acero - ing zapata baglietto
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1
ESTRUCTURAS DE ACEROESTRUCTURAS DE ACEROESTRUCTURAS DE ACERO
Luis F. Zapata Baglietto
1999
CONTENIDO
ü INTRODUCCIÓN
üMATERIAL ACERO
ü TIPOS DE PERFILES DE ACERO
ü ESTRUCTURAS DE ACERO TÍPICAS
ü ESPECIFICACIONES AISC COMOREGLAMENTO DE DISEÑO
ü EJEMPLOS DE ANALISIS Y DISEÑOESTRUCTURAL
ü ACCION DEL VIENTO Y SISMOSSOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE ACERO
2
INTRODUCCIÓN
l La industria de la construcción es vital para eldesarrollo de nuestro país, se dice que cuando laconstrucción camina el país camina. La aplicacióndel acero en la construcción es enorme.l La Ingeniería Estructural es una ciencia y un arte
para diseñar y realizar, con economía y elegancia,edificaciones, puentes, armazones y otrasestructuras similares de tal modo que ellas resistanlas fuerzas a las cuales pueden estar sujetas.
ESTRUCTURAS DE ACERO
INTRODUCCIÓN
l El acero es la base de construcciones livianas,grandes o pequeñas, bellas y esculturales, quepermite un trabajo limpio, planificado y de unarapidez sorprendente.l El acero mejora la destreza del operario y ayuda a
la imaginación de los promotores de lasconstrucciones a presentar interesantes propuestas.l Es el único material que disminuye su precio con
los años y que mejora en su resistencia y formas.
ESTRUCTURAS DE ACERO
3
INTRODUCCIÓN
l Los puentes vehiculares y peatonales puedenedificarse con acero, las construcciones deestablecimientos de industrias, las de minas, lasde petróleo, las torres de electricidad, decomunicaciones, hangares, coliseos, etc.
ESTRUCTURAS DE ACERO
A continuación algunos ejemplos de estructurasde acero
4
5
6
7
8
9
10
Alicorp, Lima10000 m2
Alicorp, Limaen construcción
11
Alicorp, Limaen construcción
Sandoval, Lima14000 m2
12
Tele2000, Limatorre de antena
Puente peatonal, Piura109 m, tendido de cables
13
Puente peatonal, Piuracolocación de plataforma
Puente peatonal, Piuradetalles de los cables
14
Puente peatonal, Piura109 m de luz
Puente peatonal, Piuradetalle de anclaje
15
Puente peatonal, Piurapiezas de conexión de cables
Puente peatonal, Piuramás detalles
16
Puente peatonal, Piuraplataforma, detalles
MATERIAL ACERO
l El material acero es de relativa reciente invención,tal como se conoce ahora es de fines del siglo XIX.Es la fusión del mineral de hierro, carbono y otrasaleaciones y que ahora se trabaja en lassiderúrgicas con un proceso industrial cada vezmás exacto.l La industria del acero es muy grande.
ESTRUCTURAS DE ACERO
17
MATERIAL ACERO
l El acero se puede obtener de la materias primaspor desoxidación del hierro y la mezcla con otrosminerales, o por tratamiento del acero de reciclaje.El material puede tener muchas variedades yformas al finalizar su manufactura.l Los ingenieros y arquitectos apreciamos su
resistencia y su facilidad de trabajo para laconstrucción de nuestras obras.
ESTRUCTURAS DE ACERO
MATERIAL ACERO
Hay una frase que define muy bien la importanciadel acero en nuestras vidas:
ESTRUCTURAS DE ACERO
"Para su bien o para su mal, el materialacero es uno de los materiales que mas hainfluido en la historia de la humanidad;es agente de adelanto y civilización, dedestrucción y miseria, de bienestar y
libertad, de poder y opresión. El arado y laespada que caracterizan a la humanidad,
son de acero"
18
F
Fy
Fp
0.05 0.20 0.25 0.30 0.350.150.10
dFdε = E
Es Fu
ε
P
PPROPIEDADES FÍSICOMECÁNICAS DEL ACERO
1. Fy : Punto de Fluencia2. Fp : Límite de Proporcionalidad
Fp = Fy - 705 kg/cm2 perfiles laminados en caliente,Fp = Fy - 1130 kg/cm2 perfiles soldados
3. Fu : Resistencia a la Fractura
MATERIAL ACEROESTRUCTURAS DE ACERO
F
Fy
Fp
0.05 0.20 0.25 0.30 0.350.150.10
dFdε = E
Es Fu
ε
P
PPROPIEDADES FÍSICOMECÁNICAS DEL ACERO
4. Ductilidad5. Módulo de Elasticidad: E6. Tenacidad del acero7. Densidad específica del acero: 7.858. Soldabilidad
MATERIAL ACEROESTRUCTURAS DE ACERO
19
F (kg/cm2)
7000
2500
3500
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
A572
A242
A36
ε
A36 Para propósitos generales en estructuras: edificacionessoldadas o empernadas.
A242 Para puentes empernados o soldados, resistente a laoxidación.
A572 Para perfiles estructurales, planchas, y barras paraedificaciones empernadas o soldadas; puentes soldadossólo en los Grados 42 y 50.
ACEROSESTRUCTURALES
ASTM
ESTRUCTURAS DE ACERO
RESISTENCIA ALA CORROSIÓN
DEL ACERO
A
B
C
t (años)
Porcentajede Pérdidade Espesor
10
8
6
4
2
2 106 84
A: Acero estructural al CarbonoB: Acero estructural al Carbono mas cobreC: Acero Aleado ( Cr-Si-Cu-P )
ESTRUCTURAS DE ACERO
20
TIPOS DE PERFILES DE ACERO
• PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE
• PERFILES PLEGADOS
• PERFILES SOLDADOS
ESTRUCTURAS DE ACERO
PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE
ÁNGULOCANAL
SECCIÓN W
SECCIÓN T
SECCIÓN S
TUBULAR
Nomenclatura y tipos definidos por el AISC
ESTRUCTURAS DE ACERO
21
PERFILES PLEGADOS
CANALES ZETAS
SECCIÓN I
ÁNGULO SOMBRERO
Comportamiento normado por el AISI
ESTRUCTURAS DE ACERO
PERFILES SOLDADOS
CS CVS VS
Nomenclatura por ITINTEC -UNI
ESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURAS DE ACERO TÍPICAS
• ESTRUCTURAS PARA PROCESOSINDUSTRIALES
• ESTRUCTURAS PARA TELE-COMUNICACIONES
• ESTRUCTURAS PARA LÍNEAS DETRASMISIÓN
• CUBIERTAS
• EDIFICIOS
• PUENTES PEATONALES Y VEHICULARES
ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURASPARA
PROCESOSINDUSTRIALES
SILO
SILO
COLUMNA
ARRIOSTRE
VIGAS
ESTRUCTURAS DE ACERO
23
ESTRUCTURASPARA TELE-
COMUNICACIONESTORRESPARAANTENAS
CUADRADA 100m CUADRADA 60m TRIANGULAR 15m
ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURASPARA LÍNEAS
DE TRASMISIÓN
ESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURAESPACIAL
CUBIERTASANILLOCENTRAL
ARCOS450
150
PLs
DIÁMETRO 105mPESO EST. METÁLICA = 13 Kg/m2
450
150
2Ls
2Ls
ESTRUCTURAS DE ACERO
CUBIERTAS
PÓRTICOS DEALMA LLENA
SISTEMA DEARRIOSTRAMIENTO
ESTRUCTURAS DE ACERO
25
CUBIERTASPÓRTICOS DEALMA LLENA
PÓRTICOSDE CELOSÍA
USA PERÚ
yy
ESTRUCTURAS DE ACERO
CUBIERTAS
ARMADURAS DEGRAN LUZ
L=60m h=6m
SECCIÓN:BRIDASUPERIOR
SECCIÓN:BRIDAINFERIOR
ESTRUCTURAS DE ACERO
26
EDIFICIOS
PÓRTICOSARRIOSTRADOS
PÓRTICOSTUBULARES
ESTRUCTURAS DE ACERO
PUENTES PEATONALES
PUENTEPEATONAL
L=36m
ESTRUCTURAS DE ACERO
27
LAS ESPECIFICACIONES A I S CCOMO REGLAMENTO DE DISEÑO
INSTITUTO AMERICANO DE LA CONSTRUCCION ENACERO (AISC). FUNDADO EN 1912.
AISC ESTÁ INTEGRADO POR LOS PRODUCTORES DEPERFILES, POR LOS USUARIOS Y POR INDIVIDUOSINTERESADOS EN EL DESARROLLO DEL ACEROCOMO MATERIAL PARA LA CONSTRUCCIÓN.
DESDE 1921 HA PRESENTADO 11 EDICIONES DELAS "ESPECIFICACIONES PARA EL DISEÑO,CONSTRUCCION Y MONTAJE DE ESTRUCTURAS DEACERO PARA EDIFICACIONES".
ESTRUCTURAS DE ACERO
• "DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES",conocido por sus siglas ASD (ALLOWABLESTRESS DESIGN) 1989 - Novena Edición.
• "DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES", conocidopor sus siglas LRFD (LOAD AND RESISTANCEFACTOR DESIGN) 1993 - Segunda Edición.
LAS ESPECIFICACIONES A I S CCOMO REGLAMENTO DE DISEÑO
DOS SON LOS ENFOQUES DEL DISEÑOESTRUCTURAL EN ACERO:
ESTRUCTURAS DE ACERO
28
LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POREL MÉTODO ASD SE BASA:
Fa ≥ fa
Fa : ESFUERZO ADMISIBLEfa : ESFUERZO APLICADO
SE APLICAN
COMBINACIÓN DE CARGAS:• CARGAS DE GRAVEDAD = D + L• CARGAS DE GRAVEDAD CON VIENTO O SISMO =
0.75 (D + L + W o E)
AISC 89
CARGAS DE SERVICIOCARGAS DE SERVICIO
ESTRUCTURAS DE ACERO
LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR ELMÉTODO LRFD SE BASA:
φ Rn ≥ Σ γ . Qi
φ Rn : RESISTENCIA DE DISEÑORn : RESISTENCIA NOMINALφ : FACTOR DE RESISTENCIA
γ . Qi : CARGAS FACTORIZADASQi : CARGAS APLICADASγ : FACTOR DE MAYORACIÓN
DE CARGAS
AISC 93
ESTRUCTURAS DE ACERO
29
Valor de φ Elemento0.90 Sección total en tracción0.90 Sección en flexión0.85 Sección en compresión axial0.75 Sección neta de conexión en tracción
FACTORES DE RESISTENCIA φ
MENOR QUE LA UNIDAD, DEPENDEN DELCONOCIMIENTO QUE SE TENGA DELCOMPORTAMIENTO DEL ELEMENTOESTRUCTURAL
ESTRUCTURAS DE ACERO
FórmulaAISC-LRFD
Combinación de Carga Máxima posibilidad de cargaen la vida útil de 50 años
(A4.1)
(A4.2)(A4.3)(A4.4)
(A4.5)(A4.6)
1.4 D
1.2 D + 1.6 L + 0.5 ( S ó Lr ó R )1.2 D + 1.6 ( Lr ó S ó R ) + ( 0.8 W ó 0.5 L )1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 ( Lr ó S ó R )
1.2 D + 1.5 E + ( 0.5 L ó 0.2 S )0.9 D - ( 1.3 W ó 1.5 E )
Carga muerta D durante la construcción
Carga viva LCarga en el techoCarga de viento W más carga muerta
Carga de sismo más carga muertaW ó E opuesta a la carga muerta
FACTORES DE CARGA
D : Carga muertaL : Carga viva interiorLr : Carga viva sobre el techo
S : Carga de nieveE : Carga debida a sismoW : Carga debida al vientoR : Lluvia retenida
Σ γ . Qi
ESTRUCTURAS DE ACERO
30
A4.1 A4.2 A4.3a A4.3b A4.4 A4.5a A4.5b A4.6a A4.6b0
50
100
150
200
250
300
350
400
A4.1 A4.2 A4.3a A4.3b A4.4 A4.5a A4.5b A4.6a A4.6b
EJEMPLO:Carga Factorizadaaxial en la columna de unedificio sobre la que actúan lassiguientes cargas de servicio:D = 100 t, L = 150 t, Lr =30 t,W = 60 t, E = 50 t
P
P
375 t
ESTRUCTURAS DE ACERO
EJEMPLOS DE ANALISIS YDISEÑO ESTRUCTURAL
PUENTE PEATONAL METÁLICOEN ARCO DE 36 m DE LUZ
EJEMPLOS DE ANALISIS YEJEMPLOS DE ANALISIS YDISEÑO ESTRUCTURALDISEÑO ESTRUCTURAL
PUENTE PEATONAL METÁLICOPUENTE PEATONAL METÁLICOEN ARCO DE 36 m DE LUZEN ARCO DE 36 m DE LUZ
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CONTENIDO
üCONCEPTO ESTRUCTURALüMATERIALESüCARGAS Y ANÁLISISüDISEÑO ESTRUCTURALüPRESENTACIÓN DE PLANOSüMETRADOSüPRESUPUESTOüCONCLUSIONES
D
PUENTEPEATONALMETÁLICOE
FG
H
21
34
AB
CESCALERA
SUPERESTRUCTURA:ARCO
TORRE DEAPOYO
32
CONCEPTO ESTRUCTURAL
Las estructuras metálicas está conformada por trescomponentes:
•La superestructura con dos arcos de circunferencia,tubulares, de sección cuadrada, con una luz de 36 m y unaflecha de 4.5 m. El tablero del puente peatonal estarácolgado del arco mediante tirantes y estará conformado portravesaños sobre los que descansará la superficie deltablero con tablas de madera empernadas a dichostravesaños. El ancho del tablero será de 2.1 m para tenerun ancho libre de 1.9 m aproximadamente. El tableroestará conformado por largueros sobre los que se apoyanlos travesaños cada 1.5 m. Los travesaños soportarán elentablado. Las barandas tendrán una altura de 0.9 m yserán metálicas.
CONCEPTO ESTRUCTURAL
•Dos torres de estructura de acero que servirán deapoyo a la superestructura, y asimismo, de apoyo a lasescaleras metálicas.
•Dos escaleras que tendrán el mismo ancho del tablerode la superestructura. Las dimensiones de los pasos ydescansos de las escaleras son idénticas a las de otrospuentes peatonales y estarán constituidos por marcosmetálicos de perfiles angulares y con superficies detablas de madera.
33
• Estructura metálicaPerfiles laminados en caliente fabricadosde acero A36 o similar.Soldaduras con electrodos E70XX.Pernos A325-X.
• Entablado de maderaMadera Grupo A: Estoraque o Pumaquiro
MATERIALES
cm : Carga muertacv : Carga viva plena (375 kgf/m2)cvi : Carga viva en mitad izquierda del arco
(225 kgf/m2)cvd : Carga viva en mitad derecha del arco
(225 kgf/m2)ct+ : Carga incremento de temperatura (10ºC)ct- : Carga decremento de temperatura (10ºC)cwn : Carga de viento norte-sur (veloc. 55KPH)cws : Carga de viento sur-norte (veloc. 55KPH)cs : Carga de sismo (RNC)
CARGAS Y ANÁLISIS
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1 1.00cm + 1.00cv2 1.00cm + 1.00cvi3 1.00cm + 1.00cvd4 1.00cm + 1.00cv + 1.00ct+5 1.00cm + 1.00cv + 1.00ct-6 1.00cm + 1.00cvi + 1.00ct+7 1.00cm + 1.00cvi + 1.00ct-8 1.00cm + 1.00cvd + 1.00ct+9 1.00cm + 1.00cvd + 1.00ct-
10 0.75cm + 0.75cwn11 0.75cm + 0.75cws12 0.75cm + 0.75cv + 0.75cwn
13 0.75cm + 0.75cv + 0.75cws14 0.75cm + 0.75cvi + 0.75cwn15 0.75cm + 0.75cvi + 0.75cws16 0.75cm + 0.75cvd + 0.75cwn17 0.75cm + 0.75cvd + 0.75cws18 0.75cm + 0.75cv + 0.75cs19 0.75cm + 0.75cv - 0.75cs20 0.75cm + 0.75cvi + 0.75cs21 0.75cm + 0.75cvi - 0.75cs22 0.75cm + 0.75cvd + 0.75cs23 0.75cm + 0.75cvd - 0.75cs
COMBINACIONES DE CARGAS
cm : Carga muertacv : Carga viva plenacvi : Carga viva en mitad izq. del arcocvd : Carga viva en mitad der. del arco
ct+ : Carga incremento de temperaturact- : Carga decremento de temperaturacwn : Carga de viento norte-surcws : Carga de viento sur-nortecs : Carga de sismo
CONDICIONES DE CARGA:
Para el Análisis Estructural, se ha empleado elprograma de computo SAP90, A Series ofComputer Programs for the Finite ElementAnalysis of Structures para la determinación delos desplazamientos y esfuerzos a que estásometida la estructura según cada condición decarga y las 23 combinaciones consideradas.
35
Carga viva = 375 kgf/m
Carga muerta = 250 kgf/m
DIAGRAMASDEMOMENTOSFLECTORES
carga muerta +carga viva plena
Carga viva = 225 kgf/mCarga muerta = 250 kgf/m
DIAGRAMASDEMOMENTOSFLECTORES
carga muerta + carga vivaen mitad izq. del arco
36
Cambio de temperatura: incremento de 10ºC
Diagrama de esfuerzosaxiales en los elementos
Deformaciones dela estructura
Carga viva = 375 kgf/m
Carga muerta = 250 kgf/m ANALISIS PARAMOMENTOS DE
SEGUNDO ORDEN
Carga Crítica:wcr = 2700 kgf/m
factor deseguridad = 4.37
37
• El diseño estructural se ha efectuado para elmáximo efecto de las cargas sobre cada unode los elementos empleando las combi-naciones y los esfuerzos permisibles de lasEspecificaciones del Instituto Americano de laConstrucción en Acero, AISC versión ASD-89.
DISEÑO ESTRUCTURAL
• Las conexiones se han diseñado para losmáximos efectos cortantes en el caso devigas, considerando un mínimo del 50% de lacapacidad de la viga en carga uniformementerepartida y, para el caso de los arrios-tramientos, para los máximos efectos axialesconsiderando un mínimo del 50% de lacapacidad del miembro.
DISEÑO ESTRUCTURAL
38
D
PUENTEPEATONALMETÁLICO
EF
GH
21
34
AB
C
PRESENTACIÓNDE PLANOS
ESCALERA
SUPERESTRUCTURA:ARCO
TORRE DEAPOYO
ESTRUCTURADEL PUENTE
39
DETALLESDE CONEXIONES
ESTRUCTURADEL PUENTE
40
DETALLE DEPLANCHA DE BASE
ESCALERAS
41
CIMENTACIÓN
DETALLE DE LACIMENTACIÓN
42
METRADOS1. CONSTRUCCIÓN METÁLICA
a) Puente, torres de apoyo yescaleras
PERFIL LONG.(m)
kgf/m kgf
L3x3x1/2 115.0 14.10 1622L3x3x3/8 412.5 10.80 4455L3x3x5/16 103.2 9.15 944L2.5x2.5x5/16
166.9 7.50 1252
L3x3x1/4 538.2 7.35 3956L2.5x2.5x1/4
104.0 6.15 640
L2x2x1/4 46.2 4.78 221L2x2x3/16 120.0 3.66 439L1.5x1.5x3/16
256.0 3.18 814
C4x5.8 7.0 8.70 61Varios 1152
total = 15555
b) Barandas metálicas
PERFIL LONG. (m)
kgf/m kgf
L3x3x1/4 254.2 7.35 1868L2.5x2.5x3/16 404.0 4.57 1846Varilla 5/8" 303.0 1.56 473
total = 4187
2. ENTABLADO DE MADERA
pie2
Madera tipo A 2047.0
43
3. BASES DECONCRETO
a)Excavación
44.1 m3
13 m3
2.5 m3
59.6 m3
b) Concreto 50 m3
c) Varillas de refuerzo Long.-m Kgf/m Kgfφ = 3/8" 92.6 0.56 51.9φ = 1/2" 10 1 10.0φ = 5/8" 149 1.6 238.4φ = 3/4" 264 2.24 591.4
891.6d) Pernos de anclaje
φ = 1" 43.2 5.08 219.5φ = 5/8" 33.2 1.6 53.1
273.0
ITEM DESCRIPCION UNID. CANT CU (S/.) TOTAL
1.00.00 ESTRUCTURAS DE ACERO1.00.01 Materiales, Fabricación, Pintura Kg 15555 6.7 104218
y Montaje de la estructura1.00.02 Materiales, Fabricación, Pintura Kg 4187 5.4 22609
y Montaje de las barandas
2.00.00 ESTRUCTURAS DE MADERA2.00.01 Pisos de Madera Grupo A de 1½” pie
22047.0 4.9 10030
3.00.00 ESTRUCTURAS DE CONCRETO(Cimentaciones)
3.00.01 Excavaciones m3 59.6 38.7 23063.00.02 Concreto f’c = 210 Kgf/cm2 m3 50.0 170.0 85003.00.03 Acero de Refuerzo Kg 892.0 2.5 22303.00.04 Pernos de Anclaje varilla Kg 273.0 5.4 1474
lisa de Acero A36 o similarSubTotal: S/. 151367
+ IGV 27246
TOTAL S/. 178613Fecha: 30 de julio de1997
PRESUPUESTO
44
• EL ACERO ES EL MATERIAL ADECUADOPARA PUENTES PEATONALES CON LÍNEASARMONIOSAS Y MODERNAS PARA EL EMBE-LLECIMIENTO DE LA CIUDAD.
• SE POSEE LA TECNOLOGÍA PARA SU DISEÑOY CONSTRUCCIÓN.
CONCLUSIONES
• LOS PUENTES PEATONALES PUEDEN SERCONSTRUIDOS CON PERFILES LAMINADOSEN CALIENTE PARA CUBRIR LUCES GRAN-DES EN FORMA ECONÓMICA APROVE-CHANDO EL MATERIAL Y LA FORMA.
• PUEDEN REEMPLAZAR A LOS PUENTESPEATONALES DE CONCRETO ARMADO YDE VIGAS METÁLICAS DE ALMA LLENAPESADAS.
CONCLUSIONES
45
EJEMPLOS DE ANALISIS YDISEÑO ESTRUCTURAL
ESTRUCTURA PARA PROCESOSINDUSTRIALES
IND. QUIMICA DEL PACIFICO
EJEMPLOS DE ANALISIS YEJEMPLOS DE ANALISIS YDISEÑO ESTRUCTURALDISEÑO ESTRUCTURAL
ESTRUCTURA PARA PROCESOSESTRUCTURA PARA PROCESOSINDUSTRIALESINDUSTRIALES
IND. QUIMICA DEL PACIFICOIND. QUIMICA DEL PACIFICO
ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS
Descripción de elementos:Angulos y tees para lossistemas de arriostramientocon resistencia en tracción ycompresión.Vigas y columnas de perfilesde alma llena.Descripción de las cargas:Las cargas debidas al sismopueden ser apreciables.La masa de los silos esconsiderada en los elementossólidos.
ESTRUCTURAS DE ACERO
46
1Z
Y
432
ESTRUCTURAS DE ACERO
Modelo de Presentaciónde Proyecto
1Z
Y43
2PLANTA niveles +5650 y +6650
ESTRUCTURAS DE ACERO
47
1Z
Y43
2PLANTA nivel +10900
ESTRUCTURAS DE ACERO
1Z
Y
43
2
ELEVACIÓNeje Y
ESTRUCTURAS DE ACERO
48
1Z
Y
43
2
ELEVACIÓNejes 1 y 2
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONEXIÓNDE APOYO
ESTRUCTURAS DE ACERO
49
CONEXIÓNDE VIGA -COLUMNA
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONEXIÓN DEEMPALME DEARRIOSTRES
ESTRUCTURAS DE ACERO
50
CONEXIÓNDE VIGA -
TRABE
ESTRUCTURAS DE ACERO
ACCION DEL VIENTOSOBRE LAS ESTRUCTURASDE ACERO
ACCION DEL VIENTOACCION DEL VIENTOSOBRE LAS ESTRUCTURASSOBRE LAS ESTRUCTURASDE ACERODE ACERO
51
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
• EL VIENTO TIENE UN PAPEL IMPORTANTEEN LAS CONSTRUCCIONES
• SUS ASPECTOS SON POCO FAMILIARES ALOS INGENIEROS
• ES TEMA MULTIDISCIPLINARIO• DEBE TRATARSE CON LA DEBIDA
IMPORTANCIA EN LA CURRÍCULA DEESTUDIOS
• ES NECESARIO CONOCER LAS FUERZAS DELVIENTO EN LAS ZONAS URBANAS YRURALES DEL PAIS
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
VELOCIDAD DEL VIENTO
EL MOVIMIENTO DEL AIRE SE DESCRIBE PORSU VECTOR VELOCIDAD.
HAY VARIAS DEFINICIONES PARA LAVELOCIDAD DEL VIENTO:
•VELOCIDAD PICO
•VELOCIDAD MEDIA
•LA MAYOR VELOCIDAD DE UNA “MILLA DEVIENTO”, USADA POR EL U.S. NATIONALWEATHER SERVICE Y ADOPTADA POR ELAMERICAN NATIONAL STANDARD ASCE 7-88,Cap. 6. SE MIDE A UNA ALTURA DE 10m ENTERRENO PLANO LIBRE DE OBSTÁCULOS
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
52
VARIACIÓN DEL VIENTO CON LA ALTURA
EL TERRENO Y LASCONSTRUCCIONESRETARDAN EL AIRECERCA DE LASUPERFICIE.
A CIERTA ALTURA LAVELOCIDAD YA NO SEALTERA.
DAVENPORT PROPUSOLAS CURVAS MOSTRADASEN LA FIGURA.
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EFECTOS DE LA TOPOGRAFÍA
LA TOPOGRAFÍA LOCAL INFLUYE SOBRE ELVIENTO.
SUS EFECTOS PRINCIPALES SON:
AMPLIFICACIONES SOBRE LA CIMA DE CERROS OCOLINAS Y “TUNELIZACIÓN” EN LOS VALLES.
SE REQUIERE INVESTIGACIÓN LOCAL.
LOS REGLAMENTOS NO PARTICULARIZAN PARAESTOS CASOS.
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
53
MAPA EÓLICODE LA
DISTRIBUCIÓNDE VIENTOS
EXTREMOS ENEL PERÚ
(UNI, 1966)
Isotacas quantiles de 0.02
K.P.H. a 10 m del suelo
Periodo de recurrencia :50 años
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EFECTOS DEL VIENTO
ACCIONES EXTERNAS DEL VIENTO
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
54
EFECTOS DEL VIENTO
ABERTURAS Y PRESIÓN INTERNA DEL VIENTO
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EL VIENTO EJERCE PRESIONES SOBRE LASSUPERFICIES DE LA CONSTRUCCIÓN.
PRESIÓN POSITIVA:HACIA LA SUPERFICIE
PRESIÓN NEGATIVA:DESDE LA SUPERFICIE
HAY EFECTOS GLOBALES Y LOCALES.
EFECTOS DEL VIENTO
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
55
NORMAS PARA CONSIDERAR ELVIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS
ACCIONES DEL VIENTO PARA EL DISEÑO:
• PROCEDIMIENTO ANALÍTICO: RESULTADODE ESTUDIOS EN MODELOS.
• TÚNELES DE VIENTO: INVESTIGACIÓN ENLABORATORIOS
ESTA CONFERENCIA TRATA SOBRE ELPROCEDIMIENTO ANALÍTICO PROPUESTO PORLAS NORMAS ASCE 7-88 MINIMUM DESIGN LOADSFOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES, CAP. 6
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUSCORRESPONDIENTES PRESIONES
p = q C GRF
Presióndel vientoestimada
Presión porla velocidaddel viento enla zona
Factoraerodinámico deforma
Factor derespuestadinámicade ráfaga
= · ·
· ·
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUSCORRESPONDIENTES PRESIONES
q = 0.05 K ( I.V)2
q : PRESIÓN QUE GENERA LAVELOCIDAD DEL VIENTO (N/m2)
K :COEFICIENTE DE EXPOSICIÓN DELA ZONA Y DE LA ALTURA
I : FACTOR DE IMPORTANCIA DE LACONSTRUCCIÓN
V :VELOCIDAD BÁSICA DE DISEÑODEL VIENTO (km/h)
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUSCORRESPONDIENTES PRESIONES
(Continuación)
C : FACTOR DE FORMA AERODINÁMICA(OBTENIDOS EN TÚNELES DEVIENTO).
GRF : FACTOR DE RESPUESTA DERÁFAGA (GUST RESPONSE FACTOR),AMPLIFICA LOS EFECTOS DE LASRÁFAGAS.
Ga : GRF APLICABLE A ESTRUCTURASFLEXIBLES.
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
57
COEFICIENTE DE EXPOSICIÓN KZ
VARIACIÓN DE LA VELOCIDADDEL VIENTO CON LA ALTURA.
•EXPOSICIÓN A : CENTRO DECIUDAD O TERRENOS RUGOSOS
•EXPOSICIÓN B : ÁREASSUBURBANAS O TERRENOSBOSCOSOS
•EXPOSICIÓN C : CAMPOABIERTO, SEMBRÍOS, ARBUSTOS
•EXPOSICIÓN D : ÁREASCOSTERAS EXPUESTAS AL MAR
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTE DE PRESIÓN C
LOS COEFICIENTES DE PRESIÓN AERODINÁMICOS,QUE SE DAN EN LAS NORMAS DE VIENTO, SE BASANEN RESULTADOS DE PRUEBAS DE MODELOS ENTÚNELES DE VIENTO. ESTAS PRUEBAS CON FLUJOSTURBULENTOS SE HAN HECHO PARA EDIFICIOSCERRADOS.
LOS VALORES DE LOS COEFICIENTES DE PRESIÓNSE DAN EN LAS TABLAS 4 A 19 Y FIG. 2 A 4 DE LASNORMAS DE VIENTO DEL ASCE 7-88, CAP. 6. SÓLOTRATAREMOS LAS FIG. 2, 3 Y 4, Y LAS TABLA 9 Y 10DE LAS NORMAS, CON EL OBJETO DEDESARROLLAR, MÁS ADELANTE, UN EJEMPLO DEAPLICACIÓN.
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA (Cp)
SOBRE PAREDES
Superficie L / B C p Para usarcon
pared de barlovento
pared de sotavento
paredes laterales
todos losva lores
0 - 12
≥ 4
todos losva lores
0.8
-0.5-0.3-0.2
-0.7
q z
q h
q h
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA (Cp)
SOBRE TECHOS
(CONTINUACIÓN)
barloventodireccióndel viento
ángulo θ en grados
h / L 0 10-15 20 30 40 50 ≥ 60 sotaventonormal a lacumbre
≤0.3
0.51.0≥1.5
-0.7
-0.7-0.7-0.7
0.2*-0.9*-0.9-0.9-0.9
0.2
-0.75-0.75-0.9
0.3
-0.2-0.2-0.9
0.4
0.30.3
-0.35
0.5
0.50.50.2
0.01 θ
0.01 θ
0.01 θ0.01 θ
-0.7para todoslos valores
de h / L y θ
paralelo a lacumbre
h/B o h/L≤2.5
h/B o h/L>2.5
-0.7
-0.8
-0.7
-0.8
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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COEFICIENTES DE PRESIÓN INTERNA (GCpi)
C o n d i c i o n e s G Cp i
Condic ión I
Condic ión II
T o d a s l a s c o n d i c i o n e s e x c e p t o l a s q u e s e i n d i c a n b a j o l aCo n dición II.
E d i f i c i o s e n l o s c u a l e s s e c u m p l e s i m u l t á n e a m e n t e l os iguie n te:1. E l p o r c e n t a j e d e l a s a b e r t u r a s e n u n a p a r e d e x c e d e l a
s u m a d e l o s p o r c e n t a j e s d e l a s a b e r t u r a s e n l a ss u p e r f i c i e s d e l a s p a r e d e s y t e c h o s r e s t a n t e s p o r 5 % om á s .
2. E l p o r c e n t a j e d e l a s a b e r t u r a s e n c u a l q u i e r a d e l o s m u r o sy t e c h o r e s t a n t e s n o e x c e d e 2 0 % .
+0.25-0 .25
+0.75-0 .25
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNAPARA COMPONENTES Y CERRAMIENTOS
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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Áreas tributarias (en m2):Techos:
correas 11.2planchas 2.4tirafones 0.6
Paredes:largueros 15.0planchas 2.4tirafones 0.6
a = 0.1x60 = 6 m ó= 0.4x6 = 2.4 m
EL MENOR
Ver Zonas en Fig. 3
a = 2.4 m
EJEMPLO DE APLICACIÓN
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
(a) Viento normal a la cumbre
(b) Viento normal a la cumbre
SOLUCIÓN - PASO 4 (Continuación)
(c) Viento paralelo a la cumbre
PRESIONESDEL VIENTOSOBRE LOSPÓRTICOS ADOS AGUAS
p = qGhCp - qh(GCpi)
(a) Viento normal a la cumbre
(b) Viento normal a la cumbre
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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SOLUCIÓN - PASO 5 (Continuación)COMPONENTES Y CERRAMIENTOS
Las presiones mostradasson para valores deenvolvente para áreastributarias de1 m2 o menos
(a)Áreas tributarias de 1 m2 o menos, ver este esquema.(b)Áreas tributarias de 10 m2 o más: Zona 1 p = -191 N/m2
Zonas 2 y 3 p = -231 N/m2
Áreas tributarias de 50 m2 o más: Zonas 4 y 5 p = +177 N/m2
-210 N/m2
Nota: Las presionesde diseño por vientointerpoladas paraotras áreastributarias sonconservadoras
RESULTADOS
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
ACCION DE LOS SISMOSSOBRE LAS ESTRUCTURASDE ACERO
ACCION DE LOS SISMOSACCION DE LOS SISMOSSOBRE LAS ESTRUCTURASSOBRE LAS ESTRUCTURASDE ACERODE ACERO
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CONEXIONES DE PÓRTICOS
AISC DEFINE TRES TIPOS DE CONEXIONES:
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
Conexiones“articuladas”
Conexionessemi-rígidas
Conexionesrígidas
CONEXIONESDE PÓRTICOS
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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• ESTRUCTURAS DE CUBIERTA:Cargas livianasEj. galpones, depósitos, industria liviana, auditorios,hangares, etc.
• ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS:Cargas livianas en el piso superior y cargas pesadas enlos pisos inferiores.Ej. Oficinas, depósitos de almacenamiento, industrias
• EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES:Cargas significativas
TIPOS MAS COMUNES DEESTRUCTURAS DE ACERO
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE CUBIERTA
TIPOS MAS COMUNES DEESTRUCTURAS DE ACERO
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURAS DE DOSO TRES PISOS
TIPOS MAS COMUNES DEESTRUCTURAS DE ACERO
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
TIPOS MAS COMUNES DEESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS DEPISOS MÚLTIPLES
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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• ESTRUCTURAS DE CUBIERTA:Arriostramiento para resistencia sólo en tracción
• ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS:Arriostramiento para resistencia en tracción ycompresión
• EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES:Arriostramiento para resistencia en tracción ycompresiónConexiones rígidas como una reserva de ductilidadpara zonas sísmicasSoluciones Tubulares
SISTEMAS SISMORRESISTENTES
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
Diseño de columnacomo voladoempotrado en elsuelo
tijeral
columna deconcreto
ESTRUCTURAS DE CUBIERTAESTRUCTURAS DE CUBIERTA
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURAS DE CUBIERTAESTRUCTURAS DE CUBIERTASe emplean planchas de cubierta de peso ligero.Se emplean planchas de cubierta de peso ligero.Las cargas de viento pueden ser más importantes queLas cargas de viento pueden ser más importantes quelas cargas de sismo.las cargas de sismo.
“pata de gallo”
FUNCIÓN:
tijeral
columnade acero
rigidizar el nudode esquina
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
tirante protegido
pórtico dealma llenanudos rígidos
a
b
c
ESTRUCTURAS DE CUBIERTAESTRUCTURAS DE CUBIERTA
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURAS DE CUBIERTAESTRUCTURAS DE CUBIERTA
arriostres en X
sistem
a de
arriost
ramien
to
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE CUBIERTAESTRUCTURAS DE CUBIERTA
H
L
A
h
α
N
∆
∆1
α
α
Para una crujía: resistencia sólo en tracción
NH
=cosα
∆ =H h
EA cos sen2 α α
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS
Las cargas debidas al sismopueden ser apreciables yconviene emplear ángulos, Teespara los sistemas dearriostramiento con resistenciaen tracción y compresión.
Cuando se cruzan se conectanen el centro y la diagonal entracción contribuye a laresistencia de la diagonal encompresión como un apoyoelástico.
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
γ
γ=0
γ=∞
ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS
Si γ = 0: Si γ = ∞:
CEIL
Pcec
e= =π2
2C Pce e= 4
K = 1.0 K = 0.5
Resistencia en tracción y compresión
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
Tienen pisos de losas deconcreto (diafragma rígido).
Se debe conseguir que elcentro de gravedad coincidacon el centro de rigidez delpiso.
Se debe controlar ladeformación lateral con unarigidez lateral mediante elíndice:
∆/h ≤ 1/200
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
Estos dependen íntegramente de la rigidez de los nudos parasu estabilidad lateral. Se emplean conexiones con nudosrígidos. Se debe procurar ubicar crujías con arriostramientosen los planos de los ejes débiles de las columnas para mejorarla seguridad y la economía de la edificación.
Edificios sinarriostramientosverticales
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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P.S. P.A.
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
Para edificios de mayor altura esnecesario usar arriostramientosverticales para seguridad contralas acciones laterales y controlarlas deflexiones laterales.
Pórticos con arriostramientos verticales
Pórticos arriostrados (P.A.)Pórticos soportados (P.S.)
• P.A. resisten cargas degravedad y cargas laterales
• P.S. resisten cargas verticales
En P.S. usar conexiones rígidascomo una reserva de ductilidadpara zonas sísmicas.
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
Tipos de enrejados paraarriostramientos verticales:1 Arriostramiento en X2 Arriostramiento en K3 Arriostramiento en V4 Arriostramiento excéntrico,patrocinado por Popov (Univ.de California, Berkeley) con elobjeto de producir rótulasplásticas localizadas y disiparenergía a través de ellas.
443
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ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
Para edificios de gran altura(más de 40 pisos)Se recomiendan las llamadasSoluciones Tubulares que hanprobado ser muy apropiadaspara edificios de gran altura,ya que abarca todo el edificio yreparten mejor las cargassobre el terreno.En este caso no es necesarioarriostrar internamente lospórticos, propiciando grandesespacios libres.
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
CONCLUSIONES
• Se ha presentado el estado del conocimiento de la forma dearriostrar las estructuras de acero para enfrentar lasacciones de los sismos controlando los desplazamientoslaterales y la resistencia de los elementos estructurales, enespecial, de los arriostramientos, las conexiones y susdetalles.
• Se debe evitar la formación de rótulas plásticas en losnudos de las vigas con las columnas, desplazando lasrótulas hacia las vigas.
• Para edificios de gran altura es preferible la solución depórticos arriostrados, controlando mejor la rigidez lateralde las edificaciones.
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LASESTRUCTURAS DE ACERO
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MUCHAS GRACIAS
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