INSTITUTOPOLITCNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERAYARQUITECTURAUNIDADZACATENCO

SECCIONESCOMPUESTASDEACEROCONCRETO(MTODOLRFD)

TESIS

QUEPARAOBTENERELTITULODE:

INGENIEROCIVIL

PRESENTA:

JUANCARLOSNAVARRETEBAUTISTA

ASESOR:ING.JOSLUISFLORESRUIZ

MXICO,D.F. 2003

GRACIASAMIASESORDETESIS:

ING.JOSLUISFLORESRUIZ,SINCUYAAYUDA,ESTETRABAJONOSEHUBIERA

REALIZADO.

ATODOSLOSQUECREENENM.

ALAMEMORIADEMIABUELOALEJANDRONAVARRETEHERNANDEZ.

AMIMADREQUESIEMPREMEHAAPOYADOCONSUGRANESFUERZOY

SACRIFICIO.

AMIPADREQUEMEHAENSEADOAVERLAVIDADEDIFERENTESMANERAS.

ATODOSMISHERMANOS,QUIENESMEAYUDANCONSTANTEMENTEASER

CADADIAMEJOR.

AMIABUELAYMITIAQUESABENAYUDARMECUANDO MASLO

NECESITO.

SECCIONESCOMPUESTASDEACEROCONCRETO(MTODOLRFD)

CONTENIDO

PROLOGO.................................................................................................................... I

1.GENERALIDADESDEDISEOESTRUCTURAL.................................................11.1.Diseoestructural .............................................................................................11.2.Aceroestructural ...............................................................................................11.3.Productosdeacero...........................................................................................31.4.Resistenciadelacero........................................................................................51.5.Influenciadelatemperaturaenelacero...........................................................81.6.Solicitacionesdecargas ...................................................................................9

2.REGLAMENTOS,MTODOSYESPECIFICACIONESDEDISEO ...................122.1.Reglamentosdeconstruccin.........................................................................122.2.Mtodosdediseo.........................................................................................122.3.Especificacionesdediseo.............................................................................152.4.EspecificacionesdelInstitutoAmericanodelaConstruccinenAcero(AISC) ....................................................................................................................162.5.FactoresdecargayresistenciausadosenlasEspecificacionesAISC ..........172.6.ManualdelaConstruccinenAcero ..............................................................19

3.SECCIONESCOMPUESTAS................................................................................213.1.Introduccin ....................................................................................................213.2Desarrollohistrico ..........................................................................................213.3.Ventajasdelaconstruccincompuesta..........................................................223.4.Construccincompuesta.................................................................................233.5.Vigascompuestas...........................................................................................253.6.Procedimientosdeconstruccin .....................................................................283.7.Dimensionamiento ..........................................................................................303.8.Conectoresdecortante...................................................................................323.8.1.Introduccin...............................................................................................323.8.2.Desarrollodelosconectoresdecortante ..................................................333.8.3.Tiposdeconectoresdecortante ...............................................................333.8.4.Conexindecortante ................................................................................343.8.5.Resistenciadeconectoresdecortante......................................................39

3.9.Resistenciaporflexin....................................................................................453.10.Resistenciaporcortante ...............................................................................523.11.Deflexiones ...................................................................................................543.11.1.Deflexionesalargoplazoporflujoplstico .............................................543.11.2.Deflexionesdevigascompuestas ...........................................................553.11.3.Deflexionesdevigasembebidas.............................................................573.11.4.DeflexionessegunlasEspecificacionesdelaAASHTO .........................57

3.12.Vigascompuestasconcubiertasdeacerotroqueladas...............................573.13.Vigasparcialmentecompuestas ...................................................................613.14.Vigasembebidas...........................................................................................62

3.15.Vigascontinuas.............................................................................................623.16.Diseodeseccionescompuestas.................................................................633.17.Diseodeseccionesembebidas ..................................................................653.18.Columnascompuestas..................................................................................673.18.1.Introduccin.............................................................................................673.18.2.Especificaciones......................................................................................683.18.3.Resistenciadediseoparacolumnascompuestascargadasaxialmente ...........................................................................................................703.18.4.Diseodecolumnascompuestas sujetasacargaaxialyflexin ...........73

4.APLICACIONES ....................................................................................................80

5.DIAGRAMASDEFLUJO ....................................................................................135

CONCLUSIONES....................................................................................................144

NOMENCLATURA...................................................................................................145

BIBLIOGRAFA.......................................................................................................150

I

PROLOGO

Aparte delmtododeDiseoporEsfuerzosPermisiblesyelmtododeDiseoPlastico,el mtodo de Diseo por Factores de Carga y Resistencia (LRFD) es una nuevaalternativa para los edificios de acero estructural. En 1986, el AISC edito las primerasespecificacionespara el diseode factoresde carga y resistencia de edificiosdeaceroestructural y en 1988 un manual de construccin en acero, denominado (LRFD). LasegundaedicindelmanualLRFDpublicadaen1994,contienelasespecificacionesAISCde1993.

Debido a la importancia en la resistencia, economa y esttica, ingenieros y arquitectosrecurren actualmente al diseo compuesto. El presente trabajo esta basado en lasEspecificacionesdelInstitutoAmericanodelaConstruccionenAcero(AISC)yelmanualLRFDlocualseenfocaprincipalmentealdiseodevigasycolumnascompuestas.

Lasdiversasecuacionesindicadasyempleadasenlosrespectivosproblemasilustrativosdelosdiferentestemas,sehantraducidoalsistemamtricodecimal.Lasdimensionesyvaloresderesistenciasetomarondeacuerdo alasempleadasennuestropasafindefacilitarsuaplicacinyentendimiento.Seincluyesuficienteteoraydiferentesproblemasilustrativos paraunamayorinformacinycomprensin,asicomotambindiagramasdeflujoparaquesepuedaentenderaunmselprocesodeldiseocompuesto.

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1.GENERALIDADESDEDISEOESTRUCTURAL

1.1.DISEOESTRUCTURAL

La palabra diseo se refiere al dimensionamiento de los miembros de una estructuradespus de que se han calculado los elementos mecanicos, ya sea esta de aceroestructural, de concreto reforzado y/o compuesto de aceroconcreto, para lo cual seselecionanlasseccionestransversalesadecuadasparaqueresistanlascargasaquevaestarsometida,por loqueelestructuristadebedistribuir yproporcionaradecuadamentelosmiembrosestructuralesparaquepuedanmontarsefacilmente,ytenganlaresistenciasufuciente, al igual que sean econmicas. En consecuencia el estructurista debegarantizarquenosevaacaerlaestructuradiseada,porlocualunadelasprioridadesms imporatntesdelestructuristaes laseguridadyaque laestructuradebesoportarnosololascargasaquevaestarsometida,sinotambindebedesoportarlosestadoslimitedeservicio,esdecirdebeconsiderarquelosdesplazamientos,agrietamientos,vibracionesodaosnoseanexcesivos,paraquenopuedanperjudicarsucapacidadparasoportarlascargasde laestructura.Para hacerunbuendiseo se requiere la evaluacinde variasalternativasdeestructuracindelosmiembrosydesusconexiones,porloquesedevenhacer varios diseos para poder abatir costos, tanto en la estructuracin como en laconstrucinsinsacrificarlaresistenciadelamisma.Otraprioridaddelestructuristaeslafactibilidad,yaqueeneldiseodelosmiembrossedebeverquesepuedanfabricarseymontarsesinquehayaproblemas,porloqueelestructuristadebeadaptarsusdiseosalosmtodosdefabricacinyalosmaterialeseinstalacionesdisponibles.Parapoderselecionaryevaluarelsistemaestructuralenunaformaglobal,elestructuristadebe de tener un conocimiento suficiente en el diseo demiembros individuales de laestructuraparapoderdiseardeunaformaeficienteyeconmica.

1.2.ACEROESTRUCTURAL

El acero resulta de la combinacin de hierro y pequeas cantidades de carbono, quegeneralmenteesmenoral1%ypequeosporcentajesdeotroselementos,siendounodelos materiales estructurales ms importantes, ya que es de alta resistencia encomparacin con otros materiales estructurales, otras de sus propiedades es launiformidad ya que no cambia apreciablemente con el paso del tiempo, como lasestructurasdeconcretoreforzado,quesedaporelefectodelflujoplstico.Laelasticidaddel acero es otra caracteristica importante, ya que es capaz de recuperar su estadoprimitivo despuesdeque se lehaaplicadouna fuerzaque lo deforma, esto se da si ladeformacinnohapasadounlimite (limitedeelasticidad),estecomportamientosiguelaley de Hooke. La durabilidad si el mantenimiento de la estructura es adecuado, estatiende a tener un ciclo de vidams largo. La ductibilidad es la propiedad que tiene unmaterialdesoportargrandesdeformacionesantesdefallarbajoesfuerzosdetensinmuygrandes.Enelaceroconbajocontenidodecarbono,en lapruebade tensinsufreunareduccinconsiderableensuseccin transversalyungranalargamientoenelpuntodefalla, antes de que se fracture. La tenacidad es otra propiedad el acero cuando se leaplica una fuerza considerable que provoca una gran deformacin en su secciontransversal,serauncapazderesistirmayoresfuerzas.

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Otra ventaja es la soldabilidad que consiste en la union de dosmetales por presin yfusin, esto se realiza a altas temperaturas (soplete, etc.). La facilidad de corte es otrapropiedadyaquesepuedecortarfacilmente.

Elaceroseproduceporlarefinacindelmineraldehierroymetalesdedesecho,juntoconagentes fundentes apropiados Coke (para el carbono) y oxgeno, en hornos a altatemperatura,paraproducirgrandesmasasdehierrollamadasarrabiodeprimerafusin.Elarrabio se refina an mas para mover el exceso de carbono y otras impuresas y/o secombina(aleacin)conotrosmetalescomocobre,nquel,cromo,manganeso,molibdeno,fosforo, slice, azufre, titanio, columbio, y vanadio, para producir las caracteristicasdeseadasderesistencia,ductibilidad,soldabilidadyresistenciaalacorrosin.

Loslingotesdeaceroobtenidosdeesteprocesopasanentrerodillosquegiranalamismavelocidadyendireccionesopuestasparaproducirunproductosemiterminado,largoydeformarectangularquesellamaplanchaolingote,dependiendodesuseccintransversal.Desde aqu, se enva el producto a otros molinos laminadores para producir el perfilgeomtrico final de la seccin, incluyendo perfiles estructurales as como barras,alambres, tiras, placas y tubos. El proceso de laminado, adems de producir el perfildeseado, tiende a mejorar las propiedades materiales de tenacidad, resistencia ymaleabilidad.Desdeestosmolinoslaminadores, losperfilesestructuralesseembarcanalosfabricantesdeacerooalosdepsitos,segnsesoliciten.

Algunas propiedades de las mas importantes del acero estructural es el modulo deelasticidad (Es), relativamente independiente de la resistenciade fluencia elmodulo dealasticidad para todos los aceros es de 1968400 kg/cm2(28000 Ksi) a 2109000 kg/cm2

(30000Ksi),peroelquegeneralmentese tomaparaeldiseoesde2040000kg/cm o29000Ksi.Ladensidaddelaceroestructuralesde7.85ton/mo490lbs/pie.

Elmodulocortante(G)esotrapropiedadysepuedecalcularcomo:

G=E/2(1+)

Donde=coeficientedePoisson,iguala0.3paraelacero.Usando=3G=784615kg/cm2.

Elcoeficientedeexpansintermicadelacero().

=11.25X106porCelsiusL=(TfTi)L

Elpuntode fluencia(Fy)yresistencialtimaa tensin(Fu).Enla tabla1.1sedanlospuntosdefluenciadelosvariosgradosdeaceroqueinteresanalingenieroestructural.

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Tabla1.1.PropiedadesdelosacerosestructuralesDesignacin

ASTM

Acero Formas Usos Fymin

Ksi

Fumin

tensinksi

A36 Alcarbono Perfiles,barrasyplacas

Puentes,edificiosestructuralesengral.

Atornillados,remachadosysoldados

36e

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PerfilesW

Estetipodeperfileselquegeneralmenteseusaparaeldiseo,yaqueesunperfildepatnesanchos,esdoblementesimetrico.UnW16X40tieneunperaltenominaltotalde16pulgyunpesode40Lb/pie.TambinseindicacomoW410X59.5conunperaltenominal410mm(estevaloreselpromediodevariosperaltesdetodaslasseccionesconunredondeode5mm)yconunamasade59.5kg/m.

PerfilesS

EstosperfilesseconociananteriormentecomovigasI(vigasAmericanStandard),siendodoblementesimetricos.EstossediferencianconlosperfilesWportenerelpatnmaschico,conunapendienteaproximadade16.7 ,superaltenominalyel teoricoson iguales adiferenciadelosperfilesWquevarian.

PerfilesM.

Sonperfilesligerosysimtricos.Existen20perfilesdeestetipo.UnperfilM360X25.6eselmayordelaclasificacinM,yesunaseccindeperaltenominalde360mm yunamasade25.6kg/m(M14X17.2).

PerfilesC

Sonperfilesdecanal,conlamismainclinacindelospatinesquelosperfilesS,llamadosanteriormente canales standardoAmericanStandard, siendoel peralte nominal igual alperalteteorico.UnC150X19.3esunperfilestndardecanalquetieneunperaltenominalde150mmyunamasade19.3kg/m(C6X13).

PerfilesMC

Estos son perfiles en canal que no se clasifican como perfiles C. Se conocian comocanalesdiversosoparaconstrucindebarcos.

PerfilesL

Estosperfilessondeladosigualesodesiguales.UnperfilL6X6Xesunangulodeladosigualesconunadimensinnominalde6pulgyconunespesorde3/4pulg.UnperfilL89X76X12.7esunangulodeladosdesigualesconunadimensionnominaldecadaunodesusladosde89y76mmrecpectivamente,yconunespesorde12.7mmensuslados(L3X3).

PerfilesT

SontesestructuralesqueseobtienencortandolosperfilesW,S,M.Para laobtencindeunaWT,ST,MTrespectivamente,generalmenteelcortesehacealamitad,perotambin

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sepuedencortarmaslargos.LastablasconperfilesTsebasanencortessimetricos.UnperfilWT205X29.8esunateestructuralconunperaltenominalde205mmyunamasade29.8kg/m,yseobtienedividiendolaseccinW410X59.5(deunaseccinW16X40).

Figura1.1.Seccionesdeperfileslaminados

1.4.RESISTENCIADELACERO

Las propiedades del acero estructural nos permite conocer el comportamiento de lasestructuras de acero, y para entender parte de ese comportamiento se cuenta con los

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diagramas de esfuerzodeformacin. El esfuerzo de fluencia es la propiedad msimportanteque ingenieroestructural consideraparaundiseo,yaque lamayoriade losprocedimientossebasanenel.Laresistenciadefluenciaeselmnimovalorgarantizadoporelproductordeaceroyquesebasaenelpromedioestadisticoylaconsideracindelvalormnimodefluenciaobtenidomedianteungrannmerodepruebas.As,paraelaceroA36,elvalorgarantizadoesFy=36Ksi(2530kg/cm2),peroelvalormsprobableserdelordende43a48Ksi(3020a3370kg/cm2).Demodosimilar,unaceroA441,conunpuntodefluenciade 50Ksi(3515kg/cm2),tendraunaresistenciadefluenciadelordende57 Ksi (4000 kg/cm2). Conforme la fluencia garantizada hasta aproximadamente 65 Ksi(4670kg/cm2)losvaloresrealygarantizdo,convergen.

Desdecercade1900a1960,elgradoprincipaldeacerodisponibleeraelllamadoA7conFy=33Ksi (2320kg/cm2)esto fue laconsecuenciade lamayorpopularidadde lasoldadura debido a las actividades en la construccin de buques en la segunda guerramundial. Cuando se renueven edificios ms antiguos, el ingeniero estructural puedeocuparsedeincorporarlosnuevosacerosalosantiguosgrados.

Apartirde1960sehansustitudolosgradosdeaceroA373yA7poracerosA36,querepresentanun10%deaumentoenlaresistenciadefluenciasobreelgradoA7.Enlosaos treinta, se inicio la produccin de acero de alta resistencia y tambin resiste a lacorrosin,yalqueseledesignocomoA272(estdescritoenlaespecificacinA272dela ASTM). En 1959 se escribi la especificacin ASTM A440, para otro acero de altaresistencia,aplicablea laconstruccinconremachesy tornillosen1960se introdujoelaceroA441,aplicablealaconstruccinsoldada.Todosestostresacerostienenunpuntodefluenciaquedependedelespesordelmetal,comosemuestraenlatabla1.1.

Desde cerca de 1964 se han incorporado las normas ASTM las especificaciones paravariosotrosacerosdealtaresistencia(bajaaleacin)estosacerosaparecencomoA572yA588.Enlatabla1.1semuestraqueelacerodescritoenlaespecificacinA572cubrevariasresistenciasdefluencia,llamadasgrados,talescomolosgrados42,45,50,55,60,y65paraelcorrespondienteesfuerzomnimogarantizadodefluenciaenKsi.Engeneral,laresistenciadefluenciadeestosnuevosacerostambindependendelespesorcomosemuestraenlatabla1.1.

Enterminosdecosto/unidaddemasa,elaceroA36eselmseconmico.Losacerosdealtaresistencia tienensuaplicacinprincipalenaquelloscasosdondelosesfuerzossonprincipalmente de tensin. Las vigas de acero de alta resistencia pueden tener unadeflexinexcesiva,debidoaslmdulodeseccinreducido.LascolumnasdeacerodealtaresistenciapuedenresultarmenoseconmicasqueelaceroA36silarelacindeesbeltez(KL/r)esgrande.

Las trabes hibridas en el que se usa el acero de alta resistencia en los patines, o lascolumnasarmadas,enestaspuedeque suministremejoressolucionesenloscasosquese restrinjan las dimensiones de los miembros. En su caso determinado, es necesarioefectuarunanlisiseconmicoydedisponibilidadparadeterminarsiesapropiadousaracerodealtaresistencia.

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Figura1.2.Diagramaesfuerzodeformaciondelacero

El lmite de proporcionalidad es el punto ms alto de la porcin recta del diagramaesfuerzodeformacin, para la cual es todava es valida la ley de Hooke. Cuando unmaterialsoportaunesfuerzo(mximo),sinquesedeformepermanentementesedicequeesta en su lmite elastico o lmite de proporcionalidad. Cuando el acero presenta unincremento brusco en su deformacin sin que el esfuerzo se incremente, se denominaesfuerzodefluenciadelacero.Ladeformacindelaceroantesdelesfuerzodefluenciasellama limite elastico en el cual se basa el diseo por esfuerzos permisibles o diseoelasticoenelrangodondeelacerosedeformadespuesdelesfuerzodefluencia,sinqueseincrementeelesfuerzo,seleconsiderarangoplasticoodeformacinplastica,enlacualse basa el diseo plstico o diseo ultimo, lo cual aprovecha la resistencia de reserva(deformacin plstica) que proporciona la ductibilidad del acero. En la zona deendurecimiento por deformacin el acero requiere esfuerzos adicionales para que sepueda deformar ms posteriormente alcanza un esfuerzo mximo sin que se rompatadava,esesfuerzoderopturasucedepordebajodelesfuerzomximo,cuandoelaceropresentaunareduccinmximadesuseccintransversal(estriccindefluencia).La resistencia de fluencia de diversos grados de acero que estn disponibles para eldiseo,sepuedenverenlatabla11.

AcerosEstructurales

(DeacuerdoalaAmericanSocietyofTestingMaterialsASMT)

Acerosgenerales(A36).

Acerosestructuralesalcarbono(A529).

b.1Bajocontenidodecarbono(

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b.2Dulcealcarbono(0.150.29%)

b.3Medioalcarbono(0.300.59%)

b.4Altocontenidodecarbono(0.61.7%)

Acerosestructuralesdealtaresistenciaybajaaleacin(Mo,VyCr),(A441yA572)aleacinal5%.

Acerosestructuralesdealtaresistenciaybajaaleacin,resistentesalacorrosinatmosfrica(A242,A588).

Acerotempladoyrevenido(A514).

1.5.INFLUENCIADELATEMPERATURAENELACERO

Efectosdealtastemperaturas

Losmiembrosdeaceronoson inflamables,perosuresistenciasereducedeuna formaconsiderablecuandoaumentadrasticamentesu temperaturaenunincendio,elaceroesunexcelenteconductordelcalor,porloqueenlaszonasquenoestanprotegidascontraelfuegoyqueestanencontactoconmaterialesinflamables,sedebenprotegeryaquesepuedenincendiar.Laresistenciadependeenaltogradodelatemperaturaa1000F,laresistencia tantode fluencia comode tensin es alrededor del 60 a 70por cientode laobtenida a la temperatura ambiente (alrededor de 70 F). La perdida de resistencia esbastantenotableaaltastemperaturas,dondelaresistenciadelaceroa1600Fessloel15porcientodelaresistenciaalatemperaturaambiente.

La resistencia contra el fuego de losmiembros estructurales se puede incrementar conuna cierta proteccinquedependedel tipodeestructura, en estructuras deacero se lepuedeaplicar pinturas especiales (aislantesy expansivas), una capade concreto, yeso,fibrasmineralesetc.,enunmiembrodeacerohuecoselepuedeproveerunliquidoconunagenteanticongelanteensuinterior,paraelcontroldealtastemperaturas.Elconcretoanteriormenteseusabamuchoparaprotegerestructurasdeacerocontraelfuego,yaqueresultamuyefectivoenespesoresde1a2pulg.(4a5cm)deespesorperosucostode instalacinesmuyaltoysupeso tambin, locualresultaantieconomico,debidoa loanterior,en lasseccionescompuestasseaprovecha lascaracteristicasestructuralesdelconcretoydelacero,paracontrarrestarestaproblemticaypuedasersatisfactorio,tantoenlaproteccincontraelfuego,comoenlaresistenciadelosmiembrosestructurales.Sehanestablecidoclasificacionesdeproteccincontraincendiosparalosdiversosmaterialesyespesoresquesepuedenaplicaraunmiembroestructuralparacontrolarlatemperatura.Se incluyen productos a base de yeso, o concreto ligero que se puede rociar sobre elmiembrotablerosaislantesdefibraparaprotegerelacero.Laclasificacindeincendiossebasaenelnmerodehorasqueletomaelaceroalcanzarunatemperaturapromediode 540 a 650C para el espesor dado de material de proteccin contra incendios,utilizandounprocedimientoestndardepruebasegnvienedadoporlaASTME119(enlaparte18).Unaclasificacindeincendiode2horas,queseusacomnmente,indicaque

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tarda 2 horas que la temperatura del acero alcance el nivel indicado por la pruebaestndar.

Efectosdebajastemperaturas

Lafracturafraglamenudoseasociaconlasbajastemperaturas.Bsicamente,lafracturafrgil ocurre sin que haya fluencia del material. Las curvas de esfuerzodeformacinindican que en la falla usual de un espcimen a tensin, tiene lugar una considerableelongacin.Dehecho,enlapruebaestndaratensindelaASTM,seespecificaunporciento mnimo de elongacin para el acero. En el diseo del acero est implcita ladeformacin resultante (fluencia) del material bajo un alto esfuerzo local. Cuando elmaterial sufre elongacin, las dimensiones laterales se contraen, debido al efecto dePoisson. Si las dimensiones laterales estn total, o hasta parcialmente restringidas, elacero se separ sin desarrollar totalmente su potencial de fluencia. Este tipo de fallaconstituyeloqueseconocecomofracturafrgil.

Una combinacin de baja temperatura, un cambio en las dimensiones de la seccin(efectodemuesca)oalgunaimperfeccin,juntoconlapresenciadeesfuerzosdetensin,puedeniniciarunafracturafrgil.Estopuedeempezarcomounagrietaquesedesarrollahastaconstituirlafalladelmiembro.Notodoslosmiembrosquepresentanmuescasenunambiente de baja temperatura y sometido a una alta tasa de deformacin por tensinfallan tienequehaberexactamente lacombinacinapropiadadedeformaciny tasadedeformacin,temperaturayefectodemuesca.

1.6.SOLICITACIONESDECARGAS

Toda estructura y cada uno de sus miembros deben disearse para cualquier estadolmite de falla posible ante las combinaciones de acciones ms desfavorables que sepuedanpresentardurantelavidatildelaestructura,norebasandoningunestadolmitede servicio ante las combinaciones de acciones que corresponden a condicionesnormalesdeoperacin.

El estado lmite de falla corresponde al agotamiento de la capacidad de carga de laestructura o de cualquier miembro, ocurriendo daos irreversibles que afectanconsiderablemente la resistenciaantenuevsaplicacionesdecarga.Elestado lmitedeservicio corresponde a los desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daos queafectanalfuncionamientodelaestructura,estasnodebendeperjudicarlacapacidaddecargadelaestructuraodecualquiermiembroestructural.

Eneldiseodeestructurassedebentomarencuentalosefectosdelascargasmuertas,delascargasvivas,delsismoydelviento,cuandoesteltimoseasignificativo,tambincuando otros efectos producidos por otras acciones sean significativos (nieve, lluvia ohielo, debido al funcionamiento de maquinaria y equipo y su acupacin) se debenconsiderarendiferentescombinacionesparaeldiseo.

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Categoriasdeacciones,deacuerdoconladuracin:

1. Acciones Permanentes: Son aquellas que obran sobre la estructura en formacontinua, y cuya intensidad casi no vara con el tiempo (carga muerta, el empujeestaticodetierrasydeliquidos,etc.).

2. AccionesVariables:Sonaquellasqueobransobrelaestructuraconunaintensidadque vara considerablemente con el tiempo (cargas vivas, efectos de tamperatura(lluvia,nieve,hielo),etc.).

3. AccionesAccidentales:Sonaquellasquenosedebenalfuncionamientonormaldelaestructura, y que pueden tomar valores significativos en periodos sumamentepequeosconrespectoalavidatildelaestructura(vientos,sismos,incendios,etc.).

Toda fuerza que actue sobre la estructura se se denomina carga, estas cargas seclasificanenmuertasyvivas.

Las cargasmuertas ocupan una posicinpermanente y sondemagnitud constante,incluyenelpesopropiodelaestructura,elpesodecomponentesnoestructuralescomorecubrimientosdepisos,lomurosdivisorios,plafones,instalaciones,equipomacnicoyplomera .Todas lascargasmencionadashastaahorason fuerzasque resultande lagravitacin y se llaman cargas de gravedad. Para su evaluacin se cuantan con lasdimensionesdeloselementosconstructivosylospesosunitariosdelosmateriales.

Lascargasvivas,quetambinpuedenserfuerzasdegravedad,estasseproducenporelusoyocuapacindelasedificaciones,estasnosontanpermanentescomolascargasmuertas.Ellaspuedenonoestaractuandosobrelaestructuraencualquiermomentoysuposicinpuedenoserfija(muebles,elequipoylosocupantesdelosedificios).Engeneral, la magnitud de una carga viva no est bien definida como la de una cargamuertayusualmentedebeserestimada,peroelpesomnimodelascargasvivasquedebeusarseeneldiseodeedificiosseespecificanclaramenteen los reglamentosocdigosdeconstruccinqueseranlascargasdepiso,paraelcasodelreglamentodelD.F. presenta una tabla de cargas unitarias que no incluyen el peso de los murosdivisorios, demuebles, equipos u otros elementos depeso, por lo cual si se preveendeben cuantificarse y tomarse en cuanta en el diseo en forma independiente de lacargavivaespecificadaenelreglamentodelD.F.,locual,sedeveranestudiardiferentesposiciones de carga viva para ciertos miembros estructurales a fin de que se puedapasarporaltounacondicinpotencialdefalla.

Otrascargasvivas

Siunacargavivaseaplicalentamenteynoesretirada,niseplicaunnmeroexcesivode veces, la estructura puede analizarse como si la carga fuera esttica. La carga deimpactolascausanlavibracindecargasmviles,enelcasodeunacargaqueseaplicarepentinamente,comoeselcasocuandolaestructurasoportaunagramvil,losefectosde impactodeben tomarseencuenta. Cuando lacargaseaplicay retiramuchasvecesdurantelavidadelaestructura,comoenelcasodelospuentesqueestansujetosaunaseriedecargasdemagnitudvariable,elesfuerzodefatigasevuelveproblemticoysus

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efectos deben considerarse. Las cargas de impacto ocurren relativamente en pocosedificios,sobre todoenedificios industriales,y lacargapor fatigaes rara, requirendosemilesdeciclosdecargadurantelavidadelaestructuraantesquelafatigasevuelvaunproblema.

Elvientoactuacomopresionesosuccionessobrelassuperficiesexterioresdeunedificioeste se toma como uan accionaccidentaldebidoa su naturaleza transitorial, tal cargapermanecemasbienalacategoradelasacargasvivas.Sinembargo,debidoalarelativacomplejidaddedeterminarlascargasdeviento,stasseconsiderancomounacategoriaapartedecarga.Estetipodecargalateralesmasperjudicialenedificiosaltos,siendonotan importante en edificios de poca altura, pero estructura de poco peso como navesindustrialespuedecausarefectoscomoellevantamientodelsistemadetecho,locualesmuycririco.Sibienelvientostapresentelamayorpartedeltiempo,lascargasdevientode la magnitud considerada en el diseo no son frecuentes y no se consideran comocargas de fatiga. La presin del viento que actua sobre superficies verticales de unaestructurasepuedeestimarconlasiguienteexpresin:

P=0.002558CsV

Donde:P=Presindelvientoenlb/pieCs=Coeficientedeacuerdoalaformaparaestructurastipocajaesiguala1.3dedonde0.8esparalapresindebarloventoy0.5paralasuccindesotavento.V= Velocidad bsica del viento en mi/hra. Estimada con ayuda de los reportesmeteorologicosencadaregindelpas.

Las cargas de sismo son consideradas en zonas sismicas y donde pueda haberprobabilidad de que se pueda presentarse. Cuando se presenta un sismo hay unaaceleracinenel terreno, la cual tienedoscomponentes, que serian una vertical yotrahorizontal,debidoaquelacomponenteverticalesinsignificante,enunanlisisestructuralsetomanencuantalosefectosdelacomponentehorizontaldeunsismoysesimulaporun sistema de cargas horizontales, similares a los originados por la presin del viento,actuandoencadaniveldepisodeledificio,elefectodelaaceleracinhorizontalcrececonlaalturadebidoalefectoderesonanciadelsismo.

La nieve es otra carga viva, en paises muy frios estas cargas son muy importantes.Debidoalaincertidumbrequeescausadaporlapresenciadelvientoquesueleacumularlanievesobrereasmuypequeas.Losvaloresmayoresdecargaseusanparatechoshorizontalesylosmenoresparatechosinclinados.

La lluvia, es otro tipo de carga y que se puede considerarmenos problematica que lacarga de nieve, pero si se acumula el agua en techos sin pendiente (encharcamiento),puedecausarquelalosasedeflexioneyformeunaespeciedevasoysepuedaacumularmsagua,yqueconeltiempoprovoquedaosenlaestructura.Otros tipos de cargas vivas que en ocasiones debe considerar en el diseo son laspresioneshidrostaticasylapresindelsuelo,peroloscasosquesehanmencionadoson loscomnmenteencontradoseneldiseode losmarcosestructuralesdeacerodeedificiosydesusmiembros.

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2.REGLAMENTOS,ESPECIFICACIONESYMTODOSDEDISEO.

2.1.REGLAMENTOSDECONSTRUCCIN

Eldiseoyconstruccindetodaslasestructurasdebeestardeacuerdoaunreglamentode construccin, que es un documento legal que contiene los requisitos relativos a laseguridad estructural, construccin, seguridad contra el fuego, plomera, ventilacin yaccesibilidad paraminusvlidos. Un reglamento de construccin tiene fuerza legal y esadministrado por una entidad gubernamental como una ciudad, un municipio o paraalgunas reas metropolitanas grandes, un gobierno establecido. Los reglamentos deconstruccin no dan procedimientos de diseo, pero ellos especifican los requisitos yrestriccionesdediseoquedebensatisfacerse.Departicularimportanciaparaelingenieroestructurista es la prescripcin de las cargas vivas mnimas en edificios. Aunque elingeniero es alentado a investigar las condiciones de cargas reales y a determinar susvalores,laestructuradebesercapazdesoportaresacargasmnimasespecificadas.

Aunque en algunas grandes ciudades tienen sus propios reglamentos de construccion,muchasminicipalidadesmodificanunreglamentodecontruccinmodelocuandoconvienea sus necesidades particulares y lo adoptan en forma modificada. Los reglamentosmodelo son escritos por varias organizaciones no lucrativas en forma que puede serfacilmente adoptada por un organismo gubernamental. En EUA tiene tres reglamentosmodelonacionales:ElUniformBuildingCode(ICBO,1997),elStandardBuildingCodeesel reglamento ms ampliamente usado en Estados Unidos. Un documento similar enforma a un reglamento de contruccin, es el ASCE 795, Minimum Design Loads forBuildingandOtherStructures (ASCE, 1996).Este documento proporciona los requisitosde carga en un formato adecuado para adopcin como parte de un reglamento deconstrucin.

2.2.METODOSDEDISEO

Paraeldiseodeunaestructurasedebedehacerdeacuerdoaunmtododediseo,porloquesedebetenerconocimientodelosmtodosexistentes.

En el diseo elstico, tambin llamado diseo por esfuerzos permisibles o diseo poresfuerzosdetrabajo,dondeseconsideranlascargasdeservicioodetrabajo,esdecir,lascargasquelaestructuratienequesoportar,paralocualseobieneelreatransversalyelmomento de inercia suficiente para soportar los esfuerzos mximos debidos a esascargas,sinquerebasenelesfuerzopermisiblequeesmenorqueelesfuerzodefluenciaFy, encontrandoseenel rangoelasticodelmaterial, el esfuerzopermisible sera igualalesfuerzodefluenciaFylaresistencialtimadetensinFuentreunfactordeseguridad.Locualunmiembrodeberasoportarlascargasaplicadasquesonlascargasde trabajoquedandosometidoaesfuerzosnomayoresqueelesfuerzopermisible.

Elfactordeseguridadparamiembrosdeaceroestructuralseobtienecomosigue:

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RS

F =

Donde:

F=FactordeseguridadS=ResistenciacalculadadelaseccionR=Cargacalculadadeservicio

Comohayincertidumbreenlascargasdeservicioyenresistenciarealdelaseccion,paraF=1,setienelasiguienteexpresion.

R/R1S/S1

SR

RRSS

1 D + D -

= D + D -

=

SisetomaS/S=R/R=0.25yqueS/R=F,seobtiene:

25.175.0

F1 =

Porloque

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667.16.01

F = = =

Este factor no se utiliza en estructuras como puentes y ferrocarriles, ya que estospresentan condiciones de carga mas severas, por lo que se toma un valor deincertidumbreiguala0.29,dondeF=1/0.55=1.82.ElvalordeF=1/0.6semodificaa1/0.66paraperfilescompactos.

Esfuerzospermisibles:

0.6Fy=0.6(36Ksi)=21.6Ksi(ElAISCpermite22Ksi).

ParalasespecificacionesAREAyAASHTO.

0.55(36)=19.8Ksi(estasespeciificacionespermitenusar20Ksi).

El diseo plstico se basa en el rango plastico del material, lo cual considera unacondicin de falla delmiembro estructural (colapso), es decir, se basa en la resistenciaqueproporcionalaductibilidaddelaceroyestaocurrebajoesfuerzoconstanteporencimadellimiteelastico.Despuesdeciertacantidaddedeformacionplastica,elacero tiendeaendurecerse por deformacion, y es posible un amento en la carga, acompaado pordeformacionesadicionales.Lascargasdetrabajosemultiplicanporfactoresdeseguridado de carga (sobrecapacidad), y donde losmiembros estructurales fallaran bajo cargasmayoresquelacargadetrabajoprovocandodeformacionesmuygrandesintroduciendoalmiembro en un rango elastico, y cuando la seccin transversal se plastifica en varias

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localidades,seformaranarticulacionesplasticasenlasmismaslocalidades,llevandoasalmiembroalcolapso.Lascargasrealessoninferioresalascargasdefalla,resultandoestaultima de la multiplicacin de las cargas de servicio por el factor de cargacorrespondiente,estemetodonosdicequeelmiembrofallaracuandoestesometidoalascargasfactorizadas,perocomoelmiembroestarasoportandoesfuerzosmenoresdebidoa las cargas reales, este no tendra problemas de falla, lo cual nos proporciona ciertaseguridad.

El factor de seguridad (factor de carga) paramiembros de acero estructural se obtienecomosigue:

Como el factor de forma f es igual a a la relacion delmodulo plastico y elmodulo deseccion, Z/S. Para secciones compactas F=1/0.66=1.52. El momento plastico Mp=fMy,dondeelfactordeformaesiguala1.22comovalortipicoparatodoslosperfileslaminadosW.Usandoelmismovalordeesfuerzodetrabajofbparaelmetodoelasticoyplastico,setiene:

S1FfMy

S1FMp

S52.1My

= =

Cancelandoelmodulodeseccion,S,seobtiene

F1=1.52f=1.52(1.12)=1.70

(estevalorseusaenlaparte2delasespecificacionesdelAISC)

El diseo por factores de carga y resistencia (LRFD) se basa en los estados lmite delmaterial,siendosimilaraldiseoplsticoyaqueconsideralaresistenciaolacondicindefalla.Lascargasdeservicioodetrabajosemultiplicanporfactoresdeseguridadquesoncasi siempre mayores que uno obteniendose las cargas factorizadas, estas cargasfactorizadas se usan para el diseo delmiembro estructural, lo cual debe resistirlas. Laresistencia teorica nominal es multiplicada por un factor de resistencia que esnormalmente menor que la unidad. Este factor toma encuenta las incertidumbres deresistenciadelosmateriales,dimensionesylamanodeobra.

Enlasiguienteexpresinlacargafactorizadaeslasumatoriadelascargasdetrabajoporsufactordecargacorrespondienteylaresistenciafactorizadaeslaresistenciatoricaporunfactorderesistencia.

Cargafactorizadaresistenciafactorizada

Obin

(cargasXfactoresdecarga)resitenciaXfactorderesistencia

Obin

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iQiRn

Enelmtodoporesfuerzospermisibleslosfactoresdeseguridadsonlosmismosparalascargasmuertasqueparalascargasvivas,enelmtodoLRFDsondiferentes,yaqueparalascargasmuertaselfactordecargaesmenorqueelfactordecargadelascargasvivas,porloquelascargasmuertassepuedendeterminarmsfacilmentequelascargasvivas,loquesepodradecirqueelmtodoLRFDpuedesermseconmicoqueeldiseoporesfuerzos permisibles ya que si las cargas vivas son mas pequeas que las cargasmuertas, las cargas factorizadas se reducirian. El mtodo LRFD proporciona msconfiabilidadeneldiseodelasestructuras,noimportandocualesseanlascargas.

2.3.ESPECIFICACIONESDEDISEO

Encontrasteconlosreglamentosdeconstruccin,lasespecificacionesdediseodanunagua especifica sobre el diseo de miembros estructurales y sus conexiones. Ellaspresentanlasdirectricesycriteriosquepermitenaun ingenieroestructurista llevaracabolosobjetivosindicadosenunreglamentodeconstruccin.

Las especificaciones de diseo representan una investigacion constante, ya que sonrenovadas periodicamente y puestas al dia en suplementos o ediciones completamentenuevas. Igual que los reglamentos modelo de construccion, las especificaciones dediseo se escriben en un formato legal por organizaciones no lucrativas. Talesespecificacionesno tienenporsmismasvigencia legal,peroalpresentar loscriteriosylmites de diseo en forma de mandatos y prohibiciones legales, ellas pueden serfcilmenteadoptadas,porreferencia,comopartedeunreglamentodeconstruccin.

Las especificaciones de mayor inters para el ingeniero estructurista en acero, sonaquellaspublicadasporlassiguientesorganizaciones.

1.AmericanInstituteofSteelConstructin(AISC):Estasespecificacionesserefierenaldiseodeedificiosdeaceroestructuralysusconexiones(AISC,1993).

2.American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO):Estasespecificacionesserefierenaldiseodepuentescarreterosyestructurasafines.Ellasserefierenatodoslosmaterialesestructuralesusadosnormalmenteenpuentes,comoelacero,elconcretoreforzadoylamadera(AASHTO,1992,1994).

3.AmericanRailway Engeneering Association (AREA): Este documento se refiere aldiseodepuentesferroviariosyestructurasafines(AREA,1992).

4.AmericanIronandSteelInstitute(AISI):Estasespecificacionestratantodolorelativoalaceroformadoenfro,(AISI,1996).

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2.4.ESPECIFICACIONESDEL INSTITUTOAMERICANODELACONSTRUCCINENACERO

Estas estan escritas y mantenidas al da por un comit del AISC que comprendepracticantesde la ingenieriaestructural,educadores,productoresdeaceroy fabricantesdeestructuras.Periodicamentesepublicannuevasedicionesy,siempreesnecesariaunarevisinintermedia,seeditansuplementos.Eldiseoporesfuerzospermisibleshasidoelprincipal mtodo usado para los edificios de acero estructural desde que las primerasespecificacionesAISCfueroneditadasen1923,aunquerecientesedicioneshancontenidoestipulaciones para el diseo plstico. En 1986, el AISC adit la primera especificacinparaeldiseodefactoresdecargayresistenciadeedificiosdeaceroestructuralyunlibroen paralelo, el Manual of Steel Construction (Manual de construccin en acero). Elproposito de esos documentos es proporcionar un diseo alternativo al diseo poresfuerzospermisibles,talcomoeldiseoplsticoestambinunaalternativa.Lasegundaedicindelmanual(AISC,1994),incluyelasespecificacionesAISCde1993.Lasnormasde las especificaciones LRFD se basan en las investigaciones reportadas en ochoartculos publicados en 1978 en la revista estructural de la American Society of CivilEngineers (Ravindra y Galambos Yura, Galambos y Ravindra Bjorhovde, Galambos yRavindraCooper,GalambosyRavindraHansellyotrosFisheryotrosRavindra,CornellyGalambosGalambosyRavindra,1978).Amenosqueseindiquedemaneradiferente,las referencias a las especificacionesAISCy alManual ofSteelConstruction sern lasversionesLRFD.

ELdiseoporfactoresdecargayresistencianoesunconceptoreciente,desde1974sehausadoenCanad,dondeseconocecomodiseoporestadolmite.Estambinlabasedelamayoradelosreglamentoseuropeosdeedificacin.EnEstadosUnidos,elLRFDhasidounmtodoaceptadodediseoparael concreto reforzadoduranteaosyeselprincipal mtodo autorizado por American Concrete Institutes Building Code, donde seconoce como diseo por resistencia (ACI, 1995). Las normas de diseo para puentescarreterospermiteneldiseoporesfuerzospermisibles(AASHTO,1992)yeldiseoporfactoresdecargayresistencia(AASHTO,1994).

LasespecificacionesAISCsonpublicadascomoundocumento independiente,perosontambin parte del manual de construccin en acero. Exepto por los productosespecializados de acero como los deacero formados en fro, que son tratadospor unaespecificacindiferente(AISI,1996),lasespecificacionesAISCsonlasnormaspormediodelascualesvirtualmentetodoslosedificiosdeaceroestructuralsediseanyconstruyenenEstadosUnidos.

Las especificaciones consisten en cuatro partes: el cuerpo principal, los apndices, laseccin de valores numricos y los comentarios. El cuerpo principal est organizadoalfabticamente segn los capitulos A al M. Dentro de cada capitulo, los encabezadosmayores stan rotulados con la designacin del capitulo seguido por un nmero.Subdivisionesadicionalesestnrotuladasnumricamente.Porejemplo,lostiposdeaceroestructural autorizados se dan en una lista del captulo A, General Provisions, bajo laseccinA3.Materialy,bajosta,laseccin1.Aceroestructural.Elcuerpopricipaldelasespecificaciones es seguido por apndices a captulo seleccionados. Los apndices dedesignanB,E,F,G,H,I,J,yKparacorresponderaloscaptulosalosqueserefieren.Esta

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seccin es seguida sobre la seccin sobre valores numricos, que contiene tablas devaloresnumricosesseguidaporcomentarios,queexplicanmuchasdelasestipulacionesde las especificaciones. Su esquema organizativo es el mismo que el de lasespecificaciones,porloqueelmaterialaplicableaunaseccinparticularpuedelocalizarsefcilmente.Losapndices,laseccindevaloresnumricosyloscomentariosconsideranlaspartesoficialesdelasespecificacionesytienenlamismaautoridadqueelmaterialenelcuerpoprincipal.

2.5.FACTORESDECARGAYRESISTENCIAUSADOSENLASESPECIFICACIONESAISC

Los factores de carga incrementan las cargas de servicio tomando encuenta laincertidumbrequeestanimplicitasenlosvaloresdelascargasmuertasycargasvivas.Laecuacin:

iQiRn

Donde:

i =unfactordecargaQi=unefectodecarga(unafuerzaounmomento) =factorderesistenciaRn=resistenciatoricaonominaldelmiembro

La resistencia factorizada Rn se llama resistencia de diseo y la carga factorizadaresultade lacombinacinde losdiferentesefectosdecargaaquevaestarsometidoelmiembro estructural. Las condiciones de carga por considerarse se dan en el caplo A,generalprovisions,delasespecificacionesAISCcomo

U=1.4D (A41)U=1.2D+1.6L+0.5(LroSoR)(A42)U=1.2D+1.6(LroSoR)+(0.5Lo0.8W)(A43)U=1.2D+1.3W+0.5L+0.5(LroSoR)(A44)U=0.9D1.0E+0.5L+0.2S(A45)U=0.9D(1.3Wo1.0E) (A46)

Donde:

U=cargafactorizadaD=cargamuertaL=cargavivadebidoalequipoyocupacinLr=cargavivadetechoS=cargadenieveR=cargadelluviaohieloW=cargadevientoE=cargaporsismo

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Estas ecuacionesde combinaciones de cargas, elAISC las identifica conuna letra quereprsentaelcapitulo,elprimernumerolaseccin,yelsegundonumerolasecuenciadelamismaseccin.

Encadacombinacin,unodelosefectosseconsideracomoelvalormximodurantesuvida y los otros como los valores en puntos arbitrarios del tiempo. Esos factores decargaycombinacionesdecargasonlosrecomendadosenelMinimunDesignforBuildingandOtherstructures(ASCE,1996)ysebasanenampliosestudiosestadsticos.

Los factores de resistencia toman encuenta las incertidumbres de la resistencia de losmateriales, dimensiones y mano de obra. El factor de resistencia para cada tipo deresistenciaestdadoporelAISCenelcaptulodelasespecificacionesquetrataconesaresistencia.Esosfactoresvaranenvalorde0.75a1.0.(0.85paracolumnas,0.750.90paraelementosentensin,0.90paraflexinocorteenvigas,etc.).

Tabla2.1.FactoresderesistenciadelasespecificacionesLRFD

Fr() SITUACIN1.00 Aplastamientoenreasproyectantesdepasadores,fluenciadelalmabajocargas

concentradas,cortanteentornillosenjuntastipofriccin.0.90 Vigassometidasaflexinycorte,filetesdesoldaduraconesfuerzosparalelosal

ejedelasoldadura,soldadurasderanuraenelmetalbase.0.85 Columnas, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad de

aplastamientodeagujeros.0.75 Tornillosatensin,soldadurasdetapnomuesca,fracturaenlaseccinnetade

miembrosatensin.0.65 Aplastamientodetornillos(menosA307)0.60 AplastamientoentornilloA307,aplastamientoencimentacionesdeconcreto.

Tabla2.2Factoresderesistenciadelasespecificaciones delasNTCDiseodeEstructurasMetlicas

Fr CASO0.9 Resistencia a tensin para estado lmite de flujo plstico en la seccin total,

resistenciaaflexinycortanteenvigas,determinacindecargascrticas,tensinocompresinparalelaalejedesoldadurastipofileteydepenetracinparcial.

0.80 Tensinnormalalreaefectivaensoldadurasdepenetracinparcialcortanteenelreaefectivaensoldadurasdepenetracincompleta.

0.75 Resistenciaatensinporestadolmitedefracturaenlaseccinneta,resistenciaacompresinparaestadolmitedepandeolocalenseccionestipo4,cortanteenelreaefectivaensoldadurasdefilete,cortanteparalelaalejedelasoldaduradepenetracinparcial,resistenciaatensindetornillos.

0.70 Resistenciaacompresindecolumnasdeseccintransversalcircularhuecatipo4.

0.60 Resistenciaalcortanteenconexionesporaplastamiento.

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2.6.MANUALDELACONSTRUCCINENACERO

La publicacin del Manual of Steel Construction del AISC (AISC, 1994), contiene lasespecificacionesAISCynumerosasayudasdediseoen formade tablasygraficasascomouncatalogodelosperfilesestructuralesdeaceromasampliamentedisponibles.Elmanualconstadedosvolmenes.

ElvolumenI,subtituladoStructuralMembers,SpecificationsandCodes,contienelaspartes 1 a la 7 y trata principalmente con el diseo de miembros. El volumen II,subtitulado Connections, contiene las partes 8 al 12 y se dedica al diseo deconexiones.

1. Dimensionesypropiedades.Estapartecontienedetallessobreperfilesestndarlaminados,tubosyperfilestubulares,incluidas todas las dimensiones de secciones transversales necesarias y propiedadescomoreaymomentodeinercia.Sedatambininformacinsobreladisponibilidaddelosperfiles en varias resistencias. Losaceros considerados sonalgunasde losautorizadosporlasespecificacionesAISCparasuusoenlaconstruccindeedificiosyseincluyenlossiguientes:

ASTMA36:AceroestructuralalcarbonoASTMA529:Aceroestructuralalcarbonomanganeso,dealtaresistenciaASTMA572:Aceroestructuraldebajaaleacin,dealtaresistenciaASTM A242: Acero estructural de bajo aleacin, de alta resistencia, resistente a lacorrosinASTM A588: Acero estructural de baja aleacin, de alta resistencia, resistente a lacorrosinASTMA852:Placadeaceroestructuraldebajaaleacin,templadoyrevenidoASTMA514:Placadeaceroaleadoestructuraldelataresistencia,templadoyrevenido

2. AspectosesencialesdelLRFD.Esta parte es una introduccin condensada a los aspectos bsicos del diseo porfactores de carga y resistencia de las estructuras de acero. Se incluyen ejemplosnumricos.

3. Diseodecolumnas.Esta parte contienenumerosas tablas para facilitar el diseo demiembros cargadosencompresinaxialydevigascolumnas.Lamayoradeesastablasserefierenaacerosconesfuerzosdefluenciade36Ksiy50Ksi.Sedanadicionalmenteejemplosdediseoqueilustranelusodelastablas.

4. Diseodevigasytrabes.Estaparte,igualquelaparte3,contienemuchasayudasdediseo,incluyendograficasytablas. Muchas de ellas tratan sobre los requisitos de las Especificaciones AISC, peroalgunas,comolosdiagramasyformulasdevigas,pertenecenalanlisisestructural.Estapartetambincontieneunanlisisdelosprocedimientosdediseodevigasytrabes,ascomoejemplosdediseo.

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5. Diseocompuesto.Esta parte trata de los miembros compuestos, usualmente vigas o columnas, que soncomponentes estructurales formadas por dos materiales: acero estructural y concretoreforzado. Comnmente las vigas compuestas se usan cuando un sistema de vigasparalelassoportaunalosadepisodeconcretoreforzado.Enestaaplicacin,elementossoldadosalpatnsuperiorquedanembebidosenelconcreto,formandolaconexinentrelosdosmateriales.Lascolumnascompuestasconsistenenperfilesestructuralesdeaceroembebidos en concreto reforzado o en perfiles huecos rellenos de concreto. Esta partecontieneinformacinbsica,ayudasdediseoyejemplos.

6. Especificacionesyreglamentos.EstapartecontienelasespecificacionesycomentariosdelAISC,unaespecificacinparatornillosdealtaresistencia(RCSC,1994)yotrosdocumentos.

7. Datosdiversosytablasmatemticas.Estaparte trataelalambrey laminadeacero,as comovariaspropiedadesdelaceroyotrosmaterialesdeconstruccin.Seincluyentambinformulasmatemticasyfactoresdeconversinparadiferentessistemasdeunidades.

Elvolumen II,quecomprende laspartes8a la13,contiene tablasdeayudaparaeldiseodeconexionesatornilladasysoldadasjuntocontablasqueproporcionandetallessobre conexiones estandarizadas. (La parte 13es una lista deorganizacionesde laindustriadelaconstruccin).

Las especificaciones AISC son solo una pequea parte del manual. Muchas de lostrminos y constantes usados en otras partes delmanual se presentan para facilitar elproceso de diseo y no son necesariamente parte de las especificaciones. En algunoscasos,lasrecomendacionessonsoloreglasempricasbasadasenlaprcticacomn,norequisitosdelasespecificaciones,esimportantereconocerqueesunrequisito(cuandoesadoptadoporunreglamentodeconstruccin)yquenoloes.

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3.SECCIONESCOMPUESTAS

3.1.INTRODUCCIN

En laactualidadelusodeseccionescompuestasha idoaumentando.Anteriormente lasvigas de acero y las losas de concreto se consideraban por separado, es decir, en sudiseo no se aprovechaban sus caractersticas estructurales de cada uno para laaumentar su resistencia. En la accin compuesta (unin del acero y del concreto)aumentalaresistenciadelaseccin,yaqueseaprovechanlaspropiedadesestructuralesde cadauno.En vigas compuestas la resistencia se puedeaumentar aproximadamenteuna terceraparte,encomparacindeunavigadeaceronormal,al igualque laseccincompuestareducelasdeflexionesconsiderablemente,locualpermiteusarvigasdeaceromschicasensuseccin.Envigascompuestas,cuandoelejeneutroseencuentraenlaunindelosdoselementos,elconcretoresistelafuerzadecompresinyelacerolafuerzadetensin,yaquesinohay suficiente adherencia entre ambos elementos, esta unin se hace por medio deconectoresdecortante,paraquelaseccintrabajecomounasola.Las columnas compuestas son otro tipo de secciones, estas se componen por perfileslaminadosoarmadosdeaceroembebidosenconcretoreforzadoenestaselconcretoseaprovechaparareforzaryprotegerelacerocontraelfuegoylacorrosin,losestribossecolocanalrededordelasbarraslongitudinalesaunaciertaseparacinespecificada,estosestribosayudanprincipalmentealconcretoderecubrimientoparaquenose desprenda.Tambin las columnas tubulares son rellenadas de concreto el concreto y el acerotrabajanenconjuntoyseayudanmutuamenteparaevitarelpandeoysoportarlascargas.Durante la construccin de las secciones de las columnas compuestas, los perfiles deacerosoportanlascargasiniciales,incluidoelpesopropiodelaestructura,lascargasdegravedadylaterales,posteriormenteselecuelaelconcreto.

3.2.DESARROLLOHISTRICO

La combinacinde dosamsmateriales anteriormente ya estabaenusoen diferentesculturas o civilizaciones, pero cuando se empez a reconocer el uso compuesto fue amediados del siglo XIX. En 1840 William Howe patento una armadura compuesta demadera hierro forjado esta misma combinacin de materiales la utilizaron Thomas yCalebPrattparadisearunaarmaduradeunaconfiguracindiferente.

Figura3.1.ArmaduraHowe

Posteriormente,conelusodelconcretoenvigasdeaceroparaprotegerlasdel fuegoseempez a utilizar la construccin compuesta. La construccin hbrida es otra forma de

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construccincompuestaqueactualmente tambinseestadesarrollando,yaqueenestaseempleaacerosdediferentesresistenciasenlasdistintaspartesdelaestructura.Elusocompuesto se vino desarrollandoendiferentes estructuras comopuentes colgantes conarmaduras.

AprincipiosdelsigloXXserealizaronvariosestudiosdelasvigascompuestas,yaqueseutilizaba como un sistema para la proteccin contra el fuego. En 1923 se realizaronestudiossobreelcomportamientodevigasembebidasenconcreto,locualen1925Scottpublico los resultados de la investigacin, mas tarde R. A. Caughey estudio elcomportamientodevigascompuestasdeaceroestructuralyconcreto,.En1929CaugheyyScottpublicaronunarticulosobreeldiseodeunavigadeaceroconuna losa de concreto, donde mencionaron que para resistir las fuerzas cortanteshorizontalessetienenqueincluirconectoresmecnicosestosestudiosloshicieronconelusodepuntalesysinpuntales.

Unavezquesehabaextendidoelusocompuesto,seempezaronautilizarconectoresdecortante de diferentes tipos como el de espiral. El uso compuesto se empleabacomnmente en puentes, por lo que se empez a incluir en las especificaciones de laAmericanAssociationofStateHighwayOfficials(AASHO)en1944yelAmericanInstituteofSteelConstruction(AISC)en1952.

La tendencia de las investigaciones se encaminoa seccionesdeaceroconcreto, par locual se trataron sobre aspectos como la tendencia al levantamiento de las losas, laeficiencia de los conectores de cortante de distintos tipos, la adherencia natural entreaceroyconcreto,vibracinyresistencialtima,ylosefectosdelatorsin.

En estos ltimos aos la construccin compuesta es una de las alternativas para losingenieros y arquitectos en el diseo de estructuras, par lo cual su uso se ha idoextendiendo.

3.3.VENTAJASDELACONSTRUCCINCOMPUESTA

En laconstruccincompuesta lavigasiguesiendo todavalamsutilizada,enlospisoscompuestosseaprovechalaresistenciadelconcretoydelacero,haciendoquelamayoradelaseccindelalosatrabajeacompresin,ylaseccindeacerotrabajeatensin.Lasseccionescompuestastienenmayorrigidezencomparacinconlasseccionesdeaceroyconcretoporseparado,aligualquepresentanmenosdeflexiones.Anteriormenteelconcretoseutilizabaparaprotegeralacerocontraelfuegoylacorrosin,sinconsiderarsuscaractersticasestructurales,enlosltimosaoslosestructuristashanaprovechado las propiedades estructurales del concreto en la accin compuesta con elacero lo cual ha proporcionado una disminucin de peso total de las estructuras, a scomotambinde ladimensinde lacimentacin.Lasseccionescompuestassepuedenutilizarenestructurasdegranaltura,ascomotambinenestructurasdepocaalturalascolumnas compuestas sometidas a ciertas cargas en comparacin con las de concretoreforzado,disminuyenconsiderablementesuseccin.

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Alsermspequeasensuperaltelasvigasdepiso,estastransmitenmenospesoalascolumnas, lo cual provoca la disminucin de la seccin de estas. Tambin hay unareduccin en el peralte del sistema de piso, lo cual reduce la altura total del edificio,ahorrando una gran cantidad de los recubrimientos exteriores de cada piso, acortandotambinlalongituddelosductosverticales.Aligualqueelahorroderecubrimientocontraincendiosdelasvigascompuestas.Enlacontemplacindelanlisisdelaestructura,elaumentodelarigidezycapacidaddecargade las secciones compuestas en comparacin con las secciones convencionales,reduceconsiderablementelasdimensionesdelaceroestructural(10al15%delpesototaldelacero),aligualqueelsistemadepisocompuesto,dondelalosaactacomodiafragmaayudandoaresistircargaslateralesqueactansobrelaestructura.

En laconstruccincompuestase tienenquecolocarconectoresdecortanteparaqueelacero y el concreto trabajen como una seccin nica, anteriormente se instalabanconectoresdecortanteenespiral,locualeramuydifcil,aligualqueenlosconectoresdecanal,quetodavasonaceptadosporlasespecificacionesdelAISCyAASHTO.Los conectores de perno resolvi el problema de la instalacin, ya que son fciles demanejarydecolocarlacolocacinsehaceconunapistolaespecial.Losahorrosdecostosdelasvigascompuestas,enrelacinalcostodelasnocompuestasvariaentreel15al25%,tomandoencuentaelcostodelainstalacindelosconectoresde cortante, la soldadura de las cubre placas y el costo del acero estructural. En laconstruccincompuestaestosahorrosestnentreel15al40%,dependiendodeldiseoydelprocedimientoconstructivo.

3.4.CONSTRUCCINCOMPUESTA

Enlospuentescarreterosnocompuestoselproblemamsusualeselagrietamientodelalosayenconsecuenciasudeterioro,yaquelapartedelalosatrabajaencompresinylaparteinferiorentensin,locualestaultimaparteseagrietayconlaaccinrepetidadelascargas estas se van abriendo cada vez ms. La trabe compuesta disminuye esteproblema,yaquesielejeneutroquedaenlauninentrelalosadeconcretoylavigadeacero, la losa trabaja completamente en compresin, y el acero en tensin,aprovechndoseaslascaractersticasestructuralesdelosdosmateriales.Enocasionescuandoelejeneutroquedaenelespesorde la losaysolounapartedeella trabajaencompresin paraevitar esto se leagregauna cubreplacaenel patn inferior de la vigaparalograrqueelejeneutrobajeyquedepordebajodelalosa.

Flexinnegativa

En los puentes carreteros de varios claros continuos,en donde losmomentosmximos(negativos) se presentan en los apoyos interiores, el uso de las cubreplacas se puedeutilizar en esos puntos, lo cual se escoge una seccin de acero que sea capaz desoportarlosmomentospositivos,yenlosclarosdelosmomentosnegativossepuedeusarlascubreplacas.

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En lasseccionesdemomentonegativode lasvigascompuestascontinuasseconsideraquelapartedeflexinnegativaseagrieta,peroapesardeestolalosareforzadatransmitepartedelascargasalasvarillasderefuerzo,porloquelaaccincompuestalaformanelaceroderefuerzoylavigadeacero.Paradeterminarelnumerodeconectoresdecortanteenlaszonasdeflexinnegativa,elAISC,laAASHTOcontienenformulasquesebasanenelreayenlaresistenciadelasvarillasderefuerzo.

Paraevitarelagrietamientodelalosaenlazonadeflexinnegativa,sepuedencolocarconectores de cortante solamente en las zonasdemomento positivo, lo cual elimina laaccincompuestaenlaszonasdemomentonegativodeunavigacontinua.Tambinsepuede presforzar la losa esas zonas demomento negativo para que pueda trabajar encompresin.

Soportelateral

Paraeldiseodevigasdevigascompuestas,antesdequeelconcretofrage,setieneque proporcionarel soporte lateral adecuado al patn de compresinpara evitar que sepandee,yaquesiesinsuficiente,suresistenciadediseo tienequereducirse.Despusde que se ha alcanzado el comportamiento compuesto, la losa proporciona suficientesoportelateralalpatndecompresindelavigadeacero,aligualquecuandoseunenalpatn de compresin de la viga, cubiertas de acero formado o cimbra para el concreto,estasporlogeneralproporcionanelsuficientesoportelateral.Enseccionesembebidaslosmoldesnoproporcionassoportelateral,porloquese tieneque hacer por elementos auxiliares el soporte lateral a las vigas se puede hacer porarriostramiento lateral al patn de compresin de la viga de acero a intervalossuficientementecortos.

Usodeconcretosligeros

Elusodeconcretos ligerosenseccionescompuestasno implicaqueestasseanmenosresistentes que las secciones compuestas con concreto normal. En el clculo de laconexinde cortante, sedisminuye la resistencia de los conectores de cortante, lo cualaumentaelnmerodeconectoresparaobtenerlaaccincompuestatotal.Los factores que ms influyen en la resistencia de los conectores de cortante son elmodulodeelasticidadylaresistencialtimadelconcretoutilizadoenlaaccincompuesta.Losefectosdeflujoplsticoycontraccinaumentanenunaformaconsiderableenestetipodeconcreto.Enelcalculodelasdeflexionesconelusodeconcretosligeros,espesoporcargamuertadisminuye(30%aproximadamente),locualsepodradecirquelasdeflexiones tambin,peronoesas,yaquealreducirseelpesodelconcretoaumentalarelacinmodular, queaumenta las deflexiones de larga plazo, estos dos efectos son del mismo orden y seanulanmutuamente.

En el calculo de la resistencia de los conectores de cortante cuando se use concretoligero, de debenmultiplicar las resistenciasnormales de los conectores por coeficientes

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para reducir el valor de la resistencia, lo cual estos coeficientes los proporciona lasespecificacionesdelAISC(Tabla3.1).Paravalorescomprendidosentre280y350kg/cm2 sepuedenobtenerpor interpolacinenlatabla3.1.

Tabla3.1.Coeficientesdereduccin

Pesounitariodel concretosecoenaire,kg/m3(lb/pie)

1440(90)

1520(95)

1600(100)

1680(105)

1760(110)

1840(115)

1920(120)

Coeficiente,fc280kg/cm2

(4.0Ksi).0.73 0.76 0.78 0.81 0.83 0.86 0.88

Coeficiente,fc350kg/cm2

(5.0Ksi).0.82 0.85 0.87 0.91 0.93 0.96 0.99

Las Normas Tcnicas Complementarias para Diseo y Construccin de Estructuras deConcretodelReglamentodeConstruccionesparaelD.F.nosdicequeelpesovolumtricodelconcreto ligeroes inferiora1.9 ton/m3 yquesolosepermiteelusodeeste tipodeconcreto en elementos secundarios. En las NTC para Diseo y Construccin deEstructurasMetlicasnosdicequeenconstruccincompuestalosconectoresdecortantedebendeestarahogadosenlosashechasconunconcretovolumtriconomenorde1.8ton/m3,porloquetambinpermiteelusodeconcretosligeros.

3.5.VIGASCOMPUESTAS

Eneldiseodevigascompuestaslasquemsfcilmentesediseanyseconstruyen,eslaseccin formadaporunaviga laminada(simtrica,depatinesanchos), yuna losadeconcretoqueapoyaenlavigadeacero(figura3.2a).Paraproporcionarmayorestabilidadcontraelpandeodelpatndecompresindelaviga,estesepuedeembeberalalosacomosemuestraenlafigura3.2b,estaadherencianosetomaencuentaeneldiseoporcortante.

Figura3.2.a,b.

Enlasvigasanterioresenocasioneselejeneutroquedadentrodelalosa,locuallapartesuperior de eje neutro queda en compresin y la parte inferior en tensin, lo queprovocaraquelapartequeestaentensindelalosaseagriete,yconelpasodeltiempose deteriore lamisma. Para evitar este problema se le agrega una cubreplaca al patn

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inferiorde lavigaparaqueelejeneutrobajeypuedaquedaren launinentre losdoselementos,paraquelavigadeacerotrabajetotalmenteentensinylalosadeconcretoen compresin. Tambin se puede hacer con el uso de una trabe armada con el patninferiormsgrandequeelpatnsuperior.

Lafigura3.3muestraunavigaconcubreplacaconconectordecanal.

Figura3.3.Vigaconcubreplaca

En el diseo por cortante se deben cumplir ciertos requisitos, lo cual en vigas que notienenlasuficienteadherenciaoconexinparaquelosdoselementostrabajencomounasolaseccinnoselepuedaconsiderarcomocompuesta.Cuandoexisteadherenciaentrelavigayla losa,comoeslecasodelasfigura3.2a,b,mostradasanteriormente,noseconsideraenelcalculoporcortante.

Enelcasodevigasembebidas(figura3.5), laadherenciadebesertalquedebecumplirciertos requisitos para que le pueda considerar como compuesta, anteriormente elusoprincipal del concreto en las vigas de acero era para protegerlas del fuego, sin que setomaraunaaccincompuesta.

Figura3.4.Vigasconcubiertadeacerotroquelada

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Figura3.5.Vigaembebida

En la figura3.6semuestraunavigacompuesta TsobreT,endonde la T inferioresmsgrandequelaTsuperior,yaqueenvigascompuestassimtricaslosesfuerzosdecompresin sesuelen desplazarhacia lalosadeconcreto,porloquesepuedeutilizarestetipodevigasparaqueelejeneutrobaje.

Figura3.6.VigaTsobreT

TambinsepuedeutilizarunaTlaminadaoformadacondosplacassoldadascomosemuestraenlafigura3.7.

Figura3.7.Vigacon T laminada

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Comolaseccincuadradaeslaquetienemayorrigidezalatorsin,locuallasvigascajnproporcionan esta propiedad, al igual que presentan buena capacidad para soportarcargas.Estetipodeseccionessepuedenaprovecharcomoconductosdecalefaccin,aireacondicionado,para laproteccincontra losincendiosselepuedeusarparaelpasodelquidos con agentes anticongelantes para el control de las altas temperaturas, veasefigura3.8.

Figura3.8.Vigacajn

3.6.PROCEDIMIENTOSDECONSTRUCCIN

En el proceso de construccin del sistema de piso compuesto, para que se puedaconsiderarunaaccincompuesta,elconcretodelalosadebealcanzarporlomenosun75%desuresistenciaencompresinantesdequesealcancelaaccincompuestalospesos debidos a la losa, a la cimbra, y otros que se puedan presentar, deben sersoportadosyaseaporlavigaoporpuntales.Lavigadeacerosepuedeapuntalarantesdequesoporteesascargas,paraqueseansoportadasporlospuntalesynopor lavigadeacero.Sinoseapuntala lascargassonsoportadas por la viga de acero, lo cual la viga debe de resistir todas esas cargasincluyendosupesopropio.

Apuntalada

Antes de colarse el concreto, se colocan las vigas de acero se apuntalan por debajo,posteriormentesecuelaelconcreto.Despusdequeelconcretoalcanzasuresistenciadediseo (75 % de su resistencia en compresin), se quita el apuntalamiento, y la vigacompuestasoportalosesfuerzosdebidosatodaslascargas.

Sinapuntalar

Cuando ya estn colocadas las vigas deacero, a estas se le cuelgan losmoldesde lacimbra para la losa, y posteriormente se cuela el concreto, lo cual las vigas deben deresistirlosesfuerzoscausadosporestospesosyotrosquesepuedanpresentardurantela construccin, posteriormente cuando se alcance el 75 % de su resistencia decompresin del concreto, se quitan los moldes de la cimbra, y la accin compuestasoportalosesfuerzosdebidosalascargasmuertasyvivasquesepresentan.

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Como lascargassonmayoresenvigasnoapuntaladasqueenvigasapuntaladasantesdequeelconcretofrage,locualprovocaquelosesfuerzosenlalosadeconcretodelaviga apuntalada sean mayores, y los esfuerzos en el acero sean menores. Pero laresistencialtimadelasvigasnodependedeloanterior.

Laconstruccinapuntaladapermiteelusodevigasmaschicasensuseccin,yaquelaviga no tiene que soportar las cargas antes de que el concreto frage, lo cual permiteahorro en el acero en comparacin con la construccin no apuntalada, pero estadisminucindelaseccinprovocaqueproporcioneunamenorresistenciaultima,esdecirsisetienendosvigascompuestasconlamismaseccindeacero,unaapuntaladaylaotrano,estaspresentanlamismaresistenciaultima.Lo cual gran parte de las vigas compuestas no se apuntalan, como en los puentescarreteros,yaqueesunaoperacindelicada, yque lamayorade lasvecessupera loscostosdelahorrodelacerodebidoacostodelospuntalesydelamanodeobra.

FormuladeapuntalamientodelAISC

ElAISCdicequeelmodulodeseccinde laviga, referidoal patnde tensin,nodebeexcederde:

SsM

M35.035.1Str

D

L

+ =

En el pasado se sola disear en dos etapas las secciones compuestas, donde losesfuerzosenelaceroproducidosporlacargamuertasecalculabanconlarelacinMD/Ss,y se sumaban a los esfuerzos en la seccin compuesta debidos a la carga vivacalculndoseconlarelacinML/Str,elesfuerzototalenelpatninferiorera.

Str

M

Ss

Mfb LD + =

Comolaresistencialtimadelasvigasnodependedequesisehayanapuntaladoonoycomoelfactordeseguridaddelacapacidadltimadeseccionescompuestasesaltoseaumentael35%, elesfuerzodevigascompuestasnoapuntaladases:

Str

)MM(35.1fb LD

+ =

IgualandolasdosecuacionesanterioresymultiplicndolaporStr,seobtienelaecuacindelAISC:

SsM

M35.035.1StrStr

Str

)MM(35.1

Str

M

Ss

Mfb

D

LLDLD

+ = =

+ = + =

EstaecuacinlimitalarelacinStr/SssiStrdelaseccionesmayorqueeldelaformulasetomaStrdelaecuacinparaelcalculodelesfuerzorealdeflexinenelpatnatensindelaseccincompuesta.

30

3.7.DIMENSIONAMIENTO

En la construccin no apuntalada las vigas de acero deben dimensionarse para quesoportenelpesopropiodelacimbraydelconcretofresco,ascomolascargastemporalesproducidasporobrerosyequipoparaelcolado.En la construccin apuntalada se supone que la seccin compuesta soporta todas lascargas.Lasvigascompuestasenserviciodebensercapacesderesistirlatotalidaddelascargasvivasymuertas.Lasdimensionesdefinitivasdelmiembrocompuestosevenafectadasporconsideracionessobrelascondicionesdesoportelateral,deflexionesyusodecubreplacas,lomismoquecualquierotrodiseodeacero.

Paradeterminarelanchodelosaqueactaenaccincompuestaconlavigadeacero,seconsiderauniforme ladistribucindeesfuerzosdebidoaquelosconectoresdecortanterestringen las deformaciones de la losa y al retraso del cortante, se presentn losesfuerzos mximos porencimadelavigadeaceroylosmnimosentrelasvigas,loquedaorigenaunadistribucinnouniformedeesfuerzoslongitudinalesentodoelanchodelalosaqueactaenaccincompuesta.

Figura3.8.Esfuerzosenelanchoefectivodelalosadeconcreto

Anchoefectivodepatines.

Lasespecificacioneslimitanelanchoefectivodelalosaqueestenfuncindelclaro,elperaltedelalosaylaseparacinentrelasvigas.Elanchoefectivodelalosadeconcreto(be),tomadoenambosladosdelejelongitudinalde la viga de acero (seccin 13.1 del AISC). Debe tomarse el valor mnimo de lossiguientescriterios:

1.X=1/8clarodelavigamedidoentrecentrosdeapoyo.2.X=deladistanciaentreeleje delavigaalalneacentraldelavigaadyacente.3.X1=Ladistanciaalbordedelalosa(aplicablesolamenteavigasdeborde).

31

Figura3.9.beenunavigainterior

Figura3.10.beenunavigadeborde

Figura3.11.beenvigas

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RequisitosdelaASSHTO

Vigainterior.

1.be=1/4clarodelaviga2.be=12veceselespesormnimodelalosa.3.be=distanciaentrecentrosdelasvigas.

Vigadeborde.

1.be1/12delclaro.2.be6veceselespesordelalosa3.be1/2deladistanciaentrelosejesdelavigaylaadyacente.

Figura3.12.beparaunavigainteriorydeborde

3.8.CONECTORESDECORTANTE

3.8.1.INTRODUCCIN

Paraqueuna losadeconcreto, trabajecomounaunidadcon lavigadeacerodebedetenerlasuficienteadherencia,locualseproporcionaconconectoresdecortante,yaquelaadherencianaturalentrelasdoscomponentesnoessuficienteenlasvigasembebidas,sicumplenciertosrequisitosdeadherencia,nonecesitanconectoresdecortante.Losrequisitosquesedebencumplirenlaaccincompuesta,esquesedebederesistirlafuerzahorizontalqueseproduceentrelavigaylalosa,debidoalascargasalasquevaestarsometidalaseccincompuesta,al igualquenosedebepermitirqueselevantelalosa.Para el calculo de los conectores de cortante no se toma en cuenta la adherencia queexiste entre la losade concreto y la viga de acero, lo cual proporciona una reserva deresistenciaalcortantehorizontal,enpuentescarreterossevadestruyendolaadherenciadebidoalascargasmvilesydeimpacto,estaadherenciaesdifcildeterminarla.

33

3.8.2.DESARROLLODELOSCONECTORESDECORTANTE

Enel uso compuesto en vigas embebidasde aceroconcreto se ha comprobado que laadherencianaturalentreestosdosmaterialesincrementalaresistencia,peroentiemposatrsserealizaronvariosestudiossobre comportamientocompuesto.En1911W.BasilScottcompilunaseriedetablasdecapacidaddecargadelarguerosdeaceroahogadosen concreto, para una empresa britnica fabricante de estructuras. Se realizarondiferentesestudiossobreelcomportamientocompuestoysobreconectoresdecortante.Posteriormente en vigas deacero conuna losade concretoCaughey yScott en 1929mencionaron que se debe emplear algn tipo de conector mecnico entre las doscomponentespararesistirlasfuerzasdecortantehorizontalesactuantes,recomendaroneluso de pernos como conectores de cortante. Ms adelante se empezaron a emplearconectoresdecortanteenespiralenSuizayplacasdecortanteenpuentesenE.U.A.

Enlaactualidad,elmanualdelAISCproporcionalascargaspermisiblesparaconectoresdepernoydecanal,peroelconectordecortantequemsseempleaeseldelpernoconcabeza.Elpernoconcabezasoporta la fuerzacortantehorizontal trabajandoa flexin,msquepor aplastamiento del concreto contra l, y la cabeza proporciona resistencia excelentecontra el levantamiento de la losa. El extremo inferior del perno esta relleno de unfundenteelpernoseajustaaunapistolaespecialyseestableceunarcounarcoelctricoentresuparteinferioryelpatndelaviga,demaneraqueseformaentreellosuncharcodemetalfundido.Paraquelasoldaduraquedelimpiayuniforme,elcharcoseconfinaconunelementodecermica.Laoperacinsecompletaempujandoelpernodentrodelmetalfundido con la pistola. La longitud original de los pernos es un poco mayor que laespecificadoenelmanualdelAISC,paraqueunavezcolocadosquedenconlalongitudcorrecta.EnlasltimasedicionesdelasespecificacionesdelAISC,delaAASHTOydelACInomencionanlosconectoresdecortanteenespiral,queantesseusabanmucho.

3.8.3.TIPOSDECONECTORESDECORTANTE

Anteriormenteseutilizabancomoconectoresdecortantealgunoselementoscomobarras,espirales, ngulos, canales, secciones Z, Tes, pedazos de viga I, etc. (vease la figura3.14).Enlaactualidadlosconectoresquemasseutilizansonlosdepernoconcabezaporsufacilidadensucolocacin(figura3.13),enalgunoscasosseutilizanloscanales.

Figura3.13.Conectordeperno

34

Figura3.14.diferentestiposdeconectoresquesehanutilizado.

3.8.4.CONEXINDECORTANTE

En el diseo de conectores, segn las especificaciones del AISC, no se debe hacerusando elmtodo elstico pormedio de la formula fv=VQ/I, como en la soldadura o elatornillado, sino tomando como base su resistencia ultima (diseo plstico), aunque lasdimensionesdelavigasedeterminenelsticamente.Locualelnmerodeconectoresdecortantedebesersuficientepararesistirelcortantehorizontalquesedaenlasuperficiede contacto del acero y del concreto, colocados con separaciones uniformes(generalmenteenpares),desdeelpuntodemomentonulolapuntodemomentomximo.

Enlafigura3.15semuestranlasfuerzasqueseproducenenlavigasujetaacargaltima.

Fugura3.15

Semuestrandosdistribucionesdeesfuerzosdistintosproducidosporcargasltimas,quecorrespondenaposicionesdiferentesdelejeneutro.

35

Donde:

T=AsFyC1=0.85fcbetC=0.85fcbea

Sielejeneutroestaenlalosa,porequilibriosetiene

T=C,C

36

Porlotantoelnmerodeconectoreses:

N1=Vh/Qn

Donde:Qn=eslaresistencianominalporcortantedeunconector.

Laresistenciadelasoldaduraqueunealosconectoresconelpatndelavigadeaceroescuandomenosigualalaresistenciadelconector.

Las especificaciones AISC proporcionan dos ecuaciones para la resistencia de losconectores de tipo perno de cabeza redonda (longitud mnima a 4 del perno) y tipocanal, al igual que las NTC para Diseo yConstruccin de EstructurasMetlicas delRCDF.

El nmero de conectores N1 se pueden distribuir uniformemente entre los puntos demomentonuloymomentomximo.Cuandosepresentancargasconcentradas,sedebencolocarconectoressuficientes(N2)entreelpuntodelacargaconcentradayelpuntodelmomentonulo.

1

1maxM

- b

- b

=

M

N1N2

Donde:M=momentoenelpuntodeaplicacindelacargapuntualN1=nmero de conectores de cortante entre el punto de momento mximo y el demomentonulo=(Str/SsSef/Ss).

Si el momento mximo se presenta en el punto de aplicacin de la carga puntual laformulasereduceaN2=N1.

Figura3.16

37

Requisitosdeespaciamientodelosconectoresdecortantedecabeza.

El dimetro mximo de los conectores no debe ser mayor que 2.5 veces el espesordelpatndelperfildeacero,anoserqueselocalicensobreelalma.

Lalongitudmnimadelconectoresde4dimetrosdelconector. Laseparacinlongitudinalmnima entrecentrosdeconectoresesde6dimetrosdelconectorenpalcasslidasy4dimetrosenlminas.

La separacin longitudinal mxima entre centros de conectores es de 8 veces elespesordelalosa.

La separacin transversal mnima entre centros de conectores es de 4 dimetros delconector.

Elespaciamientomnimoparalasdosdireccionesesde4dimetrosdelconectorparalosconectoresqueestndentrodelascostillasdeaceroformado.

En algunos casos el espacio transversal no es suficiente para darle el espaciamientomnimo,locualsepuedencolocardeunaformaalternada.

Figura3.17

Requisitosparaelrecubrimientodelosconectoresdecortantedecabeza.

Elrecubrimientolateralmnimodebeser 2.50cm.Noaplicableaconectoresdentrodecubiertasdeaceroformado.

Cuandoseusancubiertasdeacero formado, losconectoresdebentenerundimetronomayorque1.91cm(pulg.)2.5tf,estosdebendesobresalircomo mnimo3.81cm(11/2pulg.)porencimadelacubierta.El IMCAseala4cm, yelespesordelalosadeconcretoarribadelapartealtadelalaminadeaceroacanalada,nosermenorque5cm (2pulg.).

Tabla3.2.TamaosdeconectorescomunesDimetro(cm) xLongitud(cm)

1.27x5.08(x2)1.59x6.35(5/8x2)1.91x7.62(x3)2.22x8.89(7/8x3)2.54x10.16(1x4)

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ConectoresdecortantesegnlasespecificacionesAASHTO

LasespecificacionesdelaAASHTOindicanqueeldiseodelosconectoresdecortantedebehacerseporfatigayrevisarseporresistenciaultima.El diseo por fatiga se basa en la ecuacin fv=VQ/I, que se aplica en general a unascuantasseccionesde laviga.Lacapacidadpermisibledeunconector (Zr)dependedelnmero de ciclos de esfuerzomximo a que vayaestar sometido, y se calcula con lasformulasquesemencionanacontinuacin.LaAASHTOindicaelnmerodeciclosquesedebenconsiderarparaclarosdedistintaslongitudesycarreterasdedistintostipos.

CANALES

Zr=BwDondeZr=resistenciapermisibledeunconectordecortante,enkg.w=Longituddelcanalusadacomoconector,encm.B=constanteporfatiga=714.17para100,000ciclosdecarga=535.63para500,000ciclosdecarga=428.50para2,000,000ciclosdecarga

PERNOS

Zr=dDondeZr=resistenciapermisibledeunconectordecortante,enkg.d=dimetrodelperno,encm.=constanteporfatiga=913.80para100,000ciclosporcarga=745.10para500,000ciclosdecarga=551.80para2,000,000ciclosdecarga

Larelacinalturadimetro(H/d)depernossoldadosdebesermayoroigualque4.0.

Revisinporresistenciaultima.

Despusdequelosconectoressehandiseadoporfatiga,hayquerevisarlosparaversisonsuficientesparadesarrollarlaresistencialtimadelaviga.Larevisinsehaceconlaexpresin

N=P/Su

DondeN=nmerodeconectores=0.85Su=resistenciaultimadeunconector.P=AsFy,0.85fcbetsArFyr.

39

Laresistenciaultimadeunconectorenkgestadadaporunadelassiguientesfrmulas:

CANALES

c`fw2t

h817.145Su

+ =

PERNOSc`fd564.246Su 2 =

Donde:d=diametrodelperno,encm.h=espesorpromediodelpatndelcanal,encm.t=espesordelalmadelcanal,encm.w=longituddelcanalutilizado,encm.

3.8.5.RESISTENCIADELOSCONECTORESDECORTANTE

En las secciones compuestas es permisible usar concreto peso normal (hechos conagregados especificados en la norma ASTMC33) o bien, concreto ligero con peso nomenor de 1440 kg/m3 (90 lb/pie) (hecho con los agregados especificados en la normaASTMC330).LasNTCparaDiseoyConstruccindeEstructurasMetlicassealaquesedebenusarconcretosligerosconpesovolumtriconomenorque1.8Kg/m3.

Pernosdeconexinporcortante(esprragos)

Laresistencianominalporcortanteenkgdeunesprragoembebidoenunalosaslidadeconcreto se determina con la formula siguiente, donde Asc es el rea de la seccintransversaldelmangodelconectorencm2yfceselesfuerzodecompresinespecificadodelconcretoenkg/cm.Eceselmdulodeelasticidaddelconcretoenkg/cmyesigualawc1.54142.835fc endondewceselpesounitariodelconcretoenton/m.FinalmenteFues la resistencia a tensinmnimadel conector en kg/cm (4200 kg/cm2 igual a 60Ksi,AWS1996).Las NTC para Diseo y Construccin de Estructuras Metlicas seala que se debentomar el modulo de elasticidad del concreto de concretos de peso volumtrico normal(mayor o igual a 2 ton/m3) se supondr igual a c'f10000 en kg/cm2. Para concretosligeros se determinara con lo prescrito en las NTC para Diseo y Construccin deEstructurasdeConcreto.Tambinenlasformulasdelcalculodelaresistenciadepernosycanales sustituyeafcporf*c=0.8fc.

AscFucEcf'0.5AscQn =

Latabla3.3vieneenelmanualLRFDymuestraunaseriedevaloresQncalculadosconestaecuacinparaesprragosde 1.91cm(pulg.),deaceroA36yembebidosenlosas

40

de concreto con varios valores de fc y peso de1840 kg/m3 (115 lb/pie3) y 2320 kg/m3

(145lb/pie).

Canalesdeconexinporcortante

Laresistencianominalacortanteenkgdeuncanalsedeterminaconlafrmula,endondetfytwson,respectivamente,losespesoresdelpatnyelalmadelcanalLceslalongitud.

( ) cEcf'Lc0.5twtf0.3Qn + =

Pernosdeconexinenlascostillasdecubiertasdeacero

Cuando se colocan conectores en las costillas de acero, sus capacidades nominalesdeterminadas deben reducirse por la expresin Qn apropiada. Se proporcionan dosfactores de reduccin uno de los cuales es para el caso en donde las costillas de lacubierta sonperpendiculares a las vigas y el otro para el casoendonde son paralelas.Esos factores toman en cuenta los efectos de la separacin de los conectores y lasdimensiones de las costillas. Si el factor apropiado resulta menor de 1.0, debemultiplicarsesteporQn.

Tabla3.3.ResistencianominalacortanteQn(kg)deconectoresdeplgconcabeza(esparragos)

fckg/cm2(Ksi)

wcKg/m3(lb/pie)

QnKg(Kips)

210(3.0) 1840(115) 8026.95(17.7)210(3.0) 2320(145) 9523.5(21.0)246(3.5) 1840(115) 8979.3(19.8)246(3.5) 2320(145) 10702.6(23.6)280(4.0) 1840(115) 9795.6(21.9)280(4.0) 2320(145) 11836.35(26.1)

Conectoresdecortantedeotrostipos

Losconectoresmasutilizadossonlospernosyloscanales,tantoelAISCcomolasNTCparaDiseo yConstruccin deEstructurasMetlicas proporcionan las resistenciasparaestos casos, pero tambin permiten el uso de otros conectores si se realizan ensayesapropiadospardeterminarsuresistencia.

Anteriormenteseconstruyeronestructurasconconectoresdecortantedeotros tipos,enocasiones se tiene que evaluar la resistencia de la estructura, por consiguiente laresistenciadeesetipodeconectoresutilizados,paralocualsiseconocelapocaenquesediseolaestructura,sepuedeinvestigarelreglamentoconbaseacualdedisearon.El Joint Progress Report de 1960 del AISC y de la ASCE proporciona algunascapacidadesdecargaparaalgunostiposdeconectores.

41

PERNOS q=165dfcESPIRALES q=cargapermisibleporpaso,enlb.

q=1900db 4 cf'CANALES q=90(h+0.5t)wfc

h=espesormximodelpatn,enpulg.t=espesorpromediodelalma,enpulg.

Silaestructuracompuestaaqueseledeseadeterminarseresistenciautilizolasformulasanterioresypor loconsiguiente losconectoresysiusoconcretode (210kg/cm2)3000lb/pug2.

Paraunpernodepulg.

kg67.2305lb508430004

3165q

2

= =

=

Espiralconvarillade5/8pulg.

paso/kg49.3985paso/lb8788300085

1900q 4 = =

=

Canalde5X6.7,y6pulg.delongitud.

kg66.7310lb1612030006))19.0(50.045.0(90q = = + =

En ocasiones no se cuenta con un reglamento para determinar la resistencia de losconectores por lo que se tieneque hacer utilizando los principios bsicos demecnicaestructuralparaevaluarlaresistenciadelaestructuracompuesta.

En laedicinde1953delAlphaCompositeConstructionEngineeringHandbokpresentatresanlisisqueacontinuacinsepresentan.

Enlostressesuponequesehahechoelclculodefv=VQ/Iyqueelcortanteaplicadoesde321.38Kg/cm (1.8Kips/pulg).

Espiral

Fuerzahorizontalresistidaporlavarillaenespiral:

F=2Asp fsy=sH

Donde,H=321.38kg/cm.

ComoencadapasodelaespiralhaydosreasdevarillasiseusanbarrasdelNo.5,conAsp=1.98cm2,yaceroconesfuerzopermisibleFsyde(1406kg/cm2)20ksisetiene,

Paso cm32.1738.321

)1406)(98.1(2H

FsyA2s sp = = =

42

Figura3.18

Eldimetrodelaespiralnoesmuysignificativoparadeterminarlaresistenciadeestetipodeconector,yaqueelfactordominanteeseldimetrodelavarilla.

Conectordeplacainclinado

Seusaunaplacade3pulg.dealto,6pulg.delargoy5/8.degrueso.

Se considera que le esfuerzo permisible del acero es de 1406 kg/cm2 (20 Ksi) y delconcretode0.45fc=0.45(210)=95kg/cm2(1.35Ksi),estosvaloressepuedenmodificardeacuerdoalaedaddelaestructuraenladcadadeloscincuentaerafrecuenteelanlisisdelosconectoresdecortantesehicieraincrementandolosesfuerzospermisiblesbsicosen50%.El aplastamiento del conector contra el concreto produceesfuerzos enste se suponequeestndistribuidoscomosemuestraenlafigura3.19.

Figura3.19

Cargapermisibleenelconcreto=0.50fcAIncrementandoel50%alesfuerzopermisible,queda:=1.5(95)(0.5x7.62x15.24)=8274.18kg

Para calcular la carga admisible en el acero se supone que la placa es un pequeocantilverempotradoenelpatndelaviga,sedeterminasumomentoresistenteyconlsecalculalacargapermisible.

43

Figura3.20

Espococomnqueseancrticoselcortanteenlaplacaolosesfuerzosenlassoldaduras.

Mrdelaplaca=Sxfsy

Sx=bh2/6

=(1.5)(1406)(15.24x1.59/6)=13542.68kgcm

Ladistribucintriangulardelosesfuerzosproducidosenelconcretoporlaplacade7.62cm de alto hace que el centroide de la carga se encuentre 2.54 cm arriba del patnsuperiordelaviga.

Mr=cargaxbrazoCarga=Mr/brazo=13542.68kgcm/2.54cm=5331.76kg

Como5331.76kg

44

Figura3.21

C3x5,Mr=Sxfsy

Sx=bh2/6 h=tw=0.655cm

Mr=(1.75)(1406)(15.24x0.655/6)=2683.89kgcm

Mr=cargaxbrazo

Comoelpuntocriticoestaenlauninconelalmadelacurvadetransicinentreellayelpatninferior,lacargalocalizadaenesepuntoes:

Carga=Mr/brazo=2683.89/0.794=3380.21kg

Como3380.21kg

45

compresin, as que es necesario orientarlos correctamente para que transmitan elcortantehorizontal.

ElreglamentoACIproporcionalalongituddeanclajeparaquelaresistenciadelasvarillasderefuerzosedesarrolleporcompleto,queesiguala:

Ld=0.04Abfy/fc

Figura3.22

Lalongitudddesarrollodeunavarilladeacerogrado60delNo.8,enconcretode3000lb/pulg.(210kg/cm),esde34.6pulg.(87.9cm),valormuyparecidoaldelcdigoalemn.SegnelmtodoalternodediseodelreglamentodelACI,

Cargapermisibleencadaconector=reaxesfuerzopermisible(24Ksi=1687kg/cm2).

Cp=5.07cm2(1687kg/cm2)=8553.09kg

Enelcdigoseindicaquesedupliquenlosvaloresdelcortantealcalcularlalongituddeanclajedel refuerzo.SiseutilizaelvalorH=1.8kips/pulg (321.38kg/cm),quesecalculoantes,

Separacin=8553.09/(2x321.38)=13.31cm

3.9.RESISTENCIAPORFLEXIN

Para regiones de momento positivo la resistencia de diseo por flexin b Mn sedeterminacomosigue:

46

1.Si el alma de la viga de acero es compacta, es decir, siFy

640twh

(perfilesW

laminadosdeaceroA36),dondehytwenpulg.,FyenKsi, b=0.85yMnsecalculaconladistribucinplsticadeesfuerzosdelaseccincompuesta.Dondeseconsideraquelaseccindeacerosehaplastificadototalmente,yunesfuerzouniformedecompresinenlalosadeconcretoiguala0.85fc,tambinseconsideraquelapartedelalosaqueestaentensinnosoportaesfuerzos.

LasNormasTcnicasComplementariasparaDiseoyConstruccindeestructuras

Metlicassealanparaestecaso,quedebedeserFytw

h 5366 ,dondehytwencm,Fy

en kg/cm2, (que es el mismo limite que el empleado por el AISC). Donde el esfuerzouniformedecompresinenlalosadeconcretoesiguala0.85 f*c,si f*c250kg/cm2

c*f1250

c*f

-05.1 ,sif*c>250kg/cm2,dondef*c=0.8fc,queeslaresistencianominaldel

concretoencompresinyfc=0.85F*c,queeselesfuerzouniformeenelconcreto.

Elejeneutroplsticopuedepresentarseenelespesordelalosadeconcreto,enelpatnsuperiordelavigadeaceroyenelalmadelavigadeacero.

Ejeneutroenlalosadeconcreto

Lafuerzadecompresinresultanteenlalosaes0.85fcbeayactaaunadistanciadea/2desdelapartesuperiordelalosaylafuerzadetensionresultanteenelaceroesFyAs yactaenelcentroidedelavigadeacero.

Figura3.23

Porequilibriosetiene:

47

AsFy=0.85fcbeaDespejandoa:

cbe0.85f'AsFy

a =

Sielejeneutrocaeenelespesordelalosa,esdecir:ts a

LacapacidadpormomentoplsticoMpes igualaAsFy0.85fcbeamultiplicadopor ladistanciaquehayentresuspuntosdeaplicacin.

- + =

- + =

2a

2d

bea'85.02a

2d

FyAsMp tscfts

Ejeneutroenelpatnsuperiordelavigadeacero

La fuerza resultante de compresin es 0.85fcbets + Fybfyp, y la fuerza de tensincorrespondienteenelaceroesFy(Asbfyp).

Figura3.24

Porequilibrio:

0.85fcbets+Fybfyp=Fy(Asbfyp)

0.85fcbets+2Fybfyp=FyAs

2Fybfcbets0.85f'FyAs

Yp = ,estedalaposicindelejeneutroplsticotomadodesdelaparte

superiordelpatn.

48

Elejeneutrocaeenelespesordelpatinsi0Yptf.

LacapacidadpormomentoplsticoMpseobtienetomandomomentosenelpuntoA:

- +

+

+ = Yp

2d

FyAs2Yp

FybfYp22ts

Ypcbets0.85f'Mp

Ejeneutroenelalmadelavigadeacero

La fuerza de compresin resultante es 0.85fcbets +Fybftf +Fy tw(yptf) y la fuerza entensinesFy(AsFybftftw(yptf)).

Figura3.25

Porequilibrio:

0.85fcbets+2Fybftf+2tw(yptf)=FyAsDespejandoyp:

- - + =

Fytw2tsbecf'0.85

twtfbf

tw2As

tfYp ,tomadodesdelapartesuperiordelpatndelaviga

deacero.

LacapacidadpormomentoplsticoMp,sehacetomandomomentosdeacuerdoalpuntoA:

( )

- + +

+

+ = Yp

2d

AsFytfYpFytw2tf

YptsbfFy22ts

Yptsbecf'0.85Mp 2

49

Por lo tanto si As fy es menor que 0.85fcAc el ENP cae en la losa y si es en formacontrariaelENPcaeenelacero.ParaseccionesparcialmentecompuestasdondeQnesmenor que AsFy el ENP estar en la seccin de acero y si cae en el patn se puededeterminarconlaexpresincorrespondiente.

Enzonasdemomentonegativo

La resistencia de diseo a la