1. diseño a tension

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ESTRUCTURAS METALICAS

Ing. Jorge Buzón Ojeda jbuzon@cuc.edu.co

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INTRODUCCION

En la construcción de estructuras no solamente tenemos la alternativa del CONCRETO REFORZADO. En la actualidad, se ha venido popularizando el uso del ACERO ESTRUCTURAL, como una alternativa importante, en el diseño y construcción de obras civiles en general. En Colombia, el ACERO ESTRUCTURAL, se comenzó a usar de manera «tímida» desde aproximadamente entre 10 y 12 años (finales de la década del 90)

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INTRODUCCION

En EUROPA y USA, el ACERO ESTRUCTURAL, se ha usado desde mediados del siglo XIX, en la construcción de PUENTES, VIAS FERREAS, METROS, EDIFICIOS, MONUMENTOS, etc., y particularmente en los Estados Unidos con los RASCACIELOS. La razón? • Mas versátil que el concreto reforzado • Diferentes secciones • Facilidad constructiva • Menos desperdicio • Capacidad de salvar luces mas largas • Mayor capacidad de carga

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INTRODUCCION

VENTAJAS: • Alta resistencia por unidad de peso • En construcciones masivas, menor peso a la

cimentación. • Uniformidad, pues las propiedades del acero no

son cambiantes con el tiempo. • Elasticidad, el acero cumple la Ley de Hooke y el

rango elástico es mayor. • Mayor durabilidad, mientras sea bien mantenido

(programa de mantenimiento adecuado)

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INTRODUCCION

VENTAJAS: • Ductilidad. Esta característica del acero, le permite

soportar grandes esfuerzos, antes de llegar a su estado límite de fluencia (falla por fluencia y no necesariamente colapso).

• Tenacidad, que es la capacidad simultanea de poseer alta resistencia y ductilidad.

• Moldearse en diferentes formas. • Facilidad en el maquinado, comparándose con el

concreto estructural. • Unirlo es mas fácil: soldadura, pernos, remaches o

la combinación de las anteriores

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INTRODUCCION

DESVENTAJAS: • Alto costo de mantenimiento, por la necesidad de

mantenerlo protegido contra la corrosión. • Poco resistente al fuego, para protegerlo es

necesaria una alta inversión, pues por si solo, el material no es resistente al fuego.

• Al poder tener una relación ancho-largo muy baja puede ser susceptible al pandeo.

• Facilidad en el maquinado, comparándose con el concreto estructural.

• Fatiga, la inversión de esfuerzos lo fatiga y lo hace fallar

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INTRODUCCION

Acero = Hierro + Carbono + Otros

Carbono: Es el elemento que le modifica las características de resistencia al hierro, haciéndolo mas resistente a la tracción. Normalmente en una cantidad inferior al 1% Los otros componentes son: Manganeso, Fosforo, Sulfuro, Silicio y Cobre

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¿ Que es el acero ?

INTRODUCCION

HISTORIA: Muchos historiadores se remontan hasta la EDAD MEDIA, cuando para fabricar ESPADAS, calentaban el HIERRO para figurarlo y fabricarlas Accidentalmente algún herrero en DAMASCO y casi que simultáneamente en TOLEDO, se les ocurrió usar CARBÓN NATURAL para los hornos de calentamiento. El CARBONO fue absorbido por el HIERRO y ganó resistencia; a ese nuevo material mas resistente lo llamaron ACERO

LAS ESPADAS DE TOLEDO Y LAS DE DAMASCO

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INTRODUCCION

El PRIMER PROCESO para producir acero en cantidades industriales se le debió al noble inglés HENRY BESSEMER, quien en el año 1855 patentó el proceso que se conoce como PROCESO BRESSEMER, para producir el ACERO como lo conocemos hoy día. La industria se ha venido desarrollando de manera rápida desde esa época y ya hoy se tienen otros procesos como: • HOGAR ABIERTO • OXIGENO BASICO • OTROS

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INTRODUCCION

Hacia 1890 ya en toda EUROPA y ESTADOS UNIDOS, se tiene desarrollada la industria del ACERO (La revolución industrial) DATO HISTORICO: El primer PUENTE de acero, se construyó en una ciudad de Inglaterra, salvando una luz de 100 PIES ( 30 metros aprox)

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DIAGRAMA σ - ε

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CODIGOS Y NORMAS

• AISC (American Institute of Steel Construction) • AASHTO (American Assocuation of State Highway

and Transportation Officials) • ASTM ( American Standard for Testing Material) • AREA (American Railway Engeneering Association • AISI (American Iron and Steel Institute) • NSR-10

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TIPOS DE ACERO

• ACERO SIMPLE AL CARBONO: Esta formado por Hierro + carbono en menos del 1%

• ACERO DE BAJA ALEACION: Esta formado por hierro + carbono + otros minerales en proporción inferior al 5% (los otros minerales normalmente son Maganesio, Azufre, fosforo, silicio y cobre)

• ACEROS ESPECIALES: Es el acero conformado por los mismos minerales de los de baja aleación, pero aca el porcentaje de carbono y el de los otros minerales se combina de manera especial, para conseguir aceros con diferentes propiedades y características (normalmente de diferentes grados de resistencia y ductilidad)

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TIPOS DE ACERO MAS USADOS

Las denominaciones mas comunes del acero son las siguientes: • Acero al carbono, estructural ASTM A572 • Acero al carbono, estructural ASTM A500 • Acero al carbono, estructural ASTM A36

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INTRODUCCION

Acero al carbono, estructural ASTM A572 La ASTM A572 es una especificación estándar publicada por American Society for Testing and Materials (ASTM). Esta es una Especificación Normalizada para ACERO ESTRUCTURAL DE ALTA RESISTENCIA DE BAJA ALEACIÓN de Columbio-Vanadio. Este acero es utilizado en aplicaciones, tales como construcción electro-soldada de estructuras en general o puentes, donde la tenacidad es importante, los requisitos asociados con esta propiedad debido a la variedad de grados que contempla este tipo de acero deben ser especificados entre el comprador y el productor. Los perfiles mas usados de acero A572 grado 50, son las Vigas W, H, IPN, UPN. Es empleado en la construcción de estructuras metálicas, entrepisos, puentes, torres de energía, torres para comunicación, herrajes eléctricos, señalización y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas

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INTRODUCCION

Acero al carbono, estructural ASTM A36 El acero estructural A36 se produce bajo la especificación ASTM A36. Se denominan PERFILES LAMINADOS EN ACERO AL CARBONO: Laminas y barras, se usan en la construcción de puentes, edificios, y estructuras de diferente propósitos. El acero estructural A36 o acero estructural con carbono, es el acero estructural básico utilizado más comúnmente en construcciones de edificios y puentes.

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INTRODUCCION

Acero al carbono, estructural ASTM A500 La ASTM A500 es una especificación estándar publicada por American Society for Testing and Materials (ASTM). Esta es una Especificación normalizada de acero, se usa en Tubos Estructurales de Acero al Carbono Conformados en Frío, Electro soldados y sin Costura, de forma Circular y no Circular. Se usa para construcción mediante la unión de los elementos en forma electro-soldada, remachada o atornillada en la conducción de fluidos y en menor uso en puentes y edificaciones, y otros usos generales.

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Acero A36

Composición Química del acero A36: Tiene un contenido máximo de carbono que varía entre 0.25% y 0.29%, dependiendo del espesor. Según la norma ASTM A36, la composición química debe ser la siguiente según su forma

PRODUCTO VIGAS*

ESPESOR, IN, 3/4"3/4" a 1-

1/2"

1- 1/2"

a 2- 1/2"

2- 1/2" a

4"

Sobre

4"3/4"

3/4" a 1-

1/2"

1-1/2" a

4"

Sobre

4"

(MM)Hasta

20mm

20mm

a

40mm

De

40mm

a

65mm

De

65mm

a

100mm

Sobre

100mm

Hasta

20mm

20mm

a

40mm

De

40mm

a

100mm

Sobre

100mm

CARBONO, Max% 0.26 0.25 0.25 0.26 0.27 0.29 0.26 0.27 0.28 0.29

MANGANESIO % … … …0.80-

1.20

0.80-

1.20

0.85-

1.20…

0.60-

0.90

0.60-

0.90

0.60-

0.90

FOSFORO, MAX% 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04

SULFURO, Max % 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05

SILICIO, % 0.40 Max0.40

Max

0.40

Max

0.15-

0.40

0.15-

0.40

0.15-

0.40

0.40

Max

0.40

Max

0.40

Max

0.40

Max

COBRE, Min%

cuando el cobre es

especificado en el

acero

0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

PLACAS** BARRAS

TODAS

*El contenido de manganeso de 0.85 a 1.35%, y el contenido de silicio de 0.15 a 0.40% es requerido en vigas por

encima de 426lb/ft o 634kg/m. ** por cada reducción de 0,01% por debajo del máximo de carbono especificado, un

aumento del 0,06% de manganeso por encima del máximo especificado se permitirá hasta un máximo de 1,35%

Composición Química del acero A36

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PERFILES MAS USADOS

PERFIL HEA, HEB La principal característica de este tipo de perfiles es que las alas tienen un espesor mayor que el alma y tienen a tener una sección cuadrada

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PERFILES MAS USADOS

PERFIL IPE

La principal característica de este tipo de perfiles es que las alas y el alma tienen un mismo espesor y tienden a tener rectangulares

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PERFILES MAS USADOS

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PERFILES MAS USADOS

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METODOS DE DISEÑO

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METODO ELASTICO Este método usa las CARGAS DE SERVICIO y se diseña cada elemento para ciertos valores de ESFUERZOS PERMISIBLES. Estos esfuerzos permisibles son un % del esfuerzo de fluencia del acero. Este método también se le conoce como METODO DE LOS ESFUERZOS DE TRABAJO O ESFUERZOS PERMISIBLES

METODOS DE DISEÑO

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METODO DE DISEÑO A LA ROTURA Este método usa las cargas de servicio afectadas por unos FACTORES DE MAYORACION y cada elemento se diseña para valores de esfuerzos en limite a la rotura. Este método se llama METODO DE DISEÑO A COLAPSO

METODOS DE DISEÑO

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METODO DE LA RESISTENCIA ULTIMA Este método es una combinación de los dos métodos anteriores. Normalmente se usa para el concreto reforzado.

METODOS DE DISEÑO

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METODO PARA LOS ESTADOS LIMITES Este método conceptualmente es muy parecido al de la resistencia ultima, combina las cargas mayoradas con los esfuerzos limites en resistencia ultima. LOS ESTADOS LIMITES:

• Resistencia • Servicio

METODOS DE DISEÑO

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METODO PARA LOS ESTADOS LIMITES DE RESISTENCIA

Se basa en conceptos de: • Capacidad de carga • Resistencia plástica • Pandeo • Fractura • Fatiga • Volteo

METODOS DE DISEÑO

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METODO PARA LOS ESTADOS LIMITES DE SERVICIO

Se basa en conceptos de: • Comportamiento de la estructura • Cargas de servicio • Uso y ocupación

o Deflexión o Derivas o Agrietamiento o Vibración

METODO LRFD

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METODO DE DISEÑO POR FACTORES DE CARGAS Y RESISTENCIA (LRFD)

Se basa en conceptos de: • Comportamiento de la estructura • Cargas de servicio • Uso y ocupación

o Deflexión o Derivas o Agrietamiento o Vibración NSR-10, TITULOS F.2 Y F.3

METODO LRFD

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En este método, las cargas de servicio se aumentan con los FACTORES DE MAYORACION DE CARGAS (Ver título B de la NSR-10) y la resistencia de los materiales se disminuye con los FACTORES DE REDUCCION DE RESISTENCIA (φ)

∑ λQ ≤ φRn (F.2.2.3.3) λ = Factores de mayoración de carga (Título B) Q = Cargas ( Vivas y muertas – Título B) Φ = Factores de reducción de resistencia (según el tipo de esfuerzo) Rn = Resistencia nominal del acero

METODO LRFD

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Existe un método probabilístico para la estimación de los factores de mayoración de carga y de reducción de resistencia. Este método se llama METODO PROBABILISTICO DE CORNELL Tarea No.1: Entregar un documento producto de la investigación que realicen sobre el METODO PROBABILISTICO DE CORNELL (máximo 3 cuartillas), entregar tipo paper.

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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En la NSR-10, toda la reglamentación se encuentra en la sección F.2.4 CONCEPTOS BASICOS: AREA BRUTA (Ag): Es el área total de la sección transversal de un elemento de acero estructural. (F.2.2.4.3) AREA NETA (An): Es el área total de la sección transversal de un elemento de acero estructural, descontándole la proyección del área de los agujeros que se hacen para colocar los pernos o remaches de una unión (F.2.2.4.3)

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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En la NSR-10, toda la reglamentación se encuentra en la sección F.2.4 CONCEPTOS BASICOS: AREA BRUTA (Ag): Es el área total de la sección transversal de un elemento de acero estructural. (F.2.2.4.3) AREA NETA (An): Es el área total de la sección transversal de un elemento de acero estructural, descontándole la proyección del área de los agujeros que se hacen para colocar los pernos o remaches de una unión (F.2.2.4.3)

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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EFECTO DE LOS AGUJEROS ALTERNADOS Este efecto se da cuando se tiene mas de UNA línea de agujeros, siendo estos escalonados El AREA NETA (An) se debe calcular, tomando el ancho total del elemento y se le debe restar el diámetro de los agujeros a lo largo de la sección en zigzag y añadir por cada diagonal, una cantidad igual a: 𝑆2/4𝑔 Ejemplo:

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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RESISTENCIA DE DISEÑO A TENSION

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AREA NETA EFECTIVA

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AREA NETA EFECTIVA (Anu) La NSR-10, la especifica en F.2.4.3

Anu = An x U

U = Factor que tiene en cuenta la distribución NO UNIFORME que tienen los esfuerzos. En la tabla F.2.4.3-1, se especifican los diferentes valores que puede tomar U

FACTORES U

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FACTORES U

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FACTORES U

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AREAS NETAS EFECTIVAS

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X = distancia desde el plano de conexión, hasta el centroide del área NO conectada mas cercana

AREAS NETAS EFECTIVAS

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L = longitud de la soldadura en dirección de aplicación de la carga

BLOQUE DE CORTANTE

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BLOQUE DE CORTANTE Debido a la naturaleza de la conexión, un segmento, bloque o parte de la sección del elemento, en su extremo puede llegar a desgarrarse Este desgarramiento se conoce como el efecto del BLOQUE DE CORTE O BLOQUE DE CORTANTE

BLOQUE DE CORTANTE

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BLOQUE DE CORTANTE

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BLOQUE DE CORTANTE

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BLOQUE DE CORTANTE EN VIGAS

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BLOQUE DE CORTANTE EN VIGAS

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BLOQUE DE CORTANTE EN CERCHAS

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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Determinar la carga axial de tracción en la conexión mostrada

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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Determinar la carga axial de tracción en la conexión mostrada

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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Diseñar el miembro diagonal mostrado en la figura

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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Se puede: • Aumentar el espesor, por ejemplo a 8 mm. • Modificar el detalle de la conexión (bloque de corte y

distancias entre pernos y de éstos a los bordes del perfil).

• Los dos cambios anteriores, simultáneamente. • Usar una sección doble L. En este caso de debe

garantizar el comportamiento de la sección armada y evitar la falla prematura de un angular, colocando tacos o presillas.

• Solución soldada.

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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Solución con soldadura

ELEMENTOS SOMETIDOS A TENSION

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