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CONSTRUCCIONES

METALICAS Y DE MADERA

FUNDAMENTOS – PROCEDI MI ENTOS – CRITERI OS DE PROYECTO

 

PROFESOR: M. M. O. MARTÍNRODRI GOPI RAGI NI  

ESPECI ALI DAD: CONSTRUCCI ONES CI VI LES

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CONSTRUCCIONES METALICAS

UNIDAD 1

  GENERALIDADES:

El proyectista estructural tiene como meta principal generar una estructura resistente,factible y económica, la cual debe cumplir con requisitos funcionales y estéticos. Para elloel proyecto debe ser una unión entre ciencia y arte, teniendo como camino principal laseguridad.El proyectista deberá poseer un completo conocimiento, científico e intuitivo, de laestática, resistencia de materiales y del análisis estructural. Comprendido en esto lacorrecta concepción de los parámetros estáticos que la estructura debe satisfacer, comoasí también las propiedades de los materiales estructurales y de su respuesta frente a lassolicitaciones; además, como un eje fundamental, será necesaria la correcta relaciónentre la función, distribución y forma de los elementos estructurales como así también laestructura en su conjunto. En todo esto, siempre será de vital importancia que el

proyectista marche por un camino de funcionalidad y estética, que deben ser satisfechoso destacados por la estructura. Este conjunto de conocimientos no podría estar completosin el conocimiento de las técnicas constructivas, de la tecnología del medio y de loscostos relativos.

Para dar respuesta a todo esto el proyectista estudiara el sistema estructural másconveniente (evaluando los parámetros anteriores), siendo una de ellos las estructurasmetálicas. El sistema posee las grandes ventajas, debido a que los elementos utilizadosestán fabricados en acero, del cual podemos conocer sus propiedades y característicasde acuerdo a su fabricación y además presenta grandes valores de resistencia conpequeñas secciones; esto puede ser comparado con el hormigón armado.

  Acero Est ructural:El acero debe tener un conjunto de propiedades y características químicas ymecánicas, que se obtienen de su composición y de su proceso de fabricación.En los distintos países las Normas y especificaciones clasifican a los aceros para suuso estructural según sus propiedades y características. En nuestro país estamos enuna transición debido a la entrada al mercado de aceros de distintas procedencias y alproceso de integración del MERCOSUR.La industria nacional fabrica aceros que responden a Normas nacionales,norteamericanas y del MERCOSUR. Así coexisten las especificaciones locales comoIRAM, IRAM IAS, las Normas ASTM (norteamericanas), Normas EN (europeas),Normas ISO (europeas), Normas NM MERCOSUR y Normas DIN (alemanas), como lasprincipales. Ellas establecen limites para las propiedades y características químicas y

mecánicas, métodos de ensayo, etc.Es importarte contemplar que la Secretaria de Industria, Comercio y Minería de laNación dictó en Junio de 1999 la Resolución N°404 por la cual los productos de aceroutilizados en las Estructuras Metálicas deberán cumplir con los requisitos de seguridadque quedan asegurados si se satisfacen las exigencias de las Normas IRAM e IRAM-IAS. Para los productos importados se deberá certificar ese cumplimiento.

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1- Composición Química:El acero es una aleación que contiene principalmente hierro (más del 98%) y unporcentaje variable de carbono, fósforo, azufre, silicio manganeso y otros elementos.El carbono es el que tiene mayor influencia en las propiedades del acero. La durezay la resistencia aumentan con el porcentaje de carbono, pero el acero resultante esmás frágil y resultan disminuidas la soldabilidad y la ductibilidad. Lo mismo ocurrecon el fósforo y el azufre. La adición de cromo, silicio, manganeso, níquel, vanadio,

molibdeno, colombio dan como resultado aceros con resistencia muchos mayores,aunque estos aceros resultan más costosos y difíciles de fabricar.

La Norma IRAM-IAS U 500-503/2003 para aceros al carbono para uso estructural(excepto chapas de acero al carbono laminadas en calientes) dan valores máximosen los contenidos de Carbono (C), Fósforo (P)y Azufre (S), en la colada para losaceros estructurales. (Máximo C entre 0,20% y 0,28% según las característicasmecánicas y el espesor; máximo P=0,045%;máximo S=0,05%). También relacionala soldabilidad con el carbono equivalente que esta en función de los contenidos deCarbono, Manganeso, Cromo, Níquel, Cobre, Vanadio y Molibdeno.

La ASTM establece una clasificación muchos más amplia en razón de la gran

variedad disponible en el mercado norteamericano.

2- Propiedades Mecánicas:Estas dependen principalmente de la composición química, de los procesos delaminado, fabricación y tratamiento térmico de los aceros.Para estudiar las propiedades mecánicas se realizan ensayos sobre pequeñaspiezas a las cuales se las denomina probetas, estas mismas son ensayadas enmaquinas de aplicación de cargas (prensas). La forma y dimensiones de lasprobetas están normalizadas al igual que la realización del ensayo. En dicho ensayose toman los valores de fuerza aplicada y las deformaciones que experimenta laprobeta. La aplicación de carga se realiza en forma escalonada y en intervalos detiempo, esto es para evitar efectos de carga dinámica, es decir, asegurar que la

carga aplicada se en forma estática.Obtenidos los datos del ensayo se procede al análisis de los mismos, pudiéndoserealizar un grafico que relacione en las ordenadas Tensiones y en las absisasDeformaciones Especificas. Ambos estás analizados en base a la sección y longitudinicial.Del grafico de ensayo de tracción se obtienen las siguientes consideraciones:

 Desde el origen hasta el punto 1 se tiene el periodo elástico lineal, es decir, lastensiones son proporcionales a las deformaciones (Ley de Hooke). Dicho punto esel valor límite de la proporcionalidad, a partir de este punto la distribución seguiráuna variación no lineal.

La Ley de Hooke se ve expresada como:

 

  E   

 E : Modulo de Elasticidad Longitudinal  : Tensión  : Deformación especifica

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 Desde el origen hasta el punto 2 se tiene el periodo elástico, el cual indica que

los efectos de deformación son reversibles, es decir, que una vez que retirada lacarga, aplicada la probeta, volverá a sus dimensiones iniciales.

 Entre el punto 2 y 4 la curva es distorsionada, a este periodo se lo denomina deescurrimiento o fluencia. Se observa que manteniendo la carga constante laprobeta sufre deformaciones permanentes.

 El punto 3 es el valor de límite de fluencia.

  A partir del punto 4 tenemos el periodo plástico, en este se observa que para losintervalos de tensiones se tienen mayores deformaciones (parte de estaspermanentes) que en los otros peridos.

 La carga máxima es aquella alcanzada para el punto 5.

 La finalización del grafico es la del punto 6, la tensión de rotura.

100

200

300

400

500

600

05 10 15 20 25 30 35 40 45

=PF

   T  e  n  s   i   ó  n   (   M   P  a   )

Derfomación Especifica (%)

=L

Lo

23

1

5

4

6

E

 

Para el diseño de las estructuras metálicas nos interesa el punto (3) límite defluencia (tensión y deformación específica).Si la tensión en un punto de la estructura de acero dúctil alcanza la fluencia, esaparte fluirá localmente sin incremento de tensiones, impidiendo así una falla

prematura. O sea, hace posible que los esfuerzos se redistribuyan. La estructura deacero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargasy golpes repentinos sin llegar a la rotura. En el punto superior de fluencia queaparece en los diagramas con carga rápida, mientras que la curva con el punto defluencia inferior aparecen ensayos con carga lenta. Los valores establecidos para ellímite de fluencia mínimo por las especificaciones se refieren al punto superior.

Los reglamentos de construcción metálica y las Normas de de materiales fijanvalores mínimos de tensión de fluencia, de tensión de rotura y generalmente dealargamientos de rotura. También valores algunas constantes mecánicas.

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Por ejemplo el Reglamento CIRSOC 301 (edic ión 1994) Capitulo 2:2.3. Los aceros a emplear en estructuras remachadas y atornilladas serán de lanominación F–20; F–22; F–24; F–26; F–30; F–36 y cumplirán con las disposicionescontenidas en las normas IRAM–IAS U 500–42 e IRAM–IAS U 500–503.2.4. A los efectos de la realización de los cálculos serán empleados los valores de

las constantes mecánicas que se detallan a continuación:

3- Ductibilidad-Tenacidad:La ductilidad es la capacidad de soportar deformaciones sin romperse. Los acerosestructurales son dúctiles, tanto en caliente como en frío.La capacidad de absorber energía sin romperse se conoce como tenacidad.Para evaluar la tenacidad de los aceros se establecen valores mínimos deresistencia a flexión por impacto (ensayo de resiliencia) a distintas temperaturas.

4- Soldabilidad:Es la aptitud del acero para ser soldado. Esta íntimamente ligado con la ductilidad.Influyen pues todos los factores relacionados con la posibilidad de rotura frágil. Ellosson: la composición del acero (mejor aceros al carbono); el espesor de la pieza (amayor espesor mayor probabilidad de rotura frágil); temperatura (al bajar latemperatura aumente la fragilidad); deformación en frío (Se consumió energía dedeformación); estado tensional (los estados biaxiales y sobre todo triaxiales detracción permiten alcanzar la rotura sin alcanzar la tensión de corte de fluencia.

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Estos estados suelen originarse por la forma o por la ejecución de los elementosestructurales por ejemplo tensiones residuales de laminación o soldadura, posiciónde cordones de soldadura, entalladuras, etc.).Para la evaluación de la soldabilidad de un acero se utilizan los resultados delensayo de resiliencia (la flexión con impacto sobre probeta entallada a distintastemperaturas) y el ensayo de plegado con soldadura.

5- Protección contra la corrosión:La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuesto alaire y/o al agua por lo que deben ser protegidas con pinturas o revestimientos. Lacorrosión y la correspondiente disminución de sección es más importante paraespesores pequeños. En el mercado americano y europeo existen acerosresistentes a la corrosión a partir de la inclusión de cobre u otros elementos (como el ASTM A242 y el ASTM A588) en los que se forma al oxidarse una películaprotectora que impide la penetración de la oxidación.Otro tipo de oxidación es la electroquímica, la mis es dada por la presencia dedistintos materiales y de sus electronegatividades. Podrá ser subsanado o mitigadoutilizando materiales de similares valores o con la colocación de ánodos desacrificio.

6- Resistencia al fuego:La resistencia y la fluencia de los aceros disminuyen sensiblemente paratemperaturas elevadas (a partir de los 300°C) por lo que debe analizarse a partir dela posibilidad de alcanzar esas temperaturas en los elementos estructuralesdesnudos, la protección de los mismos con revestimientos adecuados.

7- Resistencia a la fatiga:La fatiga es un fenómeno asociado con la presencia de cargas pulsatorias. Lasacciones cíclicas repetidas producen una disminución de la resistencia del acero.Esto se debe considerar en estructuras sometidas a ese tipo de esfuerzos (porejemplo: bases para bombas, soporte de motores, soportes de cañerías, etc.)

  Formas seccionales y productos de acero estructural:

En las estructuras metálicas se utilizan:(a) Perfi les Laminados en Caliente con variedad de formas y tamaños, buscando en

general distribuir el material adecuadamente en relación a los distintos tipos desolicitaciones.

(b) Secciones Formadas con Chapas Planas Unidas por soldadura o bulones.(c) Combinación de Perfi les y Chapas Planas (d) Perfi les Obtenidos a parti r de Chapas Planas Delgadas  conformadas o

plegadas en frío.(e) Elementos Macizos  de sección circular o cuadrada, etc.

Los perfiles laminados en caliente tienen distintas características y denominacionessegún el país de origen. Los actualmente existentes en nuestro medio responden a ladenominación y dimensiones de origen europeo o norteamericano. De los laminados enel país son “Doble Te” y C son del tipo IPN y UPN con dimensiones en mm (segúnNorma DIN). Los ángulos de alas iguales, te, planchuelas y barras macizas de seccióncircular y cuadrada tienen dimensiones en pulgadas (origen Normas norteamericanas).Los tubos circulares tiene en general dimensiones en pulgadas y los cuadrados yrectangulares en mm. Las chapas planas vienen con dimensiones en ambas unidades.Como existen asimismo muchos aceros de importación hay una anarquía denormalización en el mercado.

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En la siguiente figura se muestran algunas formas seccionales comunes, indicando ladesignación según el origen.

EU=Designación Europea AM=Designación Norteamericana

Es necesario notar que en los perfiles W, M y HP la altura nominal de designación no

responde exactamente a la altura real.

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  SEGURIDAD ESTRUCTURAL:

 A la hora de proyectar, dimensionar y ejecutar una estructura debemos ajustarnos a lasNormas que nos rigen, según el país y la ciudad donde será construido nuestro proyecto.En nuestro país contamos con un único sistema de Normas para el Proyecto, Cálculo yEjecución de las Estructuras de Acero, el cual esta a cargo del INTI (Instituto Nacional deTecnología Industrial) por medio del Reglamento CIRSOC (Centro de Investigación de los

Reglamentos Nacionales de Seguridad de las Obras Civiles del Sistema INTI).Debido a la versatilidad de las estructuras de acero, contamos con más de unreglamento, como ser:

  CIRSOC 301 - Proyecto, Cálculo y Ejecución de las Estructuras de Acero. 

La finalidad de este Reglamento es establecer los principios fundamentales para elcálculo, las reglas de dimensionado y los detalles constructivos de estructurasmetálicas para edificios, así como para su protección y conservación.Campo de Validez:Este Reglamento se aplica a todos los elementos resistentes de acero con unespesor mínimo de 4mm, que puede reducirse a 3mm para perfiles en ambientesno corrosivos, de edificios y otras estructuras, aún en el caso que tengan carácter

provisorio como andamios, cimbras, puntales, etc. y siempre que no se hallenvigentes reglamentos que se refieran específicamente a estructuras especiales.No son de aplicación en puentes ferroviarios y carreteros, grúas, construccioneshidráulicas de acero, torres especiales y construcciones sometidas a temperaturasinferiores a –30ºC o superiores a 100ºC.

  CIRSOC 301 - Métodos Simplificados, Admitidos para el cálculo de EstructurasMetálicas. La finalidad de este Reglamento es proveer métodos simplificados para el calculoelementos y estados de cargas particulares.

  CIRSOC 302 - Fundamentos de Cálculo para los Problemas de Estabilidad del

Equilibrio en las Estructuras de Acero. La finalidad de este Reglamento es estudiar con especial cuidado si en parte o enla totalidad de la estructura pueden aparecer estados de equilibrio inestable.Campo de Validez:Este Reglamento puede aplicarse solamente a los aceros que se encuentranespecificados en la tabla I del Reglamento CIRSOC 301 “Proyecto, cálculo yejecución de estructuras de acero para edificios”.Este Reglamento se aplica en la verificación de la estabilidad del equilibrio enestructuras de acero en los siguientes casos.

a) Edificios construidos de acuerdo con el Reglamento CIRSOC 301.b) Puentes carreteros de acero.c) Puentes ferroviarios de acero.d) Elementos de estructuras de acero de grúas y puentes grúas.e) Torres de acero de perforación.f) Torres de acero de líneas aéreas de alta tensión.g) Estructuras livianas de acero.

  CIRSOC 302 – Métodos de Cálculo para los Problemas de Estabilidad del

Equilibrio en las Estructuras de Acero. La finalidad de este Reglamento es estudiar el equilibrio que una estructuracargada, se establece entre las fuerzas exteriores y las fuerzas internas, puede serestable o inestable.

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Campo de Validez:Esta recomendación se podrá aplicar en la verificación de la estabilidad delequilibrio en estructuras de acero de acuerdo con lo indicado en el artículo 1.2. delReglamento CIRSOC 302 “Fundamentos de cálculos para los problemas deestabilidad del equilibrio en las estructuras de acero”.

  CIRSOC 303 – Estructuras Livianas de Acero. 

Se entiende por estructuras livianas de acero aquellas estructuras o elementosestructurales en que los procedimientos contemplados en el Reglamento CIRSOC301 “Proyecto, cálculo y ejecución de estructuras de acero para edificios” tratandode ir a formas constructivas que requieren un menor peso de acero respecto deaquellas; esto supone el empleo de nuevos conocimientos técnicos oexperimentales, pudiéndose usar espesores menores que los permitidos en elReglamento CIRSOC 301Campo de Validez:Esta recomendación se podrá aplicar en las estructuras de cubiertas y de edificiosen general, y servir de complemento en el proyecto, cálculo y ejecución en otroscampos de utilización.Se tratarán los siguientes tipos de estructuras livianas de acero:

a) Estructuras de chapa delgada doblada o conformada en frío.b) Estructuras de barras de acero de sección circular.c) Estructuras de perfiles laminados pequeños.d) Estructuras de tubos de pared delgada.

  CIRSOC 303 - Comentarios a la Recomendación CIRSOC 303 EstructurasLivianas de Acero. La finalidad de este Reglamento es complementar lo dispuesto por el ReglamentoCIRSOC 303 “Estructuras Livianas de Acero”. 

  CIRSOC 304 – Estructuras de Acero Soldadas 

El cálculo, los detalles estructurales y la realización de construcciones de acero

soldadas, exigen un profundo conocimiento de estas construcciones y en especialde la técnica de soldadura. Estos trabajos solo deben ser encargados a ingenierosy talleres que, por sus conocimientos y la experiencia de sus técnicos y operarios,pueden garantizar que dichas construcciones estén correctamente diseñadas yrealizadas.Campo de Validez:Este reglamento se aplica específicamente a construcciones de acero paraedificios nuevos o en modificaciones, sometidos a cargas predominantementeestáticas, cuyos elementos soldados son de espesor mayor que 4mm que puedereducirse a 3mm para perfiles en ambientes no corrosivos.Los procesos de soldadura considerados por este Reglamento son:

a) Soldadura manual con electrodos revestidos.b) Soldadura semiautomática con alambre macizo y protección gaseosa.c) Soldadura semiautomática con alambre tubular y protección gaseosa.d) Soldadura automática con alambre macizo por arco sumergido.

  Coeficiente de Seguridad:  

 Al realizar el dimensionamiento debemos crear seguridad contra todas las clases de fallaposible, la cual puede producirse por coincidir varias circunstancias desfavorables, porejemplo, un crecimiento no previsto de las cargas que gravitan en las secciones, cuyaresistencia se ha debilitado por la existencia de vicios ocultos.

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La teoría de probabilidades nos enseña que no se puede lograr una seguridad absoluta,lo único que puede hacerse es mantener reducidas las probabilidades de falla.“La seguridad de una construcción siempre estará amenazada por incertidumbres, serásatisfactoria cuando las probabilidades de falla queden por debajo del valor consideradocomo admisible”.Existen numerosas causas de incertidumbres:

  Las hipótesis de cargas  Las hipótesis de cálculo

  Los errores de cálculos

  Defectos del material

  Errores de las dimensiones

  Errores de ejecución

El método de cálculo fundamental y más difundido de los Coeficientes de Seguridad es elbasado en las tensiones. Según este método, el cálculo de la resistencia se realizacontrolando el valor de la tensión máxima que se produce en cierto punto de unaestructura. La tensión máxima de trabajo no debe superar cierto valor.

 

  

  L

máx 

.  

 L  : Cierto valor límite de la tensión para el material dado

  : Un número mayor que la unidad denominado “coeficiente de seguridad”

Para el caso de materiales dúctiles el valor límite sL es el límite de fluencia, en el caso de

materiales frágiles  L    es el límite de resistencia o tensión de rotura.

La relación 

  Lrecibe el nombre de “tensión admisible”.

 

  

  L

adm 

.  

La elección del coeficiente de seguridad depende del mayor o menor grado deincertidumbre que exista en un problema, y se realiza basándose en toda una serie de

criterios, en general probabilísticos, que escapan a los alcances de este curso. Existenreglamentos que establecen los criterios de dimensionamiento del coeficiente deseguridad, por ejemplo, la norma CIRSOC.En el CIRSOC 106, nos permite dimensionar el coeficiente de seguridad paraincertidumbres que no contemplen otros reglamentos.Para los casos más frecuentes ya existen valores establecidos de los coeficientes deseguridad. Podemos hacer referencia a disposiciones reglamentarias que tratan sobreconstrucciones de acero; indican valores que varían entre 1.25 y 1.60 según losrecaudos constructivos, el destino de los edificios y los estados de carga considerados.Para estructuras de hormigón armado, los coeficientes de seguridad varían entre 1,75 y

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2,10. Para el caso de la madera, material que presenta muchas incertidumbres en cuantoa su comportamiento, los coeficientes de seguridad suelen ser bastantes más grandes.

Tanto el CIRSOC 301 como el 302, fijan criterios para la adopción de coeficientes deseguridad, los mismos serán vistos para cada caso particular.Vamos a citar el criterio del CIRSOC 301, CAPITULO 4 – ART. 4.1:

4.1. COEFICIENTE DE SEGURIDAD4.1.1. El coeficiente se seguridad será obtenido de la Tabla 6. Los factores de cálculo yconstrucción que se adoptan en la definición del coeficiente de seguridad son:

I) Las acciones que se consideran sobre la estructura y los métodos de superposición de

las mismas, que se determinan de acuerdo con el Capítulo 3.II) El destino de la construcción y la función de la estructura resistente.

El destino de la construcción y la función de la estructura resistente se determinarán deacuerdo con la Tabla 5, no considerándose las centrales atómicas que se regirán porreglamentos especiales.III) Recaudos constructivos y adaptación al modelo de cálculo. Según los recaudos

constructivos y la adaptación al modelo de cálculo, las estructuras

se clasifican en I y II.a) Una construcción de acero será considerada clase I si se verifican las siguientescondiciones:

- Los sistemas serán considerados espaciales salvo que verifiquen las condiciones desimetría geométrica, de vínculo y de carga que los sistemas planos requieren.

- Las uniones y apoyos verifiquen las condiciones de giro y desplazamiento que losmodelos de vínculo adoptados imponen. En los casos de duda la verificación serealizará para las dos hipótesis más desfavorables (sin consideración de condiciónpromedio).

- Se especificarán tolerancias dimensionales y de forma geométrica en los elementosconstructivos de modo que las imperfecciones aleatorias no produzcan unadisminución de más del 5% en la capacidad resistente de la estructura. Toda

excentricidad de concurrencia de ejes de barras en vértices de un reticulado, falta dealineación, verticalidad o excentricidad en la aplicación de la carga, previsible en elproyecto, debe ser tenida en cuenta en los cálculos.

- Deberán ser adoptados los recaudos de cálculo necesarios para considerar los casosque se presenten de anisotropía constructiva, tensiones principales, etc. Se incluirá elanálisis experimental de los modelos cuando la teoría resulte insuficiente.

- La construcción será realizada por personal altamente calificado y mediante elempleo de las máquinas y herramientas acordes con el estado del arte en todas lasfases constructivas.

- Salvo condiciones de imposibilidad se deberá realizar el montaje previo en el taller.- En los casos que reglamentos especiales lo requieran o de duda de presunta falla en

el material o medio de unión se harán verificaciones con ensayos no destructivos.b) Una construcción de acero deberá ser considerada clase II cuando verificando lasdisposiciones del presente Reglamento y cumpliendo las disposiciones de seguridaden él impuestas, los cálculos o la construcción no cumplen o cumplen parcial oaproximadamente las condiciones indicadas para la clase I.

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