estructuras metalicas 1°parte pdf

1 INTRODUCCIN AL DISEO ESTRUCTURAL EN ACERO

Es un proceso CREATIVO e ITERATIVO

Se basa en los principios de:

Esttica

Dinmica

mecnica de slidos y

Anlisis estructural

1

OBJETIVOS DE DISEO:

El objetivo del proceso es disear una estructura segura y confiable.

Proveer de una estructura econmica.

Cumplir con los requerimientos de diseo.

Tomar en cuenta la incertidumbre en las variables involucradas

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REQUISITOS DE DISEO

Resistencia

Deformacin mxima

Estabilidad

Vibraciones

Costo mnimo

Peso

Mano de obra requerida

Recursos

3


Tiempo de construccin mnimo

Mxima facilidad de mantenimiento

Mxima eficiencia de operacin

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REQUISITOS DE DISEO


ETAPAS DE DISEO: 1. Diseo conceptual

2. Modelo de carga

Cargas

Estados de carga

3. Modelo Estructural

4. Seleccin de elementos

5. Anlisis estructural

6. Evaluacin (cumple / no cumple)

7. Emisin de planos y especificaciones

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PROCESO

ITERATIVO


INCERTIDUMBRE:

VARIABILIDAD DE LAS CARGAS

Cambio de uso

Estimacin poco conservadora de cargas

Combinaciones de carga distintas a las de diseo

VARIABILIDAD EN RESISTENCIA

Imperfecciones geomtricas

Tensiones residuales

Diferencia en la resistencia del material

Defectos en el proceso constructivo

Baja de resistencia con el tiempo

Aproximacin en formulas de resistencia

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ESPECIFICACIONES Y CDIGOS DE CONSTRUCCIN:

Algunas organizaciones publican prcticas o cdigos que

recomiendan para uso regional o nacional, stas no son

legalmente obligatorias, a menos que estn contenidas

en ordenanzas de edificaciones o formen parte de un

contrato, entre las principales:

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En Ecuador se ha publicado la Norma Ecuatoriana de la Construccin que contiene: Captulo 1: Cargas y Materiales

Captulo 2: Peligro ssmico y Requisitos de Diseo Sismo-resistente.

Captulo 3: Evaluacin y rehabilitacin de estructuras Captulo 4: Estructuras de Hormign Armado Captulo 5: Estructuras de acero Captulo 6: Mampostera Estructural Captulo 8: Vidrio Captulo 9: Geotecnia y cimentaciones Captulo 10: Vivienda de hasta 2 pisos con luces de hasta 5 metros

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Dentro del captulo 5, en 5.1.3 se indican las especificaciones

y cdigos de referencia, las principales son:

American Institute of Steel Construction (AISC)

ANSI/AISC 360-10 Specification for Structural Steel Buildings

ANSI/AISC 358-05 Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames

for Seismic Applications

ANSI/AISC 341-05Seismic Provisions for Structural Buildings

ANSI/AISC 341-10 Seismic Provisions for Structural Buildings

American Welding Society (AWS) AWS D1.1/D1.1M: 2013 Structural Welding Code-Steel

AWS D1.8/D1.8M: 2009 Structural Welding Code-Seismic Supplement

AWS B5.1-2003 Specification for the Qualification of Welding Inspectors

ANSI/AWS B4.0M:2000 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds (Metric Customary Units)

ANSI/AWS B4.0:2007 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds (U.S. Customary Units)

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American Society for Nondestructive Testing (ASNT) Recommended Practice for the Training and Testing of Nondestructive Testing Personnel, ASNT

SNT TC 1a-2001

Federal Emergency Management Agency (FEMA) FEMA 350 Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings, July

2000

Adicionalmente a stas recomendaciones se usa en el medio la norma:

American Iron and Steel construcction (AISC), con su publicacin de

Cold Formed Steel Design Manual

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METODOS DE DISEO:

a) METODO ELASTICO ASD (Allowable Stress Design):

Es el mtodo que se enfatizar en este curso.

Cargas Utilizadas en el anlisis: de servicio

Mtodo de anlisis: Elstico

Criterio de diseo: El esfuerzo actuante debe ser menor o igual que el esfuerzo admisible.

Especificaciones: AISC, ASD & AISI

Aplicacin: miembros con perfiles laminados o secciones armadas con placas soldadas. Para

miembros con secciones de lmina delgada doblada en

fro se aplica AISI.

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METODOS DE DISEO:

b) METODO PLSTICO PD (Plastic Design):

Cargas Utilizadas en el anlisis: factorizadas (ltimas).

Mtodo de anlisis: Plstico

Criterio de diseo: Las fuerzas y momentos actuantes deben ser menores o iguales a las respectivas

capacidades plsticas.

Especificaciones: AISC, PD

Aplicacin: miembros con perfiles laminados compactos

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METODOS DE DISEO:

c) METODO DE DISEO CON FACTORES DE

CARGA Y RESISTENCIA LRFD (Load and resistance Factor Design): Se logra un uso mas econmico de los

materiales y se basa en la reserva de ductilidad del material.

Cargas Utilizadas en el anlisis: factorizadas (ltimas).

Mtodo de anlisis: Elstico o Plstico

Criterio de diseo: Las fuerzas y momentos actuantes deben ser menores o iguales a las respectivas capacidades

correspondientes a diferentes estados lmites.

Especificaciones: AISC, LRFD

Aplicacin: miembros con perfiles laminados o secciones armadas con placas soldadas. Miembros con secciones de

lmina delgada doblada en fro se aplica AISI, LRFD

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METODOS DE DISEO: El comportamiento de una estructura es independiente del

mtodo de diseo que se emplee.

Los dos mtodos ASD y LRFD emplean los mismos mtodos de anlisis estructural, los valores esperados de las cargas individuales (muerta, viva, viento, etc), se estiman exactamente de la misma manera que lo que requiere la especificacin aplicable. A estas cargas se les denomina cargas de servicio o de trabajo.

Las diversas combinaciones de stas cargas, que posiblemente ocurran al mismo tiempo, se agrupan, y los mayores valores obtenidos de esta manera se usan para el anlisis y diseo de las estructuras. El mayor grupo de cargas (ASD) o la mayor combinacin lineal en un grupo (LRFD) se usan entonces para el anlisis y el diseo.

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METODOS DE DISEO:

Hay dos diferencias notorias entre los mtodos ASD y LRFD:

1. El mtodo que se usa para calcular las cargas de diseo (revisar

secciones 2.9, 2.10 y 2.11 McCormac).

2. El uso de los factores de resistencia en el mtodo LRFD y en el

mtodo ASD. (revisar secciones 2.12 y 2.13 McCormac)

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DISEO CON ACERO

ESTRUCTURAL

Cargas de Diseo

OBJETIVOS:

Definir las cargas que estn siendo aplicadas en una estructura (Es la tarea ms difcil del

diseador)

Investigar las condiciones ms frecuentes.

Definir las combinaciones.

Determinar los estados de cargas

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CARGAS DE DISEO

TIPOS DE CARGAS En general las cargas se clasifican segn su naturaleza y duracin de la aplicacin, como sigue:

Cargas muertas (D)

Cargas Vivas (L)

Cargas de Nieve (S)

Cargas de Lluvia (R)

Cargas de Impacto (I)

Cargas de Viento (W)

Cargas de Sismo (E)

Empuje de suelos (H)

Inundaciones (F) 18

CARGAS DE DISEO

CARGAS MUERTAS

Cargas de magnitud constante

Permanecen fijas en un mismo lugar durante la vida til de la estructura.

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CARGAS DE DISEO

Son una estimacin de:

Peso propio de la estructura

Peso de pisos

Peso de muros

Peso de techo

Peso de ductos

Plomera

servicios

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CARGAS DE DISEO CARGAS MUERTAS

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CARGAS DE DISEO CARGAS MUERTAS

CARGAS VIVAS

Definicin.

Son aquellas que pueden cambiar de ubicacin y magnitud.

Se deben al funcionamiento de la estructura

Depende de la intencin con la que se disea el edificio, hospital, escuela, iglesia, congal, habitacin,

fbrica, puentes, etc. y se refiere a las cargas

temporales que se generan por su uso.

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CARGAS DE DISEO

CARGAS VIVAS

Muebles, materiales

Cargas de uso de habitaciones

Cargas de uso de oficinas

Cargas por almacenamiento

Cargas por vehculos en estacionamientos

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CARGAS DE DISEO

CARGAS VIVAS

Cargas Mviles

Las cargas que se mueven bajo su propio impulso.

Camiones, gente, gras, etc.

Cargas de trafico

Tren de cargas (distribuidas)

Cargas mviles de vehculo (puntuales)

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CARGAS DE DISEO

CARGAS VIVAS

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CARGAS DE DISEO

Cargas vivas mnimas

comunes en el diseo

de edificios.

Cargas de diseo mnimas para edificios y

otras estructuras , ASCE/SEI 7-10.

CARGAS DE IMPACTO Son causadas por la vibracin de cargas mviles.

Factor de impacto.

Elevacin de la carga principal de diseo en los siguientes porcentajes:

Las estructuras que soportan cargas vivas con tendencia a impacto, se disean con sus cargas nominales

incrementadas con los porcentajes siguientes:

Maquinaria elevadora y soportes 100%

Soportes de maquinaria ligera a motor 20%

Colgantes de pisos o balcones 33%

Trabes de gras con cabina 25%

Trabes de gras sin cabina 10%

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CARGAS DE DISEO

CARGAS POR HIELO, NIEVE o GRANIZO

Depende de la pendiente del techo

que vara de 0 a 45

Una pulgada de nieve 0.5 lb/plg

Diseo se usa 10 a 40 lb/plg

Los puentes no se disean para

cargas de nieve o hielo por ser

menos representativas respecto a

las cargas de diseo principales.

Carga de hielo 10 lb/plg 27

CARGAS DE DISEO

CARGAS DE LLUVIA

Es ms representativa en techos horizontales.

Se previene al dar a los techos pendientes de

0.25 plg por pie o mayores.

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CARGAS DE DISEO

CARGAS DE VIENTO

o Son cargas laterales.

o Varan con los siguientes criterios:

o La localidad geogrfica.

o La altura sobre el nivel del terreno

o Los tipos de terreno circundantes.

o En importante el edificios altos y esbeltos y en puentes largos y flexibles.

o No se consideran cuando la altura en menor del doble de la dimensin

lateral mnima.

o No se disean para huracanes y tornados

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CARGAS DE DISEO

CARGAS DE VIENTO

Diseo:

20 lb/plg hasta 300 pies (91,4 m) de altura

Incremento de 2.5 lb/plg por cada 100 pies

(30,48 m).

Causa presin en la superficie de barlovento y

succin en la superficie de sotavento.

La succin puede ser de 20 a 30 lb/plg

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CARGAS DE DISEO

CARGAS DE VIENTO

Frmula

q = 0.002558CsV (lb/plg)

donde:

Cs depende de la forma de la estructura.

Estructuras tipo caja:

Cs = 1.3 Donde:

0.8 es para barlovento y

0.5 es para sotavento

V velocidad del viento en mi/h

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CARGAS DE DISEO

CARGAS DE SISMO:

Se considera una carga lateral.

Durante un sismo se presenta una aceleracin sobre el terreno.

Componente vertical despreciable y Horizontal muy intensa.

Las cargas ssmicas crecen por resonancia hacia la parte elevada

de los edificios.

Se expresan como un porcentaje del peso de la estructura y su

contenido.

Factor importante a considerar: situacin del suelo.

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CARGAS DE DISEO

SISTEMA DE CARGAS Y

COMPORTAMIENTO Las cargas generalmente no actan solas sino

simultaneamente o en tiempos diferentes en combinaciones

diferentes y se aplican en ciertos lugares de las estructuras

para generar una respuesta mxima al sistema.

Qu cargas pueden razonablemente actuar a la vez?,

entonces habrn diferentes combinaciones.

Cmo se colocan las cargas sobre la estructura?,

entonces colocarlas para ocasionar una respuesta

mxima.

SISTEMA DE CARGAS Y COMPORTAMIENTO

reas Tributarias:

COMBINACIONES DE CARGAS (ASD) pg.48 Anlisis Estructural - Mccormac

COMBINACIONES DE CARGAS (ASD)

pg.57 Diseo de estructuras

de Acero McCormac, 5th

Ed.

Ejemplo3.3 McCormac:

Una plataforma de observacin en un aeropuerto tiene trabes configurados como

se muestran en la figura. Estas trabes estn espaciadas entre si entre centros 15

pies, suponer que las cargas estn uniformemente distribuidas y son las

siguientes: Segn ASCE-7, Cuales son las combinaciones de carga que se pueden

esperar?

Ambos mtodos, ASD y LRFD tienen como objetivo tener un

margen numrico entre la resistencia y la carga que conduzca

a una mnima posibilidad de falla de la estructura

NIVEL ACEPTABLE DE SEGURIDAD (ASD y LRFD)

NIVEL ACEPTABLE DE SEGURIDAD (ASD y LRFD)

Anlisis de Estructuras

Estticamente

Indeterminadas

Estructuras Idealizadas:

Es imposible el anlisis exacto de una estructura,

entonces el ingeniero calculista debe desarrollar la

capacidad de hacer estimaciones en:

Cargas

Resistencia de los materiales

Puntos de aplicacin de cargas

Conexiones.

41

Conexiones:

42

Conexiones:

43

Principio de Superposicin:

El desplazamiento total o las cargas internas (esfuerzos) en un

punto de una estructura sometida a varias cargas externas puede determinarse al sumar los desplazamientos o cargas

internas (esfuerzos) causado por cada una de las cargas

externas que actan por separado. Es decir existe una relacin

lineal entre las cargas, los esfuerzos y los desplazamientos.

Para aplicar este principio se debe imponer:

El material debe comportarse de manera elstica y lineal (Hooke).

La geometra de la estructura no cambia significativa al aplicar cargas cobre sta.

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Ecuaciones de Equilibrio:

De la esttica debe recordarse que una estructura estar en

equilibrio cuando se mantenga un balance de fuerzas y momentos, es decir:

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Determinacin y Estabilidad:

Cuando todas las fuerzas en una estructura pueden determinarse

estrictamente a partir de estas ecuaciones, la estructura se

denomina estticamente determinada.

Las estructuras que tienen ms fuerzas desconocidas que ecuaciones

de equilibrio disponibles se llaman estticamente indeterminadas

Para una estructura coplanar existen mximo 3 ecuaciones de

equilibrio para cada parte, por lo que si hay un total de n partes y r

componentes de fuerzas y momentos de reaccin, se tiene que:

r = 3n, es estticamente determinada.

r > 3n, es estticamente indeterminada.

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Para garantizar el equilibrio de una estructura, no solo es necesario

satisfacer las ecuaciones de equilibrio, sino que tambin deben estar correctamente sujeto o restringido por sus soportes.

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Restricciones Parciales: Una estructura o elemento puede

tener menos fuerzas reactivas que

ecuaciones de equilibrio a

satisfacer.

SFx = 0, no ser satisfecha


51

Restricciones Impropias: Pueden haber tantas fuerzas como ecuaciones de equilibrio, y la

inestabilidad o el movimiento de sus estructuras pueden darse

debido a las restricciones impropias de sus soportes, pueden ser de dos tipos:

Reacciones en los soportes concurrentes.-

La sumatoria de fuerzas

respecto a un punto

concurrente es

diferente de cero.

Reacciones Paralelas.- Todas las fuerzas

reactivas son paralelas

y la actuante no.

DISEO CON ACERO

ESTRUCTURAL

ACEROS ESTRUCTURALES

MODERNOS

ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS

En dcadas pasadas, el acero estructura A-36 con un Fy=36Ksi fue el acero estructural comunmente utilizado.

Recientemente la mayora del acero estructural utilizado en EE.UU. Se fabrica fundiendo chatarra en hornos elctricos, con este proceso se consigue el acero A992 con un Fy=50Ksi, y cuesta casi el mismo precio que el A-36.

En EE.UU, los perfiles W son hechos en su mayora con A992 y cobran un extra si lo hacen en A36, sin embargo en L es ms usual hallarlos en A36.

RPOPIEDADES MECNICAS DE

ACEROS

ESTRUCTURALES

MODERNOS

Entre las propiedades mecnicas que se pueden determinar

mediante ensayo de tensin en una probeta estandar, las

principales que se usan en el diseo de estructuras son:

Esfuerzo a la fluencia: Fy (segn el tipo de acero)

La resistencia ltima Fu (segn el tipo de acero)

Mdulo de elasticidad E= 29000Ksi = 204300 Kg/cm2

Mdulo de elasticidad por cortante G=11200Ksi=789100

Kg/cm2.

La deformacin unitaria en la rotura:du

ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS

Los aceros estructurales generalmente se agrupan en varias clasificaciones de la ASTM.

Aceros al carbono: A36, A53, A500, A501 y A529.

Aceros de baja aleacin y alta resistencia: A572, A618, A913, y A992.

Aceros de baja aleacin y alta resistencia y resistencia a la corrosin: A242, A588, A847.

ACEROS

ESTRUCTURALES

MODERNOS

USOS RECOMENDADOS Designacin

ASTM

Acero Formas Usos Fy min

Ksi

Fumin

tensin ksi

A-36

NOM B-254

Al carbono Perfiles, barras y

placas

Puentes, edificios estructurales

en gral. Atornillados,

remachados y soldados

36 e < 8"

32 e > 8"

58 80

A-529

NOM B-99

Al carbono Perfiles y placas

e< "

Igual al A-36 42 60-85

A-441

NOM B-284

Al magneso, vanadio

de alta

resistencia y

baja aleacin

Perfiles, placas y

barras

e < 8"

Igual al A-36

Tanques

40-50 60-70

A-572

NOM B

Alta resistencia y baja

aleacin

Perfiles, placas y

barras

e< 6"

Construcciones atornilladas,

remaches. No en puentes

soldados cuando Fy> 55

ksi

42-65 60-80

A-242

NOM B-282

Alta resistencia, baja

aleacin y

resistente a la

corrosin

atmosfrica

Perfiles, placas y

barras

e< 4"

Construcciones soldadas,

atornillada, tcnica

especial de soldadura

42-50 63-70

A-514 Templados y

revenidos

Placas

e< 4"

Construcciones soldada

especialmente. No se usa

si se requiere gran

ductilidad

90-100 100-150

ACEROS

ESTRUCTURALES

MODERNOS

VENTAJAS DE LAS

CONSTRUCCIONES METLICAS

Alta resistencia mecnica y reducido peso propio: las secciones resistentes necesarias

son reducidas, por lo que los elementos

estructurales suelen ser ligeros.

VENTAJAS DE LAS CONSTRUCCIONES

METLICAS

Facilidad de montaje y transporte debido a su ligereza.

Rapidez de ejecucin, se elimina el tiempo necesario para el fraguado, colocacin de

encofrados... que exigen las estructuras de

hormign.


METLICAS

Facilidad de refuerzos y/o reformas sobre la estructura ya construida.

Ausencia de deformaciones diferidas en el acero estructural.

Valor residual alto como chatarra.


METLICAS Ventajas de la prefabricacin, los elementos se pueden

fabricar en taller y unir posteriormente en obra de forma

sencilla (tornillos o soldadura).

Buena resistencia al choque y solicitaciones dinmicas como los ssmos.

Las estructuras metlicas de edificios ocupan menos espacio en planta (estructuralmente) que las de

hormign.

El material es homogneo y de calidad controlada (alta fiabilidad).

DESVENTAJAS DE LAS

CONSTRUCCIONES METLICAS Mayor coste que las de hormign. El hormign HA 25 de

central cuesta 60 $/m3, y el acero laminado (S 275) de un

perfil normalizado es de unos 0.60 $/kg.

Sensibilidad ante la corrosin (galvanizado)

Sensibilidad frente al fuego.

Inestabilidad. Debido a su gran ligereza. Si se coloca el arriostramiento debido (que suele ser bastante barato) son

estables.

DESVENTAJAS DE LAS

CONSTRUCCIONES METLICAS

Dificultades de adaptacin a formas variadas.

Excesiva flexibilidad. El diseo de las estructuras metlicas suele estar muy limitado por las

deformaciones, adems de por las tensiones admisibles.

Sensibilidad a la rotura frgil. Un inadecuado tipo de acero o una mala ejecucin de las uniones soldadas

pueden provocar la fragilizacin del material y la rotura

brusca e inesperada.

DISEO CON ACERO

ESTRUCTURAL

TIPOS DE PRODUCTOS

SIDERURGICOS

PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE

Son los ms usados en construccin, se agrupan en series

por la forma y caractersticas de su seccin transversal:

IPN: perfil en doble T normal. Se usa fundamentalmente en piezas flectadas.

IPE: perfil en doble T europeo. Anlogo la perfil IPN, pero a igualdad de peso tiene mayores inercias, radios

de giro y mdulos resistentes que los IPN.


HE: perfiles en doble T de ala ancha. Hay tres series:

HEB serie normal.

HEA serie ligera.

HEM serie pesada.

Las tres series se diferencian por los espesores de alas

y alma, siendo mximos en la serie pesada. En las tres

series el ancho de ala y el canto son similares hasta un

canto de 300 mm; para cantos mayores el ancho de ala

es igual a 300 mm. Se utilizan sobre todo como

elementos comprimidos, aunque tambin es habitual

usar la serie HEA en elementos a flexin.


UPN: seccin en U normal. Sus caractersticas resistentes son similares a las de un IPE, pero se usan

poco como piezas flectadas.

U: seccin en U comercial. Similar al UPN.

L: angular de alas iguales. Se emplean casi exclusivamente en piezas sometidas a esfuerzos axiles

tales como celosas, arriostramientos, etc.

LD: angular de lados desiguales.


T: perfil con forma de T que est en desuso, usndose media IPE o dos angulares apareados.

Chapas: producto laminado plano de ancho superior a 600 mm y espesor variable. Se usan para construir

elementos estructurales de gran importancia, tales como

vigas o soportes armados de grandes dimensiones,

puentes, depsitos, ..., o bien elementos secundarios

como presillas, cartelas, rigidizadores, etc.


Otros: perfil macizo redondo, cuadrado, rectangular, hexagonal, etc.

Perfiles huecos: seccin circular, cuadrada, rectangular o elptica.

PERFILES CONFORMADOS EN FRO

Se fabrican mediante plegadoras o conformadoras de rodillo en fro a partir de chapas finas de acero (espesores entre 0.3 y 6 mm), con o sin soldadura.

Barras: pueden ser perfiles L, U, C, Z, Omega, tubos abiertos y tubos cerrados huecos (circulares, cuadrados, rectangulares y elpticos). Los perfiles abiertos se suelen usar como piezas flectadas y los cerrados como comprimidas.

Paneles: se usan en cubiertas, soportes de piso (junto a una base de hormign, trabajando como elemento resistente o slo como encofrado perdido) y elementos de pared.

PERFILES CONFORMADOS EN FRO

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