construcción en acero

Construcción en AceroIng. Aaron Aquiles Guajardo

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APUNTES 01Acero Estructural

01 GENERALIDADES

¿Qué es el acero? Aleación de Fe y C (~0.05-2%). Puede contener otros elementos como Mn, Ni, Nb, Cr, V, P, S, Si, Cu, etc. Porcentaje y elementos de aleación pueden modificar propiedades del acero. Carbono Equivalente

(CE%) = C% + (Mn%/6) + ((Cr%+Mo%+V%)/5) + ((Ni%+Cu%)/15)

Elementos de Aleación

VANADIO Imparte dureza, ayuda a formar granos finos.Aumenta resistencia a impacto y a fatiga.

MANGANESO Desoxidante, neutraliza azufre, facilitando trabajo encaliente.

COBRE Mejora resistencia a corrosión atmosférica.

SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedoren el acero de aleación.

FOSFORO Y AZUFRE Perjudican la tenacidad del acero


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El acero y sus componentesLos metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construcción pueden dividirse en

dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS. Ferroso viene de la palabra

FERUM que los romanos empleaban para el fierro o hierro. Por lo tanto, los materiales ferrosos son

aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del

hierro y el acero.

Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc,

cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de

algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.

Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más

ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la

posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además,

sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos

con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones.

Clasificación de los aceros según resistencia mecánica

Grados del Acero Resistencia a la tracción

kgf/mm2

Límite de fluencia

kgf/mm2

A37-24ES 37 24

A42-27ES 42 27

A52-34ES 52 34


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PROCESO DE FABRICACION


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Tipos de Acero Estructural Aceros al carbono Aceros aleados Aceros de baja aleación y alta resistencia Aceros inoxidables


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Propiedades del Acero Estructural

En este diagrama pueden distinguirse ciertas zonas con determinadas características:

a) Período elástico.

Este período queda delimitado por la tensión σe (límite de elasticidad). El límite de elasticidad se

caracteriza porque, hasta llegar al mismo, el material se comporta elásticamente, es decir que producida

la descarga, la probeta recupera su longitud inicial. En la práctica, este límite se considera como tal

cuando en la descarga queda una deformación especifica remanente igual al 0.001 %.

Este período comprende dos zonas: la primera, hasta el límite de proporcionalidad, dónde el material

verifica la ley de Hooke. La segunda entre eP y , si bien es elástica, no manifiesta proporcionalidad

entre tensiones y deformaciones. En general, los límites de proporcionalidad y de elasticidad difieren

muy poco entre sí.


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b) Período elasto-plástico.

Para valores de tensión superiores al límite elástico, la pieza si fuera descargada no recobraría su

dimensión original, apreciándose una deformación remanente acorde con la carga aplicada. A medida

que aumenta la solicitación, la gráfica representativa es la de una función para la cual disminuye el

valor de su Tangente, tendiendo a anularse en el tramo final del período, al cual se llega con un valor de

tensión que se indica como F tensión de fluencia.

c) Período plástico (fluencia).

Una vez arribado al valor de tensión F (límite de fluencia), el material fluye, es decir, aumentan las

deformaciones sin que exista aumento de tensión. En realidad este fenómeno no es tan simple, ya que

puede verse que la tensión oscila entre dos valores límites y cercanos entre sí, denominados límites de

fluencia superior e inferior, respectivamente. La tensión de proporcionalidad resulta ser

aproximadamente el 80% de la tensión de fluencia.

d) Período de endurecimiento y de estricción

Como consecuencia de un reacomodamiento cristalográfico, luego de la fluencia el material sufre un

reendurecimiento, que le confiere la capacidad de incrementar la resistencia, es decir, puede admitir un

incremento de carga. Sin embargo en este período las deformaciones son muy pronunciadas. La tensión

aumenta hasta alcanzar un valor máximo R , denominado “tensión de rotura”, a partir del cual la

tensión disminuye hasta que alcanza una determinada deformación de rotura, produciéndose la rotura

física. La tensión R no es en realidad la máxima tensión que se origina en la probeta sometida a

carga. En efecto, alcanzado el valor de la deformación específica correspondiente ha R , comienza a

manifestarse en la probeta un fenómeno denominado “estricción”. Este consiste en la reducción de una

sección central de la pieza. Esta reducción, progresiva con el aumento de la carga, hace que las

tensiones aumenten y que, en realidad, el diagrama efectivo en lugar de presentar su concavidad hacia

abajo muestra un punto de inflexión en las vecindades de R y cambia su curvatura presentando una

rama creciente hasta alcanzar la deformación de rotura εR.


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Debido a lo que hemos mencionado recientemente el diagrama que acabamos de ver suele denominarse

“diagrama convencional σ - ε”, ya que los cálculos de las tensiones se realizan siempre sobre la base

de suponer la sección transversal constante, con área igual a la inicial.

Corrosión

Corrosión : pérdida de sección debido a reacciones químicaso electroquímicas con medioambiente.

Resistencia depende de :Composición química

Factores que afectan las propiedades mecánicas Composición química Tratamiento térmico Historia de deformaciones Geometría Temperatura Velocidad de carga (deformación) Estado de tensiones


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Factores que influyen el la corrosiónLos avances científicos han producido muchos materiales resistentes a la corrosión dependiendo

del producto con el cual esté en contacto. Algunos de los factores que influyen en la corrosión son:

pH de la solución : se estudia el la velocidad de corrosión dependiendo del pH de la solución y del

material que del cual esté fabricado el componente.

Agentes oxidantes : la mayor parte de la corrosión observada en la práctica se da en condiciones en

que la oxidación del hidrógeno para dar agua es una parte necesaria del proceso de corrosión. Por esta

razón los agentes oxidantes son con frecuencia potentes aceleradores del proceso de corrosión. Aunque

pueden acelerar la corrosión de unos materiales, pueden en cambio retardar la que se produzca en otros

mediante formación de óxidos en superficie o absorción de capas de oxígeno que las hacen resistentes a

los ataques químicos.

Temperatura : la velocidad de corrosión tiende a aumentar si aumente la tª. Con el fin de

combatir la corrosión se ha de hacer una buena selección de materiales. Este factor es en el primero en

el cual se piensa ya que se ha de elegir un material económico y que cumpla todos los requisitos del

proceso.


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Estado de Tensiones

Ventajas del acero Alta resistencia Uniformidad y homogeneidad Rango elástico amplio Durabilidad Ductilidad y tenacidad Rapidez de construcción Reciclabilidad


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Desventajas del acero Costo de mantenimiento Vulnerabilidad al fuego Susceptibilidad al pandeo Susceptibilidad a la fatiga


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02 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURAL

Diseño Estructural:Proceso creativo basado en conocimiento de los principios de estática, dinámica,mecánica de sólidos y análisis estructural. Producto es una estructura segura yeconómica que cumple su propósito

Criterios de diseño Costo mínimo. Peso mínimo. Tiempo de construcción mínimo. Mano de obra requerida mínima. Mínimo costo de fabricación de productos. Máxima eficiencia de operación.

Etapas de un diseño estructural1. Planificación.2. Estructuración preliminar.3. Definición de solicitaciones a considerar.4. Selección preliminar de elementos.5. Análisis.6. Evaluación.7. Rediseño.8. Decisión final.

SolicitacionesCargas muertas.Cargas vivas estáticas.Cargas vivas móviles.Impacto.Nieve.Viento.Sismos.


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OtrosIncertezasVariabilidad de las solicitaciones Cambio de uso Estimación poco conservadora de las solicitaciones Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido a simplificaciones

excesivas durante análisis Diferencias en el proceso constructivo

Variabilidad de la resistencia Variabilidad de dimensiones Variabilidad de la resistencia del material Defectos en el proceso constructivo Deterioro de resistencia con el tiempo Aproximación en fórmula para determinar la resistencia


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Combinaciones de CargaSEI (STRUCTURAL ENGINEERING INSTITUTE)

Filosofías de diseño vigentes1. Diseño por tensiones admisibles (tensiones de trabajo)

2. Diseño por estados límite Resistencia última. Diseño plástico. Factores de carga. Diseño límite. Factores de carga y resistencia.


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METODO ASD SE CUMPLE PSF

Rn

.

LRFDBasado en: Un modelo probabilístico Calibración con ASD Evaluación de experiencias previas

METODO LRFD SE CUMPLE

estructuralaenlestructuraelementodelsistenciaasclasdeEfectos

RniQi

Rearg

El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbresimplicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas y muertas.

Diseño de elementosAISC (2005) : Specification for Structural Steel BuildingsAISI (2001) : North American Cold-Formed Steel Specification


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03 DEFORMACIONLey de Hooke – Ecuaciones Generales

211

.

11

VVVOLUMENDEVARIACION

LAEK

KPFUERZA

EALPo

EALPNDEFORMACIO

ETENSION

LUNITARIANDEFORMACIO

SFADMISIBLETENSION

APTENSION

YADM

Elementos Estáticamente Indeterminados

0F0.................21 FnRnRR

0i0.........21 n


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P

ALARGAMIENTO

LARGO

L1 L1

angulo

angulo

Caso alargamiento vertical para dos cables bajo una carga P

1

ALARGAMIENTO VERTICAL

)(21

13

COSAE

PL(METROS, CENTIMETROS)

ALARGAMIENTO INCLINADO

)(21

)(1 3

COSCOS

AEPL

(METROS, CENTIMETROS)

OBS: SIMETRICOSCABLES2SON:2)(2 3 COS


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Concepto de rigidezRigidez es la fuerza necesaria para producir un desplazamiento unitario en una estructura KF .

El término de rigidez, al igual que el de flexibilidad, es único para un tipo de desplazamiento o rotación

en un punto dado producido por una carga y sólo depende de la geometría y el material. Si al aplicar

una carga F en un punto a, se obtiene una rotación en b, la rigidez estaría relacionando estos dos efectos

de forma única.

Valores de Elasticidad y Coeficiente de Poisson


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Duc

to 1

2 tonf

3m

3m

PLACA DE Hº

Duc

to 2

2m

04 APLICACIONES RESUELTAS

1 Dos ductos acero de distinto diámetro soportan una placa de hormigón.Datos Técnicos :-Ducto 1 Tiene un Diámetro Exterior de 30 mm y un espesor de 2mm.-Ducto 2 Tiene un Diámetro Exterior de 20 mm y un Espesor de 2mm.-Profundidad De Placa Es De 3 M. Espesor Placa Es De 5 Cm.

-Peso Específico del Hormigón 3000.3mkgf

.

- .000.100.2 2cmkgfE

CALCULESE :

A. TENSION DE TRABAJO DE CADA DUCTO

Cálculos Previos

22222

1 76,14

6,243

44cmdDA

22222

2 13,14

6,142

44cmdDA

kgfmmkgfLosaopioPeso 250.205,035000.3Pr 3

3

01M 0325,2250.252000 FkgfF 208.52

0FV 01208.5250.2000.2 FkgfF 9601


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Cálculos Finales

221

11 546

76,1960

cmkgf

cmkgf

AF

222

22 609.4

13,1208.5

cmkgf

cmkgf

AF

B. DEFORMACION UNITARIA DE CADA DUCTO

000457,0000.100.2

96011

E

00219,0000.100.2

609.422

E

C. SI 28,0 , CALCULE LA VARIACION DE VOLUMEN PARA CADA DUCTO

311 10617,028,021000457,030076,1211 cmVV

322 327,028,02100219,030013,1212 cmVV


20

15tonf

D

C

B

AA1=40cm2

A2=80cm2

2 Dos barras macizas de acero están sometidas a las cargas que se indican, calcúlese lamáxima tensión.Datos Técnicos :

2000.100.2

131

cmkgfE

mCDmBCmAB

0FV

)1(000.150000.15

VDVA

VDVA

0i0 CDBCAB

02

32

21

1

EALVD

EALVA

EALVA

)2(01095,51079,11019,1

0000.100.280

100000.100.280

300000.100.240

100

766

VDVAVA

VDVAVA

VAVD 000.151 0000.151095,51079,11019,12 766 VAVAVA

kgfVAVAVA

498.201095,51093,81098,2 736

kgfVD 502.12

222 28,15680502.1223,31

80498.245,62

40498.2

cmkgfCD

cmkgfBC

cmkgfAB

Luego la máxima tensión es 31,23kgf/cm2

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