ENSAYO DE DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO

8/17/2019 ENSAYO DE DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO

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UNIDAD 3 - DISEÑO DE VIGAS

Generalmente se dice que las vigas son miembros que soportan cargastransversales. Se usan generalmente en posición horizontal y quedan sujetas acargas por gravedad o verticales; sin embargo, existen excepciones, por ejemplo,el caso de los cabios. Entre los muchos tipos de vigas cabe mencionar lassiguientes viguetas, dinteles, vigas de !achada, largueros de puente y vigas depiso. "as viguetas son vigas estrechamente separadas para soportar los pisos ytechos de edi!icios; los dinteles se colocan sobre aberturas en muros demamposter#a como puertas y ventanas. "as vigas de !achada soportan lasparedes exteriores de edi!icios y tambi$n parte de las cargas de los pisos y

corredores. Se considera que la capacidad de las vigas de acero para soportar muros de mamposter#a %junto con la invención de los elevadores& como parte deun marco estructural, permitió la construcción de los rascacielos actuales. "oslargueros de puente son las vigas en los pisos de puentes que corren paralelas ala super!icie de rodamiento, en tanto que las vigas de piso son las vigas m'sgrandes que en muchos pisos de puentes corren perpendicularmente a lasuper!icie de rodamiento y se usan para trans!erir las cargas del piso, de los

largueros de puente a las trabes o armaduras sustentantes. El t$rmino trabe seusa en !orma algo ambigua, pero usualmente denota una viga grande a la que seconectan otras de menor tama(o.

3.1 MÉTODO DE ESFUERZO DE TRABAJO

)onsideremos una viga de sección rectangular y los diagramas de es!uerzos de la*igura +. para estudiar los es!uerzos de !lexión. %-ara este an'lisis inicialsupondremos que el pat#n a compresión de la viga est' completamente soportadocontra el pandeo lateral. El pandeo lateral se estudiar' en el )ap#tulo .& Si la vigaest' sujeta a momento de !lexión, el es!uerzo en cualquier punto se puede calcular con la !órmula de la !lexión !b / 0c12. 3ebe recordarse que esta expresión esaplicable solamente cuando el m'ximo es!uerzo calculado en la viga es menor que


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el l#mite el'stico. "a !órmula se basa en las hipótesis el'sticas usuales el es!uerzoes proporcional a la de!ormación unitaria, una sección plana antes de la !lexiónpermanece plana despu$s de la aplicación de las cargas, etc. El valor 21c es una

constante para una sección espec#!ica y se denomina módulo de sección %S&. "a!órmula de la !lexión puede escribirse entonces de la manera siguiente

*igura . 4ariaciones del es!uerzo de !lexión debidas a incrementos del momentoalrededor del eje 5.

2nicialmente, cuando el momento se aplica a la viga, el es!uerzo var#a linealmente

desde el eje neutro hasta las !ibras extremas. Esta situación se muestra en laparte %b& de la *igura . . Si se incrementa el momento, se mantendr' la variaciónlineal de los es!uerzos hasta que se alcanza el es!uerzo de !luencia en las !ibrasextremas, como se muestra en la parte %c& de la !i gura. El momento de !luencia deuna sección transversal se de!ine como el momento de inicio del es!uerzo de!luencia en las !ibras extremas de la sección. Si el momento en una viga de acerod6ctil se incrementa m's all' del momento de !luencia, las !ibras extremas que se

encontraban previamente sometidas al es!uerzo de !luencia se mantendr'n bajoeste mismo es!uerzo, pero en estado de !luencia y el momento resistente adicionalnecesario lo proporcionar'n las !ibras m's cercanas al eje neutro. Este procesocontinuar' con m's y m's partes de la sección transversal de la viga, alcanzandoel es!uerzo de !luencia como se muestra en los diagramas de es!uerzos %d& y %e&de la !i gura, hasta que !inalmente se alcanza la distribución pl'stica total mostrada


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en %!&. 7bserve que la variación de de!ormación del eje neutro hacia las !ibrasexternas permanece lineal en todos estos casos. )uando la distribución dees!uerzos ha alcanzado esta etapa, se dice que se ha !ormado una articulación

pl'stica, porque no puede resistirse en esta sección ning6n momento adicional.)ualquier momento adicional aplicado en la sección causar' una rotación en laviga con poco incremento del es!uerzo. El momento pl'stico es el momento queproducir' una plasti!icación completa en una sección transversal del miembrocre'ndose ah# mismo una articulación pl'stica. "a relación del momento pl'stico0p al momento de !luencia 0y se denomina !actor de !orma. "os !actores de!orma son iguales a .89 en las secciones rectangulares y var#an entre . 9 y .:9

en las secciones laminadas est'ndar.

3.2 MÉTODO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA

E" dise(o por !actores de carga y resistencia no es un concepto reciente, desde< se ha usado en )anad', donde se conoce como dise(o por estado l#mite. Es

tambi$n la base de la mayor#a de los reglamentos europeos de edi!icación. EnEstados =nidos, el ">*3 ha sido un m$todo aceptado de dise(o para elconcreto re!orzado durante a(os y es el principal m$todo autorizado por

?merican )oncrete 2nstitute@s Auilding )ode, donde se conoce como dise(opor resistencia %?)2, 8&. "as normas de dise(o para puentes carreterospermiten el dise(o por es!uerzos permisibles %??SBC7, :& y el dise(opor !actores de carga y resistencia %??SBC7,


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• "os de resistencia• "os de servicio

"os estados l#mite de resistencia : se basan en la seguridad o capacidad decarga de las estructuras e incluyen las resistencias pl'sticas, de pandeo, de!ractura, de !atiga, de volteo, etc.

"os estados l#mite de servicio: se re!ieren al comportamiento de las

estructuras bajo cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectosasociados con el uso y ocupación, tales como de!lexiones excesivas,

deslizamientos, vibraciones y agrietamientos."a especi!icación ">*3‐Especi!ica mucho a los estados l#mite de resistencia‐-ermite cierta libertad en el 'rea de servicio.

"as cargas de trabajo o servicio %Di& se multiplican por ciertos !actores de carga oseguridad % iFsiempre mayores que .9&. "as cargas !actorizadas F usadas para eldise(o de la estructura. "as magnitudes de los !actores de carga var#an,dependiendo del tipo de combinación de las cargas. "a estructura se proporcionapara que tenga una resistencia ultima de dise(o su!iciente para resistir las cargas!actorizadas. Esta resistencia es la resistencia teórica o nominal %>n& del miembroestructural, multiplicada por un !actor de resistencia %‐siempre menor que .9&"a expresión para el requisito de seguridad estructural es H i DiI >n%Suma de los productos de los e!ectos de las cargas y !actores de carga& I %!actor de resistencia&%resistencia nominal&, %"os e!ectos de las cargas& I %la resistencia o

capacidad del elemento estructural&.

Fa !"#$% &$ a#'a ( a% "*+, a ," $%:= / .< 3 %Ecuación ? *3&


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3ónde= Fla carga ultima3 Fcargas muertas %3ead load&

" Fcargas vivas %"ive load&"r Fcargas vivas en techos %>oo! "ive load&S Fcargas de nieve %SnoL load&> Fcarga inicial de agua de lluvia o hielo %>ain Later or ice load&M F!uerzas de viento %Mind load&E F*uerzas de Sismo %EarthquaNe load&)uando hay cargas de impacto

= / .:3 J .K %"r o S o >& J %9.8 "r o 9.+ M& %Ecuación ? <‐O del ">*3&= / .:3 J .OM J 9.8" J 9.8%"r o S o >& %Ecuación ? *3&.)uando hay la posibilidad de levantamiento por las !uerzas de viento y sismo,= / 9. 3 P% .O M o .9 E& %Ecuación ?


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Due puede in!luir. 2mper!ecciones en las teor#as de an'lisis.

:. ? variaciones en las propiedades de los materiales.

O. ? las imper!ecciones en las dimensiones de los elementos estructurales.

-ara hacer esta estimación, se multiplica la resistencia ultima teórica %resistencianominal& de cada elemento por un !actor , de resistencia %siempre menor que &.

F &$ R$%,%!$ ,a " S,!/a ," $%

1.00 ?plastamiento en 'reas proyectantes de pasadores, !luencia del almabajo cargas concentradas, cortante en tornillos en juntas tipo !ricción

0. 0 4igas sometidas a !lexión y corte, !iletes de soldadura con es!uerzosparalelos al eje de la soldadura, soldaduras de ranura en el metal base,!luencia de la sección total de miembros a tensión

0. )olumnas, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad deaplastamiento en agujeros

0. 0 )ortante en el 'rea e!ectiva de soldaduras de ranura con penetracióncompleta, tensión normal al 'rea e!ectiva de soldaduras de ranura conpenetración parcial

0.4 Cornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, !ractura en lsección neta de miembros a tensión

0.5 ?plastamiento en tornillos % que no sean tipo ?O9 &

0.50 ?plastamiento en tornillos ?O9 , ?plastamiento en cimentaciones deconcreto

Ma' ,!/& &$ "% 6a !"#$% &$ a#'a ( #$%,%!$ ,a:


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"as incertidumbres que a!ectan a los !actores de carga y resistencia son4ariación en la resistencia de los materiales. Error en los m$todos de an'lisis. "os

!enómenos naturales como huracanes, sismos, etc$tera. 3escuidado durante elmontaje la presencia de es!uerzos residuales y concentraciones de es!uerzos,variaciones en las dimensiones de las secciones transversales, etc.

)on!iabilidad y las especi!icaciones ">*3Q Estad#stica y -robabilidadQ )on!iabilidad Fal porcentaje estimado de veces que la resistencia de una

estructura ser' igual o exceder' a la carga m'xima aplicada a ella durantesu vida estimada % 89 a(os&Q "os investigadores del m$todo ">*3 desarrollaron un procedimiento para

estimar la con!iabilidad de los dise(os.Q Establecieron lo que les pareció razonable en cuanto a porcentajes de

con!iabilidad para di!erentes situaciones.Q "ograron ajustar los !actores de resistencia para que los proyectistas

!uesen capaces de obtener los porcentajes de con!iabilidad establecidos enel punto anterior.

3.3 MÉTODO 7L8STICO

"a teor#a pl'stica b'sica tiene que ver con la distribución de es!uerzos en unaestructura, despu$s de que en ciertos puntos de $sta se ha alcanzado el es!uerzode !luencia. Seg6n la teor#a pl'stica, aquellas partes de una estructura que han

alcanzado el es!uerzo de !luencia no pueden resistir es!uerzos adicionales. 0'sbien, esas partes !luir'n la cantidad necesaria para permitir que la carga oes!uerzos adicionales sean trans!eridos a otras partes de la estructura donde loses!uerzos se encuentran por debajo del es!uerzo de !luencia y son capaces deabsorber es!uerzos adicionales. Se puede decir que la plasticidad sirve paraigualar los es!uerzos en casos de sobrecarga.


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Bacia


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que Mp , aun si el endurecimiento por de!ormación es apreciable.

*ig. .:

El dise(o pl'stico se basa en el rango pl'stico del material, lo cualconsidera una condición de !alla del miembro estructural %colapso&, esdecir, se basa en la resistencia que proporciona la ductilidad del acero y estaocurre bajo es!uerzo constante por encima del l#mite el'stico. 3espu$s de ciertacantidad de de!ormación pl'stica, el acero tiende a endurecerse por de!ormación, y es posible un amento en la carga, acompa(ado por de!ormaciones adicionales. "as cargas de trabajo se multiplican por !actores deseguridad o de carga %sobrecapacidad&, y donde los miembros estructurales!allaran bajo cargas mayores que la carga de trabajo; provocando de!ormacionesmuy grandes introduciendo al miembro en un rango el'stico, y cuando lasección transversal se plasti!ica en varias localidades, se !ormaranarticulaciones pl'sticas en las mismas localidades, llevando as# al miembro al


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colapso. "as cargas reales son in!eriores a las cargas de !alla, resultando estaultima de la multiplicación de las cargas de servicio por el !actor de cargacorrespondiente, este m$todo nos dice que el miembro !allara cuando este

sometido a las cargas !actor izadas, pero como el miembro estar' soportandoes!uerzos menores debido a las cargas reales, este no tendr' problemas de!alla, lo cual nos proporciona cierta seguridad.

3.9 A7LICACIONES A VIGAS

"a viga es un elemento estructural horizontal capaz de soportar una carga entredos apoyos, sin crear empuje lateral en los mismos. "as vigas se emplean enlas estructuras de edi!icios, para soportar los techos, aberturas, como elementoestructural de puentes. En estos, transportan las cargas de compresión en la partesuperior del puente, y las de tracción en la parte in!erior.

?s# vemos como las vigas constituyen elementos estructurales muy importantesen una edi!icación.

Si se aplican cargas de gravedad a una viga simplemente apoyada de granlongitud, la viga se !lexionar' hacia abajo, y su parte superior estar' encompresión y se comportar' como un miembro a compresión. "a seccióntransversal de esta TcolumnaU consistir' en la porción de la sección transversal dela viga arriba del eje neutro. -ara la viga usual, la TcolumnaU tendr' un momentode inercia mucho menor respecto a su eje y o eje vertical que respecto a su eje x .Si no se hace nada para arriostrarla perpendicularmente al eje y , la viga sepandear' lateralmente bajo una carga mucho menor que la que se requerir#a paraproducir una !alla vertical. %=sted puede veri!icar esto tratando de !lexionar


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verticalmente una revista mantenida en posición de canto. "a revista tender'siempre, igual que una viga de acero, a pandearse lateralmente, a menos que sesoporte en esa dirección.&

El pandeo lateral no ocurrir' si el pat#n de compresión de un miembro se soportalateralmente o si se impide el torcimiento de la viga a intervalos !recuentes.

=na viga est' pensada para soportar no sólo presión y peso, sino tambi$n !lexióny tensión, seg6n cu'l !inalidad predomine ser' el concepto de viga para ingenier#ao arquitectura, que predomine. En principio, es importante de!inir que en la teor#ade vigas se contempla aquello que es denominado Wresistencia de los materiales@.

?s#, es posible calcular la resistencia del material con que est' hecha la viga, yadem's analizar la tensión de una viga, sus desplazamientos y el es!uerzo quepuede soportar. ? lo largo de la historia de la construcción se han utilizado vigaspara innumerables !ines y de di!erentes materiales. El material por antonomasia enla elaboración de vigas ha sido la madera dado que puede soportar todo tipo detracción, incluso hasta es!uerzos muy intensos sin su!rir demasiadas alteraciones,y como no ocurre con otros materiales, como cer'mico o ladrillos próximos aquebrarse ante determinadas presiones qu$ s# soporta la viga de madera.

UNIDAD 9 DISEÑO DE COLUMNAS

Existen varios tipos de miembros que trabajan a compresión, de los cuales la

columna es el m's conocido. Entre los otros tipos se encuentran las cuerdassuperiores de armaduras y diversos miembros de arriostramiento. ?dem's,muchos otros miembros tienen compresión en alguna de sus partes. Xstosincluyen los patines a compresión de vigas laminadas y armadas y los miembrossujetos simult'neamente a cargas de !lexión y de compresión. "as columnas son


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miembros verticales rectos cuyas longitudes son considerablemente mayores quesu ancho. "os miembros verticales cortos sujetos a cargas de compresión sedenominan con !recuencia puntales o, simplemente, miembros a compresión; sin

embargo, en las p'ginas siguientes los t$rminos columna y miembro a compresiónse usan indistintamente.Bay tres modos generales seg6n los cuales las columnas cargadas axialmentepueden !allar. Estos son pandeo !lexionante, pandeo local y pandeo torsionante.Estos modos de pandeo se de!inen brevemente como sigue

. El pandeo !lexionante %llamado tambi$n pandeo de Euler& es el tipo primario depandeo analizado en este cap#tulo. "os miembros est'n sometidos a !lexión

cuando se vuelven inestables.:. El pandeo local ocurre cuando alguna parte o partes de la sección transversalde una columna son tan delgadas que se pandean localmente en compresiónantes que los otros modos de pandeo puedan ocurrir. "a susceptibilidad de unacolumna al pandeo local se mide por las relaciones ancho a espesor de las partesde su sección transversal.O. El pandeo torsionante !lexionante puede ocurrir en columnas que tienen ciertascon!iguraciones en su sección transversal. Esas columnas !allan por torsión o por una combinación de pandeo torsional y !lexionante.

9.1 DIAGRAMAS DE INTERACION

El diagrama de interacción, es un lugar geom$trico de combinaciones de - %carga

axial& y 0 %momentos&, los cuales llegan a agotar la sección. El empleo de losdiagramas resulta de utilidad para el dimensionamiento de columnas de hormigónarmado u otros elementos estructurales, utilizados tanto en el 'mbito acad$micocomo pro!esional. 3i!erentes diagramas de interacción para columnas


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9.2 EFECTOS DE ESBELTEZ Y AM7LIFICACI N DE MOMENTO

E6$ !"% &$ $%+$ !$;

"a relación de esbeltez Rl1r de los miembros comprimidos axialmente se determinacon la longitud e!ectiva Rl y el radio de giro r correspondiente. l es la longitud librede la columna, entre secciones soportadas lateralmente, y R es el !actor delongitud e!ectiva, que se calcula como se indica m's adelante. 3ebe tenersecuidado, en todos los casos, de utilizar la relación de esbeltez m'xima del

miembro, ya que R, l, y r, o cualquiera de esas cantidades, pueden tener valoresdi!erentes en un mismo elemento, dependiendo del eje de las seccionestransversales alrededor del que se presente el pandeo, de las condiciones en susextremos y de la manera en que est$ soportado lateralmente. "a relación deesbeltez l1r de miembros en tensión se determina con su longitud libre l.

*ig. .O 0omentos adicionales en una columna por E!ectos de esbeltez

"a Especi!icación ?2S) ya no proporciona una relación de esbeltez m'ximaespec#!ica, como lo hac#a anteriormente y como es costumbre con muchas otrasespeci!icaciones. Sin embargo, el )omentario %E:& del ?2S) ciertamente indica


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que si KL1r es :99, el es!uerzo cr#tico Fcr ser' menor que K.O Nlb1plg:. En elpasado, el m'ximo KL1r permitido por el ?2S) era de :99.Ese valor se basaba en un criterio de ingenier#a, en la econom#a pr'ctica, y en el

hecho de que ten#a que tenerse un cuidado especial para conservar la integridadde un miembro tan esbelto durante la !abricación, el !lete y el montaje. )omoresultado de estas importantes consideraciones pr'cticas, el ingeniero que apliquela Especi!icación ?2S) de :9 9 probablemente va a seleccionar miembros acompresión con valores de esbeltez menores a :99, excepto en ciertassituaciones especiales. -ara esos casos especiales, tanto los !abricantes como losinstaladores estar'n advertidos de ser muy cuidadosos en el manejo de los

miembros.

M &$ *"*$ !"%

Este m$todo consiste en obtener el valor de la carga axial, -, y el momento!lexionante, 0, en las columnas de una estructura por medio de un an'lisis deprimer orden, y dimensionar las columnas para el mismo valor de - y para unmomento ampli!icado, Y0, donde Y es un !actor siempre mayor que la unidad.En la siguiente !igura se ilustra este concepto. Si despreci'ramos el e!ecto deesbeltez, la columna se dimensionar#a para los valores de - y 0, y su resistenciaseria la correspondiente al punto del diagrama de interacción mostrado con lal#nea punteada. "os incrementos de carga con un valor constante de laexcentricidad estar#an representados por puntos sobre la l#nea recta 9V .


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-ara tomar en cuenta el e!ecto de esbeltez, la columna se dise(a para los valores- y Y0, y su resistencia es la que corresponde al punto : del diagrama de

interacción mostrado con la l#nea llena. "os incrementos de carga est'nrepresentados por los puntos sobre la l#nea 9V:, en la cual la excentricidadaumenta con el nivel de carga, puesto que el valor de Y depende, en estosm$todos, del valor de la carga -.

El código del ?)2 establece que el m$todo de ampli!icación de momentos no debeutilizarse para el dise(o de columnas cuya esbeltez %Nlu1r& supere 99. Esto se

debe a la !alta de ensayos sobre el comportamiento de este tipo de estructurascon la consiguiente incertidumbre respecto a la validez del procedimientopresentado. 3esarrollo El m$todo de ampli!icación de momentos se basa en unan'lisis de :Z orden. -ara tener una idea del procedimiento seguido para ladeterminación de los !actores de ampli!icación, $ste ser' deducido para unacolumna biarticulada sometida a carga axial y momentos iguales en sus extremos.

9.3 COM7ORTAMIENTO DE ELEMENTOS FLE?OCOM7RIMIDOS EN MARCOSRESTRINGIDOS Y NO RESTRINGIDOS LATERALMENTE

"as columnas son elementos que generalmente se presentan trabajando acompresión y !lexión combinada y muy rara vez a compresión pura. "a !lexocompresión se presenta cuando act6an !uerzas de compresión acompa(adas depares de en los extremos, cargas transversales, o cuando la !uerza axial decompresión se aplica !uera del eje centroidal de la sección transversal de la

columna.Sobre los elementos !lexo comprimido se presenta el !enómeno de inestabilidaddebido a esta acción combinada que puede ocasionar de!ormaciones que crecenm's r'pido que la carga y pueden seguir de!orm'ndose aun sin incremento deesta, hasta llegar al colapso del elemento.


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"os elementos !lexo comprimidos pueden !allar por cualquiera de las siguientescausas o por una combinación de ellas.

• -or resistencia m'xima debido a la combinación de momento !lexionante y

compresión axial se presenta en piezas cortas y en elementos con ciertascondiciones de sujeción donde se alcanza a !ormar articulaciones pl'sticasantes de que la carga sea su!iciente para que el elemento !alle por pandeo.

• -or inestabilidad en el plano de momentos se presenta cuando la !lexión

act6a en el eje de menor momento de inercia o en el de mayor momento deinercia si se restringe en pandeo en el eje de menor momento de inercia. "ainestabilidad, en ambos casos, es causada por un exceso de !lexióncombinada con !uerza axial.

• -or pandeo lateral debido a la !lexo torsión se presenta en per!iles T2U o

parecidos !lexionados alrededor del eje de mayor momento de inercia ydesprovisto de elementos de sujeción adecuados en el eje de menor momento de inercia, caracteriz'ndose por !lexión lateral sobre este eje,acompa(ado por un retorcimiento alrededor del eje longitudinal.

• -or pandeo a compresión axial alrededor del eje menor momento de

inercia se presenta cuando la !uerza axial es m's importante es m'simportante que la !lexión.

• -or pandeo local se presenta cuando las relaciones anchoVespesor de los

elementos planos que componen la columna sobrepasan ciertos l#mitesestablecidos con base en un estudio de teor#a de placas.


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Se consideran miembros de eje recto y sección transversal constante con dos ejesde simetr#a.-ara !ines de dise(o con las [C)Vmet'licas se consideran los miembros !lexo

comprimidos pertenecientes a uno de los dos tipos de estructuras

• Estructuras regulares !ormadas por marcos planos con o sin contra venteo

vertical, con o sin muros estructurales; paralelos o casi paralelos ligadosentre s# en todos sus entrepisos a trav$s de sistemas de piso conresistencia y rigidez su!iciente para hacer que todos los marcos y murostrabajen en conjunto para soportar las !uerzas laterales debido al sismo o

viento, o para proporcionar a la estructura, la rigidez su!iciente para evitar elpandeo en conjunto bajo cargas verticales.

?dem's todos los marcos deben ser sim$tricos y todas las columnas de unentrepiso deber'n tener la misma altura aunque haya entrepiso condi!erente altura.

• Estructuras irregulares cuando ocurre alguno de los siguientes casos& [o est' !ormada por marcos planos.

:& [o est'n los muros paralelos entre s#.O& [o !orman dos sistemas de marcos perpendiculares entre si.


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Se usarafa

Fa Jfb

Fb I .9, cuando el es!uerzo axial calculado sea

menor que el 8\ del es!uerzo axial permisible; esto se debe que los

e!ectos de !lexión pr'cticamente no se ven a!ectados por la !uerza axial.

)uando el es!uerzo axial calculado exceda el 8\ del es!uerzo permisible

se usar'

fa Fa J

cmfb

[1 − fa F ´ e ]fb I .9

9.9 DISEÑO DE VIGAS Y COLUMNAS

El dise(o estructural requiere la aplicación del criterio del ingeniero para producir un sistema estructural que satis!aga de manera adecuada las necesidades delcliente o el propietario. ? continuación, este sistema se incorpora a un modelomatem'tico para obtener las !uerzas en los miembros. )omo el modelo

matem'tico nunca representa con exactitud la estructura real, otra vez esnecesaria la habilidad del ingeniero para evaluar la validez del an'lisis a !in depoder aplicar las tolerancias apropiadas a la incertidumbre tanto en la de!ormacióncomo en la est'tica. )on base en las propiedades de los materiales, la !unciónestructural, las consideraciones ambientales y est$ticas, se e!ect6anmodi!icaciones geom$tricas en el an'lisis del modelo, y se repiten los procesos deresolución hasta obtener una solución que produce un equilibrio satis!actorio entrela selección del material, la econom#a, las necesidades del cliente, susposibilidades económicas, y diversas consideraciones arquitectónicas. >ara vez,excepto quiz's en las estructuras m's elementales, se obtiene una 6nica solución;6nica en el sentido de que dos compa(#as de ingenier#a estructural obtendr#anexactamente la misma solución.


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En la pr'ctica de la ingenier#a estructural, el dise(ador dispone, para su posibleuso, de numerosos materiales estructurales, que incluyen acero, concreto,madera, y posiblemente pl'sticos y1o algunos otros metales, como aluminio y

hierro colado. ? menudo, el empleo o el uso, el tipo de estructura, la situación uotro par'metro de dise(o imponen el material estructural.

)uando se carga un miembro estructural de manera que produzca m's de unmodo de es!uerzos, es necesario e!ectuar algunos ajustes en los es!uerzospermisibles. )uando los es!uerzos se producen como una combinación de !lexióncon respecto a los ejes 5 e ], como en la sección


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manera an'loga a la acción de una losa que opera en una sola dirección. En losejemplos :V8 y :VK, la conexión entre los cobertizos laterales y las columnas delclaro principal, producen grandes momentos en las columnas, los que deber'n ser

tenidos en cuenta en su dise(o %lo que se considerar' en una sección posterior&.7tras condiciones de dise(o producen !lexión adem's de las !uerzas axiales.-or ejemplo, las cuerdas superiores de las armaduras de techo y de puentes sonnormalmente miembros ZarticuladosZ a compresión, por el peso del miembroproduce tambi$n !lexión. "os largueros, colocados entre las juntas de los panelesde una armadura de techo, como un medio para reducir tanto el tama(o dellarguero como el claro del techo, producir'n !lexión en la cuerda.

En general, los miembros a compresión est'n cargados con !uerzas axiales ymomentos. "os momentos %o momento& pueden estar en los extremos delmiembro, como en los edi!icios de marcos r#gidos, o desarrollarse en una m$nsula,viga local, u otro tipo de carga. )uando el e!ecto del momento es de producir unacurvatura sencilla se crea una condición de dise(o mucho m's cr#tica, quecuando el momento, o momentos, producen una curvatura doble.Cambi$n se puede producir !lexión en los miembros sometidos a tensión, como lascuerdas in!eriores de las armaduras de puentes, en los lugares en que puedanconectar a los mismos las vigas de piso. "as cuerdas in!eriores de las armadurasde edi!icios se pueden usar para !ijar dispositivos de izado; otras cargastemporales !ijadas en las cuerdas in!eriores producir'n !lexión, adem's de la cargaaxial presente.


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El dise(o de la ??SBC7 usando el es!uerzo de trabajo utiliza esencialmente lasmismas ecuaciones que el ?2S) con algunos ajustes adicionales del !actor deampli!icación. El !actorCm se de!ine de manera similar al del ?2S).

*ig. .8 *actor de reducción Cm' para las ecuaciones de interacción de vigasVcolumnas.(o) Sin desplazamiento lateral Cm / 9.K -0.4M¡/M2• (b) )on desplazamiento lateralCm / 9.+8. (e) )olumnas con carga transversal Cm / 2 J F'e. %d& Se muestran diversoscasos de carga transversal y !actores.


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9. DISEÑO DE 7LACAS BASE 7ARA COLUMNAS

-or lo general, las placas de base para columnas se soldan a la columna en el

taller antes de enviarlas al sitio de la obra."a placa de base se puede soldar a la columna con soldaduras a tope o de !ilete.-or lo general, la decisión la toma el !abricante, bas'ndose en consideracioneseconómicas. "a placa de base se punzona previamente con agujeros para lospernos de anclaje, para !ijar la columna a la cimentación. )ualquier otracon!iguración que sea di!erente de $sta requiere !abricación adicional. El dise(ogeneral de las dimensiones de las placas de base %ancho x longitud x espesor&.

=na conexión usual de viga a columna por momento, utiliza una placa soldada a laviga y atornillada a la columna en el campo. )uando se use una soldadura a topecon un electrodo compatible con el metal base, los es!uerzos de !lexión est'nlimitados por el es!uerzo permisible a !lexión en la viga. )uando se usensoldaduras de !ilete, se deben tener en cuenta los es!uerzos cortantes en lagarganta de la soldadura, los que generalmente regir'n el dise(o.

=na conexión usual de viga a columna por momento, utiliza una placa soldada a laviga y atornillada a la columna en el campo. )uando se use una soldadura a topecon un electrodo compatible con el metal base, los es!uerzos de !lexión est'nlimitados por el es!uerzo permisible a !lexión en la viga. )uando se usensoldaduras de !ilete, se deben tener en cuenta los es!uerzos cortantes en lagarganta de la soldadura, los que generalmente regir'n el dise(o.

El es!uerzo de dise(o por compresión en el 'rea de apoyo de un cimiento deconcreto o de mamposter#a, es mucho menor que el correspondiente a la base deacero de una columna. )uando una columna de acero se apoya en la partesuperior de un cimiento, o de una zapata aislada, es necesario que la carga de lacolumna se distribuya en un 'rea su!iciente para evitar que se sobres !uerce elconcreto. "as cargas de las columnas de acero se transmiten a trav$s de una


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placa base de acero a un 'rea razonablemente grande del cimiento, que selocaliza debajo de dicha placa. "as placas base de las columnas de acero puedensoldarse directamente a las columnas, o pueden ligarse por medio de alguna oreja

de 'ngulo remachada o soldada.

"as placas base de las columnas de acero pueden soldarse directamente a lascolumnas, o pueden ligarse por medio de alguna oreja de 'ngulo remachada osoldada.Se muestra una placa base soldada directamente a la columna en la parte a& de la!igura .K. -ara columnas peque(as, estas placas pueden soldarse a la columnaen el taller, pero para columnas mayores es necesario embarcar las placas por separado y colocarlas en su nivel correcto. Entonces las columnas se montan y seconectan con el cabezal mediante tornillos de anclaje o anclas que pasan a trav$sde las orejas de 'ngulos que se han soldado a las columnas en el taller. Este tipode arreglo se muestra en la parte b& de la !igura .K. ?lgunos dise(adorespre!ieren utilizar orejas tanto en los patines como en el alma una !ase cr#tica en elmontaje de un edi!icio de acero es el posicionamiento correcto de las placas basede las columnas. Si ellas no est'n localizadas en sus elevaciones correctas, serios


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cambios de es!uerzo pueden ocurrir en las vigas y columnas de la estructura deacero. =no de los tres siguientes m$todos se usa para preparar el sitio para elmontaje de una columna en su elevación apropiada placas niveladoras, tuercas

niveladoras o placas de base pre colocadas. -ara placas base de peque(o a mediano tama(o %de 89cm a 8Kcm&,aproximadamente placas niveladoras de K.


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9.5 DISEÑO DE ELEMENTOS DE SECCION COM7UESTA

"as columnas compuestas se construyen con per!iles laminados o armados deacero, ahogados en concreto o con concreto colocados dentro de tubos otubulares de acero. "os miembros resultantes son capaces de soportar cargasconsiderablemente mayores que las columnas de concreto re!orzado de lasmismas dimensiones. En la *igura se muestran varias columnas compuestas. Enla parte %a& de la !i gura se muestra un per!ilW ahogado en concreto. "assecciones transversales, que por lo general son cuadradas o rectangulares, tienenuna o m's barras longitudinales colocadas en cada esquina. ?dem's, se colocan

estribos alrededor de las barras longitudinales a ciertos intervalos verticales. "osestribos son muy e!ectivos para aumentar la resistencia de las columnas. Xstosevitan que las barras longitudinales se salgan de su lugar durante la construccióny resisten la tendencia de esas mismas barras a pandearse bajo la acción de lascargas externas, lo que ocasionar#a la resquebrajadura o el desconchamiento delrecubrimiento externo de concreto.7bs$rvese que los estribos son siempre abiertos y en !orma de =. 3e otra manera

no podr#an instalarse porque los per!iles de acero para la columna siempre secolocan primero. En las partes %b& y %c& de la !i gura se muestran seccionesestructurales huecas de acero rellenas con concreto.


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3urante muchas d$cadas se han usado los per!iles estructurales de acero encombinación con concreto simple o re!orzado. 7riginalmente el concreto se usabapara proporcionar protección contra el !uego y la corrosión en el acero, sin

considerar sus e!ectos estructurales !avorables. Sin embargo, durante los 6ltimos:9 o O9 a(os, el desarrollo y la popularidad creciente de la construcción reticular compuesta ha incitado a los proyectistas a incluir la resistencia del concreto en susc'lculos."as columnas compuestas se pueden usar pr'cticamente en edi!icios altos ybajos. En los edi!icios de poca altura como bodegas, estacionamientos, etc$tera,las columnas de acero a veces se ahogan en concreto para mejorar la apariencia

o como protección contra el !uego, la corrosión y los veh#culos en losestacionamientos. Si de todas maneras en tales estructuras se va a ahogar elper!il de acero en concreto, conviene entonces aprovechar las propiedadesestructurales del concreto y usar per!iles de acero m's peque(os.En edi!icios altos los tama(os de las columnas compuestas sonconsiderablemente menores que los requeridos para columnas de concretore!orzado sometidas a las mismas cargas. "os resultados que se logran con eldise(o compuesto son ahorros apreciables de espacio en los pisos de losedi!icios. Se pueden usar en edi!icios muy altos columnas compuestas colocadasmuy juntas y conectadas con vigas de !achada para resistir las cargas laterales,con base en el concepto de estructuración tubular. En ocasiones se colocan en lasesquinas de edi!icios muy altos columnas compuestas muy grandes, paraaumentar la resistencia a los momentos laterales. Cambi$n se pueden usar secciones de acero ahogadas dentro de muros de concreto re!orzados %muros decortante& localizados en el n6cleo central de edi!icios altos. Esto tambi$n garantiza

un mayor grado de precisión en la construcción del n6cleo.En la construcción compuesta, las secciones de acero sin revestimiento soportanlas cargas iniciales, incluido el peso de la estructura, las cargas de gravedad ylaterales que ocurren durante la construcción y adem's el concreto que se cuelaposteriormente alrededor del per!il de acero o dentro de las !ormas tubulares. Elconcreto y el acero se combinan en !orma tal que las ventajas de ambos


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materiales se usan en las secciones compuestas. -or ejemplo, el concretore!orzado permite reducir m's !'cilmente las de!lexiones laterales; al mismotiempo lo ligero y resistente del acero permite usar cimentaciones m's peque(as y

de menor peso.

*ig. . Secuencia de operaciones constructivas en un marco compuesto.


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)omo se describió en la sección precedente, las columnas compuestas tienenvarias ventajas importantes. Cambi$n tienen unas cuantas desventajas. =nproblema particular al usarlas en edi!icios altos es la di!icultad de controlar la

rapidez y magnitud de sus acortamientos en relación con los muros de cortante y alas columnas de acero adyacentes. "a determinación precisa de estosacortamientos se di!iculta mucho, debido a los di!erentes tipos y etapas deactividades de construcción que se llevan a cabo simult'neamente en un grann6mero de pisos del edi!icio.Si se usan columnas compuestas en el per#metro de un edi!icio de gran altura, ysecciones ordinarias de acero en el n6cleo %o si se tienen ah# muros de cortante&,

el !lujo pl'stico en las secciones compuestas puede ser un problema. "asconsecuencias pueden ser pisos de concreto que no se encuentran a nivel. ?lgunos montadores e!ect6an mediciones muy cuidadosas de los niveles en losempalmes de las columnas y luego hacen ajustes apropiados con calzas de aceropara igualar las di!erencias entre las elevaciones medidas y las calculadas.7tro problema con las columnas compuestas es la !alta de conocimientos relativosa la adherencia mec'nica entre el concreto y los per!iles de acero. Esto es muyimportante para la transmisión de momentos a trav$s de juntas de vigas ycolumnas. Se teme que si ocurriesen en dicha junta grandes inversiones c#clicasde la de!ormación %como en una zona s#smica&, se presentar#a una ruptura severaen la junta.

"as columnas compuestas se pueden construir teóricamente con seccionestransversales cuadradas, rectangulares, redondas, triangulares o de cualquier otra!orma. Sin embargo, en la pr'ctica $stas se construyen generalmente con sección

cuadrada o rectangular, con una barra de re!uerzo en cada esquina de la columna.Este arreglo nos permite usar conexiones lo bastante sencillas de las vigas de!achada exteriores y de piso con los per!iles de acero dentro de las columnas, sininter!erir demasiado con el re!uerzo vertical. "a Especi!icación del ?2S) noproporciona requisitos detallados para el espaciamiento de las barras de re!uerzo,los empalmes, etc. -or lo tanto, es aconsejable observar los requisitos del )ódigo


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del ?)2 O + en los casos no cubiertos claramente por las Especi!icaciones del ?2S). "as Secciones 2 e 2: de la Especi!icación del ?2S) proporcionan losrequisitos detallados acerca de las 'reas de las secciones transversales de los

per!iles de acero, las resistencias del concreto, las 'reas de los estribos y laseparación de las barras verticales de re!uerzo, etc. Esta in!ormación se lista yanaliza brevemente en los siguientes p'rra!os.

7a#a " /* a% "*=/$%!a% a@"'a&a%. El 'rea total de la sección transversal del per!il o per!iles de acero no debe ser

menor de por ciento del 'rea total de la columna. Si el porcentaje de acero es

menor que por ciento, el miembro se clasi!ica como columna de concretore!orzado y su dise(o debe hacerse de acuerdo con el Auilding )ode>equirements !or >ein!orced )oncrete%>equisitos del reglamento de construcción para concreto re!orzado& del ?merican)oncrete 2nstitute %2nstituto ?mericano del )oncreto&.:. )uando un n6cleo de acero se ahoga en concreto, el colado debe re!orzarsecon barras longitudinales continuas y estribos laterales o espirales.Si se usan estribos laterales, deber' usarse como m#nimo una barra del n6mero Ocon una separación m'xima de : plg centro a centro, o una barra del n6mero < omayor con una separación m'xima de K plg centro a centro. Se permite elalambre de!ormado o soldado con un 'rea equivalente.El espaciamiento m'ximo de los estribos laterales no deber' exceder de 9.8 vecesla dimensión m#nima de la columna.O. "a relación m#nima de re!uerzo para este tipo de acero es rsr / ?sr 1?g / 9.99<donde ?sr / 'rea de las barras continuas de re!uerzo, plg:

?g / 'rea total del miembro compuesto, plg:.


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debajo de la región de trans!erencia de carga. "os conectores utilizados paratrans!erir el cortante longitudinal deber'n colocarse en cuando menos dos carasdel per!il de acero en una con!iguración generalmente sim$trica con respecto a los

ejes del per!il de acero.El espaciamiento de los conectores de cortante, tanto dentro como !uera de lalongitud de introducción de la carga.8. )uando se usen dos o m's per!iles de acero en la sección compuesta, deber'nconectarse por medio de enrejado simple, placas o barras de unión ocomponentes similares. Su objetivo es impedir el pandeo de los per!ilesindividuales antes de que el concreto !rag^e.

K. 3ebe haber por lo menos .8 plg de recubrimiento para el acero %estribos obarras longitudinales&. El recubrimiento se requiere como protección contra el!uego y la corrosión. "a cantidad de re!uerzo longitudinal o transversal requeridose considera su!iciente para prevenir el desconchamiento de la super!i cie deconcreto durante un incendio.

. "a resistencia especi!icada a la compresión !_c del concreto deber ser por lomenos de O Nlb1plg: %: 0-a&, pero no mayor de 9 Nlb1plg: si se usa concreto depeso normal. -ara concreto de peso ligero, no debe ser menor de O Nlb1plg: nimayor de K Nlb1plg:. Se proporcionan l#mites superiores porque hasta estemomento no se dispone de su!icientes resultados de pruebas en columnascompuestas con concreto de alta resistencia. El l#mite in!erior de O Nlb1plg: seespeci!icó con el propósito de asegurar el uso de concreto de buena calidad queest$ disponible inmediatamente y para garantizar el uso de un control de calidadadecuado. Esto podr#a no ser el caso si se especi!icara un concreto de menor grado. Se especi!icó el l#mite superior de 9 Nlb1plg: para concreto de peso normal

debido a la !alta de datos disponibles para concretos de alta resistencia y debido alos cambios de comportamiento que se han observado en estos concretos.El l#mite superior de K Nlb1plg: para concreto ligero es para asegurar el uso dematerial inmediatamente disponible. Se pueden usar concretos de alta resistenciapara calcular el módulo de elasticidad para los c'lculos de rigidez, pero no pueden


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usarse para los c'lculos de resistencia, a menos que este uso se justi!iquemediante ensayos y an'lisis.+. "os es!uerzos de !luencia de los per!iles de acero y de las barras de re!uerzo no

deben ser mayores de 8 Nlb1plg: %8:8 0-a&, a menos que se justi!iquenresistencias m's altas mediante ensayos y an'lisis.

Si una columna compuesta estuviera cargada axialmente en !orma per!ecta ytotalmente arriostrada lateralmente, su resistencia nominal ser#a igual a la sumade las resistencias axiales del per!il de acero, del concreto y de las barras dere!uerzo tal como est' dado por

en donde• As / 'rea de la sección de acero, plg:• Asr / 'rea de las barras de re!uerzo continuas, plg:• Fysr / resistencia a la !luencia m#nima especi!icada de las barras de

re!uerzo, Nlb1plg:• Ac / 'rea de concreto, plg:.

3esa!ortunadamente, estas condiciones ideales no est'n presentes en lascolumnas compuestas en la pr'ctica. "a contribución de cada componente de unacolumna compuesta a su resistencia total es di!#cil, si no es que imposible dedeterminar. "a cantidad de agrietamiento por !lexión en el concreto var#a a lo largode la altura de la columna. El concreto no es tan homog$neo como el acero;adem's, el módulo de elasticidad del concreto var#a con el tiempo y bajo la acciónde cargas de larga duración o permanentes. "as longitudes e!ectivas de columnascompuestas en las estructuras monol#ticas r#gidas en las que !recuentemente seusan, no se pueden determinar con precisión. "a contribución del concreto a larigidez total de una columna compuesta var#a, dependiendo de si est' colocadodentro de un tubo o si est' en el exterior del per!il M; en este 6ltimo caso sucontribución a la rigidez es menor.


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UNIDAD DISEÑO DE CONE?IONES

.1 CONE?IONES CONCENTRICAS ATORNILLADAS Y SOLDADAS

C" $ ," $% a!"# , a&a%3urante muchos a(os, el m$todo aceptado para conectar los miembros de unaestructura de acero !ue el remachado. Sin embargo, durante las 6ltimas d$cadas,los tornillos y la soldadura han sido los m$todos usados para hacer las conexionesde acero estructural, y casi nunca se usan los remaches. Este cap#tulo y elsiguiente se dedican casi totalmente a la exposición de las conexiones

atornilladas, aunque se hacen breves observaciones relativas a los remaches al!inal del )ap#tulo O. El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos esun proceso que adem's de ser muy r'pido requiere mano de obra menosespecializada que cuando se trabaja con remaches o con soldadura. Estos!actores, en Estados =nidos de [orteam$rica, en donde la mano de obra essumamente cara, dan a las juntas atornilladas una ventaja económica, encomparación con los otros tipos de conexión. ?unque el costo de adquisición deun tornillo de alta resistencia es varias veces mayor que el de un remache, elcosto total de la construcción atornillada es menor que el de la construcciónremachada, debido a los menores costos por mano de obra y equipo y al menor n6mero de tornillos requeridos para resistir las mismas cargas."os pernos sin tornear tambi$n se denominan tornillos ordinarios o comunes. "a

?SC0 designa a estos tornillos como tornillos ?O9 y se !abrican con aceros alcarbono con caracter#sticas de es!uerzos y de!ormaciones muy parecidas a las delacero ?OK. Est'n disponibles en di'metros que van de 1: a 1: plg en

incrementos de 1+ plg."os tornillos ?O9 se !abrican generalmente con cabezas y tuercas cuadradaspara reducir costos, pero las cabezas hexagonales se usan a veces porque tienenuna apariencia un poco m's atractiva, son m's !'ciles de manipular con las llavesmec'nicas y requieren menos espacio para girarlas. )omo tienen relativamente


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grandes tolerancias en el v'stago y en las dimensiones de la cuerda, susresistencias de dise(o son menores que las de los remaches o de los tornillos dealta resistencia. Se usan principalmente en estructuras ligeras sujetas a cargas

est'ticas y en miembros secundarios %tales como largueros, correas, riostras,plata!ormas, armaduras peque(as, etc$tera&."os tornillos de alta resistencia se hacen a base de acero al carbono medianotratado t$rmicamente y aceros aleados y tienen resistencias a la tensión de dos om's veces las de los tornillos ordinarios. Existen dos tipos b'sicos, los tornillos

?O:8 %hechos con acero al carbono mediano tratado t$rmicamente& y los tornillos ?< 9 de mayor resistencia %tambi$n tratados t$rmicamente, pero hechos con

acero aleado&. "os tornillos de alta resistencia se usan para todo tipo deestructuras, desde edi!icios peque(os hasta rascacielos y puentes monumentales.Estos tornillos se desarrollaron para superar la debilidad de los remaches%principalmente la tensión insu!iciente en el v'stago una vez en!riados&. "astensiones resultantes en los remaches no son su!icientemente grandes paramantenerlos en posición durante la aplicación de cargas de impacto o vibratorias.El resultado es que los remaches se a!lojan, vibran y a la larga tienen quereemplazarse. "os tornillos de alta resistencia se pueden apretar hasta alcanzar es!uerzos muy altos de tensión, de manera que las partes conectadas quedan!uertemente a!ianzadas entre la tuerca del tornillo y su cabeza, lo que permite quelas cargas se trans!ieran principalmente por !ricción.

?lgunas veces se necesitan tornillos de alta resistencia con di'metros y longitudesmayores que los disponibles en tornillos ?O:8 y ?< 9. Si se les requiere condi'metros mayores que ` plg o longitudes mayores que + plg, pueden usarsetornillos ?


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0$todo del giro de la tuerca

"os tornillos se aprietan sin holgura y luego, con una llave de impacto, se le da un

giro de un tercio a una vuelta completa, dependiendo de su longitud y de lainclinación de las super!icies entre sus cabezas y tuercas. En la Cabla +V:, p'gina

K.:V


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extremos ranurados. Este m$todo de apretar tornillos es bastante satis!actorio yconducir' a menores costos de mano de obra -ara ninguno de los m$todos deapretar mencionados antes se especi!ica una tensión m'xima para el tornillo. Esto

signi!ica que el tornillo puede apretarse a la carga m's alta que no lo rompa y queaun as# trabaje con e!iciencia. Si el tornillo se rompe, se coloca otro sin mayoresconsecuencias. 3ebe notarse que las tuercas son m's !uertes que el tornillo y que$ste se romper' antes de que la tuerca se !racture.

S$=a#a ,> * ,*a"os tornillos deben colocarse a una distancia su!iciente entre s# para permitir su

instalación e!iciente y prevenir !allas por tensión en los miembros entresujetadores. "a Especi!icación % O.O& del ?2S) estipula una distancia m#nimacentro a centro para agujeros de sujetadores est'ndar, holgados o de ranura. -araestos agujeros, la distancia m#nima centro a centro no deber ser menor de : :1Odi'metros %siendo pre!erible tres di'metros&. "os resultados de pruebas handemostrado claramente que las resistencias por aplastamiento son directamenteproporcionales a la separación centro a centro hasta un m'ximo de Od. [o seobtiene resistencia adicional al aplastamiento si se usan separaciones mayores deOd.

S" &a&/#a%"a soldadura es un proceso en el que se unen partes met'licas mediante elcalentamiento de sus super!icies a un estado pl'stico o !luido, permitiendo que laspartes !luyan y se unan %con o sin la adición de otro metal !undido&. >esultaimposible determinar exactamente cu'ndo se originó la soldadura, pero sucedió

cuando menos hace varios miles de a(os. El arte de trabajar metales, incluyendola soldadura, !ue un arte en la antigua Grecia desde hace por lo menos tres mila(os, pero la soldadura se hab#a practicado, sin duda alguna, durante muchossiglos antes de aquellos d#as. "a soldadura antigua era probablemente un procesode !orja en el que los metales eran calentados a cierta temperatura %no la de!usión& y unidos a golpe de martillo.


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?unque la soldadura moderna existe desde hace bastantes a(os, es hasta en las6ltimas d$cadas que ha adquirido gran importancia en las !ases de edi!i cios ypuentes de la ingenier#a estructural. "a adopción de la soldadura estructural !ue

muy lenta durante varias d$cadas, porque muchos ingenieros pensaban que ten#ados grandes desventajas

& que ten#a poca resistencia a la !atiga en comparación con las conexionesatornilladas o remachadas y:& que era imposible asegurar una alta calidad de soldadura si no se contaba conuna inspección irracionalmente prolija y costosa.

4E[C? ?S 3E "? S7"3?3=>? ?ctualmente es posible aprovechar las grandes ventajas que la soldadura o!rece,ya que los temores de !atiga e inspección se han eliminado casi por completo.

?lgunas de las muchas ventajas de la soldadura se presentan en los siguientesp'rra!os

. -ara la mayor#a de los proyectistas, la primera ventaja es la econom#a, porqueel uso de la soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado. "asestructuras soldadas permiten eliminar un gran porcentaje de las placas de unión yde empalme, tan necesarias en las estructuras remachadas o atornilladas, as#como la eliminación de las cabezas de remaches o tornillos. En algunasestructuras de puentes es posible ahorrar hasta un 8\ o m's del peso de acerocon el uso de la soldadura.:. "a soldadura tiene un 'rea de aplicación mucho mayor que los remaches o lostornillos. )onsidere una columna de tubo de acero y las di!icultades paraconectarla a los otros miembros de acero, con remaches o tornillos. =na conexión

remachada o atornillada puede resultar virtualmente imposible, pero una conexiónsoldada presentar' pocas di!icultades. El lector puede apreciar muchas otrassituaciones similares, donde la soldadura tiene decidida ventaja.O. "as estructuras soldadas son m's r#gidas, porque los miembros por lo generalest'n soldados directamente uno a otro. *recuentemente, las conexiones conremaches o tornillos se realizan a menudo mediante 'ngulos de conexión o placas


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que se de!orman debido a la trans!erencia de carga, haciendo m's !lexible laestructura completa. -or otra parte, la mayor rigidez puede ser una desventajadonde se tienen conexiones de extremo simples con baja resistencia a los

momentos. En tal caso, el calculista debe tener cuidado de especi!icar el tipo de junta.


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la soldadura moderna, en realidad pasaron muchos a(os antes de que lasoldadura se e!ectuara con el arco el$ctrico. %Su trabajo !ue de la mayor importancia para el mundo estructural moderno, pero es interesante saber que

mucha gente opina que su mayor descubrimiento no !ue el arco el$ctrico, sino m'sbien un asistente de laboratorio cuyo nombre era 0ichael *araday.& 4arioseuropeos idearon soldaduras de uno u otro tipo en la d$cada de ++9 con el arcoel$ctrico, mientras que en Estados =nidos la primera patente para soldadura dearco !ue expedida a !avor de )harles )o!!in, de 3etroit, en ++ .

En la soldadura por gas, en la boquilla de un maneral o soplete, ya sea manejado

por el soldador o por una m'quina autom'tica, se quema una mezcla de ox#genocon alg6n otro tipo adecuado de gas. El gas que se utiliza com6nmente ensoldadura estructural, es acetileno, y el proceso recibe el nombre de soldaduraoxiacetil$nica. "a !l ama producida puede utilizarse tanto para corte de metalescomo para soldar. "a soldadura por gas es muy !'cil de aprender y el equiponecesario para e!ectuarla es relativamente barato. Sin embargo, es un procesoalgo lento comparado con algunos otros y normalmente se usa para trabajos dereparación y mantenimiento y no para la !abricación y montaje de grandesestructuras de acero.En la soldadura por arco, se !orma un arco el$ctrico entre las piezas que sesueldan y el operador sostiene el electrodo con alg6n tipo de maneral o unam'quina autom'tica. El arco es una chispa continua entre el electrodo y las piezasque se sueldan, lo que provocar' la !usión. "a resistencia del aire o gas entre elelectrodo y las piezas que se sueldan, convierten la energ#a el$ctrica en calor. Seproduce en el arco una temperatura que !luct6a entre los K 999 y 9 999 *. ?

medida que el extremo del electrodo se !unde, se !orman peque(as gotitas oglobulitos de metal !undido, que son !orzadas por el arco hacia las piezas por unir,penetrando en el metal !undido para !ormar la soldadura. El grado de penetraciónpuede controlarse con precisión por la corriente consumida. -uesto que las gotitas!undidas de los electrodos, en realidad son impulsadas a la soldadura, lasoldadura de arco puede usarse con $xito en trabajos en lo alto.


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El acero !undido en estado l#quido puede contener una cantidad muy grande degases en solución, y si no hay protección contra el aire circundante, aquel puedecombinarse qu#micamente con el ox#geno y el nitrógeno. 3espu$s de en!riarse, las

soldaduras quedar'n relativamente porosas debido a peque(as bolsas !ormadaspor los gases. Esas soldaduras son relativamente quebradizas y tienen muchamenor resistencia a la corrosión. =na soldadura debe protegerse utilizando unelectrodo recubierto con ciertos compuestos minerales.El arco el$ctrico hace que el recubrimiento se !unda, creando un gas inerte ovapor alrededor del 'rea que se suelda. El vapor act6a como un protector alrededor del metal !undido y lo protege de quedar en contacto directo con el aire

circundante. Cambi$n deposita escoria en el metal !undido, que tiene menor densidad que el metal base y a!lora a la super!icie, protegiendo a la soldadura delaire mientras se en!r#a. 3espu$s del en!riamiento, la escoria puede removerse!'cilmente con una piqueta %o cincel&, o con un cepillo de alambre %esa remociónes indispensable antes de la aplicación de la pintura o de otra capa de soldadura&.

El tipo de electrodo que se use para soldar es muy importante porque a!ectadecididamente las propiedades de la soldadura tales como resistencia, ductilidad yresistencia a la corrosión. Se !abrican un buen n6mero de di!erentes tipos deelectrodos, y el tipo por utilizar en cierto trabajo depende del tipo de metal que sesuelda, la cantidad de material que se necesita depositar, la posición del trabajo,etc. "os electrodos se dividen en dos clases generales los electrodos conrecubrimiento ligero y los electrodos con recubrimiento pesado.

"os dos tipos principales de soldaduras son las soldaduras de !ilete y de ranura.

Existen adem's las soldaduras de tapón y de muesca, que no son comunes en eltrabajo estructural.


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"as soldaduras de !ilete son aquellas que se hacen con las partes que setraslapan una sobre otra. Cambi$n pueden usarse en juntas te. "as soldaduras de!ilete son las de uso m's económico, ya que es necesaria poca preparación de las

partes que se van conectar. ?dem's, los soldadores que tienen menos experienciapueden hacerlas muy bien en comparación con aquellas que se requieren parabuenos trabajos con otros tipos de soldaduras."as soldaduras de !ilete han demostrado ser m's d$biles que las soldaduras deranura; sin embargo, la mayor#a de las conexiones estructurales se realizan consoldaduras de !ilete %aproximadamente el +9\&. )ualquier persona que hayatenido experiencia en estructuras de acero entender' por qu$ las soldaduras de

!ilete son m's comunes que las soldaduras de ranura. "as soldaduras de ranura,se usan cuando los miembros que se conectan est'n alineados en el mismoplano.


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.2 CONE?IONES E?CENTRICAS ATORNILLADAS Y SOLDADAS

"as conexiones exc$ntricas soldadas se analizan en !orma muy parecida a como

se estudian las conexiones atornilladas, excepto que las longitudes unitarias desoldadura reemplazan a los sujetadores individuales en los c'lculos. )omo en elcaso de las conexiones exc$ntricas atornilladas cargadas en cortante, lasconexiones en cortante soldadas pueden ser analizadas por m$todos el'sticos ode resistencia 6ltima.

?n'lisis el'stico

"a carga sobre la m$nsula que se muestra en la !igura ? se considera que act6aen el plano de la soldadura, es decir, en el plano de la garganta. Si se hace estaligera aproximación, la carga ser' resistida por el 'rea de la soldadura que sepresenta en la !igura A. Sin embargo, los c'lculos se simpli!ican si se utiliza unadimensión unitaria para la garganta. "a carga calculada se multiplica por 9. 9veces el tama(o de la soldadura para obtener la carga real.


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=na carga exc$ntrica, en el plano de la soldadura, somete a la propia soldadura aun cortante directo y a un cortante torsionante. )omo todos los elementos de lasoldadura resisten una porción igual de cortante directo, el es!uerzo cortante

directo es

f 1= P L

3onde " es la longitud total de la soldadura y es num$ricamente igual al 'rea de cortante,porque se ha puesto un tama(o unitario de garganta. Si se emplean componentes

rectangulares

f 1 x= Px L

]

f 1 y= Py L

3onde- x y - y son las componentes x y y de la carga aplicada. El es!uerzo cortanteoriginado por el par que se encuentra con la !órmula de la torsión.

f 2= Md

J

3onde

d / distancia del centroide del 'rea de cortante al punto donde se est' calculandoel es!uerzo

/ momento polar de inercia de tal 'rea


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Se m uestra e ste e sfuerzo e n la e squina superior derecha de la so ldadura d ada.

N"#*a $%=$ ,a =a#a *,$*+#"% a#'a&"% a ,a *$ !$

)uando un miembro estructural es cargado axialmente, el es!uerzo es uni!ormesobre la sección transversal y la !uerza cortante puede considerarse que act6a a lolargo del eje de gravedad, que es un eje longitudinal a trav$s del centroide. -araque el miembro est$ cargado conc$ntricamente en sus extremos, la !uerzaresistente resultante proporcionada por la conexión debe tambi$n actuar a lo largodel eje. Si el miembro tiene una sección transversal sim$trica, este resultadopuede lograrse al colocar las soldaduras o los tornillos de manera sim$trica. Si el

miembro tiene una sección transversal asim$trica, como la sección de 'ngulodoble de la !igura siguiente %a&, una colocación sim$trica de las soldaduras otornillos resultar' en una conexión cargada exc$ntricamente, con un par de valor C e, tal y como se muestra en la !igura siguiente %b&.


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"a sección .+ del ?2S) permite que esta excentricidad sea despreciada en losmiembros est'ticamente cargados. )uando el miembro est' sometido a la !atiga

causada por la carga repetida o por las inversiones del es!uerzo, la excentricidaddebe tomarse en cuenta o eliminarse por medio de una colocación apropiada delas soldaduras o de los tornillos %por supuesto, esta solución puede utilizarse a6nsi el miembro est' sometido solo a las cargas est'ticas&. "a colocación correctapuede determinarse al aplicar las ecuaciones de equilibrio por !uerzas ymomentos.

CONE?IONES E?CÉNTRICAS SOLDADAS: CORTANTE M8S TENSI N

0uchas conexiones exc$ntricas, particularmente las conexiones de viga acolumna, someten a las soldaduras a tensión m's cortante. 3os de talesconexiones se ilustran en la !igura siguiente.


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"a conexión de viga con asiento consiste, principalmente, de una peque(alongitud de 'ngulo que sirve como Tm$nsulaU para soportar la viga. "assoldaduras que unen este 'ngulo con la columna deben resistir el momentocausado por la excentricidad de la reacción, as# como la reacción de la viga encortante directo. El 'ngulo que se conecta al pat#n superior, proporciona unaestabilidad torsionante a la viga en su extremo y no ayuda a soportar la reacción.Xste puede unirse al alma de la viga en vez de al pat#n superior. "as conexionesde viga a 'ngulo pueden hacerse con soldaduras o con tornillos y no tomanninguna carga calculada.

"a conexión de viga por alma que es muy com6n, somete las soldadurasverticales de 'ngulo a columna al mismo tipo de carga que la conexión de vigasentada. "a parte de viga a 'ngulo de la conexión es tambi$n exc$ntrica, pero lacarga est' en el plano de cortante, por lo que no hay tensión. Canto la conexiónsentada como la viga por alma tienen sus contrapartes atornilladas.

En cada una de las conexiones analizadas, las soldaduras verticales sobre el pat#nde la columna est'n cargadas como se muestra en la !igura. ?l igual que en laconexión atornillada la carga exc$ntrica - puede ser reemplazada por una cargaconc$ntrica - y un par 0 / - e. El es!uerzo cortante es

f y= P A

3onde

? es el 'rea total de la garganta de la soldadura. El es!uerzo m'ximo de tensión secalcula con la !órmula de la !lexión

f t= Mc

I


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3onde

2 es el momento de inercia con respecto al eje centroidal del 'rea que consiste enel 'rea total de la garganta y c es la distancia del eje centroidal al unto m'salejado del lado de la tensión. El es!uerzo m'ximo resultante se encuentra alsumar estas dos componentes de manera vectorial.

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ENSAYO DE DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO