Instituto Tecnolgico

INSTITUTO TECNOLGICO DE CAMPECHE

Carrera: Arquitectura

Asignatura: Estructuras de Acero

Trabajo: INVESTIGACIN UNIDAD I

Grupo: VQ5

Alumno: Canales Santos Roberto

Maestro: Jorge Enrique Silva Ramrez

Fecha de entrega: 19/Febrero/2015

1.1. Propiedades mecnicas de los aceros.

Debido a sus propiedades, en la ingeniera y como material de construccin, el acero es posiblemente el ms importante en el mundo.Las propiedades del acero ms importantes son la conformabilidad y durabilidad, resistencia a la traccin y su buena resistencia a la fluencia, buena conductividad trmica, y, para los aceros inoxidables, la resistencia a la corrosin.Al seleccionar un material para una aplicacin en particular, los ingenieros deben estar seguros de que ser adecuado para las condiciones de carga y los desafos del medio ambiente al que ser sometido durante su servicio. Comprensin y control de las propiedades de un material es esencial. Las propiedades mecnicas del acero pueden ser cuidadosamente controladas a travs de la seleccin de una composicin, de los productos qumicos, el procesamiento y el tratamiento trmico, que conducen a su micro estructura final.Las aleaciones y el tratamiento trmico utilizado en la produccin de acero en el resultado de diferentes valores de las propiedades y los puntos fuertes y las pruebas deben ser realizadas para determinar las propiedades finales de un acero y para garantizar el cumplimiento de las normas respectivas.Las propiedades mecnicas del acero son de gran importancia en el comportamiento de un miembro estructural. Estas, a su vez, dependen principalmente de la composicin qumica de los mismos, los procesos de laminado y el tratamiento trmico al que estn sometidos. Si se considera que las propiedades mecnicas se obtienen como resultado de pruebas de laboratorio en los diferentes aceros, se debern tomar en cuenta otros factores que afectan esas propiedades, tales como la rapidez de carga de la muestra, las condiciones y la geometra de las mismas, el trabajo en frio y la temperatura existente al llevarse a cabo la prueba.a) Resistencia: es la oposicin al cambio de forma y a la fuerzas externas que pueden presentarse como cargas son traccin, compresin, cizalle, flexin y torsin.b) Elasticidad: corresponde a la capacidad de un cuerpo para recobrar su forma al dejar de actuar la fuerza que lo ha deformado.

c) Plasticidad: es la capacidad de deformacin de un metal sin que llegue a romperse si la deformacin se produce por alargamiento se llama ductilidad y por compresin maleabilidad.

d) Fragilidad: es la propiedad que expresa falta de plasticidad y por lo tanto tenacidad los metales frgiles se rompen en el lmite elstico su rotura se produce cuando sobrepasa la carga del lmite elstico.

e) Tenacidad: se define como la resistencia a la rotura por esfuerzos que deforman el metal; por lo tanto un metal es tenaz si posee cierta capacidad de dilatacin.

f) Dureza: Es la propiedad que expresa el grado de deformacin permanente que sufre un metal bajo la accin directa de una fuerza determinada. Existen dos Dureza fsica y dureza tcnica.

g) Ductilidad: es la capacidad que tienen los materiales para sufrir deformaciones a traccin relativamente alta, hasta llegar al punto de fractura.

h) Resiliencia: Es la capacidad que presentan los materiales para absorber energa por unidad de volumen en la zona elstica.

1.3. Proceso de diseo estructural.1. Etapas en el proceso del diseoProceso creativo mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para que cumpla una funcin determinada con un grado de seguridad razonable y que en condiciones normales de servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerar ciertas restricciones que surgen de la interaccin con otros aspectos del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de ejecucin as como de satisfacer determinadas exigencias estticas. Entonces, la solucin al problema de diseo no puede obtenerse mediante un proceso matemtico rgido, donde se aplique rutinariamente un determinado conjunto de reglas y formulas.a) Etapa de estructuracinEs probable la etapa ms importante del diseo estructural pues, la optimizacin del resultado final del diseo depende de gran medida del acierto que se haya obtenido en adoptar la estructura esqueletal ms adecuada para una edificacin especfica.En esta etapa de estructuracin se seleccionan los materiales que van a constituir la estructura, se define el sistema estructural principal y el arreglo y dimensiones preliminares de los elementos estructurales ms comunes. El objetivo debe ser el de adoptar la solucin ptima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuracin.b) Estimacin de las solicitaciones o accionesEn esta segunda etapa del proyecto, se identifican las acciones que se consideran que van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante su vida til. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga muerta, acciones variables como la carga viva. Acciones accidentales como el viento y el sismo. Cuando se sabe de antemano que en el diseo se tienen que considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la experiencia la estructuracin ms adecuada para absorber dichas acciones.c) Anlisis estructuralProcedimiento que lleva la determinacin de la respuesta del sistema estructural o de un elemento es su comportamiento bajo una accin determinada; est en funcin de sus propias caractersticas y puede expresarse en funcin de deformaciones, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc.Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los siguientes aspectos:1) Idealizacin de la estructura:a) Seleccionar un modelo terico y analtico factible de ser analizado con los procedimientos de clculo disponible. La seleccin del modelo analtico de la estructura puede estar integrado de las siguientes partes:b) Modelo geomtrico. Esquema que representa las principales caractersticas geomtricas de la estructura.c) Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras. Debe establecerse como cada elemento est conectado a sus adyacentes y cules son las condiciones de apoyo de la estructura.d) Modelo del comportamiento de los materiales. Se supone una relacin accin - respuesta o esfuerzo - deformacin del material que compone la estructura.e) Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan la estructura para una condicin dada de funcionamiento se representan por fuerzas o deformaciones impuestas.

2) Determinar las acciones de diseo:En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la estructura estn definidos por los reglamentos de las construcciones y es obligacin del proyectista sujetarse a ellos.

3) Determinar la respuesta de las acciones de diseo en el modelo elegido para la estructura:Es necesario obtener los elementos mecnicos y los desplazamientos en el sistema estructural.4) Dimensionamiento:En esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se cumple con los requisitos de seguridad adoptados.

2. Conceptos FundamentalesLa principal funcin de un sistema estructural es la de absorber las acciones o solicitaciones que se derivan del funcionamiento de la construccin.1) Acciones: Son todos los agentes externos que inducen en la estructura fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones.

2) Respuestas: Se representa por un conjunto de parmetros fsicos que describen el comportamiento de la estructura ante las acciones que le son aplicadas.

3) Estado lmite: Es cualquier etapa en el comportamiento de la estructura a partir de la cual su respuesta se considera inaceptable.Tipos de estados limitea) Estado lmite de falla: Son los que se relacionan con la seguridad y corresponden a situaciones en que la estructura sufre una falla total o parcial o que presenta daos que afectan su capacidad para resistir nuevas acciones.b) Estado lmite de servicio: Son los que se asocian con la afectacin del correcto funcionamiento de la construccin y comprenden deflexiones, agrietamientos y vibraciones excesivas.

4) Resistencia: Es la intensidad de una accin hipottica que conduce a la estructura o alguna seccin a un estado lmite de falla. Por ejemplo, la resistencia a flexin ser el momento mximo que es capaz de resistir la seccin.

3. Mtodos del diseo estructural1) Diseo por medio de modelos: Se recomienda en el diseo de elementos estructurales de forma muy compleja que no son fciles de analizar por medio de los modelos matemticos usuales.2) Mtodo de los esfuerzos de trabajo o de esfuerzos permisibles o teora elstica: Los elementos mecnicos producidos en los distintos elementos por las solicitaciones de servicio o de trabajo se calculan por medio de un anlisis elstico. Se determinan despus los esfuerzos en las distintas secciones debido a los elementos mecnicos, por mtodos tambin basados en hiptesis elsticas. Los esfuerzos de trabajo as calculados, deben mantenerse por debajo de ciertos esfuerzos permisibles que se consideran aceptables, el mtodo es razonable en estructuras de materiales con un comportamiento esencialmente elstico.3) Mtodo de la resistencia o mtodo de factores de carga y de reduccin de resistencia o teora plstica: Los elementos mecnicos se determinan por medio de un anlisis elstico-lineal. Las secciones se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sean igual a dichas acciones multiplicadas por factores de carga, de acuerdo con el grado de seguridad deseado o especificado. La resistencia de la seccin se determina prcticamente en la falla o en su plastificacin completa.4) Mtodos basados en el anlisis al lmite: En este criterio se determinan los elementos mecnicos correspondientes a la resistencia de colapso de la estructura. (Formacin de suficientes articulaciones plsticas para llegar a la falla total de la estructura). Se hace un anlisis estructural plstico.5) Mtodos probabilsticos: Las solicitaciones que actan sobre las estructuras, as como las resistencias de estas son cantidades en realidad de naturaleza aleatoria, que no pueden calcularse por mtodos determinsticos como se supone en los criterios de diseo anteriores. Esto nos conduce a pensar en mtodos basados en la teora de las probabilidades.Las principales limitaciones que se tienen en la actualidad son que no se tiene suficiente informacin sobre las variaciones tanto de las solicitaciones que deben de considerarse como la resistencia de los materiales y de las estructuras construidas con ellos.

4. Acciones y sus efectos sobre los sistemas estructuralesAtendiendo los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseo, la clasificacin ms racional de las acciones se hace en base a la variacin de su intensidad con el tiempo. Se distinguen as los siguientes tipos de acciones:1) Acciones permanentes: Son las que actan en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad pude considerarse que no vara con el tiempo. Pertenecen a este grupo las siguientes:a) Cargas muertas debidas al propio peso de la estructura y al de los elementos no estructurales de la construccin.b) Empujes estticos de lquidos y tierras.c) Deformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del pre-esfuerzo y a movimientos diferenciales permanentes en los apoyos.d) Contraccin por fraguado del concreto, flujo plstico del concreto, etc.

2) Acciones variables: Son aquellas que inciden sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durante lapsos grandes. Se pueden considerar las siguientes:a) Cargas vivas, o sea aquellas que se deben al funcionamiento propio de la construccin y que no tienen carcter permanente.b) Cambios de temperaturas.c) Cambios volumtricos.

3) Acciones accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la construccin y que puede tomar valores significativos solo durante algunos minutos o segundos, a lo ms horas en toda la vida til de la estructura. Se consideran las siguientes:a) Sismosb) Vientosc) Oleajesd) ExplosionesPara evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura requerimos modelar dichas acciones como fuerzas concentradas, lineales o uniformemente distribuidas.Si la accin es de carcter dinmico podemos proponer un sistema de fuerzas equivalentes o una excitacin propiamente dinmica.

1.4. Factores de seguridad y de carga.Ha sido una prctica corriente, en el pasado, aumentar en un 20% el valor de la carga para el diseo, con el fin de considerar el efecto del impacto. Sin embargo las experiencias y ensayos demuestran que las tensiones producidas por las cargas mviles de los vehculos son menores que las ocasionadas por las cargas estticas de igual magnitud. Desde que las cargas mviles producen tensiones menores que las estticas de igual magnitud, el factor de impacto, hasta ahora usado para el diseo del pavimento de hormign, carece de sentido. Sin embargo conviene tener en cuenta, similarmente a lo establecido para el clculo de otras estructuras, un factor de seguridad con respecto a las cargas. Se recomienda el uso de los siguientes factores de seguridad de carga:a) Par calles del sistema de trnsito general con alto volumen de trnsito pesado: 1,20.b) Para calles del sistema arterial mayor con moderado volumen de trnsito de camiones: 1,10.c) Para calles de los sistemas colector y local que soportan un trnsito reducido de camiones: 1,00.

1.5. Diseo elstico.La mayor parte de las estructuras existentes se disearon con mtodos elsticos (Diseo por esfuerzos permisibles y diseo por esfuerzos de trabajo, estos mtodos consisten en la estimacin de cargas de trabajo y servicio, es decir, las que la estructura tiene que soportar y se disean los miembros en base a ciertos esfuerzos permisibles. Estos esfuerzos, son una fraccin del esfuerzo mnimo de fluencia especificado del acero. Dentro del tema de mecnica de materiales es sabido que la ductilidad del acero proporciona una reserva de resistencia y est circunstancia es la base del diseo plstico. En el mtodo plstico, las cargas de trabajo se estiman y se multiplican por ciertos factores de carga o de sobre capacidad y los elementos estructurales se disean en entonces con base en sus resistencias al colapso, por ello este mtodo tambin lleva por nombre el de diseo por colapso. La mayor porcin de la curva esfuerzo-deformacin yace ms all del lmite elstico del acero. Estudios experimentales han demostrado que los aceros pueden resistir esfuerzos considerablemente mayores que los de fluencia y en caso de sobrecargas las estructuras estticamente indeterminadas tienen la capacidad de repartir la sobrecarga, gracias a la ductilidad del acero.Este mtodo de diseo denominado tambin diseo elstico, consiste en determinar, en primer trmino, los esfuerzos que se presentan en las secciones crticas de un miembro estructural bajo la accin de las cargas de servicio o de trabajo, considerando un comportamiento elstico del material. Se considera que un miembro est diseado correctamente cuando los esfuerzos de trabajo, ocasionados por las cargas de servicio que obran en el miembro no exceden los esfuerzos permisibles.Los esfuerzos permisibles se estipulan en las especificaciones de diseo de acuerdo con el tipo de elemento estructural, tipo de acero y solicitaciones que obran en la estructura. En general, los esfuerzos permisibles se obtienen dividiendo los esfuerzos de falla del material y tipo de solicitacin entre un factor de seguridad. En general, los esfuerzos permisibles son una fraccin del esfuerzo correspondiente al lmite inferior de fluencia (esfuerzo de fluencia, Fy), o del esfuerzo mnimo especificado de ruptura en tensin, Fu, del acero utilizado en el diseo de la estructura o del esfuerzo crtico de un elemento.Ecuacin bsica de diseo[footnoteRef:1]: [1: http://www.ahmsa.com/Acero/Complem/Manual_Construccion_2013/Capitulo_2b.pdf]

F calc. Fperm.Donde:fcalc.= esfuerzo calculado en un componente estructural bajo las cargas de servicio o de trabajo, en kg/cm2.

El margen de seguridad se representa mediante el factor de seguridad (F.S.) y se aplica en el mismo lado de la resistencia de la ecuacin bsica de diseo. Tpicamente, FS =1.67 para diseo de miembros estructurales en tensin y FS = 2.0 para diseo de conexiones estructurales trabe-columna.El factor de seguridad no refleja las diferencias de niveles de las incertidumbres asociadas con las diferentes combinaciones de carga. Por ejemplo, se usa el mismo factor de seguridad para las cargas muertas y vivas.

1.6. Diseo plstico.Actualmente las estructura se disean teniendo en cuenta separadamente las cargas P que se multiplican por un factor de carga Fc > 1 que amplifica las cargas, y por otro lado la resistencia del elemento se obtiene nominalmente considerando su capacidad ltima de falla (Rn) para conseguir secciones econmicas, se reduce con factores de resistencia Fr < 1; de tal manera que la ecuacin bsica de diseo resulta:FcP < FrRnDe donde: F.S. a la falla = Fc > 1/ Fr < 1 >> 1

Sin embargo, este diseo denominado comnmente "plstico" debera llamarse "diseo por factores de carga y resistencia", pues si en lugar de elegir la resistencia a la ruptura (Fu) tomamos el esfuerzo de fluencia (Fy) obtenemos un diseo elstico

El mtodo LRFD y el de las NTC-Metlicas siguen este mtodo para el diseo por estados lmites de falla; es decir, el diseo para elementos mecnicos y/o esfuerzos que aseguran la resistencia mecnica del elemento estructural ante el colapso.Mientras que el diseo por estado lmite de servicio incluye la revisin por deflexiones, vibraciones y dems efectos en las estructuras para que no afecten su buen funcionamiento.

FACTORES DE CARGA:Los factores de carga incrementan sus magnitudes para tomar en cuenta las incertidumbres para estimar sus valores:

REGLAMENTO LRFDCOMBINACIONES MASFRECUENTES

Carga muerta = DU = 1.4 D

Carga viva = LU = 1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr S R)

Carga viva en techo = LrU = 1.2 D +1.6 (Lr S R)

Carga viento = WU = 1.2 D +1.3 W + 0.5 L +0.5 (Lr S R)

Carga por sismo = EU = 1.2 D + 1.5 E + (0.5L 0.2S)

Carga de nieve = SU = 0.9 D (1.3 W 1.5 E)

Carga de lluvia = R

Carga ltima total = U

Carga muerta = CM*1.4 CMmx 1.5 CMmx

Carga viva = CV*1.4 (CMmx + CVmx ) 1.5(CMmx + Cvmx )

Carga por viento = V**1.1 (CMmed. + CVinst. + S en una direccin V)

Carga ssmica = S***0.9 (CMmin + CVmin) + 1.1 (S en una direccin o V

****1.0 (CMmed. + CVmed)

* Combinaciones comunes.** Combinaciones accidentales.*** Caso de volteo.**** Revisin por estado lmite de servicio

FACTORES DE RESISTENCIA:Para estimar con precisin la resistencia ltima de un elemento estructural se deben tomar en cuenta la incertidumbre que se tiene en las hiptesis de diseo, resistencia de materiales, dimensiones de cada seccin, mano de obra, aproximacin de los anlisis, etc[footnoteRef:2]. [2: http://www.construaprende.com/docs/apuntes/317-apuntes-estructuras-metalicas?start=4]

REGLAMENTO LRFDFactores de resistencia:a) Aplastamiento en zonas de pernos, fluencia del alma bajo cargasb) concentradas, cortante en tornillos o en juntas tipo friccin.c) Vigas sometidas a flexin y cortante, soldaduras tipo filete con esfuerzosd) permisibles paralelos a su eje.e) Columnas, aplastamiento del alma, aplastamiento en agujeros.f) 0.80 Cortante en el rea efectiva de soldaduras de penetracin parcial.g) Tornillos a tensin, soldaduras de tapn o muesca, fractura de la seccinh) neta de miembros a tensini) Aplastamiento en tornillos (diferentes al tipo A-307)j) Aplastamiento en tornillos A-307.k) Aplastamiento en cimentaciones de concreto.

REGLAMENTO NTC- DISEO DE ESTRUCTURAS METLICAS (MXICO):FrCASO

0.9Resistencia a tensin para estado lmite de flujo plstico en la seccin total, resistencia a flexin y cortante en vigas, determinacin de cargas crticas, tensin o compresin paralela al eje de soldaduras tipo filete y de penetracin parcial.

0.80Tensin normal al rea efectiva en soldaduras de penetracin parcial cortante en el rea efectiva en soldaduras de penetracin completa.

0.75Resistencia a tensin por estado lmite de fractura en la seccin neta, resistencia a compresin para estado lmite de pandeo local en secciones tipo 4, cortante en el rea efectiva en soldaduras de filete, cortante paralela al eje de la soldadura de penetracin parcial, resistencia a tensin de tornillos.

0.70Resistencia a compresin de columnas de seccin transversal circular hueca tipo 4.

0.60Resistencia al cortante en conexiones por aplastamiento.

1.7. Estados lmites del diseo.El Diseo del estado del lmite (LSD) se refiere a un mtodo de diseo utilizado en la ingeniera estructural. El mtodo es en realidad una modernizacin y racionalizacin de los conocimientos de la ingeniera, que se encontraba bien establecido antes de la adopcin del LSD. Ms all del concepto de un estado lmite, el LSD simplemente implica la aplicacin de la estadstica para determinar el nivel de seguridad requerido por o durante el proceso de diseo. Criterios: el diseo lmite del estado requiere de una estructura para satisfacer dos criterios principales: el ltimo lmite de estado (ULS) y el estado lmite de servicio (SLS). La nueva forma de Estructuras de Acero para Edificaciones, Mtodo de los Estados Limites. Convenin-Mindur, se basa en la consideracin de los estados lmites de utilidad estructural. El estado lmite es la situacin ms all de la cual una estructura, miembro o componente estructural, no es ms apta para satisfacer la funcin previa. Un estado lmite es un conjunto de criterios de desempeo (por ejemplo, los niveles de vibracin, deformacin, resistencia, estabilidad, pandeo, torsin, el colapso) que deben cumplirse cuando la estructura est sometida a cargas. Cualquier proceso de diseo consiste en una serie de supuestos. Las cargas en las que una estructura se ver sometida debe ser estimada, los tamaos de los miembros de cheque debe ser elegido y los criterios de diseo deben ser seleccionados. Todos los criterios de diseo de ingeniera tienen un objetivo comn: el de garantizar una estructura segura y garantizar la funcionalidad de la misma. Entre los lmites de la utilidad estructural se pueden mencionar: a) El lmite de resistencia, b) el lmite de deformabilidad, c) la fractura frgil, d) el colapso plstico, e) las vibraciones excesivas, f) la fatiga, g) la inestabilidad, h) el volcamiento, i) el deterioro, j) los efectos que sobrepasan las mximas condiciones aceptables de servicio y confort, etc.

Por lo tanto, el objetivo del anlisis y diseo segn la teora de los estados lmites, es mantener la estructura alejada de la probabilidad de superar la frontera de utilidad, asegurando, tanto en forma local como global, la estabilidad, la resistencia y la rigidez de sus miembros, para cualquier combinacin prevista de las solicitaciones que se pueden presentar durante la vida til de la edificacin. Adems, la estructura debe tener suficiente capacidad de absorcin y disipacin de energa para asegurar un comportamiento dctil del sistema durante la ms desfavorable posibilidad de accin de las cargas exteriores actuantes, en un tiempo aleatorio. Ello exige no solo el fiel cumplimiento de las exigencias de las mencionadas normas, sino tambin la ptima calidad de los materiales empleados, una correcta fabricacin y ensamblaje de los miembros y una adecuada inspeccin y mantenimiento preventivo, para lograr resultados deseados. Para ello se consideran bsicamente en el diseo:a) El estado lmite de agotamiento resistenteb) El estado lmite de servicio

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