Nueva tendencia en lanormalización del diseñode estructuras de acero

Presentación de la nueva norma unificada AISC 360-2010

Historia

Norma de estado límitePara cualquier solicitación o combinación de solicitaciones lanorma define una resistencia nominal Rn para cada solicitacióno combinación de solicitaciones:

LRDF ASD

La resistencia nominal Rn es la misma para ambos métodos. No aparecen tensiones, se expresa en solicitaciones: fuerzas o momentos nominales

훺 – Factor de seguridad (varía con las distintas solicitaciones)Rn/ 훺 – Resistencia admisibleRa – Resistencia requerida utilizando combinaciones de carga de ASD

Ra=D+L

휱 – Factor de resistencia (varía con las distintas solicitaciones)휱 Rn – Resistencia de diseño Ru – Resistencia requerida utilizando combinaciones de carga de LRFD

Ru=1,2D+1,6L

CargasSe calculan con la norma ASCE 7- «Minimum Design

Loads for Buildings and Other Structures», la cualdefine estados de carga para diseño en hormigón,madera y acero en edificios (no se aplica a puentes).

La última versión de esta norma es del 2010, pero la quedefine las cargas de viento con un período de retornosimilar a la norma UNIT 50-84 es la de ASCE 7-2005.

Define 4 categorías de edificios según la siguiente tabla:

Cargas – ASCE 2005

Combinaciones de carga –LRFD -ASDASCE7-2005 -LRFD

ASCE7-2005 - ASD

1. D3. D+L5. D+W6. D+0,75(L+W+Lr)7. 0,6D+W

1. 1,4D2. 1,2D+1,6L4. 1,2D+1,6W+L+0,5Lr6. 0,9D+1,6W

Cargas de vientoEl coeficiente que multiplica las cargas de viento pasóde 1,6 a 1, porque en la ASCE7-2010 se consideranvelocidades de viento en el estado límite,correspondientes a un periodo de retorno mayor.

Categoría Tiempo de retorno

Servicio (2005) Límite (2010)

I 25 300

II 50 700

III y IV 100 1700

Calibración Se obtiene el mismo dimensionado por los métodosLRDF y ASD para el caso en que la sobrecargatriplica al peso propio, es decir L=3D.

Por ASD en LRFD

na

RLDR .6.12.1 nu RLDR

..41,6.3D1,2D).(1,6L1,2D

ecuaciones ambasen Rn Despejando

3DL si DLD

5,146.

LRDF vs. ASD

DL1.5,1DL1,6.1,2

..1,6.L1,2D

LDASDLRFD

• Generalidades• Requerimientos de diseño• Diseño para la estabilidad• Diseño de miembros a tensión• Diseño de miembros a compresión• Diseño de miembros a flexión• Diseño de miembros a cortante• Diseño de miembros para esfuerzos combinados

y torsión• Diseño de miembros compuestos• Diseño de conexiones

Organización de la norma

Organización de la norma

Organización de la norma

Solicitaciones – Directa de tracción

Ag- área bruta de la sección Ae – área efectivaFu- tensión de rotura Fy- tensión de fluenciaPn- esfuerzo nominal de tracción

En el segundo caso se consideran coeficientes mayores por la forma de falla en estado límite.

a) Fluencia en sección bruta.

b) Fractura en sección neta.

Pandeo por flexión

Siendo Ag-área bruta y Fcr la tensión crítica

Tensión crítica Si entonces

Si entonces

Siendo:E- módulo de elasticidad r-radio de giro de la sección kL-longitud de pandeoFe-tensión crítica de Euler

Solicitaciones – Directa de compresión

Esbeltez máxima 200

Solicitaciones – Directa de compresión

Solicitaciones – Directa de compresión

FB flexural bucklingTB torsional bucklingFTB flexural-torsional bucklingLB local buckling

Para secciones cargadas en su plano de simetría.

Define el esfuerzo nominal a flexión como el menor delos valores de Mn hallados de las verificacionescorrespondientes a fluencia y a pandeo lateral-torsional.

Fluencia

Mn=Mp=FyZx

Zx módulos plástico de la sección

Solicitaciones - Flexión

Solicitaciones - Flexión

Y- fluenciaLTB-pandeo lateral torsionalFLB-pandeo local del alaTFY-fluencia del ala a tracciónWLB – pandeo local del almaLB- pandeo local

Miembros con al menos un plano de simetría sometidos a esfuerzos de flexión y carga axial.

Diferencia en dos casos:

a) Si

b) Si

Siendo :-Pr, resistencia axial requerida -Pc resistencia axial disponible-Mr resistencia a flexión requerida -Mc resistencia a flexión disponible

Combinación de solicitaciones

Combinación de solicitaciones

Secciones compuestasSe deberán verificar 3 resistencias nominales:

Resistencia de la sección de aceroResistencia de la losa de hormigón armadoResistencia de los anclajes

vwyn CAFV ...6,0

Aw – área del alma, se calcula como la altura total del perfil por el espesor del alma.Cv – coeficiente de cortante en el alma

jAsFM yn ..

Análisis y diseño para la estabilidadSe debe considerar:

- Los efectos de segundo orden, o sea determinar lassolicitaciones teniendo en cuenta la geometría de laestructura deformada.

- Las imperfecciones geométricas.

- La reducción de las rigideces debida al posiblecomportamiento inelástico del acero.

- Incertidumbres en rigideces y resistencias.

Dada la no linealidad del análisis, los efectos dependientes de las cargas se deben determinar en estado límite.

Para ello se siguen dos caminos distintos según el criterio de diseño que se emplee:

▫ LRFD Se usan en el diseño las solicitaciones calculadas para las combinaciones de cargas correspondientes al método.

▫ ASD Se usan en el diseño las solicitaciones divididas por 1,6 luego de haberlas calculado para las combinaciones de cargas correspondientes al método multiplicadas por 1,6.

Para calcular las solicitaciones en base a estas premisas la Norma AISC 2010 preconiza utilizar el denominado Método de Análisis Directo (DAM). Admite otros métodos simplificados, pero con limitaciones en su campo de aplicación.

Análisis y diseño para la estabilidad

Consiste en calcular las solicitaciones en laestructura teniendo en cuenta las basesindicadas anteriormente.

En estructuras no desplazables lascolumnas tendrán solamente el efecto desegundo orden P δ debido a la deformaciónentre sus extremos. En el caso deestructuras desplazables aparece ademásun efecto de segundo orden P Δ debido aldesplazamiento relativo de los extremos,que se suma al P δ.

Método de análisis directo

Las imperfecciones pueden ser introducidas adoptando lastolerancias de alineaciones de los nudos dentro de las reglas debuena construcción, o las reales imperfecciones, si se conocen.Como alternativa práctica se toma la geometría nominal de laestructura (sin imperfecciones y columnas verticales) y se agreganCargas Ficticias horizontales en cada piso

Ni = 0,002αYi

▫ Yi es la carga de origen gravitatorio aplicada al nivel i calculadas para lacombinación de cargas que corresponda según el método adoptado(LRFD o ASD)

▫ α = 1 para LRFD α= 1,6 para ASD.

Estas cargas ficticias equivalen a una desviación de la vertical delas columnas de l/500, que es el límite máximo aceptado comobuena práctica constructiva.

Método de análisis directo

Además se tiene en cuenta una reducción de las rigideces de las barras según el siguiente criterio:

• 0,8 a todas las barras que contribuyen a la estabilidad de la estructura

• un factor de reducción adicional τb para las barras comprimidas:

-τb = 1 si αPr/Py ≤ 0,5

-τb = 4 αPr/Py (1- αPr/Py ) si αPr/Py > 0,5

-α es el anteriormente definido -Pr es la compresión axial requerida según el método (LRFD o ASD) -Py es la resisitenca axial de fluencia a compresión.

Este coeficiente τb tiene en cuenta el módulo de elasticidad tangente cuando la carga requerida supera la mitad de la que hace fluir la totalidad de la sección a compresión.

Método de análisis directo

Método de análisis directo

-τb = 1 si αPr/Py ≤ 0,5 -τb = 4 αPr/Py (1- αPr/Py ) si αPr/Py > 0,5

Los requerimientos básicos se tienen en cuenta de la siguiente forma:

• IMPERFECCIONES GEOMÉTRICAS▫ De las posiciones de los nudos mediante las cargas ficticias o la

modelación directa▫ Del miembro sobre la respuesta estructural en la reducción de

rigidez 0,8 τb▫ Del miembro sobre su propia resistencia incluida en la relación

resistencia esbeltez

• REDUCCION DE RIGIDEZ DEBIDA A INELASTICIDAD▫ En la respuesta de la estructura mediante la reducción de rigidez

0,8 τb▫ En la resistencia del miembro mediante la relación resistencia

esbeltez

• INCERTIDUMBRE EN RESISTENCIAS Y RIGIDECES▫ En la respuesta de la estructura mediante la reducción de rigidez

0,8 τb▫ En la resistencia del miembro mediante la relación resistencia

esbeltez

Método de análisis directo

Calculadas las solicitaciones (P, M) de la pieza se procede a su diseñousando las ecuaciones de interacción directa-momento.

Se toma la resistencia nominal en compresión centrada como lacorrespondiente a la esbeltez de la pieza referida a su luz real pues laNorma AISC preconiza abandonar el uso de la luz de pandeo porlas dificultades de su real determinación, sobre todo en estructurasdesplazables.

Para la determinación del momento nominal de la pieza se debe tener encuenta eventuales riesgos de inestabilidad (v.g. inestabilidad de la formaplana de la flexión).

Método de análisis directo

Bibliografía• ANSI/AISC 360-10 “Specification for Structural Steel Buildings”, American

Institute of Steel Construction, June 22, 2010

• ASCE 7- 05 y ASCE 7 – 10 “Minimum Design Loads for Buildings and Other

Structures”, American Society of Civil Engineers (2006, 2010)

• “ Design Examples Version “ 14.0 American Institute of Steel Srtuctures,

October 2011

• “ Unified Design of Steel Structures”, Second Edition, Louis Geschwindner,

Wiley, 2012

• “ Steel Structures Design, ASD/LRFD”, Alan Williams, McGraw Hill, 2011

• “ Steel Structures, Design and Behavior”, Fifth Edition, Charles G. Salmon,

John E Johnson, Faris A. Malhas, Pearson-Prentice Hall, 2009

• “ Acero, Diseño Estructural. Manual”, Instituto Chileno del Acero, 2008

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