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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN-MATURÍN

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE CORTE Y MOMENTO EN ESTRUCTURAS DE ACERO Trabajo de Nivelación de Índice

Autora: Eric Hosne Tutor:

Maturín, octubre de 2011

ÍNDICE

Pp. CAPÍTULO I ……………………………………………………………

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Introducción …………………………………………………………..

3

Planteamiento del Problema …………………………………………..

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Objetivos de la Investigación ………………........................................

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Objetivo General ………………………………………………….

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Objetivos Específicos ……………………………………………..

7

CAPÍTULO II .………………………………………….........................

8

Desarrollo ……………………………………………..........................

8

El Acero …………………………………………………………..

8

Comportamiento Estructural ……………………………………...

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Ventajas del Acero como Material Estructural …………………...

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Relación Esfuerzo-Deformación del Acero ………………………

15

Tipos de Uniones …………………………………………………

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Resultados ……………………………………………………………..

24

CONCLUSIÓN…………………………………………………………..

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RECOMENDACIONES ………………………………………………...

32

REFERENCIAS………………………………………………………....

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CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

Una de las diferencias más acusadas entre las estructuras metálicas y las de hormigón consiste en la existencia en las primeras de multitud de uniones; es difícil en cambio encontrarlas en las estructuras de hormigón, caracterizadas por su monolitismo. Las uniones cobran, dentro de los proyectos de las construcciones de acero, especial relevancia y porque no decirlo, dificultad. Toda unión es por su propia naturaleza una discontinuidad y por tanto, una zona potencialmente peligrosa: De hecho, multitud de accidentes se deben a uniones mal proyectadas o mal ejecutadas. No es necesario insistir sobre la importancia que tienen las uniones, pues es suficiente que falle una cualquiera de ellas para ocasionar la ruina total o parcial de la estructura. En consecuencia, en un proyecto de estructura metálica deben estar adecuadamente resueltas todas las costuras. En el proyecto de una unión entre dos o más piezas de una estructura metálica se distinguen dos fases principales. La primera y más importante es la concepción y diseño general de la misma, eligiendo entre uniones soldadas o atornilladas y dentro de cada tipo el modelo de unión: a tope, en ángulo, con cubrejuntas, con chapa frontal, con casquillos. En la segunda fase, el proyectista ha de comprobar la capacidad portante de la unión elegida. En el caso más general esta comprobación se realiza en tres etapas, entre las cuales está la determinación de los esfuerzos a los que se encuentra sometida la unión, que en general depende de su rigidez, por lo que nos encontraremos ante un problema isostático o hiperestático; la determinación de las tensiones que estos esfuerzos originan en los distintos elementos de la unión y la comprobación de que estas tensiones no ocasionan el agotamiento de ninguno de dichos elementos. 3

En tal sentido, el análisis estructural y tensional de las uniones en construcción metálica puede ser, en algunas ocasiones, farragoso y complejo. En ellas hay una concentración de esfuerzos muy importantes y la evaluación de las tensiones y deformaciones que se presentan solamente pueden obtenerse mediante el análisis experimental o utilizando métodos numéricos en el campo elastoplastico. De los resultados obtenidos se desprenden procedimientos simplificados que son los que habitualmente se utilizan en la práctica. Para que una unión sea correcta desde el punto de vista técnico, es imprescindible tener en cuenta que la unión debe materializar las condiciones supuestas para ella en el cálculo de la estructura. Los problemas pueden tener su inicio cuando el modelo y la estructura real no son concordantes La unión debe estar diseñada de forma que permita una transmisión sencilla y directa de las tensiones entre los miembros conectados. También se debe tener en cuenta los efectos locales; por ejemplo, cuando se está alejando de los extremos de las barras, estas se comportan según las leyes de la resistencia de materiales, pero en las uniones, estas leyes no son en algunas ocasiones estrictamente validas. Por tanto, se debe recurrir a un estudio más riguroso, basado en muchos casos en la plasticidad y en el comportamiento no lineal de las mismas. Evidentemente, la unión ha de adaptarse a los medios y a la tecnología disponible para realizarla. Se trata de pensar en los equipos de soldeo, en técnicos y soldadores, procedimientos de garantía de calidad y posibilidades de transporte. A veces estos aspectos tienen más influencia en la tipología que el propio calculo. Por ejemplo, en las uniones soldadas, se debe prestar atención especialmente a su ejecución y ello puede ocasionar el hecho de que, en ciertas condiciones, se deseche una unión de este tipo, optando por una unión atornillada Por lo tanto, a través de la presente investigación se realizará un estudio del comportamiento de corte y momento en las estructuras de acero. El trabajo consta de los siguientes capítulos: Capítulo I: Que contiene la contextualización del problema, el objetivo general y los objetivos específicos. Capítulo II: Muestra el desarrollo de la investigación y los resultados de la misma. 4

Planteamiento del Problema

En todo tipo de construcción metálica, y más concretamente en el caso de las estructuras metálicas de edificación resulta necesario enlazar entre sí perfiles simples para formar barras compuestas, como también es necesario fijar las barras, ya sean simples o compuestas, en su posición definitiva dentro del conjunto de la construcción. Se denomina uniones, o costuras de fuerza, a las que tienen por misión fundamental la transmisión de cargas de un perfil a otro, o de una barra a otra, y uniones o costuras de simple acoplamiento a aquellas cuya misión principal es la de mantener unidos entre sí los perfiles que forman una barra compuesta. Los empalmes empleados en las uniones de barras o perfiles en prolongación se consideran, a todos los efectos, como uniones de fuerza. Cualquier unión es siempre un punto delicado en una estructura metálica y por ello es necesario preverlas todas en el proyecto, no autorizando durante su ejecución más empalmes y uniones que aquellos que se especifiquen, y en los sitios que se hayan definido. Como es natural, esta recomendación es fundamental para los empalmes, ya que las uniones entre barras, dan lugar a los nudos y estos siempre deben tener una situación clara y perfectamente definida. Debido a que se ha definido las uniones como puntos críticos de una estructura, su número debe reducirse al mínimo necesario, así como tratar de ejecutarlas con toda clase de garantías. La garantía de calidad es mayor al realizar las uniones en taller, frente a la obra, por lo que se procurará reducir al mínimo las que hayan de efectuarse en el tajo, siendo para esto muy importante una buena coordinación entre el proyectista y el constructor de la estructura. El peligro de defectos es mayor, para las uniones de obra, cuando se utiliza la soldadura como medio de unión, frente a otros sistemas, por lo que resulta muy recomendable hacer las uniones de montaje mediante atornillado, ya que así se asegura una mayor calidad, sin que sea necesario depender de una mano de obra muy cualificada.

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Para calcular los elementos de unión se determinarán las solicitaciones que sobre ellos actúan y se acomodaran a las mismas hipótesis consideradas en el cálculo del conjunto de la estructura o de sus elementos. En cada unión se estudiará la forma de realizarla con el menor número de elementos, de forma que la transmisión de esfuerzos se verifique correctamente y se reduzcan al mínimo los esfuerzos secundarios. En cuanto al coeficiente de seguridad que se aplique a la unión, este deberá ser el mismo que se ha adoptado para el cálculo de la estructura, o bien para las barras a que sirva de enlace. Únicamente en uniones de montaje, que deban realizarse en condiciones difíciles, deberá aumentarse prudencialmente el coeficiente de seguridad, para así prever posibles defectos en su ejecución Cuando las barras estén comprimidas puede permitirse que la transmisión de esfuerzos se realice por contacto directo, siempre que las superficies que hayan de estar en contacto estén debidamente mecanizadas para así asegurarlo y evitar concentraciones de tensiones que aparecerían de otra forma. Cuando se dispongan empalmes de barras, que en general deben evitarse, salvo que sean necesarios y estén previstos en el proyecto, los elementos y medios de unión que hayan de constituir dicho empalme se tienen que dimensionar para que resistan el esfuerzo que ha de transmitirse a través de la unión, o bien para que puedan transmitir el esfuerzo máximo que la sección de la pieza empalmada puede aceptar en tal punto. En general, en los empalmes, cuando los cubrejuntas o elementos análogos posean, como mínimo, los mismos valores estáticos que la barra empalmada, no se hace necesaria la comprobación del empalme en cuanto a tales elementos se refiere, aunque sí es necesario comprobar los medios de unión en sí.

Objetivos de la Investigación

Objetivo General

Estudiar el comportamiento de corte y momento en estructuras de acero 6

Objetivos Específicos

1.

Describir las estructuras de acero, con el propósito de identificar sus componentes.

2.

Identificar los componentes de las estructuras de acero, a fin de analizar su comportamiento ante la flexión.

3.

Analizar el comportamiento de corte y momento en las uniones de los elementos estructurales basadas en el uso del acero.

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CAPÍTULO II DESARROLLO

El Acero

Acero es la denominación que comúnmente se le da en ingeniería metalúrgica a “una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,1 y el 2,1% en peso de su composición, aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%”. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico (dA) de 2,48 Å, con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición 2.740 °C. Por su parte, el carbono es un no metal de diámetro menor (dA = 1,54 Å), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas. La difusión de este elemento en la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos. El acero “conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas”. Existen muchos tipos de acero en función del o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas reciben denominaciones articulares en función de múltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en 8

función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o al carbono que además de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia. Componentes de la Estructura de Acero El acero conformado en frío es ligero, fácil de manejar y económico en el coste; no se pudre, no se agrieta, no se altera y no es inflamable. Los elementos de acero pesan mucho menos que los componentes de ladrillo y hormigón; en consecuencia, se pueden reducir los cimientos y se concede una gran libertad de diseño a las estructuras. “La inherente solidez del acero y la cualidad de no inflamable, hace posible que las casas construidas con esta estructura resistan a consecuencias devastadoras como pueden ser fuegos, terremotos y huracanes”. La durabilidad de este material es ilimitada; el Banco de Nueva York, un edificio de tres plantas, fue construido el año 1.899 con estructura de acero galvanizado y se mantiene en perfecto estado. El acero utilizado en la estructura “está protegido por un tratamiento de galvanización en continuo que le confiere la protección contra la corrosión y la durabilidad que lo hacen característico”. El acero es un material muy resistente, homogéneo, isótropo con módulo de elasticidad elevado y reserva plástica importante. En el cuadro siguiente se muestran las características en comparación con otros materiales utilizados para construcción de viviendas: Cuadro 1 – Características en Comparación con Otros Materiales Utilizados en la Construcción Material Acero Hormigón

tracción (N/mm²) 280 0

compresión (N/mm²) 280 20 9

E (N/mm²) 210.000 70.000

Cuadro 1 – (Cont.) Material Madera

tracción (N/mm²) 0 a 30

compresión (N/mm²) 4 a 23

E (N/mm²) 400 a 1.200

Tomado de:

Elementos Básicos de la Estructura Los perfiles en forma de 'C' y de 'Z' constituyen los elementos portantes de la estructura colocados cada 60, 61 o 62.5 cm. Los perfiles en 'U' se utilizan para realizar uniones rígidas y sirven de cerramiento de la estructura portante e incluso de refuerzo. Para las uniones de vigas, cerchas y demás elementos constructivos se utilizan ángulos y piezas a medida que se unen a la estructura mediante tornillería de alta resistencia. (Ver figura 1, p. 11) Componentes El concepto general de la estructura está inspirado en las casas con estructura de madera americanas substituyendo la estructura portante de madera por perfiles de acero galvanizado, con modulaciones de 60, 61 o 62.5 cm. Para luces importantes en las cubiertas, “las cerchas son la mejor solución. Gracias a las características mencionadas, el sistema permite la construcción de edificios con varios pisos, villas, apartamentos, hoteles así como rehabilitaciones de forjados y cubiertas”. Existen elementos de estructuras ligeras de acero galvanizado conformado en frío para cualquier posición. El componente de acero, conocido como estructural 'C' es la forma dominante. La gran solidez del acero puede ofrecer amplios espacios entre todos sus elementos, una característica que incrementa la flexibilidad del diseño y reduce costes de material y mano de obra. Esta variedad nos lleva hacia la simplificación de la estructura, proporcionando máxima eficacia estructural, flexibilidad en el diseño y 10

facilidad de instalación. Los elementos de construcción de la estructura de una casa están divididos en tres grupos principales: suelos, paredes y cubiertas. Aunque estos grupos muchas veces son compatibles con construcciones de estructura convencional, algunos conjuntos de acero pueden también incluir sistemas para estructuras nuevas e innovadoras.

Figura 1 – Tipos de Perfiles

Paredes Existen dos tipos de montantes de acero: a.

Estructurales, en forma de 'C' para paredes maestras, tanto interiores como exteriores.

b.

Divisorios para tabiquería interior en pared no maestra. La dimensión de los montantes depende de “las necesidades del material aislante

y las cargas, utilizamos C-90 y C-140. Los paneles exteriores de aislamiento se pueden aplicar también a las paredes para aumentar su eficacia térmica o como alternativa para aumentar el espacio”. Se consigue libertad en el diseño de puertas y ventanas, seguridad, montaje más fácil y resistencia al fuego superior a lo exigido en la normativa.

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Forjados para Suelos Generalmente están construidos con una variación de grosor en las vigas que oscila entre 15 y 30 cm y un espesor de acero entre 1.5 y 4 mm. Estas vigas pueden tener espacios abiertos para el paso de escaleras u otras aberturas. Se utiliza normalmente una única vigueta C cada 60 cm Cubiertas La extensa gama de tamaños y grosores de perfiles disponibles permite que se utilicen las estructuras de acero galvanizado para cualquier tipo de cubiertas; desde la más simple cercha, hasta el más complejo sistema de cubiertas de lima-tesa y limahoya. Los armazones se pueden montar en la misma obra o en fábrica.

Comportamiento Estructural

Estas estructuras cumplen con los mismos condicionantes que las estructuras de hormigón, es decir, que deben estar diseñadas para resistir acciones verticales y horizontales. En el caso de estructuras de nudos rígidos, situación no muy frecuente, las soluciones generales a fin de resistir las cargas horizontales, serán las mismas que para Estructuras de Hormigón Armado. Pero si se trata de estructuras articuladas, tal el caso normal en estructuras metálicas, se hace necesario rigidizar la estructura a través de triangulaciones (llamadas cruces de San Andrés), o empleando pantallas adicionales de hormigón armado. Las barras de las estructuras metálicas trabajan a diferentes esfuerzos de compresión y flexión; veamos:

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Piezas a Compresión •

Para las Estructuras Metálicas, cuando el esfuerzo principal es de compresión, se deben elegir perfiles cuyo momento de inercia en relación a los dos ejes principales, sean en lo posible similares, pues su capacidad resistente depende en gran medida del momento de inercia mínimo.

•

Los perfiles más adecuados que reúnen esta condición, son los perfiles H; para una pieza a compresión, deben emplearse perfiles simples en H o bien perfiles compuestos que se obtienen por la unión de otros perfiles simples, tratando siempre de que se logre a través una ejecución sencilla, y que los momentos de inercia sean lo más parecidos posible.

•

Los que más se usan son aquellos que se forman con perfiles apareados sin ningún elemento adicional de enlace. También se utilizan acoplando perfiles enlazados por medio de ciertos elementos

transversales como presillas o triangulaciones. Otra forma de acople de perfiles es la que se efectúa acoplando dos perfiles doble T o U y con dos chapas de unión. Los soportes armados son otro modo de acople, se unen a través de chapas soldadas. Piezas a Flexión Los perfiles más aptos para trabajar a la flexión y que reúnen los requisitos explicados, son los IPE y IPN, diseñados para absorber estos esfuerzos. Los perfiles IPE y IPN “son los adecuados pues para vigas y jácenas, con una mano de obra mínima para montaje en obra”. Existen estructuras en las cuales las piezas sometidas a flexión no se pueden resolver con perfilería en serie, por ello se recurre a perfiles compuestos, que son de alma llena y con secciones por lo general doble T y C. Hay muchos casos en los cuales se recurre a las jácenas aligeradas alveoladas, llamadas Vigas Boid, o a Vigas Celosía. Tal elección se debe a razones constructivas como el paso de instalaciones, o para aligerar el peso estructural. 13

Ventajas del Acero como Material Estructural Ventajas •

Alta resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso, permite estructuras relativamente livianas, lo cual es de gran importancia en la construcción de puentes, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos blandos.

•

Homogeneidad: Las propiedades del acero no se alteran con el tiempo, ni varían con la localización en los elementos estructurales.

•

Elasticidad: El acero es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.

•

Precisión dimensional: Los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección.

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Ductilidad: El acero permite soportar grandes deformaciones sin falla, alcanzando altos esfuerzos en tensión, ayudando a que las fallas sean evidentes.

•

Tenacidad: El acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación (elástica e inelástica).

•

Facilidad de unión con otros miembros: El acero en perfiles se puede conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura con otros perfiles.

•

Rapidez de montaje: La velocidad de construcción en acero es muy superior al resto de los materiales.

•

Disponibilidad de secciones y tamaños: El acero se encuentra disponible en perfiles para optimizar su uso en gran cantidad de tamaños y formas.

•

Costo de recuperación: Las estructuras de acero de desecho, tienen un costo de recuperación en el peor de los casos como chatarra de acero.

•

Reciclable: El acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina. 14

•

Permite ampliaciones fácilmente: El acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos de manera relativamente sencilla.

•

Se pueden prefabricar estructuras: El acero permite realizar la mayor parte posible de una estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo mayor exactitud. Desventajas del Acero

•

Corrosión: El acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con esmaltes alquidálicos (primarios anticorrosivos) exceptuando a los aceros especiales como el inoxidable.

•

Calor, fuego: En el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente, debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes) como mortero, concreto, asbesto.

•

Pandeo elástico: Debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicos las columnas de acero.

•

Fatiga: La resistencia del acero (así como del resto de los materiales), puede disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión (cargas pulsantes y alternativas).

•

Resistencia de plastificación solamente para columnas cortas.

Relación Esfuerzo-Deformación del Acero

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Sea una barra de acero al bajo carbono (A-36) sujeta a tensión con sección circular.

Todos los elementos de distintos materiales a nivel molecular fallan a cortante. Sí graficamos para cada valor de esfuerzo alcanzando. Su deformación unitaria real

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Obtenemos

Aceros Estructurales De acuerdo a la American Society of Testing Materials ASMT: •

Aceros generales (A-36)

•

Aceros estructurales de carbono (A-529)

•

-b.1 Bajo contenido de carbono (