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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINITERIO DE EDUCACION SUPERIOR
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE CIVIL
DISEÑO DE UN MANUAL DE DETALLES TÍPICOS DE UNIONES
DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ACERO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO REQUISITO PARA OPTAR
AL TITULO DE INGENIERO CIVIL
REALIZADO POR: Br. Bahsas Bahsas, Nidal Yamel
C.I.- 18.122.324
Br. Salazar Araujo, Fernando Enrique
C.I.- 17.951.738
TUTOR: TUTOR INDUSTRIAL: Ing. Medina, Jesús Ing. Urdaneta, Fernando
MARACAIBO, DICIEMBRE DE 2.007
DERECHOS RESERVADOS
DISEÑO DE UN MANUAL DE DETALLES TÍPICOS DE UNIONES
DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ACERO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO REQUISITO PARA OPTAR
AL TITULO DE INGENIERO CIVIL
REALIZADO POR: Br. Bahsas Bahsas, Nidal Yamel
C.I.- 18.122.324
Br. Salazar Araujo, Fernando Enrique
C.I.- 17.951.738
TUTOR: TUTOR INDUSTRIAL:
Ing. Medina, Jesús Ing. Urdaneta, Fernando
MARACAIBO, DICIEMBRE DE 2.007
DERECHOS RESERVADOS
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado “DISEÑO DE UN MANUAL DE DETALLES TÍPICOS DE UNIONES DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ACERO“, presentado por los bachilleres: Bahsas
Bahsas, Nidal Yamel y Salazar Araujo, Fernando Enrique.
Maracaibo, Diciembre de 2.007
Jurado Examinador
_______________________
Ing. Gutiérrez,, Gerardo
Jurado Examinador
_______________________
Ing. Orozco, Xiomara
Jurado Examinador
_____________________________
Ing. Urdaneta, Nancy
Directora de la Escuela de Ingeniería Civil
__________________________
Ing. Medina, Jesús
Tutor Académico
______________________________
Ing. Bohórquez, José
Decano de la facultad de Ingeniería
DERECHOS RESERVADOS
AGRADECIMIENTO A Dios por darnos la debida salud, confianza en nosotros mismos y éxito
para concluir este objetivo.
A cada uno de los profesores que colaboraron su grano de arena dentro
de los conocimientos que hoy día poseemos.
Al Ing. Fernando Urdaneta por brindarnos su ayuda e incondicional apoyo
para la realización de este proyecto. Muchas gracias.
A el ingeniero Antonio Antonelli por su valiosa ayuda y por compartir con
nosotros gran parte de sus conocimientos.
Al ing. Jesús Medina por su colaboración en este proyecto. Muchas
gracias.
Al ing. Freddy Salazar por su asistencia y cooperación en todo momento
durante la realización de este proyecto.
A todas aquellas personas, que de una u otra manera contribuyeron al
logro de esta meta. Muchas gracias.
DERECHOS RESERVADOS
DEDICATORIA
A Dios por siempre estar presente y no dejarme caer en los momentos
más difíciles.
A mis padres por ser el pilar donde puedo apoyarme cada vez que
necesito y mantener siempre en mí la mayor confianza.
A mis hermanas por ser mis ojos e iluminarme el camino del buen seguir.
Las amo.
A mis tíos por servirme de ejemplo y de guía.
A tía Linda por ser tan especial y única. Te amo.
A mi abuela, por tolerarme y quererme como soy.
A mis primos por siempre estar presentes y contar con ellos en todo
momento.
A intisar por apoyarme en cualquier circunstancia y por ser mi todo.
Al cuñado por darme su apoyo incondicional.
A mi mis amigos, Andrea, Carla, Chicho, Juanra y Nanguis por estar
siempre estar a mi lado en las alegrías y tristezas. Los quiero bastante.
MIL GRACIAS A TODOS ….. NIDAL BAHSAS
DERECHOS RESERVADOS
DEDICATORIA
A mis padres Miriam y Freddy, que me han dado apoyo, esfuerzo,
ejemplo y estimulo, durante todo el desempeño de mi carrera, por que sin ellos
no hubiera podido lograrlo.
A mis hermanos, Monica y Freddy por su apoyo.
A mis abuela Ana y Blanca, a los tios y a mis tias, a los primos, a los
padrinos Aide y Hernan; a todos los familiares que me han motivado para
completar esta meta.
A los amigos Andrea, Carla, Nidal, Rivera, Alejandro, Zavala, Bojana, por
brindarme su apoyo y su amistad durante toda la carrera. Gracias
Fernando Salazar
DERECHOS RESERVADOS
RESUMEN
Br. Bahsas Bahsas, Nidal Yamel & Br. Salazar Araujo, Fernando Enrique,
“Diseño de un manual de detalles típicos de uniones de elementos
estructurales de acero”. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería.
Escuela de Ingeniería Civil. Trabajo especial de grado ABRIL 2008.
El objetivo de este trabajo de investigación es elaborar un manual que
compendie una serie de detalles típicos de elementos estructurales de acero
mediante la recopilación y selección de información, que sirva de manual de
consulta a aquellas personas que de una u otra manera estén en relación con
este tipo de trabajo, de esta forma servirá de aporte para idealizar cómo se
deben dibujar, instalar, empalmar y conectar estos elementos de acero, los
cuales serán de gran utilidad a todos aquellos profesionales y afines que no solo
se dediquen al área del diseño y la construcción de estructuras con elementos
de acero, cumpliendo con todas las exigencias emitidas por las normas vigentes
para construcción de obras civiles para esta área; conjuntamente se incorporó
un pequeño manual de diseño en el que se describe las principales
especificaciones sobre el cálculo de conexiones de elementos de acero.
DERECHOS RESERVADOS
INDICE GENERAL
Pág.
HOJA DE EVALUACION…………………………………………………………..IV
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………V
DEDICATORIAS.…………………………….……………………………………..VRE
SUMEN…………………………………………………….…………………….VII
INDICE GENERAL………………………………………………………………….IX
INDICE DE FIGURAS……………………………………….……………………..XII
INDICE DE ANEXOS……………………………………...………………………XIII
CAPITULO I: EL PROBLEMA. 1.1.- Planteamiento y Formulación del Problema………………………………..2
1.2.- Objetivos de la Investigación…………………………………………………3
1.2.1.- Objetivo General. ……………………………….……………. ……3
1.2.2.- Objetivos Específicos……………………………………..………...4
1.3.- Justificación e Importancia de la Investigación……………………………..4
1.4.- Alcance de la Investigación……………………………………………. …….6
1.5.- Delimitación de la Investigación……………………………………………...6
1.5.1.- Delimitación Espacial………………………………………………..6
1.5.2.- Delimitación Temporal………………………………………………7
CAPITULO II: MARCO TEORICO. 2.1.- Antecedentes de la Investigación…………………………………………….9
2.2.- Fundamentación Teórica…………………………………………………….10
2.2.1.- Concepto de Acero…………………………………………………10
2.2.2.- Modulo de Elasticidad y Esfuerzo de Cedencia………………...11
2.2.3.- Propiedades………………………………………………………...12
2.2.4.- Método de Cagar de Servicio……………………………………..12
2.2.5.- Factor de Seguridad……………………………………………….13
2.2.6.- Conexión en estructuras de acero…………………………….. ..14
2.2.7.- Comportamiento de las conexiones……………………………...15
DERECHOS RESERVADOS
2.2.8.- Pernos……………………………………………………………….16
2.2.8.1.- Tipos de Pernos/Tornillos…………………………………….16
2.3.9.- Ventajas de los Pernos de Alta Resistencia…………………….17
2.2.10.- Tipos de conexiones según su restricción a la rotación……...18
2.2.10.1.- Conexiones Rígidas……………………………………18
2.2.10.2.- Conexiones Semi-rígidas………………………………18
2.2.10.3.- Conexiones Cortante Simple………………………….19
2.2.11.- Conexiones tipo fricción y tipo aplastamiento……………….………...20
2.3.12.- Consideraciones generales……….……………………………..20
2.3.13.- Metodos para tensar los tornillos de alta resistencia…………21
2.3.14.-Otras Consideraciones:………………………………………….. 22
2.2.2.- Soldaduras……………………………………………………………….23
2.2.2.1.- Fundamentos de las soldaduras…………………………………..23
2.2.2.2.- Soldaduras como conexión de elementos estructurales de
acero…………………………………………………………………………...25
2.2.2.3.- Materiales de las soldaduras…………..…………………………26
2.2.2.4.- La unión con soldadura………………………..…………………..27
Tipos de uniones……………………………………….......27
2.2.2.5.- Tipos de soldaduras……………………………………………….28
Soldadura de puntos……………………………………….28
Soldadura de filete………………………………………….28
Soldadura de ranura..………………………………….......30
Soldadura de penetración completa……………………...31
Soldadura de penetración parcial…………………………31
Soldadura de tapón y muesca……………………………31
2.2.2.6.- Posiciones de soldadura…………..…………………………….32
2.2.2.7.- Criterios generales para las conexiones con soldadura……..34
2.2.2.8.- Procedimiento de soldeo………………………………………..34
2.2.2.9.- Calidad de la soldadura…………………………………………36
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO. 3.1.- Tipo de investigación……………………….……………………………..…38
3.2.- Diseño de la investigación………………………………………………..…38
3.3.- Población………………………………………………………………….. …39
3.4.-Muestra………………………….………………………………………..…....39
3.5.- Técnicas de recolección de datos…………………………………………..40
3.6.- Validación del Instrumento de recolección de información……………….42
3.7.-Fases de la Investigación…………………………….……………………….42
CAPITULO IV: ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS. 4.1.- “MANUAL DE DETALLES TIPICOS DE UNIONES DE ELEMENTOS
ESTRUCTURALES DE ACERO”………………………………………………....44 4.2.- Análisis y discusión de resultados………………………………………...111
CONCLUSIONES…………………………………………………………………112
RECOMENDACIONES…………………………………………………………..113
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS…………………………………….……..114
ANEXOS………………………………………………………………..………….115
DERECHOS RESERVADOS
INDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura No. 1-A………………………………………………………………………14
Figura No. 2-A………………………………………………………………………18
Figura No. 3-A………………………………………………………………………19
Figura No. 4-A………………………………………………………………………19
Figura No. 5-A………………………………………………………………………27
Figura No. 6-A………………………………………………………………………29
Figura No. 7-A………………………………………………………………………29
Figura No. 8-A………………………………………………………………………30
Figura No. 9-A………………………………………………………………………33
DERECHOS RESERVADOS
INDICE DE ANEXOS
Pág. Anexo No. 1.- Corrección y sustitución de soldadura
de las conexiones en las secciones de la pasarela. …...…………………….116
Anexo No. 2.- Suministro, fabricación de los soportes (grapas) para las uniones
entre las sección de la pasarela. (esp. ½´´)..……………………...…117
Anexo No. 3.- Ensamblaje de los soporte (grapas) para las uniones
entre las secciones de la pasarela.……………………………………………..118
Anexo No. 4.- Remoción de las cruces ubicadas en la parte superior
de la pasarela………………………………………………. ……………..…….119
Anexo No. 5.- Soporte externo e internos de pasarela….………...……..….120 Anexo No. 6.- Remoción de los perfiles del extremo de la sección lateral
(estructura # 1) para el ensamble de segmentos adicionales …...................121
Anexo No. 7.- Unión de las tres secciones para perforaciones
de las conexiones…………………………………………………………….......122
Anexo No. 8.- Lista relacionada con la Industria de la Construcción
SOLDADUDAS ……………………………………………..………………........123
Anexo No. 9.- Lista relacionada con la Industria de la Construcción
PERNOS.……………………………….……………………………………........124
Anexo No. 10.- Manual de Diseñó de ·UNIONES· de elementos
Estructurales Acero….…………..…………………………………………....…125
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO I
EL PROBLEMA
DERECHOS RESERVADOS
1.1. - PLANTEAMIENTO Y FORMULACION DEL PROBLEMA.
La ingeniería civil es la rama que se ocupa de la planeación, diseño y
construcción de proyectos con el fin de satisfacer las necesidades de la
sociedad; como consiguiente a esta actividad, el ejercicio de la ingeniería por lo
general, no se posee la experiencia que permita trabajar las estructuras de
obras civiles con facilidad. Del mismo modo, el material bibliográfico de
ingeniería que trata sobre uniones en estructuras de acero con el que cuentan
los estudiantes que cursan carreras técnicas para la construcción de obras
civiles es escaso, lo cual conlleva, a la investigación de diferentes fuentes que
no contienen una secuencia para la utilización de dichos elementos
estructurales. Al igual, los profesionales de la ingeniería requieren de un manual
que ofrezca conceptos y definiciones acerca de las uniones de elementos
estructurales de acero más comunes que pueden presentarse en obras, que
faciliten el trabajo de elaborar planos de proyectos o el caso de referenciar de
como deben instalarse estos elementos estructurales de acero entre si, o con
otros elementos de concreto armado, de modo tal, formar pórticos y estructuras
en general, que cumplan con todas los reglamentos exigidos por las normas
para la construcción de obras civiles ( COVENIN).
En razón de su impacto sobre el costo total de la determinada obra, un
conocimiento de los tipos de uniones estructurales de acero y montaje es un
requisito básico para el diseño de estructuras económicas.
En la actualidad existen mucha información y nuevas formas de uniones
que son de gran utilidad para los profesionales y tener un manual donde reúna
clasificadamente todos los tipos y formas de dichas uniones les facilita y les
minoriza el tiempo disponible para la elaboración de proyectos de obras civiles.
Del mismo modo que para aquellos que tengan un tiempo considerable sin
realizar los trabajos antes referidos o que se desempeñen en otra área y
DERECHOS RESERVADOS
necesiten realizar una consulta sobre una serie de conceptos y definiciones
básicas además de todas las especificaciones técnicas de las uniones
estructurales de acero que se localizan en el mercado nacional y como deben
ejecutarse estas instalaciones correctamente, para que cumplan con todas las
especificaciones según las normas vigentes (COVENIN, 1998 ).
En todo caso al presentar y recopilar una serie de detalles de conexión,
unión, montaje y empalmes mediante conectores y soladuras con elementos de
aporte, que permitan tener una visión bastante amplia a la hora de seleccionar
un detalle constructivo en particular, resulta de gran utilidad para ingenieros
consultores, arquitectos, técnicos, constructores y detalladores de ingeniería, así
como también contratistas de obras de construcción, fabricantes, montajistas,
educadores y estudiantes, de manera visualizar con facilidad todos los detalles
constructivos que en este manual se presentan.
De allí la importancia de elaborar y presentar este manual que sirva de
guía no solo a los ingenieros civiles, sino a todos aquellos profesionales y afines
que se desarrollen en esta área del diseño y la construcción.
Por ultimo debido al contexto expuesto primeramente, se optó por la
siguiente investigación “DISEÑO MANUAL DE DETALLES TÍPICOS DE
UNIONES EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ACERO”
1.2. - OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION.
1.2.1. - Objetivo General.
Elaboración de un manual de detalles típicos de uniones de
elementos estructurales de acero.
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1.2.2. - Objetivos Específicos.
Recaudar la información técnica de uniones de elementos
estructurales de acero según la normas COVENIN.
Clasificar los tipos de uniones aplicables en los diferentes
elementos estructurales de acero.
Identificar la correcta instalación y colocación de uniones de
elementos estructurales de acero.
Elaborar el manual de detalles típicos de uniones de elementos
estructurales de acero.
1.3. - JUSTIFICACION E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION.
En el campo de la ingeniería civil continuamente se crean innovadores
métodos constructivos que al pasar el tiempo se van introduciendo en el
mercado hasta llegar a ser un patrón para las estructuras en general. Parte de
dichos métodos son los tipos de uniones estructurales usados para la edificación
de obras civiles, los cuales son de primordial importancia para el diseño y
construcción de las mismas. Para tal efecto a través de esta investigación se
puede llegar al logro de muchos objetivos, ya que la elaboración de un manual
en el que se encuentren todos los tipos de uniones estructurales genera un sin
fin de resultados óptimos en los proyectos a realizar.
Actualmente no se conoce un manual que incluya todas las
especificaciones de uniones, por esta razón será un adelanto tanto para los
estudiantes que no poseen el manejo necesario de toda la informaron que se
DERECHOS RESERVADOS
puede encontrar, como para los ingenieros porque se le facilitara la búsqueda al
momento de tener que diseñar cualquier estructura que solicite algún tipo de
unión.
Es importante observar, que con este trabajo de base de información,
se abre una nueva línea de investigación, dentro del área del proceso
constructivo, lo cual, permitirá, aplicar estos detalles en el proceso de enseñanza
y aprendizaje, mejorando así, la calidad de dicho proceso.
Otra de las causas por la cual se justifica ésta investigación, es el
desconocimiento sobre como debe de ejecutarse técnicamente el proceso
constructivo con elementos de acero, de modo que se comporten
estructuralmente en forma eficiente en su totalidad absorbiendo cualquier
solicitación de diseño a la hora de realizar algún empalme, unión de elementos
en algún nodo, o algún apoyo, entre otros.
Este manual se desarrolló para que sirva como amplia fuente de
referencia a ingenieros y diseñadores de estructuras de acero.
Contiene información sobre las conexiones más usadas en obras así
como información actualizada en teoría estructural, múltiples aspectos del
diseño de sistemas de acero y miembros para edificios y puentes.
De igual manera este manual va a facilitar toda la información recopilada
y clasificada acerca de detalles típicos de uniones estructurales de acero en un
manual especificado para un fin propio y necesario el cual es tener un apoyo de
consulta.
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1.4. - ALCANCE DE LA INVESTIGACION.
Atendiendo a las consideraciones de nuestra sociedad este manual se
elaboró con el fin de proporcionar lo mejor de la práctica actual en la rama de la
ingeniería civil, esto es, planeación, diseño y construcción de edificios y otras
estructuras necesarias para la salud, bienestar, seguridad, empleo y recreación
de todas las personas. Contiene información de gran utilidad para quienes
deben tomar decisiones que afectan la selección de planteamientos y métodos
de ingeniería, así como materiales y métodos de construcción.
Específicamente este manual provee y facilita a todo el estudiantado de
ingeniería civil así como a los profesionales y afines a un rápido acceso a todos
los tipos de uniones de acero estructural hechas con conectores o con
soldaduras y detalles típicos respectivamente, así como se hace énfasis a las
uniones que se usan más comúnmente; lo cual se ha dado una renombrada
atención en al actual diseño de estructuras de acero y se ha mejorado la
comprensión de su comportamiento en servicio y en las técnicas de diseño.
Sobre las ideas expuestas el propósito en general del trabajo es
satisfacer las necesidades de los ingenieros civiles en relación al abastecimiento
de información acerca de las uniones estructurales de acero para contribuir así
al fácil acceso y manejo en lo que respecta el diseño de obras civiles.
1.5. - DELIMITACION DE LA INVESTIGACION.
1.5.1. - Delimitación Espacial. Este proyecto de investigación se realizó en la ciudad de Maracaibo. Para
obtener las especificaciones técnicas de este trabajo especial de grado, se debió
recopilar toda la información existente en bibliotecas, Internet, folletos, entres
otros. Este manual se rige por las normas COVENIN por lo tanto su validez es
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en Venezuela y por las especificaciones del American Institute of Steel
Construction (AISC). Este manual es básicamente para la consulta y referencia
de detalles típicos de uniones en elementos estructurales de acero.
1.5.2. - Delimitación Temporal. Esta investigación se desarrolló en un período comprendido de seis (7)
meses, comenzando el mes de Abril de 2007 hasta su culminación el mes de
Diciembre.
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CAPITULO II
MARCO TEORICO
DERECHOS RESERVADOS
2.1.- Antecedentes de la Investigación.
LUGO, ALEXANDER A., ROMERO B., OSMAR L., DISEÑO AUTOMATIZADO DE JUNTAS METALICAS SIMPLES. TRABAJO ESPECIAL DE GRADO.
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL. MARACAIBO, 1999.
RESUMEN
¨EL PRESENTE TRABAJO TIENE COMO OBJETIVO EL DISEÑO
AUTOMATIZADO DE PERNOS O SOLDADURA EN JUNTAS METALICAS
SIMPLES. PARA TAL EFECTO SE UTILIZO COMO LENGUAJE DE
PROGRAMACION EL VISUAL BASIC 4.0, POR SER ESTE UNA
HERRAMIENTA POTENTE SENCILLA Y DE FACIL PROGRAMACION. LOS
PROGRAMAS ELABORADOS PERMITEN DISEÑAR LOS PERNOS O
SOLDADURAS DE UNA FORMA RAPIDA Y SENCILLA. PARA LA
ELABORACION DE ESTE TRABAJO SE RECOPILO INFORMACION DEL
MANUAL DE LA AISC. PARA LA EJECUCION DE LOS PROGRAMAS SE HA
ELABORADO UN MANUAL DE USUARIO EL CUAL PERMITIRA A
CUALQUIER PERONA QUE TENGA CONOCIMIENTOS EN EL AREA DE
JUNTAS METALICAS Y EL USO DEL COMPUTADOR, EJECUTAR EL
PROGRAMA.¨ LA INVESTIGACION CITADA AL TRABAJAR CON EL TEMA DE
DISEÑO DE PERNOS O SOLDADURA, NOS HA SERVIDO PARA GUIARNOS
PARA SABER CUAL ES EL PROCESO DE DISEÑO DE JUNTAS METALICAS.
DERECHOS RESERVADOS
2.2.- Fundamentación Teórica. 2.2.1.- Concepto de Acero.
El acero en su estado natural es una aleación constituida por hierro en un
97% y carbono, silicio y azufre en un 3%, estos serán reducidos en un proceso
industrializado ya que son perjudiciales al acero. Las propiedades del acero
dependen de la cantidad de carbono empleada en el proceso de fabricación. En
la actualidad la tecnología ha llegado a producir aceros con un 0.3% de carbono,
los cuales con una aumento en otros elementos los hacen mucho mas
resistentes. Esta combinación ha producido un material muy versátil empleado
en múltiples funciones de las edificaciones.
El acero es un material de gran resistencia con poco peso, facilidad de
fabricación. Esta gran resistencia se traduce en poco peso de las estructuras, ya
que se requieren elementos de poco tamaño para satisfacer los requisitos de
resistencia.
Asimismo, es un material que mantiene sus características sin degradarse
a lo largo del tiempo. La elasticidad es una de las principales propiedades de los
materiales, que en el caso del acero, su comportamiento se asemeja más que
otros a comportamiento elástico teórico. Así como la elasticidad, la ductilidad es
otra propiedad que en el acero se manifiesta en gran medida, ya que soporta
una sobrecarga mediante la deformación en el rango plástico y evitando una
falla inminente.
La tenacidad es otra ventaja que relaciona la resistencia y ductilidad, ya
que el acero posee su resistencia aún en grandes deformaciones permitiendo
así doblar el material sin fracturarse. Debido a la naturaleza del acero de
construirse mediante la unión de elementos, permite así ampliaciones a
DERECHOS RESERVADOS
estructuras existentes. Las uniones se realizan mediante soldadura, pernos y
remaches. Cabe destacar, que por esta forma de construir, el tiempo de
construcción es más rápido que con otro tipo de material.
El acero es empleado en todo tipo de construcción, desde clavos para
obras de madera hasta barras de refuerzo para estructuras de concreto armado.
Particularmente el acero estructural corresponde al empleo de perfiles
laminados.
El diseño de estructuras de acero implica la selección de perfiles estándar
laminados en caliente, esta es la forma mas empleada del acero estructural.
Adicionalmente, cuando la disponibilidad del tamaño necesario para el diseño no
es posible, se fabrican perfiles a partir de láminas de acero, soldadas o
apernadas.
2.2.2.- Módulo de elasticidad y esfuerzo de cedencia.
Las variables de control para el comportamiento estructural son el
esfuerzo y la deformación. De manera que al emplear los parámetros del
esfuerzo o deformaciones permitidas, se diseña el elemento para obtener así las
dimensiones.
El esfuerzo y la deformación se relacionan mediante la ley de Hooke,
permitiendo así conocer el esfuerzo o la deformación conocida una de las dos;
dado que la deformación es un aspecto que puede ser visible en la estructura,
se puede conocer el esfuerzo, el cual es difícil de ver.
El comportamiento de los materiales se caracteriza por tener una fase
elástica donde el material se deforma de manera lineal con respecto al esfuerzo
aplicado y una vez eliminado el esfuerzo, el material vuelve a su dimensión
DERECHOS RESERVADOS
original. Asimismo, tiene una fase plástica, que se caracteriza porque la relación
lineal entre el esfuerzo y la deformación no es lineal y al eliminar el esfuerzo el
material queda con una deformación permanente. Estas dos fases están
limitadas por el denominado esfuerzo de cedencia (Fy); a partir de la cedencia el
material deja de ser elástico y no mantiene una relación lineal entre el esfuerzo y
la deformación; es decir pasa de la fase elástica a la fase plástica.
La relación lineal entre el esfuerzo y la deformación se denomina módulo
de elasticidad (E). Cabe destacar que el comportamiento de la estructuras se
delimita a la fase elástica, por ello, el esfuerzo de cedencia y el módulo de
elasticidad son las dos medidas identifican un material, porque sy sirve de pauta
para establecer el máximo esfuerzo permitido y E permite conocer las
deformaciones si son conocidas las fuerzas que actúan sobre el elemento
(McCorman, 1999).
2.2.3.- Propiedades.
Del diagrama de esfuerzo deformación practicado en el acero, se
obtienen diversos valores correspondientes al esfuerzo de cedencia que varían
según el tipo de acero 1 y se indican en la Tabla 1. Por otra parte, el módulo de
elasticidad (E) es el mismo para todos los tipos de acero y es igual a 2,1x106
kgf/cm2 o 2x105 MPa en unidades del Sistema Internacional (McCorman, 1999). 2.2.4.- Métodos de cargas de servicio.
Este método consiste en estimar las cargas de trabajo o servicio que la
estructura tiene que soportar y diseña los miembros estructurales con base en
ciertos esfuerzos permisibles. Usualmente son cierta fracción del esfuerzo
mínimo de fluencia especificado del acero. Según el Profesor Urdaneta (1981)
DERECHOS RESERVADOS
considerando un factor único minorante afectando las propiedades de los
materiales es:
Flexion: 0.6
Corte: 0.4
Traccion: 0.6
Compresión: 0.5
Valores correspondiente al AISC
Ventajas: al trabajar con cargas reales, el control de las condiciones de servicio
es directo.
Desventajas: No considera los diferentes tipos de carga y esfuerzos.
2.2.5.- Factor de seguridad.
El factor de seguridad de un miembro estructural, es la resistencia del
miembro al esfuerzo máximo esperado. La resistencia de un miembro se usa
para determinar el factor de seguridad, se relaciona con la resistencia última del
miembro. En materiales dúctiles, el factor de seguridad se basa usualmente en
el esfuerzo de fluencia, mientras que en materiales frágiles en la resistencia
ultima. Se puede decir que es relación entre el esfuerzo limite elástico (Ee) y el
esfuerzo actuante (Ea).
Fs= Ee/Ea
DERECHOS RESERVADOS
2.2.6.- Conexión en Estructuras de Acero.
Es el agregado de las partes componentes usadas para unir miembros o
elementos estructurales de acero, la cual incluye:
- Elementos afectados: alas y almas de columnas y vigas.
- Elementos de conexión interfases: placas de unión, placas, ángulos
y tes.
- Conectores: tornillos, soldaduras, remaches.
Fig. 1-A
La función de las conexiones es trasmitir las fuerzas en los extremos de
los miembros al marco de la estructura. Estas fuerzas son: fuerzas axiales a
compresión y tracción, momentos flectores, fuerzas cortantes y momentos de
torsión. Tales fuerzas pueden actuar de manera individual o combinada. Las
conexiones son uno de los elementos de más alto costo unitario en una
estructura de acero. Por lo tanto, el costo de una construcción fabricada en
acero se verá influido por la elección de las conexiones. Un buen criterio de
diseño de estructuras de acero se basa en proponer la mayor cantidad de piezas
similares de material (reducir al mínimo operaciones diferentes que se realicen
en taller como: cortes, perforaciones y recortes) y condiciones de ensamblado
DERECHOS RESERVADOS
en la construcción con la finalidad de optimizar y mejorar la operatividad de la
obra.
Las uniones de elementos estructurales de acero están regidas bajos las
normas AISC “American Institution of Steel Contruction” dentro del cual se
reflejan los dos métodos existentes, el LRFD y ASD por los cuales se puede
realizar el diseño y calculo de las conexiones. Estas especificaciones también
están reflejadas en las Normas COVENIN.
2.2.7.- Comportamiento de las conexiones:
La mayor parte de las conexiones son estáticamente indeterminadas, y la
distribución de las fuerzas y esfuerzos depende de la deformación relativa de las
partes que las componen (elementos de conexión) y de los propios conectores.
Las concentraciones de esfuerzo que se desarrollan debido a
discontinuidades, como agujeros de tornillos y extremos de soldaduras
complican más aún la predicción de su comportamiento estructural. En general,
el comportamiento del material de los elementos (placas interfases y conectores)
en las conexiones es no lineal, aunque los miembros conectados se encuentren
en estado elástico de esfuerzos fuera o mas allá de la conexión.
Debido a la complejidad en el comportamiento de las conexiones, resulta
prácticamente imposible analizar la mayor parte de las conexiones con un
procedimiento matemático riguroso y exacto. Debido a lo antes expuesto, casi
todos los procedimientos de análisis usados en el diseño de conexiones están
basados en suposiciones simplificadoras, con fórmulas simples que se basan en
la teoría de flexión de vigas y modelos de placas delgadas que se modifican en
forma apropiada para concordar con los resultados de pruebas experimentales.
DERECHOS RESERVADOS
2.2.8.- Pernos. En general los pernos están constituidos por un vástago cilíndrico que
presenta en un extremo la cabeza del perno, generalmente hexagonal para
pernos estructurales de alta resistencia, y en el otro extremo una zona con rosca
en donde se atornilla la tuerca. (Profesor Urdaneta, 1981)
Asimismo esta zona con rosca que llamamos núcleo del perno presenta
evidentemente menor sección que la zona sin ella, llamada caña del perno, para
denominar los pernos utilizaremos el diámetro de la caña, los cuales se fabrica
de acuerdo a los diámetros comerciales en octavos de pulgadas, siempre
teniendo en cuenta, que para el diseño debemos utilizar el área neta en el
núcleo.
2.2.8.1.- Tipos de Pernos.
Existen varios tipos de pernos según su utilidad. Según Maccormac
(1999), clasifica:
- Pernos ordinarios o comunes: Estos pernos los designa la ASTM como
tornillos A307 y se fabrican con aceros al carbono con características de
esfuerzos y deformaciones muy parecidas a los del acero A36. Se fabrican en
incrementos de 1/8 plg.
La resistencia de diseño son menores que las de los remaches o de los
tornillos de alta resistencia. Se usan principalmente en estructuras ligeras
sujetas a cargas estáticas u en miembros secundarios (correas, riostras,
plataforma, armaduras pequeñas, etc.).
- Pernos de alta resistencia: estos pernos se fabrican a base de acero
tratado térmicamente y aceros aleados; tienen resistencias a la tensión de dos o
DERECHOS RESERVADOS
más veces la de los pernos
ordinarios. Existen dos tipos básicos, los A325 (hechos con acero al carbono
tratado térmicamente) y los A490 de mayor resistencia (también tratados
térmicamente, pero hechos con acero aleado). Los pernos de alta resistencia se
usan para todo tipo de estructuras, desde pequeños edificios hasta rascacielos y
puentes monumentales
Estos pernos se desarrollaron para superar la debilidad de los remaches.
Las tensiones resultantes en los remaches no son suficientemente grandes para
mantenerlos en posición durante la aplicación de cargas de impacto o
vibratorias; a causa de esto, los remaches se aflojan, vibran y a la larga tienen
que reemplazarse. Los pernos de alta resistencia pueden apretarse hasta que se
alcanzan esfuerzos muy altos de tensión, de maneras que las partes conectadas
quedan fuertemente afianzadas entre la tuerca del tornillos y su cabeza, lo que
permite que las cargas se transfieran principalmente por fricción.
En ocasiones se fabrican pernos de alta resistencia a partir de acero
A449 con diámetros mayores de 1 ½ plg que es el diámetro máximo de los A325
y A490. Estos pernos pueden usarse también como pernos de anclaje de alta
resistencia.
2.2.9.- Ventajas de los pernos de alta resistencia.
El éxito de los pernos de alta resistencia según MacCormac (1999) se encuentra
en:
1. Las cuadrillas de hombres para atornillar se reduce mucho en
comparación a las que se necesita para remachar.
2. Se requiere menor número de pernos que para remachar.
DERECHOS RESERVADOS
3. Los métodos para la instalación de pernos se puede aprender muy rápido,
mientras que las remachadas o soldadura necesitan mucho más
entrenamiento y experiencia.
4. El equipo que se requiere es mas económico
5. No existen riesgo de fuego ni peligro por el lanzamiento de los remaches
calientes
6. Los pernos tienen una mayor resistencia a la fatiga
7. Donde las estructuras se alteran o desensamblan posteriormente, los
cambios en las conexiones son muy sencillos.
Nota: es necesario destacar que los costos de fabricación en el país de los
pernos en la actualidad son muy elevados, por lo que el diseño se orienta hacia
otro método a menos que los pernos sean estrictamente necesarios, como en el
caso de estructuras que se necesiten desarmar.
2.2.10.- Tipos de conexiones según su restricción a la rotación: Las conexiones difieren en base al nivel de restricción contra la rotación
que permiten en los extremos del miembro que conectan. Entonces, en base al
criterio antes expuesto, las conexiones se clasifican como: Rígidas, Semi-rígidas
y flexibles.
2.2.10.1.- Rígidas: tienen suficiente rigidez para mantener casi sin
cambio el ángulo original entre los miembros de la junta. Esta tipo de conexión
se diseña para que desarrollen la resistencia completa a cortante y momento
flector.
DERECHOS RESERVADOS
Fig. 2-A
2.2.10.2.- Semi-Rígidas (PR): permiten una restricción contra la rotación
de la junta de grado intermedio entre la rigidez de las conexiones rígidas y la
flexibilidad de las conexiones de cortante simple. Se diseñan para resistir
cortante y momentos flectores cuyos valores son intermedios. Así mismo, los
diseñadores de acero han limitado el uso de este tipo de conexión debido a la
dificultad de obtener un modelo analítico confiable para predecir la compleja
respuesta de la junta.
Fig. 3-A
2.2.10.3.- Flexión: En barras simplemente apoyadas sometidas sólo a
flexión, las uniones extremas sólo trasmiten fuerzas de corte. Por ello se
DERECHOS RESERVADOS
designan como uniones de corte. Si la barra está sujeta también a un esfuerzo
axial, éste también deberá ser trasmitido por la unión.
Fig. 4-A
2.2.11.- Conexiones tipo fricción y tipo aplastamiento. Cuando los pernos de alta resistencia se tensan por completo se crea una
considerable resistencia al deslizamiento en la superficie de contacto. Esta
resistencia es igual al apretar multiplicada por el coeficiente de fricción.
Si la fuerza cortante es menor que la resistencia permisible por fricción, la
conexión se denomina tipo de fricción. Si la carga excede a la resistencia por
fricción, habrá un deslizamiento entre los miembros con un posible
degollamiento de los pernos y al mismo tiempo las partes conectadas empujaran
sobre ellos.
Las superficies de las juntas, incluidas las adyacentes a las arandelas,
deben estar libres de escamas, polvo, rebabas y otros defectos que puedan
impedir un contacto pleno entre las partes. En juntas tipo fricción las superficies
de contacto también deben estar libres de aceite, pintura y lacas.
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Si las superficies de contacto están galvanizadas, el factor de
deslizamiento se reducirá a casi la mitad del valor correspondiente a las
superficies limpias de costras de laminación. El factor de deslizamiento pude
mejorarse bastante si las superficies se sujetan a un cepillado manual. Sin
embargo, estos tratamientos no incrementan la resistencia al deslizamiento
frente a cargas permanentes donde aparentemente se manifiesta un
comportamiento de plástico (MacCormac, 1999).
2.2.12.- Consideraciones generales:
Existen 3 factores fundamentales para el diseño de juntas, según el profesor
Urdaneta (1981) son:
Resistencia: Existen varias normas sobre el diseño adecuado para
garantizar la transferencia de cargas a través de uniones en la normativa
básica del AISC. Es complementada por otros institutos como el AWS en
el caso de soldaduras, que suministran suficientes conocimientos para un
adecuado diseño a resistencia.
Ductilidad: cuando se diseñan edificaciones es necesario que tengan
suficiente ductilidad para disipar la energía originada por cargas
especiales como es el caso de cargas de sismo o viento que tienden a
producir oscilaciones con grandes deformaciones. Debido a la ductilidad
del acero estas estructuras tienen gran ventaja.
Comportamiento adecuado: Es necesario que los componentes que se
diseñen funcionen en la realidad exactamente igual, ya que un
comportamiento diferente puede generar estructuras inestables.
2.2.13.- Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia.
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Según McCormac (1999), estos son los métodos comunes:
• Método del giro de la tuerca.
Los tornillos se aprietan con una llave de impacto ajustada para detenerse
cuando se alcanza el par necesario para lograr la tensión deseada de acuerdo
con el diámetro y la clasificación de la ASTM del tornillo. Es necesario que las
llaves se calibren diariamente y que se usen roldadas endurecidas. Deben
protegerse los tornillos del polvo y de la humedad en la obra.
• Método del giro de la tuerca.
Los tornillos se aprietan sin colgadura y luego se les da un giro de 1/3 o
de una vuelta completa, dependiendo de la longitud de estos y de la inclinación
de las superficies entre sus cabezas y tuercas, (la magnitud del giro puede
controlarse fácilmente marcando la posición apretada sin holgura con pintura o
crayón)
• Indicador directo de tensión.
El indicar directo de tensión consiste en una roldada endurecida con
protuberancias en una de sus caras en forma de pequeños arcos. Los arcos se
aplanan conforme se aprieta el perno. La magnitud de la abertura en cualquier
momento es una medida de la tensión en el tornillo. En los pernos
completamente tensados las aberturas deben medir 0.015 plg o menos.
• Pernos de diseño alternativo.
Además de los métodos anteriores existen algunos pernos de diseño
alternativo que pueden tensarse satisfactoriamente. Los pernos con extremos
rasurados que se extienden mas allá de la porción roscada son un ejemplo. Se
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usan boquillas especiales en las llaves para apretar las tuercas hasta que se
degollan los extremos ranurados.
Para ninguno de los métodos de apretar mencionados antes se especifica
una tensión máxima para el perno. Esto implica que el perno puede apretarse a
la carga más alto que no lo rompa y que aun así trabaje con eficiencia. Si el
perno se rompe, se coloca otro sin mayores consecuencias. Debe notarse que
las tuercas son más fuertes que el perno y que este se romperá antes de que la
tuerca se fracture.
2.2.14.- Otras consideraciones generales.
Cuando una unión esté sometida a impacto, vibración, o a una frecuente
inversión de tensiones importantes, la soldadura es el método preferible para
dicha unión. Estas uniones deben verificarse frente a fatiga. La facilidad de
fabricación y montaje son factores a tener en cuenta en el proyecto de uniones y
empalmes. Se deberá prestar especial atención a:
• Utilizar detalles estandarizados
• Los espacios necesarios para un montaje seguro
• Los espacios necesarios para el apriete de tornillos
• La necesidad de acceso para soldar
• Los requisitos del procedimiento de soldadura
• Los efectos de las tolerancias angulares y longitudinales en el ajuste de piezas.
2.2.2.- Soldaduras.
2.2.2.1.- Fundamentos de la soldadura.
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La soldadura es un proceso de unión permanente de materiales en el cual
se funden las superficies de contacto de dos (o más) partes mediante la
aplicación conveniente de calor, presión o ambas a la vez. La integración de las
partes que se unen mediante soldadura se denomina un ensamble soldado. En
algunos casos se agrega un material de aporte o relleno para facilitar la fusión.
La soldadura se asocia por lo regular con partes metálicas, pero el
proceso también se usa para unir plásticos. Nuestro análisis de la soldadura en
presente capítulo se enfocará en la unión de metales. La soldadura es un
proceso relativamente nuevo. Su importancia comercial y tecnológica se deriva
de lo siguiente:
La soldadura proporciona una unión permanente. Las partes soldadas
se vuelven una sola unidad.
La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si
se usa un metal de relleno que tenga propiedades de resistencia
superiores a la de los materiales originales y se emplean las técnicas de
soldadura adecuadas.
En general, la soldadura es la forma mas económica de unir
componentes, en términos de uso de materiales y costos de fabricación,
los métodos mecánicos alternativos de ensamble requieren alteraciones
más complejas de las formas (por ejemplo, taladrado de orificios) y
adición de sujetadores (remaches o tuercas). El ensamble mecánico
resultante por lo general es más pesado que la soldadura
correspondiente.
La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en el
campo. Aunque la soldadura tiene las ventajas indicadas.
DERECHOS RESERVADOS
La soldadura también tiene ciertas limitaciones y desventajas (o desventajas
potenciales):
La mayoría de las operaciones de soldadura se realizan en forma
manual y son elevadas en términos de costo de mano de obra. Muchas
operaciones de soldadura se consideran cuestiones especializadas y no
son muchas las personas que las realizan.
Casi todos los procesos de soldadura implican el uso de mucha energía,
y por consiguiente son peligrosos.
Dado que la soldadura obtiene una unión permanente entre los
componentes, no permite un desensamble adecuado. Si se requiere un
desensamble ocasional de producto (para reparación o mantenimiento),
no debe usarse la soldadura como método de ensamble.
La unión soldada puede padecer ciertos defectos de calidad que son
difíciles de detectar. Los defectos pueden reducir la resistencia de la
unión.
2.2.2.2.- Soldadura como conexión de elementos estructurales de acero. Refiere Brockenbrough, Merritt.(1998) que las conexiones soldadas se
usan a menudo a causa de la simplicidad de diseño, menos partes, menos
material y disminución en el manejo de taller y en la operación es de fabricación.
Con frecuencia resulta ventajoso aplicar una combinación de soldadura de taller
y empernado de obra. En efecto las conexiones soldadas tienen una rigidez que
puede ser ventajosa si se tiene en cuenta de manera adecuada en el diseño. Por
ejemplo, las armaduras soldadas se deflectan menos que las armaduras
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empernadas, porque el extremo de un miembro de una junta no puede rotar con
respecto a los demás miembros existentes allí. Si el extremo de una viga está
soldado a una columna, la rotación es prácticamente la misma para la columna
que para la viga.
No obstante, una desventaja de la soldadura es que debe considerándose
la contracción de soldaduras grandes. Esto es especialmente importante en
estructuras grandes donde habrá un efecto acumulativo.
Así mismo si está en forma adecuada, una soldadura diseñada de
manera apropiada es más fuerte que el metal base. En caso contrario, hasta una
soldadura de buen aspecto puede ser inservible. Una soldadura hecha
apropiadamente tiene la penetración requerida y no es frágil.
Las juntas precalificadas, los procedimientos de soldadura y los
procedimientos para calificar a soldaduras están cubiertos por las normas AWS
D1.1, “Structural Welding Code Steel” y AWS D1.5, “Bridge Welding Code”, de la
American Welding Society. Los tipos comunes de soldaduras con aceros
estructurales destinados al ensamble cuando se hace según las
especificaciones de la AWS, pueden ser especificados mediante nota o símbolo
con la seguridad de que se obtendrá una buena conexión.
De igual forma al hacer un diseño de soldadura, los diseñadores deben
especificar solo la cantidad y el tamaño de la soldadura que realmente se
necesita. Por lo general, una soldadura de 5/16 pulg. se considera el tamaño
máximo para un solo pase. (Brockenbrough, Merritt, 1998).
El costo de la reparación para la soldadura puede oscilar entre cerca de
un tercio y varias veces el costo de la soldadura. Por consiguiente, al diseñar
DERECHOS RESERVADOS
conexiones soldadas los diseñadores deben considerar el trabajo que necesitan
el fabricante y el montador para alistar los miembros de modo que puedan
soldarse.
2.2.2.3.- Materiales de las soldaduras.
Los aceros estructurales soldables permitidos en edificios y puentes se
presentan en una lista con los electrodos requeridos, en las tablas 5.10. Los
electrodos y los fundentes de soldadura deben cumplir las normas AWS 5.1, 5.5,
5.17, 5.18, 5,20, 5.23, 5.25, 5.28 ó 5.29 o las provisiones aplicables de AWS
D1.1 o D1.5. El metal de soldadura depositado por los procesos de soldadura
con escoria conductora o con gas conductor deben cumplir los requisitos de la
AWS D1.5 son obligatorios.
En conexiones soldadas para edificios, los electrodos o fundentes
señalización en la tabla 1-A deben usarse al hacer soldaduras biseladas de
penetración completa.
Proceso de Soldadura Metal Base Arco metálico
protegido Arco metálico
sumergido A36, a53 grado B AWS A5.1 0 A5.5 AWS A.517 o A5.23
A500 grados A y B E60XX F6XX-EXXX A5001, A549, y A570
grados 30 a 50. E70XX F7XX-EXXX o
E70XX-X F7XX-EXX-XX
Tabla 1-A.- Requisitos de acoplamiento entre metal de aporte y metal base para soldadura de ranura de penetración completa en construcción de edificios.
2.2.2.4.- La unión con soldadura
DERECHOS RESERVADOS
La soldadura produce una unión sólida entre dos partes. En esta sección,
se examinará el tema de las uniones por soldadura, los tipos de uniones y los
diferentes tipos de soldaduras que se usan para unir las partes.
Tipos de uniones de soldadura.
Hay cinco tipos básicos de uniones para integrar dos partes de una
junta. De acuerdo con la figura 5-A se definen del modo siguiente:
FIGURA 5-A. Cinco tipos básicos de uniones l: a) empalmada, b) de esquina, C) superpuesta, d) de borde y e) en T
a) Unión empalmada: En este tipo de unión, las partes se encuentran en el
mismo plano y se unen en sus bordes.
b) Unión de esquina: Las partes en una unión de esquina forman un ángulo recto
y se unen en la esquina del ángulo.
c) Unión superpuesta: Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen.
d) Unión de bordes: Las partes en una unión de bordes están paralelas con al
menos uno de sus bordes en común y la unión se hace en el borde común.
e) Unión en T: En la unión en T, una parte es perpendicular a la otra en una
forma parecida a la letra
2.2.2.6.- Tipos de soldaduras.
DERECHOS RESERVADOS
Según Brockenbrough, Merritt.(1998) los principales tipos de soldaduras
usadas para el acero estructural son la soldadura de filete, de ranura, de tapón
y de muesca. La que se utiliza con mayor frecuencia es la soldadura de filete.
Para cargas livianas, es la más económica porque se requiere poca preparación
de material. Para cargas pesadas, las soldaduras de ranura son las más
eficientes porque la resistencia total del metal base puede obtenerse fácilmente.
El uso de soldaduras de tapón y muesca por lo general se limita a condiciones
especiales en donde no resulta practico utilizar soldaduras de filete o de ranura.
En una conexión puede utilizarse más de un tipo de soldadura. Si así
ocurre, la capacidad de admisible de la conexión es la suma de las capacidades
efectivas de cada tipo de soldadura utilizada, calculadas por separado con
respecto al eje del conjunto.
- Soldaduras de puntos. Pueden usarse para ensamblaje o embarque. No se les asigna ninguna
capacidad de soporte de esfuerzos en la estructura final. En algunos casos,
estas soldaduras deben ser removidas después del ensamblaje o montaje final.
- Soldaduras de filete. Estas tiene la forma general de un triangulo rectángulo isósceles. (Figura
6-A). El tamaño de la soldadura está dado por la longitud del los catetos. La
resistencia está determinada por el espesor de la garganta, la distancia más
corta desde la raíz (intersección de los catetos) a la cara (hipotenusa) de la
soldadura. Si las soldaduras son cóncavas son desiguales, el tamaño nominal
de la soldadura está dado por el más corto de ellos. Si las soldaduras son
cóncavas la garganta disminuye en concordancia y lo mismo ocurre con la
resistencia.
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Fig 6.A.- Garganta formada en la soldadura de filete.
Las soldaduras de filete se usan para unir dos superficies
aproximadamente a ángulos rectos entre sí. Las uniones pueden ser traslapadas
o en T o esquineras (figura 7-A), las soldaduras de filete también pueden usarse
con soldaduras de ranura para reforzar uniones de esquina. En una unión T
oblicua, el ángulo incluido del deposito de soldadura puede variar hasta 30o con
respecto a la perpendicular, y una esquina del borde que va a ser conectado
puede levantarse, hasta 3 1/ pulg. Si la separación es mayor que /16 16 pulg., el
cateto de soldadura debe aumentarse en la cantidad de la abertura de la raíz.
Fig 7-A.- Tipos de soldaduras de filete..
- Soldaduras de ranura.
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Se hacen en una ranura entre los bordes de las dos partes que se van a
unir. Estas soldaduras generalmente se usan para conectar dos placas que
están en el mismo plano (unión a tope), pero también pueden usarse para juntas
en T y en esquina.
Los tipos estándar de soldaduras de ranura se denominan según la forma
dada a los bordes que van a soldarse: cuadrada, en V, en doble V, de bisel solo,
de doble bisel, en U en doble U, en J y en doble J (figura 8-A). Los bordes
pueden formarse con escoplo, por corte con soplete o con cepillo. El material de
hasta 5/8 pulg. de espesor se le puede aplicar soldadura de ranura con bordes
de sección cuadradas, dependiendo del procedimiento de soldadura.
Fig 8.A.- Detalles de soldaduras de ranura.
Las soldaduras de ranura deben extenderse a todo lo ancho de las partes
unidas. No se admiten las soldaduras de ranuras intermitentes ni las uniones a
tope no soldadas completamente a través de la sección transversal.
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Las soldaduras de ranura también pueden clasificarse como soldaduras
de penetración completa y soldaduras de penetración parcial.
- Soldadura de penetración completa. En este tipo el material de soldadura y el metal base se fusionan a través
de la profundidad de la unión, este tipo de soldadura se hace soldando desde los
lados de la junta o desde un lado hasta una barra o soldadura de respaldo.
Cuando la articulación se hace soldando desde los dos lados, la raíz de la
soldadura del primer pase se pica o se escoplea hasta quede el metal limpio
antes de hacer una soldadura en el lado opuesto, o pase posterior. La dimensión
de la garganta de una soldadura de ranura de penetración completa, para los
cálculos de esfuerzo, es el espesor total de la parte unida más delgada,
excluyendo el refuerzo de la soldadura.
- Soldadura de penetración parcial.
Estos se usan por lo general cuando las fuerzas que van transferirse son
pequeñas, a los bordes puede no dárseles forma en todo el espesor de la junta.
Y la profundidad de la soldadura puede ser menor que el espesor de la unión
(figura 8-A). Pero incluso se les da forma totalmente, las soldaduras de ranura
hechas desde un lado sin una platina de respaldo o hechas desde los dos lados
sin escopladura posterior se consideran soldaduras de penetración parcial. Se
usan por lo general para empalmes en columnas de edificios que soportan
únicamente cargas axiales.
- Soldaduras de tapón y de muesca.
Estas se usan para transmitir el esfuerzo cortante en uniones traslapadas
y para impedir el pandeo de las partes traslapadas. En edificios, pueden usarse
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también para unir componentes armados (sin embargo, las soldaduras de tapón
o de muesca no se permiten en el acero A514). Las soldaduras se hacen con las
partes traslapadas en contacto, depositando metal en soldaduras en agujeros
circulares o alargados en una parte. Las aberturas pueden rellenarse parcial o
totalmente dependiendo de su profundidad. La capacidad de carga de un tapón
o de una muesca completamente soldados es igual al producto del área del
agujero por el esfuerzo admisible. A menos que la presentación sea una
consideración importante, es preferible una soldadura de filete en los agujeros o
muesca.
2.2.2.6.- Posiciones de soldadura. Según McCormac (1999), las posiciones básicas de soldeo son (Ver Fig.
9-A):
Plana, con la cara de la soldadura casi horizontal. El electrodo esta casi
toda en posición vertical, y el soldeo se efectúa desde la parte de arriba de la
junta.
Horizontal, con el eje de la soldadura en posición horizontal. Para las
soldaduras de ranura, la cara de la soldadura está casi vertical. Para las
soldaduras de filete, por lo general la cara de la soldadura está casi a 45 grados
con respecto a las superficies horizontal y vertical.
Vertical, con el eje de la soldadura en posición vertical (la soldadura se
hace hacia arriba).
Sobrecabeza, con la cara de la soldadura casi en posición horizontal. El
electrodo está casi vertical, y la soldadura se efectúa desde debajo de la junta.
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Fig 9-A.- Tipos de posiciones de soldaduras.
Siempre que sea posible, la soldadura debe hacerse en posición plana, el
metal de las soldaduras puede depositarse mas rápida y fácilmente. Por lo
general se obtienen las mejores soldaduras y más económicas.
Las especificaciones de la ASW exigen que únicamente se use la
posición plana para la soldadura de arco sumergido, excepto para ciertos
tamaños de soldadura de filete. Las soldaduras de filete de un solo pase pueden
hacerse en posición plana o en posición horizontal en tamaños hasta de 5/16
pulg. con un solo electrodo y hasta de ½ con electrodos múltiples. Las demás
posiciones están prohibidas.
Cuando las juntas con soldaduras de ranura pueden hacerse en la posición
plana, usualmente los procesos de arco sumergido y de arco metálico de gas
son más económicos que en el proceso manual de arco metálico protegido,
además de que estos tipos de procesos solo se realizan en las fabricas y no en
campo.
2.2.2.7.- Criterios generales para las conexiones con soldadura.
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Restricciones a las dimensiones de la soldadura de filete. Para un determinado tamaño de soldadura de filete, la tasa de
enfriamiento es más rápida y la restricción es mayor con las placas gruesas que
con placas delgadas. Para impedir el agrietamiento debido a esfuerzos internos
resultantes, las especificaciones establecen tamaños mínimos para las
soldaduras de filete, dependiendo del espesor de la placa.
Para impedir sobre esfuerzos del material base en una soldadura de
filete, las especificaciones estándar también limitan el máximo tamaño de la
soldadura. Éstas exigen que los esfuerzos admisibles en el material base
adyacente no se sobrepasen cuando una soldadura de filete se somete a
esfuerzo a su capacidad permitida.
Restricciones a las dimensiones de las soldaduras de tapón y de muesca. En material 5/8 pulg o menos grueso, el espesor de las soldaduras de
tapón o de muesca debe ser el mismo que el del material. En el material de más
de 5/8 pulg de espesor, el espesor de la soldadura debe tener por lo menos la
mitad del espesor del material.
La soldadura de muesca puede especiarse a una proximidad no mayor
que cuatro veces su ancho en dirección transversal a la longitud de la muesca.
En la dirección longitudinal, el espaciamiento centro a centro debe ser por lo
menos el doble de la longitud de la muesca.
2.2.2.8.- Procedimiento de la soldadura Las soldaduras deben clasificarse y efectuarse únicamente por soldadores,
operarios y aplacadores de soldadura de puntos, que estén calificados tal como
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se dispone en la norma D1.1 de la ASW para edificios y D1.5 de la ASW para
puentes.
No deben permitirse la soldadura bajo ninguna de las siguientes
condiciones:
• cuando la temperatura ambiente es inferior a 00F.
• cuando las superficies están húmedas o expuestas a lluvia, nieve o
viento intenso.
• Cuando los soldadores están expuestos a condiciones de inclemencia.
Las superficies y los bordes que van a soldarse deben ser libres de
aletas, desgarramientos, grietas y otros defectos. Además, las superficies en las
soldaduras y cerca de éstas deben estar libres de cascarilla suelta, escoria,
oxido, grasa, humedad y cualquier otro tipo de material que pueda impedir el
soldeo apropiado. No obstante, las especificaciones ASW permiten dejar
cascarilla de laminación que resista un fuerte cepillado con grata de alambre,
una ligera película de aceite secador o un compuesto contra salpicadura. Pero
las especificaciones exigen eliminar toda la cascarilla de laminación de las
superficies sobre las cuales se van hacer soldaduras entre aletas y almas por
soldeo de arco sumergido o arco metálico protegido con electrodos de bajo
contenido de hidrogeno.
En general, los procedimientos y las secuencias de soldadura deben
evitar la distracción innecesaria y deben minimizar los esfuerzos de contracción.
A medida que avanza la soldadura, éstas deben depositarse de modo que se
equilibre el calor aplicado. La soldadura de un miembro debe avanzar desde los
puntos donde las partes están relativamente fijas en posición hacia los puntos
donde los puntos tienen una mayor libertad relativa de movimiento. Cuando sea
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posible evitar altos esfuerzos residuales en las soldaduras de cierre de un
ensamblaje rígido, estas soldaduras deben hacerse en elementos a compresión.
Las juntas en que se espera una contracción importante deben soldarse
antes que aquellas donde se espera una menor contracción, y la restricción
debe mantenerse al mínimo.
Con un enfriamiento demasiado rápido podrían formarse agrietamientos
en la soldadura y las posibles causas serian la contracción de la soldadura. Con
el fin de evitar agrietamientos y por otras razones, las especificaciones estándar
exigen que bajo ciertas circunstancias, antes de hacer una soldadura se debe
precalentar el metal de base. La temperatura de la soldadura debe mantenerse a
su mínimo mientras se avanza en la ésta.
Las soldaduras de puntos y las otras soldaduras temporales están sujetas
a los mismos requerimientos de calidad que las soldaduras finales, sin embargo,
en las soldaduras de puntos no es obligatorios que las soldaduras de un solo
pase vuelvan a fundirse y se incorporen dentro de las soldaduras continuas de
arco sumergido.
2.2.2.9.- Calidad de la soldadura.
Un requisito básico de todas las soldaduras es la completa fusión de la
soldadura y el metal base y de las capas consecutivas de metal de soldadura.
Además, las soldaduras no deben estas disminuidas por cráteres, socavaciones,
traslapos, porosidad o agrietamiento (las normas D1.1 y D1.5 de la ASW indican
las tolerancias aceptables para estos defectos). Si se presentan cráteres,
concavidad excesiva o soldadura de tamaño insuficiente en la longitud efectiva
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de una soldadura, éstas deben limpiarse y rellenarse en toda la sección
transversal de la soldadura. Generalmente las socavaciones deben repararse
depositando metal de soldadura para restaurar la superficie original, el traslapo
puede ocasionar concentraciones de esfuerzo, y la convexidad deben reducirse
esmerilando el material sobrante. Si se presenta exceso de porosidad,
inclusiones excesivas de escoria, o fusión incompleta, las porciones defectuosas
deben quitarse y volver a soldarse. Si se presentan grietas, su extensión debe
ser determinada por marcación de acido, inspección con partículas magnéticas
u otros medios igualmente positivos.
Los requerimientos de calidad de la soldadura dependen del trabajo que
las soldaduras van hacer. Los requisitos excesivos son antieconómicos. El
tamaño, longitud y penetración siempre son importantes para una soldadura
sometida a un esfuerzo y deberían cumplir totalmente los requerimientos de
diseño. Por otra parte, la socavación no debe permitirse en las conexiones
principales como las de armaduras y arrostramientos, pero podrán permitirse
cantidades pequeñas en conexiones menos importantes, como las de
entramado de plataforma en un edificio industrial.
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO III
MARCO METODOLOGICO
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3. 1.- Tipo de Investigación.
El tipo de investigación en este trabajo especial de grado, corresponde a
un proyecto factible basado en un estudio descriptivo, ya que pretende medir o
recoger información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o
las variables a las que se refieren (Hernandez, Fernandez, Baptista, 2006). Está
dirigida a describir relaciones e interacciones de la variable en estudio dentro de
una situación realista, como es la recopilación de detalles típicos que muestren
las uniones y su instalación en los elementos estructurales de acero.
Este trabajo está dirigido a describir de manera práctica toda una serie de
detalles constructivos recopilados en bibliografías existentes, de manera tal,
proponer un manual práctico con toda la información necesaria a la hora de
diseñar e instalar uniones en elementos estructurales de acero, que cumplan
con todas las exigencias y normativas vigentes par tales fines.
3.2.- Diseño de investigación.
El diseño de investigación es de tipo no experimental, ya que se trata de
estudios donde no hacemos variar en forma intencional las variables
independientes para ver su efecto sobre otras variables, lo que hacemos es
observar fenómenos tal como se dan en su contexto natural (Hernández,
Fernandez, Baptista, 2006), se recolecto toda la información sobre detalles
típicos e instalación de uniones de elementos estructurales de acero para que
cumplan con todas las normativas vigentes exigidas (COVENIN). La información
se recopilo de diferentes referencias bibliográficas existentes y bajo la
supervisión de expertos en la materia.
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3.3.- Población.
Las poblaciones deben situarse claramente en torno a sus características
de contenido, de lugar y en el tiempo. Este conjunto de todos los casos que
concuerdan con determinadas especificaciones (Hernández, Fernández,
Baptista, 2006).
En este caso la población son los detalles tipicos de los elementos
estructurales de acero.
3.4.- Muestra.
La muestra es un subconjunto de elementos que pertenecen a ese
conjunto definido en sus características al que llamamos población, y en nuestro
caso es una muestra no probabilística ya que la población en la que la elección
de los elementos no depende de la probabilidad sino de las características de
las investigación (Hernández, Fernández, Baptista, 2006).
La muestra es no probabilística, fue seleccionada de forma intencional y
se establecieron los siguientes criterios que debían cumplir para participar en el
proyecto de investigación:
• Uniones de pernos y soldadura en elementos estructurales de acero.
3.5.- Técnicas de recolección de datos.
Se elabora un plan detallado de procedimientos que conduzcan a reunir datos
con un propósito específico.
a) Observación documental:
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Se estudiaron fuentes primarias, que son aquellas que contienen
información no abreviada y en su forma original. Son todos los conocimientos
científicos o hechos e ideas estudiados bajo nuevos aspecto (Bavaresco, 1979).
Dentro de estas fuentes primarias podemos mencionar que se estudiaron estas:
• Manuales de detalles constructivos de empresa Conduven.
• Folletos.
• Tablas de la Siderúrgica del Orinoco (SIDOR).
• Textos en bibliotecas.
• Trabajos de Investigación similares.
• Páginas de bibliotecas vía Internet tal como es el caso de
www.detallesconstructivos.es.cype.com
b) Entrevistas.
La entrevista es una técnica que se utiliza para obtener información que
permita profundizar en un fenómeno determinado. Generalmente las entrevistas
comparten una estructura básica en la que el investigador tiene las preguntas y
el sujeto da las respuestas.
El investigador debe llevar una entrevista determinada con el fin de
buscar un objetivo, y existen varios tipos de entrevistas según el grado de
profundidad de las preguntas, las cuales son: estructuradas, semi-estructuradas,
abiertas, no estructuradas, mixtas, entre otras.
Entrevista estructurada: se basan en un marco de preguntas
predeterminadas. Las preguntas se establecen antes de que inicie la entrevista y
todo solicitante debe responderla.
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Este enfoque mejora la contabilidad de la entrevista, pero no permite que el
entrevistador explore las respuestas interesantes o poco comunes. Por eso la
impresión de entrevistado y entrevistador es la de estar sometidos a un proceso
sumamente mecánico.
Con el apoyo en los autores anteriores, para este estudio se escogió la
elaboración de un cuestionario estructurado y multipropósito como técnica de
recolección de información (ver anexo).
La finalidad del cuestionario era obtener información sobre la visión y las
necesidades que tienen los proyectistas actuales, para guiar nuestra
investigación hacia la solución de esas.
• Técnicas de lectura evaluativo
Esta se utiliza para realizar una lectura crítica; es decir aquella que no
solo permite comprender el mensaje del autor sino también lo valora.
En esta investigación se utilizaron las técnicas de lectura evaluativa, debido a
que se realizó una revisión analítica del material resultante del cuestionario
aplicado a los expertos.
3.6.- Validación del Instrumento de recolección de información.
La validez se refiere al grado con que un instrumento realmente mide lo
que pretende medir, mide todo lo que el investigador quiere medir y si mide solo
lo que se quiere medir. La validez está en relación directa con el objetivo del
instrumento.
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Para obtener la validez del cuestionario elaborado, el mismo se sometió al
juicio de tres (3) expertos, los cuales debían evaluar si cada pregunta tenía
perfecta pertinencia con el indicador, el objetivo y la variable de estudio, así
como su correcta redacción.
En la siguiente tabla se muestra la lista de los expertos que validaron las
preguntas de esta investigación.
Tabla Nº. Jueces expertos validadores.
NOMBRE AREA LABORAL COMPAÑÍA DONDE
PROFESIÓN EJERCE
Fernando
Urdaneta
Docencia / Consultoría Ingeniero Civil, Profesor jubilado de
luz
LUZ
Armando Cayama Consultoria Ingeniero Civil Consuserca
Adnan El Maaz Construcción Ingeniero Civil Vialpa
Fuente: Elaboración propia.
3.7.- Fases de la investigación.
Para la elaboración de la presente investigación se realizo el siguiente
procedimiento por fases:
- Búsqueda y selección del problema de investigación. Planteamiento
del mismo. Planteamientos de objetivos generales y específicos.
Delimitación del estudio.
- Presentación del anteproyecto ante la dirección de Ingeniería Civil,
para su aprobación.
- Búsqueda de trabajos de investigación y experiencias anteriores
relacionadas con el tema en estudio que sirvieran como antecedentes
al presente trabajo de investigación.
- Documentación sobre elementos estructurales de acero y detalles
estructurales de uniones de acero.
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- Recaudación de las características sobre cada tipo de unión
estructural de acero.
- Clasificación de los tipos de uniones aplicables en los diferentes
elementos estructurales de acero.
- Identificación de la correcta instalación y colocación de uniones de
elementos estructurales de acero.
- Formulación del marco metodológico de la investigación: Tipo y
Diseño de la investigación, determinación de la población y la muestra
de estudio.
- Selección y elaboración del instrumento de recolección de
información.
- Validación del instrumento por parte de expertos.
- Elaboración el manual de detalles típicos de uniones de elementos
estructurales de acero.
3.8.- Tratamiento de los resultados
Al obtener las respuesta del cuestionario por parte de los expertos,
obtuvimos cual era su visión y sus necesidades. Esto nos ayuda a guiar nuestro
manual y adaptarlos a esas necesidades, tratando temas como diseño y los
detalles típicos que mas se utiliza el ingeniero proyectitas y personas afines.
Preguntas:
1. ¿Se toma en consideración el diseño de uniones con remaches en la
actualidad?
2. ¿Los detalles típicos constructivos de uniones de elementos de acero son
de utilidad para los ingenieros constructores o personas afines?
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3. ¿La elaboración de un manual donde estuviera explicado el diseño de
uniones y los detalles típicos de estas serian un aporte importante para la
comunidad de ingenieros?
4. ¿Cual es el método de diseño mas utilizado entre los proyectitas de acero
de Venezuela?
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CAPITULO IV
ANALISIS DE RESULTADOS
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4.2.- Análisis y Discusión de los Resultados.
La información que se obtuvo fue clasifica de acuerdo a su función, ya
que esta dirigida al diseño, fabricación o instalación de las uniones en elementos
estructurales de acero, con el propósito de dar soluciones a interrogantes que se
plantean en cada una de estas áreas.
Es fehaciente que las partes más importantes de las estructuras de
elementos estructurales de acero son las uniones, ya que por ellas es donde
ocurren generalmente las fallas. También son las de mayor costo unitario entre
los elementos constructivos debido a su complejidad tanto en diseño, fabricación
y montaje de cada uno de estas.
En el análisis de la investigación se determinó el método de diseño y los
detalles típicos que tuvieran un valor al momento de la fabricación e instalación
de las uniones. Los ingenieros e interesados podrán consultar entre las distintas
opciones que tienen para realizar cierto trabajo y definir cuales de ellas serán
más idóneas para su ejecución y rentabilidad.
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CONCLUSIONES
La información que se recaudo provino de manuales y libros que se
encuentran actualmente en circulación, estos están regidos bajo las normas del
AISC y las normas Covenin.
Durante la etapa de recopilación de información se clasificaron los
detalles típicos principalmente en uniones tipo: columnas-viga, viga-viga,
columna-columna, columna-base, uniones en cerchas. Estas son las más
comunes, y brindan una idea bastante clara sobre los aspectos más importantes
que influyen en ellas.
En el recaudo información sobre los métodos de instalación y colocación
de uniones de elementos de acero más utilizados en la actualidad, se obtuvo en
el caso de los pernos que el método más utilizado es la llave de impacto,
mientras que en el área de soldadura, las soldaduras de filete y de ranura son
las comunes por su gran utilidad en los diferentes tipos de uniones.
La elaboración del manual cumple con el fin de ser un objeto de consulta
por los ingenieros, arquitectos y estudiantes; los detalles mostrados en este
manual cumplen con todas las especificaciones y normas vigentes para tales
fines. Además de tener un gran valor a la hora de diseño, también será utilizado
en la obra por los ingenieros residentes e inspectores, los cuales mediante la
utilización de este manual, podrán analizar los planos y trabajos realizados, o en
su defecto recomendar la sustitución de alguno o en su totalidad de ellos, para
proponer otro que crea más conveniente.
A medida la ciencia avanza, nuevos descubrimientos podrán ser
aplicados en las obras, por lo que el ingeniero debe mantener actualizado y
considerar necesaria la consulta a documentos y manuales que permitan una
mejor visualización constructiva de las mismas.
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RECOMENDACIONES
♦ Utilizar este manual de uniones para la elaboración de diseños y
proyectos de estructuras con elementos de acero, para lograr la máxima
optimización de los recursos de material, mano de obra y equipos en el
tiempo de ejecución de las mismas.
♦ Realizar programas adiestramiento para el personal de obra y para toda
aquella persona que se encuentre relacionada directa o indirectamente
con el diseño y construcción de estructuras con perfiles de aceros
estructurales, con el fin de reducir los errores en el área de uniones tanto
en la parte de diseño, como en la construcción.
♦ Es importante que el manual este disponible para estudiantes, ingenieros
residentes, inspectores, arquitectos y afines, así como también a
empresas contratistas y consultores y a todos aquellos entes que lo
requieran a nivel de consulta.
♦ Es de gran importancia el mantener actualizadas las Normas y
Procedimientos de éste compendio de información con el fin de ir
mejorando la calidad de los manuales.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
• Urdaneta P., Fernando, Estructuras de Acero, edición, LUZ,
Maracaibo,1997.
• McCormac, Jack C., Diseño de Estructuras de Acero: Metodo ASD, 4ª
edición, HarperCollins Publisheres, Inc., New York, U.S.A., 2005.
• Brockenbrough Roger L., Merritt Frederick S., Diseño de Estructuras de
Acero, 2da edicion, McGraw-Hill, Santafe de Bogota, D.C., Colombia,
2004.
• American Institute of Steel Construction, AISC, Manual of Steel
Construction, [en linea],2007, http://search.aisc.org/query.html, [5
noviembre 2007]
• CYPE, Detalles Constructivos Metalicos, Hormigon y Mixtos,[en
linea],2007 http://detallesconstructivos.cype.es/EAG.html, [consulta 15
septiembre 2007]
• Chamblas P., Hugo E., Símbolos de Soldadura A.W.S., Tecnoconsult,
Maracaibo, Zulia, 2003.
• SIDETUR, Manuel de Proyecto de Estructuras de Acero,2005.
• C.A. CONDUVEN., Tubos Estructurales, 2003
• Clement., Gabriel V., Juntas en Edificios de Acero, Revista Ingenierñia
e Investigación VOL. 26 No.1, Abril de 2006 69-77.
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