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APUNTES DE ESTRUCTURAS METALICAS

UNIDAD 1 CONCEPTOS GENERALES. 1.1) EL ACERO ESTRUCTURAL. 1.1.1) PRODUCCION DE ACEROS Y PRODUCTOS DE ACERO. La producción de perfiles de acero a partir de materiales crudos, puede dividirse en varias fases: a) Fundición del mineral en altos hornos. b) Fabricación de acero en hornos de arco eléctrico. c) Hornos básicos de oxigeno. d) Laminado de perfiles en rodillos de laminación. ALTOS HORNOS.- El acero esta compuesto en esencia de hierro, además de pequeñas cantidades de carbono y cantidades menores de otros elementos. El hierro en los depósitos naturales aparece principalmente en forma de magnetita (Fe3O4)y hematita (Fe2O3). Este mineral de alto grado contiene alrededor del 50% (o mas) de hierro puro. Las impurezas de la tierra y los rastros de otros elementos constituyen la porción remanente del mineral. El hierro se extrae del mineral de los altos hornos durante el proceso denominado fundición. El alto horno consiste en una enorme torre cilíndrica con forro de acero. El horno es alimentado por una carga compuesta de mineral de hierro, coque y piedra caliza, en donde el oxido de hierro es reducido a hierro por el carbono (coque). Cuando la piedra caliza se quema, esta actúa como fundente que se mezcla con el mineral de tierra y el coque para formar una mezcla fusible llamada escoria. La escoria mucho mas ligera que el hierro, flota en la superficie del hierro fundido en la chimenea. La escoria es extraída cerca de la superficie de la parte superior de la zona de fundición a través de un hueco de cenizas. El hierro fundido mas pesado denominado hierro de la primera fundición, se acumula en el fondo de la chimenea y es extraído periódicamente. Los hornos grandes son capaces de producir entre 8,000 a 10,000 toneladas de hierro de primera fundición al día. Este material contiene entre el 4% y 5% de carbono y entre 0.1% y 0.5% de fósforo. HORNO DE ARCO ELECTRICO.- En los Estados Unidos, los aceros estructurales se producen principalmente en hornos de arco eléctrico, y brindan el medio mas económico para la producción de aceros de alto grado. Los hornos que se utilizan para este propósito tienen capacidades de 20 a 400 toneladas. Tres electrodos de carbono, hasta 2 pies de espesor y 24 pies de largo se extienden a través del techo y hacen contacto con la carga del metal en la parte baja del horno. Tres de las fases de la corriente alterna que fluyen de un electrodo a la carga metálica y luego al siguiente electrodo, lo produce un intenso calor y un arco eléctrico.

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Estos hornos operan por arriba de los 80,000 KVA, por lo que consumen bastante energía eléctrica para la producción de acero de alta resistencia de buena calidad para la fabricación de perfiles metálicos utilizados en la construcción de edificios. La carga por lo regular incluye metal de chatarra seleccionada con mucho cuidado, como son pedacera de perfiles metálicos sobrantes de las obras, autos descartados (yonkes), hierro de primera fusión proveniente de altos hornos y pequeñas cantidades de cal. También se añaden ingredientes desulfurizantes, desfosforizantes y desoxidantes en cantidades indicadas mediante un análisis del material. Bajo el intenso calor de los arcos, estos materiales junto con las impurezas del metal, forman la escoria que flota, y en el fondo queda el acero puro. El acero fundido es vertido en ollas de colado mediante vertedores de extracción. Todo el horno esta montado en forma basculante para que pueda ser inclinado y permita fluir el acero en estado liquido por el vertedero. El tiempo requerido para el refinamiento del acero en el horno eléctrico, varia de dos a cinco horas. Al final del refinamiento del acero, se le añade elementos de aleación como manganeso, vanadio, colombio, y desoxidantes, como silicón y aluminio. El tipo y la cantidad de elementos de aleación determinan la calidad del acero estructural. Los desoxidantes remueven el oxigeno del acero durante el proceso de vaciado y solidificación. La eliminación del oxigeno del metal fundido contribuye para que gran parte del monóxido de carbono no se desarrolle durante la solidificación, que se conoce como abatimiento. El material fundido es colado en lingotes que se almacenan para su posterior laminado. MOLINOS DE LAMINADO.- los lingotes son laminados por medio de molinos de laminado conocidos como molinos de rodillo o primarios. El laminado consiste en comprimir el lingote de acero entre dos rodillos, los cuales giran a la misma velocidad pero en sentidos opuestos y espaciados; de esta manera la distancia entre ellos es uno poco menor al grosor de la pieza de acero que se introduce entre ellos. Los rodillos sujetan el acero, reducen su área de la sección y lo entregan con un aumento en su longitud. Después de algunas pasadas a través de los rodillos, una pequeña parte de los extremos que corresponden a la parte superior e inferior, es cortada para eliminar el acero de bajo grado, que por lo general contiene segregaciones, porosidad o huecos. Los productos semiterminados después de recalentarlos, son enviados a los molinos de laminado de acabado. Las barras son pasadas a través de laminadoras estructurales para elaborar los perfiles I, WF, ángulos, Tees, PTR, etc. 1.2) CLASIFICACION DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES. 3

La clasificación de los aceros son los siguientes: ACEROS AL CARBONO. Los aceros al carbono difieren de los aceros de aleación y de baja aleación en el que el carbono y el manganeso son los principales elementos de refuerzo. Los aceros al carbono contienen menos del 1.7% C, 1.65% Mn, 0.60% Cu y 0.60% Si. Si se incrementa el porcentaje de carbono, se eleva el esfuerzo de fluencia y la dureza, pero se reduce la ductilidad y se afecta de manera adversa la propiedad de soldabilidad. La soldadura por medio de electrodos especiales es posible solo cuando el contenido de carbono no exceda de 0.30%. el manganeso mejora la resistencia y disminuye la ductilidad. El silicio beneficia la resistencia, pero si se aplica en cantidades excesivas puede hacer que el carbono presente escamas de grafito. El azufre y fosforo tienen efectos perjudiciales sobre la resistencia, en especial la ductilidad y la soldabilidad del acero. Los aceros de alto contenido de carbono tienen las siguientes diferencias: a) baja resistencia a la fluencia. b) Poca resistencia a la corrosión atmosférica. c) Poca ductilidad de muesca, ya que se vuelve quebradizo a temperaturas ligeramente por debajo de la temperatura ambiente. La clasificación de los aceros al carbono, son las siguientes: * ASTM A36 ACERO ESTRUCTURAL CON CARBONO.- Hasta hace poco, el acero estructural básico utilizado mas comúnmente en construcción de edificios y puentes ha sido el acero A36. Tiene un contenido máximo de carbono de, que varia de 0.25% a 0.29% dependiendo del espesor, y aun es el material preferido para la elaboración de perfiles M, S, HP, C, MC, MT, ST, y L, así como de las soleras. El acero A36 tiene un esfuerzo de fluencia de 36 ksi excepto para placas con espesor de mas de 8”, para los cuales el esfuerzo de fluencia es de 32 ksi. El esfuerzo ultimo de tensión de este acero varia de 58 ksi a 80 ksi; para cálculos de diseño se utiliza el valor mínimo de 58 ksi. * ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACION (HSLA).- Loa aceros de alta resistencia contienen cantidades moderadas de elementos de aleación diferentes al carbono, algunos elementos de aleación son: cromo, colombio, cobre, manganeso, molibdeno, níquel, vanadio y zirconio. El termino acero de baja aleación se utiliza generalmente para describir aceros cuyo contenido total de elementos de aleación no excedan del 5% de la composición total del acero. Los elementos de aleación mejoran las propiedades mecánicas, las características de fabricación y otros atributos del acero. Losa aceros HSLA tienen esfuerzos de fluencia en un rango de 40 ksi a 70 ksi, y algunos aceros de alta resistencia ofrecen una resistencia mejorada a la corrosión. 4

* ACEROS ASTM A572.- Son aceros de vanadio-colombio de baja aleación y alta resistencia estructural. La especificación A 572 define cinco grados de aceros HSLA 42, 50, 55, 60 y 65 (en la especificación ASTM, el termino grado identifica el nivel de esfuerzo de fluencia). El esfuerzo ultimo de tensión de estos aceros corresponde respectivamente, 60, 65, 70, 75 y 80 ksi. Estos aceros se producen para la construcción de edificios y otras estructura, ya sea que se utilice soldadura o tornillo en sus conexiones, excepto para la construcción de puentes. *ASTM A992.- Esta nueva especificación cubre solo los perfiles W con el fin de ser utilizados en la construcción de edificios. Tiene valores mínimos especificados de Fy= 50 ksi y Fu=65 ksi. Además los aceros A992 tienen excelentes características de ductilidad y soldabilidad. * ACEROS HSLA RESISTENTES A LA CORROSION.- Aumentan su resistencia a la corrosión atmosférica, pues desarrollan su propia densidad, dureza y capa de oxido denso, duro que se adhiere con fuerza y tienen color purpura cuando se expone a la intemperie . el oxido apretado o pátina, sella el metal base contra la corrosión futura y por lo tanto actúa como capa de pintura. La resistencia a la corrosión atmosférica de estos aceros es casi el doble que el acero con carbono con cobre, o de cuatro veces del acero con carbono sin cobre. El níquel y el cobre son los principales elementos añadidos al acero HSLA para mejorar la resistencia a la corrosión. *ACEROS ASTM A588.- Es una acero de intemperie de baja aleación con punto de fluencia de 50 ksi para espesores de hasta 4”. Tambien esta disponible para mayores espesores con menor esfuerzos de fluencia (46 y 42 ksi). Este acero se produce para construcción de estructuras soldadas o atornilladas, su resistencia a la corrosión atmosférica es cuatro veces mayor al acero A36. 1.3) PROPIEDADES DE LAS SECCIONES. Las propiedades de las secciones son: a) Área de la sección transversal (plg2)  A b) Peralte (plg)  d c) Patín (plg)  bf d) Momento de inercia (plg4)  Mx, My e) Modulo de sección (plg3)  Sx, Sy f) Radio de giro (plg)  rx, ry g) Espesor del patín (plg)  tf h) Espesor del alma (plg)  tw

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MOMENTO DE INERCIA.- Cuando es una sección compuesta como los perfiles comerciales (a excepción de las placas y soleras), si se determina con respecto al centro de gravedad de la sección, la placa del alma se determina su momento de inercia con la formula normal, pero las placas de los patines su momento de inercia se determina por el teorema de los ejes paralelos. Momento de inercia con respecto al centro de gravedad: 3

I=

b∗h 12

Momento de inercia cuando el centro de gravedad no esta en el centroide la figura: 3 b∗h I= + A x2 12 RADIO DE GIRO.- Se determina por la relación: I Ix Iy ; rx= ; ry= r= A A A

√

√

√

MODULO DE SECCION.- Se obtiene a partir de las distancias con respecto al centro de gravedad. Ix Iy Sx= ; Sy = c c donde: c= distancia del centro de gravedad a la fibra mas alejada a compresión. 1.4) PROPIEDADES FISICAS DE LAS SECCIONES. ESFUERZO.- Se define como la carga axial aplicada, dividida entre la área de la sección transversal original de la prueba al inicio de la prueba. T f= A donde: f= esfuerzo (kg/cm2; kips/plg2) T= fuerza axial (kg, kips) A= área de la sección transversal (cm2, plg2)

DEFORMACION.- Se define como el alargamiento de la probeta tomada sobre la longitud calibrada.

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e L−Lo = Lo Lo donde: L= longitud original de la probeta (cm, plg) Lo= longitud final de la probeta después de la prueba (cm, plg) €= deformación de la probeta (cm, plg) ∈=

MODULO DE ELASTICIDAD O MODULO DE YOUNG (E).- Es la representación de la grafica de la pendiente esfuerzo-deformación de la región elástica. f E= ∈ El modulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material en el dominio elástico. Para los aceros estructurales el modulo de elasticidad difícilmente varia y es prácticamente constante. Un valor de 29,000 ksi o 2 x10 6 kg/cm2, se utiliza en los calculo de diseño para todos los grados de aceros estructurales. ESFUERZO DE FLUENCIA (Fy).- En la actualidad los aceros estructurales están disponibles con esfuerzos de fluencia de 32 ksi a 150 ksi. Los esfuerzos característicos del acero estructural, como el limite de proporcionalidad, el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo ultimo para las pruebas de compresión, tienen aproximadamente los mismos valores que aquellos para la prueba de tensión. DUCTILIDAD.- Es la capacidad de un material para ser sometido a gran deformación sin quebrarse. Una medida de ductilidad es el porcentaje de elongación de la longitud calibrada de una probeta durante la prueba de tensión. Lf −Lo δ= x 100 Lo RAZON DE POISSON (µ).- Se ha demostrado experimentalmente que si una barra es alargada por tensión axial, hay una reducción simultanea de las dimensiones transversales. Para esfuerzos por debajo del limite de proporcionalidad, la razón de las deformaciones en dirección transversal y longitudinal es una constante conocida como: −ϵx εy μ= = ϵz ϵz MODULO DE ELASTICIDAD POR CORTANTE (G).- El modulo de elasticidad por cortante o modulo de rigidez por cortante, es la razón entre el esfuerzo cortante y la deformación unitaria cortante, dentro del limite elástico y se designa con la letra G. Para aceros estructurales, los valores medidos para G varían de 11,500 ksi a 12,000 ksi. Un valor conservador seria de 11,200 ksi. 7

G=

E 2(1−μ)

1.5) MIEMBROS ESTRUCTURALES. Se tratara de identificar los miembros básicos, las formas en que pudieran armarse para formar el esqueleto de una estructura y las funciones que tienen, y que se deben conocer como requerimiento previo para un buen diseño. La finalidad es describir diversas formas estructurales fundamentales de las construcciones y las maneras en que a menudo se definen dentro de los tipos comunes de edificios mediante bocetos, croquis o planos estructurales. Se comentara con brevedad el comportamiento de estas formas estructurales para proporcionar la información que ayuda en la selección preliminar, en el análisis y en el diseño de miembros y sistemas estructurales de acero. Se debe tener un concepto claro sobre la manera en que tienen lugar la transferencia de cargas verticales y horizontales que actúan sobre la estructura desde los puntos de aplicación hasta llegar al suelo de cimentación. 1.6) CLASIFICACION DE MIEMBROS Y ESTRUCTURAS. 1.6.1) ESTRUCTURAS PARA EDIFICIOS: a) Residenciales. b) Comerciales. c) Ensamblado (maquiladoras). d) Institucionales. e) Almacenamiento. f) Industriales. 1.6.2) PUENTES: a) Peatonales. b) Carreteros. c) Vías férreas. 1.6.3) TORRES: a) Radio y televisión. b) Transmisión de electricidad (C.F.E.) c) Alumbrado publico (luminarias y semáforos). 1.6.4) ALMACENAMIENTO: a) Depósitos de agua. b) Basureros. c) Silos para granos. d) Tanques de presión. 1.6.5) ESPECIALES: a) Radio telescopios. 8

b) Platos para rastreo de satélites. c) Marcos para minas. d) Tuberías a presión. e) Plataformas marinas. MARCO RIGIDO.- Un marco puede definirse como una estructura compuesta de dos a mas miembros que se unen mediante conexiones, algunas de las cuales, o todas ellas, son resistentes a momentos para formar una configuración rígida.

TIPOS DE MARCOS RIGIDOS MAS COMUNES CONEXIONES RIGIDAS.- Tienen la capacidad de trasmitir, tanto momento flexionante, como fuerza cortante de un miembro a otro a través de las conexiones. CONEXIONES SEMIRRIGIDAS.- En este tipo de conexión hay una rotación relativa entre el extremo de la viga y la unión a la que esta conectada, y el momento transmitido por la conexión es una función conocida y depende de esta rotación de la conexión. Comparadas con las conexiones rígidas, las conexiones semirrígidas son mas fáciles de fabricar y montar, así como las de

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mas costo bajo. Sin embargo las conexiones semirrígidas pueden utilizarse solo cuando las propiedades momento-rotación de la conexión se consideran de manera explicita en el análisis y diseño. Así mismo, con frecuencia, su ductilidad limita su uso para edificios de baja altura. CONEXIONES SIMPLES.- En ocasiones los elementos de la conexión son tan flexibles que trasmiten solo momentos insignificantes a través de la conexión, y a estos se les conoce como conexiones simples. En los apoyos, las columnas descansan sobre una placa de acero rectangular conocida como placas base, la cual esta conectada a una zapata por medio de anclas. La base de las columnas pueden ser articuladas o empotradas. Si se considera que las columnas estén fijas en sus bases metálicas, el anclaje, incluyendo las anclas y sus conexiones, deben ser lo suficientemente fuertes para resistir los momentos flexionantes en las bases de las columnas.

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TIPOS DE CONEXIONES

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REPRESENTACION ESQUEMATICA DE LAS CONEXIONES EN LOS MARCOS RIGIDOS

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Cuando se analizan y diseñan marcos rectangulares, resulta útil clasificarlos en dos categorías: contraventeados y no contraventeados. En las figura anteriores se muestra dos ejemplos, un marco rígido arriostrado y el otro marco rígido sin arriostrar, sometidos ambos a carga vertical y carga lateral. También en las mismas figuras se muestra las configuraciones deformadas de los marcos (señaladas con línea punteada y dibujadas a una escala exagerada). En los marcos contraventeados (marcos arriostrados) sometidos a carga vertical y lateral, las uniones giran pero permanecen prácticamente en el

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mismo lugar. Por lo tanto, no hay traslación relativa de los extremos de la columna cunado el marco cunado el marco esta sometidos a carga lateral. En los marcos no contraventeados (marcos sin arriostrar) sometidos a carga vertical y carga lateral, las uniones están libres de trasladarse de forma horizontal además de la rotación. La traslación relativa del extremo superior de la columna respecto de su extremo inferior , se conoce como desviación o desplazamiento lateral o simplemente desplazamiento. Y se denota con el símbolo ∆. La relación ∆/h, donde h es igual a la altura de la columnas, se conoce como índice de desplazamiento. ARMADURAS.- La armadura es un conjunto de elementos lineales arreglados en forma de triangulo, o combinaciones de triángulos, para dar lugar a una estructura rígida y plana. A continuación se dan dos ejemplos de armaduras tipo.

Las armaduras tipo Pratt y Warren, son las configuraciones mas utilizadas para la fabricación de armaduras para cubiertas y entrepisos, ya que son mas sencillas de construirse. El miembro superior horizontal de la armadura se llama cuerda superior, el miembro inferior horizontal se llama cuerda inferior, y los miembros verticales y diagonales se llaman montantes verticales y montantes diagonales, respectivamente. Las armaduras de acero se fabrican de tal manera que los ejes centroidales de todos los miembros que confluyen en cualquier unión, tengan

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el mismo punto común de intersección. Mas aún , los miembros y apoyos por lo regular, se disponen de tal manera que todas las cargas y reacciones ocurran solamente en las uniones, y que la línea de acción de la carga aplicada en la unión también pase a través de ese punto común de intersección.

CONEXIONES TIPO EN MIEMBROS DE UNA ARMADURA La forma usual de un sistema de apoyo estáticamente determinado de una armadura es mediante el uso de u soporte articulado en uno de los extremos (el cual permite la rotación de la unión conforme la armadura se deforma bajo la acción de la carga) y un soporte de rodillo en el otro extremo (el cual permite a la armadura contraerse o expandirse, y también permite que rote la unión en ese extremo). 15

Una armadura bajo la acción de las cargas se comporta igual que una viga I, resistiendo los momentos flexionantes en las cuerdas superior e inferior (como los patines de la viga), y los montantes verticales y diagonales soportan los cortantes (como la alma de la viga). Según estas suposiciones, los miembros de las armaduras están sujetos a las fuerzas internas de tensión y compresión. En las conexiones de las armaduras rara vez están articuladas; en realidad están atornilladas o mas comúnmente en la actualidad, están soldadas. Cuando se utilizan conexiones atornilladas, se requiere de una placa de conexión para hacer la conexión en el nodo, y cuando se usa cordones de soldadura, los miembros verticales y diagonales se hacer coincidir sus líneas de acción a un solo punto, de tal manera que estos miembros se soldán a la cuerda superior e inferior. Para ello se debe determinar la longitud de los cordones de soldadura que se deberán utilizar para evitar un desgarramiento por falta de cordón de soldadura. Aunque a veces por procedimiento constructivo o porque se requiere reforzar las uniones (nodos) soldadas, se utilizan placas de conexión que se coloca entre las cuerdas superior e inferior, y posteriormente se soldán a esta placa los elementos verticales y diagonales.

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