Tabla 1-2.
2
Especificaciones para perfiles según el ASTM (Véase AISC-01, Pág. 2-24)
Véase Table 2.1 y Table 2.2, Aplicable ASTM Specifications for Various Structural Shapes, Pág. 2-24 y 2-25 en el AISC-01.
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8
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Tabla 1-3.
Especificaciones para perfiles según el ASTM (Véase AISC-01, Pág. 2-25)
1.4.1 ACEROS DE CARBONO
Las características generales del acero al carbono son :
1. Máximo contenido para los elementos que no sobrepasan las siguientes
cantidades; manganeso 1.65%; silicio 0.60%; cobre,0.60%.
2. El mínimo que se especifica no sobrepase el 0.40%.
3. En el reglamento del AISC no especifica un contenido mínimo para otros
elementos añadidos para obtener una aleación deseada.
El acero A36 es el acero de uso frecuente para puentes, edificios y otros usos
estructurales. Este proporciona un punto de fluencia mínimo Fy = 36 [klb/pulg2 = ksi] en
todos los perfiles y placas estructurales de hasta 8 pulgadas de espesor.
El acero A573, que el la Tabla 1-1 esta disponible en tres grados de resistencia para
aplicaciones en placas en las cuales importa la tenacidad.
Entre los aceros de baja aleación y de alta resistencia (HSLA), son aquellos que presentan
el punto de fluencia Fy = 40 [ksi] y alcanzan esa resistencia cuando son laminados en
PÁG.
9
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
caliente, y no por tratamiento térmico, estos aceros ofrecen un aumento de resistencia
con un incremento de precio.
El acero A242 es un acero que es resistente a la corrosión superficial, entonces se lo
utiliza en casos donde la resistencia a la corrosión atmosférica por lo menos es equivalente
a 4 veces la del acero al carbono para usos estructurales.
El acero A588 es el mas empleado en el trabajo estructural. Proporciona un punto de
fluencia de Fy = 50 [ksi] en placas de hasta 4 pulgadas de espesor.
El grupo A572 especifica aceros HSLA de columbio-vanadio en cuatro grados con punto
de fluencia mínimos de 42,50,60 y 65 [ksi]. El grado 42 en espesores hasta 6 pulgadas y
el grado 50 en espesor con 4 pulgadas se usan para puentes soldados.(Véase Figura 1-6).
Los aceros de baja aleación y de alta resistencia se los utilizan para construcción de
maquinarias y no para el diseño de estructuras.
1.4.2
CURVAS TÍPICAS DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN PARA
ACEROS ESTRUCTURALES Y CONCRETO
Como se puede observar las curvas típicas de aceros estructurales y de concreto en la
Figura 1-5, el módulo elástico para el acero determinado anteriormente y para el modulo
de elasticidad del concreto wc esta comprendido entre 1.44 y 2.48 ton/m3 de pesos
normales (ACI 318-02 articulo 8.5.1), es:
EC = 15100 f ι c
Ec = Módulo de elasticidad del concreto, [MPa].
f ’c = Resistencia a la compresión cilíndrica a los 28 días.
wc = Peso unitario del concreto,[ton/m3].
Figura 1-5.
Curvas típicas esfuerzo–deformación de concreto (Véase Diseño de Estructuras de Concreto de
Arthur H. Nilson).
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10
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
a)
Figura 1-6.
1.4.3
b)
a) Curvas típicas esfuerzo – deformación para aceros estructurales (Véase Manual de Diseño
de Estructuras de Acero de Roger L. Brockenbrough y Frederick S. Merritt)
b) Curvas típicas esfuerzo – deformación para aceros estructurales y concreto.
ECONOMÍA EN EL DISEÑO ESTRUCTURAL
Debido al incremento y competitividad en la industria de la construcción, con costos de
los materiales y mano de obra que va en aumento, el Ingeniero Estructural esta obligado
a buscar la máxima economía en el diseño, que este relacionada con la seguridad y la vida
útil de la estructura.
En el caso de estructuras de Hormigón Armado el diseñador se preocupa de diseñar la
estructura para que falle primero el acero y luego el concreto, dando así cumplimiento a
uno de los principios de la Ingeniería estructural que es la seguridad, ya que este evitaría
que la estructura colapse y se puedan salvar vidas humanas.
Algunas veces el transporte tiene una gran influencia en la economía, las conexiones
pueden ser fabricadas en un taller lo que abarataría costos cuando se fabrican durante el
montaje. Por ejemplo un taller construido sobre una vía navegable tiene una gran ventaja
al construirse un puente sobre el río.
En caso de grandes puentes, puede construirse un taller provisional, cerca de la obra para
evitar el transporte de los elementos del puente.
PÁG. 11
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
La disposición de los miembros de una estructura también es afectada por la economía, la
mejor manera es proporcionar una trayectoria mas directa posible para transmitir la fuerza
del punto de carga a la cimentación de una estructura.
1.5
PERFILES (SECCIONES) DE ACERO
Los usos de los diversos perfiles se expondrán en los próximos capítulos. Se hace
referencia constante en este documento al Manual de diseño en acero según el método de
factores de carga y resistencia; manual LRFD (Manual of Steel Construcción Load and
Resístanse Factor Design), publicado por el Instituto Americano de la construcción de Acero
(AISC). Este proporciona la información detallada sobre los perfiles estructurales de acero,
es denominado manual LRFD.
El estudiante debe consultar el Manual LRFD del AISC-01 donde se dan las dimensiones y
propiedades de los perfiles laminados en caliente W, S, L, C y otros más.
1.5.1
PERFILES W
Los miembros estructurales mayormente utilizados son aquellos que tienen grandes
momentos de inercia con relación a sus áreas.
Los perfiles I tienen esta propiedad, generalmente los perfiles de acero se designan por la
forma de sus secciones transversales, estas vigas son de patín ancho (denominadas vigas
W), la superficie interna de una viga W es paralela a la superficie externa con una
pendiente máxima de 1:20 en el interior, dependiendo de su procedencia y fabricación.
d = Profundidad, tamaño (Depth)
bf = ancho del ala (Flange Width)
tf = espesor del ala (Flange Thickness)
tw = espesor del alma (Web Thickness)
T = Distancia sin curvatura
k = Distancia con curvatura en eje X
k1 = Distancia con curvatura en eje X
X = Eje X-X ( Axis X-X)
Y = Eje Y-Y ( Axis Y-Y)
Figura 1-7.
Perfil W-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
En el Manual AISC-01 se pueden observar una gran variedad de perfiles W, con las
dimensiones y propiedades de cada una de ellos ( Pág. 1-12 a las Pág. 1-29).
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12
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Antes los perfiles W se denotaban como :
WF40 x 321 (
WIDE FLANGES = Alas Anchas)
La simbología que es utilizada actualmente para su notación es:
W40 x 321
Peso [lb / ft]
Profundidad Aprox. [in]
El primer término indica con cierta aproximación la profundidad o tamaño aproximado d en
[in] , y el segundo término indica el peso del perfil en [lb/ft].
Este tipo de perfiles W son uno de los perfiles que tiene una mayor resistencia a la flexión
esto porque estos perfiles cuentan con un elevado Momento de Inercia.
Otra de las características es que las alas del perfil W están alejadas del centro del perfil,
por lo tanto mientras mas alejadas las alas se tiene mayor momento de Inercia y sucede
también cuando se incrementa el ancho de las alas, pero se deberá tener en cuenta que
cuando este incremento es demasiado tanto las en el alma del perfil y las alas se pandean,
produciéndose así el pandeo local del alma o pandeo local del ala como se muestra en la
Figura 1-8.
a)
Figura 1-8.
1.5.2
b)
Perfiles W con Pandeo Local : a) Pandeo del alma, b) Pandeo de alas
PERFILES S
Este tipo de perfiles fueron los primeros en fabricarse y su uso fue muy difundido en
Estados Unidos, teniendo una pendiente de 1:6 en el interior de sus patines, como se
puede observar, estos perfiles a diferencia de los W no presentan espesores constantes y
una cierta curvatura en el alma y las alas del perfil S que dificulta las conexiones.
Es muy utilizado en diseño de puentes ya que estos facilitan el escurrimiento del agua o la
nieve que esta en contacto con el perfil esto debido a la pendiente que este presenta.
PÁG. 13
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
S24 x 121
Figura 1-9.
(S = SLOPE = Pendiente)
Perfil W-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001)
En el Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles S, ( Pág. 1-26 a las Pág. 1-27).
1.5.3
PERFILES M
M10 x 8
Figura 1-10.
(M = MISCELLANEOUS = Misceláneo )
Perfil M-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
La fabricación de estos perfiles es a pedido según los requerimientos especiales del que
diseña y el constructor, estos perfiles no son perfiles estándar es decir que no son
comerciales. En Manual AISC-01 se puede observar perfiles M, ( Pág. 1-25 a las Pág. 1-26).
1.5.4 PERFILES HP
Es utilizado en diseño de pilotes de acero para las fundaciones de estructuras como ser
puentes, edificios y otros.
PÁG.
14
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
HP14 x 117
tw > tf
Figura 1-11.
(HP = HACHE PROFILE = Perfil H)
Mayor espesor del alma que el del
ala del perfil
Perfil HP-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
Este perfil esta fabricado de tal manera que el alma tiene mayor espesor que el ala para
que el alma del perfil HP resista la fuerza del martillo que ejerce en el momento del
hincado. En Manual AISC-01 se pueden observar perfiles HP, ( Pág. 1-28 a las Pág. 1-29).
1.5.5
PERFILES C y MC
Los perfiles canal como se muestra en la Figura 1-12, pueden usarse en la construcción de
armaduras planas conectadas a placas de nudo con pernos, remaches o soldadura.
Al igual que los perfiles M, la fabricación de los perfiles MC es a pedido según los
requerimientos del diseñador y el constructor, estos perfiles no son perfiles estándar es
decir que no son comerciales.
En Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles C,( Pág. 1-30 a las Pág.1-31 ) y MC,
( Pág. 1-32 a las Pág.1-33 ).
C
C15 x 50
Figura 1-12.
(C = CHANNEL = Canal)
MC15 x 50
(M =MISCELLANEOUS CHANNEL= Canal Misceláneo )
Perfil C-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001)
PÁG. 15
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
1.5.6 PERFILES L
L5 x ½ x 3/4
( L = ANGLES = Angular)
Profundidad Aprox. ala 1
Profundidad Aprox. ala 2
Espesor
Figura 1-13.
Perfil L-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
Los perfiles L son los más comúnmente usados, para minimizar las cargas de viento o por
razones estéticas.
En Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles L, ( Pág. 1-34 a las Pág. 1-39).
1.5.7
PERFILES WT
T22 x 167.5
Figura 1-14.
(WT = TEES =Te )
Perfil WT-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
Las estructuras con perfiles T, son satisfactorias como cuerdas de armaduras soldadas
porque los miembros de la celosía se pueden conectar fácilmente a ellas.
En Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles WT, ( Pág. 1-40 a las Pág. 1-51).
PÁG.
16
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
1.5.8 PERFILES MT
MT6 x 5.9
que el del
Figura 1-15.
tf > tw
( MT =MISCELLANEOUS TEE
= Misceláneo Te )
Mayor espesor del ala
que el alma del perfil
Perfil MT-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
En Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles MT, ( Pág. 1-52 a las Pág. 1-53).
1.5.9 PERFILES ST
ST12 x 60.5
Figura 1-16.
(ST = SLOPE TEES =
Pendiente Te)
Perfil ST-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
Los perfiles ST, se obtienen de los perfiles S tienen la ventaja de que sus peraltes no
varían con respecto a los perfiles WT.
En Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles MT, ( Pág. 1-54 a las Pág. 1-55).
PÁG. 17
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
1.5.10 PERFILES RECTANGULAR HSS
HSS20 x 12
(RECTANGULAR AND SQUARE HSS = Sección Rectangular y
Cuadrada Hueca)
Figura 1-17.
Perfil Rectangular y Cuadrado HSS-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance
Factor Desing 2001-Third Edition)
Los perfiles Rectangular y Cuadrado HSS son perfiles para uso expuesto, para minimizar las
cargas de viento o por razones estéticas.
En Manual AISC-01 se pueden observar los perfiles Rectangular y Cuadrado HSS, ( Pág. 156 a las Pág. 1-69).
1.5.11 PERFIL CIRCULAR HSS
HSS20.000
Figura 1-18.
(Round HSS=Seccion Circular Hueca)
Perfil Circular HSS-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001Third Edition)
Los perfiles Circular HSS o sección Tubular al igual que los perfiles Rectangular y
Cuadrado HSS son utilizados para un uso expuesto.
En Manual AISC-01 se puede observar perfiles Circular HSS. ( Pág. 1-70 a las Pág. 1-73).
PÁG.
18
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
1.5.12 PERFILES 2L
2L8 x 8 x 11/8 (2L= DOUBLE ANGLES = Doble Angular)
Figura 1-19.
Perfil 2L-Shapes (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
Los perfiles 2L, se los utiliza para miembros a tracción de armaduras para techos que
consisten en angulares simples, pero un miembro más satisfactorio se construye a base de
dos angulares, espalda con espalda, deben conectarse cada 1.2m o 1.5m para prevenir
vibración, especialmente en armaduras de puentes.
El perfil 2L (doble angular) tiene la ventaja de tener una mayor resistencia con respecto a
los perfiles L (simple angular), donde :
M = f *S
(Ecuación valida para ejes principales).
Entonces :
f =
M
S
Si :
S > por lo tanto mayor resistencia
En Manual AISC-01 se puede observar los perfiles 2L,( Pág. 1-74 a las Pág. 1-76).
1.5.13 PERFILES COMBINADOS WC
W36 x 150
(W = WIDE = Ancho)
MC18 x 42.7
C15 x 33.9
Figura 1-20.
(C = MISCELLANEOUS CHANNEL
= Misceláneo Canal )
(C = CHANNEL = Canal )
Perfil W-Shapes Cap (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001)
PÁG. 19
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
En Manual AISC-01 se puede observar los perfiles W-Cap. Son la combinación de un perfil
W con un perfil C o MC, (Pág. 1-80 a las Pág. 1-81).
1.5.14 PERFILES COMBINADOS SC
S24 x 80
( S = SLOPE = Pendiente)
C12 x 20.7
C10 x 15.3
Figura 1-21.
(C = CHANNEL = Canal )
(C = CHANNEL = Canal )
Perfil S-Shapes Cap (Manual of Steel Construction Load an Resistance Factor Desing 2001-Third
Edition)
En Manual AISC-01 se puede observar los perfiles S-Cap. Son la combinación de un perfil S
con un perfil C o MC, (Pág. 1-82 a las Pág. 1-83).
1.5.15 RIELES
Figura 1-22.
Dimensiones y propiedades de secciones riel (Manual of Steel Construction Load an Resistance
Factor Desing 2001-Third Edition)
En Manual AISC-01 se puede observar las dimensiones y propiedades de una variedad de
secciones rieles, (Pág. 1-88).
PÁG.
20
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
1.16 PERFILES DOBLADOS EN FRIO
Los perfiles estructurales doblados en frío, son aquellos perfiles fabricados a base de
planchas, tratados térmicamente (templados y revenidos) dándoles dureza y resistencia,
para luego se proceda al doblado de las mismas mediante equipos sencillos de doblado en
frío, la forma es según los requerimientos del diseñador y constructor.
Los miembros formados en frío, a diferencia de las secciones laminadas en caliente, mas
pesadas, se usan esencialmente en tres situaciones:
1)
2)
3)
Cuando cargas y claros moderados hacen antieconómicos a los gruesos
perfiles laminados en caliente.
Cuando, independientemente del espesor, se requieren miembros de
configuraciones transversales que no pueden producir en forma económica por
laminado en caliente o por soldado en placas planas.
Cuando se busca que los miembros portadores de carga también proporcionen
superficies útiles, como en paneles de piso y paredes, tableros de techo y
similares y sean resistentes a la corrosión.
Se cuenta con una gran variedad de perfiles doblados en frío, los cuales pueden observarse
en la Figura 1-23.
Estos perfiles estructurales son resistentes, durables y ahorran tiempo y mano de obra,
entre sus aplicaciones tenemos; galpones, porta techos de viviendas, carrocerías,
estructuras metálicas, maquinarias y equipos, etc.
Figura 1-23.
De (a – e) son secciones simples para miembros estructurales, de (f – h) Secciones con refuerzo
para miembros estructurales, de (i – k) secciones para cubiertas o paneles (Véase Cold-Formed
Members en Structural Steel Design de Lambert Tall ,Second Edition )
PÁG. 21
DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD
Entre los perfiles mas usados en la industria de la construcción se tienen las dimensiones y
características de los perfiles doblados en frío como ser perfil C, perfil costanera, angulares
(véase Figura 1-24).
Figura 1-24.
Dimensiones y características de perfiles C, Costanera, Angulares (Véase LRFD Cold-Formed Steel
Design Manual of American Iron and Steel Institute AISI-1991)
Se tiene otra variedad de miembros a flexión que es la armadura prefabricada como los
largueros del alma abierta y los largueros-trabes (Ver Anexo 1.1). Esos productos son
regidos por la AISI (Specification for the Cold-Formed Steel Structural Members), pero el
reglamento que se estudia en este documento no se aplica a los perfiles en frío, teniendo
este su propio reglamento que es el Manual de Diseño de Aceros Laminados en Frío con el
método LRFD, (LRFD Cold – Formed Steel Design Manual).
Ejemplo 1.1
Determinar:
a) El Momento de Inercia del perfil W10 x 112 y cuanto resiste.
Datos de ( Pág. 1-4 del AISC-01) :
bf = 10.4 in = 26.5 cm
tf = 1.25
in = 3.18 cm
tw = 0.755 in = 1.92 cm
d = 11.4 in = 28.96 cm
AI = 32.9 in2 = 2118.8 cm2
PÁG.
22
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Entonces:
t w ·( d − t f )
2
 t w ·( t f )3
 d tf  
Ix =
+ 2·
+ A· +  
12
 2 2  
 12
3
2
 26.5·( 3.18 )3
3.18·( 28.9 − 2·3.18 )
 28.9 3.18  
Ix =
+ 2·
+ 2·( 26.5·3.18 )·
+
 
12
12
2  
 2


4
I x = 31050cm
3
El módulo resistente elástico es:
Sx =
I x 31050
=
= 2149cm3
h
28.9
2
2
b) Se tiene una sección rectangular de acero con dimensiones 30 x 13.87, hallar el módulo
resistente ( S ), de la sección rectangular.
h
h
= 30.0 cm
b
= 14.32 cm
A = 416.10 cm2
b
b·h 3
b·h 2 14.32·302
=
= 2148cm3
Sx = 12 =
h
6
6
2
Conclusión :
Haciendo una comparación entre las secciones anteriormente estudiadas, el perfil W resiste
tanto como la sección rectangular ya que presentan el mismo módulo resistente, y solo
varia en el área como se puede observar en el Ejemplo 1.1 inciso a) y b).
El principio que el Ingeniero estructural persigue, es el de la seguridad y economía en el
diseño y construcción de todo tipo de estructuras
El peso de la sección rectangular de acero es mayor que del perfil W, por lo tanto el costo
del perfil W es menor en comparación al de la sección rectangular.
PÁG. 23