Capitulo i Introduccion Al Diseño en Acero 2015

DISEÑO EN ACERO Y MADERA

Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24

CAPITULO IINTRODUCCION AL DISEÑO EN

ACERO

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DISEÑO ESTRUCTURAL El diseño estructural es un proceso que se realiza a partir

de un adecuado balance entre las funciones propias queun material puede cumplir, a partir de sus característicasnaturales específicas, sus capacidades mecánicas y elmenor costo que puede conseguirse. El costo dela estructura siempre debe ser el menor, pero obteniendoel mejor resultado a partir de un análisis estructuralprevio.

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ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

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Alicorp, Lima10000 m2

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Alicorp, Limaen construcción

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Alicorp, Limaen construcción

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Sandoval, Lima14000 m2

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Tele2000, Limatorre de antena

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Puente peatonal, Piura109 m, tendido de cables

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Puente peatonal, Piuracolocación de plataforma

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Puente peatonal, Piuradetalles de los cablesHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le

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Puente peatonal, Piura109 m de luz

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Puente peatonal, Piuradetalle de anclaje

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Puente peatonal, Piurapiezas de conexión de cables

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Puente peatonal, Piuramás detalles Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le

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Puente peatonal, Piuraplataforma, detalles

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EL ACERO, SU OBTENCION Y MATERIA PRIMA

El acero : Metal que resulta de la mezcla de hierro y menos del1.76% de carbono

El hierro : Metal tenaz , dúctil y maleable, que funde a 1535 °C,es de color grisáceo y negruzco.Metal más importante del mundo ya que es la materiaprima para la fabricación del acero.

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El descubrimiento del hierro es el acontecimiento que marcó el punto departida de la civilización actual.

Obtencióndel hierro

Etapa artesanal

Aplicación de calor a altas temperaturas

Hornos primitivos (hierro dulce)

Etapa de fundición

Altos hornos (hierro impuro o arrabio)

Segundo procesoafinación

ACEROHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24

BREVE SEMBLANZA DE LA INDUSTRIA SIDERURGICA

Henry Cort 1747 Pudelado: técnica fatigosa y de bajo rendimiento

Henry Bessemer segunda mitad XIX Producción de acero a granescala a precios competitivos

Siemens-Martin 1864 Empleo de chatarra de acero

Gillchrist Thomas 1876 Revestimientos refractarios básicos

Horno de arco fines siglo XIX Gran capacidad de produccióneléctricoOxiconvertidores 1953 Adelanto más notable en la

tecnología siderúrgica

La tendencia a nivel mundial busca mejorar los procesos tecnológicos y eficientar lossistemas de recolección de chatarra con el fin de reciclarla

Tasa de reuso del acero (25 al 100% reciclado)EconómicoMenor contaminación

Menor utilización de recursos naturalesHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24

DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACIONEl diagrama esfuerzo-deformación ofrece información necesaria para entender como secomporta el acero ante una condición de carga determinada.

Diagrama esfuerzo-deformación característico de un acero estructural conHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24

El diagrama esfuerzo-deformación nos permite identificar elesfuerzo de fluencia, que es el para el proyectista la propiedaddel acero más importante en la etapa de diseño de estructuras.

El análisis que resulta de dicha gráfica nos permite predecir elcomportamiento del acero y por tanto, forma parte del conjuntode factores que nos conducen a la elección del material idóneopara cada situación.

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ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS

Propiedadesdel acero

Composiciónquímica

Variación en el contenido de carbono

Adición de otros elementosSi, Ni, Mn, Cu

Acero aleado

PropiedadesEstructurales•Soldabilidad•Resistencia•Dureza•Ductilidad

Tratamientos térmicos

Templado

Revenido

Endurecimiento del metal de maneraprofunda obtenido al calentarlo y enfriarlorápidamente al sumergirlo en un líquido frío

Calentamiento del metal a temperaturaselevadas prolongando su enfriamiento paraque al efectuarse lentamente no engendretensiones internas.

Procesos mecánicos

Proceso de laminado

Estiramiento térmicoHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le

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GRADOS Y TIPOS DE ACEROS ESTRUCTURALES

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F (kg/cm2)

7000

2500

3500

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

A572

A242

A36

A36 Para propósitos generales en estructuras: edificaciones soldadas o empernadas.

A242 Para puentes empernados o soldados, resistente a la oxidación.

A572 Para perfiles estructurales, planchas, y barras para edificaciones empernadas o soldadas; puentes soldados sólo en los Grados 42 y 50.

ACEROSESTRUCTURALES

ASTM

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RESISTENCIA ALA CORROSIÓN

DEL ACERO

A

B

C

t (años)

Porcentajede Pérdidade Espesor

10

8

6

4

2

2 106 84

A: Acero estructural al CarbonoB: Acero estructural al Carbono mas cobreC: Acero Aleado ( Cr-Si-Cu-P )

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Aceros de ultraresistencia

Son aquellos que tienen altos niveles de esfuerzo de fluencia, su uso serecomienda en elementos sujetos a tensión.

Cuanto mayor sea el límite de fluencia mayor será el precio del acero.

Con el objeto de obtener ahorros en la construcción se recomienda unaconstrucción híbrida, que supone una combinación de aceros de ultraresistenciay aceros de resistencia media.

Factores que pueden conducir al uso de aceros de alta resistencia:

Alta resistencia a la corrosión

Ahorros en los costos de montaje, transporte y cimentaciones

Reducción de las alturas de entrepisos

Ahorro en la protección contra fuegoHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le

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¿EN QUE TIPOS DE ESTRUCTURAS

PODEMOS USAR EL ACERO?

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Estructuras Metalicas de mayor usoa) Campamentos

Fuente: Precor

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b) Edificios & Viviendas

Fuente: Precor

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c) Galpones

Fuente: Precor

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d) Centros Comerciales

Fuente: Precor

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Viviendas con sistemade muros con entramadode perfiles plegados

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Campamento con sistemade muros con entramado

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Tijerales con sistemareticulado

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ESTRUCTURASPARA PROCESOS

INDUSTRIALES

SILO

SILO

COLUMNA

ESTRUCTURAS DE ACERO

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ESTRUCTURASPARA TELE-

COMUNICACIONESTORRES PARA ANTENAS

CUADRADA 100m CUADRADA 60m TRIANGULAR 15m

ESTRUCTURAS DE ACERO

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ESTRUCTURASPARA LÍNEAS

DE TRASMISIÓN

ESTRUCTURAS DE ACERO

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ESTRUCTURA ESPACIAL

CUBIERTAS

ANILLOCENTRAL

ARCOS450

150

PLs

DIÁMETRO 105mPESO EST. METÁLICA = 13 Kg/m2

450

150

2Ls

2Ls

ESTRUCTURAS DE ACERO

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CUBIERTAS

PÓRTICOS DEALMA LLENA

SISTEMA DEARRIOSTRAMIENTO

ESTRUCTURAS DE ACERO

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CUBIERTASPÓRTICOS DEALMA LLENA

PÓRTICOSDE CELOSÍA

USA PERÚ

yy

ESTRUCTURAS DE ACERO

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CUBIERTAS

ARMADURAS DE GRAN LUZ

L=60m h=6m

SECCIÓN:BRIDASUPERIOR

SECCIÓN:BRIDAINFERIOR

ESTRUCTURAS DE ACERO

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EDIFICIOS

PÓRTICOS ARRIOSTRADOS

PÓRTICOS TUBULARES

ESTRUCTURAS DE ACERO

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PUENTES PEATONALES

PUENTEPEATONAL

L=36m

ESTRUCTURAS DE ACERO

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VENTAJASEl acero estructural, a pesar de su elevado costo, es el material ideal paraconstrucción, especialmente para estructuras ubicadas en zonas sísmicas, por lasventajas que a continuación se indican:

Material homogéneo

Ductilidad: Propiedad para soportar grandes deformaciones sin fallar alsometerse a grandes esfuerzos de tensión. Sus grandes deflexiones ofrecenevidencia visible de la inminente falla.Tenacidad: Posee resistencia y ductilidad. Es la propiedad que le permiteabsorber energía en grandes cantidades sin fracturarse.Resistencia a la fatiga: Esta propiedad le permite soportar muchos ciclos de carga y descarga, o bien, de tensión o compresión.Durabilidad: Con un mantenimiento adecuado su vida útil puede prolongarsecasi indefinidamente.Soldabilidad: Esta propiedad le permite ser unido a otro elemento de sumisma especie lo cual representa una gran ventaja como material deconstrucción.

Alta resistencia: Gran relación de resistencia y rigidez por unidad devolumen.

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PesoLa estructura metálica pesa considerablemente menos que una estructura deconcreto para la misma geometría y cargas.

Propiedad muy útil en la construcción de edificios muy altos con malascondiciones para su cimentación.

Fuerzas sísmicas proporcionalmente menores

La fuerzas sísmicas que actúan en la estructura de un edificio se determinanmultiplicando la masa por su aceleración de respuesta. Mientras más pequeñasea la masa del inmueble (carga muerta) menor será la vulnerabilidad al dañopor sismos.

Versatilidad arquitectónica

Mayores espacios rentables

Flexibilidad en el diseño

Características estéticas especiales Gran eficiencia constructiva

Gran parte del proceso se lleva a cabo en el taller de fabricación y unporcentaje menor del trabajo directamente en campo.Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le

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Ampliación de estructuras existentes

Economía en los acabados

Los peraltes de vigas, trabes y armaduras de los marcos rígidos sonmenores que en una estructura de concreto, logrando con esto un ahorro enrevestimiento de muros, fachadas y acabados en general.

Rapidez constructiva

Mientras en el lugar de la obra se está construyendo la cimentación, almismo tiempo en el taller se fabrica la estructura.

Se minimiza la influencia de las condiciones metereológicas en la calidad dela construcción debido al trabajo de prefabricado hecho en planta bajo unambiente controlado.

Propiedades diversas

Facilidad de ensamble a través de varios tipos de conexiones.

Capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas.

Una estructura de acero puede adaptarse con relativa facilidad a los cambiosarquitectónicos, modificación de pisos, ampliaciones, reforzamientos, etc.

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DESVENTAJAS

Costo de la estructuraUna estructura metálica requiere además del acero estructural otrosmateriales o insumos complementarios como soldadura, tornillería y pintura.En México la mano de obra es barata y el material es caro.La diferencia de costo entre las diferentes calidades de acero estructural sonsignificativas.

Costo de mantenimientoLa mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión por lo quedeben pintarse periodicamente. Se requiere proteger la estructura durante elproceso de construcción.

Costo de la protección contra fuegoLa protección de estructuras de acero contra fuego es cara y en ocasionespuede representar hasta un 5% del costo de la fabricación de la estructura.

VibraciónEste aspecto es parte de un buen diseño sin embargo, además de satisfacer lascondiciones de seguridad se necesita cumplir con requisitos de servicio,funcionamiento y confort.Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le

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TIPOS DE PERFILES ESTRUCTURALES

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PERFILES SOLDADOS

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METODOS DE DISEÑO

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En un principio, las estructuras se diseñaron empleando esfuerzospermisibles o de trabajo, que limitaban el esfuerzo normal o tangencialde una pieza o una fracción del esfuerzo de fluencia del material, razónpor la cual se le denomina comúnmente "diseño elástico" aunque esmás correcto el termino: "diseño por esfuerzos permisibles o detrabajo".Cabe señalar que si se aprovecha la resistencia del material más allá desu punto de fluencia (como es el caso del acero) y se defina el esfuerzopermisible en función del esfuerzo de falla se estará diseñandoplásticamente, por lo cual es impropio el término de diseño elástico.

El método LRFD y la norma NTE-E.090 siguen este criterio para eldiseño por estados límites de falla; es decir, el diseño para elementosmecánicos y/o esfuerzos que aseguran la resistencia mecánica delelemento estructural ante el colapso.Mientras que el diseño por estado límite de servicio incluye la revisiónpor deflexiones, vibraciones y demás efectos en las estructuras paraque no afecten su buen funcionamiento

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LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR EL MÉTODO ASD SE BASA:

Fa fa

Fa : ESFUERZO ADMISIBLE

fa : ESFUERZO APLICADO

SE APLICAN

COMBINACIÓN DE CARGAS:• CARGAS DE GRAVEDAD = D + L• CARGAS DE GRAVEDAD CON VIENTO O SISMO =

0.75 (D + L + W o E)

AISC 89

CARGAS DE SERVICIOCARGAS DE SERVICIO

ESTRUCTURAS DE ACERO

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LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR EL MÉTODO LRFD SE BASA:

Rn Qi

Rn : RESISTENCIA DE DISEÑORn : RESISTENCIA NOMINAL : FACTOR DE RESISTENCIA

Qi : CARGAS FACTORIZADASQi : CARGAS APLICADAS : FACTOR DE MAYORACIÓN DE CARGAS

AISC 93

ESTRUCTURAS DE ACERO

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Valor de Elemento0.90 Sección total en tracción0.90 Sección en flexión0.85 Sección en compresión axial0.75 Sección neta de conexión en tracción

FACTORES DE RESISTENCIA

MENOR QUE LA UNIDAD, DEPENDEN DEL CONOCIMIENTO QUE SE TENGA DEL COMPORTAMIENTO DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL

ESTRUCTURAS DE ACERO

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FórmulaAISC-LRFD

Combinación de Carga Máxima posibilidad de cargaen la vida útil de 50 años

(A4.1)(A4.2)(A4.3)(A4.4)(A4.5)(A4.6)

1.4 D1.2 D + 1.6 L + 0.5 ( S ó Lr ó R )1.2 D + 1.6 ( Lr ó S ó R ) + ( 0.8 W ó 0.5 L )1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 ( Lr ó S ó R )1.2 D + 1.5 E + ( 0.5 L ó 0.2 S )0.9 D - ( 1.3 W ó 1.5 E )

Carga muerta D durante la construcciónCarga viva LCarga en el techoCarga de viento W más carga muertaCarga de sismo más carga muertaW ó E opuesta a la carga muerta

FACTORES DE CARGA

D : Carga muertaL : Carga viva interiorLr : Carga viva sobre el techo

S : Carga de nieveE : Carga debida a sismoW : Carga debida al vientoR : Lluvia retenida

Qi

ESTRUCTURAS DE ACERO

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0

50

100

150

200

250

300

350

400

A4.1 A4.2 A4.3a A4.3b A4.4 A4.5a A4.5b A4.6a A4.6b

EJEMPLO:Carga Factorizada axial en la columna de un edificio sobre la que actúan las siguientes cargas de servicio:D = 100 t, L = 150 t, Lr =30 t, W = 60 t, E = 50 t

P

P

375 t

ESTRUCTURAS DE ACERO

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