estructuras metalicas parte 1-2013fmetalicas-uv.weebly.com/uploads/8/7/8/7/8787102/... ·...

ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS METALICASMETALICAS

Prof. Alberto Moya Arredondo

v.2013

Metalicas-uv.weebly.com

04/03/2013

ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 1

OBJETIVOS DEL CURSO:

• Asignatura está relacionada con la ejecución de obras en las q e se emplean estr ct ras de obras en las que se emplean estructuras metálicas, y capacita al estudiante en la comprensión de sistemas constructivos y los comprensión de sistemas constructivos y los esfuerzos involucrados en ellas, las propiedades y características del Acero y sus propiedades y características del Acero y sus formas de presentación, y piezas utilizadas, aplicando las normas de diseño y ejecución aplicando las normas de diseño y ejecución pertinentes.

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Al concluir la asignatura el estudiante gserá capaz de:

• Identificar, comprender y aplicar especificaciones técnicas relativas a obras de Estructuras Metálicas

• Ejecutar controlar y supervisar obras en las que • Ejecutar, controlar y supervisar obras en las que se utilicen elementos de este tipo.

• Planificar y dar soluciones constructivas de dichas estructuras, así como de sus conexiones

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• Diseñar elementos y sistemas de estructuras metálicas sencillas en concordancia con NCh427.Of76, MétodoASD.

En este Curso se verifican elementos de Acero, aplicando un Manual específico que contiene las aplicando un Manual específico que contiene las normas respectivas, tablas de perfiles de diversos fabricantes nacionales y extranjeros, y recomendaciones y especificaciones constructivas.

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Metodología

• Desarrollo del curso secuencial y acumulativo.

• Exposición de conceptos y normas aplicadas ; ejercitación.

• Utilización de apuntes especiales para el curso.

l ió id d á i• Evaluación por unidades temáticas

• Realización de un portafolio de conexionesRealización de un portafolio de conexiones

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Evaluaciones

• Tracción y conectores

• Compresión axial (simple y compuesta)

• Flexión, interacciones, placas de anclaje

• Portafolio

E fi l ( S ti t di i )• Examen final ( Sumativa extraordinaria)

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BIBLIOGRAFIA

• W. Nash, Shaum 1992. “Resistencia de Materiales”.

• J. Tuma, McGraw-Hill 1970. “Análisis Estructural”.

• CINTAC, 1993. “Manual de Diseño Estructural”.C N C, 993. a ua de se o st uctu a .

• Oscar de Buen, Limusa 1994.”Estructuras de Acero”.

J M García McGraw Hill 1997 ”Fundamentos para el Cálculo y• J.M.García, McGraw-Hill,1997. Fundamentos para el Cálculo yDiseño de Estructuras de Acero”.

• McCormac Alfa Omega 1999 “Diseño de Estructuras Metálicas• McCormac, Alfa Omega, 1999. Diseño de Estructuras Metálicas,Método ASD”.

• CEAC, 1993. “Manual de Soldadura Eléctrica”., 993

• P. Beer & E. Russel, Mcgraw-Hill, 1998. “Mecánica de Materiales”.

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RECOMENDACIONES

• Período de Ajuste....

– Existirán clases y/o pruebas en días extras.

– No posponer ni faltar a pruebas.No posponer ni faltar a pruebas.

• Grado de Dificultad....

– Estudiar mucho.

Asistir a clases siempre– Asistir a clases siempre.

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PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS FECHAS PROGRAMADAS

PERIODOS

El acero como material estructuralCAP. 1 Elementos de una construcción en aceroe e tos de u a co st ucc ó e ace o

EL ACERO Cargas de diseño según norma Nch 427 cR 1977 12 MARZO 2013 2Propiedades estructrurales del aceroEspecificaciones, cargas y métodos de diseñoMomentos estáticos Momentos de inerciaMomentos estáticos, Momentos de inercia

POR CUENTA DE LOS ESTUDIANTES CON GUÍAS PREPARADAS AL EFECTO

CAP. 2 Momento resistente o módulo de secciónBREVE Radio de giro

REPASO Ecuación de la elástica, deformaciones

Momentos flectores, esfuerzos de corteTensión base

CAP. 3 Tensión admisibleDISEÑO A Restricciones 19 MARZO 2013 2TRACCIÓN

Uso y tipo de conectoresCAP. 4 Tracción y compresión 26 MARZO 2013

8

UNIONES YPernos, pasadores y AplastamientoCONECTO

-RES elementos con hilo Desgarramiento 2 ABRIL 2013Excentricidad

Soldaduras Tipos 9 ABRIL 2013Tensión admisible y electrodos 16 ABRIL 2013Nomenclatura y simbología

CONTROL CERTAMEN Nº 1 23 ABRIL 2013 2

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 9

PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS(2) FECHAS PERIODOS

Clasificación de elementos según sección

CAP. 5 Ancho plano, esbeltez compacta, pandeo local 30 ABRIL 2013

DISEÑO A G f f

6

DISEÑO A Pandeo General longitud efectiva, coeficientes

COMPRESIÓN pandeo por flexión 7 MAYO 2013

pandeo flexo-torsional

Secciones compuestas por perfiles. (Perfiles compuestos) 14 MAYO 2013

CONTROL CERTAMEN Nº 2 28 MAYO 2013 2

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PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS FECHAS PERIODOS

Clasificación de secciones esbeltez límiteClasificación de secciones esbeltez límite

CAP. 6 longitud entre arriostramientos 4 JUNIO 2013

DISEÑO A Tensión admisible Vigas no afectas a PLT

Ó Vi f t PLT 11 JUNIO 2013 6FLEXIÓN Vigas afectas a PLT 11 JUNIO 2013 6

Verificación al corte

Deformación vertical 18 JUNIO 2013

Interacciones

Distribución de tensiones bajo la placa

CAP. 7 placa rígida25 JUNIO 2013

PLACAS DE placa flexible

ANCLAJE Cartelas de rigidización 2

Placa sometida a compresión simplep p

Placa sometida a flexo-compresión

Tensiones admisibles en el hormigón

Pernos de anclajePernos de anclajeCONTROL CERTAMEN Nº 3 (SUMATIVO) 2 JULIO 2013 2

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Capítulo I: “El Acero”1.- Introducción al Diseño Estructural en Acero.

V j d l A M i l E l1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural.

Alta Resistencia.Alta Resistencia.

Uniformidad.

Elasticidad.

D bilid d Durabilidad.

Ductilidad.

Tenacidad.

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Capítulo I: “El Acero”

1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural.

Ampliaciones de Estructuras Existentes.

Gran Facilidad para unir miembros a través de varios tipos de conectores.

Gran Adaptabilidad a la Prefabricación.

Rapidez de Montaje.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 13

Capítulo I: “El Acero”

1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural.

Gran Capacidad para Laminación (Maleabilidad) y plegado en fríoplegado en frío.

Reutilización después de desmontaje en otra localización.

Valor Residual como chatarraValor Residual como chatarra.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 14

Capítulo I: “El Acero”

1.2.- Desventajas del Acero como Material Estructural.

Costo de Mantenimiento.

Costo de Protección contra Fuego.

Susceptibilidad al Pandeo. Susceptibilidad al Pandeo.

Fractura Frágil.

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1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural.

Capítulo I: “El Acero”

Endurecimiento Fluencia ElásticaFluencia Plástica por Deformación

Fluencia Elástica

Pto Superior de FluenciaPto. Superior de Fluencia

P / A

)

Pto. Inferior de Fluencia

erzo

( f=

E

sfue Caso: Acero Dúctil

LL

Deformación unitaria

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 16

Capítulo I: El Acero

1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural.(Cont )(Cont...)

A)

FracturaFu Caso: Acero Frágil

( f=

P / A

FyFu = Resistencia mínima última tensión.

Fy = Esfuerzo mínimo de Fluencia.

sfue

rzo

(

Deformación residual en la descarga cuando el esfuerzo es superior al límite elástico.

LL

Deformación unitaria

E

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Capítulo I: “El Acero”

1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural(Cont...)

�r

�f�p

�p �f �e10�f �r

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 18

Capítulo I: “El Acero”

1.4.- Relación Ductilidad - Tenacidad

Acero B es más Resistente que C.

Acero C es más Ductil que B.B�

C

Si A(B) = A (C) Acero B es tan tenaz como Acero C

�

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(B) (C)

Capítulo I: “El Acero”

1.4.- Relación Ductilidad – Tenacidad (cont.)

�

�u4

�u3

�u2

�u1u1

�

�4 �3 �2 �1

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 20

Capítulo I: “El Acero”

1.5.- Aceros Estructurales Modernos.

• Aceros al Carbono1 7%

C

SiS

Cr1,7%

FeSi

P

0,6%

Ni

Cu

P

MnCu

1,65%0,6%

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 21

Capítulo I: “El Acero”

• Aceros al Carbono (Cont...)

La composición Química influye en propiedades como:La composición Química influye en propiedades como:

Soldabilidad.

Resistencia a la corrosión.

Resistencia a la Fractura.

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Capítulo I: “El Acero”

• Aceros al Carbono (Cont...)Aceros al Carbono (Cont...)Propiedades de los Aceros Estructurales

(Según ASTM)(Según ASTM)

Tipo ASTM FormasAl Carbono

A-36A529

Perfiles, barras y placas.Perfiles y placas hasta ½”y p

Alta resistencia y baja aleación

A441 Resistente a la corrosión. Perfiles, placas y barras hasta 8 plg.A572A242A588

Baja Aleación Columbio-Vanadio.Muy resistente a la corrosión.Muy resistente a la corrosión.

Perfiles, placas y barras hasta 6 plg. Perfiles, placas y barras hasta 4 plg. Placas y barras.

Templados y revenidos

A514 Placas sólo hasta 4 plg.

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Capítulo I: “El Acero”

Propiedades de los Aceros EstructuralesPropiedades de los Aceros Estructurales(Según ASTM)

Ti ASTM UTipo ASTM UsosA-36A529

Puentes, Edificios y Estructuras remachadas, atornilladas o soldadas.

A441 Puentes, Edificios y Estructuras remachadas, atornilladas peropreferentemente soldadas.

A572

A242

Estructuras remachadas, atornilladas o soldadas. No se emplea enpuentes soldados si el grado es superior a 50.

Puentes edificios y estructuras remachadas atornilladas o soldadasA242

A588

Puentes, edificios y estructuras remachadas, atornilladas o soldadassiendo muy importante la técnica de soldeo.

Enfocado principalmente a Puentes y Edificios soldados.

A514 Enfocado principalmente a puentes soldados. Requiere mucha atencióna la técnica de soldeo, no se usa si la ductilidad es importante.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 24

Capítulo I: “El Acero”

1.6.- Propiedades en Ley de Hooke.

• Módulo de Elasticidad de Young:

E = 200.000 Mpa= 2.040.000 kg/cm2

• Coeficiente de Poisson:Coeficiente de Poisson:

�= ��� = 0,3.

• Módulo Elástico transversal:

2k /787 440MP00277EG 2kg/cm787.440MPa002.77

12G

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 25

Capítulo I: “El Acero”

1.7.- Calidades Comerciales en Chile.Designación de aceros (según NCh 427)Designación de aceros (según NCh 427)

A 37 – 24 ES A-240 ESA 37 – 24 ESEstructuralS ld bl

A 240 ES

Acero Límite de R pt ra

Límite de Fl encia

Soldable

Ruptura(kg/mm2)

Fluencia (kg/mm2)

Otros: A 42-27 ESA 52-34 ES

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 26

Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile

• Armados: (soldados)

IN doble T (serie normal de vigas)– IN doble T (serie normal de vigas)– IB doble T (serie híbrida de vigas)

– HN doble T (serie normal de columnas)

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 27

Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile

•Laminados (Tren de laminación)W doble T (serie Americana)– W doble T (serie Americana)

– IPE doble T (serie Alemana)

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 28

Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile(Cont.)

• Plegado en fríoC canalCA canal atiesadaIC doble T (2 canales espalda espalda)

ICA doble T (2 canales atiesadas espalda espalda)

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 29

Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile(Cont.)

• Plegado en frío– L ángulog– TL T formada por dos ángulos espalda espalda– XL X formada por dos ángulos vértice vérticeXL X formada por dos ángulos vértice vértice

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 30

Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile(Cont.)

• Plegado en frío (cont.)– cajón cuadradoj– cajón rectangular.– L cajón formado por 2 ángulos de frente.j p g

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 31

Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile(Cont.)

• Plegado en frío (cont.)– C cajón formado por 2 canales de frente.j– CA cajón formado por 2 canales atiesadas frente.

• TubosTubos– sección tubular redonda

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 32

Capítulo I: “El Acero”

P i d d d A Pl2.- Propiedades de Areas Planas

2.1.- Momento EstáticoIbS Q τ

x dAA

Ib

x dAyS

A

x

dAxS

dAy S

yA

y dAx S

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 33

Capítulo I: “El Acero”

2.2.-Ejes de GravedadS

dAy Y x

CG A

AAY CG

xCG CGS

dAx X y

A

y

AAX CG A

yCG

Sx = A yCGSx yCG

Sy = A xCG04/03/2013

ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 34

Capítulo I: “El Acero”

2.3.- Momento de Inercia

x dAdA 2

x y Ix dA

A

A

dA 2y x I

yA

C.G.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 35

Capítulo I: “El Acero”

2.4.- Momento Polar de Inercia

A

dArI 2 p

yx

A

dA)y(x I 22p

y

22 yxI dAdA

A

A A

p

III

yxI dAdA

xy p III

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 36

Capítulo I: “El Acero”

2.5.- Teorema de Steiner (Ejes Paralelos)

CG b

A

XCG

bCG

ay

y

X1

I 1= IxCG + Ay2I 1= (ab3)/12 + aby2 Ix1 IxCG + AyIx1 (ab )/12 + aby

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Capítulo I: “El Acero”

2.6.- Módulo de Sección (Momento Resistente: W).

σWM

MWσ

W

IyIW

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Capítulo I: “El Acero”

2.7.- Radio de Giro.

yx,IiA

yx,yx,

Ii

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 39

Capítulo I: “El Acero”

3.- Cargas de Diseño.

Cargas EventualesCargas Normales

Viento (V) NCh 432

Sismo (S) NCh 433

Peso Propio (P.P)

Sobrecarga (S C) Sismo (S) NCh 433

Otras Fuerzas (Ej: Huracán)

Sobrecarga (S.C)

Impacto (I)

Fuerza Horizontal en los rieles de una grúa (H)rieles de una grúa (H)

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 40

Capítulo I: “El Acero”

•Combinación de Cargas (NCh 427 cR 77)g ( )

• P.P + S.C. Coeficiente de Cargas = 1S C Coe c e te de Ca gas• P.P + S.C. + N

Con 1 eventualidad:• P.P + S.C. + S

P P S C V

Con 1 eventualidad:

Coef. de Cargas = 0.75• P.P + S.C. + V

• P.P + S.C. + N + V

• P P + S C + S + NCon 2 eventualidades:

• P.P + S.C. + S + N

• P.P + S.C. + V + SCoef. de Cargas = 0.67

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 41

Capítulo I: “El Acero”

4.- Métodos de Diseño Estructural.

4.1.- El Proyectista Estructural.

Distribuye y dimensiona las estructuras yDistribuye y dimensiona las estructuras ylas partes de ella para soportarsatisfactoriamente las cargas a quesatisfactoriamente las cargas a quequedaran sometidas.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 42

Capítulo I: “El Acero”

4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.)

FuncionesFunciones::u c o esu c o es

•Trazo general de la estructura•Trazo general de la estructura.•Estudio de las formas estructurales posibles.•Consideración de las condiciones de carga.•Análisis de esfuerzos, deflexiones, etc.•Diseño de elementos.•Preparación de los Planos•Preparación de los Planos.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 43

Capítulo I: “El Acero”

4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.)

••ObjetivosObjetivos deldel ProyectoProyecto EstructuralEstructural::Obje osObje os dede oyec ooyec o s uc u as uc u a

S id d•Seguridad.

•CostoCosto.

•Factibilidad.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 44

Capítulo I: “El Acero”

4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.)

DiseñoDiseño EconómicoEconómico dede MiembrosMiembros dede AceroAcero::DiseñoDiseño EconómicoEconómico dede MiembrosMiembros dede AceroAcero::

•Debe seleccionar perfiles según existencias•Debe seleccionar perfiles según existencias.

•Uniformar el mayor número posible de•Uniformar el mayor número posible deperfiles.

•Considerar en edificios altos (muchos pisos)la posible reducción de la altura total.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 45

Capítulo I: “El Acero”

DiseñoDiseño EconómicoEconómico dede MiembrosMiembros dede AceroAcero::(Cont(Cont ))(Cont(Cont..))

Considerar los costos de transporte en•Considerar los costos de transporte enelementos muy grandes.E i fá il d t•Escoger secciones fáciles de montar ymantener.

•Considerar posibles interferencias coninstalaciones.

•Considerar la apariencia (Efecto estético).

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 46

Capítulo I: “El Acero”

ExactitudExactitud dede loslos CálculosCálculos..

• El diseño Estructural no es una ciencia exacta.

Mét d d áli i b d i i• Métodos de análisis basados en suposiciones parcialmente ciertas.

• Las resistencias de los materiales varían apreciablementeapreciablemente.

• Cargas máximas pueden determinarse sólo gaproximadamente.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 47

Capítulo I: “El Acero”

ExactitudExactitud dede loslos CálculosCálculos..(Cont(Cont..))

• Entonces:A pesar de la Precisión de las calculadoras ycomputadores, el uso de más de 2 ó 3 cifrassignificativas, son de poco valor y puedendarle al estudiante una falsa idea deseguridad.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 48

Capítulo I: “El Acero”

4.2.- Diseño Elástico y Diseño Plástico.

Diseño Elástico Diseño PlásticoEsfuerzos Admisibles Diseño al colapso

Esfuerzos de Trabajo

admisibletrabajo σ σ P * F C Padmisible trabajo Ptrabajo* F.C. Pcolapso

d i ibl = f / C Sadmisibles f / C.S.

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 49

Capítulo I: “El Acero”

4.2.1.- Diseño Elástico.

Método A.S.D.é odo S(Allowable Stress Design)

Distribución de Esfuerzos en el Colapso

Di t ib ió d E f l Ré i Elá tiDistribución de Esfuerzos en el Régimen Elástico

La Estructura falla provocada por un aumento proporcional de todas las solicitaciones.p opo c o a de odas as so c ac o es

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 50

Capítulo I: “El Acero”

4.2.1.- Diseño Elástico.

DISTORSIÓNS O S Ó

• Es falsa, no considera la redistribución deesfuerzos antes de la falla.

• No es Real (Ej.: La carga muerta no varía)

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Capítulo I: “El Acero”

4.2.2.- Diseño Plástico.

Método L R F DMétodo L.R.F.D.(Load and Resistance Factor Design)

• Considera la condición de falla o de resistenciaúltiúltima.

• Combina el cálculo de estados límites deresistencia y servicio con un enfoqueprobabilístico de la seguridad.p g

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ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 52

Capítulo I: “El Acero”

4.2.2.- Diseño Plástico.

Diseño deCargas x FC FC > 1Diseño de

Elementosy

Cap Nominal x FRFR < 1

Cap.Nominal x FR

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