331. El 33acero Com333o Material e33structural

1 Universidad Autónoma de Chiapas

Facultad de Ingeniería

Diseño de Estructuras de Acero M. I. José Filiberto Santos Hernández

DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

1. El acero como material estructural

1.1. Fabricación

3000 a. C. Se emplean ya utensilios tales como herramientas y adornos hechos de "acero" en el

antiguo Egipto. Se encuentran dagas y brazaletes de hierro en la pirámide de Keops con más de 5000 años de antigüedad.

1000 a. C. Inicio de la edad del hierro, primeros indicios en su fabricación se cree que un incendio

forestal en el monte de la antigua Troya (actual Turquía) fundió depósitos ferrosos produciendo

hierro. Otros creen que se comenzó a emplear a partir de fragmentos de meteoritos donde el hierro

aparece en aleación con Níquel.

490 a. C. Batalla de Maratón Grecia. Los atenienses vencen con sus armas de hierro a los persas,

que aún emplean el bronce, con un balance de 6400 contra 192 muertos.

100 a. C. Se cree que el primer acero se fabricó por accidente al calentar hierro con carbón vegetal

siendo este último absorbido por la capa exterior de hierro que al ser martillado produjo una capa

endurecida de acero. De esta forma se llevó a cabo la fabricación de armas tales como las espadas de Toledo y

1779 d. C. Se construye el puente Coalbrokedale de 30 m de claro, sobre el río sueon en Shropshire.

Se dice que este puente cambia la historia de la revolución industrial, al introducir el hierro como

material estructural, siendo el hierro 4 veces más resistente que la piedra y 30 veces más que la madera.

1819 Se fabrican los primeros ángulos laminados de hierro en E.U.A.

1840 El hierro dulce más maleable, comienza a desplazar al hierro fundido en el laminado de perfiles.

1848 Willian Kelly fabrica acero con el proceso Bessenor en E.U.A.

1855 Henry Bessenor consigue una patente inglesa para la fabricación de acero en grandes

cantidades Kelly y Bessenor observan que un chorro de aire a través del hierro fundido quema las impurezas del metal, pero también eliminaba el carbono y magnesio.

1870 Con el proceso Bessenor se fabrican grandes cantidades de acero al bajo carbono.

1884 Se terminan las primeras vigas IE (I estándar) de acero en E.U.A. La primera estructura reticular el edificio de la Home Insurance Company de Chicago, Ill. Es montada.

William Le Baron Jerry diseña el primer "rascacielos" (10 niveles) con columnas de acero

recubiertas de ladrillo. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabrican en hierro forjado, mientras

que las de los pisos restantes se fabrican en acero.

1889 Se construye la torre Eiffel de París, con 300 m de altura, en hierro forjado, comienza el uso de elevadora para pasajeros




Acero: Aleación de hierro (99 %) y carbono (1 %) y de otros elementos de la más alta resistencia

mecánica

La materia prima para la fabricación del acero es el mineral de hierro, coque y caliza.

Mineral de hierro: Elemento químico natural y metálico de gran resistencia mecánica (Fe), tiene un

color rojizo debido al óxido de fierro.

Coque: Es el producto de la combustión del carbón mineral (grafito) es ligero, gris y lustroso.

Para convertir el coque en carbón mineral se emplean baterizo de hierro donde el carbón se coloca

eliminándole el gas y alquitran, después es enfriado, secado y cribado para enviarlo a los altos hornos.

Piedra caliza: Es carbonato de calcio de gran pureza que se emplea en la fundición de acero para eliminar sus impurezas.

El primer producto de la fusión del hierro y el coque se conoce como arrabio, el cual se obtiene

aproximadamente a los 1650 0 C.

Una vez en el alto horno, los tres componentes se funden a los 1650 ºC, que aviva el fuego y quema

el coque, produciendo monóxido de carbono el cual produce más calor y extrae el oxígeno, del

mineral de hierro dejándolo puro. La alta temperatura funde también la caliza, que siendo menos

densa flota en el crisol combinándose con las impurezas sólidas del mineral formando la escoria, misma que se extrae diez minutos antes de cada colada.

Para obtener una tonelada de arrabio, se requieren aproximadamente las siguientes cantidades de materia prima:

1600 Kg de mineral de hierro.

700 Kg de coque.

200 Kg de piedra caliza.

4000 Kg de aire inyectado gradualmente.

Los hornos de hoyo abierto se cargan con las cantidades indicadas, mismo que se introducen con algo de chatarra para reciclarlo mediante grúas mecánicas.

Además se agregan 200 toneladas de arrabio líquido para completar la carga. Dentro del horno, la

carga formada por 1/3 parte de chatarra y 2/3 partes de arrabio. Se refina por calor producido al quemar gas natural o aceite diesel y alcanzar temperaturas mayores a los 1650

0 C.

Durante 10 horas se mantiene la mezcla en ebullición eliminando las impurezas y produciendo así

acero. Algunos otros elementos como silicio, manganeso, carbono, etc., son controlados en la

proporción requerida para el acero a producir.

La caliza fundida aglutina las impurezas de la carga retirándola de acero líquido y formando la

escoria que flota en la superficie. Mientras tanto se realizan pruebas para verificar la calidad del acero.

Cuando la colada alcanza las especificaciones y condiciones requeridas se agregan "ferroligas"

(substancias para hacer aleaciones con el hierro y dar propiedades especiales).




Después de alcanzar las condiciones de salida, la colada se "pica" con un explosivo detonado

eléctricamente, permitiendo la salida del acero fundido para recubrirse en ollas de 275 toneladas c/u de donde se vacía a los lingotes de 9 a 20 toneladas.

Laminación

La laminación del lingote inicia con un molino desbastador, el lingote de acero calentado a 1330 0 C

se hace pasar entre dos enormes rodillos arrancados por motores de 3500 H.P. convirtiéndolo en

lupias de sección cuadrada o en planchones de sección rectangular. Ambos son la materia prima para obtener placa laminada, perfiles laminados, rieles, varilla corrugada, alambrón, etc.

Laminado en caliente:

Es el proceso más común de laminado y consiste en calentar la lupia (o planchón) a una temperatura

que permita el comportamiento plástico del material para así extruirlo en los "castillos" de laminado

y obtener las secciones laminadas deseadas.

Laminado en frío

Es un proceso que permite obtener secciones con un punto de fluencia más elevado, al extruir el

material a temperatura completamente más baja que la del laminado en caliente.




El acero como material estructural

Ventajas:

Homogeneidad: Las propiedades del acero no se alteran con el tiempo, ni varían con la localización en los elementos estructurales.

Precisión dimensional: Los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten

establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección.

Rapidez de montaje: La velocidad de construcción en acero es muy superior al resto de los materiales.

Disponibilidad de secciones y tamaños: El acero se encuentra disponible en perfiles para optimizar su uso en gran cantidad de tamaños y formas.

Costo de recuperación: Las estructuras de acero de desecho, tienen un costo de recuperación en el

peor de los casos como chatarra de acero.

Reciclable: El acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina.

Permite ampliaciones fácilmente: El acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos de manera relativamente sencilla.

Se pueden prefabricar estructuras: El acero permite realizar la mayor parte posible de una

estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo mayor exactitud.

Desventajas:

Corrosión: El acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con

esmaltes alquidálicos (primarios anticorrosivos) exceptuando a los aceros especiales como el inoxidable.

Calor, fuego: En el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras haciendo

disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente,

debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes) como mortero, concreto, asbesto, etc.

Pandeo elástico: Debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles esbeltos sujetos a

compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicos las columnas de acero.

Fatiga: La resistencia del acero (así como del resto de los materiales), puede disminuir cuando se

somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos

a tensión (cargas pulsantes)




1.2 Propiedades mecánicas del material

Las características más importantes del acero se obtienen de las curvas esfuerzo – deformación las

cuales se construyen mediante ensayes de tensión efectuados sobre probetas estándar. Es importante

referir los ensayes a probetas estándar, debido a que los resultados difieren según el tamaño y la

forma de éstas. Se considera que las curvas esfuerzo – deformación en compresión tienen la misma

forma que las de tensión. La ASTM (American Society for Testing and Materialas) establece las

características que deben tener las probetas según el tipo de acero por estudiar.

Los aceros usados en la construcción pueden dividirse en dos grupos, los que tienen un límite de

fluencia bien definido y los que no lo tienen.

Los del primer grupo son los aceros laminados en caliente y los del segundo son los laminados en

frio.

Esf

uer

zo

DeformaciónA B C D

1

2

3

4

Diagrama Esfuerzo – Deformación Unitaria de acero laminado en caliente

1. Esfuerzo Máximo, 2. Límite de fluencia superior, 3. Límite de fluencia inferior, 4. Límite de proporcionalidad

A. Rango elástico, B. Flujo Plástico, C. Endurecimiento por deformación, D Estrangulamiento y fractura




Entre las principales propiedades mecánicas de los materiales se tiene:

El Módulo de Elasticidad (Módulo de Young), corresponde a la porción recta de las curvas

esfuerzo – deformación varía según el tipo de acero (2 – 2.1) x 106 kg/cm

2, el acero es el material

que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar

esfuerzos muy altos

Límite de proporcionalidad y elástico: Difieren muy poco entre sí, de tal manera que, para

propósitos prácticos se acostumbra considerar que son iguales.

La forma de definir el límite de fluencia es diferente según la clase de acero. En los aceros

laminados en caliente la zona de fluencia está claramente definida. En algunos casos puede

distinguirse un límite de fluencia superior y uno inferior. Cuando esto sucede suele considerarse

únicamente el límite de fluencia inferior. Sin embargo son comunes los aceros en los que se

distingue un solo esfuerzo de fluencia. En aceros trabajados en frio, que no tienen límite de fluencia

definido, suele fijarse un límite de fluencia la convencional que indica dónde la curva esfuerzo –

deformación cambia de pendiente en forma apreciable, una recomendación típica consiste en

considerar como límite de fluencia el esfuerzo correspondiente a una deformación unitaria

permanente de 0.002

Diagrama Esfuerzo – Deformación Unitaria de acero laminado en frio

f

B

Esfuerzo de fluencia

0.002 0.004 0.006

fy




Variabilidad e índice de resistencia

El índice de resistencia más utilizado para identificar un acero es el esfuerzo de fluencia ( ). Es la

propiedad más importante que diferencia a los aceros estructurales. El empleo de este índice, así

como de las demás características de los diagramas esfuerzo – deformación, en la predicción del

comportamiento de los elementos estructurales tiene limitaciones, puesto que las condiciones reales

de uso de la estructura pueden no corresponder a las condiciones en que se efectúan los ensayos

estándar. Los ensayes se efectúan bajo ciertas condiciones de velocidad. Debe esperarse por lo tanto

que las resistencias de los elementos estructurales varíen según las condiciones de carga

mencionadas, lo que debe tenerse en cuenta al establecer correlaciones entre los índices de

resistencia y el comportamiento probable de los elementos estructurales.

Así, las temperaturas bajas y la deformación rápida tienden a aumentar el esfuerzo de fluencia y la

resistencia, pero disminuyen la ductilidad. Después de que todas las regiones elásticas se han

agotado, a deformaciones, de 4 a 25 veces la deformación unitaria elástica, el esfuerzo empieza a

crecer y se inicia un endurecimiento o reforzamiento por deformación más general. A temperaturas

altas sucede lo contrario.

También es significativo la geometría de los perfiles estructurales. Los elementos pequeños tienden

a tener esfuerzos de fluencia y resistencia mayores que los grandes.

Módulo de Poisson

Varía entre 0.25 y 0.33

Ductilidad

El acero es un material muy dúctil. En un acero laminado en caliente, por ejemplo la deformación

unitaria en falla puede llegar a ser de 150 a 200 veces la correspondiente a la fluencia. Por lo

común, la ductilidad del acero disminuye al aumentar su resistencia y el contenido de carbono. Los

tratamientos en frío también suelen disminuir la ductilidad. El proyectista debe recordar que al usar

aceros de muy alta resistencia está sacrificando ductilidad.

Una medida usual de la ductilidad del acero el porcentaje de alargamiento en la ruptura, medida

sobre una longitud estándar. Los datos de porcentaje de alargamiento deben ir siempre

acompañados de las longitudes de medición respecto a las cuales fueron determinadas. Las

longitudes especificadas son muy variables. Mientras que para alambres de presfuerzo a veces se

considera una longitud de sólo 10 diámetros, en acero para perfiles estructurales es común una

longitud de 20 cm.

Los valores típicos del porcentaje de alargamiento varían entre 5 y 20 %

Otros índices son la deformación correspondiente a la falla, la amplitud de la zona de fluencia en

aceros laminados en caliente y para varillas de fuerzo de concreto, el radio de doblado admisible.




Coeficiente de dilatación térmica

Para cálculo de efectos de temperaturas suele considerase un valor promedio

Facilidad de unión con otros miembros: El acero en perfiles se puede conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura con otros perfiles.

Tenacidad: El acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación

(elástica e inelástica). Los aceros estructurales son únicos en su tenacidad. La tenacidad puede

definirse como una combinación de resistencia y ductilidad. Después de que se inicia el intervalo de

endurecimiento por deformación en la prueba de tensión, el esfuerzo continúa creciendo y la

extensión inelástica del espécimen continúa en forma uniforme sin reducción local de la sección

transversal hasta que alcanza la carga máxima. El espécimen experimenta entonces una constricción

local llamada estricción.

Resistencia última a la tensión ( ): El esfuerzo nominal basado en el área original se llama

resistencia última a la tensión del material. La capacidad del acero de resistir deformación

inelástica sin fracturarse le permite también resistir fluencia local durante la fabricación y

construcción, por lo que puede ser cortado, punzonado, doblado y martillado sin daño visible.

Bajo ciertas combinaciones de circunstancias, las estructuras de acero pueden desarrollar grietas sin

una deformación dúctil prevé apreciable, por lo tanto debe evitarse las grandes concentraciones de

esfuerzos como en esquinas agudas. Los bordes recortados y los agujeros punzonados causan

también diminutas concentraciones de esfuerzos y daños en el material del borde, donde pueden

iniciarse grietas. La operación a temperaturas extremadamente bajas es otro factor que propicia la

fractura frágil.

Las propiedades de los perfiles y placas laminadas en caliente se encuentran en diversos manuales,

Manual AISC v14, AHMSA, IMCA, etc.

Los aceros laminados en caliente tienen un límite de fluencia bien definido

Existen también una amplia variedad de perfiles estándar y especiales formados en frío, estos no

tienen un límite de fluencia bien definido. Su uso en el diseño está controlado por la Specification

for the Design of Cold – Formed Steel Sructural Members del American Iron and Steel Institute y

su manual adicional.

La cita siguiente es el comentario sobre las especificaciones para miembros formados en frio.

“Los miembros formados en frío, a diferencia de las secciones laminadas en caliente, más pesadas,

se usan esencialmente en tres situaciones”:

1. Cuando cargas y claros moderados hacen antieconómicos a los gruesos perfiles laminados en

caliente.




2. Cuando, independientemente del espesor, se requieren miembros con configuraciones

transversales que no pueden producirse en forma económica por laminado en caliente o por

soldaduras de placas planas

3. Cuando se busca que los miembros portadores de carga también proporcione superficies útiles,

como en paneles de piso y paredes, tablero de techos y similares.

Tipos de aceros (Clasificación de acuerdo a las Normas Técnicas Complementarias para

Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas del Reglamento de Construcciones para el

Distrito Federal.

1.3 Materiales

Los aceros que pueden utilizarse en estructuras diseñadas de acuerdo con estas Normas, así como

los remaches, tornillos, conectores de cortante, metales de aportación y fundentes para soldadura,

son los que se indican en las secciones 1.3.1 a 1.3.7. Pueden utilizarse otros materiales y productos,

diferentes de los indicados, si son aprobados por el diseñador y la Administración. La aprobación

puede basarse en especificaciones publicadas que establezcan las propiedades y características del

material o producto, que lo hacen adecuado para el uso que se le pretende dar, o en ensayes

realizados en un laboratorio acreditado por la entidad de acreditación reconocida en los términos de

la Ley Federal sobre Metrología y Normalización.

En los Capítulos 5 (Conexiones) y 6 (Estructuras dúctiles) se incluyen recomendaciones

adicionales.

1.3.1 Acero estructural

B-254 (ASTM A36) Acero estructural.

B-99 (ASTM A529) Acero estructural con límite de fluencia mínimo de 290 MPa (2 950 kg/cm²).

B-282 (ASTM A242) Acero estructural de baja aleación y alta resistencia.

B-284 (ASTM A572) Acero estructural de alta resistencia y baja aleación al manganeso–

vanadio.

(ASTM A588) Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de hasta 100

mm grueso, con límite de fluencia con límite de fluencia mínimo

de 345 MPa (3 515kg/cm²).

(ASTM A913) Perfiles de acero de alta resistencia y baja aleación, de calidad

estructural, producidos por un proceso de tratamiento térmico

especial.

(ASTM A992) Acero estructural para perfiles H laminados para uso en edificios.

B-177 (ASTM A53,

grado B)

Tubos de acero, con o sin costura.

B-199 (ASTM A500) Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en frío,

con o sin costura, de sección circular o de otras formas.

B-200 (ASTM A501) Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en

caliente, con o sin costura.




En la tabla 1.1 se indican los valores de los esfuerzos Fy yFu de los aceros listados arriba.

Tabla 1.1 Esfuerzos Fy y Fu de aceros estructurales

Nomenclatura

NMX1 ASTM

2 MPa kg/cm

2 MPa kg/cm

2

B – 254 A36 250 2530 400 a 500 4080 a 5620

B – 99 A529 290 2950 414 a 585 4220 a 5975

B – 282 A242 290 2950 435 4430

320 3235 460 4710

345 3515 485 4920

B-284 A572 290 2950 414 4220

345 3515 450 4570

414 4220 515 5270

450 4570 550 5620

A992 345 3515 450 a 620 4570 a 6330

B-177 A53 240 2460 414 4220

B-199 A500(5)

320 3235 430 4360

B-200 A501 250 2530 400 4080

A588 345(6)

3515(6)

483(6)

4920(6)

A913 345 a 483(7)

3515 a 4920(7)

448 a 620(7)

4570 a 6330(7)

1Norma Mexicana

2American Society for Testing and Materials.

3Valor mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente al límite inferior de fluencia del material.

4Esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión. Cuando se indican dos valores, el segundo es

el máximo admisible. 5ASTM especifica varios grados de acero A500, para tubos circulares y rectangulares.

6Para perfiles estructurales; para placas y barras, ASTM especifica varios valores, que dependen del

grueso del material. 7 Depende del grado; ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70.

La dirección en que se laminan los perfiles y placas es la de mayor interés en el diseño de las

estructuras, por lo que el esfuerzo de fluencia en esa dirección, determinado por medio de ensayes

estándar de tensión, es la propiedad mecánica que decide, en la mayoría de los casos, el tipo de

acero que ha de emplearse. Sin embargo, otras propiedades mecánicas, tales como anisotropía,

ductilidad, tenacidad, facilidad de formado en frío, resistencia a la corrosión, pueden ser también

importantes para el comportamiento correcto de algunas estructuras. Cuando éste sea el caso, habrá

que remitirse a la literatura especializada para obtener la información que permita escoger el

material más adecuado.

1.3.2 Remaches

ASTM A502 Remaches de acero estructural; esta especificación incluye tres grados:

Grado 1 Remaches de acero al carbón para uso general;

Grado 2 Remaches de acero al carbono–manganeso, para uso con aceros; y

Grado 3 Semejante al Grado 2, pero con resistencia a la corrosión mejorada.

La certificación del fabricante constituye evidencia suficiente de conformidad con la norma.




1.3.3 Tornillos

H-118 (ASTM A307) Sujetadores de acero al carbono con rosca estándar exterior (Fu = 414MPa;

4220 kg/cm²).

H-124 (ASTM A325) Tornillos de alta resistencia para conexiones entre elementos de acero

estructural [Fu = 830 MPa (8 440 kg/cm²) para diámetros de13 a 25 mm (1/2 a 1 pulg.), Fu = 725

MPa (7380 kg/cm²) para diámetros de 29 y 38 mm (1 1/ 8 y1 ½ pulg.)].

H-123 (ASTM A490) Tornillos de acero aleado tratado térmicamente para conexiones entre

elementos de acero estructural (Fu = 1 035 MPa, 10 550 kg/cm²).

1.3.4 Metales de aportación y fundentes para soldadura

H-77 (AWS A5.1) Electrodos de acero al carbono, recubiertos, para soldadura por arco eléctrico.

H-86 (AWS A5.5) Electrodos de acero de baja aleación, recubiertos, para soldadura por arco

eléctrico.

H-108 (AWS A5.17) Electrodos desnudos de acero al carbono y fundentes para soldadura por arco

eléctrico sumergido.

H-97 (AWS A5.18) Metales de aporte de acero al carbono para soldadura por arco eléctrico

protegido con gas.

H-99 (AWS A5.20) Electrodos de acero al carbono para el proceso de soldadura por arco eléctrico

con electrodo tubular continuo.

1.3.5 Conectores de cortante de barra con cabeza para construcción compuesta

Los conectores de cortante de barra con cabeza que se utilizan en la construcción compuesta

(sección 3.6) deben fabricarse con barras que cumplan los requisitos de ASTMA108,

“Especificación para barras de acero al carbón, terminadas en frío, de calidad estándar, grados 1010

a1020”.

Las propiedades mecánicas principales de los conectores son:

Fy 345 MPa (3 515 kg/cm²) (correspondiente a una deformación permanente de 0.2 por ciento)

Fu 414 MPa (4 220 kg/cm²)

Elongación en 50 mm 20 por ciento, mínimo

Reducción de área 50 por ciento, mínimo

Las nomenclaturas B-XX o B-XXX y H-XX o H-XXX designan normas elaboradas por el Comité

Técnico de Normalización de la Industria Siderúrgica, oficializadas por la Dirección General de

Normas de la Secretaría de Comercio y Fomento Industrial; entre paréntesis se han indicado las

normas correspondientes de la Sociedad Americana de Ensayes y Materiales (ASTM) y de la

Sociedad Americana de la Soldadura (AWS).




1.3.6 Identificación

La especificación, incluyendo tipo o grado, en su caso, a que pertenecen los materiales o productos,

se identificará de alguna de las maneras siguientes:

a) Por medio de certificados proporcionados por el laminador o fabricante, debidamente

correlacionados con el material o producto al que pertenecen; o

b) Por medio de marcas legibles en el material o producto, hechas por el laminador o fabricante, de

acuerdo con la especificación correspondiente.

1.3 Comportamiento elástico y plástico

El acero tiene un comportamiento elástico hasta un esfuerzo alto. Se aplican las relaciones lineales

entre el esfuerzo y la deformación, definidas por la Teoría de la Elasticidad, los parámetro básicos

son el Esfuerzo de Fluencia ( ) y la deformación unitaria ( )

La zona de comportamiento plástico es en la cual el esfuerzo permanece prácticamente constante,

pera aumenta continuamente la deformación unitaria

El en el punto de falla o de ruptura, la deformación unitaria es de orden de 0.20 para el acero

estructural usando en la construcción de estructuras.

1.4 Métodos de diseño

En forma paralela al desarrollo del hierro y el acero como materiales de construcción, se tuvieron

avances en las técnica de pruebas de materiales y en análisis estructural que hicieron posible la

transición del diseño estructural de un arte a una ciencia aplicada, Hooke (1660) demostró que la

carga y la deformación son proporcionales y Bernoulli (1705) introdujo el concepto de que la

resistencia de una viga en flexión es proporcional a la curvatura de la viga. Bernoulli comunicó este

concepto a Euler, quien en 1744 determinó la curva elástica de una columna esbelta bajo carga de

compresión. Entre los desarrollos más importantes del siglo XIX se cuenta:

1. La manufactura de instrumentos mecánicos medidores de deformación que hicieron posible la

determinación de los módulos elásticos que relacionan el esfuerzo con la deformación unitaria.

2. Las teorías correctas para el análisis de esfuerzos y deformaciones que resultan de la flexión o la

torsión de un elemento estructural.

La extensión de las teoría del pandeo de columnas al pandeo de placas y al pandeo lateral torsional

de vigas.

Los avances anteriores hicieron posible el desarrollo de especificaciones ingenieriles elaboradas

alrededor del método de esfuerzos permisibles para seleccionar miembros estructurales.




Las primeras especificaciones para puentes carreteros 1931. En 1923, el AISC publicó sus primeras

especificaciones generales para la construcción de edificios. Bajo cada una de esas especificaciones,

el criterio para una resistencia de diseño aceptable es el siguiente: el esfuerzo calculado máximo,

suponiendo un comportamiento elástico hasta las cargas máximas anticipadas, se mantienen inferior

a un esfuerzo permisible especificado. Se busca que el esfuerzo permisible se a menor que el

esfuerzo calculado en la falla con un factor de seguridad. Valores típicos de ese factor varían entre

1.65 y 2.00 en las especificaciones Allowable Stress Design del AISC. Sin embargo el esfuerzo

máximo calculado bajo la carga de falla varía ampliamente. Una columna esbelta o una viga no

soportada lateralmente puede fallar a una fracción del esfuerzo de fluencia, pero una columna muy

corta alcanzará el punto de fluencia antes de fallar. Un miembro a tensión cargado estáticamente

puede desarrollar la resistencia última a tensión del material a casi el doble del punto de fluencia;

pero el mismo miembro, cargado y descargado repetidamente por miles de ciclos, puede fallar por

fatiga a una fracción del punto de fluencia. Una conexión, debido a que fluye localmente, puede no

fallar hasta que el esfuerzo elástico calculado se igual a varias veces el punto de fluencia; pero es

también susceptible a falla por fatiga a esfuerzos mucho menores. Es evidente que el verdadero

criterio de aceptabilidad es la resistencia y no el esfuerzo, y por ello, con base en la experiencia y en

los análisis de resistencia, los esfuerzos permisibles especificados han tenido que ser ajustado hacia

arriba y a hacia abajo en un amplio rango para proporcionar un índice razonablemente uniforme de

resistencia estructural.

El método de diseño por esfuerzos permisibles (ASD, Allowable stress design) fue utilizado en la

década de los 90, para diseñar estructuras de edificios de acero y está regido por la Specification for

Structural Steel Building – Allowable Stress Design and Plastic Design del AISC.

Durante los últimos 50 años se ha dado una creciente atención a la evaluación de las propiedades

inelásticas de los materiales y al cálculo directo de la resistencia última de un miembro, esta

información es útil para mejorar el procedimiento de los esfuerzos permisibles y permite también

evitar el cálculo de esfuerzos usando la resistencia calculada del miembro como base directa del

diseño. Resulta de esto el diseño por factores de carga. Las cargas máximas de servicio previstas se

multiplican por factores de carga para dar una resistencia requerida que debe ser menor que la

resistencia directamente calculada. Este es un procedimiento natural, directo y más apegado a la

realidad. El enfoque de factor de carga se ha empleado durante muchos años en el diseño de

aeronaves las AISCS, desde 1961, permiten su uso como alternativa aceptable para el diseño de

marcos continuos en estructuras de edificios. El diseño plástico con un único factor de carga está

también contemplado en las especificaciones del AISC. Aunque la tendencia actual en el diseño es

quitarle importancia al cálculo de esfuerzos, tales cálculos son aún esenciales en el diseño de partes

de máquinas y elementos estructurales que deben soportar muchas repeticiones de carga. Los

esfuerzos resultantes totales deben también calcularse en el diseño y análisis de armaduras.

Los métodos de diseño estructural han experimentado rápidos cambios en la décadas de los 80

debido a que las especificaciones ponen cada vez más énfasis en el diseño por factor de carga

llamado también diseño por factores de carga y resistencia (LRFD, Load and resistance factor

design) en Estados Unidos y diseño por estados límites en Canadá.




Este procedimiento usa factores de carga diferentes para las cargas muertas, vivas, de viento y de

nieve y factores de resistencia por los cuales las resistencias calculadas de vigas, columnas,

conectores, etc., se multiplican para tomar en cuenta diversas incertidumbres inherentes en la

predicción de cargas y resistencias. Los factores de carga y resistencia son determinados por

métodos probabilísticos a partir de los datos estadísticos de carga y resistencia.

Economía en el diseño estructural

En la construcción con costos crecientes en los materiales y de la mano de obra, la búsqueda de la

máxima economía en el diseño, consistente con la seguridad y la vida deseada de la estructura, es de

mayor importancia. Los miembros deben formarse disponerse conectarse en modos que

proporcionen una solución suficiente y económica al problema de diseño, teniendo en mente no

sólo el costo del material, sino también los costos de mano de obra por fabricación en taller y por

montaje. El peso mínimo es a menudo una meta de diseño. Sin embargo, si la simplicidad de

fabricación se sacrifica para obtener un peso mínimo, el costo total puede incrementarse.

Factores de carga y resistencia usados en las especificaciones AISC

La seguridad estructural puede garantizarse por una combinación de buen diseño, una mano de obra

en la fabricación y buenos métodos constructivos. El evitar la posibilidad de fallas estructurales

debe ser la preocupación principal del diseñador. En el diseño, la selección de un factor de carga

apropiado requiere experiencia y buen criterio ingenieril. Los aspectos del deterioro por corrosión

durante la vida planeada para la estructura, las variaciones en las propiedades de material y muchos

otros factores más deben también ser considerados.

El enfoque más racional al problema de la seguridad estructural requiere una evaluación estadística

de la naturaleza aleatoria de todas las variables que determinan la resistencia de la estructura por

una parte y de aquellas que pueden ocasionar la falla (principalmente las cargas) por la otra. Por

medio de la teoría elemental de la probabilidad, el riesgo de falla puede ser evaluado y la

probabilidad de su ocurrencia puede mantenerse en un nivel aceptable que depende de la

importancia de la estructura, del riesgo a la vida humana y de otros factores. Una creciente atención

se le está dando a este enfoque para la evaluación de la seguridad, y se están efectuando estudios

estadísticos de las propiedades de los materiales, de la variación en la resistencia de varios tipos de

miembros y de las cargas. Una particular atención se le ha dado a las cargas inciertas, como las de

viento y sismo.

La seguridad estructural en el diseño se logra garantizando por medio de cálculos de diseño qué no

se violen los límites de la utilidad estructural dada por las especificaciones estructurales aplicables,

como las del AISC, las cuales se actualizan periódicamente para incluir nuevos avances en la

investigación y la práctica y sus autores están especialmente preocupados por el aspecto de la

seguridad, en 1978 contaba con dos partes, un segmente proporcionaba reglas para el diseño por

esfuerzos permisibles (ASD) y el otro definía los criterios para diseño plástico (PD), en 1986

publicó las especificaciones LRFD. Este nuevo procedimiento define los criterios del LRFD,

procedimiento cuya meta es hacer pleno uso de la información de pruebas disponibles, de la

experiencia de diseño y del criterio ingenieril aplicado por medio del análisis probabilístico.




En el ASD, los límites de la utilidad estructural son los esfuerzos permisibles que no deben ser

excedidos cuando las fuerzas en la estructura de acero son determinadas por un análisis elástico.

Los esfuerzos permisibles son definidos por la ecuación:

Donde es el factor de seguridad y es un esfuerzo que denota un límite de utilidad como el

esfuerzo de fluencia , un esfuerzo crítico (pandeo) ) (estabilidad de columna, estabilidad de

vigas o estabilidad de placa), es el esfuerzo de tensión bajo el cual el miembro se fractura o el

rango de esfuerzos en fatiga. Los esfuerzos permisibles en tensión son los más pequeños de

(estado límite de fluencia, ) y (estado límite de fractura,

). Los esfuerzos reales, que no deben exceder los esfuerzos permisibles, son

determinados por análisis elásticos para las cargas de trabajo sobre la estructura.

El límite de utilidad estructural es una carga que inducirá la formación de un mecanismo

plástico. Esta carga límite se compara luego con las cargas de trabajo factorizadas.

Donde representa las cargas de trabajo y es un factor de carga ( ) para cargas

gravitacionales y para cargas gravitacionales y de viento o sismo)

Según los criterios del LRFD, el diseñador no tiene que manipular datos estadísticos. Más bien,

debe seguir reglas prescritas para la determinación de resistencia y usar múltiples factores de carga.

La revisión del diseño se hace con la siguiente ecuación:

∑

En la ecuación anterior, son factores de carga por los que deben multiplicarse los efectos de carga

individuales para tomar en cuenta las incertidumbres de las cargas, es una resistencia

nominal y es un factor de resistencia que toma en cuenta las incertidumbres inherentes en la

determinación de la resistencia. Las son mayores que la unidad y es menor que la unidad, su

valor puede ser 0.90 para vigas y 0.85 para columnas. La resistencia factorizadas se llama

resistencia de diseño.

El manual AISC especifica los siguientes valores para los factores de carga

1.4D

1.2D + 1.6L + 0.5 (Lr o S o R)

1.2D + 1.6 (Lr o S o R) + (0.5L o 0.8W)

1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5 (Lr o S o R)

1.2D ± 1.0E + 0.5L + 0.2S

0.9D ± (1.3W o 1.0E)




En donde:

Carga nominal muerta

Carga nominal viva

Carga nominal viva de techo

Carga nominal de nieve

Carga nominal de lluvia

Carga nominal de viento

Carga nominal de sismo

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331. El 33acero Com333o Material e33structural