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DISEÑO DE INGENIERIA ESTRUCTURAL MÓDULO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

Dr. Ing. José Luis Chambi Chuquichambi

MÓDULO. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

CONTENIDO. 1. Fundamentos de diseño de Estructuras de Acero. 2. Diseño de elementos sometidos a Tracción. 3. Diseño de elementos sometidos a compresión. 4. Diseño de elementos sometidos a Flexión y Cortante. 5. Uniones atornilladas. 6. Uniones soldadas. 7. Normas de diseño. 8. Aplicación práctica.

DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

Dr. Ing. José Luis Chambi Chuquichambi

CRONOGRAMA. Día

Fecha

Hora

Avance

Jueves

07 – Jul

19:00 a 22:30

1. Fundamentos de diseño de Estructuras de Acero. 2. Diseño de elementos sometidos a Tracción.

Viernes

08 – Jul

19:00 a 22:30

3. Diseño de elementos sometidos a compresión.

Sábado

09 – Jul

08:30 a 14:30

4. Diseño de elementos sometidos a Flexión y Cortante.

Jueves

28 – Jul

19:00 a 22:30

5. Uniones atornilladas. 6. Uniones soldadas.

Viernes

29 – Jul

19:00 a 22:30

7. Normas de diseño. 8. Aplicación práctica. Evaluación del Modulo

SISTEMA DE EVALUACIÓN.

- Prácticas - Examen DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

Dr. Ing. José Luis Chambi Chuquichambi

BIBLIOGRAFÍA. • Steel Construction Manual – American Institute of Steel Construction (AISC) – 13rd edition • Especificación ANSI/AISC 360-10 - para Construcciones de Acero (2010)

• Manual de diseño para la construcción con acero – Altos hornos de México (2013). • Reglamento de construcciones para el Distrito Federal – Normas Técnicas complementarias para el diseño y construcción de estructuras Metálicas, Año 2005. • Diseño de estructuras de acero – Método LRFD – Jack C. McCormac, Editorial Alfaomega, 2da edición

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

INTRODUCCIÓN

El acero es el metal mas importante utilizado para fines estructurales porque combina una alta resistencia, tanto en tensión como en compresión.

El diseño de miembros y conexiones deberá ser consistente con el comportamiento que se espera que tenga el sistema estructural y las hipótesis hechas en el análisis.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

CARACTERISTICAS GENERALES

El acero, a pesar de ser el material de mayor coste volumétrico es el de más capacidad tensional, y es esta característica, por la ligereza de las construcciones que origina, la que comporta su economía. Gran resistencia: - a compresión - a tracción (10-12 veces más que el hormigón)

El agotamiento del material se produce generalmente de manera dúctil, muy IMPORTANTE porque avisa con sus deformaciones de la posibilidad de colapso. Ideal para la prefabricación y industrialización, que se traduce en un trabajo con un alto grado de precisión (cotas en mm) Piezas muy esbeltas INESTABILIDAD!

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

VENTAJAS.

-Corto periodo de construcción - Reducción de las dimensiones de la estructura, construcciones ligeras

- Permiten cubrir grandes luces - Alta resistencia y ductilidad (sismo, impacto) - Avisan con deformaciones antes del colapso

- Flexibilidad y adaptabilidad a las dimensiones del solar - Cambios futuros en el uso de la estructura - Integración racional de las instalaciones - Facilidad de desmontaje, valor residual DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

INCONVENIENTES.

- Protección sobrespesores)

contra

la

corrosión

(pinturas,

acero

corten,

-Necesidad de protección contra fuego (A temperaturas elevadas, disminuyen las características mecánicas del acero) -Precaución ante la fatiga cargas dinámicas (puentes de ferrocarril, puentes grúa, estructuras off-shore…) -Precaución ante rotura frágil (estructuras con mucha soldadura, espesores grandes, bajas temp.) En construcción de estructura metálica

ordinaria

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resulta

“caro”

el

empleo

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO PROPIEDADES RELEVANTES Las propiedades mecánicas son las mas importantes para la aplicación en estructuras. Resistencia La resistencia a las diversas solicitaciones de los miembros estructurales de acero depende de la forma del diagrama tensión deformación , y particularmente de los esfuerzos de fluencia Fy y de ruptura en tensión Fu

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

PROPIEDADES RELEVANTES

Ductilidad

El acero es un material dúctil por naturaleza, que tiene además un comportamiento estable bajo inversiones de carga. El acero puede aceptar deformaciones importantes mas halla del limite elástico sin fallar. Puede utilizarse para construir estructuras estáticamente indeterminadas que satisfagan los requisitos de diseño sísmico.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

PROPIEDADES RELEVANTES Soldabilidad La soldabilidad se define como el conjunto de propiedades que tiene un acero estructural para permitir efectuar uniones o conexiones soldadas.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA DEL ACERO Esfuerzos residuales En general, todos los miembros estructurales de acero están sometidos a esfuerzos internos producidos por las deformaciones permanentes durante el proceso de fabricación y laminación, principalmente a causa de enfriamiento irregular del acero desde la temperatura de laminación hasta la ambiente.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA DEL ACERO

Efecto de trabajo en frio Cualquier proceso en frio, tal como el alargamiento y el doblado, afecta las propiedades mecánicas del acero. En general, el tratamiento en frio incrementa el esfuerzo de fluencia, Fy y en menor grado la resistencia a la fractura, Fu, pero siempre disminuye la ductilidad.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA DEL ACERO

Efecto de altas temperaturas El acero cuando se somete a una temperatura alta la curva esfuerzo deformación deja de ser lineal. A medida que se incrementa la temperatura las propiedades mecánicas del acero se reducen drásticamente.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO ESPECIFICACIONES Y NORMAS DE CONSTRUCIÓN

El diseño de estructuras civiles en USA (que es uno de los mas completos) esta basado en el manual del American Institute of Steel Construction (AISC). • • •

Es la combinación del juicio de ingenieros dedicados a la investigación e ingenieros de la practica . Las investigaciones han sido sintetizadas en procedimientos de diseño, para obtener estructuras seguras y económicas. La mayoría de la bibliografía y las tablas, están basadas en la Especificación de diseño estructural para edificios de acero 2005.

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

FILOSOFIA DE DISEÑO

La diferencia esencial entre LRFD y ASD. Factor de carga

Factor de resistencia

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO PROPIEDADES DE LOS ACEROS Propiedades de los aceros utilizados en puentes, edificios y obras civiles (NORMA ASTM-A6)

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

PROPIEDADES DE LOS ACEROS El comportamiento de los diferentes tipos de acero se las estudia de las curvas esfuerzo-deformación de elementos sometidos a tensión simple. Diagrama de Esfuerzo-Deformación La relación entre el esfuerzo y la deformación de la región inicial es el modulo de elasticidad y se lo considerará: E=29,000 Ksi (200,000 Mpa)

Relación de Poisson μ = 0.3 (Rango elástico) μ = 0.5 (Rango plástico) Modulo de elasticidad a corte G=11,000 Ksi (75,800 MPa)

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1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO PROPIEDADES DE LAS SECCIONES Clasificación de las secciones según pandeo local.

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2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN

2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN LÍMITES DE ESBELTEZ No existe limite de esbeltez máxima para miembros en tracción. Nota: Para miembros diseñados básicamente en tracción, la razón de esbeltez L/r es preferible que no exceda de 300. Esta sugerencia no se aplica a barras o colgadores en tracción. RESISTENCIA EN TRACCIÓN (a) Para fluencia en tracción en la sección bruta:

(a) Para ruptura en tracción en la sección neta:

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2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN

Cálculo del áreas en elementos a tensión a) Área bruta o total Es el área total del elemento, no tiene ningún orificio o discontinuidad en su sección (elementos con uniones soldadas).

a) Área neta 1) Para pernos y remaches :

2) Para cadena de pernos, uno o mas pernos en línea o no alineados

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2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN

Ejemplo 1 Determinar el área neta mínima de las placas mostradas en la figura, considerar pernos de 15/16 plg. de diámetro. Considerar el espesor de la placa ¼ plg. acero A36.

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2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN

c) Área efectiva El área neta es calculada directamente cuando los elementos están conectados mediante pernos entre si; sin embargo, no refleja enteramente el comportamiento de resistencia, debido a que la mayoría de los elementos de una conexión son perfiles metálicos o secciones compuestas que producen cierta excentricidad. Por ello el manual AISC propone:

Esta excentricidad en los elementos conectados, causa que la fuerza de tensión no se distribuya uniformemente sobre el área neta. En conexiones con pernos se utiliza un coeficiente U que considera este efecto:

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2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN

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2. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN

Ejemplo 2 Determinar el área efectiva de un perfil W14x82 de acero A992, conectado a una placa por sus dos alas. Existen 3 pernos en cada línea de la conexión.

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN

3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESION cuando se considera que la carga esta aplicada simétricamente se puede considerar que la flexión es despreciable, por lo que se puede diseñar como una columna.

Pandeo: Flexión repentina debido a la inestabilidad antes que el

material llegue a su capacidad máxima de resistencia, por tanto para el diseño de los elementos es necesario realizar un análisis De estabilidad. Ecuación de Euler y pandeo elástico

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN

Ecuación de Euler Carga crítica de Euler:

Esfuerzo crítico de pandeo:

De acuerdo a la ecuación de Euler se pueden asumir ciertas consideraciones para determinar la expresión que defina el comportamiento de una columna:

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN LONGITUD EFECTIVA Factor de longitud efectiva, K, para calcular la esbeltez de columna, KL/r, donde: L = longitud no arriostrada lateralmente del miembro, cm (mm).

r = radio de giro, cm (mm).

Para miembros diseñados solo en compresión, se recomienda que la razón de esbeltez KL/r no sea mayor que 200. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN DISPOSICIONES GENERALES La resistencia de diseño en compresión, cPn , o la resistencia admisible en compresión, Pn/c, deben ser determinadas de la siguiente manera. La resistencia de compresión nominal, Pn, es el menor valor obtenido de acuerdo con los estados limites que aplican pandeo por flexión, pandeo torsional, y pandeo flexotorsional.  c = 0,90 (LRFD)

 c = 1,67 (ASD)

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN E3. PANDEO POR FLEXIÓN DE MIEMBROS SIN ELEMENTOS ESBELTOS La resistencia de compresión nominal, Pn, debe ser determinada basada en el estado limite de pandeo por flexión:

La tensión de pandeo por flexión, , se determina como sigue:

(a) Cuando

Siendo: (b) Cuando Fe: Esfuerzo de pandeo elástico DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN E4. RESISTENCIA A COMPRESIÓN, PANDEO TORSIONAL Y FLEXO-TORSIONAL DE MIEMBROS SIN ELEMENTOS ESBELTOS La resistencia nominal a compresión, Pn, debe ser determinada basada en el estado limite de pandeo por flexo-torsión y torsión, de la siguiente manera:

Fcr: Resistencia máxima de la sección, se determina como se indica a continuación: (a) Para secciones doble Angulo y T en compresión:

Donde: Fcry se toma como Fcr en Ecuación E3-2 o E3-3, para pandeo por flexión en torno al eje y de simetría kL/r = kL/ry J : Constante de torsión plg4 ro : Radio de giro polar DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN (b) Para todos los otros casos, Fcr debe ser determinado de acuerdo con Ecuación E3-2 o E3-3, usando la tensión de pandeo elástico torsional o flexotorsional, determinado de la siguiente manera: (i) Para miembros con simetría doble:

(ii) Para miembros con simetría simple donde y es el eje de simetría:

(iii) Para miembros asimétricos Fe es la menor raíz de la ecuación cubica:

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN Donde: Ag = área bruta de miembro, cm2 (mm2) Cw = constante de alabeo, cm6 (mm6)

G = modulo elástico de corte del acero =790.000 kgf/cm2 (77.200 MPa) Ix , Iy = momento de inercia en torno de los ejes principales, cm4 (mm4) J = constante torsional, cm4 (mm4) Kx = factor de longitud efectiva para pandeo por flexión sobre eje x. Ky = factor de longitud efectiva para pandeo por flexión sobre eje y. Kz = factor de longitud efectiva para pandeo torsional ro=radio de giro polar en torno al centro de corte, cm (mm) rx = radio de giro en torno al eje x, cm (mm) ry = radio de giro en torno al eje y, cm (mm) xo, yo = coordenadas del centro de corte con respecto al cancroide, cm (mm) DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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3. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN

Ejemplo: Determinar la resistencia a compresión de una columna con sus extremos simplemente apoyados, y una altura de 20 pies. Considerar un perfil WT6x25.El perfil de acero es de tipo A992. E= 29000 Ksi G= 11200 Ksi Perfil Tee WT6x25

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN

4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS A FLEXIÓN. DISPOSICIONES GENERALES La resistencia de diseño en flexión, φbMn, o la resistencia admisible en flexión, Mn/Ωb, deben ser determinados de la siguiente manera: 1. Para todas las disposiciones del capitulo: b = 0,90 (LRFD)

b = 1,67 (ASD)

2. Se asume que los puntos de apoyo de las vigas están restringidos a rotación en torno al eje longitudinal (volcamiento) DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN 3. Para miembros con simetría simple y todos los elementos doblemente simétricos:

Cb = el factor de modificación por pandeo lateral-torsional para diagramas de momento no uniformes cuando ambos extremos del segmento no arriostrado están restringidos a volcamiento.)

donde: Mmax = valor absoluto del máximo momento en el segmento T-m (N-mm). MA = valor absoluto del momento en primer cuarto del arriostrado, T-m (N-mm). MB = valor absoluto del momento en el centro del segmento T-m (Nmm). MC = valor absoluto del momento en tercer cuarto del arriostrado, T-m (N-mm).

no arriostrado, segmento no no arriostrado, segmento no

Para voladizos o extremos colgados donde el extremo libre no esta arriostrado, Cb = 1,0. Para miembros con simetría doble y sin cargas transversales entre puntos de arrostramiento, la Ecuación se reduce a 1.0 para el caso de momentos extremos iguales del mismo signo (momento uniforme) DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN F2. MIEMBROS COMPACTOS DE SECCION H DE SIMETRÍA DOBLE Y CANALES FLECTADAS EN TORNO A SU EJE MAYOR La resistencia nominal de flexión, Mn, debe ser el menor valor obtenido de acuerdo con los estados limites de fluencia (momento plástico) y pandeo lateral-torsional. 1. Fluencia Donde Fy = tensión de fluencia mínima especificada del tipo de acero utilizado, kgf/cm2 (MPa) Zx = modulo de sección plástico en torno al eje x, cm3 (mm3)

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN

2. Pandeo Lateral-Torsional (a) Cuando Lb ≤ Lp, el estado limite de pandeo lateral-torsional no aplica (b) Cuando Lp < Lb ≤ Lr

(c) Cuando Lb > Lr

Donde: Lb: Longitud entre puntos arriostrados contra desplazamiento lateral o rotación de su sección transversal

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN

Donde: E = modulo de elasticidad del acero = 2,04x106 kgf/cm2 (200.000 Mpa) J = constante torsional, cm4 (mm4) Sx = modulo de sección elástico en torno al eje x, cm3 (mm3) Las longitudes limites Lp y Lr se determinan a continuación:

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Donde: Para secciones I de doble simetría

y el coeficiente c se determina como sigue a continuación:

(a) Para secciones I con simetría doble: c = 1

(b) Para canales:

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN F3. MIEMBROS DE SECCIÓN H DE SIMETRÍA DOBLE CON ALMAS COMPACTAS Y ALAS NO COMPACTAS O ESBELTAS FLECTADOS EN TORNO A SU EJE MAYOR La resistencia nominal de flexión, Mn, debe ser el menor valor obtenido de acuerdo con los estados limites de pandeo lateral-torsional y pandeo local del ala en compresión. 1. Pandeo Lateral Torsional Deben aplicarse las disposiciones de Sección F2.2 para pandeo lateratorsional. 2. Pandeo Local Ala en Compresión

(a) Para secciones con alas no compactas

(b) Para secciones con alas esbeltas

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN donde:

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Ejemplo: Seleccionar el perfil metálico W mas liviano, que soporte una carga uniformemente distribuida de 0.2 Kip/pie (Muerta) y 0.8 Kip/pie (Viva). La viga es un segmento simplemente apoyado de luz 20 pies. El patín de compresión de la viga esta arriostrado contra movimiento lateral. Utilizar el método LRFD considerando aceros de tipo A36 y A572 de grado 65. Datos: E=29000 Ksi L=20 pies

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4.A. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Ejemplo: Una viga W8x18 simplemente apoyado de longitud 6 m, soporta una carga uniformemente distribuida (10 KN/m de carga permanente y 15 KN/m de sobrecarga). Tiene un arriostramiento lateral en el centro del tramo. Verificar la sección resistente,

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4.B. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A CORTANTE

4.B. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A CORTE

DISPOSICIONES GENERALES

La resistencia de corte de diseño, φvVn , o la resistencia de corte admisible, Vn /Ω , deben ser determinados de la siguiente manera: Para todas las disposiciones en este capitulo, excepto la Sección G2.1a: φ = 0,90 (LRFD)

Ω = 1,67 (ASD)

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4.B. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A CORTANTE G2. MIEMBROS CON ALMAS NO ATIESADAS O ATIESADAS 1. Resistencia de Corte Esta sección aplica para las almas de miembros de simetría doble o simple y canales solicitados a corte en el plano del alma. La resistencia nominal de corte, Vn, de almas no atiesadas o atiesadas de acuerdo con el estado limite de fluencia en corte y pandeo en corte, es:

(a) Para almas de miembros laminados de Sección H con:

Φb = 1,00 (LRFD) Ωb = 1,50 (ASD) Cv = 1,0

Donde Aw = área del alma, la altura total multiplicada por el espesor del alma, d*tw, cm2 (mm2) DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

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4.B. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A CORTANTE (b) Para almas de todos los otros perfiles de simetría doble o simple y canales, excepto tubos circulares, el coeficiente de corte del alma, Cv , se determina de la siguiente manera: (i) Cuando

(ii) Cuando

(iii) Cuando

Donde: h = para secciones laminadas, la distancia libre entre alas menos el filete o radio de esquina, cm (mm); para secciones armadas soldadas, la distancia libre entre alas, cm (mm); para secciones armadas apernadas, la distancia entre líneas de sujetadores, cm (mm); para secciones T, la altura total, cm (mm) tw = espesor del alma, cm (mm)

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4.B. DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A CORTANTE El coeficiente de pandeo por corte del alma, kv , se determina como se indica a continuación: (i) Para almas sin atiesadores transversales y con h/tw ≤ 260: kv = 5 excepto para el alma de perfiles T donde kv = 1,2. (ii) Para almas atiesadas:

Donde: a = distancia libre entre atiesadores transversales, cm (mm)

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UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO INTRODUCCIÓN -

Suponen una discontinuidad entre piezas (por tanto zona potencialmente peligrosa).

-

Deben ser diseñadas para cada caso concreto: • • •

Adaptadas a la función estructural y a la facilidad de montaje. Económicas. Seguras: Obtención de esfuerzos. Reparto de esfuerzos en los elementos. Comprobación de cada elemento.

-

En hormigón monolitismo, en acero multitud de uniones.

-

En la actualidad se tiende a realizar uniones con soldadura, debido a su sencillez, estanqueidad y compacidad. Sin embargo, en algunas ocasiones no es posible de obtener mediante soldadura aparatos de unión que reflejen las hipótesis de calculo.

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UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

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UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO RECOMENDACIONES GENERALES -

Debe estudiarse la posibilidad de proyectar detalles típicos, comunes a la mayoría de nudos de la estructura • •

Pocos tipos de tornillos. Pocos espesores distintos de chapas.

-

Debe considerarse la conveniencia de modificar las dimensiones de las barras para facilitar la ejecución de la uniones.

-

Debe tenerse en cuenta la situación y medios constructivos en la obra y taller (en particular suele ser preferible realizar uniones atornilladas en obra de piezas fácil de transportar). Remaches

CLASIFICACIÓN Conectores mecánicos

Pasadores

Soldadura

Tornillos

Uniones

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO TIPOLOGÍA DE UNIONES. -

En general se pueden clasificar en tres tipos de uniones: • • •

Flexibles Semirrígidas Rígidas

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO Las uniones también se pueden clasificar según los elementos que unan, por combinación de ambos conceptos, como por ejemplo: UNIONES FLEXIBLES DE VIGAS A COLUMNAS

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO UNIONES DE VIGA A VIGA

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO UNIONES DE PILAR A PILAR

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO UNIONES RIGIDAS DE VIGA A PILAR

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO UNIONES DE PILAR A ZAPATA

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO UNIONES DE VIGAS TRIANGULADAS

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

APOYOS ESPECIALES DE VIGAS

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5. UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

Por ejemplo, los principales tipos de unión en una edificación son:

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5. UNIONES ATORNILLADAS

5. UNIONES ATORNILLADAS INTRODUCCIÓN. -

El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos, además de ser bastante rápido, requiere menos mano de obra especializada que con remaches o con soldadura.

-

Estos factores dan una ventaja económica a este tipo de unión, donde la mano de obra es cara.

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5. UNIONES ATORNILLADAS Ventajas en la utilización de los pernos -

El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos, además de ser bastante rápido, requiere menos mano de obra especializada que con remaches o con soldadura.

-

Un menor numero de tornillos proporciona la misma resistencia que los remaches.

-

Facilidad en la modificación o desmonte de estructuras con uniones atornilladas.

Ej. Unión atornillada concéntricamente

Clasificación con base en el material. -

Tornillos estructurales ordinarios o comunes (A307). Tornillos de alta resistencia.

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Modos de falla y estados limites: Existen dos amplias categorías de fallas en las uniones atornilladas: -

La falla de las partes unidas La falla del tornillo

Los posibles estados límites o modos de falla que pueden controlar la resistencia de una conexión atornillada son: -

Fractura por tracción de los elementos placa unidos. Fluencia por tracción de los elementos placa unidos. Falla por cortante del tornillo. Falla por aplastamiento de los elementos placa unidos: • •

-

Ovalamiento del agujero del tornillos Desgarramiento por cortante de los elementos placa unidos.

Falla por aplastamiento del tornillo.

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5. UNIONES ATORNILLADAS

-

Alisamiento de la rosca del tornillo o de la tuerca. Falla por tracción del tornillo. Falla por flexión del tornillo. Deslizamiento de los elementos placa unidos.

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5. UNIONES ATORNILLADAS

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5. UNIONES ATORNILLADAS Funcionamiento de los tornillos. El comportamiento de una conexión atornillada depende de la manera en que estén apretados los tornillos y de las condiciones de la superficie de contacto a) Instalados en la aplastamiento.

condición

de

apriete

ajustado

o

Conexión tipo

b) Juntas pretensionadas o conexión tipo deslizamiento critico.

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Para las conexiones tipo deslizamiento critico, se debe dar una pretensión mínima al tornillo, como se especifica en la tabla J3.1.

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5. UNIONES ATORNILLADAS Tensión nominal de conectores y partes roscadas a tracción y corte

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Tamaño y uso de las perforaciones.

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5. UNIONES ATORNILLADAS Espaciamiento mínimo. Distancia entre centros de perforaciones no menor a 2 2/3 de d (Preferiblemente 3d ) Distancia mínimo al borde. Distancia desde el centro de una perforación estándar hasta el borde de una parte conectada

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Distancia desde el centro de una perforación sobredimensionada o ranurada hasta el borde de una parte conectada, mismo que el anterior mas un incremento C2

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Distancias a los bordes y espaciamiento máximo. -

La distancia máxima desde el centro de cualquier perno hasta el borde mas cercano de partes en contacto debe ser 12 veces el espesor de la parte conectada, pero no debe exceder de 150 mm.

-

El espaciamiento longitudinal de los conectores entre elementos en contacto debe ser el siguiente: a) Para miembros pintados o sin pintar no sujetos a corrosión, el espaciamiento no debe exceder de 24 veces el espesor de la plancha mas delgada o 305 mm. b) Para miembros sin pintar de aceros de alta resistencia a la corrosión atmosférica, el espaciamiento no debe exceder de 14 veces el espesor de la plancha mas delgada o 180 mm.

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Resistencia de tracción y corte de pernos y partes enroscadas. La resistencia de diseño de tracción y de corte, (φRn), de un perno de alta resistencia de apriete ajustado o pretensionado debe ser determinado de acuerdo a los estados limites de ruptura en tracción y ruptura en corte como se indica a continuación:

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Pernos de alta resistencia en conexiones de deslizamiento critico. El comportamiento de una conexión atornillada depende de la manera en que estén apretados los tornillos y de las condiciones de la superficie de contacto

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5. UNIONES ATORNILLADAS

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5. UNIONES ATORNILLADAS Resistencia de aplastamiento de perforaciones de pernos.

La resistencia de aplastamiento disponible φRn, para el estado limite de aplastamiento es: La resistencia nominal de aplastamiento Rn, es calculado como:

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5. UNIONES ATORNILLADAS

Donde:

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6. UNIONES SOLDADAS

6. UNIONES SOLDADAS INTRODUCCIÓN. La soldadura es un proceso en el que se unen partes metálicas mediante el calentamiento de sus superficies para llevarlas a un estado plástico, lo que permite que las partes fluyan y se unan con o sin la adición de otro material fundido.

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6. UNIONES SOLDADAS

Proceso de soldadura de arco metálico protegido (SMAW)

Proceso de soldadura de arco sumergido (SAW) Soldaduras Proceso de soldadura de arco metálico y gas (GMAW)

Proceso de soldadura de arco con núcleo de fundente (FCAW)

VENTAJAS DE LA SOLDADURA. -

Con soldadura, se reducen o eliminan los elementos conectores, tales como placas de unión, cubre-placas de empalme.

-

Las conexiones soldadas de miembros en tracción producen ahorros de peso para estos miembros (la no deducción de agujeros)

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Las conexiones soldadas típicas producen conexiones lisas, que pueden exhibir mejor la apariencia arquitectónica.

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6. UNIONES SOLDADAS -

Las uniones fundidas obtenidas mediante soldadura producen una estructura mas rígida en comparación las hechas con tornillos.

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La soldadura es el único procedimiento de conexión que produce uniones herméticas e impermeables (recipientes a presión, tanques, etc)

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La soldadura simplifica la rehabilitación y reforzamiento de las estructuras existentes atornilladas o soldadas.

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Cuando las condiciones de trabajo son favorables, la soldadura es la forma más económica de efectuar uniones.

DESVENTAJAS. -

La soldadura requiere de trabajadores capacitados.

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Se requiere de considerable práctica y experiencia para la inspección de la soldadura terminada.

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Por lo general, las tolerancias de fabricación son mas estrictas que las conexiones atornilladas.

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6. UNIONES SOLDADAS Algunos ejemplos de uniones soldadas y la forma en que transmiten las cargas.

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6. UNIONES SOLDADAS

TIPOS DE SOLDADURA. En las construcciones soldadas para edificación, aproximadamente el 80% de las soldaduras son en ángulo (filete) y el 15% soldaduras a tope. El 5% restante son soldaduras de tapón, de ranura y por puntos. Soldadura a tope

Soldadura de filete (o en ángulo)

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Soldaduras de tapón y de ranura

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6. UNIONES SOLDADAS

SOLDADURA A TOPE. 1 a. Área efectiva

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6. UNIONES SOLDADAS

Tipos de biselados de borde

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6. UNIONES SOLDADAS

1 b. Limitaciones. El espesor mínimo de la garganta efectiva de una soldadura de tope con junta de penetración parcial no debe ser menor que el tamaño requerido para transmitir las fuerzas ni el tamaño mostrado en la tabla J2.3

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6. UNIONES SOLDADAS

2. SOLDADURA DE FILETE 2 a. Área efectiva. El área efectiva de una soldadura de filete será la longitud efectiva multiplicada por la garganta efectiva. 2 b. Limitaciones. El tamaño mínimo de las soldaduras de filete no deben ser menor que el tamaño requerido para transmitir las fuerzas calculadas, ni menor que el tamaño que se muestra en la tabla J2.4

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6. UNIONES SOLDADAS

3. SOLDADURAS DE TAPON Y DE RANURA 3 a. Área efectiva. El área de corte efectivo de soldaduras de tapón y de ranura debe ser considerada como el área nominal de la perforación o ranura en el plano de la superficie de contacto. 3 b. Limitaciones.

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El diámetro de las perforaciones para una soldadura de tapón no debe ser menor que el espesor de la parte conectada mas 8 mm aproximado al mayor valor par, ni mayor que el diámetro mínimo mas 3 mm o 2 ¼ veces el espesor de la soldadura.

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El espaciamiento centro a centro mínimo de soldaduras de tapón debe ser igual a cuatro veces el diámetro de la perforación.

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La longitud de la ranura para soldadura de ranura no debe exceder de 10 veces el espesor de la soldadura.

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El ancho de la ranura no debe ser menor que el espesor de la parte que lo contiene mas 8 mm aproximado al mayor valor par, y no debe ser mayor que 2 ¼ veces el espesor de la soldadura

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6. UNIONES SOLDADAS RESISTENCIA La resistencia de diseño φRn o la resistencia admisible Rn/Ω, de juntas soldadas debe ser el valor menor entre las resistencia del material base y la resistencia del metal de soldadura: a) Para el metal base

a) Para el metal de soldadura

Donde:

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6. UNIONES SOLDADAS

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6. UNIONES SOLDADAS Alternativamente, para soldaduras de filete se permite determinar la resistencia disponible como :

- Para un grupo lineal de soldaduras con un tamaño de ala uniforme, cargado a través del centro de gravedad:

Donde:

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7. NORMAS DE DISEÑO

7. NORMAS DE DISEÑO INTRODUCCIÓN. Una norma técnica es un documento aprobado por un organismo reconocido que establece especificaciones técnicas basadas en los resultados de la experiencia y del desarrollo tecnológico, que hay que cumplir en determinados productos, procesos o servicios.

SE UTILIZA PARA: -

consultar las especificaciones técnicas de un producto, proceso o servicio.

-

buscar información científica sobre una técnica

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7. NORMAS DE DISEÑO

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