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Construcción en AceroIng. Aaron Aquiles Guajardo
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APUNTES 01Acero Estructural
01 GENERALIDADES
¿Qué es el acero? Aleación de Fe y C (~0.05-2%). Puede contener otros elementos como Mn, Ni, Nb, Cr, V, P, S, Si, Cu, etc. Porcentaje y elementos de aleación pueden modificar propiedades del acero. Carbono Equivalente
(CE%) = C% + (Mn%/6) + ((Cr%+Mo%+V%)/5) + ((Ni%+Cu%)/15)
Elementos de Aleación
VANADIO Imparte dureza, ayuda a formar granos finos.Aumenta resistencia a impacto y a fatiga.
MANGANESO Desoxidante, neutraliza azufre, facilitando trabajo encaliente.
COBRE Mejora resistencia a corrosión atmosférica.
SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedoren el acero de aleación.
FOSFORO Y AZUFRE Perjudican la tenacidad del acero
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El acero y sus componentesLos metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construcción pueden dividirse en
dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS. Ferroso viene de la palabra
FERUM que los romanos empleaban para el fierro o hierro. Por lo tanto, los materiales ferrosos son
aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del
hierro y el acero.
Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc,
cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de
algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.
Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más
ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la
posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además,
sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos
con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones.
Clasificación de los aceros según resistencia mecánica
Grados del Acero Resistencia a la tracción
kgf/mm2
Límite de fluencia
kgf/mm2
A37-24ES 37 24
A42-27ES 42 27
A52-34ES 52 34
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Tipos de Acero Estructural Aceros al carbono Aceros aleados Aceros de baja aleación y alta resistencia Aceros inoxidables
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Propiedades del Acero Estructural
En este diagrama pueden distinguirse ciertas zonas con determinadas características:
a) Período elástico.
Este período queda delimitado por la tensión σe (límite de elasticidad). El límite de elasticidad se
caracteriza porque, hasta llegar al mismo, el material se comporta elásticamente, es decir que producida
la descarga, la probeta recupera su longitud inicial. En la práctica, este límite se considera como tal
cuando en la descarga queda una deformación especifica remanente igual al 0.001 %.
Este período comprende dos zonas: la primera, hasta el límite de proporcionalidad, dónde el material
verifica la ley de Hooke. La segunda entre eP y , si bien es elástica, no manifiesta proporcionalidad
entre tensiones y deformaciones. En general, los límites de proporcionalidad y de elasticidad difieren
muy poco entre sí.
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b) Período elasto-plástico.
Para valores de tensión superiores al límite elástico, la pieza si fuera descargada no recobraría su
dimensión original, apreciándose una deformación remanente acorde con la carga aplicada. A medida
que aumenta la solicitación, la gráfica representativa es la de una función para la cual disminuye el
valor de su Tangente, tendiendo a anularse en el tramo final del período, al cual se llega con un valor de
tensión que se indica como F tensión de fluencia.
c) Período plástico (fluencia).
Una vez arribado al valor de tensión F (límite de fluencia), el material fluye, es decir, aumentan las
deformaciones sin que exista aumento de tensión. En realidad este fenómeno no es tan simple, ya que
puede verse que la tensión oscila entre dos valores límites y cercanos entre sí, denominados límites de
fluencia superior e inferior, respectivamente. La tensión de proporcionalidad resulta ser
aproximadamente el 80% de la tensión de fluencia.
d) Período de endurecimiento y de estricción
Como consecuencia de un reacomodamiento cristalográfico, luego de la fluencia el material sufre un
reendurecimiento, que le confiere la capacidad de incrementar la resistencia, es decir, puede admitir un
incremento de carga. Sin embargo en este período las deformaciones son muy pronunciadas. La tensión
aumenta hasta alcanzar un valor máximo R , denominado “tensión de rotura”, a partir del cual la
tensión disminuye hasta que alcanza una determinada deformación de rotura, produciéndose la rotura
física. La tensión R no es en realidad la máxima tensión que se origina en la probeta sometida a
carga. En efecto, alcanzado el valor de la deformación específica correspondiente ha R , comienza a
manifestarse en la probeta un fenómeno denominado “estricción”. Este consiste en la reducción de una
sección central de la pieza. Esta reducción, progresiva con el aumento de la carga, hace que las
tensiones aumenten y que, en realidad, el diagrama efectivo en lugar de presentar su concavidad hacia
abajo muestra un punto de inflexión en las vecindades de R y cambia su curvatura presentando una
rama creciente hasta alcanzar la deformación de rotura εR.
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Debido a lo que hemos mencionado recientemente el diagrama que acabamos de ver suele denominarse
“diagrama convencional σ - ε”, ya que los cálculos de las tensiones se realizan siempre sobre la base
de suponer la sección transversal constante, con área igual a la inicial.
Corrosión
Corrosión : pérdida de sección debido a reacciones químicaso electroquímicas con medioambiente.
Resistencia depende de :Composición química
Factores que afectan las propiedades mecánicas Composición química Tratamiento térmico Historia de deformaciones Geometría Temperatura Velocidad de carga (deformación) Estado de tensiones
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Factores que influyen el la corrosiónLos avances científicos han producido muchos materiales resistentes a la corrosión dependiendo
del producto con el cual esté en contacto. Algunos de los factores que influyen en la corrosión son:
pH de la solución : se estudia el la velocidad de corrosión dependiendo del pH de la solución y del
material que del cual esté fabricado el componente.
Agentes oxidantes : la mayor parte de la corrosión observada en la práctica se da en condiciones en
que la oxidación del hidrógeno para dar agua es una parte necesaria del proceso de corrosión. Por esta
razón los agentes oxidantes son con frecuencia potentes aceleradores del proceso de corrosión. Aunque
pueden acelerar la corrosión de unos materiales, pueden en cambio retardar la que se produzca en otros
mediante formación de óxidos en superficie o absorción de capas de oxígeno que las hacen resistentes a
los ataques químicos.
Temperatura : la velocidad de corrosión tiende a aumentar si aumente la tª. Con el fin de
combatir la corrosión se ha de hacer una buena selección de materiales. Este factor es en el primero en
el cual se piensa ya que se ha de elegir un material económico y que cumpla todos los requisitos del
proceso.
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Estado de Tensiones
Ventajas del acero Alta resistencia Uniformidad y homogeneidad Rango elástico amplio Durabilidad Ductilidad y tenacidad Rapidez de construcción Reciclabilidad
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Desventajas del acero Costo de mantenimiento Vulnerabilidad al fuego Susceptibilidad al pandeo Susceptibilidad a la fatiga
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02 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURAL
Diseño Estructural:Proceso creativo basado en conocimiento de los principios de estática, dinámica,mecánica de sólidos y análisis estructural. Producto es una estructura segura yeconómica que cumple su propósito
Criterios de diseño Costo mínimo. Peso mínimo. Tiempo de construcción mínimo. Mano de obra requerida mínima. Mínimo costo de fabricación de productos. Máxima eficiencia de operación.
Etapas de un diseño estructural1. Planificación.2. Estructuración preliminar.3. Definición de solicitaciones a considerar.4. Selección preliminar de elementos.5. Análisis.6. Evaluación.7. Rediseño.8. Decisión final.
SolicitacionesCargas muertas.Cargas vivas estáticas.Cargas vivas móviles.Impacto.Nieve.Viento.Sismos.
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OtrosIncertezasVariabilidad de las solicitaciones Cambio de uso Estimación poco conservadora de las solicitaciones Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido a simplificaciones
excesivas durante análisis Diferencias en el proceso constructivo
Variabilidad de la resistencia Variabilidad de dimensiones Variabilidad de la resistencia del material Defectos en el proceso constructivo Deterioro de resistencia con el tiempo Aproximación en fórmula para determinar la resistencia
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Combinaciones de CargaSEI (STRUCTURAL ENGINEERING INSTITUTE)
Filosofías de diseño vigentes1. Diseño por tensiones admisibles (tensiones de trabajo)
2. Diseño por estados límite Resistencia última. Diseño plástico. Factores de carga. Diseño límite. Factores de carga y resistencia.
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METODO ASD SE CUMPLE PSF
Rn
.
LRFDBasado en: Un modelo probabilístico Calibración con ASD Evaluación de experiencias previas
METODO LRFD SE CUMPLE
estructuralaenlestructuraelementodelsistenciaasclasdeEfectos
RniQi
Rearg
El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbresimplicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas y muertas.
Diseño de elementosAISC (2005) : Specification for Structural Steel BuildingsAISI (2001) : North American Cold-Formed Steel Specification
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03 DEFORMACIONLey de Hooke – Ecuaciones Generales
211
.
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VVVOLUMENDEVARIACION
LAEK
KPFUERZA
EALPo
EALPNDEFORMACIO
ETENSION
LUNITARIANDEFORMACIO
SFADMISIBLETENSION
APTENSION
YADM
Elementos Estáticamente Indeterminados
0F0.................21 FnRnRR
0i0.........21 n
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P
ALARGAMIENTO
LARGO
L1 L1
angulo
angulo
Caso alargamiento vertical para dos cables bajo una carga P
1
ALARGAMIENTO VERTICAL
)(21
13
COSAE
PL(METROS, CENTIMETROS)
ALARGAMIENTO INCLINADO
)(21
)(1 3
COSCOS
AEPL
(METROS, CENTIMETROS)
OBS: SIMETRICOSCABLES2SON:2)(2 3 COS
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Concepto de rigidezRigidez es la fuerza necesaria para producir un desplazamiento unitario en una estructura KF .
El término de rigidez, al igual que el de flexibilidad, es único para un tipo de desplazamiento o rotación
en un punto dado producido por una carga y sólo depende de la geometría y el material. Si al aplicar
una carga F en un punto a, se obtiene una rotación en b, la rigidez estaría relacionando estos dos efectos
de forma única.
Valores de Elasticidad y Coeficiente de Poisson
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Duc
to 1
2 tonf
3m
3m
PLACA DE Hº
Duc
to 2
2m
04 APLICACIONES RESUELTAS
1 Dos ductos acero de distinto diámetro soportan una placa de hormigón.Datos Técnicos :-Ducto 1 Tiene un Diámetro Exterior de 30 mm y un espesor de 2mm.-Ducto 2 Tiene un Diámetro Exterior de 20 mm y un Espesor de 2mm.-Profundidad De Placa Es De 3 M. Espesor Placa Es De 5 Cm.
-Peso Específico del Hormigón 3000.3mkgf
.
- .000.100.2 2cmkgfE
CALCULESE :
A. TENSION DE TRABAJO DE CADA DUCTO
Cálculos Previos
22222
1 76,14
6,243
44cmdDA
22222
2 13,14
6,142
44cmdDA
kgfmmkgfLosaopioPeso 250.205,035000.3Pr 3
3
01M 0325,2250.252000 FkgfF 208.52
0FV 01208.5250.2000.2 FkgfF 9601
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Cálculos Finales
221
11 546
76,1960
cmkgf
cmkgf
AF
222
22 609.4
13,1208.5
cmkgf
cmkgf
AF
B. DEFORMACION UNITARIA DE CADA DUCTO
000457,0000.100.2
96011
E
00219,0000.100.2
609.422
E
C. SI 28,0 , CALCULE LA VARIACION DE VOLUMEN PARA CADA DUCTO
311 10617,028,021000457,030076,1211 cmVV
322 327,028,02100219,030013,1212 cmVV
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15tonf
D
C
B
AA1=40cm2
A2=80cm2
2 Dos barras macizas de acero están sometidas a las cargas que se indican, calcúlese lamáxima tensión.Datos Técnicos :
2000.100.2
131
cmkgfE
mCDmBCmAB
0FV
)1(000.150000.15
VDVA
VDVA
0i0 CDBCAB
02
32
21
1
EALVD
EALVA
EALVA
)2(01095,51079,11019,1
0000.100.280
100000.100.280
300000.100.240
100
766
VDVAVA
VDVAVA
VAVD 000.151 0000.151095,51079,11019,12 766 VAVAVA
kgfVAVAVA
498.201095,51093,81098,2 736
kgfVD 502.12
222 28,15680502.1223,31
80498.245,62
40498.2
cmkgfCD
cmkgfBC
cmkgfAB
Luego la máxima tensión es 31,23kgf/cm2
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