UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES LECTURAS DE INGENIERÍA 32 PERFILES ESTRUCTURALES RECOPILÓ: Mtro. FELIPE DÍAZ DEL CASTILLO RODRIGUEZ CUAUTITLÁN IZCALLI, EDO. DE MÉXICO. 2019-1 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN ÍNDICE Pag. 1. NOMENCLATURA DEL IMCA………………………………..……………… …………2 2. ACEROS UTILIZADOS PARA LA FABRICACIÓN DE PERFILES ESTRUCTURALES (SEGÚN NORMAS ASTM)…………………………………………..……………………….3 3. DESIGNACIÓN DE PERFILES ESTRUCTURALES ……………………………………..6 4. PROPIEDADES DE DISEÑO DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES ……… ………..7 5. VIGAS SOLDADAS …………………………………………………………………… 20 6. SELECCIÓN DE PERFILES ………………………………………………… ………….23 7. EJEMPLOS: …………………………………………………………………… …………25 BIBLIOGRAFIA…………………………………30 1 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN PERFILES ESTRUCTURALES 1. NOMENCLATURA DEL IMCA El Instituto Mexicano de la Construcción en Acero A.C. (IMCA) consideró conveniente designar los perfiles de acero con sólo dos letras, una ideográfica y la otra, abreviatura de su descripción, en lugar de las tres o más siglas tradicionales . En la figura 1 se indican las equivalencias: Figura 1. Designación de perfiles de acero 2 UNAM____________________________ 2. ACEROS UTILIZADOS _________________________________FES-CUAUTITLÁN PARA LA FABRICACIÓN DE PERFILES ESTRUCTURALES (SEGÚN NORMAS ASTM) La norma ASTM es la más utilizada internacionalmente para designar y regular la calidad de aceros de construcción y estructurales que comercialmente s eorecen como productos terminados tales, como barras de construcción corrugafdas y lisas, perfiles estructurales, perfiles comerciales, placa y lámina. La norma garantiza básicamente las propiedades mecánicas mínimas y soldabilidad de los aceros, dado que el uso de estos está orientado a la industria de la construcción y esrtructuras metálicas diversas (remachadas, soldadas o empernadas).Los estándares publicados por ASTM emiten designaciones sistemáticas fijas para cada tipo de acero con sus respectivas especifiacciones y requerimientos para ser utilizados por los fabricantes y ususarios de los aceros. En este sistema la estructura de codificación de los aceros se efectúa como se muestra en la figura 2. Figura 2. Estructura de codificación para aceros estructurales En las figuras 3 y 4 se muestra como se aplica el sistema de designación según Normas ASTM 3 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Figura 3. Designación de los aceros A-36 Figura 4. Designación aceros estructurales de varios grados A continuación se describen las características principales de los aceros estructurales más utilizados: 4 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Las normas aprobadas por la ASTM para placas y perfiles laminados en caliente son A-36, A529, A-242, A-588, A-709, A-514, A-852, A-913 Y A-992. La norma A-709 es especial, en ella se definen aceros convenientes para la construcción de puentes. ASTM A-36 Esta norma es aplicable a una variedad de perfiles estructurales laminados en caliente y a placas de la misma calidad que están disponibles en el mercado mexicano. Tiene un esfuerzo de fluencia de 2530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi), y su soldabilidad es adecuada. Se desarrolló desde hace muchos años en Estados Unidos para la fabricación de estructuras remachadas, atornilladas y soldadas, mejorando el contenido de carbono de los aceros disponibles en aquella época, como el ASTM A-7. Con la innovación de este tipo de acero, las conexiones soldadas empezaron a desplazar a las remachadas que pronto desaparecieron. ASTM A-29. Se usa con mucha frecuencia en la construcción de edificios de acero, también es un grado de acero común en barras y perfiles (ángulos, canales de calidad estructural). El acero A529 básico incluye grado 50 para perfiles de los grupos 1 y 2 de la ASTM; placas hasta de una pulgada de grueso y 12 pulgadas de ancho (25x305 mm) y barras hasta de 2.5 pulg (64mm) de grueso. Las resistencias a la fluencia y máxima son de 42 y 60 ksi (2 950 y 4 220 a 5 975 kg/cm2 ASTM A-992. El A-992 es la edición reciente (1998) de la lista de aceros estructurales en Estados Unidos. Se produjo para usarse en construcción de edificios, y está disponible solamente en perfiles tipo W (Vigas IPR, IMCA IR). Para propósitos críticos se trata de un esfuerzo de fluencia mínimo especificado de 354 MPa o 50 ksi (3 515 kg/cm2) La relación entre la resistencia a la fluencia y la resistencia máxima no es mayor de 0.85 y el carbono equivalente no excede de 0.50%.Ofrecen características excelentes de soldabilidad y ductilidad 5 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN En la fabricación de estructuras metálicas fabricadas con aceros de alta resistencia ASTM A529, 572 y 992 se recomienda utilizar electrodos E-7018 (Resistencia mínima a la ruptura en tensión del metal de soldadura, los dos primeros dígitos corresponden a una resistencia máxima de al menos 70 ksi= 4 920 kg/cm2, el 1 corresponde a electrodos adecuados para cualquier posición: plana, horizontal, vertical o sobrecabeza y el número 8 se refiere a las característica de la corriente que debe emplearse y a la naturaleza del recubrimiento. El recubrimiento de este electrodo se caracteriza por tener un bajo contenido de Hidrogeno y alto porcentaje de polvo de hierro. Grados de acero para secciones estructurales huecas (Hollow Structural Section) Las normas de acero estructural aprobadas por la ASTM para secciones estructurales huecas (HSS) son ASTM A 500, A 501, A618, A847 y la A53. ASTM A-53. El A53 está disponible en tipos E y S, donde E denota secciones fabricadas con soldadura por resistencia y S indica soldadura sin costura. El grado B es conveniente para aplicaciones estructurales; con esfuerzo de fluencia y resistencia a la ruptura en tensión respectivamente de 35 y 50 ksi (2 400 y 3 515 kg/cm2 ASTM A-500. Este tipo de acero está disponible en tubos de sección circular hueca HSS formados en frío en tres grados, y también en los mismos grados de tubos HSS formados en frío, de sección cuadrada y rectangular. Las propiedades para tubos cuadrados y rectangulares HSS difieren de los circulares HSS. El grado más común tiene un esfuerzo de fluencia y una resistencia máxima a la tensión de 46 y 58 ksi (320 MPa o 3 200 kg/cm2) y 405 MPa o 4100 kg/cm2 ASTM A-501. Para fines prácticos el A501 es similar al acero A36. Se usa para tubos HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. Para el diseño de miembros estructurales de acero formados en frío, cuyos perfiles tienen esquinas redondeadas y elementos planos esbeltos, se 6 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN recomienda consultar las especificaciones del Instituto Americano del Hierro y del Acero (American Iron and Steel Institute, (AISI). Pueden utilizarse otros materiales y productos, diferentes de los indicados en este Manual, si son aprobados por el diseñador y el contratista. La aprobación puede basarse en especificaciones técnicas publicadas que establezcan las propiedades y características del material o producto, que lo hacen adecuado para el uso que se le pretende dar, o en ensayes mecánicos o análisis químicos realizados en un laboratorio acreditado por la entidad de acreditación reconocida en los términos de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización. Figura 5. Diagrama esfuerzo-deformación de ingeniería para los diferentes grados de aceros estructurales En la Tabla 1 se proporcionan las propiedades mecánicas de los aceros estructurales más utilizados: 7 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Tabla 1. Propiedades mecánicas de algunos aceros estructurales 3. DESIGNACIÓN DE PERFILES ESTRUCTURALES Los perfiles se designan en forma abreviada usando su altura o peralte y su peso por unidad de longitud, y, a pesar de que México es un país métrico desde el siglo XIX , muchas veces se utilizan unidades del sistema inglés para designar un determinado perfil para su uso en planos, designaciones y diseño, algunos ejemplos son: - Perfil IPR 8x31 el cual es una sección IPR o IR con 8 pulgadas de peralte y con un peso de 31 libras por cada pie de longitud, con unidades en el sistema métrico se trataría de un perfil IPR 210x59.5 en donde su peralte es de 210 mm y un peso de 59.5 kilógramos por cada metro de longitud. 8 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN - Perfil IPS 5x10 el cual es un perfil IPS o IS con5 pulgadas de peralte y con un peso de 10 libras por cada pie de longitud, con unidades en el sistema métrico se trataría de un perfil IPR 127x15 en donde su peralte de 127 mm y un peso de 15 kilogramos por cada metro de longitud. 4. PROPIEDADES DE DISEÑO DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES Las propiedades de diseño de estos perfiles son proporcionadas por los fabricantes en base a normas establecidas por asociaciones tales como: AISC (American Institute of Steel Construction) e IMCA (Instituto Mexicano de la Construcción en Acero A.C.) y son fáciles de obtener, ya sea por medio de los manuales proporcionados por los fabricantes, Internet o en los apéndices de la mayor parte de libros dedicados a estos temas. Perfiles IPR Las vigas IPR se encargan de soportar las cargas de las losas o los elementos planos colocados sobre de ellas además de llevar dichas cargas hacia las columnas, de estas hacia sus bases y de estas hacia el suelo. Como elemento estructural rígido las vigas IPR se disponen horizontalmente con el objetivo de vincular columnas entre ellas. 9 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Tabla 2. Propiedades de perfiles estructurales IPR 10 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN 11 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN 12 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN 13 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Perfil IPS La viga IPS (perfil “I” estándar) conocida por todos ya que se utiliza principalmente para la construcción de bóvedas caseras, la medida más usual es la de 5” y en esta viga la única variable es el peralte. Este perfil se maneja en largos de 12 o de 15 metros de largo según su procedencia. Figura 5. Perfil estructural IPS 14 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Tabla 3. Propiedades de perfiles estructurales IPS 15 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Perfil canal o U El perfil canal o perfil U de acero es un producto formado por acero estructural al carbono ordinario y acero estructural de baja aleación ordinario laminado en caliente. Comúnmente utilizados en la construcción de puentes, estructura arquitectónica, fabricación de vehículos y otras estructuras industriales. Figura 6. Perfil estructural canal 16 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Tabla 4. Propiedades de perfiles estructurales canal C 17 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Perfiles Comerciales PTR Perfil tubular rectangular o cuadrado, este tipo de perfil le garantiza la resistencia estructural demandada. El P.T.R. es una barra hueca, comúnmente utilizada para armar estructuras que no tengan que resistir mucho peso. Los hay en distintos calibres y tamaños, se pueden encontrar en acabado negro. También puede ser manejado en PTR galvanizado pero sólo por pedido especial. La gran ventaja de estos perfiles es que son de fácil armado. Figura 7. Perfil estructural PTR 18 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Tabla 5. Propiedades de perfiles estructurales 19 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN 20 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Perfil angular Los ángulos se aplican en la construcción de estructuras metálicas livianas y pesadas, donde las partes van unidas por soldadura o empernadas y son capaces de soportar esfuerzos dinámicos. También son empleados en elementos de menor solicitación, como soportes, marcos, muebles, barras de empalme y ferretería eléctrica en general. Figura 8. Perfil angular Tabla 6. Ángulo Comercial 21 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Tabla 7. Ángulo A-36 5. VIGAS SOLDADAS (http://www.arquitecturaenacero.org/uso-y-aplicaciones-del-acero/materiales/vigas- laminadas-y-soldadas Los perfiles laminados se encuentran en configuraciones muy adecuados para aplicaciones estructurales con una muy amplia gama de aplicaciones en distintos tipos de proyectos. Sin embargo, es posible que por las exigencias estructurales de algunos proyectos no se encuentren disponibles perfiles laminados en las dimensiones adecuadas al proyecto de cálculo. En tal caso, las soluciones posibles con frecuencia recurren a la fabricación de perfiles especiales, los que se elaboran en talleres a partir de planchas. Es una práctica común y muy conveniente el revisar la disponibilidad local de perfiles laminados antes de iniciar un determinado proyecto. Como se ha comentado, la soldadura (ver uniones y conexiones) otorga una gran rigidez a las conexiones y, si está bien ejecutada, asegura la continuidad estructural del material a costos generalmente razonables. La fabricación de perfiles en base a uniones soldadas ejecutadas en las condiciones controladas de un taller asegura una unión 22 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN probablemente perfecta y permite diseñar y fabricar los perfiles más adecuados a las exigencias del proyecto de cálculo estructural. No son sólo las condiciones ambientales o ergonométricas en las que trabaja un posible operador o soldador las que hacen eficiente y seguro el trabajo de fabricación en taller. También las tecnologías de corte y soldadura, hoy altamente tecnificadas (desde corte y soldadura por oxiacetileno, corte y soldadura al arco, soldadura por arco sumergido o corte por plasma), permiten configurar los perfiles según requerimiento e incorporarles, en el mismo momento, los elementos complementarios que permitan materializar buenas y eficientes conexiones en terreno. Figura 9. Es frecuente que proyectos de gran envergadura, como se presentan en puentes o grandes proyectos industriales, recurran a este tipo de soluciones. Hoy en la mayoría de las regiones, el proceso de transformación del acero ha mostrado grandes progresos en los que la tecnificación e industrialización de los procesos de fabricación, de la mano de las tecnologías CAD-CAM, permite soluciones muy eficientes y competitivas. 23 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Figura 10. Otra aplicación de los perfiles soldados es en proyectos que, por decisiones de diseño o por optimización de las estructuras, se recurre a vigas de sección variable. En tales casos, no existe otra alternativa (por el momento, al menos) que recurrir a la fabricación en talleres o maestranzas. En algunos casos, la fabricación de perfiles de sección variable se puede lograr optimizando la sección de una viga laminada. Una variante de esta alternativa la conforman las vigas alveolares y/o perforadas, como las mostradas en el proyecto de Megacentro de Bodegas Cimenta, publicado en este mismo sitio. En la fotografía que sigue se aprecia tanto una sección de viga de sección variable en la llegada al nudo de una viga perforada. A su vez, la solución de la columna y del nudo mismo, está realizada en base a la fabricación soldada en taller. 24 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Figura 11. 6. SELECCIÓN DE PERFILES En la práctica del diseño de vigas y selección de perfiles estructurales, frecuentemente se utiliza la relación que existe entre el momento de inercia I y la distancia c conociéndose como módulo de sección Z, esto es: Z cI ........(1) Por lo tanto, la fórmula de la flexión se puede escribir así: σ M Z .......(2) Donde: σ es el esfuerzo admisible en el material de la viga. M es el momento flector máximo que actúa sobre la viga y que se obtiene a partir del diagrama de momentos flexionantes. 25 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN La ecuación se utiliza tanto para el diseño de vigas con sección geométrica simple (por ejemplo, un rectángulo, un triángulo, un círculo, etc), como para la selección de perfiles estructurales disponibles comercialmente. Para las vigas con sección geométrica simple geométrica simple se recomienda el procedimiento siguiente: 1.- Determine el momento flexionante máximo que actúa en la viga. 2.- Calcule el esfuerzo admisible, esto es: σ σ f F.S ......(3) Donde: F.S es el factor de seguridad 3.- Se calcula el módulo de sección necesario para la viga, para ello, se despeja al módulo de sección Z de la ec. 2 obteniendo: Z M σ ......( 4) 4.- Por último, como se trata de secciones geométricas simples, se calculan las dimensiones necesarias para la viga aplicando la ec.(1), esto es: Z I c Selección de perfiles estructurales comerciales. El procedimiento a seguir para seleccionar el perfil adecuado para una aplicación dada es el que a continuación se describe: 1.- Se determina el momento flexionante máximo que actúa en la viga. 2.- Se calcula el esfuerzo admisible en el material de la viga 3.- Se calcula el módulo de sección Z (S) necesario 4.- Con el módulo de sección calculado en el paso anterior, se hace uso de las tablas antes mostradas y se selecciona aquel perfil que satisfaga nuestras necesidades, debiendo recordar 26 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN que también influye el peso del perfil, tanto en el costo como en el momento adicional creado en la viga, por lo que muchos casos se hace necesario un nuevo análisis de la viga. 7. EJEMPLOS: 1. Para la viga que se muestra en la figura seleccione el perfil IPS más económico, asuma que el perfil es de acero A-36 y debe utilizarse un factor de seguridad igual a 4. Se calculan las reacciones: Nota: 1k=1kip=1000lb. Y se trazan los diagramas de fuerzas cortantes y momentos flexionantes: 27 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Como se puede apreciar, el momento flexionante máximo es de 24k-pie=24000lbpie=332,110.kg.cm Como se trata de un acero A-36 su resistencia a la fluencia es de 36,000lb/pug2 =2533.32kg/cm2 Se calcula el esfuerzo admisible: f FS 2533 .32 kg 633 .33 2 4 cm Se obtiene el módulo de sección necesario: Z M 332110 524.38cm 3 633.33 28 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Finalmente, haciendo uso de la Tabla 3 se obtiene el perfil adecuado: IPS12x32 (sistema inglés) o IPS305x47 (sistema métrico) el cual proporciona un módulo de sección de 594.1cm3. Debe mencionarse, que normalmente se hace un nuevo cálculo de la viga que tome en cuenta el peso de la viga. 2. Para la viga que se muestra en la figura seleccione el perfil IPR más económico, asuma que el perfil es de acero A-36 y debe utilizarse un factor de seguridad igual a 4. 29 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN Se calculan las reacciones: Y se trazan los diagramas de fuerzas cortantes y momentos flexionantes: 30 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN El momento máximo es de 17.72k.pie=17700lb.pie=244,931.2kg.cm Como se trata de un acero A-36 su resistencia a la fluencia es de 36,000lb/pug2 = 2533.32kg/cm2 Se calcula el esfuerzo admisible: f FS 2533 .32 kg 633 .33 2 4 cm Se obtiene el módulo de sección necesario: Z M 244931 .2 386.735cm 3 633.33 Finalmente, haciendo uso de la Tabla 2 se obtiene el perfil adecuado: IPS10x26(sistema inglés) o IPS262x38 (sistema métrico) el cual proporciona un módulo de sección de 464.6 cm3. Debe mencionarse, que normalmente se hace un nuevo cálculo de la viga que tome en cuenta el peso de la viga. 31 UNAM____________________________ _________________________________FES-CUAUTITLÁN BIBLIOGRAFÍA 1.http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m5/fundamen tos_de_mecanica_solidos.pdf2. 2. https://www.mipsa.com.mx/dotnetnuke/Productos/Acero 3..http://www.arquitecturaenacero.org/uso-y-aplicaciones-del-acero/materiales/vigaslaminadas-y-soldadas 4.http://www.mediafire.com/download/nwd1dbfdd86gzag/manual_de_perfiles_de_acero_im.x ls 5. http://hierromat.com.uy/index.php/shop/vigas-perfiles/ 32
