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• MiguelYeh

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ESTRUCTURAS DE ACERO UNIDAD 1.- CONSIDERACIONES GENERALES DEL DISEÑO

INTRODUCCION El trabajo se realizó en colaboración de los integrantes del equipo recopilando información de cada uno de los trabajos individuales con el fin de profundizar los temas y los procedimientos que rigen el diseño de estructuras de acero. Es impórtate que como futuros arquitectos profundicemos en estos temas que serán de utilidad primaria en nuestra vida en formación y profesional. La estructura de este trabajo comienza con la definición del acero y su proceso de elaboración, así como sus características. Partiendo de esto se explica las principales propiedades mecánicas que contienen y que le confieren su estabilidad durante el comportamiento de los elementos estructurales. Las consideraciones del acero es un tema muy importante pos que nos ayudara a entender cómo se comporta, así como las características ya mencionadas, y sus valores máximos de resistencia, los pasos o reglas que debemos seguir para la elaboración de una buena estructura, también el comportamiento del acero en fallas y los distintos tipos de fallas que existen para este. Para que el Arquitecto pueda diseñar las estructuras que va a ocupar en los espacios arquitectónicos proyectados necesita conocer las condiciones a las cuales estarán sometidas las estructuras, lo que le permite identificar y seleccionar el sistema estructural adecuado, de los cuales se hacen mención en este trabajo. El aspecto técnico que involucra un proyecto de arquitectura en acero se expone de forma clara y precisa en los diferentes métodos y sistemas para su análisis estructural, así como las normas y códigos que rigen sus estándares de calidad. Por otro lado, el conocimiento de las técnicas constructivas con acero y una clara concepción estructural, provee un buen criterio para su configuración lo que llega a ser de gran ayuda para mejorar los diseños arquitectónicos que usen el material. Por último, es importante conocer los cambios que, obedeciendo a nuevas tendencias en el mercado, así como las tecnologías contractivas relacionadas a la industria del acero lo cual resulta significativo para estar a la vanguardia en los procesos de construcción.

INDICE DE CONTENIDO Página

PORTADA

Introducción

2

Índice de contenidos

3

Índice de tablas

4

Índice de figuras

5

UNIDAD 1: Consideraciones generales del diseño

6

1.1

Propiedades mecánicas de los aceros

7

1.2

Tipos de estructuras de acero

9

1.2.1

Estructuras abovedadas

11

1.2.2

Estructuras entramadas

12

1.2.3

Estructuras trianguladas

13

1.2.4

Estructuras colgantes

14

1.2.5

Estructuras laminares

15

1.2.6

Estructuras geodésicas

15

1.2.7

Tipos de uniones

15

1.2.8

Transmisión de cargas en estructuras metálicas

16

1.3

Proceso del diseño estructural

16

1.4

Factores de seguridad y de carga

17

1.4.1

Factores de carga

17

1.4.2

Factores de seguridad

18

1.5

Método elástico

19

1.6

Método plástico

21

1.7

Introducción a los Estados de Diseño

24

1.8

1.7.1

Estados límites de falla

24

1.7.2

Estados límite de servicio

24

Investigación de especificaciones de sistemas y perfiles estructurales de vanguardia

27

1.8.1

30

Nuevos materiales

Conclusión

32

Referencias

33

ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 1.

Partes de un diagrama típico de esfuerzo-defromación

8

Figura 2.

Estación central de Milán

12

Figura 3.

Construcción de un edificio entramado

12

Figura 4.

La Torre Eiffel. Estructura Metálica Triangulada

13

Figura 5.

Algunos tipos de armaduras

13

Figura 6.

Puente Slauerhoffbrug en Leeuwarden, Países Bajos.

14

Figura 7.

Esquema de cable y torón.

14

Figura 8.

Museo Guggenheim, Bilbao

15

Figura 9.

Diagrama lineal elástico perfectamente plástico

21

Figura 10.

Distribución de tensiones en una sección sometida a un

22

momento flector Figura 11.

Posibles mecanismos plásticos

23

Figura 12.

Estadio Olímpico de Pekín

28

Figura 13.

Museo Soumaya, México

29

Figura 14.

Perfiles estructurales

31

Consideraciones generales del diseño 1.1-Propiedades mecánicas del acero Las principales propiedades mecánicas del acero, son de gran importancia en el comportamiento de un miembro estructural. Estas, a su vez dependen principalmente, de la composición química de los mismos, los procesos de laminado y el tratamiento térmico a que estén sometidos. Se considera que las propiedades mecánicas se obtienen como resultados de pruebas de laboratorio en los diferentes aceros, se deberán tomar en cuenta otros factores que afectan esas propiedades, tales como la rapidez de carga de la muestra, las condiciones y la geometría de las mismas, el trabajo en frío, y la temperatura existente al llevarse a cabo la prueba. A continuación de definirán las propiedades mecánicas que caracterizan a los aceros. A. Elasticidad. Es la propiedad que tienen los cuerpos de recuperar tamaño y forma después de la deformación. Si el material se somete a la acción de una carga, sufrirá una deformación. Si al eliminar la carga, el material vuelve a su forma y tamaño original, se habrá producido en él una deformación elástica. Al esfuerzo se le llama elástico, cuando se produce dentro del intervalo elástico. B. Alta resistencia. La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación. C. Uniformidad. Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. D. Susceptibilidad al pandeo. Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. El acero tiene una resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible pandeo. E. Límite de elasticidad. Es el esfuerzo máximo uniaxial que se puede aplicar a un material sin causarle ninguna deformación permanente. El intervalo elástico es aquel donde los esfuerzos son menores que el límite elástico. En un cuerpo elástico, no se requiere que la carga y la deformación sean linealmente proporcionales dentro del intervalo de la elasticidad, Por lo

general, esto si ocurre dentro de la mayor parte de las gráficas de esfuerzodeformación, pero la linealidad no es una condición necesaria para que un material sea elástico. Tal como lo menciona Ruiz (2002), un diagrama típico de esfuerzodeformación de un acero al carbono se caracteriza por: La existencia de una zona inicial en la que los esfuerzos y deformaciones están relacionados entre sí linealmente, seguida por la llamada región plástica, donde tienen lugar deformaciones considerables a esfuerzos constantes, y termina en una región de endurecimiento por deformación, en el cual un incremento de deformación es nuevamente acompañado por un incremento de esfuerzo, hasta llegar finalmente a la ruptura. A continuación, se presenta un ejemplo de grafica de esfuerzo-deformación.

Figura 1. Partes de un diagrama típico de esfuerzo-defromación Fuente: Diseño y comportamiento de miembros estructurales de acero por el método LRFD

F. Límite de fluencia. Es el esfuerzo a partir del cual el material presenta un gran incremento en sus deformaciones, sin existir incrementos correspondientes en el esfuerzo. Este punto se localiza en un diagrama de esfuerzodeformación, en donde al trazar una tangente a dicha curva, ésta quedaría en posición horizontal. La forma de definir el límite de fluencia, es diferente según la clase se acero. En la mayoría de los aceros laminados en caliente,

el límite de fluencia está claramente definido y en ellos se puede apreciar un límite superior y un límite inferior. Sin embargo, existen aceros en los cuales solo hay un límite de fluencia, y en los aceros forjados en frio, no existe un límite de fluencia convencional, sino que se fija donde la curva esfuerzodeformación cambia de pendiente en forma considerable. El límite inferior de fluencia, es el que aparece en las especificaciones de diseño de los aceros. G. Módulo de elasticidad. Se define como módulo de elasticidad “E”, a la relación del esfuerzo y a la deformación en la región elástica inicial de la curva esfuerzo-deformación. Se determina este valor por medio de la pendiente de dicha porción elástica del diagrama. H. Módulo de cortante. Se representa por “G” y se denomina como módulo de elasticidad al esfuerzo cortante o módulo de rigidez; éste valor lo obtenemos a partir de una de las constantes elásticas denominada relación de Poisson () y está dado por la siguiente expresión: 𝐺=

𝐸 2(1 + μ)

1.2-Tipos de estructuras de acero Partiendo de la base que las estructuras metálicas son artificiales ya que las ha inventado el ser humano, podremos entonces destacar qué tipos de estructuras hay:

1. Estructuras Abovedadas: Estas estructuras son todas aquellas en las que se emplean bóvedas, cúpulas y arcos para repartir y equilibrar el peso de la estructura, como por ejemplo puede verse en las catedrales o iglesias.

Figura 2. Estación central de Milán. Fuente. Why go Italy

2. Estructuras Entramadas: Estas son las más comunes ya que son las que utilizan la mayoría de los edificios que podemos ver en cualquier ciudad. Emplean una gran cantidad de vigas, pilares, columnas y cimientos, es decir, una gran cantidad de elementos horizontales y verticales para repartir y equilibrar el peso de la estructura. Estas estructuras son más ligeras porque emplean menos elementos que las abovedadas por ejemplo y así pueden conseguirse edificios de gran altura.

Figura 3. Construcción de un edificio entramado Fuente: Las estructuras.

3. Estructuras Trianguladas: Las trianguladas se caracterizan como su propio nombre indica por disponer sus elementos de forma triangular, suelen ser muy ligeras y económicas. Suelen utilizarse para la construcción de puentes y naves industriales.

Figura 4. La Torre Eiffel. Estructura Metálica Triangulada. Fuente: Estructuras metálicas. Las estructuras triangulares son comúnmente conocidas como armaduras. Una armadura está formada por un grupo de miembros (también llamados barras) que forman uno o más triángulos, en un solo plano, y están dispuestos de manea que las cargas externas se aplican en los nudos o juntas y teóricamente sólo producen tensión o compresión axiales en los miembros. Existen armaduras de diversas formas.

Figura 5. Algunos tipos de armaduras Fuente: Estructuras de acero.

4. Estructuras Colgantes: Las estructuras colgantes o colgadas son aquellas que utilizan cables o barras (tirantes) que van unidos a soportes muy resistentes (cimientos y pilares). Los tirantes estabilizan la estructura, como puede verse por ejemplo en los puentes colgantes.

Figura 6. Puente Slauerhoffbrug en Leeuwarden, Países Bajos. Fuente: Fieras de la Ingeniería. Los cables son miembros flexibles que pueden ser únicamente sometidos a tensión, consiste en uno o más grupos de alambres, torones o cuerdas. Un torón está formado de alambres dispuestos en forma helicoidal alrededor de un alambre central para producir una sección simétrica, de la misma manera, un cable es un grupo de torones colocados en forma helicoidal alrededor de un núcleo central que está compuesto de un corazón de fibras o de otro torón.

Figura 7. Esquema de cable y torón. Fuente: Estructuras de acero.

5. Estructuras Laminares: Todas aquellas formadas por láminas resistentes que están conectadas entre sí y que sin alguna de ellas la estructura se volvería inestable, como pueden ser las carrocerías y fuselajes de coches y aviones. 6. Estructuras Geodésicas: Son estructuras poco comunes que están formadas por hexágonos o pentágonos y suelen ser muy resistentes y ligeras. Son estructuras que normalmente tienen forma de esfera o cilindro. El famoso Museo Guggenheim de Bilbao es una mezcla de estructura metálica abovedada y geodésica ya que combina elementos cilíndricos y abovedados.

Figura 8. Museo Guggenheim, Bilbao. Fuente: Guggenheim Bilbao XX.

Tipos de uniones. Para que todos los elementos de la estructura metálica se comporten perfectamente según se ha diseñado, es necesario que estén ensamblados o unidos de alguna manera. Para escoger el tipo de unión, hay que tener en cuenta cómo se comporta la conexión que se va hacer y cómo se va a montar esa conexión. Existen conexiones rígidas, semirrígidas y flexibles. Algunas de esas conexiones a veces necesitan que sean desmontables, que giren, que se deslicen, etc. Dependiendo de ello tendremos dos tipos de uniones fundamentales: 1. Por Soldadura: La soldadura es la más común, en estructuras metálicas de acero, y, no es más que la unión de dos piezas metálicas mediante el calor.

Aplicándoles calor conseguiremos que se fusionen las superficies de las dos piezas, a veces necesitando un material extra para soldar las dos piezas. 2. Por Tornillo: Los tornillos son conexiones rápidas que normalmente se aplican a estructuras de acero ligeras, como por ejemplo para fijar chapas o vigas ligeras.

Transmisión de cargas en estructuras metálicas Las fuerzas o cargas que soportan las estructuras se van repartiendo por los diferentes elementos de la estructura, pero las cargas siempre van a ir a parar al mismo sitio, a los cimientos o zapatas. El peso sobre las viguetas superiores va a parar a las vigas horizontales y desde de ellas se transmiten a los pilares bajando por ellos hasta llegar al final, al terreno o cimientos.

1.3-Proceso del diseño estructural Por diseño de estructuras se entiende el procedimiento general que lleva a la definición de una estructura. La estructura es la incógnita y los datos son los requisitos estructurales, el tipo de edificio, las alturas, las restricciones a la ubicación de los elementos y al tamaño de las partes estructurales, el contexto, etc. El resultado es la determinación de todos los elementos de la estructura: material, disposición, sección, armado, etc. Para diseñarla es necesario determinar tanto su forma general como sus detalles, lo cual se realiza mediante cálculos de todo tipo. El cálculo es una herramienta local para encontrar el valor de los elementos con problemas de tipo estructural: se calculan las armaduras, los arrostramientos, las secciones de los soportes, etc.; con los cálculos se define la geometría de los elementos de la estructura. Si se puede establecer la relación existente entre todos los parámetros que intervienen y despejar el valor de la variable que se quiere calcular en función de las otras, se puede decir que esta variable es calculable. (González, 1990) El cálculo en sentido estricto resuelve la función que relaciona los valores de las variables y permite encontrar una solución al valor de una variable del problema presentado, en función del valor de los otros parámetros. Para diseñar una estructura es necesario definir todos sus elementos, lo que conlleva necesariamente cálculos de todos ellos. El diseño ordena el proceso de determinación utilizando las herramientas disponibles en cada nivel.

Por análisis se entiende el estudio del comportamiento de una estructura; aquí la estructura es dato, y mediante su análisis se obtiene el cómo funciona en determinadas condiciones. Así, por ejemplo, se necesita analizar una estructura si se quiere conocer cómo se deforma ante una hipótesis de carga, pero para ello hay que tener tal estructura diseñada previamente. El análisis valida o inválida las decisiones de diseño, cuando no se cuenta con procedimientos de cálculo capaces de definir la estructura. Para resolver el problema de diseño siempre se pueden utilizar herramientas de análisis, pero esto será una estrategia muy burda de diseño, consistente en definir de forma arbitraria todos los parámetros de la estructura, analizarla y, según los resultados, ir modificando los valores reiteradamente hasta satisfacer todas las condiciones impuestas. Esto es posible hacerlo en algunos casos utilizando los potentes ordenadores hoy disponibles. Sin embargo, sólo con el uso del análisis no se dispone de reglas para decidir los parámetros de la estructura ni tampoco cómo modificarlos; incluso si se llega a un resultado satisfactorio, se puede saber que es seguro, pero no se sabe si existe otro mejor, que resuelva el mismo problema con menos material estructural o de forma más adecuada. (González, 1990) 1.4-Factores de seguridad y carga

1.4.1-Factores de carga El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas y muertas. El valor del factor de carga usado para cargas muertas es menor que el usado para cargas vivas, ya que los proyectistas pueden estimar con más precisión las magnitudes de las cargas muertas que de las cargas vivas Se ha descrito en forma adecuada a la ingeniería como la aplicación de la ciencia a las finalidades de la vida. Para cumplir esa misión, los ingenieros diseñan una variedad de objetos aparentemente interminable, para satisfacer las necesidades básicas de la sociedad. Entre esas necesidades están vivienda, agricultura, transporte, comunicaciones y muchos otros aspectos de la vida moderna. Los factores a considerar en el diseño comprenden funcionalidad, resistencia, apariencia, economía y efectos ambientales. Sin embargo, cuando se estudia la mecánica de materiales, el interés principal para el diseño es la resistencia, esto es, la capacidad del objeto para soportar o trasmitir cargas. Los objetos que deben resistir cargas son, entre otros, construcciones, maquinas, recipientes, camiones, aviones, barcos y cosas parecidas. Por simplicidad a esos objetos los llamaremos estructuras; así, una estructura es cualquier objeto que debe soporta o transmitir cargas.

1.4.2-Factores de seguridad Si se tiene que evitar una falla estructural, las cargas que una estructura es capaz de soportar deben ser mayores que las cargas a las que se va a someter cuando este en servicio. Como la resistencia es la capacidad de una estructura para resistir cargas, el criterio anterior se puede replantear como sigue: la resistencia real de una estructura debe ser mayor que la resistencia requerida. La relación de la resistencia real entre la resistencia requerida se llama factor de seguridad n: Resistencia real 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛 = Resistencia requerida Naturalmente, el factor de seguridad debe ser mayor que 1.0 para evitar falla. Dependiendo de las circunstancias, los factores de seguridad varían desde un poco más que 1.0 hasta 10. La incorporación de factores de seguridad en el diseño no es asunto sencillo, porque tanto la resistencia como la falla tienen muchos significados distintos. La resistencia se puede medir con la capacidad portante, o de carga, de una estructura o bien se puede medir por el esfuerzo en el material. Falla puede equivaler a la fractura y el completo colapso de la estructura o puede significar que las deformaciones se han vuelto tan grandes que la estructura ya no puede realizar sus funciones. Esta última clase de falla, puede presentarse con cargas mucho menores que las que causan el colapso real. https://es.scribd.com/doc/51130593/FACTOR-DE-SEGURIDAD-Y-CARGASADMISIBLES 1.5-Método Elástico Casi todas las estructuras de acero existentes se diseñaron con métodos elásticos. El proyectista estima las cargas de trabajo o servicio, o sea, las cargas que la estructura tiene que soportar, y diseña los miembros estructurales con base en ciertos esfuerzos permisibles. Estos usualmente son cierta fracción del esfuerzo mínimo de fluencia especificado del acero. Aunque el término "diseño elástico" se usa comúnmente para describir este método, los términos, diseño por esfuerzos permisibles o diseño por esfuerzos de trabajo, son más apropiados. Muchas de las especificaciones para este método se basan en el comportamiento plástico o en la resistencia última y no en el comportamiento elástico. La ductilidad del acero proporciona una reserva de resistencia y esta circunstancia es la base del diseño plástico (McCormac, 2002). En este método, las cargas de trabajo se estiman y se multiplican por ciertos factores de carga o de sobrecapacidad y los elementos estructurales se diseñan entonces con base en sus resistencias al colapso. Otro nombre que se da a este método es el de diseño al colapso. Los proyectistas saben desde hace mucho tiempo que la mayor porción de la curva Esfuerzo-deformación yace más allá del límite elástico del acero. Los estudios

experimentales de muchos años han mostrado que los aceros pueden resistir esfuerzos considerablemente mayores que sus esfuerzos de fluencia y que en casos de sobrecargas las estructuras estáticamente indeterminadas tienen la capacidad de repartir esta sobrecarga, gracias a la ductilidad del acero. Con base en esta información se han hecho muchas propuestas de diseño plástico en las últimas décadas. Indudablemente, para cierto tipo de estructuras es verdad que con el diseño plástico se puede lograr un uso más económico del acero que con el diseño elástico. Diseño elástico Hasta hace pocos años, casi todas las vigas de acero se diseñaban con base en la teoría elástica. La carga máxima que una estructura podía soportar se suponía igual a la carga que primero generaba un esfuerzo igual al de fluencia del material. Los miembros se diseñaban de manera que los esfuerzos de flexión calculados para cargas de servicio no excediesen el esfuerzo de fluencia dividido entre un factor de seguridad (1.5 a 2). Las estructuras se diseñaron durante muchas décadas mediante este método con resultados satisfactorios. Sin embargo, los proyectistas saben desde hace muchos años que los miembros dúctiles no fallan sino hasta que ocurre una gran plastificación después de que se alcanza el esfuerzo de fluencia. Esto significa que tales miembros tienen mayores márgenes de seguridad contra la falla que lo que parece indicar la teoría elástica. En la práctica, el análisis elástico global se emplea generalmente para estudiar la eficacia de servicio de la estructura; es decir, los estados límites pasados los cuales los criterios de servicio especificados dejan de cumplirse (ELS) (UCLM, s.f.). El análisis elástico global supone que el comportamiento de la estructura es elástico, y consiguientemente el del material. Se funda en la hipótesis de que la deformación del material en carga es lineal, sea cual sea la tensión; así, se supone que la deformación es proporcional a la tensión, o sea, que el material obedece la ley de Hooke con todas las cargas. Evidentemente deben considerarse las propiedades verdaderas del material, especialmente la tensión de fluencia, y posiblemente la resistencia, cuando se estudia si las fuerzas internas exceden o no de la resistencia de las secciones y las barras. En estructuras hiperestáticas las fuerzas de las barras deben cumplir las condiciones de equilibrio y producir deformaciones compatibles con la continuidad elástica de la estructura y con las condiciones de apoyo. Las ecuaciones de equilibrio no bastan para hallar fuerzas desconocidas y necesitan el suplemento de relaciones geométricas simples entre las deformaciones de la estructura. Estas relaciones se denominan condiciones de compatibilidad porque aseguran que sean compatibles las deformaciones geométricas de la estructura deformada. También se requiere que los tipos de unión elegidos sean capaces de mantener, prácticamente sin cambios, el ángulo inicial entre las barras unidas, es decir, se presume que las uniones sean rígidas.

1.6-Método Plástico El análisis plástico global tiene utilidad particular para investigar los estados causantes de un colapso real de la estructura y para hallar la resistencia a la rotura, o los estados límites máximos (ELU) (UCLM, s.f.).

Figura 9. Diagrama lineal elástico perfectamente plástico Fuente: Estructuras de acero. Métodos de análisis.

Análisis plástico global El comportamiento carga-deformación del acero no es infinitamente lineal. La figura 8 representa la relación tensión-deformación de un material ideal perfectamente elástico; se sigue que la ley de Hooke se limita al campo de tensiones σ ≤ fy, donde fy, es la tensión de fluencia del material. Más allá, el material cede plásticamente a una tensión constante de σ = fy. Si la tensión se reduce en algún punto del campo plástico, el camino de vuelta es una línea recta paralela a la ley de Hooke, cuya inclinación es el módulo de elasticidad E. Tanto E como fy, y toda la relación tensión-deformación, se suponen iguales en tracción y en compresión. La relación tensión-deformación ideal, aunque sólo sea un modelo matemático, se acerca mucho a la conducta del acero dulce estructural, y es también una aproximación razonable a muchos materiales continuamente endurecidos por deformación que se utilizan en ingeniería de estructuras. Suponer una plasticidad perfecta después de llegar a la tensión de fluencia, equivale a despreciar los efectos del endurecimiento por deformación y está del lado de la seguridad.

Figura 10. Distribución de tensiones en una sección sometida a un momento flector Fuente: Estructuras de acero. Métodos de análisis.

Veamos una sección con área A que tenga eje de simetría y experimente una flexión en el plano de simetría (figura 9). Si el momento de flexión es pequeño, la tensión y la deformación varían linealmente a través de la anchura. Al aumentar el momento, la tensión de fluencia llega a una de las fibras superiores, y al aumentarlo más, la tensión de fluencia también llega a la fibra inferior. Si sigue aumentando el momento de flexión, la fluencia se extiende desde las fibras exteriores hacia dentro hasta que se encuentran las dos zonas de fluencia; en este estado se dice que la sección es totalmente plástica. El valor del momento máximo, llamado momento plástico, se deduce de las condiciones de equilibrio. Puesto que no hay fuerza axial, el eje neutro de la sección transversal la divide en dos áreas iguales A/2; la tracción y compresión resultantes son iguales y forman un par igual al momento máximo, o de agotamiento.

Figura 11. Posibles mecanismos plásticos Fuente: Estructuras de acero. Métodos de análisis.

Al aumentar la carga sobre una estructura se produce fluencia en algunos puntos y experimenta deformaciones elastoplásticas. Al seguir aumentando la carga la estructura alcanza un estado totalmente plástico en el que se forma un número de secciones plenamente plásticas suficiente para transformar la estructura en un mecanismo plástico (figura 10); este mecanismo se colapsa si se sigue cargando. Hay que estudiar el mecanismo de colapso y conocer la magnitud de la carga que lo ocasiona para hallar el factor de carga en el análisis. O también, si el factor de carga está especificado, puede calcularse la estructura de modo que la carga de colapso sea igual o mayor que el producto del factor de carga por la carga de servicio de referencia. El análisis plástico supone, por tanto, además del reparto de tensiones plásticas dentro de la sección (formación de rótulas plásticas), también una redistribución del momento flector suficiente para que se desarrollen todas las rótulas plásticas que hacen falta para que tenga lugar el mecanismo plástico.

1.7-Introducción a los estados de diseño

DISEÑO ESTRUCTURAL. El diseño de un miembro estructural de acero implica mucho más que el cálculo de las propiedades requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que presenta los diseños más económicos, deben considerarse otros factores: 1. El proyectista necesita seleccionar las dimensiones en que se fabrican los perfiles laminados. Vigas, placas, barras de tamaños poco comunes serán difíciles de conseguir. La mayor parte de los perfiles estructurales pueden conseguirse en longitudes de 60 a 75 fts. Dependiendo del fabricante. 2. En ciertos casos, puede ser un error suponer que el perfil más ligero es el más barato. Una estructura diseñada según el criterio de la sección más ligera consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes. Tratar de conectar y adaptar todos esos perfiles será bastante complicado y el costo del acero empleado probablemente será bastante complicado y el costo del acero empleado probablemente será muy alto. Un procedimiento muy razonable sería verificar el mayor número posible de perfiles en cuanto al tamaño y forma, aunque algunos sean de mayor tamaño. 3. Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya que esas secciones, para un mismo peso tienen mayores momentos de inercia y de resistencia. Conforme aumenta la altura de los edificios, resulta económico modificar este criterio. 4. Los costos de montaje y fabricación de vigas de acero estructural son aproximadamente los mismos para miembros ligeros o pesados. las vigas deben entonces esparcirse tanto como sea posible para reducir el número de miembros que tengan que fabricarse y montarse. 5. Los miembros de acero estructural deben pintarse solo si requiere la especificación aplicable. El acero no debe pintarse si va a estar en contacto con el contacto con el concreto. Además, los diversos materiales resistentes al fuego usados para proteger a los miembros de acero se adhieran mejor si las superficies no están pintadas. 6. Es muy conveniente utilizar la misma sección el mayor número de veces posibles. Tal manera de proceder reducirá los costos de detallado; fabricación y montaje. 7. Para secciones grandes, particularmente las compuestas, el diseñador necesita tener información relativa. Es posible fabricar una armadura de acero para techo en un sóla pieza, pero tal vez no sea posible transportarla a la obra y montarla en una sola pieza. 8. Deben escogerse secciones que sean fáciles de montar y mantener. Por ejemplo, los elementos estructurales de un puente deben tener superficies expuestas, dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente. 9. Los edificios tienen una frecuencia una gran cantidad de tuberías, conductos, etc. Por lo tanto, que deben escogerse elementos estructurales que sean

compatibles con los requisitos de forma y tamaño, impuesto por tales instalaciones. 10. Los miembros de una estructura de acero, a veces están expuestos al público, sobre todo en el caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estéticos cuando disponen de manera sencilla y tal vez cuando se escogen elementos con líneas cuervas, sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencia, tienen un costo muy razonable.

1.8-Investigación de especificaciones de sistemas y perfiles estructurales de vanguardia. Se entiende por sistema estructural toda solución estructural valida en un campo de aplicación y con unos determinados procedimientos de análisis y dimensionamiento propios. Una estructura está formada, en general, por subsistemas estructurales para cargas verticales y para cargas laterales, sean estas últimas de viento o sísmicas. Un edificio se puede considerar como bien logrado o eficiente si presenta los mecanismos de transmisión de cargas bien definidos. (Crespo, 1987). Clasificación de Sistemas Estructurales a) Sistema de Forma Activa: Estructuras que trabajan a tracción o compresión simples, tales como los cables y arcos. b) Sistemas de Vector Activo: Estructuras en estados simultáneos de esfuerzos de tracción y compresión, tales como las cerchas planas y espaciales. c) Sistemas de Masa Activa: Estructuras que trabajan a flexión, tales como las vigas, dinteles, pilares y pórticos. d) Sistemas de Superficie Activa: Estructuras en estado de tensión superficial, tales como las placas, membranas y cáscaras (Orozco, 1999).

1.8.1 Cables

Sistemas de Forma Activa

Los cables son estructuras flexibles debido a la pequeña sección transversal en relación con la longitud. Esta flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexión, por lo que la carga se transforma en tracción y también hace que el cable cambie su forma según la carga que se aplique. Las formas que puede adoptar el cable son: a) Polígono funicular, es la forma que adopta el cable ante fuerzas puntuales. b) Parábola, es la curva que adquiere el cable ante una carga horizontal uniformemente repartida. c) Catenaria, es la figura que forma el cable ante el peso propio del mismo.

Figura 7: Formas que adopta un cable Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales Un cable no constituye una estructura auto portante a menos que cuente con medios y procedimientos para absorber su empuje. Esto se logra canalizando sobre las torres la tracción del cable y anclando en tierra Arcos Si se invierte la forma parabólica que toma un cable, sobre el cual actúan cargas uniformemente distribuidas según una horizontal, se obtiene la forma ideal de un arco que sometido a ese tipo de carga desarrolla sólo fuerzas de compresión. (Crespo, 1987).

Figura 8: Arcos Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales El arco es en esencia una estructura de compresión utilizado para cubrir grandes luces. Estructuras usando arcos. En gran diversidad de formas, el arco se utiliza también para cubrir luces pequeñas, y puede considerarse como uno de los elementos estructurales básicos en todo tipo de arquitectura. La forma ideal de un arco capaz de resistir cargas determinadas por un estado de compresión simple, puede hallarse siempre con la forma del polígono funicular correspondiente invertido. Los arcos generan fuerzas horizontales que se deben absorber en los apoyos mediante contrafuertes o tensores enterrados. Cuando el material de los cimientos no es apropiado el empuje del arco hacia afuera se absorbe mediante un tensor. La forma de un arco no se elige por motivos puramente estructurales. El arco de medio punto, usado exclusivamente por los romanos, posee propiedades constructivas que justifican su empleo. Asimismo, el arco gótico posee ventajas tanto visuales como estructurales, mientras que el arco árabe, típico de las mezquitas y de cierta arquitectura veneciana, es "incorrecto" desde un punto de vista puramente estructural. (Crespo, 1987). 1.8.2 Sistemas de Vector Activo Cerchas Considérese ahora la estructura obtenida volcando el cable hacia arriba y reforzando sus tramos rectos con el fin de conferirles resistencia a la compresión. La "flecha negativa" o elevación modifica la dirección de todas

las tensiones y el cable invertido se convierte entonces en una estructura de compresión pura. Las barras comprimidas transmiten a los soportes la carga aplicada a la parte superior de la armadura, sobre los apoyos actúan fuerzas verticales iguales a la mitad de la carga y los empujes dirigidos hacia afuera. El empuje puede absorberse por medio de contrafuertes de material resistente a la compresión como la mampostería, o un elemento de tracción tal como un tensor de acero. Estas armaduras elementales de madera con tensores de hierro, se construyeron en la Edad Media para sostener los techos de pequeñas casas e iglesias. (Crespo, 1987).

Figura 9: Sistemas de vector activo Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales

1.8.3 Sistemas de Masa Activa Vigas Las vigas figuran entre los elementos estructurales más comunes, dado que la mayor parte de las cargas son verticales y la mayoría de las superficies utilizables son horizontales. Por consiguiente, las vigas transmiten en dirección horizontal las cargas verticales, lo que implica una acción de flexión y corte. Los arcos funiculares ocupan un extremo de la escala de tensiones, con ausencia de flexión; las vigas ocupan el extremo opuesto, trabajando sólo a la flexión. (Crespo, 1987).

Figura 10: Vigas Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales

Dinteles y Pilares El sistema de pilar y dintel pueden construirse uno sobre otro para levantar edificios de muchos pisos. En este caso, los dinteles apoyan en pilares o en paredes de altura igual a la del edificio. Si bien la construcción de este tipo puede resistir cargas verticales, no ocurre lo mismo con las horizontales, así los vientos huracanados y terremotos dañan con facilidad este sistema, pues la mampostería y los elementos de piedra poseen escasa resistencia a la flexión y no se establece una conexión fuerte entre los dinteles y pilares. (Crespo, 1987). Pórticos La acción del sistema de pilar y dintel se modifica en grado sustancial si se desarrolla una unión rígida entre el dintel y el pilar llamándose ahora viga y columna. Esta nueva estructura, denominada el pórtico rígido simple o de una nave, se comporta de manera monolítica y es más resistente tanto a las cargas verticales como a las horizontales. A medida que aumentan el ancho y la altura del edificio, resulta práctico aumentar el número de naves, reduciendo así la luz de las vigas y absorbiendo las cargas horizontales de manera más económica. La estructura resistente del edificio se convierte de este modo en un pórtico con una serie de mallas rectangulares que permiten la libre circulación en el interior, y es capaz de resistir tanto cargas horizontales como verticales. Una serie de estos pórticos, paralelos entre sí y unidos por vigas horizontales, constituye la estructura tipo-jaula que encontramos hoy en la mayoría de los edificios de acero o de concreto armado. Estos pórticos tridimensionales actúan integralmente contra cargas horizontales de cualquier dirección, pues sus columnas pueden considerarse como parte de uno u otro de dos sistemas de pórticos perpendiculares entre sí.

Figura 11: Pórticos Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales

Bajo la acción de cargas verticales, los tres elementos de un pórtico simple se hallan sometidos a esfuerzos de compresión y flexión. Con las proporciones usuales de vigas y columnas, la compresión predomina en las últimas y la flexión en las primeras. Las columnas son relativamente esbeltas y la viga relativamente alta. (Crespo, 1987). 1.8.4 Sistemas de Superficie Activa Placas Los sistemas de entramado son particularmente eficientes para transferir cargas concentradas y para lograr que toda la estructura participe en la acción portante. Esta eficiencia se refleja no sólo en la mejor distribución de las cargas sobre los apoyos, sino en la menor relación espesor a luz de los entramados rectangulares. En el proyecto moderno de edificios de oficinas, es común apoyar las placas de piso sobre una pared exterior o sobre una serie de columnas y en el “núcleo” interno, dentro del cual se disponen los ascensores, conductos de aire acondicionado y otros elementos del sistema mecánico, eléctrico y sanitario. De esa manera se obtiene una zona de piso totalmente libre

Figura 12: Placas Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales

La unión entre columnas y placas debe proyectarse para absorber el llamado “punzonamiento” de las columnas y requiere a menudo el uso de capiteles o placas intermedias de distribución. A fin de evitar capiteles, se emplean conectores de corte de acero, para garantizar la transferencia de la carga desde la columna a la placa en el proyecto de hormigón armado. Las placas plegadas pueden hacerse de madera, acero, aluminio o concreto armado. (Crespo, 1987). Membranas. Una membrana es una hoja de material tan delgada que para todo fin práctico, puede desarrollar solamente tracción. Algunos ejemplos de membrana constituyen un trozo de tela o de caucho. En general, las membranas deben estabilizarse por medio de un esqueleto interno o por pre-tensión producido por fuerzas externas o presión interna. El pretensado permite que una membrana cargada desarrolle tensiones de compresión hasta valores capaces de equilibrar las tensiones de tracción incorporadas a ellas. Ejemplos de membranas pretensadas No obstante la inconsistencia de las membranas respecto a la mayor parte de los estados de tensión, el ingenio humano ha hallado maneras de utilizar membranas para fines estructurales, sobre todo debido a su bajo peso. (Crespo, 1987).

Figura 13: Membranas Fuente: Ecu Red – Sistemas estructurales

CONCLUSIÓN. Para entender cómo funcionan las grandes estructuras de acero que observamos hoy en día es necesario el conocimiento de este material. Los grandes puentes colgantes, las estructuras orgánicas y los grandes rascacielos están compuestos en su mayoría de acero. Ya conocemos las propiedades mecánicas del acero, el cual es un material sumamente elástico, que funciona a tensión, resiste grandes esfuerzos y es un material que encontramos en la naturaleza. Conociendo esto podemos entender el diseño de una estructura de acero, donde se toman en cuenta las cargas, secciones, sistema constructivo, etc. Para diseñar una estructura, es necesario determinar su forma general, esto incluye todos sus detalles, lo cual se realiza mediante cálculos de todo tipo. Las estructuras de acero se rigen por tres condiciones o requisitos básicos de suma importancia, deben ser rígidas, para que la estructura no se deforme al aplicar fuerzas sobre ella, deben ser estables, para que no se caigan o vuelquen, y, sobre todo, deben ser resistentes, para que cada uno de sus elementos pueda soportar la fuerza a la que estén sometidos sin romperse o deformarse. En la actualidad, el acero es estructura y, al mismo tiempo, es empleado como material decorativo. Está íntimamente relacionado con la arquitectura industrial, estimula la imaginación y creatividad del arquitecto, dado que el arquitecto moldea el acero a su conveniencia, creando maravillosas estructuras. Día con día se emplean nuevas formas de construir e incluso se le han hecho modificaciones al acero para volverlo más resistente. Los sistemas constructivos también se van modificando y perfeccionando para hacer estructuras de acero más resistentes y seguras para las personas que las van a ocupar, logrando con esto grandes avances en el ámbito de la construcción.

Bibliografía -Juan González Cárceles, Análisis del proceso de diseño de estructuras porticadas, Tesis doctoral. Universidad politécnica de Madrid escuela técnica superior de arquitectura. 1990 -Instituto Técnico de la Estructura en Acero. Construcción en Acero: Introducción al Diseño. 1995 - Aguado Crespo, F. Introducción a la Construcción. Edit. Pueblo y Educación. La Habana, 1987. -

UCLM. (s.f.). Estructuras de Acero. Métodos de análisis. España.