capitulo i introduccion al diseño en acero 2015
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DISEÑO EN ACERO Y MADERA
Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24
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CAPITULO IINTRODUCCION AL DISEÑO EN
ACERO
Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24
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DISEÑO ESTRUCTURAL El diseño estructural es un proceso que se realiza a partir
de un adecuado balance entre las funciones propias queun material puede cumplir, a partir de sus característicasnaturales específicas, sus capacidades mecánicas y elmenor costo que puede conseguirse. El costo dela estructura siempre debe ser el menor, pero obteniendoel mejor resultado a partir de un análisis estructuralprevio.
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ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
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Alicorp, Lima10000 m2
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Alicorp, Limaen construcción
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Alicorp, Limaen construcción
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Sandoval, Lima14000 m2
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Tele2000, Limatorre de antena
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Puente peatonal, Piura109 m, tendido de cables
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Puente peatonal, Piuracolocación de plataforma
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Puente peatonal, Piuradetalles de los cablesHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le
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Puente peatonal, Piura109 m de luz
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Puente peatonal, Piuradetalle de anclaje
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Puente peatonal, Piurapiezas de conexión de cables
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Puente peatonal, Piuramás detalles Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le
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Puente peatonal, Piuraplataforma, detalles
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EL ACERO, SU OBTENCION Y MATERIA PRIMA
El acero : Metal que resulta de la mezcla de hierro y menos del1.76% de carbono
El hierro : Metal tenaz , dúctil y maleable, que funde a 1535 °C,es de color grisáceo y negruzco.Metal más importante del mundo ya que es la materiaprima para la fabricación del acero.
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El descubrimiento del hierro es el acontecimiento que marcó el punto departida de la civilización actual.
Obtencióndel hierro
Etapa artesanal
Aplicación de calor a altas temperaturas
Hornos primitivos (hierro dulce)
Etapa de fundición
Altos hornos (hierro impuro o arrabio)
Segundo procesoafinación
ACEROHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24
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BREVE SEMBLANZA DE LA INDUSTRIA SIDERURGICA
Henry Cort 1747 Pudelado: técnica fatigosa y de bajo rendimiento
Henry Bessemer segunda mitad XIX Producción de acero a granescala a precios competitivos
Siemens-Martin 1864 Empleo de chatarra de acero
Gillchrist Thomas 1876 Revestimientos refractarios básicos
Horno de arco fines siglo XIX Gran capacidad de produccióneléctricoOxiconvertidores 1953 Adelanto más notable en la
tecnología siderúrgica
La tendencia a nivel mundial busca mejorar los procesos tecnológicos y eficientar lossistemas de recolección de chatarra con el fin de reciclarla
Tasa de reuso del acero (25 al 100% reciclado)EconómicoMenor contaminación
Menor utilización de recursos naturalesHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24
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DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACIONEl diagrama esfuerzo-deformación ofrece información necesaria para entender como secomporta el acero ante una condición de carga determinada.
Diagrama esfuerzo-deformación característico de un acero estructural conHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le atravesará. Job 20:24
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El diagrama esfuerzo-deformación nos permite identificar elesfuerzo de fluencia, que es el para el proyectista la propiedaddel acero más importante en la etapa de diseño de estructuras.
El análisis que resulta de dicha gráfica nos permite predecir elcomportamiento del acero y por tanto, forma parte del conjuntode factores que nos conducen a la elección del material idóneopara cada situación.
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ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS
Propiedadesdel acero
Composiciónquímica
Variación en el contenido de carbono
Adición de otros elementosSi, Ni, Mn, Cu
Acero aleado
PropiedadesEstructurales•Soldabilidad•Resistencia•Dureza•Ductilidad
Tratamientos térmicos
Templado
Revenido
Endurecimiento del metal de maneraprofunda obtenido al calentarlo y enfriarlorápidamente al sumergirlo en un líquido frío
Calentamiento del metal a temperaturaselevadas prolongando su enfriamiento paraque al efectuarse lentamente no engendretensiones internas.
Procesos mecánicos
Proceso de laminado
Estiramiento térmicoHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le
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GRADOS Y TIPOS DE ACEROS ESTRUCTURALES
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F (kg/cm2)
7000
2500
3500
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
A572
A242
A36
A36 Para propósitos generales en estructuras: edificaciones soldadas o empernadas.
A242 Para puentes empernados o soldados, resistente a la oxidación.
A572 Para perfiles estructurales, planchas, y barras para edificaciones empernadas o soldadas; puentes soldados sólo en los Grados 42 y 50.
ACEROSESTRUCTURALES
ASTM
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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 )
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Aceros de ultraresistencia
Son aquellos que tienen altos niveles de esfuerzo de fluencia, su uso serecomienda en elementos sujetos a tensión.
Cuanto mayor sea el límite de fluencia mayor será el precio del acero.
Con el objeto de obtener ahorros en la construcción se recomienda unaconstrucción híbrida, que supone una combinación de aceros de ultraresistenciay aceros de resistencia media.
Factores que pueden conducir al uso de aceros de alta resistencia:
Alta resistencia a la corrosión
Ahorros en los costos de montaje, transporte y cimentaciones
Reducción de las alturas de entrepisos
Ahorro en la protección contra fuegoHuirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le
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¿EN QUE TIPOS DE ESTRUCTURAS
PODEMOS USAR EL ACERO?
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Estructuras Metalicas de mayor usoa) Campamentos
Fuente: Precor
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b) Edificios & Viviendas
Fuente: Precor
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c) Galpones
Fuente: Precor
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d) Centros Comerciales
Fuente: Precor
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Viviendas con sistemade muros con entramadode perfiles plegados
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Campamento con sistemade muros con entramado
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Tijerales con sistemareticulado
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ESTRUCTURASPARA PROCESOS
INDUSTRIALES
SILO
SILO
COLUMNA
ESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURASPARA TELE-
COMUNICACIONESTORRES PARA ANTENAS
CUADRADA 100m CUADRADA 60m TRIANGULAR 15m
ESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURASPARA LÍNEAS
DE TRASMISIÓN
ESTRUCTURAS DE ACERO
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ESTRUCTURA ESPACIAL
CUBIERTAS
ANILLOCENTRAL
ARCOS450
150
PLs
DIÁMETRO 105mPESO EST. METÁLICA = 13 Kg/m2
450
150
2Ls
2Ls
ESTRUCTURAS DE ACERO
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CUBIERTAS
PÓRTICOS DEALMA LLENA
SISTEMA DEARRIOSTRAMIENTO
ESTRUCTURAS DE ACERO
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CUBIERTASPÓRTICOS DEALMA LLENA
PÓRTICOSDE CELOSÍA
USA PERÚ
yy
ESTRUCTURAS DE ACERO
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CUBIERTAS
ARMADURAS DE GRAN LUZ
L=60m h=6m
SECCIÓN:BRIDASUPERIOR
SECCIÓN:BRIDAINFERIOR
ESTRUCTURAS DE ACERO
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EDIFICIOS
PÓRTICOS ARRIOSTRADOS
PÓRTICOS TUBULARES
ESTRUCTURAS DE ACERO
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PUENTES PEATONALES
PUENTEPEATONAL
L=36m
ESTRUCTURAS DE ACERO
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VENTAJASEl acero estructural, a pesar de su elevado costo, es el material ideal paraconstrucción, especialmente para estructuras ubicadas en zonas sísmicas, por lasventajas que a continuación se indican:
Material homogéneo
Ductilidad: Propiedad para soportar grandes deformaciones sin fallar alsometerse a grandes esfuerzos de tensión. Sus grandes deflexiones ofrecenevidencia visible de la inminente falla.Tenacidad: Posee resistencia y ductilidad. Es la propiedad que le permiteabsorber energía en grandes cantidades sin fracturarse.Resistencia a la fatiga: Esta propiedad le permite soportar muchos ciclos de carga y descarga, o bien, de tensión o compresión.Durabilidad: Con un mantenimiento adecuado su vida útil puede prolongarsecasi indefinidamente.Soldabilidad: Esta propiedad le permite ser unido a otro elemento de sumisma especie lo cual representa una gran ventaja como material deconstrucción.
Alta resistencia: Gran relación de resistencia y rigidez por unidad devolumen.
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PesoLa estructura metálica pesa considerablemente menos que una estructura deconcreto para la misma geometría y cargas.
Propiedad muy útil en la construcción de edificios muy altos con malascondiciones para su cimentación.
Fuerzas sísmicas proporcionalmente menores
La fuerzas sísmicas que actúan en la estructura de un edificio se determinanmultiplicando la masa por su aceleración de respuesta. Mientras más pequeñasea la masa del inmueble (carga muerta) menor será la vulnerabilidad al dañopor sismos.
Versatilidad arquitectónica
Mayores espacios rentables
Flexibilidad en el diseño
Características estéticas especiales Gran eficiencia constructiva
Gran parte del proceso se lleva a cabo en el taller de fabricación y unporcentaje menor del trabajo directamente en campo.Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le
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Ampliación de estructuras existentes
Economía en los acabados
Los peraltes de vigas, trabes y armaduras de los marcos rígidos sonmenores que en una estructura de concreto, logrando con esto un ahorro enrevestimiento de muros, fachadas y acabados en general.
Rapidez constructiva
Mientras en el lugar de la obra se está construyendo la cimentación, almismo tiempo en el taller se fabrica la estructura.
Se minimiza la influencia de las condiciones metereológicas en la calidad dela construcción debido al trabajo de prefabricado hecho en planta bajo unambiente controlado.
Propiedades diversas
Facilidad de ensamble a través de varios tipos de conexiones.
Capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas.
Una estructura de acero puede adaptarse con relativa facilidad a los cambiosarquitectónicos, modificación de pisos, ampliaciones, reforzamientos, etc.
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DESVENTAJAS
Costo de la estructuraUna estructura metálica requiere además del acero estructural otrosmateriales o insumos complementarios como soldadura, tornillería y pintura.En México la mano de obra es barata y el material es caro.La diferencia de costo entre las diferentes calidades de acero estructural sonsignificativas.
Costo de mantenimientoLa mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión por lo quedeben pintarse periodicamente. Se requiere proteger la estructura durante elproceso de construcción.
Costo de la protección contra fuegoLa protección de estructuras de acero contra fuego es cara y en ocasionespuede representar hasta un 5% del costo de la fabricación de la estructura.
VibraciónEste aspecto es parte de un buen diseño sin embargo, además de satisfacer lascondiciones de seguridad se necesita cumplir con requisitos de servicio,funcionamiento y confort.Huirá de las armas de hierro, Y el arco de acero le
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TIPOS DE PERFILES ESTRUCTURALES
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PERFILES SOLDADOS
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METODOS DE DISEÑO
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En un principio, las estructuras se diseñaron empleando esfuerzospermisibles o de trabajo, que limitaban el esfuerzo normal o tangencialde una pieza o una fracción del esfuerzo de fluencia del material, razónpor la cual se le denomina comúnmente "diseño elástico" aunque esmás correcto el termino: "diseño por esfuerzos permisibles o detrabajo".Cabe señalar que si se aprovecha la resistencia del material más allá desu punto de fluencia (como es el caso del acero) y se defina el esfuerzopermisible en función del esfuerzo de falla se estará diseñandoplásticamente, por lo cual es impropio el término de diseño elástico.
El método LRFD y la norma NTE-E.090 siguen este criterio para eldiseño por estados límites de falla; es decir, el diseño para elementosmecánicos y/o esfuerzos que aseguran la resistencia mecánica delelemento estructural ante el colapso.Mientras que el diseño por estado límite de servicio incluye la revisiónpor deflexiones, vibraciones y demás efectos en las estructuras paraque no afecten su buen funcionamiento
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LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR EL MÉTODO ASD SE BASA:
Fa fa
Fa : ESFUERZO ADMISIBLE
fa : 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
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LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR EL MÉTODO LRFD SE BASA:
Rn Qi
Rn : RESISTENCIA DE DISEÑORn : RESISTENCIA NOMINAL : FACTOR DE RESISTENCIA
Qi : CARGAS FACTORIZADASQi : CARGAS APLICADAS : FACTOR DE MAYORACIÓN DE CARGAS
AISC 93
ESTRUCTURAS DE ACERO
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Valor de 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
MENOR QUE LA UNIDAD, DEPENDEN DEL CONOCIMIENTO QUE SE TENGA DEL COMPORTAMIENTO DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL
ESTRUCTURAS DE ACERO
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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 D1.2 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 construcciónCarga viva LCarga en el techoCarga de viento W más carga muertaCarga 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
Qi
ESTRUCTURAS DE ACERO
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0
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 Factorizada axial en la columna de un edificio sobre la que actúan las siguientes 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
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