Diseño de Estructuras de Acero I.

Diseño de Estructuras de Acero
I.- Conceptos Generales de Diseño
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.
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.
Entre los materiales estructurales actuales, EL ACERO, es el metal más 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.
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.
UNIFORMIDAD: Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como con
las del concreto reforzado.
ELASTICIDAD: El acero está más cerca de las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales,
porque sigue la ley de Hooke hasta para esfuerzos relativamente altos.
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.
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.
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.
DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL:
COSTO DE MANTENIMIENTO
COSTO DE PROTECCION CONTRA INCENDIO
SUSCEPTIBILIDAD AL PANDEO
Diagramas de Esfuerzo-Deformación del Acero
Curvas típicas tensión-deformación para aceros estructurales (se han modificado
para reflejar las propiedades específicas mínimas)
ESPECIFICACIONES:
AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION (AISC)
AMERICAN WELDIN SOCIETY (AWS)
AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY OFFICIALS (AASTHO)
AMERICAN RAILWAY ENINEERING (AREA)
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS (ASTM)
Filosofía de Diseño
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.
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
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
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:
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.
PERFILES SOLDADOS:
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.
PERFILES ELECTROSOLDADOS:
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.