propuesta metodolÓgica para la ejecuciÓn de la

PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA EJECUCIÓN DE LA

INTERVENTORÍA TÉCNICA DE DISEÑOS ESTRUCTURALES DE EDIFICACIONES EN ACERO SEGÚN NORMA NSR-10

JEFFERSON GUILLERMO ACUÑA BONILLA & YULY XIMENA CRUZ RUIZ

UNA TESIS PRESENTADA PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

DIRECTOR INGENIERO MILTON MENA SERNA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.

2020

1

1. AGRADECIMIENTOS

A nuestras familias por el gran apoyo y el amor incondicional durante toda la

carrera.

A nuestra Universidad que nos ha dado la oportunidad de crecer profesionalmente y lograr vida diferente.

A nuestros docentes y director de proyecto, por habernos guiado y formado como excelentes profesionales y personas.

Y a Colombia, nuestra tierra.

2

2. CONTENIDOS

1. AGRADECIMIENTOS 1

2. CONTENIDOS 2

3. LISTA DE TABLAS 7

4. LISTA DE FIGURAS 9

5. ABSTRACT 10

6. INTRODUCCIÓN 11

7. OBJETIVOS 12 7.1. OBJETIVO GENERAL 12 7.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 12

8. ALCANCE 13

9. ESTADO DEL ARTE: EJECUCIÓN DE LA INTERVENTORÍA TÉCNICA DE DISEÑOS ESTRUCTURALES DE EDIFICACIONES EN ACERO SEGÚN NORMA NSR-10 14

9.1. ESTUDIOS CENTRADOS EN LA SITUACIÓN COLOMBIANA: IDEAS PREVIAS E HIPÓTESIS FINALES 14 9.2. HIPÓTESIS FINAL 16

10. SÍNTESIS DEL MARCO NORMATIVO VIGENTE SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL Y LOS ESTADOS LÍMITE DE RESISTENCIA CON ALCANCE A LO PRESCRITO EN ESTE PROYECTO 18

10.1. OBJETO DE APLICACIÓN LA NSR-10 18 10.2. REQUISITOS DEL REGLAMENTO EN CUANTO A DISEÑO ESTRUCTURAL 18

10.2.1. Requisitos básicos de la estructura y de cada uno de sus componentes b.1.2. 18

10.2.1.1. Resistencia (B.1.2.1.1). 18 10.2.1.1. Funcionamiento (B.1.2.1.2). 18

10.3. OBJETO, ALCANCE Y PROCEDIMIENTO DE LA REVISIÓN OBLIGATORIA SEGÚN LA LEY 400 DE 1997 Y SUS DECRETOS MODIFICATORIOS 19

10.3.1. Diseñador estructural. 19 10.4. REVISOR INDEPENDIENTE DE LOS DISEÑOS ESTRUCTURALES. 19 10.5. ALCANCE DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES NUEVAS AMPLIADO POR LA COMISIÓN DE SISMO RESISTENCIA 20

10.5.1. Uso de programas de computador de análisis estructural. 20

3

10.5.2. Uso de programas de computador de diseño de los miembros estructurales. 20

10.6. REQUISITOS DEL CONTENIDO DE LOS DISEÑOS ESTRUCTURALES PLANOS 21

10.6.1. Planos estructurales. 21 10.6.2. Memorias. 23 10.6.3. Especificaciones de construcción. 23 10.6.4. Cantidades de obra. 23

10.7. EVALUACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA INTERVENTORÍA DE OBRAS 23

10.7.1. Definición del sistema estructural, pre dimensionamiento de la estructura y coordinación con otros profesionales . 24 10.7.2. Evaluación de solicitaciones definitivas: se evalúan todas las solicitaciones que pueden afectar la edificación de acuerdo a los requisitos del título B. 24

10.7.2.1 Cargas muertas y vivas. 24 10.7.2.2 Combinaciones de carga. 24

10.7.3. Obtención del nivel de amenaza sísmica y los valores de Aa y Av. (A.2). 24 10.7.4. Movimientos sísmicos de diseño (A.2). 25 10.7.5. Características de la estructuración y del material estructural empleado (A.3). 26 10.7.6. Grado de irregularidad de la estructura y procedimiento de análisis (A.3). 26 10.7.7. Determinación de las fuerzas sísmicas (A.4 y A.5). 27 10.7.8. Análisis sísmico de la estructura (A.3). 27 10.7.9. Desplazamientos horizontales (A.6). 27 10.7.10. Verificación de derivas (A.10). 28 10.7.11. Combinación de las diferentes solicitaciones (B.2). 28

10.7.11.1. Capacidad De Disipación De Energía. 28 10.7.12. Diseño de los elementos estructurales (título F). 28

10.8. REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO 29 10.8.1. Materiales. 30 10.8.2. Estados Límite De Elementos Sometidos A Compresión Simple Y Flexocompresión 30

10.8.2.1. Pandeo local. 30 10.8.2.2. Estado límite de pandeo lateral. 31 10.8.2.3. Longitud efectiva. 32 10.8.2.4. Pandeo lateral o pandeo por flexión de miembros sin elementos esbeltos. 32 10.8.2.5. Pandeo por torsión y por flexo- torsión de miembros sin elementos esbeltos. 33

4

10.8.2.6. Interacción flexo compresión. 34 10.8.3. Estados Límite De Elementos Sometidos A Flexión Simple 35

10.8.3.1. Pandeo local. 35 10.8.3.2. Resistencia a la flexión. 37

Secciones I Y Canales. 37 Perfiles tubulares estructurales (PTE) cuadrados o rectangulares y miembros de sección en cajón. 37

Plastificación de la sección (momento plástico) 37 Pandeo local de la aleta. 37 Pandeo local en el alma. 38

Perfiles tubulares estructurales circulares. 38 Plastificación de la sección (momento plástico). 38 Pandeo local. 38 Pandeo lateral-torsional. 38

10.8.4. Dimensionamiento según F.2.6.13. 39 10.8.4.1. Límites para el dimensionamiento de miembros de sección en I. 40

10.8.5. Diseño De Elementos Por Cortante. 40 10.8.5.1. Perfiles tubulares estructurales (PTE) de sección rectangular y miembros en cajón. 41 10.8.5.2. Perfiles tubulares estructurales (PTE) circulares. 42

10.8.6. Diseño De Conexiones 42 10.8.6.1. Tamaño y condiciones de uso de las Perforaciones. 43 10.8.6.2. Espaciamiento mínimo. 43 10.8.6.3. Distancia mínima al borde. 43 10.8.6.4. Máximos valores del espaciamiento y de la distancia al borde. 43 10.8.6.5. Resistencia de elementos a cortante. 44

Para fluencia por cortante del elemento. 44 Para rotura por cortante del elemento. 44

10.8.6.6. Resistencia al desgarramiento en bloque. 45 10.8.7. Arriostramiento De Columnas Y Vigas. 45

10.8.7.1. Arriostramiento para la estabilidad de las vigas. 46 10.9. REQUISITOS GENERALES PARA EL DISEÑO SÍSMICO 46

10.9.1. Ductilidad. 46 10.9.1.1. Miembros con ductilidad moderada. 46 10.9.1.2. Miembros con alta ductilidad. 46

10.9.2. Pórticos Resistentes A Momentos Con Capacidad De Disipación De Energía Mínima (PRM-DMI) 48

5

10.9.3. Pórticos Resistentes A Momentos Con Capacidad De Disipación De Energía Moderada (PRM-DMO) 48 10.9.4. Pórticos Resistentes A Momentos Con Capacidad De Disipación De Energía Especial (PRM-DES) 48

11. MARCO TEÓRICO SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL 50 11.1. DISEÑO ESTRUCTURAL 50 11.2. COMPORTAMIENTO DEL ACERO 50 11.3. ACERO ESTRUCTURAL 51 11.4. PERFILES ESTRUCTURALES 52

11.4.1. Definiciones. 52 11.4.2. Sección de acero. 54

11.5. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES 54 11.5.1. Esfuerzos residuales. 55

11.6. RESISTENCIA DE DISEÑO 55 11.6.1. Elementos sometidos a compresión. 55

11.6.1.1. Pandeo local. 56 11.6.1.2. Pandeo lateral. 57 11.6.1.3. Pandeo torsional y flexo torsional. 59

11.6.2. Elementos sometidos a flexiòn. 60 Etapa 1. 60 Etapa 2. 60 Etapa 3. 60 Etapa 4. 60

11.6.2.1. Pandeo local. 61 11.6.2.2. Pandeo lateral torsional. 62

11.6.3. Cortante. 63 11.7. CONEXIONES 64

11.7.1. Tipos de conexión. 64 11.7.1.1. Conexión de carga axial y de cortante. 65 11.7.1.2. Conexión a momento. 65 11.7.1.3. Conexión a momento totalmente restringida (TR). 66 11.7.1.4. Conexión a momento parcialmente restringida (PR). 66 11.7.1.5. Conexiones precalificadas. 67

Conexión precalificada totalmente restringida (TR). 67 11.7.2. Elementos de conexión. 68

11.7.2.1. Placas de acero. 68 11.7.2.2. Tornillos y barras roscadas. 69

6

11.7.2.3. Soldadura. 70

12. GUÍA METODOLÓGICA PARA INTERVENTORÍA TÉCNICA DE DISEÑOS ESTRUCTURALES DE EDIFICACIONES EN ACERO SEGÚN NORMA NSR-10 71

12.1. PRESENTACIÓN 71 12.2. ESPECIFICACIONES 71 12.3. VENTAJAS 72 12.4. RECOMENDACIONES 72 12.5. TIPOS DE PERFILES DISPONIBLES EN LOS MÓDULOS DE REVISIÓN 72 12.6. TIPOS DE CONEXIONES 74 12.7. FUNCIONES Y ESTRUCTURA DEL PROGRAMA 74

12.7.1. Módulo 1, Lista de chequeo. 74 12.7.1.2. Forma: 75

Sección 1, Item: 75 Sección 2, Ref NSR 10: 75 Sección 3, Chequeo general: 75 Sección 4, Observaciones: 76

12.7.1.3. Contenido: 76 Capítulo 1, Requisitos generales de contenido: 76 Capítulo 2, Descripción de las memorias 76 Capítulo 3, Parámetros y procedimiento de diseño 77 Capítulo 4, Detalles constructivos (Planos de construcción) 77 Capítulo 5, Cantidades de obra 78

12.7.2. Módulo 2, Espectro elástico de diseño. 78 12.7.3. Módulo 3, Irregularidades. 79 12.7.4. Módulo 4, Columnas. 80 12.7.5. Módulo 5, Vigas. 81 12.7.6. Módulo 6, Riostras. 82 12.7.7. Módulo 7, Conexiones. 83

13. CONCLUSIONES 86

14. BIBLIOGRAFÍA 89

15. ANEXOS 91

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3. LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Requisitos para desempeñarse como diseñador estructural – Calidades de los profesionales. 19

Tabla 2. Capacidad de disipación de energía permitido para el sistema estructural en las diferentes Zonas de Amenaza sísmica. 25

Tabla 3. Requisitos para obtener la deriva máxima para cualquier piso de la estructura. 27

Tabla 4. Tabla F.2.2.4-1a: Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos de miembros a compresión axial (para aplicar en el numeral F.2.5). 31

Tabla 4.1. Tabla F.2.2.4-1a: Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos de miembros a compresión axial (para aplicar en el numeral F.2.5) (Continuación). 31

Tabla 5. Tabla F.2.5.4-1. Selección de las fórmulas aplicables para pandeo por torsión y pandeo por flexo-torsión. 34

Tabla 6. Tabla F.2.2.4-1b. Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos a compresión en miembros a flexión (para aplicar en los numerales F.2.6 y F.2.15). 36

Tabla 6.1. Tabla F.2.2.4-1b. Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos a compresión en miembros a flexión (para aplicar en los numerales F.2.6 y F.2.15) (Continuación). 36

Tabla 7. Tabla F.2.10.3-3. Dimensiones nominales de las perforaciones pernos con diámetro en pulgadas. 43

Tabla 8. Tabla F.2.10.3-4. Distancia mínima al borde, del centro de una perforación estándar al borde de la parte conectada. 43

Tabla 9. Tabla F.2.10.3-4. Distancia mínima al borde del centro de una perforación estándar al borde de la parte conectada. Pernos con diámetro en pulgadas. 44

Tabla 10. Tabla F.3.4-1. Valores límite de la relación Ancho-Espesor para elementos a compresión. 47

Tabla 11. Tabla F.3.4-1 (Continuación). Valores límites de la relación ancho-espesor para elementos a compresión. 47

Tabla 12. Aceros estructurales permitidos por la NSR 10. 52

8

Tabla 13. Tabla F.2.5.1-1. Selección de los numerales aplicables para el diseño a compresión. 56

Tabla 14. Factores de longitud efectiva para columnas cargadas axialmente con varias condiciones de apoyo idealizadas. 58

Tabla 15. Descripción de los datos a ingresar dependiendo del miembro arriostrado y del tipo de arriostramiento. 83

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4. LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Espectro elástico de aceleraciones de diseño como fracción g. 26 Figura 2. Esquema curva esfuerzo deformación para el acero. 51 Figura 3. Perfiles de acero. 54 Figura 4. Columna articulada solicitada por su carga de pandeo, carga de Euler.57 Figura 5. Columna empotrada en los extremos. 58 Figura 6. Secciones asimétricas y pandeo torsional. a) sección cruciforme, b) secciones con un solo eje de simetría, c) pandeo torsional de una sección C. 59 Figura 7. Comportamiento de una viga bajo carga creciente. 61 Figura 8. Momento Mn en función de la longitud sin apoyo lateral del patín a compresión. 62 Figura 9. Tipos de perfiles disponibles en los módulos de revisión. 73 Figura 10. Tipos de perfiles disponibles en los módulos de revisión. 73 Figura 11. Tipos de conexiones. 74 Figura 12. Segmento de la lista de chequeo. 75 Figura 13. Capítulo 1 de la lista de chequeo. 76 Figura 14. Capítulo 2 de la lista de chequeo 77 Figura 15. Capítulo 3 de la lista de chequeo. 77 Figura 16. Capítulo 4 de la lista de chequeo. 78 Figura 17. Capítulo 5 de la lista de chequeo. 78

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5. ABSTRACT

En el presente documento se realiza una auscultación del estado del arte en cuanto al planteamiento de procedimientos para la interventoría de diseños estructurales de edificaciones en perfiles laminados y tubulares teniendo como parámetro de revisión lo establecido en el código colombiano de construcciones sismo resistentes NSR- 10, específicamente títulos A, F e I. A partir de estos procedimientos se plantean las metodologías para la revisión de diseños y cálculos estructurales para edificaciones de mediana altura construidas en estructura metálica en perfiles laminados y tubulares desde el punto de vista de la interventoría técnica. Las metodologías se plasmarán en un instructivo que contará con criterios de comparación y verificación con respecto a órdenes de magnitud permitidos por las NSR-10.

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6. INTRODUCCIÓN

El reglamento colombiano de construcciones sismo resistentes NSR-10 en el título A.3 reconoce cuatro sistemas estructurales que están conformados por el uso combinado o simple de pórticos y muros estructurales, los cuales se construyen fundamentalmente con tres tipos de materiales: Concreto, Acero y mampostería.

En el presente documento se realiza una auscultación del estado del arte en cuanto al planteamiento de procedimientos para la interventoría de diseños estructurales de edificaciones en acero forjado en caliente, teniendo como parámetro principal lo establecido en el código colombiano de construcciones sismo resistentes NSR- 10, específicamente títulos A, F e I, para lo cual se hace una evaluación de las investigaciones realizadas por los principales centros académicos de la ciudad y publicaciones en las principales revistas de ingeniería.

Asimismo, se plantean las metodologías para la revisión de diseños de edificaciones construidas en estructura metálica desde el punto de vista de la interventoría técnica haciendo énfasis en los estados límite de resistencia y tomando como base las investigaciones ya realizadas en la materia y los parámetros estipulados en la NSR-10. Las metodologías se plasmarán en un instructivo que contará con criterios de comparación y verificación con respecto a órdenes de magnitud permitidos por las normas de construcción de edificaciones en acero estructural.

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7. OBJETIVOS

7.1. OBJETIVO GENERAL

Proponer los criterios para desarrollar una metodología que permita realizar la interventoría técnica en fase de diseños de edificaciones de mediana altura en estructura metálica con perfiles laminados en caliente y tubulares según lo prescrito en la NSR-10.

7.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Estipular el estado del arte sobre metodologías utilizadas para la revisión de diseños estructurales de edificaciones de estructura metálica con perfiles de acero laminado en caliente y tubulares.

● Establecer los criterios fundamentales de revisión para la interventoría técnica haciendo énfasis en los estados límite de resistencia de diseño, en el cálculo estructural de edificaciones en perfiles de acero laminado en caliente y tubulares con sistema estructural de pórticos resistentes a momentos.

● Elaborar una guía técnica que sirva de apoyo para la interventoría de diseños de estructuras metálicas en acero laminado en caliente y tubulares para edificaciones de mediana altura con base en la NSR-10.

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8. ALCANCE

Este proyecto tiene como alcance la consolidación de la metodología de revisión e interventoría técnica de diseño estructural de edificaciones de máximo 5 niveles con sistema estructural de resistencia sísmica de tipo pórticos resistentes a momentos en acero, haciendo énfasis en los estados límite de resistencia de los miembros. Particularmente se especifican parámetros para zona de amenaza sísmica intermedia con capacidad moderada de disipación de energía, sin embargo, se realiza la evaluación de algunos requisitos de diseño para los demás grados de disipación de energía. El estudio se realiza para componentes del sistema de resistencia sísmica del tipo perfiles laminado en caliente en sección I de la serie americana y europea, y para perfiles tubulares rectangulares, cuadrados y circulares. Se aclara que dentro del presente proyecto no se tiene en cuenta el diseño para condiciones de incendio.

Se realiza la revisión de conexiones simples y conexiones a momento de tipo corte y aplastamiento, cuyo alcance se limita al análisis del estado límite de resistencia de la conexión Apernada “BFP Bolted Flange Plates - Placas Apernadas a las Alas” que es una conexión precalificada según el ANSI/AISC-358 y según F.3.11.1.2.2 de la NSR-10, con requisitos de capacidad de disipación mínima de energía (no se evalúa la rotación permitida por la conexión entre elementos conectados).

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9. ESTADO DEL ARTE: EJECUCIÓN DE LA INTERVENTORÍA TÉCNICA DE DISEÑOS ESTRUCTURALES DE EDIFICACIONES EN ACERO SEGÚN

NORMA NSR-10

Para lograr abordar con extensión el tema de las estructuras metálicas en Colombia es necesario conocer qué clase de investigaciones previas se han consolidado en algunos de los centros del conocimiento más importantes del país y de la ciudad de Bogotá. Para este caso, se decide tener en cuenta diferentes estudios propuestos por estudiantes del área de la ingeniería civil (pregrado y posgrado) de la Universidad Nacional de Colombia, la Universidad de los Andes, la Universidad Javeriana y la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Dentro de esta consulta se hace evidente la limitada información disponible referente al tema, debido en parte a la poca preparación académica con la que cuentan los ingenieros civiles en el sector de los materiales metálicos, en este caso, el acero.

Este texto se sustentará en seis artículos (tesis de grado) obtenidos de las bases de datos de las universidades anteriormente mencionadas, todos ellos relacionados directamente con la materia de estructuras metálicas para construcción de edificaciones. Dos de ellos están vinculados con el desarrollo de software para el diseño de estructuras sismo-resistentes con base en la NSR-10, y los demás enlazan la temática del diseño estructural con base en guías, ejemplos y proyecciones comentadas a través de los documentos.

9.1. ESTUDIOS CENTRADOS EN LA SITUACIÓN COLOMBIANA: IDEAS PREVIAS E HIPÓTESIS FINALES

A continuación, se expondrán los nombres y breves resúmenes de los textos indagados que se tuvieron en cuenta para la realización de este texto. Todos ellos fueron redactados en fechas posteriores al año 2010, momento en el cual fue modificado el Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo-resistentes, documento imprescindible en esta área, puesto que la incursión de los diseños estructurales en materiales metálicos tuvo su auge gracias a las necesidades de seguridad sísmica demandadas por la población. Finalmente, se mostrará la relación de estos estudios con el campo de investigación del presente estado del arte.

El primer documento consultado fue “Ejemplo de diseño de un edificio de acero” [1], trabajo de grado presentado por un estudiante de la Universidad de los Andes. En esta tesis, se analiza la importancia de tener en cuenta el gran número de propiedades que actúan y se modifican dentro del diseño de una estructura de acero como lo son la resistencia, la rigidez, estabilidad, fatiga, y corrosión, entre otras. Según este documento, es necesario conocer qué teorías rigen el

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1. FRANCO, Daniel. Ejemplo de diseño de un edificio de acero.Trabajo de grado ingeniería civil. Bogotá D. C.: Universidad de los Andes. Departamento de ingeniería y ambiente, 2012, 61 p.

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comportamiento de las estructuras para así prever cuáles serán las posibles fallas y, asimismo, corregirlas o evitarlas.

En el sentido de la interventoría de estas obras, es necesario el reconocimiento de todas las propiedades que afectan y modifican una estructura metálica. De esta forma es que se busca determinar cuáles deben ser los aspectos de diseño que deben modificarse o mejorarse, a sabiendas de los posibles fenómenos ingenieriles y/o naturales que puedan inducir a la falla de la edificación.

El segundo texto, “Seguridad industrial en construcción de estructuras metálicas: buenas prácticas” [2], presentado por otro estudiante de la Universidad de los Andes, presenta el vertiginoso crecimiento que ha presentado la construcción de edificaciones en estructura metálica en Colombia durante los últimos años y la respectiva seguridad que se debe tener en cuenta para una llevar a cabo correctamente un proceso constructivo de este estilo. Este escrito permite el reconocimiento de las diversas propiedades esenciales de los aceros usados en la construcción, lo que también facilita la caracterización de los materiales y, por lo tanto, una adecuada interventoría.

El tercer documento “Vulnerabilidad sísmica de estructuras de construcción progresiva” [3], obtenido de la base de datos de la Universidad Nacional de Colombia, permite una perspectiva acerca de procesos de evaluación y reducción de la vulnerabilidad sísmica en estructuras de construcción progresiva. La determinación de los factores sísmicos y de falla en las estructuras tratadas en este texto admiten la categoría de intervención de procesos constructivos que tienen en cuenta las diversas modificaciones que podrían ser planteadas desde el diseño y utilización de estructuras metálicas de refuerzo.

“Prevención de la corrosión en el acero por medio de protección catódica” [4], es el cuarto documento consultado y corresponde a una tesis de grado para ingeniería civil de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. En este se relacionan algunas cuantas propiedades mecánicas, físicas y químicas del acero que son tenidas en cuenta para la formulación de soluciones que eviten la propagación de eventos de corrosión dentro de las estructuras metálicas hechas en este material. Como ya se mencionó, el conocimiento de las diversas propiedades de los metales usados en el diseño y fabricación de estructuras es de suma importancia, pues permite la prevención de fenómenos anticipadamente conocidos y facilita la explicación de posibles percances perjudiciales para las edificaciones a intervenir.

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2. MANTILLA, Sergio Enrique. Seguridad industrial en construcción de estructuras metálicas: buenas prácticas. Trabajo de grado ingeniería civil. Bogotá D. C.: Universidad de los Andes. Departamento de ingeniería y ambiente, 2010, 101 p.

4. PIAMBA, Luis eduardo y ZARATE. Jhojan Edgardo. Prevención de la corrosión en el acero por medio de protección catódica. Trabajo de grado ingeniería civil. Bogotá D. C.: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad Tecnológica, 2011.

3. RIVERA, Luis Carlos. Vulnerabilidad sísmica de estructuras de construcción progresiva. Trabajo de grado Magister en estructuras. Bogotá D. C.:Universidad Nacional de Colombia. Facultad de ingeniería. Departamento de ingeniería civil y agrícola, 2017. 296 p.

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Los siguientes dos documentos corresponden a los trabajos de grado que relacionan el desarrollo de software para el diseño de estructuras. El primero, obtenido de la Universidad Javeriana y titulado como “Software libre para el diseño de conexiones metálicas de acuerdo con la NSR-10" [5], ofrece la posibilidad de contar con un sustento teórico respecto a las conexiones de los elementos estructurales que presentan actualmente un alto rango de error en los procesos de fabricación de las mismas. El texto menciona que ya existe una base sólida para desarrollar todo el comportamiento porticado de las estructuras con base en las especificaciones de la Norma Sismo-resistente de 2010, pero resalta que no existe un sistema de interventoría y evaluación pertinentes que sistematicen todas las necesidades del sector y permitan optimizar este proceso.

El último documento para tener en cuenta dentro de este estado del arte se refiere a la tesis de Fabián Clavijo Rodríguez, estudiante de la Universidad Nacional de Colombia, la cual se titula como “Desarrollo de software para diseño de conexiones de estructuras de acero bajo las especificaciones del AISC” [6]. Señala el autor “Las conexiones en estructuras de acero son la pieza fundamental en el proceso de diseño y construcción de estructuras metálicas“, siendo este uno de los enfoques que comparten varios de los textos aquí citados, pero que no relacionan directamente la temática de la interventoría como pieza clave. El diseño de dichas conexiones también demanda de una cantidad extensa de cálculos manuales que generan retrasos en los procesos. Una vez se tenga conocimiento de los matices que presenta el cálculo de las conexiones y de todos los sistemas de la estructura metálica, se puede lograr un sistema de intervención y prevención mucho más complejo que tenga en cuenta todo lo que ya se ha logrado respecto a la determinación de la calidad de dichas estructuras.

9.2. HIPÓTESIS FINAL

A sabiendas de que existe un verdadero interés por el estudio de los procesos constructivos de estructuras metálicas en edificaciones, se hace evidente que no existe un sistema completo que permita el total análisis e intervención de las demandas de estos sistemas. Tener en cuenta tanto las propiedades de los materiales a usar, las propiedades finales de la estructura ya diseñada y las posibles afectaciones derivadas de la intromisión de diversos fenómenos naturales permitirá una proyección más a fondo acerca de los procedimientos de interventoría y diseño.

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5. ACUÑA, Juan Francisco y SOTELO, Harold Andres. Software libre para el diseño de conexiones metálicas de acuerdo con la NSR-10. Trabajo de grado Ingeniería Civil. Bogotá D.C.: Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. Departamento de ingeniería civil. 2014. 146 p.

6. CLAVIJO, Fabian. Desarrollo de software para diseño de conexiones de estructuras de acero bajo las especificaciones del AISC. Trabajo de grado Magister en estructuras. Bogotá D. C.: Universidad Nacional de Colombia. Facultad de ingeniería. Departamento de ingeniería civil y agrícola, 2016. 168 p.

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El análisis del estado del arte para este proyecto arroja como resultado un interés general por el estudio del uso de los metales para la fabricación de estructuras que modifican sus propiedades sismorresistentes y las diversas perspectivas que se han tenido en cuenta por los diferentes centros de conocimiento e investigadores interesados en la proyección del diseño estructural metálico en Colombia.

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10. SÍNTESIS DEL MARCO NORMATIVO VIGENTE SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL Y LOS ESTADOS LÍMITE DE RESISTENCIA CON ALCANCE A

LO PRESCRITO EN ESTE PROYECTO

10.1. OBJETO DE APLICACIÓN LA NSR-10

Reducir a un mínimo el riesgo de la pérdida de vidas humanas y defender en lo posible el patrimonio del Estado y de los ciudadanos [11].

10.2. REQUISITOS DEL REGLAMENTO EN CUANTO A DISEÑO ESTRUCTURAL

Según A.1.3.4, el diseño estructural debe ser realizado por un ingeniero civil facultado para este fin, la estructura de la edificación debe diseñarse para que tenga resistencia y rigidez adecuadas ante las cargas mínimas de diseño prescritas por el reglamento de tal manera que no se vea afectado su funcionamiento [11].

10.2.1. Requisitos básicos de la estructura y de cada uno de sus componentes b.1.2.

10.2.1.1. Resistencia (B.1.2.1.1).

Cada miembro de la estructura de la edificación debe diseñarse y construirse para que los materiales utilizados en la construcción de los elementos y sus conexiones puedan soportar con seguridad todas las cargas incluidas en el título B del reglamento NSR-10 [11] sin exceder las resistencias de diseño.

10.2.1.1. Funcionamiento (B.1.2.1.2).

Los sistemas estructurales y sus componentes deben diseñarse para que tengan una rigidez adecuada que limite [11]:

a. Las deflexiones verticales de los elementos b. La deriva ante cargas de sismo y viento c. Vibraciones d. Cualquier deformación que afecte adversamente el funcionamiento de la

estructura de la edificación

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11. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Reglamento Colombiano de construcciones Sismo Resistentes. NSR-10. Bogotá D.C.: Asociación de Ingeniería Sísmica, 2010.

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10.3. OBJETO, ALCANCE Y PROCEDIMIENTO DE LA REVISIÓN OBLIGATORIA SEGÚN LA LEY 400 DE 1997 Y SUS DECRETOS MODIFICATORIOS

Los diseños estructurales, en el caso de edificaciones nuevas, tienen por objeto la producción de las memorias de cálculo, planos, especificaciones y cantidades totales de materiales que permitan la construcción de la estructura diseñada de acuerdo con la normativa sismo resistente vigente.

La responsabilidad de los diseños de los diferentes elementos que componen la edificación recae en los profesionales bajo cuya dirección se elaboran los diferentes diseños particulares. Se presume, que cuando un elemento figure en un plano o memoria de diseño, es porque se ha tomado todas las medidas necesarias para cumplir el propósito del reglamento y por lo tanto el profesional que firma el plano es el responsable del diseño correspondiente [11]. La asignación de las responsabilidades correspondientes depende del rol que desempeñe cada profesional dentro del proyecto estructural. A continuación, se presenta la definición y los requisitos de las diferentes labores profesionales que deben intervenir en el desarrollo de un diseño estructural.

10.3.1. Diseñador estructural.

Es el ingeniero civil, con matricula profesional vigente y facultado para este fin, bajo cuya responsabilidad se realiza el diseño y los planos estructurales de la edificación y quien los firma [11].

10.4. REVISOR INDEPENDIENTE DE LOS DISEÑOS ESTRUCTURALES.

Es el ingeniero civil con matricula profesional vigente, diferente del diseñador estructural, e independiente laboralmente de él, que revisa los diseños estructurales con el objeto de verificar el cumplimiento de la reglamentación establecida en el apéndice A-6 del reglamento NSR-10 [11] y que no podrán intervenir en cualquier otra operación del proyecto.

Tabla 1. Requisitos para desempeñarse como diseñador estructural – Calidades de los profesionales.

Labor profesional

Matrícula profesional

Experiencia mínima Independencia

Diseño estructural Ingeniero civil

Estudios de postgrado en el área de estructuras o cinco (5) años de experiencia en

el área de estructuras. No requiere

Revisor de diseños

estructurales Ingeniero civil

Experiencia mayor de cinco (5) años en diseño estructural, o estudios de postgrados en el área de estructuras, o ingeniería sísmica.

Independencia laboral del

diseñador y del titular de la

licencia (Fuente: NSR-10 Tabla A.5.2-1) ------------


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10.5. ALCANCE DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES NUEVAS AMPLIADO POR LA COMISIÓN DE SISMO RESISTENCIA

El alcance que se describe a continuación debe cumplirse estrictamente por parte del diseñador estructural y debe ser constatado por el revisor de los diseños estructurales, con el fin de garantizar la seguridad de las edificaciones nuevas [12].

10.5.1. Uso de programas de computador de análisis estructural.

El diseñador estructural, dentro del alcance de sus trabajos, asume la responsabilidad sobre el uso de los programas de computador de análisis estructural, del modelo matemático apropiado e implementación del mismo dentro del programa [12]. Así mismo, deberá documentar dentro de sus memorias de cálculos lo siguiente:

i. Descripción del programa de computador utilizado, incluyendo nombre, versión, quien lo desarrolló, principios básicos bajo los cuales se fundamenta el método de análisis

ii. Identificación de los datos de entrada de la estructura que se está diseñando y del modelo matemático empleado.

iii. El diseñador estructural debe incluir en su descripción las evaluaciones de esbeltez de los elementos utilizados en el programa de computador.

iv. El diseñador estructural debe documentar técnicamente la evaluación de las irregularidades en altura, en planta y la ausencia de redundancia, según lo requerido por el reglamento NSR-10.

v. Aportar un listado de resultados obtenidos en el programa de computador, validados y debidamente confirmados por el diseñador estructural.

10.5.2. Uso de programas de computador de diseño de los miembros estructurales.

Cuando se utilicen programas de computador que directamente realice el diseño de los miembros estructurales, el diseñador estructural debe validar que los resultados del análisis cumplen los requisitos del reglamento NSR-10 [11].

El revisor de los diseños estructurales procederá con la aprobación cuando en las memorias de cálculo se documente el cumplimiento de los requisitos prescritos en el reglamento colombiano de construcciones sismo resistentes. adicionalmente, podrá exigir comprobaciones manuales que demuestren su cumplimiento.Adicional ------------


12. COMISIÓN ASESORA PERMANENTE PARA EL RÉGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMO RESISTENTE. Resolución número 0017 del 4 de diciembre de 2017. Bogotá D.C.: Asociación de Ingeniería Sísmica, 2017.115 p.

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a lo descrito anteriormente, el revisor debe estudiar y emitir concepto sobre el cumplimiento del reglamento NSR-10 con respecto a lo siguiente:

1. Avalúo de cargas utilizado 2. Definición de los parámetros de diseño sísmico 3. Procedimiento de análisis estructural empleado 4. Verificación de las derivas y deflexiones verticales de la estructura 5. Procedimientos de diseño de los miembros estructurales 6. Procedimiento de diseño de la resistencia al fuego de los elementos

estructurales 7. Revisión de los planos estructurales 8. Contenidos de las especificaciones y recomendaciones de construcción 9. Revisión del seguimiento de las recomendaciones del estudio geotécnico

10.6. REQUISITOS DEL CONTENIDO DE LOS DISEÑOS ESTRUCTURALES PLANOS

10.6.1. Planos estructurales.

Los planos estructurales deben ir firmados o rotulados con un sello seco por un ingeniero civil facultado para ese fin y quien obra como diseñador estructural responsable [12]. Los planos estructurales deben contener como mínimo:

(a) Especificaciones de los materiales de construcción que se van a utilizar en la estructura y toda información adicional que sea relevante para la construcción y supervisión técnica de la estructura.

(b) Tamaño y localización de todos los elementos estructurales así como sus dimensiones y refuerzo.

(c) Precauciones que se deben tener en cuenta, tales como contraflechas, para contrarrestar cambios volumétricos de los materiales estructurales tales como: cambios por variaciones en la humedad ambiente, retracción de fraguado, flujo plástico o variaciones de temperatura.

(d) Tipo y localización de las conexiones entre elementos estructurales y los empalmes entre los elementos de refuerzo,así como detalles de conexiones y sistema de limpieza y protección anticorrosiva en el caso de estructuras de acero.

(e) El grado de capacidad de disipación de energía bajo el cual se diseñó el material estructural del sistema de resistencia sísmica.

(f) Las cargas vivas y de acabados supuestos en los cálculos

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(g) El grupo de uso al cual pertenece la edificación.

(h) Designación del sistema de resistencia a carga sísmica.

(i) Designación de los miembros y conexiones que hacen parte del sistema de resistencia a carga sísmica.

(j) Localización y dimensiones de las zonas protegidas.

(k) Detalles de conexión entre el diafragma y los elementos de acero en el sistema de resistencia sísmico.

(l) Planos de taller y montaje no indicados en el numeral

(m) Configuración de las conexiones

(n) Especificaciones y tamaños del material de conexión

(o) Localización de soldaduras de demanda crítica.

(p) Ubicación de placas de unión que deben ser detalladas para permitir rotaciones inelásticas.

(q) Localización de placas de conexión que requieren tenacidad Charpy

(r) Temperatura de servicio mínima esperada de la estructura de acero, si la estructura no fuera recubierta y mantenida a una temperatura de 10°C.

(s) Sitios donde las platinas de respaldo deben ser removidas.

(t) Sitios donde se requieren filetes de soldadura suplementarios cuando pueda dejarse instalada la platina de respaldo.

(u) Ubicación donde se deben utilizar filetes de soldadura para reforzar soldaduras a tope para mejorar la geometría de la conexión.

(v) Localización donde deben removerse las extensiones de soldadura.

(w)Localización de los empalmes en los que se requieren transiciones graduales.

(x) La geometría de los agujeros de acceso de soldadura, en caso de que estos sean especiales.

(y) Juntas o grupos de juntas en los que se requiera un orden específico de ensamble, secuencia de soldadura, técnica de soldadura u otras precauciones especiales.

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10.6.2. Memorias.

En las memorias se deben describir los procedimientos por medio de los cuales se realizaron los diseños. En esta memoria debe incluirse una descripción del sistema estructural usado, y además deben anotarse claramente las cargas verticales, el grado de capacidad de disipación de energía del sistema de resistencia sísmica, el cálculo de la fuerza sísmica, el tipo de análisis estructural utilizado y la verificación de que las derivas máximas no fueron excedidas. Cuando se use un equipo de procesamiento automático de información, además de lo anterior, debe entregarse una descripción de los principios bajo los cuales se realiza el modelo digital y su análisis estructural y los datos de entrada al procesador automática debidamente identificados. Los datos de salida pueden utilizarse para ilustrar los resultados y pueden incluirse en su totalidad en un anexo a las memorias de cálculo, pero no pueden constituirse en sí mismos como memorias de cálculo, requiriéndose de una memoria explicativa de su utilización en el diseño [12].

10.6.3. Especificaciones de construcción.

El diseñador estructural debe anexar a sus diseños estructurales, ya sea dentro de uno de los planos estructurales, o por medio de un documento anexo a sus diseños, las especificaciones de los procedimientos de construcción, materiales y los demás requisitos que sean necesarios para construir adecuadamente la estructura [12].

10.6.4. Cantidades de obra.

Debe complementarse el diseño estructural con el cálculo de cantidades totales de materiales Estructurales contenidos en los planos.

10.7. EVALUACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA INTERVENTORÍA DE OBRAS

En la tabla A.1.3-1 del Reglamento NSR-10 se especifica el procedimiento de diseño estructural [11], el cual se resume a continuación:

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10.7.1. Definición del sistema estructural, pre dimensionamiento de la estructura y coordinación con otros profesionales .

10.7.2. Evaluación de solicitaciones definitivas: se evalúan todas las solicitaciones que pueden afectar la edificación de acuerdo a los requisitos del título B.

10.7.2.1 Cargas muertas y vivas.

Las cargas muertas corresponden al peso de cada uno de los elementos permanentes de construcción, es decir, son todas aquellas cargas que no son causadas por la ocupación y uso de la edificación.

La NSR-10 en el numeral B.4.1.1 define las cargas vivas como: “Las cargas vivas son aquellas cargas producidas por el uso y ocupación de la edificación y no deben incluir cargas ambientales tales como viento y sismo.”

10.7.2.2 Combinaciones de carga.

El diseño de las estructuras, se realiza por medio del método de la resistencia última, por lo tanto, los elementos de la estructura deben diseñarse de tal forma que sus resistencias de diseño igualen o excedan los efectos producidos por las cargas mayoradas [11] en las combinaciones descritas en el título B.2.4 de la NSR-10.

10.7.3. Obtención del nivel de amenaza sísmica y los valores de Aa y Av. (A.2).

Se determina el nivel de amenaza sísmica de acuerdo a la localización del proyecto y los mapas de zonificación sísmica dados en el capítulo A.2. de este paso se obtienen los parámetros de aceleración pico efectiva y velocidad pico efectiva.

Los requisitos de diseño sísmico para las estructuras hechas con perfiles laminados de acero estructural deben cumplir los requisitos del Título A de la NSR-10 teniendo en cuenta las limitaciones dadas en el capítulo A.3 y deben aplicarse en cada una de las zonas de amenaza sísmica respectivamente con la localización del proyecto de estudio [11], así:

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Tabla 2. Capacidad de disipación de energía permitido para el sistema estructural en las diferentes Zonas de Amenaza sísmica.

Capacidad de disipación de energía permitido para el sistema estructural en las diferentes Zonas de Amenaza sísmica

Zona de amenaza sísmica

Capacidad de disipación de energía mínima (DMI)

Capacidad de disipación de energía moderada (DMO)

Capacidad de disipación de energía Especial (DES)

Baja x x x

Intermedia x x

Alta x (Fuente: NSR-10. Título A) 10.7.4. Movimientos sísmicos de diseño (A.2).

Las características de los movimientos sísmicos de diseño se expresan por medio de un espectro elástico de diseño el cual se calcula, teniendo en cuenta los siguientes factores:

● La amenaza sísmica para el lugar determinado según el mapa de zonificación sísmica de Colombia, expresada a través de los parámetros Aa y Av, los cuales representan la aceleración horizontal pico efectiva y la velocidad horizontal pico efectiva expresada en términos de aceleración del sismo de diseño.

● Las características de la estratificación del suelo subyacente en el lugar a través de unos coeficientes de sitio Fa y Fv obtenidos de la microzonificación sísmica del municipio o los dispuesto en A.2.4.5.5. y en A.2.4.5.6.

● La importancia de la edificación para la recuperación de la comunidad con posterioridad a la ocurrencia de un sismo a través de un coeficiente de importancia I.

El espectro elástico de diseño se construye a partir de las ecuaciones mostradas en la Ilustración 4, y teniendo en cuenta de los valores obtenidos de Aa, Av, Fa, Fv, I y el periodo de vibración de la estructura.

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Figura 1. Espectro elástico de aceleraciones de diseño como fracción g. (Fuente: NSR-10)

10.7.5. Características de la estructuración y del material estructural empleado (A.3).

El sistema estructural de resistencia sísmica de la edificación debe clasificarse dentro de uno de los sistemas estructurales prescritos en el capítulo A.3 [11]. El reglamento define limitaciones en el empleo de los sistemas estructurales de resistencia sísmica en función de la zona de amenaza sísmica donde se encuentre localizada la edificación, el tipo de material estructural empleado, de la forma en la que se disponga el material en los elementos estructurales según esté en posibilidad de responder adecuadamente ante movimientos sísmicos como los esperados por medio de su capacidad de disipación de energía la cual puede ser especial (DES), moderada (DMO) o mínima (DMI), de la altura de la edificación y de su grado de irregularidad.

Según lo descrito en la tabla A.3-3 de la NSR-10 y lo definido en el alcance de este proyecto, el sistema estructural de Pórticos resistentes a momentos de acero es permitido para todas las zonas de amenaza sísmica y no tiene limitaciones en cuanto a la altura de la estructura.

10.7.6. Grado de irregularidad de la estructura y procedimiento de análisis (A.3).

Se debe analizar la configuración de la edificación tanto en planta como en alzado, su grado de redundancia o de ausencia de ella en el sistema estructural de resistencia sísmica, su altura, las características del suelo del lugar y el nivel de amenaza sísmica.

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27

10.7.7. Determinación de las fuerzas sísmicas (A.4 y A.5).

La fuerza sísmica Fs se obtiene a partir del análisis de la edificación sometida bajo los movimientos sísmicos de diseño definidos en el paso 4 [11].

10.7.8. Análisis sísmico de la estructura (A.3).

Deben determinarse los desplazamientos máximos que imponen los movimientos sísmicos de diseño de la estructura y las fuerzas internas que derivan de ellos [11]. El análisis sísmico de la estructura se lleva a cabo aplicando los movimientos sísmicos de diseño prescritos, a un modelo matemático apropiado, sin ser divididos por el coeficiente de capacidad de disipación de energía, R.

10.7.9. Desplazamientos horizontales (A.6).

Se deben evaluar los desplazamientos horizontales, incluyendo los efectos torsionales de toda la estructura y las derivas.

La importancia de verificar los desplazamientos relativos de la estructura, radica en la necesidad de controlar los siguientes efectos durante el sismo de diseño:

● Deformación inelástica de los elementos estructurales y no estructurales.

● Estabilidad global de la estructura.

● Daño de los elementos que no hacen parte del sistema de resistencia sísmica, tales como muros divisorios, particiones, enchapes, acabados, instalaciones eléctricas, mecánicas, etc.

● Alarma y pánico entre las personas que ocupen la edificación.

La deriva máxima para cualquier piso de la estructura deberá cumplir con los requisitos de la siguiente Tabla.

Tabla 3. Requisitos para obtener la deriva máxima para cualquier piso de la estructura.

Estructuras de: Deriva máxima Concreto reforzado, metálicas, de madera, y de mampostería que cumplan con los requisitos de A.6.4.2.2

1.0% (Δmáx ≤0.010hpi)

(Fuente: NSR-10).

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10.7.10. Verificación de derivas (A.10).

Se realiza la comprobación de que las derivas de diseño obtenidas no excedan los límites relacionados en el ítem anterior, si la estructura excede los límites de deriva calculada incluyendo los efectos torsionales de toda la estructura, es obligatorio, rigidizarla [11], llevando a cabo nuevamente los pasos 8, 9 y 10, hasta que se cumpla con el requisito de deriva.

10.7.11. Combinación de las diferentes solicitaciones (B.2).

Se combinan las diferentes solicitaciones para obtener las fuerzas internas de diseño de la estructura, de acuerdo con lo requisitos del título B.2 del reglamento, por el método de diseño propio de cada material estructural en cada una de las combinaciones de carga requeridas [11]. En los efectos causados por el sismo de diseño se tiene en cuenta la capacidad de disipación de energía del sistema estructural, lo cual se logra empleando unos efectos sísmicos reducidos de diseño, E, obtenidos dividiendo las fuerzas sísmicas Fs, determinadas en el paso 7, por el coeficiente de capacidad de disipación de energía R (E=Fs/R) el cual está en función de:

1. El sistema estructural adoptado. 2. El grado de irregularidad de la estructura. 3. Del material de la estructura.

10.7.11.1. Capacidad De Disipación De Energía.

El coeficiente de capacidad de disipación de energía básico a utilizar, se obtiene de la tabla A.3-3 del reglamento NSR-10. El valor del coeficiente de capacidad de disipación de energía para ser empleado en el diseño, corresponde al coeficiente de disipación de energía básico, R0, multiplicado por los coeficientes de reducción de capacidad de disipación de energía por irregularidades en altura, en planta y por ausencia de redundancia en el sistema estructural de resistencia sísmica y por el uso de uniones soldadas del sistema de resistencia sísmica hechas en obra.

10.7.12. Diseño de los elementos estructurales (título F).

Los elementos estructurales deben diseñarse y detallarse de acuerdo con los requisitos propios del grado de capacidad de disipación de energía mínimo (DMI), moderado (DMO), o especial (DES) prescrito en el capítulo A.3 [11], según les corresponda, lo cual le permitirá a la estructura responder, ante la ocurrencia de un sismo, en el rango inelástico de respuesta y cumplir con los objetivos de las normas sismo resistentes. El diseño de los elementos estructurales debe realizarse para los valores más desfavorables obtenidos de las combinaciones obtenidas en el paso 11, tal como prescribe el título B de este reglamento.

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10.8. REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO

La resistencia requerida de cada uno de los miembros y conexiones estructurales se determinará con base en el análisis estructural para las combinaciones de carga apropiadas , se permite diseñar con base en un análisis elástico, inelástico o plástico.

Se debe asegurar la estabilidad para la estructura como un todo y para cada uno de sus elementos. El análisis deberá considerar los efectos que sobre la estabilidad de la estructura y sus elemento tiene cada uno de los siguientes factores: (1) las deformaciones por flexión, cortante y carga axial en los miembros, (2) los efectos de segundo orden (incluyendo los efectos P - Δ y P -𝝳); (3) las imperfecciones geométricas; (4) la reducción de la rigidez de los miembro por efectos de comportamiento inelástico; y (5) las incertidumbres en la rigidez y la resistencia. Todos los efectos dependientes de las cargas deberán ser calculados para las combinaciones de cargas mayoradas.

Se considera que el diseño satisface los requisitos cuando la resistencia de diseño de cada componente estructural es mayor o igual que la resistencia requerida.

Ru ≤ ФRn

El diseño deberá cumplir con el principio de que ningún estado límite de resistencia o de servicio sea excedido cuando la estructura sea sometida a cada una de las combinaciones de carga aplicables.

Los estados límite que se debe evaluar en elementos sometidos a esfuerzos de compresión simple y flexo compresión son:

a. Estado límite de pandeo local y ductilidad b. Pandeo lateral c. Pandeo torsional y flexo torsional, carga crítica de pandeo d. Interacción flexo compresión e. Cortante

Los estados límite que se debe evaluar en elementos sometidos a esfuerzos de flexión son:

a. Pandeo local y ductilidad b. Resistencia a la flexión, plastificación de la sección (F.2.6.2.1) y Pandeo

lateral torsional

c. Cortante

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Los elementos de conexión deben diseñarse de acuerdo con los requisitos de los numerales F.2.10 y F.2.11. Las fuerzas y deformaciones usadas en el diseño deben ser consistentes con el funcionamiento esperado de la conexión y con las suposiciones formuladas en el análisis estructural. Se admiten deformaciones autolimitadas de las conexiones.

10.8.1. Materiales.

Se debe verificar que las especificaciones del acero estructural empleado en el diseño cumplan con alguna de las especificaciones ASTM referenciadas en el título F-2 de la NSR-10. La resistencia a la fluencia especificada para miembros de acero en los cuales se espera un comportamiento inelástico no debe exceder de 345 MPa. A continuación, se enuncian las calidades de acero más comunes:

a. Perfiles estructurales laminados en caliente ASTM A36/A36M ASTM A572/A572M

b. Tubería estructural ASTM A500

c. Tubería circular ASTM A53/A53M, Gr. B

d. Planchas ASTM A36/A36M

e. Pernos ASTM A307 ASTM A325 ASTM A325M ASTM A490

10.8.2. Estados Límite De Elementos Sometidos A Compresión Simple Y Flexocompresión

10.8.2.1. Pandeo local.

Las secciones solicitadas a compresión se clasifican como secciones sin elementos esbeltos o con elementos esbeltos. Una sección se clasifica como sección sin elementos esbeltos si la relación ancho a espesor no excede el límite

de la tabla F.2.2.4-1a en ninguno de sus elementos. Si este límite se excede enλp alguno de los elementos de la sección, esta se clasifica como sección con elementos esbeltos [11]. El pandeo local corresponde a un estado límite de la estructura que debe verificarse siempre.

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31

Tabla 4. Tabla F.2.2.4-1a: Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos de miembros a compresión axial (para aplicar en el numeral F.2.5).

(Fuente: NSR-10).

Tabla 4.1. Tabla F.2.2.4-1a: Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos de miembros a compresión axial (para aplicar en el numeral F.2.5) (Continuación).

(Fuente: NSR-10).

10.8.2.2. Estado límite de pandeo lateral.

La resistencia de diseño a compresión se tomará igual a donde: = 0.90 ϕc P n ϕc y , la resistencia nominal a compresión, será el menor entre los valores P n obtenidos para los estados límites de pandeo por flexión, pandeo por torsión y pandeo por flexo-torsión [11].

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32

10.8.2.3. Longitud efectiva.

El factor de longitud efectiva K, para el cálculo de la esbeltez de la columna, KL/r, se determinará con base en el numeral F.2.3, o en el numeral F.2.21 con:

L = longitud no arriostrada del miembro en el plano en que se considera el pandeo, mm

r = radio de giro asociado al modo de pandeo considerado, mm Preferiblemente la relación, la relación de esbeltez, KL/r, para miembros

diseñados por compresión no exceder de 200.

Para el método de diseño por análisis directo el factor de longitud efectiva, K, se tomará igual a 1.0 para todos los miembros, excepto cuando a través de un análisis racional se pueda justificar un valor menor [11].

10.8.2.4. Pandeo lateral o pandeo por flexión de miembros sin elementos esbeltos.

[11] La resistencia nominal a compresión para el estado límite de pandeo por P n flexión, se tomará igual a:

=P n F cr Ag (F.2.5.3-1)

donde el esfuerzo de pandeo por flexión , se calcula como sigue:F cr

(a) Pandeo lateral inelástico, cuando: 4.71 ó ( 0.44 )r KL ≤ √ E

F yF e ≥ F y

Entonces: = (F.2.5.3-2)F cr 0.658 [ F / Fy e ] F y

(b) Pandeo lateral elástico, cuando: Cuando 4.71 ó ( 0.44 )r

KL ≥ √ EF y

F e ≥ F y Entonces:

= 0.877 (F.2.5.3-3)F cr F e donde: = esfuerzo crítico de pandeo elástico, MPa.F e = (F.2.5.3-4)F e

π E2

(KL/R) 2

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33

10.8.2.5. Pandeo por torsión y por flexo- torsión de miembros sin elementos esbeltos.

se determinará según la fórmula F.2.5.3-2 ó F.2.5.3-3, usando el esfuerzo deF cr pandeo elástico por torsión o flexo-torsión, [11], calculando como sigue:F e

(i) Para miembros con simetría doble

= (F.2.5.4-4)F e J[ π EC 2 w

(K L) z2 + G ] 1

1 + 1 x y

(ii) Para miembros de simetría simple donde “y” es el eje de simetría, incluidos ángulos dobles distanciados de manera que la constante de alabeo no es despreciable:Cw

= (F.2.5.4-5)F e ( 2HF + F ey ez) 1 [ − √1 −

4F F Hey ez

F + F ( cy ez) 2 ]

Donde:

= (F.2.5.4-7)F exπ E2

(KL/r) x2 = (F.2.5.4-8)F ey

π E2

(KL/r) Y2

= (F.2.5.4-9)F ez J[ (K L) z2 π EC 2

w + G ] 1A r g

2o

G =módulo de elasticidad a cortante del acero = 77200 MPa H=1- (F.2.5.4-10)

r 20

x + Y o2

o2

ro = radio polar de giro alrededor del centro de corte, mm

= (F.2.5.4-11) r 2o

X20 + Y 2

o + Ag

I + I x Y

La tabla F.2.5.4-1 se suministra como guía para la aplicación de las fórmulas F.2.5.4-2 a F.2.5.4-6.

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34

Tabla 5. Tabla F.2.5.4-1. Selección de las fórmulas aplicables para pandeo por torsión y pandeo por flexo-torsión.

(Fuente: NSR-10).

10.8.2.6. Interacción flexo compresión.

La interacción de la flexión y la compresión en miembros con simetría doble, y en miembros con simetría simple que satisfagan la relación 0.1 (Iyc / Iy ) 0.9 , ≤ ≤ restringidos de manera que la flexión se produzca alrededor de los ejes geométricos ( "x" o "y" ), estará limitada por las ecuaciones F.2.8.1-1a y F.2.8.1-1b, donde el momento de inercia de la aleta a compresión con respecto al eje "y" , mm 4 [11].

Se permite usar el numeral F.2.8.2 en lugar de las provisiones de este numeral (a) Para .2P u

ϕP n≥ 0

( ) .0P uϕP n

+ 98 Mux

ϕ Mb nx+ Muy

ϕ Mb ny≤ 1

(b) Para .2P uϕP n

< 0 ) .0P u

2ϕP n+ ( Mux

ϕ Mb nx+ Muy

ϕ Mb ny≤ 1

donde: P u =resistencia requerida a compresión, N P ϕ n = resistencia de diseño a compresión, determinada de acuerdo P ϕc n

con el numeral F.2.5, N

M u = resistencia requerida a flexión, N-mm

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35

=resistencia de diseño a la flexión determinada de acuerdo con elM ϕb n numeral F.2.6, N-mm

x = subíndice a flexión alrededor del eje mayor

y = subíndice a flexión alrededor del eje menor

ϕc = coeficiente de reducción de resistencia de compresión = 0.90

ϕb = coeficiente de reducción de resistencia de flexión = 0.90 10.8.3. Estados Límite De Elementos Sometidos A Flexión Simple

Principio: el miembro está restringido contra la torsión en los puntos de aplicación de las cargas y en los apoyos.


Las secciones solicitadas a flexión se clasifican como secciones compactas, no compactas o con elementos esbeltos. Una sección se clasifica como compacta si sus aletas se conectan continuamente al alma o las almas y la relación ancho a espesor no excede el límite de la tabla F.2.2.4-1b en ninguno de sus elementos λp a compresión. Si la relación ancho a espesor excede el límite de la tabla λp F.2.2.4-1b en alguno de los elementos a compresión, sin que se exceda el límite

de la misma tabla en ninguno de ellos, la sección se clasifica como noλp compacta. Si la relación ancho a espesor de algún elemento a compresión excede el límite de la tabla F.2.2.4-1b, se clasifica como una sección con elementos λp esbeltos. El pandeo local corresponde a un estado límite de la estructura que debe verificarse siempre [11].

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36

Tabla 6. Tabla F.2.2.4-1b. Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos a compresión en miembros a flexión (para aplicar en los numerales F.2.6 y F.2.15).

(Fuente: NSR-10). Tabla 6.1. Tabla F.2.2.4-1b. Valores límite de la relación Ancho a Espesor para elementos a compresión en miembros a flexión (para aplicar en los numerales F.2.6 y F.2.15) (Continuación).

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10.8.3.2. Resistencia a la flexión.

La resistencia de diseño a la flexión será igual a . M ϕ n n

En general se permite suponer conservadoramente un valor de . En .0Cb = 1 voladizos con el extremo libre sin arriostrar, ..0Cb = 1

● Secciones I Y Canales.

La resistencia nominal a la flexión, , se tomará como el menor entre los M n valores obtenidos para los estados límites de plastificación de la sección (momento plástico) y pandeo lateral-torsional [11].

Plastificación de la sección (momento plástico). (F.2.6.2-1)M F Z M n = p = y x

donde:

Fy = esfuerzo de fluencia mínimo especificado para el tipo de acero usado, MPa

Zx = módulo plástico de la sección alrededor del eje x, mm3

● Perfiles tubulares estructurales (PTE) cuadrados o rectangulares y miembros de sección en cajón.

La resistencia nominal a la flexión, , será el menor valor entre los obtenidos M n para los estados límites de plastificación de la sección (momento plástico), pandeo local de la aleta y pandeo local del alma bajo flexión pura [11].

Para PTE rectangulares el estado límite de falla corresponde al momento de plastificación ya que para grandes longitudes libres, será la deflexión de la viga la que limite el diseño.

➔ Plastificación de la sección (momento plástico)

(F.2.6.7-1)M F ZM n = p = y

donde: Z = Módulo de sección plástico sobre el eje de flexión, mm3

➔ Pandeo local de la aleta.

Para secciones compactas, determinadas en el alcance de este proyecto, no se aplica el estado límite de pandeo local de la aleta.

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38

➔ Pandeo local en el alma.

Para secciones compactas, determinadas en el alcance de este proyecto, no se aplica el estado límite de pandeo local del alma [11].

● Perfiles tubulares estructurales circulares.

La resistencia nominal a la flexión, Mn , se tomará como el menor valor entre los obtenidos para los estados límites de plastificación de la sección (momento plástico) y pandeo local.

➔ Plastificación de la sección (momento plástico).

(F.2.6.8-1)M F ZM n = p = y

➔ Pandeo local.

Para secciones compactas, determinadas en el alcance de este proyecto, no se aplica el estado límite de pandeo local

➔ Pandeo lateral-torsional. (a) Cuando , no se aplica el estado límite de pandeo lateral-torsionalLLb ≤ p

(b) Cuando LLp ≤ b ≤ Lr

(F.2.6.2-2)C M n = b M[ p − M 0.70F S( p − y x )( L − Lr p

L − Lb p)] ≤ M p

(c) Cuando Lb ≥ Lr (F.2.6.2-3)S M n = F cr x ≤ M p

donde:

= longitud comprendida entre dos puntos que están arriostrados ya seaLb contra el desplazamiento lateral de la aleta a compresión o contra la torsión de la sección transversal, mm

(F.2.6.2-4) F cr = C π Eb2

(L / r ) b ts2 √1 0.078 + J c

S Hx o ( rtsLb)2

donde:

------------


39

E = módulo de elasticidad del acero =200.000 MPa

J = constante torsional, mm4 Sx = módulo elástico de sección alrededor del eje x, mm3 ho = distancia entre centroides de aletas, mm

El término radical de la fórmula F.2.6.2-4 puede tomarse conservadoramente igual a 1.0.

Los límites de longitud y se calculan como sigue:Lp Lr

(F.2.6.2-5) 1.76r Lp = y √ EF y

(F.2.6.2-6)195 Lr = ts E

0.7F y √ Jc

S hx o + √( ) 6.76 ( )Jc

s hx o

2+ E

0.7F y2

donde: = r2

ts sx√I cy x

(F.2.6.2-7) y el factor c se determina como sigue:

(a) Para perfiles en I de doble simetría: c = 1 (F.2.6.2-8a)

(b) Para canales: c = (F.2.6.2-8b) 2

ho√ IyCw

Para secciones en I de simetría doble, con aletas rectangulares, y así la Cw = 4I h y

2o

fórmula F.2.6.2-7 se convierte en:

r2ts = 2s x

I hy o

puede aproximarse de manera conservadora al radio de giro de la sección rts conformada por la aleta a compresión más un sexto del alma:

10.8.4. Dimensionamiento según F.2.6.13.

Además de los estados límites especificados en otras secciones de este numeral, la evaluación de la resistencia nominal a la flexión, Mn , considerará el estado límite de rotura por tensión de la aleta a tensión.

(a) Para , no se aplica el estado límite de rotura por tensiónAF u fn F A ≥ Y t Y fg

40

(b) Para ,la resistencia nominal a la flexión, en una AF u fn ≤ F A Y t Y fg M n sección que contenga agujeros en la aleta a tensión, no se tomará mayor que:

(F.2.6.13-1)SM n = Afg

F A u fnx

donde: = área bruta de la aleta a tensión, calculada de acuerdo con losAfg

requisitos del numeral F.2.2.4.3.1, mm 2

= área neta de la aleta a tensión, calculada de acuerdo con losAfn requisitos del numeral F.2.2.4.3.2, mm2

= 1,0 para Y t / FF y u .8≤ 0 = 1.1 en caso contrario

10.8.4.1. Límites para el dimensionamiento de miembros de sección en I.

[11] Los miembros de sección en I de simetría simple deberán satisfacer el siguiente límite:

0.10 ≤ IyIye .90≤ 0

(F.2.6.13-2)

donde: a = distancia libre entre rigidizadores transversales, mm

10.8.5. Diseño De Elementos Por Cortante.

La resistencia de diseño a cortante será donde para todas las provisiones V ϕ v n del numeral F.2.7, excepto el numeral F.2.7.2.1a [11], se tomará:

.90 ϕ v = 0

La resistencia nominal a cortante, , de almas rigidizadas o no rigidizadas, V n para los estados límites de fluencia por cortante y pandeo por cortante, se tomará igual a:

=0.60V n A CF y w v (F.2.7.2-1)

(a) Para almas de miembros en perfiles laminados de sección en I con :.24 h/tw ≤ 2 √E/F Y

y (F.2.7.2-2) .00 ϕ v = 1 0 Cv = 1

41

(b) Para almas de todos los otros perfiles de simetría doble o simple y de canales, sin incluir los perfiles tubulares estructurales (PTE) de sección circular, el coeficiente de cortante del alma, , se determina como sigue:Cv

(i) Para h/ .10 tw ≤ 1 √K E/ Fv y 1.00Cv =

(F.2.7.2-3)

(ii) Para 1.10 h √K E/ Fv y ≤ .37 /tw ≤ 1 √K E/Fv y

(F.2.7.2-4)Cv = h/tw1.10 √K E / Fv y

(iii) Para .37 /F c ≥ 1 √K Ev y (F.2.7.2-5)Cv = 1.51 K Ey

(h/t ) Fw2

y

donde: =Aw área del alma, producto del peralte de la sección por el espesor del

alma, , mm2dt w

h = para perfiles laminados, la distancia libre entre aletas menos el filete

o radio en la unión alma-aleta, mm

El coeficiente de pandeo del alma, kv, se determina como sigue:

(i) Para almas sin rigidizadores transversales y con h/ 60tw ≤ 2 : Kv = 5

excepto para almas de perfiles en T en cuyo caso .2 Kv = 1

(ii) Para almas con rigidizadores transversales:

(F.2.7.2-6) 5 Kv + 5(a/h)2

cuando a/h ó a/h 5Kv = .0 ≥ 3 ≥ [ 260

(h/t )w ] 2 donde: a = distancia libre entre rigidizadores transversales, mm

10.8.5.1. Perfiles tubulares estructurales (PTE) de sección rectangular y miembros en cajón.

La resistencia nominal a cortante de PTE de sección rectangular y miembros V n en cajón, se debe determinar usando las provisiones del numeral F.2.7.2.1 [11] con donde:2ht Aw = ------------


42

h = ancho de la cara que resiste la fuerza cortante, tomado como la distancia libre entre las aletas menos el radio interior de la esquina en cada extremo, mm

t = espesor de diseño de la pared, igual a 0.93 veces el espesor nominal de la pared si el PTE fue fabricado con soldadura por resistencia eléctrica (ERW), e igual al espesor nominal de la pared si el PTE fue fabricado con soldadura por arco sumergido (SAW), mm

10.8.5.2. Perfiles tubulares estructurales (PTE) circulares.

La resistencia nominal a cortante, de PTE circulares, para los estados límites V n de fluencia por cortante y pandeo por cortante [11], se tomará igual a:

V n = AF cr g / 2 (F.2.7.6-1)

donde: es el mayor entre los siguientes valores:F cr

F cr = 1.60 E

√ ( ) DLv

tD 5/4

(F.2.7.6-2a) y

F cr = 078 E(D/t) 3/2

(F.2.7.6-2b)

Sin exceder de 0.60F y Ag = área bruta (total) de la sección transversal del miembro, mm2

D = diámetro exterior, mm Lv = distancia entre los puntos de fuerza cortante máxima y

cortante cero, mm t = espesor de diseño de la pared para PTE, igual a 0.93 veces el

espesor nominal para tubería fabricada por el proceso de soldadura por resistencia eléctrica, e igual al espesor nominal cuando se usa el proceso de arco sumergido, mm

10.8.6. Diseño De Conexiones

De acuerdo con los alcances de este proyecto, se definen a continuación, los parámetros de revisión de conexiones tipo aplastamiento para los estados límite de resistencia:

------------


43

10.8.6.1. Tamaño y condiciones de uso de las Perforaciones.

Los tamaños máximos de las perforaciones para pernos se establecen en las tablas F.2.10.3-3 y F.2.10.3-3M.

Tabla 7. Tabla F.2.10.3-3. Dimensiones nominales de las perforaciones pernos con diámetro en pulgadas.

. (Fuente: NSR-10).

10.8.6.2. Espaciamiento mínimo.

La distancia entre centros de perforaciones estándar, agrandadas o ranuradas no podrá ser menor que 2 2/3 veces el diámetro nominal del conector, d ; se recomienda usar como mínimo 3d.

10.8.6.3. Distancia mínima al borde.

La distancia del centro de una perforación estándar a cualquier borde de la parte conectada, en cualquier dirección, no será inferior al valor aplicable de la tabla F.2.10.3-4 o F.2.10.3-4M ni al requerido en el numeral F.2.10.3.10. Tabla 8. Tabla F.2.10.3-4. Distancia mínima al borde, del centro de una perforación estándar al borde de la parte conectada. Pernos con diámetro en pulgadas.

(Fuente: NSR-10).

10.8.6.4. Máximos valores del espaciamiento y de la distancia al borde.

La distancia máxima del centro de cualquier perno o remache al borde más próximo de las partes en contacto será igual a 12 veces el espesor de la parte conectada en consideración, sin exceder de 150 mm [11]. El espaciamiento longitudinal de conectores entre dos elementos en contacto continuo, en el caso de una platina y un perfil o de dos platinas, será: ------------


44

(a) Para miembros pintados o miembros sin pintar que no estén sometidos a corrosión, el espaciamiento no será mayor que 24 veces el espesor de la platina más delgada ni de 300 mm.

(b) Para miembros sin pintar de acero resistente a la corrosión atmosférica

expuestos a la corrosión, el espaciamiento no será mayor que 14 veces el espesor de la platina más delgada ni de 180 mm.

Tabla 9. Tabla F.2.10.3-4. Distancia mínima al borde del centro de una perforación estándar al borde de la parte conectada. Pernos con diámetro en pulgadas.

a) Se permite distancias al borde menores que las dadas en esta tabla si se satisfacen las provisiones aplicables de los numerales F.2.10.3.10 y F.2.10.4, sin embargo no se permiten distancias menores que (1) diámetro del perno sin aprobación del diseñador estructural.

(Fuente: NSR-10).

10.8.6.5. Resistencia de elementos a cortante.

La resistencia de diseño, ⲪRn , de los elementos afectados de los miembros y de los elementos de conexión solicitados por cortante será el menor entre los valores obtenidos para los estados límites de fluencia por cortante y rotura por cortante [11].

● Para fluencia por cortante del elemento.

Ⲫ = 1.00

Rn = 0.60Fy Agv (F.2.10.4-3) donde:

Agv = área bruta sometida a cortante, mm2 ● Para rotura por cortante del elemento.

= 0.75 ϕ Rn = 0.60Fu Anv (F.2.10.4-4)

donde:

Anv = área neta sometida a cortante, mm2

------------


45

10.8.6.6. Resistencia al desgarramiento en bloque.

La resistencia de diseño, R n , para el estado límite de desgarramiento en bloque a lo largo de una o más líneas de falla a cortante y de una línea de falla a tensión en dirección perpendicular [11], se calculará tomando:

= 0.75 y

Rn = 0.60Fu Anv + UbsFu Ant 0.6Fy Agv + Ubs Fu Ant≤ (F.2.10.4-5)

donde: Agv = área bruta sometida a cortante, mm2 Ant = área neta sometida a tensión, mm2 Anv = área neta sometida a cortante, mm2

Cuando el esfuerzo de tensión sea uniforme, se tomará Ubs = 1 ; en caso contrario se tomará Ubs = 0.5.

10.8.7. Arriostramiento De Columnas Y Vigas.

Las columnas que están arriostradas en sus extremos y en puntos intermedios pueden calcularse con base en la longitud no soportada, L , tomada entre los puntos arriostrados, con un factor de longitud efectiva K = 1.0 [11] . Las vigas con puntos arriostrados intermedios pueden calcularse con base en la longitud no soportada, Lb , tomada entre los puntos arriostrados.

Se consideran dos sistemas, arriostramiento relativo y arriostramiento nodal, para columnas y vigas con arriostramiento lateral. Para vigas con arriostramiento torsional, se consideran igualmente dos sistemas, arriostramiento nodal y arriostramiento continuo.

Un arriostramiento relativo controla el movimiento del punto arriostrado con respecto a puntos arriostrados adyacentes. Un arriostramiento nodal controla el movimiento del punto arriostrado sin interacción directa con puntos arriostrados adyacentes. [11] Un arriostramiento continuo consiste en un sistema que se conecta a todo lo largo del miembro, sin embargo, un arriostramiento nodal con un espaciamiento regular sobre el miembro puede ser modelado como un sistema continuo.

La resistencia de diseño y la rigidez de la riostra deberán ser iguales o mayores que las requeridas, a menos que un análisis indique que se pueden utilizar valores menores.

------------


46

10.8.7.1. Arriostramiento para la estabilidad de las vigas.

Cuando se requiera Pórticos resistentes a momentos, se debe suministrar arriostramiento al pandeo lateral torsional a los perfiles de acero solicitados por flexión [11], de acuerdo a lo especificado en los numerales siguientes:

a. Ambas aletas de la viga deberán estar arriostradas lateralmente o la sección transversal arriostrada a torsión.

b. El arriostramiento de la viga debe cumplir los requisitos para riostras de F.2.19 para arriostramiento lateral o torsional de vigas en los que la resistencia a flexión esperada del miembro debe ser:

Mu = Ry ZFy (F.3.4.1-1) Se adoptará Cd definido en F2.19 como la unidad.

c. El arriostramiento de la viga debe estar espaciado como máximo

10.9. REQUISITOS GENERALES PARA EL DISEÑO SÍSMICO

10.9.1. Ductilidad.

Algunos miembros del Sistema de Resistencia Sísmica en los que se esperan deformaciones inelásticas bajo el sismo de diseño se clasifican como miembros con ductilidad moderada o miembros con alta ductilidad. los miembros que conformen sistemas estructurales de pórticos resistentes a momentos de acero deben cumplir con este requisito [11].

10.9.1.1. Miembros con ductilidad moderada.

Las esbelteces de los elementos a compresión deben ser menores a las esbelteces límites dm , de la tabla F.3.4-1 [11].λ

10.9.1.2. Miembros con alta ductilidad. Para miembros clasificados como de alta ductilidad las esbelteces de los elementos a compresión deben ser menores que da, de la tabla F.3.4-1 [11]. λ Adicional a lo expuesto anteriormente, el arriostramiento de vigas con alta ductilidad debe tener un espaciamiento máximo de Lb = 0.086ry E/Fy .

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47

Tabla 10. Tabla F.3.4-1. Valores límite de la relación Ancho-Espesor para elementos a compresión.

(Fuente: NSR-10). Tabla 11. Tabla F.3.4-1 (Continuación). Valores límites de la relación ancho-espesor para elementos a compresión.

(Fuente: NSR-10).

48

10.9.2. Pórticos Resistentes A Momentos Con Capacidad De Disipación De Energía Mínima (PRM-DMI)

En general no se especifican requisitos especiales.

10.9.3. Pórticos Resistentes A Momentos Con Capacidad De Disipación De Energía Moderada (PRM-DMO)

Los PRM-DMO deben ser capaces de desarrollar una capacidad de deformación inelástica limitada a partir de la fluencia por flexión de las vigas y columnas, y fluencia por cortante de la zona de panel en la columna [11]. Los arriostramientos de vigas deben colocarse cerca de las fuerzas concentradas, en los cambios en la sección transversal y en otras ubicaciones donde los análisis indiquen que se puede formar una rótula plástica durante la deformación inelástica del PRM-DMO.

10.9.4. Pórticos Resistentes A Momentos Con Capacidad De Disipación De Energía Especial (PRM-DES)

Los PRM-DES deben ser capaces de desarrollar una capacidad de deformación inelástica significativa a partir de la fluencia por flexión de las vigas y una fluencia limitada por cortante de la zona de panel [11]. Excepto que se permita otra cosa en esta sección, las columnas deben diseñarse para ser más fuertes que las vigas en fluencia completa y con endurecimiento por deformación. Se permite la fluencia por flexión de las columnas en la base. Deben satisfacerse las siguientes relaciones en las conexiones viga-columna:

> 1 ∑

M *pc

∑

M *

pb

(F.3.5.3-1) donde:

= suma de las proyecciones al eje de la viga, de la resistencia nominal ∑

M *

pc

a flexión de las columnas (incluidas las ménsulas si estas se utilizan) arriba y abajo de la unión , con una reducción debida a la fuerza axial de la columna. Se puede calcular como:

= ∑

M *

pc (F / A )∑

Z c yc − P uc g

------------


49

= suma de las proyecciones al eje de la columna de las resistencias ∑

M *

pb

esperadas a flexión de las vigas en la rótula plástica. Se puede calcular como:

= ∑

M *

pb (1.1R F Z )∑

y yb b + M uv (F.3.5.3-3)

Los miembros para vigas y columnas deben satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.1 para miembros con ductilidad alta [11].

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50

11. MARCO TEÓRICO SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL 11.1. DISEÑO ESTRUCTURAL

El diseño estructural es una de las áreas donde se desarrolla la Ingeniería Civil, esta se define como el conjunto de cálculos y planos estructurales efectuados para determinar las dimensiones, características y disposiciones geométricas de los perfiles estructurales que se deben utilizar. Las etapas que comprenden este diseño están especificadas en la NSR-10, A.1.3.4 [7], comportándose además satisfactoriamente una vez en condiciones de servicio. 11.2. COMPORTAMIENTO DEL ACERO

El acero es una aleación de hierro y carbono en un porcentaje de este último elemento variable entre el 0,008% y el 2% en masa de su composición más unas cantidades mínimas de otros elementos como manganeso, boro, molibdeno etc. No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal duro y relativamente dúctil, la diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono, como ya se mencionó, el acero es hierro con un porcentaje de carbono. Este, es un material que puede estar sujeto a grandes deformaciones unitarias antes de exhibir algún tipo de falla ante la aplicación de cargas axiales, con lo cual su comportamiento es catalogado de tipo dúctil, [7].

Las propiedades del material tales como:

a) Esfuerzo de fluencia, Fy b) Resistencia a tensión, Fu c) Módulo de Elasticidad, Es d) Módulo de endurecimiento por deformación, Eed e) Relación de Poisson, μ

Se definen mediante parámetros e índices a partir de las propiedades mecánicas, las cuales son definidas a través de ensayos de laboratorio.

Los resultados de un ensayo de tensión simple en probetas de acero, regularmente son resumidos y presentados en una curva esfuerzo normal - deformación unitaria (σ vs ϵ), como la mostrada en la Figura 2, en la cual se describen cuatro regiones en las que el comportamiento mecánico del acero presenta variaciones significativas.

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7. VALENCIA CLEMENT, Gabriel. Diseño básico de estructuras de acero de acuerdo con NSR-10. Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2010.

51

Figura 2. Esquema curva esfuerzo deformación para el acero. (Fuente: elaboración propia).

En la región inicial de la curva, los esfuerzos están linealmente relacionados con las deformaciones, y la pendiente en esta región está definida como el módulo de elasticidad Es con un valor aproximado de 200.000 MPa [7]. A partir de este valor, un aumento en el esfuerzo normal superior al límite elástico producirá deformaciones permanentes en el material. Posteriormente, en la zona de fluencia o región plástica se presentan grandes deformaciones sin un incremento considerable en la carga de aplicación. La magnitud del esfuerzo normal en esta zona se denomina esfuerzo de fluencia Fy, y su valor para aceros estructurales de uso común, se encuentra entre 250 MPa y 350 MPa (ASTM A-36 y A-572 Gr. 50 respectivamente).

Luego de superar la zona de fluencia, pueden incrementarse los esfuerzos en el material hasta alcanzar un valor máximo denominado esfuerzo último Fu. Este incremento en la resistencia del acero está dado por un fenómeno de endurecimiento por deformación del material, y su valor oscila entre 400 MPa y 550 MPa.

Finalmente, la curva adopta una pendiente negativa producida por la pérdida de resistencia en el material, presentando una disminución en su sección transversal denominada estricción. 11.3. ACERO ESTRUCTURAL

Término que se usa para definir un grupo de aceros diseñados para la fabricación de estructuras de edificios. Al igual que otros tipos de acero, los componentes principales son hierro y carbono. Cuanto más carbono, mayor es la resistencia y disminuye la ductilidad del producto acabado.

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52

En la NSR 10, F.2.1.5, se incluyen varios tipos de acero para uso estructural, como puede observarse en la tabla 12; el esfuerzo de fluencia para un mismo material no es constante, si no que varía de acuerdo con el espesor. En la medida en que el espesor de los perfiles y las planchas aumentan, el esfuerzo de fluencia disminuye [7]. Tabla 12. Aceros estructurales permitidos por la NSR 10 [7].

(Fuente: Valencia Clement, 2010). 11.4. PERFILES ESTRUCTURALES 11.4.1. Definiciones.

Se incluye a continuación la definición de algunos de los términos más empleados:

● Ala: cada uno de los dos elementos planos que conforman un perfil

angular.

● Aleta: elemento de sección rectangular o ahusada, situada ortogonalmente al cuerpo de una viga I.

● Alma: placa que une las aletas. Usualmente es de sección constante a lo largo de la viga, pero puede ser variable (viga acartelada).

------------


53

● Atiesador: 1) elemento que restringe el pandeo local de una placa, normalmente una aleta o un alma. 2) elemento que aumenta la resistencia al corte o al aplastamiento del alma de una viga. Cuando cumple esta función, se denomina atiesador de apoyo.

● Empalme: empate intermedio de un miembro, hecho con el fin de alcanzar la longitud de diseño de éste.

● Perfil laminado: dícese del que se fabrica acería mediante un proceso de conformación en caliente con un tren de laminado.

● Perfil ensamblado: dícese del que se arma con elementos independientes unidos mediante soldadura, pernos o remaches.

● Pórtico: elemento estructural plano de alma llena o celosía, compuesto por una o varias vigas rígidamente conectadas a las columnas.

● Riostra: elemento que trabaja a tensión o a compresión, y que al estar ligado a una estructura rígida provee estabilidad a otros elementos.

● Separador: elemento secundario que une elementos simples para garantizar su trabajo en conjunto.

● Rótula plástica: Cuando todas las fibras de la sección alcanzan el punto de fluencia. En este caso cualquier incremento de carga produciría un giro relativo entre los miembros que llegan a la sección plastificada, lo cual representaría el colapso de la estructura si esta es estáticamente determinada.

● Coeficientes de resistencia: los coeficientes de resistencia Ø reflejan la mayor o menor variabilidad en el comportamiento de los elementos a distintas solicitaciones. Algunos de ellos son los siguientes:

Øt=0,90 para fluencia por tracción Øt=0,75 para rotura por tracción Øc=0,85 para compresión Øb=0,90 para flexión Øv=0,90 para fluencia por cortante

54

11.4.2. Sección de acero.

Los perfiles de acero utilizados principalmente en estructuras figura 3, se denominan como perfiles I, C, L o T, placas, tubos circulares y HSS. Las secciones en forma de I pueden ser clasificadas además como W, S, M, HP, IPN, IPE e IPB [7]. Las secciones transversales laminadas varían mucho: los miembros más pequeños tienen área de sección transversal de menos de una pulgada cuadrada, en tanto que los miembros más grandes pueden tener peraltes que exceden de 40 pulgadas; los perfiles con aletas de espesor superior a 51 mm, se consideran perfiles laminados pesados. Cuando se usen perfiles de este tipo como miembros sujetos a esfuerzos primarios de tensión y se empalmen o conecten con soldadura acanalada de penetración completa, tales perfiles se deben especificar como sigue. Los documentos contractuales exigirán que tales perfiles sean suministrados con un reporte de resultados de la prueba de impacto de conformidad con la norma ASTM A6 [11](F.2.1.5.1.2). La mayor parte de los perfiles estructurales pueden tener longitudes de 60 a 75 pies, aunque a veces es posible conseguir perfiles pesados de más de 120 pies de longitud.

Figura 3. Perfiles de acero. [7].

11.5. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES

Los aceros estructurales disponibles en perfiles estructurales laminados en caliente, placas y barras pueden clasificarse como:

● Aceros con carbono

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55

● Acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA) ● Acero HSLA resistentes a la corrosión ● Acero de baja aleación enfriados y templados ● Aceros de aleación enfriados y templados.

La ASTM desarrolla y mantiene los estándares de materiales relevantes para estos aceros bajo las especificaciones ASTM A6, ASTM A53, ASTM A193 y ASTM A194, donde se especifican los requisitos generales para garantizar los aceros estructurales. Los certificados o los reportes de ensayos deben estar ligados a las especificaciones enumeradas en el numeral F.2.1.5.1 de la NSR 10, tabla 12.

La NSR 10 permite usar acero sin identificar, en la fabricación de miembros o detalles cuya falla no comprometa la resistencia de la estructura, ya sea a nivel local o global, siempre y cuando no presente defectos inaceptables. Este uso estará sujeto a aprobación por el interventor. 11.5.1. Esfuerzos residuales.

Los esfuerzos residuales o remanentes son los que existen en un miembro de acero antes de la aplicación de cualquier carga externa. Se relacionan con la deformación plástica que ocurre durante el proceso de fabricación. Por ejemplo, esos esfuerzos pueden deberse a enfriamiento desigual a temperatura ambiente de los perfiles después de laminarlos en caliente o de soldarlos; también puede deberse a operaciones como enderezamiento en frio mediante rotación o calibración; o puede derivarse de operaciones de fabricación como corte con flama, curvado en frio y otros más, [9].

11.6. RESISTENCIA DE DISEÑO

11.6.1. Elementos sometidos a compresión.

Para miembros solicitados a compresión, compactos, la NSR 10 F.2.5 especifica que la resistencia de diseño, ØPn, se obtiene con Ø igual a 0.90 y Pn igual a Ag*Fcr. Donde Ag es el área total y Fcr depende del estado límite que se presente [11].

--------------

9. VINNAKOTA, Sriramulu. Estructuras de acero: comportamiento y LRFD. México. Editorial McGraw Hill Interamericana, 2006.


56

Tabla 13. Tabla F.2.5.1-1. Selección de los numerales aplicables para el diseño a compresión.

(Fuente: NSR-10).


La relación ancho espesor de todos los elementos del miembro debe ser menor a los límites λ dados en la tabla 13 para que el miembro no falle por pandeo local. Una sección cuyo elemento cumplen tales límites se denomina sección compactos, si es lo contrario se denomina elementos esbeltos. La resistencia de estos miembros solicitados por compresión puede verse afectados por el pandeo de una de sus elementos, de dos maneras:

i. El pandeo puede generar la falla del miembro al hacer ineficiente el

elemento que ha pandeado. ii. Producir una redistribución de los esfuerzos, con los que se ve

influenciada la capacidad de carga del miembro.

Un miembro en compresión que no sobrepase los límites λ, aun siendo columna corta, fallará primero por pandeo lateral antes que por pandeo local.

57

11.6.1.2. Pandeo lateral.

Si a una columna articulada en sus extremos se le aplica una carga axial creciente, con una cierta magnitud de esta carga se iniciará el pandeo lateral. Tal carga se denomina carga de Euler, Pe, por lo que se supone que la carga de Euler corresponde a la máxima carga axial que está en capacidad de resistir el miembro[7].

Figura 4. Columna articulada solicitada por su carga de pandeo, carga de Euler. Fuente: Valencia, 2010.

eP =

l2π E I2* * y eF =

( )lr2

π E2*

Lo que se anotó anteriormente, es la carga de Euler, o carga crítica de pandeo elástico, como se puede ver esta no está en función de Fy, lo que significa que el fenómeno de pandeo de las columnas no es función de la resistencia del material.

Lo anterior es válido para columna articulada en sus extremos por lo que para otros apoyos se reemplaza la longitud lateral por la denominada longitud efectiva Kl, que representa un tramo de columna comprendido entre dos puntos de inflexión, entre los que se supone que el comportamiento de la columna es semejante al de una columna articulada [7].

eF =( )rKl 2

π E2*

------------


58

Figura 5. Columna empotrada en los extremos. Fuente: Valencia, 2010.

Al factor K se le denomina factor de longitud electiva, en la tabla 14 se incluyen varios casos típicos, Kl/r se denomina relación de esbeltez, λ.

Tabla 14. Factores de longitud efectiva para columnas cargadas axialmente con varias condiciones de apoyo idealizadas.

(Fuente: Valencia, 2010).

El factor de longitud efectiva en sistema de pórticos y otros sistemas estructurales es igual a uno, como se especifica en la NSR 10, F.2.21.2.3 [11].

La resistencia nominal a compresión Pn, se toma igual a:

n g cr P = A * F donde el esfuerzo de pandeo por flexión, Fcr, se calcula como sigue: -------------



59

Si , ≤4.71 rKl √ E

FY cr Y F = 0.658[ FEFY ]F

Si , .71 r

Kl > 4 √ EFY cr .877 Fe F = 0

eF =

( )rKl 2

π E2*

La NSR-10, F.2.5.2 recomienda que la relación de esbeltez de los miembros en comprensión, Kl/r, no sea mayor a 200.

11.6.1.3. Pandeo torsional y flexo torsional.

En elementos cuyas relaciones ancho-espesor son altas, o bien en los miembros que tienen uno o ningún eje de simetría, se puede presentar pandeo torsional antes que lateral [7].

Figura 6. Secciones asimétricas y pandeo torsional. a) sección cruciforme, b) secciones con un solo eje de simetría, c) pandeo torsional de una sección C.

Fuente: Valencia, 2010.

La resistencia nominal Pn, para los estados límites de pandeo por flexo-torsión y pandeo por torsión se determinan como sigue:

n g cr P = A * F Donde Fcr se determina de acuerdo con las especificaciones de la NSR-10, F.2.5.4.

------------


60

11.6.2. Elementos sometidos a flexiòn.

Se habla de flexión simple cuando se presenta flexión por la acción de cargas transversales al eje longitudinal de la viga.

Los estados límites que afectan la resistencia de una viga de acero, los cuales podrán presentarse individualmente o combinados, son los siguientes:

1. Exceso de flexión, con la eventual formación de mecanismo con

articulaciones plásticas. 2. Cortante 3. Inestabilidad en el cargo elástico, inelástico o aun plástico, caracterizada por

pandeo flexo torsional o local. 4. Fatiga. 5. Fractura frágil.

El comportamiento de una viga solicitada por flexión, solicitada por una carga transversal, se da en cuatro etapas.

● Etapa 1.

Todas las fibras están solicitadas por esfuerzos menores que el de fluencia; por tanto, es un comportamiento totalmente elástico.

M = Sx * F b ● Etapa 2.

Las fibras extremas han llegado a fluencia, el momento interno resistente es ahora My, las deformaciones unitarias son aún proporcionales a los esfuerzos.

SM = M y = x * F y

● Etapa 3.

Las fibras extremas ya en fluencia, no podrán soportar más esfuerzos, si seguirá resistiendo Fy, por lo que el momento interno será mayor a My. Las deflexiones por su parte, crecerán ahora con mayor rapidez pues son proporcionales a la inercia y esta se ha visto reducida.

● Etapa 4.

Se comenta las deformaciones unitarias en las porciones extremas de la sección transversal con la consiguiente reducción de la zona central elástica, donde toda la sección transversal está solicitada por esfuerzos de fluencia, al completarse el momento de plastificación:

ZM = MP = x * F Y ------------


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Figura 7. Comportamiento de una viga bajo carga creciente.


Tal como se describe en elementos sometidos a compresión, los elementos constitutivos de un miembro de acero pueden presentar pandeo local cuando sus relaciones ancho-espesor son mayores al límite λ, tabla F.2.2.4-1b [11].

Si en un perfil las aletas están conectadas al alma en forma continua y la relación ancho-espesor de un elemento es menor que el peral se denomina elemento λp compacto, si es mayor que , pero no que se denomina elemento esbelto. λp λr Los miembros de acero con secciones compactos pueden desarrollar su resistencia total sin fenómenos de inestabilidad local, por el contrario, podrán presentar pandeo local, y su resistencia debería evaluarse considerando este fenómeno.

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11.6.2.2. Pandeo lateral torsional.

La aleta en compresión de una viga solicitada por flexión se puede considerar como una columna solicitada por una fuerza axial. La aleta en tensión de la viga tiende a permanecer recta y a través del alma restringe la tendencia de la aleta en compresión a pandear lateralmente, como lo haría si fuera una columna libre. Sin embargo, si el soporte lateral externo no es el adecuado, cuando se alcanza cierto valor crítico de momento flexionante la aleta en compresión se desplaza lateralmente, originando una flexión lateral y una deformación torsional de la viga, [7].

El valor de Mcr depende de las propiedades del material, su sección transversal, apoyos y tipo de carga. El pandeo lateral podrá presentarse dentro del rango elástico si cuando se presenta el fenómeno, los esfuerzos no exceden en ningún punto el límite de proporcionalidad del material, o bien dentro del rango inelástico si la condición anterior no se cumple.

Para el diseño de vigas con sección compacta se presentan tres condiciones:

1. Se supondrá primero que las vigas tienen soporte lateral continuo en sus patines a compresión.

2. Posteriormente se supondrá que las vigas están soportadas lateralmente a intervalos cortos.

3. Se supondrá, en un último caso, que las vigas están soportadas a intervalos cada vez más grandes.

Como se aprecia en la figura 8, si se tiene un soporte continuo o estrechamente espaciado, las vigas se pandearán plásticamente y quedarán en la zona 1 de pandeo. Al incrementarse la separación entre soportes laterales, las vigas empezarán a fallar inelásticamente bajo momentos menores y quedarán en la zona 2. Finalmente, con la longitud aún mayor sin soporte lateral, las vigas fallarán elásticamente y quedarán en la zona 3.

Figura 8. Momento Mn en función de la longitud sin apoyo lateral del patín a compresión.

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Para miembros solicitados a flexión, la NSR 10 F.2.6 especifica que la resistencia de diseño, ØMn, se obtiene con Ø igual a 0.90 y Mn se determina en función del tipo de perfil y longitud libre entre apoyos, de acuerdo con los numerales F.2.6.2 a F.2.6.13 [11].

La expresión teórica de momento crítico de pandeo lateral, Mcr, es igual a:

1. Pandeo plástico: un miembro que esté lateralmente soportado, no se presenta falla por inestabilidad flexo torsional, por tanto, Mcr podrá llegar a ser igual a la máxima resistencia de la viga (momento de plastificación, Mp).

cr y M = Z * F

Para poder considerar que un miembro está lateralmente soportado no deberá superar unos valores límites que dependen de la sección transversal (Lp), según NSR-10, F2.6.

2. Pandeo inelástico: si la longitud sin soporte lateral de un miembro supera los valores de Lb, se presentará pandeo flexo torsional. Debido a los esfuerzos residuales.

El momento máximo que puede aplicarse a la sección, sin que se alcance fluencia en ninguna fibra, se le denomina, Mr.

r M = Sx * (F )y − F r = Sx * (0.7 )* F Y

3. Pandeo elástico: se parte de las siguientes hipótesis, a) la sección

transversal y el momento flexionante son constantes a lo largo de la viga, b) en ningún punto los esfuerzos exceden el límite de proporcionalidad, c) las cargas exteriores, y por lo tanto el plano de flexión, permanecen paralelas a la dirección original de cuando se produce el desplazamiento, d) se desprecia la distorsión de la sección transversal.

cr M = πlb√E y* I * G * J +

lb2

π E C I2* 2* w* y

11.6.3. Cortante.

La resistencia de diseño a cortante será Øv*Vn, donde Øv es igual a 0.90, excepto el numeral F.2.7.2.1a de la NSR-10 y Vn es igual a 0.6*Fy*Aw*Cv. Donde Cv depende del tipo de perfil y área transversal.

Vn se evalúa de la siguiente manera:

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1. Para almas perfiles laminados de sección I con , se ≤2.24 htw √ E

Fy especifica: y C∅v = 1 v = 1

2. Para almas de otros perfiles de doble simetría, incluidos los que no cumplan el límite dado en a) perfiles de simetría sencilla y canales, exceptuando los perfiles tubulares, Cv se calcula considerando que no habrá pandeo del alma por cortante, si la relación h/tw es baja, o que de lo contrario si se presenta pandeo, y este podrá ocurrir en rango elástico o inelástico, a saber:

Para , Cv=1.≤1.10 h

tw √ FyKv E*

Para , Cv=.10 ≤1.37 1 √ FyKv E* ≤ h

tw √ FyKv E* .101 * h

tw

√ FyKv E*

Para , .37 h

tw> 1 √ Fy

Kv E* v .51 C = 1 * Kv E*( ) Fyhtw

2*

11.7. CONEXIONES

Una conexión, es una combinación entre elementos estructurales y elementos de unión conformados para transmitir fuerzas axiales (tensión o compresión), momentos flectores, fuerzas cortantes o momentos de torsión, que actúan de manera individual o combinada.

De la misma forma, el reglamento NSR-10 lo define, como la “combinación de elementos de conexión, conectores y partes de los miembros conectados que intervienen en la transmisión de fuerzas entre dos o más miembros” [6].

Las uniones, pueden componerse de conectores como pernos, soldadura, pasadores y en la mayoría de veces por elementos de conexión como placas de acero, ángulos, perfiles en T, entre otros, cuya función principal es permitir la transferencia de fuerzas entre un elemento y otro.

El diseño debe ser compatible con el comportamiento del sistema estructural y las suposiciones hechas en el análisis, para las combinaciones de carga, tipos de apoyo, materiales, y demás parámetros establecidos por las normas de diseño.

11.7.1. Tipos de conexión.

Las conexiones en estructuras de acero, podrían clasificarse de distintas formas, teniendo en cuenta parámetros como su comportamiento, el sistema estructural al

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cual pertenecen, el tipo de conectores que usan, etc., sin embargo, una forma común de hacerlo es a partir de las solicitaciones de carga que actúan en ellas.

Las principales solicitaciones producidas en las estructuras metálicas, proyectadas como sistemas estructurales de resistencia, son las impuestas por cargas verticales: muertas, vivas, de empozamiento, de lluvia, entre otras, y por las cargas horizontales: sismo, viento, empujes de tierras, presión de fluidos, etc.

Estas acciones inducen en los elementos estructurales y sus conexiones una serie de esfuerzos internos axiales en tensión o compresión, esfuerzos cortantes, esfuerzos torsionales, esfuerzos por flexión, y posibles combinaciones de ellos.

Se conocen varios tipos de conexión, caracterizados por su comportamiento frente a estas acciones internas, estas se dividen en:

11.7.1.1. Conexión de carga axial y de cortante.

Estas conexiones se fabrican con el fin de transmitir las cargas axiales o de cortante entre dos o más elementos, sin presentar restricción frente al giro relativo entre las partes conectadas. Por tal razón este tipo de unión es usada comúnmente en elementos como viguetas, arriostramientos, armaduras, correas de cubierta, elementos no estructurales, entre otros.

Teniendo en cuenta la dificultad que tienen algunos miembros para ser conectados entre sí directamente, en ocasiones se hace necesario el uso de diferentes elementos de unión como platinas y ángulos, ya que se consiguen fácilmente en el mercado y son muy versátiles para usar individualmente o en conjunto con otros elementos.

Las conexiones de carga axial pueden ser de varios tipos [7], estas son:

● Conexiones pernadas ● Conexiones con pasadores ● Conexiones soldadas ● Conexiones remachadas

11.7.1.2. Conexión a momento.

Una conexión se considera a momento cuando además de transmitir fuerzas axiales y de cortante, es capaz de transmitir los momentos de flexión entre los miembros conectados, debido a la restricción que impide el giro entre los mismos [8].

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8. AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION (AISC). Manual of steel construction–allowable stress design. AISC. Chicago.: AISC, 1989.

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Esta transmisión se hace en una mayor o menor medida dependiendo de la rigidez del sistema, y de la forma en la que sus partes se unen. Por tal razón, estas se clasifican en Conexiones a Momento Totalmente Restringidas (TR), y Conexiones a Momento Parcialmente Restringidas, de acuerdo con la definición dada por la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, [6]. Los usos son los siguientes:

● Conexión de viga a columna ● Empalmes entre Columnas ● Empalmes entre vigas

11.7.1.3. Conexión a momento totalmente restringida (TR).

Una conexión a momento Totalmente Restringida (TR) es aquella que transfiere momento con una rotación relativa despreciable entre los miembros conectados.

Se asume que esta conexión es suficientemente rígida o que tiene un grado de restricción tal, que los ángulos originales entre los miembros permanecen virtualmente sin cambio bajo cargas.

11.7.1.4. Conexión a momento parcialmente restringida (PR).

Las conexiones a momento Parcialmente Restringidas transfieren momento, sin que se pueda despreciar la rotación entre los elementos conectados.

Esta conexión tiene una rigidez insuficiente para mantener sin cambio el ángulo entre los elementos conectados bajo carga, sin embargo, proporciona una restricción mayor a la de una conexión simple.

Comúnmente los calculistas prefieren limitarse a usar conexiones totalmente restringidas o a cortante simple, ya que la norma AISC permite usar las conexiones parcialmente restringidas siempre y cuando las características de respuesta estén documentadas en la literatura técnica o establecida de forma analítica o experimental.

En la actualidad existen diversos tipos de conexión resistente a momento, y a continuación se presentan las más usadas:

● Conexión de patín soldado ● Conexión de placa de patín soldado ● Conexión de placa de patín pernada ● Conexión de ángulo en patín ● Conexión T cortada ● Conexión de placa de extremo

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11.7.1.5. Conexiones precalificadas.

Actualmente para el diseño de edificaciones, la norma AISC dentro de sus provisiones sísmicas, establece una serie de requisitos específicos para sistemas estructurales con capacidad moderada y especial de disipación de energía, dentro de los cuales se encuentra el uso imperativo de conexiones precalificadas.

Una conexión precalificada, es aquella que mediante procedimientos analíticos y experimentales ha sido estudiada para demostrar que dicha unión con una configuración específica de geometría y materiales, tiene la capacidad y confiabilidad suficiente para cumplir con los estados límite aplicables a la conexión, y los requisitos sísmicos que demanda el sistema estructural. Para esto, debe seguirse un protocolo de ensayos y análisis matemáticos aprobados por la norma, que garanticen la idoneidad de la conexión frente a un evento sísmico. La descripción de los ensayos de calificación para documentar el comportamiento de una conexión viga-columna bajo cargas cíclicas, se muestra en el Apéndice S del código Seismic Provisions for Structural Steel Building, AISC 341-10, publicado por AISC, [8].

Actualmente, la Federal Emergency Management Agency, por sus siglas en inglés FEMA 355D establece en sus especificaciones 9 tipos de conexiones precalificadas, las cuales serán nombradas a continuación:

● Conexión precalificada totalmente restringida (TR).

Soldadas: ● Conexión de patín soldado sin refuerzo con alma pernada (WUF-B) ● Conexión de patín soldado sin refuerzo con alma soldada (WUF-W) ● Conexión soldada de aleta libre (FF) ● Conexión soldada con placa de patín (WFP) ● Conexión con viga de sección reducida (RBS)

Pernadas:

● Conexión con placa de extremo no atiesada (BUEP) ● Conexión con placa de extremo atiesada (BEP) ● Conexión pernada con placa de patín (BFP) ● Conexión precalificada parcialmente restringida (TR). ● Conexión con Té doble (DST)

Las anteriores, por ser conexiones que han cumplido con extensos programas de ensayo de calificación, pueden ser usadas dentro de sistemas de resistencia sísmica con capacidad de disipación moderada y especial de energía.

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11.7.2. Elementos de conexión.

Para lograr conectar dos o más elementos, es necesario hacer uso de elementos adicionales como tornillos, soldadura o placas de acero, que permitan mantener a los miembros alineados y ajustados, logrando así una correcta transmisión de esfuerzos.

A continuación, se hará una breve descripción de los elementos de conexión.

11.7.2.1. Placas de acero.

Son elementos rectangulares de acero con espesores muy delgados con respecto a sus dimensiones en planta (largo x ancho). Actualmente, el espesor de una placa de acero se especifica en dimensiones aproximadas al 1/16” más cercano para espesores menores a 3/8”, aproximadas al 1/8” más cercano para espesores entre 3/8” y 1”, y al 1/4” más cercano para espesores mayores a 1” [9].

Las placas de acero, son usadas como elemento suplementario para la unión de elementos en una conexión, ya sea como elemento de extensión, rigidizadores, tapas en secciones huecas, refuerzo en miembros de pared delgada, entre otros. Su resistencia depende básicamente del acero con el cual han sido fabricadas.

Los aceros usados para fabricar las placas, están estandarizados por la American Society for Testing and Materials (ASTM), y de acuerdo con su composición química y sus propiedades mecánicas se describen 4 tipos comunes usados en su fabricación:

1. ASTM A36: Es el material más usado para fabricar placas de acero, y existe una gran variedad de tamaños disponibles. Tiene un esfuerzo de fluencia de 2530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi) y un esfuerzo mínimo de ruptura en tensión de 4080 kg/cm2 a 5620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a 80 ksi), con una soldabilidad adecuada.

2. ASTM A572: Este acero está disponible en varios grados dependiendo del

tamaño del perfil y grueso de la placa, Grado 42, 50, 60 o 65. Actualmente el más usado corresponde al grado 50 con Fy= 345 MPa o 50 ksi (3515 kg/cm²) y Fu=450 MPa o 65 ksi (4570 kg/cm2) está disponible en todos los tamaños y espesores de placa hasta 100 mm (4 pulgadas).

3. ASTM A992: Esta especificación cubre solo perfiles W, con el fin de ser utilizadas en la construcción de edificios. Tiene valores mínimos especificados para Fy y Fu de 50 y 65 ksi (345 Mpa y 448 Mpa), respectivamente. Este acero cuenta con excelentes características de ductilidad y soldabilidad.

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10. McCORMAC, J. Diseño de estructuras de acero. Ciudad de Mexico: Alfaomega Grupo Editor, 2012.

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4. ASTM A588: Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de hasta

100 mm de grueso, con límite de fluencia mínimo de 345 MPa (3515 kg/cm²). Se caracteriza principalmente por su alta resistencia a la corrosión, ya que es 4 veces mayor a la proporcionada por el acero A36. Los materiales de este tipo se conocían en su origen por nombres propios, como Mayari-R y Cor-ten. [9].

11.7.2.2. Tornillos y barras roscadas.

Los tornillos son elementos tipo barra de sección transversal circular compuesta por una cabeza en un extremo y un espigo roscado del otro, el cual permite unir elementos y ajustarlos plenamente por medio de tuercas. De acuerdo con la calidad del material del cual están compuestos, los tornillos para estructuras de acero pueden clasificarse en tornillos ordinarios y tornillos de alta resistencia [10].

Los tornillos ordinarios son usados generalmente para conexiones sometidas a cortante, donde no se presentan esfuerzos de fatiga. Comúnmente instalados en conexiones de miembros secundarios como viguetas, correas, elementos de cubierta, escaleras, entre otros elementos que no hacen parte de un sistema estructural de resistencia sísmica.

Por el contrario, los tornillos de alta resistencia pueden ser usados para cualquier aplicación estructural debido a su alta capacidad para resistir esfuerzos de tensión, por lo que son adecuados para ser usados en conexiones sometidas a cargas vibratorias, donde se puede presentar la fatiga del material, o el aflojamiento de la tuerca, como conexiones para soportar maquinaria, cargas vivas que produzcan impacto o inversión de esfuerzos, conexiones principales en edificios de mediana y gran altura, entre otros. Debido a lo anterior, los tornillos de alta resistencia se pueden apretar hasta alcanzar esfuerzos muy altos de tensión, lo cual lleva a que los miembros unidos queden lo bastante ajustados como para que los esfuerzos entre ellos se transmitan por fricción.

Cuando el espesor de las piezas a unir o la longitud de roscado son de gran tamaño, los tornillos pueden no ser una solución, por lo cual es necesario hacer uso de barras roscadas.

Actualmente, existe en el mercado gran variedad de aceros para tornillos y barras roscadas que cumplen con las especificaciones definidas por los códigos de diseño, para aplicaciones estructurales.

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11.7.2.3. Soldadura.

La soldadura es un proceso en el cual dos miembros de acero son fundidos al ser calentados a temperaturas suficientemente altas, permitiendo que se unan. Para lograrlo, existen diferentes procesos de soldadura que dependen de la fuente de energía que se use, las cuales se pueden clasificar en: eléctrica, química, óptica y mecánica.

Debido al tipo de equipo usado y a la calidad de las técnicas de soldadura implementadas en la construcción de edificaciones, la fuente de energía eléctrica es la más usada para unir metales, y de allí se derivan los procesos de soldadura más comunes como la soldadura por resistencia eléctrica, y soldadura por arco eléctrico.

La elección del proceso de soldadura depende principalmente de la disponibilidad del equipo, la idoneidad del operario, la ubicación del trabajo y el tipo de materiales a unir. Por tal razón este parámetro en ocasiones es independiente del tipo de soldadura y de su diseño dentro de la conexión.

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12. GUÍA METODOLÓGICA PARA INTERVENTORÍA TÉCNICA DE DISEÑOS ESTRUCTURALES DE EDIFICACIONES EN ACERO SEGÚN NORMA NSR-10

12.1. PRESENTACIÓN

Como objetivo general de este trabajo final es desarrollar una metodología que permita realizar la interventoría técnica de proyectos de construcción de edificaciones de mediana altura en estructura metálica con perfiles laminados en caliente y tubulares en la fase de interventoría de diseño basados en la NSR-10, este programa se ha realizado con el fin de facilitar la revisión de los diseños estructurales de edificaciones en acero con sistema de resistencia sísmica de pórticos resistentes a momentos.

El programa se compone de 8 módulos, el primero corresponde a la “Lista de chequeo” donde se consolidan los requisitos que exige la NSR 10 y resolución 0017 de 2017 para un diseño estructural (contenido, memorias, parámetros, procedimientos de diseño, detalles, planos y cantidades), con el segundo módulo es posible obtener los movimientos sísmicos de diseño y como tal, el espectro elástico, seguido, se tiene el módulo de chequeo de irregularidades y configuración geométrica de la estructura con el fin de definir el coeficiente de disipación de energía, en el siguiente se realizan las verificaciones de diseño de elementos sometidos a flexo compresión, el cuarto módulo incluye la revisión de elementos sometidos a flexión, se realiza también el análisis y chequeo de riostras y finalmente, la revisión de los estados límite de resistencia de conexiones a momento y conexiones simples.

12.2. ESPECIFICACIONES

● La metodología está programada en Excel, dividido en ocho módulos de cálculo (Lista de chequeo, Espectro, Irregularidades y Revisión de Columnas, Vigas, Riostras y Conexiones)

● Se requiere mantener habilitado la macro de Excel.

● La obtención de información, se hace a partir del ingreso de datos por parte del usuario. Para algunos cálculos, el programa contiene bases de datos internas.

● La plataforma de trabajo ejecuta los cálculos en sistema internacional de unidades.

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12.3. VENTAJAS

● Contiene una plataforma de trabajo ágil para el ingreso de datos y visualización de la información.

● Presenta esquemas detallados para el entendimiento de cada tipo de perfil.

● Genera un reporte de verificación de cálculos, por medio del chequeo de cada uno de los estados de falla, el cual le permite evidenciar, si es el caso, porque condición no está cumpliendo el diseño.

12.4. RECOMENDACIONES

● Al ingresar datos en los módulos de cálculo, se debe tener especial cuidado con la unidad de medida definida para el parámetro.

● Cuando se quiera revisar perfiles laminados es necesario seleccionar primero la opción de perfil y posteriormente es necesario seleccionar la serie y el tipo de perfil para poder obtener sus propiedades y la correspondiente imagen de la sección transversal.

● Las celdas sombreadas en gris y con letra azul corresponde a los datos de entrada que serán el suministro para el cálculo en cada uno de los módulos.

● Se aclara que las revisiones que se realizan en cada módulo son independientes y no se vinculan entre sí.

12.5. TIPOS DE PERFILES DISPONIBLES EN LOS MÓDULOS DE REVISIÓN

Para los módulos de diseños, se cuentan con 13 tipos de perfil para columnas, vigas y riostras (IPN, IPB, IPBi, IPBv, IPE, W, HP, M, UPN Y C) y 2 tipos de conexiones pernadas (cortante, cortante y momento).

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Figura 9. Tipos de perfiles disponibles en los módulos de revisión. (Fuente: elaboración propia).

Figura 10. Tipos de perfiles disponibles en los módulos de revisión (continuación). (Fuente: elaboración propia).

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12.6. TIPOS DE CONEXIONES

El módulo de cálculo revisa los estados límite de resistencia para el tipo de conexión a momento de Placas Apernadas a las Alas y conexión simple a corte, a continuación, se presenta los esquemas de las conexiones que se pueden revisar en este módulo de cálculo.

Figura 11. Tipos de conexiones. (Fuente: elaboración propia).

12.7. FUNCIONES Y ESTRUCTURA DEL PROGRAMA

12.7.1. Módulo 1, Lista de chequeo.

La lista de chequeo consolida todos los requisitos a verificar en un diseño estructural de acuerdo a lo prescrito en la NSR-10 y sus decretos modificatorios (Anexo 1), con esta herramienta es posible controlar de forma ordenada si el diseño de la estructura cumple o no. Cada ítem de verificación tiene tres celdas de estado, “si cumple”, “no cumple” y “no aplica”, a medida que se desarrolla la revisión se va seleccionando el estado del ítem verificado, en caso de que no cumpla, se dispone de una celda de observaciones con el fin de redactar recomendaciones o notas que puedan servir de guía al diseñador para que el diseño se ajuste a lo requerido por la normatividad vigente y pueda ser aprobado.

A continuación, se profundiza en los componentes de la lista de chequeo desde dos puntos de vista, de forma y contenido:

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Figura 12. Partes de la lista de chequeo, división de secciones y capítulos. (Fuente: elaboración propia).

12.7.1.2. Forma:

● Sección 1, Item:

Esta sección se divide en 2 columnas, la primera corresponde al consecutivo de los criterios de revisión y la segunda la descripción del mismo. estas columnas no deben ser modificadas, ya que estos parámetros son los establecidos por normatividad vigente.

● Sección 2, Ref NSR 10:

Esta sección se compone de una columna en donde se da una referencia de la normatividad vigente que aplica para la revisión del ítem de análisis, en caso que se quiera profundizar o aclarar.

● Sección 3, Chequeo general:

Esta sección se divide en 3 columnas, “Si cumple”, “No cumple” y “No aplica”, la primera hace referencia al cumplimiento total de lo requerido en la normatividad vigente, la segunda columna indica el incumplimiento parcial o totalmente del ítem, puede ser por que se encuentre incompleta la información y deba ser ajustada o porque esta no se haya presentado, la tercera se dispone para los casos en que un criterio de revisión no aplique para el proyecto de análisis y que bajo los criterios del revisor no deba ser requerido.

En caso de todos los ítem tenga estado de chequeo si cumple o no aplica, indica que el proyecto cumple con todos los requerimientos y por lo tanto puede ser

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aprobado, en caso contrario se deben pasar observaciones al diseñador para que realice los respectivos ajustes.

● Sección 4, Observaciones:

Esta sección se compone de una única columna con el fin de que el revisor exprese sus recomendaciones u inquietudes sobre el ítem correspondiente.

12.7.1.3. Contenido:

● Capítulo 1, Requisitos generales de contenido:

Este capítulo se compone de cinco ítems los cuales hacen referencia al contenido mínimo del entregable del diseño estructural. PArticularmente se recomienda verificar que el memorial de responsabilidad esté vigente y esté acompañado del certificado de vigencia y antecedentes disciplinarios expedido por el COPNIA el cual también debe ir firmado, también chequear que los planos requeridos de elementos estructurales y no estructurales estén debidamente firmados. los ítem de especificaciones de construcción y cantidades totales quedan a criterio del revisor en cuanto a su completitud.

Figura 13. Capítulo 1 de la lista de chequeo. (Fuente: elaboración propia).

● Capítulo 2, Descripción de las memorias

Se compone de nueve ítems y todos son requisitos de estricto cumplimiento ya que corresponden al análisis sísmico de la estructura. Los ítems en lo que se debe prestar más atención son: la descripción del sistema estructural empleado y el correspondiente grado de disipación de energía dependiendo de la zona de amenaza sísmica del proyecto, el avalúo de cargas de forma detallada y clara teniendo en cuenta especialmente que se haya tomado los valores de carga mínimos referenciados en las tablas B.3 y B.4 de la NSR-10, que se haya utilizado un método de análisis estructural avalado y correspondiente con la geometría de la estructura y finalmente el chequeo del cumplimiento de los índices de deriva máximos permitidos.

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● Capítulo 3, Parámetros y procedimiento de diseño

Este capítulo se compone de 8 ítems que también son de estricto cumplimiento como el anterior capítulo ya que corresponde al diseño de los miembros, el ítem 3.3 se revisa con el módulo 2 del programa, el ítem 3.4 con el módulo 3, el ítem 3.8 con los módulos del 4 al 7 y los demás bajo las referencias indicadas en la sección 2.


● Capítulo 4, Detalles constructivos (Planos de construcción)

En este capítulo se proponen 14 ítems de revisión de contenido mínimo exigidos por la NSR 10 y sus decretos modificatorios, cuyo cumplimiento debe ser verificado por la interventoría, se aclara que en este capítulo es de mucha

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importancia el criterio del revisor ya que en esta etapa se debe plasmar en planos los resultados del diseño, de tal manera que estos sean construibles, entendibles y que estén coordinados con las demás disciplinas que intervienen en la construcción.


● Capítulo 5, Cantidades de obra

Este es el último capítulo de la metodología de revisión propuesta y está compuesto por 2 ítems, los cuales son los despieces y el cálculo del peso total de la estructura, que aunque no son parámetros que influyen en el buen comportamiento estructural, si tienen directa relaciòn con el ejecución del proyecto en cuanto a costos y fabricación.


12.7.2. Módulo 2, Espectro elástico de diseño.

En este módulo de cálculo se obtiene el espectro elástico de diseño a partir de los coeficientes sísmicos y coeficientes de sitio definidos para la localización del proyecto, según lo prescrito en el título A.2 de la NSR-10. Cabe señalar que permite calcular el espectro elástico para cualquier municipio de Colombia. En el caso de Bogotá, está programado para que realice el cálculo con base en lo

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requisitos de la microzonificación sísmica. Lo que se busca en este módulo es obtener la función del espectro y los valores de aceleración máxima, periodo largo, periodo corto y así poder realizar la verificación de los valores adoptados por el diseñador estructural.

Para obtener el espectro elástico de diseño, primero se selecciona en la lista desplegable que aparece a mano derecha de cada celda, el departamento, la ciudad, grupo de uso y tipo de perfil de suelo, a medida que se van ingresando datos de entrada, se van cargando automáticamente los parámetros necesarios y los resultados de forma gráfica

Para el caso de Bogotá, se debe seleccionar adicional a lo descrito anteriormente la zona sísmica del suelo que se encuentra prescrita en el decreto 523 del 16 de diciembre del 2010. Se debe tener en cuenta que en la celda de “Departamento” se debe seleccionar “Bogotá”, para que se habilite el cálculo con respecto a lo requerido en la microzonificación sísmica.

En cuanto a los resultados, la línea verde demarca los límites entre periodos largo y corto, cuyos valores se ven reflejados en la parte superior de la gráfica, el primer punto de inflexión demarca la aceleración máxima de diseño.

12.7.3. Módulo 3, Irregularidades.

Este módulo tiene como fin obtener el coeficiente de capacidad de disipación de energía R y el coeficiente de sobrerresistencia Ω para la estructura, teniendo en cuenta los factores de reducción por irregularidades en planta, en altura, por ausencia de redundancia y por el uso de uniones soldadas en obra.

Para iniciar el chequeo se debe definir el sistema estructural con su correspondiente grado de disipación de energía, se debe asignar si existe ausencia de redundancia; esta evaluación la debe realizar el diseñador estructural de acuerdo a los requisitos establecidos en A.3.3.8 de la NSR-10; se debe establecer si las uniones soldadas se realizarán en obra o en taller y esta especificación debe corresponder con las notas y especificaciones de los planos y memorias del proyecto estructural, se debe ingresar el R de diseño adoptado por el diseñador estructural al igual que el coeficiente de sobrerresistencia, posteriormente se procede a realizar la evaluación geométrica de la estructura, para esto se debe insertar manualmente las dimensiones de la estructura con respecto a las ilustraciones que se detallan en la figura A.3.1 y A.3.2 del título A.3 de la NSR-10.

El resultado obtenido corresponde a una verificación del cumplimiento con respecto a la comparación del R adoptado por el diseñador y el que se calcula con el módulo de cálculo, se verifica entonces que el valor de R adoptado por el diseñador no debe ser mayor en ningún caso al valor de coeficiente de disipación

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de energía y coeficiente de sobrerresistencia obtenido con el módulo de cálculo. Si cumple, es decir, el R adoptado es menor o igual al R calculado, se procede a seguir con la verificación, si por el contrario el resultado es que no cumple, se debe dejar la observación en el ítem correspondiente de la lista de chequeo y el diseñador deberá ajustar todo el proyecto ya que al tener que disminuir el R, LA fuerza sísmica cambiará y por ende los esfuerzos de diseño de los elementos.

12.7.4. Módulo 4, Columnas.

Este módulo verifica los estados límite (Pandeo local, Ductilidad, Pandeo lateral, Esfuerzo crítico de pandeo, Flexo compresión y cortante), de los miembros sometidos a compresión axial, flexocompresión y cortante. Los datos de entrada corresponden a los resultados de esfuerzos de diseño obtenidos del análisis estructural, verificando que se haya seguido el procedimiento de diseño citado en el marco normativo y teórico de este proyecto.

Para iniciar con el cálculo se debe seleccionar el tipo de perfil, la serie y la sección correspondiente al miembro de análisis, posteriormente se debe seleccionar el grado de disipación de energía requerido para el sistema estructural, el esfuerzo de fluencia del miembro y por último se ingresan los esfuerzos de diseño; carga vertical “Pu”, momentos en los extremos alrededor de cada eje principal, el cortante de piso “H”, y cortante propio del miembro en cada eje principal “Vux, Vuy”, la longitud libre no arriostrada Lb del miembro y para la revisión de cortante específicamente, la disposición de rigidizadores y la separación de los mismos.

Cada uno de los estados límite que se van a verificar tienen unos requisitos mínimos de cumplimiento establecidos en la NSR-10 y que pueden ser consultados en el capítulo “Síntesis Del Marco Normativo Vigente Sobre El Diseño Estructural Con Alcance A Lo Prescrito En Este Proyecto” del presente documento. Estos parámetros se encuentran incluidos en la programación interna de los cálculos del módulo y los resultados que arroja (Cumple o No cumple) corresponde a la comparación entre el esfuerzo de diseño obtenido para el miembro en el análisis estructural realizado por el diseñador, que deben estar incluidas en las memorias de cálculo y el valor mínimo calculado en función de los criterios de la norma, si todas las revisiones cumplen indican que el elemento está bien diseñado , de lo contrario, se debe dejar la observación en el ítem correspondiente de la lista de chequeo. A continuación, se dan algunas recomendaciones para citar en las observaciones de la lista de chequeo, según el estado límite que no cumpla:

● Pandeo local: Se debe disponer de un perfil que tenga mayor relación ancho/espesor en los elementos que componen el miembro

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● Ductilidad: Se debe disponer de un perfil que tenga mayor relación ancho/espesor en los elementos que componen el miembro

● Pandeo lateral: Se debe disminuir la longitud del elemento suministrando arriostramiento o se puede aumentar el radio de giro del miembro seleccionando un perfil de mayor dimensión.

● Esfuerzo crítico de pandeo: Se debe disminuir la esbeltez del miembro aplicando las recomendaciones descritas en el ítem anterior.

● Flexo compresión: Se seleccionar un perfil con mayores especificaciones que provean en el elemento un mayor momento de plastificación.

● Cortante: En este caso existe dos opciones, la primera es cambiar el tipo de perfil a uno que preste mayor área bruta en el alma, o la otra opción es suministrar rigidizadores ajustando la separación de acuerdo a la resistencia a cortante requerida.

12.7.5. Módulo 5, Vigas.

Este módulo verifica los estados límite y requerimientos normativos (Pandeo local, Ductilidad, Dimensionamiento, Plastificación, Pandeo lateral torsional y cortante), de los miembros sometidos a flexión simple y cortante. Los datos de entrada corresponden a los resultados de esfuerzos de diseño obtenidos del análisis estructural, verificando que se haya seguido el procedimiento de diseño citado en el marco normativo y teórico de este proyecto.

Para iniciar con el cálculo se debe seleccionar el tipo de perfil, la serie y la sección correspondiente al miembro de análisis, posteriormente se debe seleccionar el grado de disipación de energía requerido para el sistema estructural, el esfuerzo de fluencia del miembro y por último se ingresan los esfuerzos de diseño; carga “Pu”, momentos en los extremos alrededor de cada eje principal, Momento último, y cortante último, la longitud libre no arriostrada Lb del miembro y para la revisión de cortante específicamente, la disposición de rigidizadores y la separación de los mismos, también se debe chequear el Estado límite de rotura por tensión de la aleta a tensión para lo cual es necesario ingresar datos de perforaciones en la aleta.

Cada uno de los estados límite que se van a verificar tienen unos requisitos mínimos de cumplimiento establecidos en la NSR-10 y que pueden ser consultados en el capítulo “Síntesis Del Marco Normativo Vigente Sobre El Diseño Estructural Con Alcance A Lo Prescrito En Este Proyecto” del presente documento. Estos parámetros se encuentran incluidos en la programación interna de los cálculos del módulo y los resultados que arroja (Cumple o No cumple) corresponde a la comparación entre el esfuerzo de diseño obtenido para el

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miembro en el análisis estructural realizado por el diseñador, que deben estar incluidas en las memorias de cálculo y el valor mínimo calculado en función de los criterios de la norma, si todas las revisiones cumplen indican que el elemento está bien diseñado , de lo contrario, se debe dejar la observación en el ítem correspondiente de la lista de chequeo. A continuación, se dan algunas recomendaciones para citar en las observaciones de la lista de chequeo, según el estado límite que no cumpla:

● Pandeo local: Se recomienda disponer de un perfil que tenga mayor relación ancho/espesor en los elementos que componen el miembro

● Ductilidad: Se recomienda disponer de un perfil que tenga mayor relación ancho/espesor en los elementos que componen el miembro

● Dimensionamiento: se recomienda minimizar el número y diámetro de la aleta a tracción y si esto no es posible, se debe cambiar la sección a una que preste mayor ancho y espesor de aleta y un mayor momento de inercia.

● Plastificación y pandeo lateral torsional: Para la plastificación como estado límite de flexión, se recomienda se debe seleccionar un elemento de mayores especificaciones que preste un mayor módulo plástico de sección (Zx), si no cumple por Pandeo flexo torsional en rango inelástico, se debe suministrar arriostramiento de tipo torsional al miembro.

● Cortante: En este caso existe dos opciones, la primera es cambiar el tipo de perfil a uno que preste mayor área bruta en el alma, o la otra opción es suministrar rigidizadores ajustando la separación de acuerdo a la resistencia a cortante requerida.

12.7.6. Módulo 6, Riostras.

Este módulo verifica las condiciones de resistencia y rigidez de los diferentes tipos de arriostramiento prescritos en la NSR-10, específicamente en F.2.20. Para iniciar con el cálculo se debe seleccionar el tipo de perfil para riostra, la serie y la sección correspondiente al miembro de análisis y se debe escoger el miembro arriostrado, se debe establecer también que tipo de elemento es el miembro arriostrado; columna o viga, y de acuerdo a lo especificado en F.2.20, seleccionar el tipo de arriostramiento (columnas: relativo, nodal, vigas: Lateral-Relativo, Lateral-Nodal ,Torsional-Nodal o Torsional-Continuo,) según el miembro arriostrado; para profundizar en este tema se recomienda consultar en el capítulo “Síntesis Del Marco Normativo Vigente Sobre El Diseño Estructural Con Alcance A Lo Prescrito En Este Proyecto” del presente documento. Posteriormente se debe seleccionar el grado de disipación de energía requerido para el sistema estructural, el esfuerzo de fluencia del miembro y por último se ingresan los

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esfuerzos de diseño, a continuación, se describen los datos a ingresar dependiendo del miembro arriostrado y del tipo de arriostramiento.

Tabla 15. Descripción de los datos a ingresar dependiendo del miembro arriostrado y del tipo de arriostramiento.

Miembro arriostrado

Tipo de arriostramiento

Pu del miembro arriostrado

Mu del miembro arriostrado

Mu de la riostra

Lb entre riostras

L de la riostra

n Hay rigidizadores?

Columna

Relativo si N/A N/A si si N/A N/A

Nodal si N/A N/A si Si

N/A N/A

Viga Lateral-Relativo N/A si N/A si si N/A N/A

Lateral-Nodal N/A si N/A si si N/A N/A

Torsional-Nodal N/A N/A si si si si Si

Torsional-Continuo

N/A N/A si si si si Si

(Fuente: elaboración propia).

Este módulo chequea que la riostra cumpla con los requisitos de resistencia axial y rigidez establecidos para el tipo de arriostramiento. Existe una celda de verificación donde se evalúan estos dos parámetros, si uno de los dos no cumple es necesario aumentar la rigidez de la riostra adoptando un perfil de arriostramiento de mayores especificaciones o aumentando el espesor del miembro de tal manera que se llegue al parámetro de resistencia y rigidez. Adicional a esto, según requerimientos sísmicos establecidos en el capítulo F.3 de la NSR-10, se debe cumplir con un espaciamiento máximo entre riostras establecido según el grado de disipación de energía del sistema de resistencia sísmica y la longitud libre no arriostrada máxima permitida para el miembro. Al final el módulo de cálculo verifica que se cumplan las tres condiciones, de resistencia, rigidez y espaciamiento para definir que el elemento cumple o no con las especificaciones de diseño estructural.

12.7.7. Módulo 7, Conexiones.

Con este módulo es posible verificar los estados límites de resistencia de las conexiones a momento tipo aplastamiento de placas apernadas a las alas, entre los cuales se encuentra, para la unión alma patín, cortante en los pernos, Fluencia por cortante, Rotura por cortante, aplastamiento y desgarramiento del elemento, desgarramiento en bloque y finalmente se verifica la resistencia de la soldadura de

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los elementos que componen la unión en el caso que aplique este tipo de medio. Asimismo, en la unión de la placa apernada al ala, se realizan las mismas verificaciones descritas anteriormente, pero verificando los esfuerzos que se generan en la conexión por el efecto del momento.

Para iniciar con el cálculo se debe seleccionar el tipo de perfil para la columna con su respectiva serie y sección trasversal, al igual que se debe hacer con la viga, posteriormente se debe seleccionar el grado de disipación de energía requerido para el sistema estructural, el esfuerzo de fluencia correspondiente a los miembros que componen la unión (Columna, viga, platinas y pernos) y por último se ingresan los esfuerzos de diseño; el cortante de la conexión para la revisión de la unión alma de viga a patín de columna, y el momento último para la revisión de las placas apernadas a las alas; y algunas características geométricas de la conexión planteada como por ejemplo, número de pernos, número de filas de pernos, el diámetro de los pernos, la longitud y espesor de la platina y las distancias al borde especificadas.

En cuanto a los esfuerzos de diseño se aclara que la NSR-10 exige se diseñe la conexión para que desarrolle una resistencia nominal a la flexión mínima relacionada con el momento de plastificación de los elementos que une según la capacidad de disipación de energía de la estructura, por lo tanto, los esfuerzos de diseño no solamente son las cargas del nodo provenientes del análisis estructural si no que se debe calcular el cortante y momento mínimo de diseño exigido, para esto el módulo dispone en la celda contigua a la celda de ingreso del valor de carga, con un mensaje de alerta en el que se informa si el cortante de diseño cumple o no con el requisito especificado y se da un valor de referencia mínimo de acuerdo a los requerimientos de los tipos de perfiles a unir. También se debe ingresar un avalúo general de cargas de diseño el cual corresponde a los valores de carga adoptados para el cálculo de la súper estructura.

Para que la conexión sea aceptable debe cumplir con todas las revisiones de los estados límite planteados, de lo contrario, se debe dejar la observación en el ítem correspondiente de la lista de chequeo. A continuación, se dan algunas recomendaciones para citar en las observaciones de la lista de chequeo, según el estado límite que no cumpla:

● Resistencia de pernos: Se recomienda aumentar el número de pernos o aumentar el diámetro o aumentar la resistencia.

● Fluencia por cortante: Se recomienda ajustar el ancho de la platina con el fin de aumentar el área bruta y así aumentar la resistencia a la fluencia.

● Rotura por cortante: Se recomienda ajustar el ancho de la platina con el fin de aumentar el área neta y así aumentar la resistencia a la fluencia, también

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se podría disminuir el diámetro de los pernos aumentando la cantidad para que el área neta efectiva sea mayor.

● Aplastamiento y desgarramiento: Se recomienda ajustar el espesor de las platinas de unión y aumentar la distancia al borde Lc, que influye directamente en la longitud total de la placa.

● Desgarramiento en bloque: Se recomienda aumentar los espesores de platina y aumentar la longitud de la unión con el fin de que las áreas netas y brutas a corte y tracción sean mayores.

● Resistencia de la soldadura (tipo filete): Se recomienda ajustar los espesores de soldadura o se podría aumentar la resistencia de la misma, aunque en ocasiones no es conveniente jugar con este parámetro por la poca disponibilidad en el mercado de soldaduras de alta resistencia.

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13. CONCLUSIONES

● La metodología de revisión planteada corresponde a un programa en Excel, dividido en 8 módulos, en los que se revisa todos los requisitos y estados límites de acuerdo a lo prescrito en la NSR 10 y sus decretos modificatorios.

● La metodología de revisión planteada tiene como alcance la revisión son los elementos principales de resistencia sísmica, columnas, vigas y conexiones de tipo simple a corte y a momento, adicionalmente se programa los módulo de revisión de riostras y del análisis sísmico de la estructura.

● Mediante la metodología de revisión planteada se logró establecer los estados límite a revisar de cada uno de los miembros principales de las estructuras de pórticos resistentes a momentos con perfiles laminados sección I y tubulares, los cuales se presentan a continuación:

○ Elementos sometidos a compresión y flexo compresión: Pandeo local, Ductilidad, Pandeo lateral, Esfuerzo crítico de pandeo, Flexo compresión, Cortante.

○ Elementos sometidos a flexión simple: Pandeo local, Ductilidad, Dimensionamiento, Plastificación y pandeo lateral torsional, Cortante.

○ Riostras: fuerza axial y rigidez

○ Conexiones: Resistencia al corte de pernos, Fluencia por cortante, Rotura por cortante, Aplastamiento y desgarramiento, Desgarramiento en bloque, Resistencia de la soldadura.

● El desarrollo del procedimiento de diseño definido en el título A.1.3.1 de la NSR-10 es fundamental para establecer los esfuerzos últimos de diseño, se debe prestar especial cuidado en el valor de coeficiente de disipación de energía “R” adoptado para el diseño según las irregularidades presentes en la estructura, este coeficiente determina la magnitud de reducción de la fuerza sísmica, en caso de que tome un valor mayor de “R” se obtendrán esfuerzos en los miembros menores para los que se debe diseñar, por el contrario, si se toma un valor muy pequeño de “R”, los miembros quedarán sobre diseñados.

● Cada uno de los puntos de revisión establecidos en la metodología son requisitos mínimos de estricto cumplimiento para la aceptación y firma del proyecto como lo establece la NSR-10 y sus decretos complementarios y modificatorios, sin embargo, también es válida la aplicación del criterio propio del revisor siempre y cuando se garantice cumplimiento a lo anteriormente descrito.

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● Cuando un miembro no cumple por pandeo local se debe a que alguno de sus elementos no cumple con los requisitos de esbeltez, para lo que se recomienda que el diseñador disponga de un miembro que esté conformado por elementos con mayor relación ancho espesor.

● La ductilidad de los miembros es un parámetro de revisión con el que se garantiza que los elementos alcancen deformaciones inelásticas bajo el sismo de diseño, por lo que es un criterio fundamental de aceptación que tiene incidencia directa en el dimensionamiento de la estructura. si algún miembro no cumple con este criterio, se recomienda que el diseñador disponga de un miembro que esté conformado por elementos con mayor relación ancho espesor.

● Cuando un miembro no cumple por pandeo lateral se debe a que la longitud libre no arriostrada es muy alta o el radio de giro es muy pequeño, se debe recomendar al diseñador, por lo tanto, arriostrar elemento o seleccionar un perfil que preste mayor radio de giro.

● Cuando un elemento no cumple por cortante, teniendo en cuenta la idealización de la norma en donde se asume que el cortante es resistido por el alma de los miembros, se debe recomendar al diseñador que adopte perfiles de dimensiones mayores que presten mayor área bruta en el alma o que disponga de rigidizadores, ajustando la separación de acuerdo a la resistencia requerida a corte.

● La norma NSR-10 permite que el índice de longitud efectiva, k, sea igual a 1 para todos los miembros cuando se realiza el diseño por medio del análisis de primer orden.

● La normatividad de construcción colombiana especifica como requisito para el diseño de estructuras, realizar análisis de segundo orden para cualquier método de diseño que se utilice, es por lo tanto, obligación del diseñador suministrar esta información dentro de las memorias de cálculo del proyecto.

● Se debe tener en cuenta en la revisión de diseños estructurales, que es requisito que las conexiones planteadas para el sistema estructural sean conexiones validadas por medio de ensayos de precalificación según los prescrito en F.3.5 y F.3.11 de la NSR-10 y de forma correspondiente con el grado de disipación de energía del sistema estructural, se aclara que esta metodología de revisión sólo se lìmita al estudio de los estados límite de resistencia de la conexión pero se recomienda tenerlo en cuenta y que se profundice en este aspecto en proyectos futuros.

● Ésta metodología de revisión permite la validación de los resultados de diseño según lo exigido en la resolución 0017 de 2017, en donde se

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especifica que, “cuando se utilicen programas de computador que realizan el análisis estructural y luego con estos resultados, directa y automáticamente, realiza el diseño de los miembros estructurales, los resultados obtenidos deben ser validados”, y está en potestad del Revisor estructural exigir esta comprobación.

● Con este trabajo se impulsa a próximas generaciones, a profundizar en el aprendizaje del diseño y revisión de estructuras metálicas con el fin de crear herramientas adicionales y complementarias, que incentiven el uso del acero estructural en proyectos de ingeniería.

● Esta metodología de revisión se puede tomar como una herramienta que permite agilizar algunos procedimientos extensos y tediosos en el cálculo para la revisión de los miembros que conforman una estructura de acero.

● En el estudio del estado del arte se encontró que hasta ahora se está implementando la enseñanza de estructuras metálicas a nivel de pregrado en las universidades de Colombia, por lo que hay pocos proyectos de grado sobre el tema.

● Las ecuaciones y procedimientos de este programa están hechos bajo los criterios de la NSR 10 y sus decretos modificatorios, por lo anterior, este programa puede ser usado para el predimensionamiento de miembros.

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14. BIBLIOGRAFÍA

5. ACUÑA, Juan Francisco y SOTELO, Harold Andre. Software libre para el diseño de conexiones metálicas de acuerdo con la NSR-10. Trabajo de grado Ingeniería Civil. Bogotá D.C.: Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. Departamento de ingeniería civil. 2014. 146 p.




1. FRANCO, Daniel. Ejemplo de diseño de un edificio de acero.Trabajo de grado ingeniería civil. Bogotá D. C.: Universidad de los Andes. Departamento de ingeniería y ambiente, 2012, 61 p.



2. MANTILLA, Sergio Enrique. Seguridad industrial en construcción de estructuras metálicas: buenas prácticas. Trabajo de grado ingeniería civil. Bogotá D. C.: Universidad de los Andes. Departamento de ingeniería y ambiente, 2010, 101 p.

4. PIAMBA, Luis eduardo y ZARATE. Jhojan Edgardo. Prevención de la corrosión en el acero por medio de protección catódica. Trabajo de grado ingeniería civil. Bogotá D. C.: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad Tecnológica, 2011.

3. RIVERA, Luis Carlos. Vulnerabilidad sísmica de estructuras de construcción progresiva. Trabajo de grado Magister en estructuras. Bogotá D. C.:Universidad Nacional de Colombia. Facultad de ingeniería. Departamento de ingeniería civil y agrícola, 2017. 296 p.

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15. ANEXOS

propuesta metodolÓgica para la ejecuciÓn de la

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