ESTRUCTURAS DE ACERO

I. INTRODUCCIONSe puede observar por medio de las estructuras, que se va alterando la superficie de nuestro planeta, las cuales indican la existencia de nuestra civilizacin, y a medida que se van construyendo obras que son exclusivamente de ingeniera civil como son: edificios, presas, puentes, plantas de energa y torres, que nos sirven de refugio, el uso de la energa, el mejor transporte y las comunicaciones. Por lo tanto el Ingeniero Civil adquiere una responsabilidad para decidir si el medio es afectado o no, a causa de las estructuras que el construye. Una vez estudiado el lugar donde se va a construir la estructura y despus de haber considerado varios sistemas estructurales, alternativas y como debern ir dispuestos los elementos de la estructura. Se debe aprender primero a disear las partes antes de planificar el conjunto. Por consiguiente, se hace nfasis en el diseo y seleccin de elementos de acero a traccin como ser las vigas, elementos a compresin como ser las columnas, viga-columnas, trabes armadas y conexiones que unan esos miembros para formar un edificio, un puente, una torre u otras estructuras de acero. Para establecer cuan adecuado puede ser un miembro estructural, se determina por todo un conjunto de reglas de diseo, que se denominan especificaciones, las cuales son de gua para el diseador en la verificacin de la resistencia, la rigidez, proporciones y otros criterios que se presenten en los miembros en cuestin.Existe una variedad de especificaciones que fueron y son desarrolladas para materiales y estructuras. Cada una est basada en aos de experiencia adquirida por medio del uso real de la estructura. Las diversas frmulas y reglas de especificacin que se dan cuando se realiza estudios sobre las estructuras de acero muchas veces ocasionan confusin al momento de disear. Este documento se referir a una sola especificacin, la cual se estudia a lo largo de la materia de estructuras de acero y es el LRFD (Loas and Resitance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings) del Instituto Americano de la Construccin en Acero (AISC) y son especificaciones para el diseo por factores de carga y resistencia en edificios de acero estructural

II . LOS METALES EN LA CONSTRUCCION1. HISTORIA El hierro y sus aleaciones fue el primer metal que se us industrialmente en la prctica para las estructuras sustentantes. Su llegada al campo estructural es bastante reciente porque el fatigoso trabajo necesario para producir el hierro soldable por fusin limit su uso durante siglos a los productos de mayor precio y necesidad: las armas y los aperos agrcolas. Copiado de inter

Poco a poco se fue introduciendo como material de construccin, primero con elementos de fundicin y finalmente con los redondos y elementos tubulares que facilitan la esbeltez de las modernas estructuras metlicas.

Las primeras estructuras metlicas fueron puentes (en torno a 1800), posteriormente se empezaron a construir edificios, en 1887 se construy un edificio de 12 plantas en Chicago y en 1931 se inaugur en Nueva York el Empire State Building de 85 plantas y 379 m de altura.

El uso del acero se multiplic gracias al avance de la metalurgia y a la soldadura elctrica. La caracterstica fundamental de las modernas estructuras de acero es la simplificacin estructural y la esbeltez. Desde sus primeras aplicaciones en puentes y despus en rascacielos, el acero ha ido ganando uso sobre todo en edificios de viviendas y oficinas, aunque el desarrollo de la tcnica del hormign armado lo ha limitado.

El campo de aplicacin de las estructuras metlicas es: naves industriales, puentes (de ferrocarril, de grandes luces mixtos y para pasarelas peatonales), mstiles y antenas de comunicaciones, cubiertas, depsitos, silos, compuertas de presas, postes de conduccin de energa elctrica

2. LOS MATERIALES METLICOS.

El hierro es un compuesto ferroso con menos del 0.03 % de carbono, se caracteriza por ser poco resistente.

A partir del mineral de hierro bruto se obtiene la fundicin en altos hornos. Puede ser blanca (muy frgil) o gris . La fundicin es frgil, y su resistencia a traccin es baja comparada con la del acero. Se usa sobre todo en piezas curvas poco solicitadas, marquesinas y elementos decorativos, o en piezas demasiado complicadas como para ejecutarlas mediante juntas.

El material ms empleado es el acero. Otros metales con un uso ms limitado son:

Cobre: su uso es reducido debido a su elevado precio, pero sus buenas cualidades electroqumicas y su buena manejabilidad lo hacen necesario en ciertos casos. Es muy maleable y con tratamientos de laminado en fro puede alcanzar resistencias de hasta 1200 kg/.

Zinc: se suele usar como protector anticorrosivo (galvanizado). Una aleacin de zinc muy usada es el zilloy, que se aplica en techos corrugados, con ventaja sobre la chapa galvanizada por su buena rigidez ( 130 - 200 MPa) y resiste bien la corrosin.

Aluminio: es ligero comparado con el acero, ms resistente a la corrosin y con acabados muy decorativos. Es dctil y maleable lo que lo hace fcilmente laminable y extrusionable. Se usa sobre todo en exteriores, cubiertas (laminado en chapa y pulido), carpintera de huecos

3. PROCESO DE FABRICACIN DEL ACERO

El acero es elaborado a partir del hierro cuyo recurso principal para la industria es el mineral de hierro.Se necesita tambin el COK que es el combustible que permitir separar el hierro de los otros elementos del mineral en el alto horno. El cok se obtiene a partir del carbn.El mineral de hierro y el cok son introducidos en el alto horno como se muestra en la Figura N01 . La combustin del cok permite eliminar ciertos elementos indeseables contenidos en el mineral de hierro. El mineral de hierro se funde: las gotas de metal ms pesadas caen al fondo mientras que los elementos no deseados (que constituyen la escoria) se quedan en la superficie.

Figura 1

La escoria es fcilmente separada del arrabio, es recuperada, tratada y utilizada para otros fines, como por ejemplo en fbricas de cemento o en la construccin de carreteras.El arrabio, situado en el fondo, es vertido a una temperatura de 1470C en cucharas con una capacidad de 400 toneladas y trasladado a los convertidores de oxgeno.Figura 02

Es importante saber que tambin se usa para fabricar acero lquido las chatarras resultantes del reciclaje del acero. Esta chatarra se usa de la siguiente manera: parte se va al convertidor de oxgeno y la otra se va al horno elctrico, previamente clasificadas, como se muestra en la Figura N02.

Figura 03

La parte que se mezcla con el arrabio en el convertidor de oxgeno, son aquellas que contienen elementos difciles de eliminar porque stos sern diluidos en la fundicin. En la Figura N03 se observa detalladamente.

Figura 04

Los restantes derrite la chatarra mediante formacin de partculas que permiten la propagacin de corriente elctrica. Luego es vertida en la cuchara como acero lquido, como se muestra en la figura N04.

El arrabio es tratado en un convertidor de oxgeno:, en el cual se encuentra el arrabio producto del mineral de hierro, las escorias y el acero lquido proveniente de las escorias. Se introduce oxgeno. El carbono se quema y las chatarras se funden. De esta forma conseguimos acero lquido cuyo porcentaje de Carbono esta cerca al 2%. Es en este momento donde se procede al proceso de afinado del acero, segn sus clasificaciones. Es aqu donde obtiene su composicin qumica final:Podemos disminuir el ndice de Carbono introduciendo oxgeno puro y producindose oxidacin.El acero lquido afinado pasa a estado slido en la colada continua y es transformado en semi-producto siderrgico. Es vertido en una lingotera sin fondo enfriada con agua ( Fig.05) Siguiendo su curso de solidificacin, es introducido por una serie de rodillos y termina su solidificacin al aire libre y gracias a la pulverizacin del agua.(Fig. 06 ) Finalmente se obtienen las palanquillas, que son cortadas a las longitudes deseadas. (Fig. 07 )Figura 05

Estos semi-productos siderrgicos pasan ahora al proceso de laminacin en caliente.

Las palanquillas son recalentadas entre 800 y 120 C y luego son conducidos, prensados y estirados entre dos cilindros que giran en sentido opuesto. Segn la terminacin deseada en los productos, los cilindros son lisos o con acanaladuras.

Esta laminacin permite tener productos planos como: placas, chapas y bobinas, o productos largos como: barras, carriles y perfiles. Segn el uso requerido. De esta manera se obtiene el acero, con numerosas propiedades especficas, para las diversas aplicaciones: industria, mecnica, construccin, etc.

El acero ms empleado en la construccin es el laminado. El laminado consiste en transformar el acero en bruto a alta temperatura en elementos de formas dadas usados en la construccin, para ello se usan laminadoras (mquinas herramienta de alta potencia) esencialmente formadas por cilindros paralelos.

Al ser un material de alta intensidad energtica, el acero tiene un alto potencial para serReciclado. El acero, se puede reciclar tcnicamente un nmero indefinido de veces, casiSin degradacin en la calidad.

Aun as, la oxidacin reduce la cantidad de material no oxidado. Mientras quePrcticamente el 100% de los desechos de acero podran ser re-introducidos en laindustria, el porcentaje de acero reciclado se estima del 46%. Considerando la relativafacilidad con la que el acero puede ser reciclado y las ventajas obtenidas cuando seutiliza acero reciclado (requiere cuatro veces ms energa producir acero de mineralvirgen que reciclarlo.

Otros aceros:

Moldeado: se sola usar para elementos de formas complejas, difciles de obtener con uniones remachadas o atornilladas. La aparicin de la soldadura ha reducido mucho su uso. Hoy se usa en piezas muy cargadas y con posibilidad de giro o deslizamiento sobre otras (por ejemplo aparatos de apoyo).

Presenta problemas de falta de homogeneidad, debindose radiografiar o comprobar por ultrasonidos las piezas. Tiene mayor resistencia a traccin y flexin que la fundicin pero mucho menos que el acero laminado.

Forjado: se trabaja sobre el acero en caliente por aplastamiento con un martillo piln. Su uso se limita tambin a zonas especiales con esfuerzos altos y complejos (apoyos). Presenta una buena homogeneidad y resistencia.

Trefilado: tienen alta resistencia (r 12000 a 18000 kg/cm2). Se usan en cables de construccin y hormign pretensado.

III. EL ACERO COMO ELEMENTO ESTRUCTURAL

El acero es considerado uno de los materiales estructurales ms verstiles teniendo en cuenta aspectos de gran resistencia y ductilidad. Como resultado de ello se tienen estructuras compuestas por elementos de secciones relativamente esbeltas. Esta caracterstica ha dado lugar a estandarizar la forma de las secciones para optimizar el uso del material de manera econmica.

El acero de construccin constituye una proporcin importante de los aceros producidos en las plantas siderrgicas, siendo su propiedad fundamental la resistencia a distintas fuerzas tanto estticas como dinmicas.

Este concepto de Acero de construccin puede, por tanto, englobar tanto los aceros para construccin civil como para construccin mecnica., separndolos as de los aceros inoxidables, aceros para herramientas, aceros para usos elctricos o a los aceros para electrodomsticos o partes no estructurales de vehculos de transporte.

Por tanto, se tiene que el 90% de la produccin total mundialmente corresponde a estos tipos de aceros llamados aceros al carbono y el 10% restante son los otros tipos de aceros.

Dentro del rubro de aceros para la construccin civil, pueden determinarse dos utilizaciones principales: para concreto armado y construccin en acero.

Para el caso de concreto armado, el fierro redondo se usa como refuerzo trabajando a la traccin mientras que el concreto toma todos los esfuerzos a compresin.

En el caso de la construccin en acero que es el tema que se est abordando en este trabajo de investigacin; se usan elementos tales como perfiles unidos mediante conexiones empernadas o soldadas.

Pero tambin se tienen construcciones mixtas que combina las estructuras de acero embebidas en concreto armado el concreto armado dentro de un tubo estructural.

1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Ventajas del acero como material estructural Alta Resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que ser relativamente bajo el peso de las estructuras.

Uniformidad: Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempocomo es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

Elasticidad: El acero se acerca ms en su comportamiento a las hiptesis de diseo que la mayora de los materiales.

Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es el adecuado duran definidamente.

Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensin. Cuando se prueba a tensin un acero dulce (bajo contenido de carbono), ocurre una considerable reduccin de la seccin transversal y un alargamiento en el punto de falla antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad probablemente sea duro y frgil y se romper al someterlo a un golpe repentino.

Tenacidad: Los miembros de acero son capaces de presentar grandes deformaciones y aun as resistir grandes fuerzas. Esto implica los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su montaje, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin dao aparente. La propiedad de un material para absorber energa en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliaciones de estructuras existentes: Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles adiciones.

Desventajas del acero como material estructural

Costo de mantenimiento: La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente.

Costo de proteccin contra fuego: Aunque algunos miembros estructurales son combustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios, cuando los otros materiales del edificio se queman.

Susceptibilidad al pandeo: Cuanto ms largos y esbeltos sean los miembros a compresin, mayor es el peligro de pandeo. Debido a la alta resistencia por unidad de peso del acero, al usarse como columna no resulta muy econmico ya que debe usarse gran cantidad de material para reducir el riesgo de pandeo.

Fatiga: Otra caracterstica inconveniente del acero es que su resistencia puede reducirse si se somete a un gran nmero de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran nmero de cambios de magnitud del esfuerzo de tensin.

Fractura frgil: Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la falla frgil puede ocurrir en lugares de concentracin de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situacin.

2. PERFILES ESTRUCTURALES PRODUCIDOS POR FABRICANTES

La industria de la construccin ha estandarizado ciertos elementos de acero con formas y propiedades conocidas para facilitar a calculistas, productores y constructores hablar un lenguaje comn. Algunos de los ms empleados se aprecian en la figura 4

Perfiles ms comunes (figura 4)

Los perfiles que aparecen con doble trazo pueden ser laminados en caliente o ensamblados. Los primeros se obtienen al calentar la materia prima, denominada palanquilla, y que consiste en grandes bloques de acero, hasta hacerla fluir para darle la forma correspondiente. Los segundos, es decir los perfiles ensamblados, se obtienen a partir de lminas que se sueldan entre s. De esta ltima forma se han producido en el pas los perfiles ms pesados, dado que la produccin de perfiles laminados en caliente se ha limitado principalmente a ngulos y a otros de bajo peso. Algunos de estos son :

Perfiles W : Los miembros estructurales mayormente utilizados son aquellos que tienen grandes momentos de inercia con relacin a sus reas. Los perfiles I tienen esta propiedad, generalmente los perfiles de acero se designan por la forma de sus secciones transversales, estas vigas son de patn ancho (denominadas vigas W), la superficie interna de una viga W es paralela a la superficie externa con una pendiente mxima de 1:20 en el interior, dependiendo de su procedencia y fabricacin.

La simbologa que es utilizada actualmente para su notacin es:

El primer trmino indica con cierta aproximacin la profundidad o tamao aproximado d en [in], y el segundo trmino indica el peso del perfil en [lb/ft]. Este tipo de perfiles W son uno de los perfiles que tiene una mayor resistencia a la flexin esto porque estos perfiles cuentan con un elevado Momento de Inercia. Otra de las caractersticas es que las alas del perfil W estn alejadas del centro del perfil, por lo tanto mientras ms alejadas las alas se tiene mayor momento de Inercia y sucede tambin cuando se incrementa el ancho de las alas, pero se deber tener en cuenta que cuando este incremento es demasiado tanto las en el alma del perfil y las alas se pandean, producindose as el pandeo local del alma o pandeo local del ala como se muestra en la siguiente figura

Perfiles S : Este tipo de perfiles fueron los primeros en fabricarse y su uso fue muy difundido en Estados Unidos, teniendo una pendiente de 1:6 en el interior de sus patines, como se puede observar, estos perfiles a diferencia de los W no presentan espesores constantes y una cierta curvatura en el alma y las alas del perfil S que dificulta las conexiones. Es muy utilizado en diseo de puentes ya que estos facilitan el escurrimiento del agua o la nieve que est en contacto con el perfil esto debido a la pendiente que este presenta.

La fabricacin de estos perfiles es a pedido segn los requerimientos especiales del que disea y el constructor, estos perfiles no son perfiles estndar es decir que no son comerciales.

Perfiles HP : Es utilizado en diseo de pilotes de acero para las fundaciones de estructuras como ser puentes, edificios y otros.Este perfil est fabricado de tal manera que el alma tiene mayor espesor que el ala para que el alma del perfil HP resista la fuerza del martillo que ejerce en el momento del hincado.

Perfiles C y MC : Los perfiles canal pueden usarse en la construccin de armaduras planas conectadas a placas de nudo con pernos, remaches o soldadura. Al igual que los perfiles M, la fabricacin de los perfiles MC es a pedido segn los requerimientos del diseador y el constructor, estos perfiles no son perfiles estndar es decir que no son comerciales.

Perfiles L: Los perfiles L son los ms comnmente usados, para minimizar las cargas de viento o por razones estticas.

Perfiles WT:Las estructuras con perfiles T, son satisfactorias como cuerdas de armaduras soldadas porque los miembros de la celosa se pueden conectar fcilmente a ellas.

Perfiles MT:

Perfiles ST : Los perfiles ST, se obtienen de los perfiles S tienen la ventaja de que sus peraltes no varan con respecto a los perfiles WT.

Perfiles rectangular HSS: Los perfiles Rectangular y Cuadrado HSS son perfiles para uso expuesto, para minimizar las cargas de viento o por razones estticas.

Perfil circular HSS: Los perfiles Circular HSS o seccin Tubular al igual que los perfiles Rectangular y Cuadrado HSS son utilizados para un uso expuesto.

Perfiles 2L: Los perfiles 2L, se los utiliza para miembros a traccin de armaduras para techos que consisten en angulares simples, pero un miembro ms satisfactorio se construye a base de dos angulares, espalda con espalda, deben conectarse cada 1.2m o 1.5m para prevenir vibracin, especialmente en armaduras de puentes.

El perfil 2L (doble angular) tiene la ventaja de tener una mayor resistencia con respecto a los perfiles L (simple angular), donde:

Perfiles combinados WC: Son la combinacin de un perfil W con un perfil C o MC

Perfiles combinados SC: Son la combinacin de un perfil S con un perfil C o MC

Rieles: En Manual AISC-01 se puede observar las dimensiones y propiedades de una variedad de secciones rieles, (Pg. 1-88)

3. ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS:

Los aceros estructurales disponibles en perfiles estructurales laminados en caliente, placas y barras pueden clasificarse como aceros con carbono, aceros de alta resistencia y baja aleacin, aceros resistentes a la corrosin, y aceros de baja aleacin enfriados y templados. En Estados Unidos, la American Society for Testing and Materials (ASTM) desarrolla y mantiene los estndares de materiales relevantes para estos aceros . Los aceros estructurales se agrupan generalmente segn varias clasificaciones principales de la ASTM:A36. Aceros de propsitos generales. A529. Aceros estructurales de carbono. A572. Aceros estructurales de de alta resistencia y baja aleacin.A242, A588. Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleacin y resistentes a la corrosin atmosfrica.A514, A582. Placas de acero templado y enfriado.AE25 A36. Aceros al carbono. (acero dulce).AE35 AE25A. Aceros de alta resistencia.

Aceros al Carbono: Estos aceros tienen como principales elementos de resistencia al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas.Aceros de Alta resistencia y baja Aleacin: Se conocen por lo general como aceros de alta resistencia, contienen cantidades moderadas de elementos de aleacin diferentes del carbono como: cromo, silicio, nquel y otros. Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosin que los aceros al carbono. Aceros resistentes a la corrosin: Estos aceros poseen una alta resistencia a la corrosin atmosfrica pues desarrollan su propia densidad, dureza y capa de oxido denso duro, y que se adhiere con fuerza. Este tiene un color purpura en lugar del color oxido en forma de escamas.Aceros templados y enfriados: Difieren de los aceros de alta resistencia en que tienen un porcentaje ms elevado de elementos de aleacin y en que dependen del tratamiento trmico para desarrollar niveles de resistencia adecuados. El enfriamiento da como resultado un material muy resistente pero con poca ductilidad en comparacin los aceros al carbono

4. ELEMENTOS ESTRCUTURALES DE ACERO

4.1 COLUMNAS.- Son elementos que trabajan principalmente a carga axial de compresin o esta combina con flexin. Los perfiles con que se forman las columnas generalmente son perfiles W tubo circular, tubo cuadrado, combinacin de perfiles C (canales) y a veces una combinacin de angulares. Es importante determinar las conexiones de extremo, excentricidades de carga, y en casos de columnas altas la esbeltez, que juega un papel importante en el desempeo del elemento.

4.2 VIGAS.- Las vigas son elementos horizontales, en algunos casos inclinados e incluso pueden ser verticales, cuya funcin es transmitir cargas que producen principalmente flexin. Este tipo de elemento puede formarse con los perfiles que se muestran en la figura 4 o una combinacin de ellos, pero los ms apropiados son los perfiles W, S y C

4.3 ARRIOSTRES.- Son elementos en diagonal, formando tringulos en la estructura. Los arriostres trabajan a carga axial de tensin o de compresin, evitando el ladeo de la estructura. Los perfiles ms apropiados para formar los arriostres son los perfiles W, S, C y angulares.

4.4 MIEMBROS A TENSION.- Los miembros a tensin se encuentran sometidos nicamente a carga axial de tensin. Los perfiles comnmente usados son perfiles W, S, C, angulares y barras. Es comn encontrarlos en armaduras, sistemas de arriostre y en miembros utilizados como tirantes.

4.5 CABLES.- Son miembros flexibles que pueden ser nicamente sometidos a tensin, consisten en uno o ms grupos de alambres, torones o cuerdas. Un torn est formado de alambres dispuestos en forma helicoidal alrededor de un alambre central para producir una seccin simtrica, de la misma manera un cable es un grupo de torones colocados en forma helicoidal alrededor de un ncleo central que est compuesto de un corazn de fibras o de otro torn. A continuacin en la figura 6 se muestran esquemas de cable y torn.

5 EL ACERO COMO SISTEMAS ESTRUCTURALES

5.1 MARCOS RIGIDOS. Estn formados por vigas y columnas con uniones rgidas capaces de transmitir momento flector. Las fuerzas verticales y horizontales son resistidas por accin de marco, en la cual las vigas y columnas trabajan a flexin o flexo compresin. La unin viga columna puede estar hecha por medio de soldadura o pueden ser uniones pernadas, remachadas o una combinacin de soldadura y pernos. Este tipo de marcos puede ser de uno o varios pisos. En la figura 7 se presentan algunos marcos frecuentemente usados en las estructuras de acero para edificios.

Diversos marcos usados en las estructuras de acero para edificios(Figura 7)

5.2 MARCOS ARRIOSTRADOS. Al igual que los marcos rgidos, los marcos arriostrados estn formados por vigas y columnas, teniendo adicionalmente elementos en diagonal formando tringulos en la estructura. Los nudos pueden ser articulados. Los arriostres, miembros diagonales, trabajan a carga axial de tensin o de compresin, evitando el ladeo de la estructura. La colocacin de los elementos diagonales puede ser en X, K o V como se muestra a continuacin en la figura 8.

Configuraciones tpicas de sistemas de arriostre concntricos(Figura 8) Un caso frecuente de marcos arriostrados se muestra en la figura 9 en donde los elementos en diagonal estn situados en el plano inclinado del techo (formando diafragma) y en la direccin perpendicular al marco rgido formando diafragmas verticales. Los elementos en diagonal estn diseados para que resistan las fuerzas laterales por medio de tensin axial y son llamaos comnmente tensores.

Esquema de marco rgido arriostrado por tensores(Figura 9)

5.3 MARCOS CON MUROS DE CONCRETO O DE MAMPOSTERIA. Este tipo de estructuras poseen rgidos de acero en una direccin, con cerramiento de la edificacin usando muros de concreto o muros de mampostera. Es importante determinar si estos muros forman parte del sistema estructural; en cuyo caso son utilizados parcial o axialmente para resistir las fuerzas laterales. En caso contrario tales muros sern tomados como elementos secundarios. La figura 10 muestra un arreglo de marcos con muro de concreto o de mampostera.

Esquema de marco rgido arriostrado por tensores(Figura 10)

5.4 ARMADURAS.- Una armadura est formada por un grupo de miembros (tambin llamadas barras) que forman uno o ms tringulos, en un solo plano, y estas dispuestos de manera que las cargas externas se aplican en los nudos o juntas y tericamente solo producen tensin o compresin axiales en los miembros. En la figura 11 se muestra algunos tipos de armaduras

tipos de armaduras (figura 11)

5.5 ARMADURAS TRIDIMENSIONALES.- En un sistema de barras en el espacio, unidas entres si por sus extremos con articulaciones, de manera que forman una estructura espacial rgida. Sus elementos estn dispuestos de manera que las cargas externas se aplican en los nudos o juntas y tericamente solo producen tensin o compresin axiales en los miembros. La figura 12 es un arreglo de miembros que forman una armadura tridimensional.

esquema de armadura tridimensional y nudo(Figura 12)

5.6 ENTREPISOS.- La utilizacin de elementos de acero combinados con otros materiales como concreto, madera, etc., para la construccin de entrepisos, es de uso bastante frecuente. Generalmente los entrepisos estn formados con un sistema de vigas de carga apoyadas sobre columnas, paredes, armaduras, etc., sobre las que se apoya una serie de vigas de menor dimensin, llamadas viguetas o vigas secundarias. Como vigas secundarias pueden usarse joists que son vigas de alma abierta. Sobre estos elementos descansa el piso que puede ser de tablones de madera, losetas prefabricadas de concreto una losa de concreto fundida en el lugar. La figura 13 muestra algunos de los sistemas utilizados para entrepiso. Las uniones entre los diversos elementos y los anclajes a la estructura principal son importantes para que el entrepiso pueda funcionar como diafragma horizontal.

esquemas de entrepiso de acero(figura 13)

5.7 TECHOS O CUBIERTAS.- Es muy comn encontrar cubiertas con armaduras de acero o simplemente de vigas inclinadas, como elementos que soporten las cargas del techo. Las armaduras o vigas generalmente estn conectadas entre s por medio de tensores formando un diafragma horizontal y frecuentemente descansan sobre muros de mampostera con columnas de concreto. En otros casos se apoyan en estructuras principales de acero. Sobre las armaduras o vigas inclinadas descansan las costaneras que son las que reciben la cubierta (que pueden ser laminas metlicas fibrocemento, elementos de concreto, etc.) y la carga viva. La figura 14 muestras algunos tipos de cubiertas.

Esquema de cubiertas o techos(Figura 14)

5.8 GRADAS.- Son un arreglo de vigas inclinadas que van de un piso inferior al piso superior, sobre los que se apoyan los peldaos (de acero, de madera, o de concreto). Cuando estn apoyadas sobre el suelo estn fijadas a un cimiento de concreto y generalmente estn apoyadas en vigas en el nivel superior unidas por medio de pernos o soldadura

6 DESCRIPCION DE FALLAS

ELEMENTODESCRIPCION DE FALLAESQUEMA

Uniones Viga - ColumnaGrietas en soldaduras de las uniones y/o en las vigas o columnas.

Uniones Viga - ColumnaDeformacin en los patines cerca de la junta viga- columna.

Uniones Viga - ColumnaPernos cortados o deformados y deformaciones en la placa conectora.

ARRIOSTRESArriostres arqueados o deformados

ARRIOSTRESDesgarramiento de soldaduras entre columna y platina conectora y/o pernos rotos

VIGAS

Arriostres rotos

ELEMENTODESCRIPCION DE FALLAESQUEMA

Columna

Columna inclinada o fuera de plomo

Columna

Columna que se muestre arqueada

ColumnaDesgarramiento de la soldadura en la platina de apoyo

ColumnaDeformacin de los pernos de anclaje en el apoyo de la columna

Columna

Corte de los pernos de anclaje en el apoyo de la columna

ColumnaAplastamiento de la columna. Falla por compresin

III. DISEO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

Hoy en da, los aceros estructurales son uno de los materiales de construccin de mayor importancia a nivel mundial. Por muchas caractersticas deseables, los aceros estructurales han llevado a que se utilicen en una gran variedad de aplicaciones. Estn disponibles en muchas formas de productos y ofrecen una alta resistencia inherente. Tienen un mdulo de elasticidad muy alto, de manera que las deformaciones bajo cargas son muy pequeas. Adems, los aceros estructurales poseen una gran ductilidad (capacidad a deformarse); tienen una relacin esfuerzo-deformacin unitaria en forma lineal, incluso para esfuerzos relativamente altos y su mdulo de elasticidad es el mismo a tensin que a compresin. Por tanto, el comportamiento de los aceros estructurales bajo cargas de trabajo puede predecirse de forma exacta por medio de la teora elstica. Las propiedades mecnicas de los aceros dependen de su composicin qumica, de sus aleaciones, de su proceso de laminacin, forma de enfriamiento, tratamiento trmico posterior y el tipo de solicitaciones a que sean sometidos. Las siguientes propiedades, sin embargo, son comunes en todos los aceros: Peso Especifico: 7850 kg/m Modulo de Elasticidad (Modulo de Young): 2.1x106 kg/cm2 Modulo de Corte : G = Coeficiente de Poisson: (V=0.3, Rango elstico), (V=0.5, Rango inelstico)

Las propiedades mecnicas representan la resistencia de un miembro estructural de acero bajo solicitaciones estticamente aplicadas y se obtienen del diagrama esfuerzo-deformacin (Ver Figura 1.1 ). Este diagrama grafica el comportamiento de un espcimen de acero o probeta, sometido en laboratorio a esfuerzos gradualmente crecientes hasta la rotura, en traccin o compresin en ausencia de pandeo. Esta prueba se conoce como Prueba de Tensin y permite conocer propiedades mecnicas como: resistencia, rigidez, ductilidad y la tenacidad del material.1. DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIN DEL ACERO ESTRUCTURAL Si una pieza de acero estructural dulce se somete a una prueba de tensin. sta comenzar a alargarse. Si se incrementa la fuerza a razn constante, la magnitud del alargamiento aumentar constantemente dentro de ciertos lmites; es decir, el alargamiento se duplicar cuando el esfuerzo pase de 6 a 12 ksi. Cuando el esfuerzo de tensin alcance un valor aproximado al 50% de la resistencia ltima del acero, el alargamiento comenzar a aumentar ms rpidamente sin un incremento correspondiente del esfuerzo. El mayor esfuerzo para el que todava es vlida la Ley de Hooke y que puede resistir el material sin deformacin permanente se denomina lmite proporcional y lmite elstico respectivamente.El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o deformacin sin un incremento correspondiente en el esfuerzo es el esfuerzo de fluencia. Este esfuerzo es la propiedad ms importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseo se basan en este valor. Dentro de este lmite se presenta la deformacin elstica. Ms all de este valor hay un intervalo en el que ocurre un incremento en la deformacin sin incremento del esfuerzo. A dicha deformacin se le conoce como deformacin plstica, la cual es de diez a quince veces mayor que la deformacin elstica. Despus de la regin plstica se tiene una zona llamada endurecimiento por deformacin en la que se requieren esfuerzos adicionales para producir deformaciones mayores.

2. MTODO LRFD (DISEO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA)El diseo con factores de carga y resistencia se basa en los conceptos de estados lmite. El trmino de estado lmite se utiliza para describir una condicin en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su funcin predeterminada. Existen dos tipos de estado lmite: los de resistencia y los de servicio. Los primeros se basan en la seguridad o capacidad de carga de las estructuras e incluyen resistencias plsticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo, etc.

Los segundos se refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargas normales de servicio y tiene que ver con aspectos asociados con el uso y ocupacin, tales como flechas excesivas, deslizamientos, vibraciones, etc.Curvas esfuerzo deformacin para diferentes tipos de acero

La estructura no solo debe ser capaz de resistir las cargas de diseo sino tambin las de servicio en forma tal, que se cumplan los requisitos de los usuarios de ella. Las especificaciones del LRFD se concentran en requisitos muy especficos relativos a los estados lmite de resistencia y permiten cierta libertad en el rea de servicio. En este mtodo, las cargas de trabajo o servicio, Qi, se multiplican por factores de carga o de seguridad, i, que son casi siempre mayores de 1 y se obtienen las cargas ltimas o factorizadas. La estructura se proporciona para que tenga una resistencia ltima de diseo suficiente para soportar las cargas factorizadas.Esta resistencia se considera igual a la resistencia terica o nominal, Rn, del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia , que es normalmente menor que 1. Con este factor, se intenta tomar en cuenta las incertidumbres relativas a resistencia de los materiales, dimensiones y mano de obra, etc. En pocas palabras, para un miembro particular se debe cumplir que: iQi Rn.

3. FACTORES DE CARGA El propsito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas, muertas y accidentales durante la vida til de la estructura. El AISC-LRFD tiene las siguientes combinaciones de carga: U representa la carga ltima; D son las cargas muertas; L son las cargas vivas; Lr son las cargas vivas en techos; S son las cargas de nieve; R son las cargas por lluvia, granizo o hielo, sin incluir el encharcamiento; W son las cargas de viento y E son las cargas ssmicas. a) U = 1.4D b) U = 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R) Si se consideran las fuerzas de viento o sismo: c) U = 1.2D + 1.6(Lr o s o R) + (0.5L o 0.8W) d) U = 1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5(Lr o s o R) e) U = 1.2D + 1.5E + (0.5L o 0.2S) Para considerar el posible efecto de volteo: f) U = 0.9D (1.3W o 1.5E)

Para estimar con precisin la resistencia ltima de una estructura, es necesario tomar en cuenta las incertidumbres que se tiene en la resistencia de los materiales, en las dimensiones, en la mano de obra, etc. Algunas de las incertidumbres que afectan a estos factores son: a) La resistencia de los materiales puede variar inicialmente en forma considerable respecto a los valores supuestos y la variacin ser mayor con el paso del tiempo debido al flujo plstico, a la corrosin y a la fatiga. b) Los mtodos de anlisis estn sujetos con frecuencia a errores apreciables o no se tiene un criterio definido para la estructuracin. c) Los fenmenos naturales como sismos, huracanes, tornados, etc., causan condiciones difciles de predecir. d) Las incertidumbres durante el proceso constructivo as como el maltrato que puedan recibir las estructuras durante la fabricacin y montaje. Las cargas constructivas pocas veces consideradas en los anlisis de cargas, etc. e) Las cargas muertas de una estructura pueden estimarse con bastante exactitud, pero no as las cargas vivas. f) Otras incertidumbres son la presencia de esfuerzos residuales y concentraciones de esfuerzos, variaciones en las dimensiones de las secciones, etc.

4. ANALISIS DE MIEMBROS A TENSION

Los miembros en tensin son elementos estructurales que estn sujetos a fuerzas axiales directas, que tienden a largar el miembro. Un miembro cargado en tensin axial, se sujeta a esfuerzos normales de tensin uniformes, en todas las secciones transversales a lo largo de su longitud.Todos los miembros de acero soportan bien la traccin axial y su diseo es relativamente sencillo, basado en la condicin de que las conexiones deben ser ms resistentes que el cuerpo de los miembros, de modo de lograr una suficiente seguridad de conjunto. Por lo general, las secciones simples laminadas son ms econmicas que las secciones compuestas, y normalmente se utilizan cuando aportan una resistencia, rigidez y facilidad de conexin adecuada. Los perfiles que se utilizan con mayor frecuencia, para miembros en tensin son las barras planas, barras redondas, perfiles H, perfiles I, canales y ngulos. (Ver Figura 2.1)

El manual del AISC-LRFD, especifica que la resistencia de diseo de un elemento a tensin, t *Pn, ser el menor de los valores obtenidos con las siguientes expresiones: 1. Para el estado lmite de fluencia en la seccin bruta. Pu = t Fy Ag con t = 0.90 (2.1) 2. Para la fractura en la seccin neta en la que se encuentran agujeros de tornillos o remaches Pu = t Fu Ae con t = 0.75 (2.2) 3. Para varillas y barras redondas. Pu = t Fu Ad con t = 0.75 (2.3) Donde : Ae = rea neta efectiva, cm2Ag = rea bruta del miembro, cm2Ad = rea total de la varilla calculada con base en el dimetro exterior de la rosca, cm2Fy = tensin de fluencia mnima especificada del tipo de acero utilizado, kgf/cm2Fu = tensin ltima mnima especificada del tipo de acero utilizado, kgf/cm2

Clculo de reas netas rea Bruta (Ag): El rea bruta, Ag, de un miembro es el rea total de la seccin transversal.

rea neta (An): Si la conexin de extremo de un miembro en tensin se va a realizar por medio de tornillos, entonces debe retirarse material de la seccin transversal para formar los agujeros de los tornillos. An = Ag rea de los agujero

rea neta efectiva (Ae): Es la parte del rea de un miembro en tensin que participa de manera efectiva en la transferencia de la fuerza. Si las fuerzas no son transferidas uniformemente a travs de la seccin transversal de un miembro, habr una regin de transicin de esfuerzo no uniforme que ira de la conexin del miembro a lo largo de cierta distancia. En la regin de transicin, el esfuerzo en la parte conectada del miembro puede fcilmente exceder Fy y entrar al rango de endurecimiento por deformacin. (Ver Figura 2.5)El rea neta efectiva de los miembros tensionados debe ser determinada de la siguiente forma:

Ae = U An

Donde U tiene los siguientes valores: a) U = 0.90 En los perfiles W, M, S con anchos de patn no menores que 2/3 de sus peraltes y Tees estructural4es cortadas de esos perfiles, siempre que la conexin sea por los patines. Las conexiones atornilladas o remachadas deben tener no menos de tres conectores por hilera en la direccin de la fuerza. b) U = 0.85 En los perfiles W, M, S que no cumplan con los requisitos anteriores, Tees estructurales cortadas de esos y otros perfiles, incluyendo secciones armadas. Las conexiones atornilladas o remachadas deben tener no menos de tres conectores por hilera en la direccin de la fuerza. c) U = 0.75 en todos los miembros con conexiones atornilladas o remachadas con slo dos conectores por hilera en la direccin de la fuerza.

rea de elementos Soldados: Si la carga se transmite por medio de soldadura a travs de algunos, pero no de todos los elementos de un miembro a tensin, el rea neta efectiva debe determinarse multiplicando el coeficiente de reduccin U por el rea total del miembro, Ae = U Ag. Donde U tiene los mismos valores que para el inciso 2, sin tomar en cuenta la especificacin relativa al nmero de conectores. Si una carga de tensin se transmite por medio de soldadura transversal a algunos, pero no de todos los elementos con perfiles W, M o s, o bien a Tees estructurales cortadas de esos perfiles, el rea neta efectiva, Ae, ser igual al rea de las partes conectadas directamente. En funcin de la longitud de la soldadura, la cual no podr ser menor al ancho de las placas o barras, el rea neta efectiva ser igual a U Ag, donde U vale: a. U = 1.0 si L > 2W b. U = 0.87 si 2W > L > 1.5W c. U = 0.75 si 1.5W > L > W Donde L es la longitud del cordn de soldadura y W es el ancho de la placa (distancia entre cordones)

5. ANALISIS DE MIEMBROS CARGADOS AXIALMENTE A COMPRESIONUna columna es un miembro estructural utilizado para transmitir una fuerza en compresin a lo largo de una trayectoria recta en la direccin del eje longitudinal del miembro. En un principio solo a los miembros en compresin vertical se los denominaba columnas. Constituyen elementos bsicos en la mayora de las estructuras y su resistencia depende fundamentalmente de la esbeltez, de la calidad del acero utilizado y su forma de apoyo.Las consideraciones tericas en las cuales se basa el anlisis y diseo de las columnas se refieren al modelo matemtico de una columna ideal, cuyo eje es perfectamente recto, el material es istropo y homogneo, sin tensiones residuales y de comportamiento idealmente elasto-plstico, con cargas aplicadas en el baricentro de la seccin transversal. Las columnas reales distan mucho de cumplir estas condiciones, por lo cual los resultados obtenidos del anlisis son solo aproximados.Las columnas de acero se pueden clasificar en columnas cortas y columnas largas, con base en la forma en la que fallaran cuando se sujetan a cargas axiales. A un miembro en compresin se le puede considerar una columna corta si su longitud es del mismo orden de magnitud que las dimensiones totales de su seccin transversal. Estos miembros fallan generalmente por causa del aplastamiento del material (Ver Figura 3.1a). Columnas Largas: Una columna larga es un miembro en compresin que tiene una longitud muy grande con relacin a su dimensin lateral menor. La falla de las columnas largas consiste en una flexin lateral sbita o pandeo, (Ver Figura 3.1b). La carga axial lmite Pcr que origina este pandeo se conoce como carga de pandeo o carga critica.Ecuacin de EulerEuler fue el primero que observ que en el caso de columnas, la resistencia es un problema de estabilidad del equilibrio y no nicamente de la magnitud de la carga del material. La deduccin de Euler parte de la ecuacin fundamental de flexin:M= EI As la ecuacin de Euler es: P = (3.1) Donde P es la carga crtica de pandeo elstico o carga crtica de Euler. Sabiendo que r = y que = se puede escribir la ecuacin de Euler como := = Fe (3.2) Donde es el esfuerzo crtico de pandeo elstico.

Longitud Efectiva La longitud efectiva de una columna se denomina KL, donde K es el factor de longitud efectiva. K es un nmero por el que se debe multiplicar la longitud de la columna para obtener la longitud efectiva de la columna. El valor de K depende de la restriccin rotacional en los extremos de la columna y a su resistencia al movimiento lateral.

El concepto de longitud efectiva es un artificio matemtico para reemplazar una columna con cualquier condicin en sus extremos por una columna equivalente con sus extremos articulados, a fin de aplicar la ecuacin de Euler. Sin embargo, para prticos continuos, no es recomendable usar los valores de K dados en la tabla anterior. Para estos casos, es posible obtener K con base en un anlisis matemtico o utilizando los nomogramas para la determinacin de las longitudes efectivas de prticos continuos.

Donde G :

Columnas cortas. Teora de Engesser: El criterio de que una columna mantiene un comportamiento perfectamente elstico hasta alcanzar su carga axial de pandeo es solo valido mientras el esfuerzo crtico no supere el lmite de proporcionalidad. Los resultados experimentales indican que las columnas de acero esbeltas con: cumplen con exactitud la ecuacin de Euler.Cuando la esbeltez disminuye la carga axial crece gradualmente, el pandeo sobreviene en el rango inelstico del material. Han sido desarrolladas dos teoras para analizar el comportamiento de los miembros en pandeo inelstico.Teora del mdulo tangenteEsta teora fue formulada por Engesser en 1889, sustituyendo en la ecuacin de Euler el mdulo de elasticidad E por el modulo tangente Et que corresponda al esfuerzo crtico .

Segn esta teora el eje de la columna permanece recto hasta la falla, y el mdulo de elasticidad tangente Et se mantiene invariable en la seccin. La figura 3.8 muestra el diagrama Esfuerzo-Deformacin de una columna cargada axialmente, con un tramo curvo por encima de su lmite de proporcionalidad fp. En este tramo curvo, la pendiente se define por el modulo tangente Et