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CRITERIOS DE ESTRUCTURACIN DE EDIFICIOS DE ACERO Agenda:1. Tipologa Estructural

2. Conexiones

3. Predimensionamiento4. Estados Lmite

5. Ventajas del Acero Estructural

6. Acciones

7. NormatividadTipologa EstructuralAcciones Verticales Debido a la Carga Permanente y la Carga VivaAcciones Transmitidas a la Cimentacin a travs de las ColumnasCimentacinFIGURA 1Tipologa EstructuralFIGURA 2Desplazamientos Horizontales en los entrepisosViento Cargas en las Cimentaciones SISMORecomendaciones generales para la estructuracin de edificios de AceroPoco pesoSencillez, simetra y regularidad en plantaPlantas poco alargadas: (relacin Largo/ancho < 2.5)Procurar uniformidad de rigidez en elevacinHiperestaticidadArticulaciones plsticas en miembros horizontalesPropiedades dinmicas de las estructuras adecuadas al terreno

IMPORTANCIA DEL CRITERIO DE ESTRUCTURACIN

Estructuracin a base de Marcos Rgidos1.5V1.5V2V2VLosa RgidaVVVVVVVResistencia a los Esfuerzos HorizontalesEsfuerzos Horizontales

Esfuerzos Horizontales

Marco RgidoVigas conectadas en las columnasEsfuerzos HorizontalesEstructuracin ContraventeadaEsfuerzos Horizontales transferidos a los contravientos verticales debido a la rigidez de la losaVigas y Columnas PrincipalesVigas Apoyadas en las columnasEsfuerzos HorizontalesEstructuracin con Muros de CortanteLOSA RGIDA DE CONCRETOVIGAS APOYADAS EN LAS COLUMNAS

MUROS DE CORTANTEESFUERZOS HORIZONTALESESFUERZOS HORIZONTALESEstructuracin con Muros de CortanteVIGAS DE ACERO APOYADAS EN MURO

ESFUERZOS HORIZONTALESMURO DE CONCRETO ARMADO QUE SUSTITUYE EL EJE DE COLUMNASEstructuracin con Ncleo de ConcretoNUCLEO DE CONCRETO CON TORRE DE ESCALERAS Y HUECOS PARA ELEVADORESABERTURA PARA ACCESO A LOS ENTREPISOSVIGAS SIMPLEMENTE APOYADAS EN LAS COLUMNASHHH3HRESISTENCIA DEL NUECLEO A LOS ESFUERZOS HORIZINTALESEstructuracin TubularContravientos en Todas las Caras.ConexionesASDLRFDRgida Tipo ITotalmente RestringidaSimpleTipo IIParcialmente RestringidaSemi RgidaTipo IIIParcialmente RestringidaConexiones

Conexiones SIMPLE SEMI RGIDA RESTRINGIDA

Conexiones Simples

Conexiones Simples

Conexiones Simples

Conexiones Simples

Conexiones Simples

Conexiones Rgidas

Conexiones Rgidas

Conexiones Rgidas

Conexiones Rgidas

Conexiones Semi Rgidas

Conexiones Semi Rgidas

Conexiones Semi Rgidas

PredimensionamientoPeraltes en vigas:De qu depende?CLARO A SALVAR (L)CARGAS ACTUANTES (W)CONDICIONES DE APOYO RGIDASSIMPLESSEMI - RGIDASPredimensionamientoPeraltes en vigas:

d

dSeccin convenientes de vigas

Vigas de seccin I laminadas soldadas

Ejemplo:Para una viga IR con claro de 9.00 mts

Proponemos una viga IR de 14 (356 mm)Armaduras de cuerdas paralelas

Armaduras de cuerdas paralelas

Ejemplo:Para una armadura con claro de 14 mts

Proponemos armadura con d=1.20 mtsMontantes y Diagonales en Armaduras

Separacin entre montantesDiagonales en Armaduras

Se recomienda que se lleve a cabo esta prctica aunque en algunos casos rigen las condiciones geomtricas.Estructuras Espaciales

Estructuras Espaciales

Estructuras Espaciales

Estructuras Espaciales

Ejemplo:Para un claro de 70 mts

Proponemos un peralte d=2.35 mts

Joist

Joist

Ejemplo:Para un claro de 10 mts

Proponemos un peralte d=50 cmColumnasEl dimensionamiento de columnas depende adems de la longitud sin arriostrar de la forma de la columna y sus condiciones de apoyo.

Se acepta que la relacin de esbeltez en edificios convencionales se encuentra entre 70 y 90.

ColumnasEjemplo:

Se tiene una columna de un edificio con una longitud no arriostrada de L=5 mts. Y se toma un factor de longitud efectiva K=1.0 conservadoramente.

Secciones convenientes en Compresin

Contraventeos

Secciones convenientes de contraventeos

DimensionamientoEl dimensionamiento de un contraventeo generalmente se basa en la formula general del esfuerzo.

Ejemplo: se tiene un contraventeo sometido a una fuerza axial de tensin de 80 ton, considerar acero ASTM A529 50.

Losas de pisoEn la actualidad los sistemas industrializados en sistemas de piso predominan ms que los artesanales o colados in-situ:

Steel DeckVigueta de alma abierta y BovedillaVigueta pretensada

Con la ayuda de pernos de cortante podemos aligerar las estructuras hacindolas compuestas. Vigueta de alma abierta y Bovedilla

Losacero

Losas Compuestas

Muros

Muros

Densidad de estructuras El costo de una estructura consiste principalmente del peso de los elementos estructurales provenientes del diseo estructural.

Para estructuras de marcos rgidos sin contraventear:

Para estructuras de marcos rgidos contraventeados:Densidad de estructuras Ejemplo

Edificio de 7 niveles sin contraventeo:

Edificio de 7 niveles con contraventeo:Estados LmiteEstado Lmite de Falla:

Este estado lmite se refiere a que los materiales elegidos para soportar las diferentes cargas actuantes sobre una estructura deben ser capaces de satisfacer las necesidades de resistencia sin que lleguen a la falla. (fluencia, fractura, pandeo, etc.).Estados LmiteEstado Lmite de Servicio:

Este estado lmite se refiere a que los materiales elegidos para soportar las diferentes cargas actuantes sobre una estructura deben ser capaces de satisfacer las necesidades funcionales (desplazamientos horizontales y verticales, vibraciones, etc.).Ventajas del Acero EstructuralEstructuras ms ligerasRapidez en el montajeVarios frentes de ataque simultneosConstrucciones ms altasMayor rea til por pisoFlexibilidad de modulacin y precisinEstructuras fabricadas en tallerIntegracin con otros sistemasPoco espacio de almacenaje Ventajas del Acero Estructural10. Ampliaciones sin interferencia11. Capacidad de aumento de cargas12. Facilidad de desmontaje y montaje13. Cubre grandes claros 14. Reduccin de altura entre pisos15. La calidad del acero est controlada16. Bajo nivel de prdidas 17. Aprovechamiento de los materiales18. Sistema de construccin limpio19. Comportamiento constante y bien conocidoAccionesCargas Muertas: Son las cargas permanentes que soporta la estructura, es decir, las cargas que permanecen en todo momento y que no son retiradas:

Peso Propio de la estructuraLosasMuros divisoriosInstalacionesAcabados, etc. AccionesCargas Vivas: Estas sern especificadas en el cdigo que sirve de base para el diseo de la estructura, o bien, la requerida por las condiciones del caso en particular.

En las tablas de dimensiones y propiedades de Gerdau Corsa y en la pgina 10 del artculo tcnico Principios de Arquitectura e Ingeniera de la coleccin El Acero Hoy podemos observar las tablas del RCDF que nos enuncia las diferentes cargas vivas para los diferentes destinos de las estructuras y algunas anotaciones referentes a dichas cargas.AccionesCargas Accidentales: Estas cargas se utilizan para la revisin de la estructura bajo las diferentes condiciones de la naturaleza, tales como el viento, el sismo, huracanes, etc. La revisin de estas condiciones se realiza de acuerdo a las especificaciones del cdigo vigente de la regin. AccionesCargas Mnimas: De no ser aplicable ningn reglamento de construccin en la localidad de la obra, las cargas mencionadas anteriormente no sern menores que las especificadas por la Direccin de Obras Pblicas de dicha localidad (manual de obras civiles de la comisin federal de electricidad, NTC del RCDF, ASCE 7, etc.).

CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGASCarga Muerta

Carga Viva Media

Carga Viva Mxima

Carga Viva Instantnea

Carga de Viento

Carga de Sismo

CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGAS IMCA 2014

DRP:DFCR:CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGAS

RCDFDFCR DRPA continuacin presentaremos cundo utilizar DFCR y Cundo utilizar DRP:Suponiendo:

Ms Econmico Mtodo DFCRMs Econmico Mtodo DRPCualquier MtodoDFCR DRP

Para el mtodo DRPAsumiendo qu

Entonces

Para el mtodo DFCR

Igualando tenemos:

DFCR DRP

1.601.501.401.301.201.701.801.101.002.003.004.005.006.00DRPDFCRCVCMFactor (DFCR)(DRP)DFCR o DRPMANUAL IMCA 2014

Algunas definiciones:

Diseo por Factores de Carga y Resistencia, DFCR (Load and Resistance Factor Design, LRFD). Mtodo para determinar el tamao de los componentes estructurales; de manera que la resistencia de diseo iguala o excede la resistencia requerida del componente, bajo los efectos de las combinaciones de carga DFCR.

Diseo por Resistencia Permisible, DRP (Allowable Strength Design, ASD). Metodologa para determinar el tamao de los componentes estructurales, en el cual la resistencia permisible o esfuerzo permisible es igual o mayor que la resistencia requerida o esfuerzo requerido del elemento, considerando los efectos de las combinaciones de carga DRP (ASD).Anlisis de primer orden (First-order analysis). Diseo estructural que hace caso omiso de los efectos de segundo orden y establece las condiciones de equilibrio considerando la forma no deformada de la estructura.Anlisis elstico (Elastic Analysis). Anlisis estructural basado en el supuesto que la estructura regresa a su geometra original cuando se le quita la carga.Anlisis estructural (Structural analysis). Es el clculo de los efectos de carga sobre miembros y conexiones, basado en los principios de la mecnica estructural.Anlisis inelstico (Inelastic analysis). Clculos estructurales, incluyendo el anlisis plstico, que consideran el comportamiento inelstico.Anlisis plstico (Plastic analysis). Mtodo de diseo estructural basado en la suposicin de un comportamiento plstico-rgido; es decir, que el equilibrio se logra en toda la estructura con esfuerzos no mayores que el esfuerzo de fluencia Fy.Arriostramiento lateral (Lateral bracing). Elementos diagonales, muros de cortante, conectores u otros elementos diseados para inhibir el pandeo lateral o el pandeo lateral torsional en miembros estructurales.

Articulacin plstica (Plastic hinge). Accin de bisagra en un miembro estructural que ocurre cuando la solicitacin alcanza la magnitud del momento plstico. Se supone que el miembro podra tener rotacin como si tuviera bisagra salvo que el momento plstico lo restringe.Atiesador para carga concentrada (Fitted bearing stiffener). Placa para rigidizar el alma de una viga que se coloca en su apoyo o donde se aplica una carga concentrada, que se ajusta asegurando su contacto con una o con las dos alas para transmitir carga por aplastamiento.Capacidad de rotacin (Rotation capacity). Incremento de la rotacin angular que puede soportar un determinado miembro antes de sufrir una prdida notable de resistencia, que se define como la relacin entre la rotacin inelstica alcanzada y la rotacin terica al llegar a su lmite elstico.Carga de diseo (Design load). Carga aplicable en el diseo obtenida mediante la aplicacin de las combinaciones de cargas correspondientes al mtodo de diseo empleado, Diseo por Factores de Carga y Resistencia DFCR (LRFD por sus siglas en ingls) o Diseo por Resistencia Permisible DRP (ASD por sus siglas en ingls).

Carga estipulada (Nominal load). Magnitud de la carga requerida por las Normas de Construccin.Carga ficticia (Notional load). Carga hipottica o virtual que se aplica durante el anlisis estructural para tomar en cuenta los efectos desestabilizantes que no son considerados en el diseo. Las cargas ficticias generan desplazamientos equivalentes a las mximas imperfecciones toleradas en la estructura en el montaje.Concentracin de esfuerzo (Stress concentration). Esfuerzo notablemente incrementado en una zona reducida, producido por un cambio brusco de geometra (an en miembros de seccin constante con carga uniforme) o por ser el lugar de aplicacin de una carga.Conector de cortante (Steel anchor). Perno con cabeza o perfil de canal que se suelda al componente compuesto, embebido en el concreto para transmitir fuerzas de cortante o flexin en la interfaz de los dos materiales.Conexin a momento o rgida (Moment connection). Unin entre miembros, realizada de manera que la transmisin de momentos por flexin es transmitida entre ellos.Conexin a momento parcialmente restringida o semirrgida (Partially restrained momento conexin). Unin capaz de transmitir momento de flexin, en la que el cambio en el ngulo entre los componentes es apreciable.Conexin rgida (Fully restrained moment connection). Unin capaz de restringir momento de manera que no permite ninguna rotacin apreciable entre los miembros conectados.Conexin simple (Simple connection). Unin entre miembros con capacidad de transmisin de momento despreciable. Construccin restringida (Retrained construction). Son los elementos de piso y techo dentro de un edificio capaces de resistir los esfuerzos producidos por una considerable expansin trmica de la temperatura elevada.

Correctamente diseado (Properly developed). Detallado en los dibujos de ingeniera de las barras de acero de refuerzo, de manera que alcancen a ceder de manera dctil al llegar a su estado lmite de resistencia, antes de ocurrir el aplastamiento del concreto. El cumplimiento con lo dispuesto en las Normas Tcnicas Complementarias para el Diseo y Construccin de Estructuras de Concreto del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal las normas de la A.C.I. es suficiente prueba de este requisito.Efectos de longitud (Length effects). Fenmeno que obliga a considerar la reduccin de la capacidad de carga de un elemento por razn de su longitud sin apoyo lateral.Efectos de segundo orden (Second-order effect). Consecuencias de aplicar las cargas considerando la configuracin deformada de la estructura, incluyendo los efectos de P- y P-.Efectos P- (P- effect). Consecuencias de la carga en los nudos o uniones cuando se aplica sobre una estructura. Cuando se trata de estructuras de edificios de ms de un piso, se trata de las consecuencias de la carga aplicada sobre los pisos y techos desplazados lateralmente.Efectos P- (P- effect). Consecuencias de la carga entre nudos o uniones cuando se aplica sobre miembros deformados.

Estabilidad (Stability). Es la condicin que se logra cuando al aplicar cargas a un componente estructural, marco o estructura, un cambio pequeo de la carga o la geometra no produce deformaciones importantes.Estado lmite (Limit state). Condicin en la que un elemento o estructura deja de cumplir con la funcin para la que se dise llamado estado lmite de servicio, o que lleg al punto de no tener la capacidad de soportar la carga requerida llamado estado lmite de resistencia.Estado lmite de resistencia (Strength limit state). Es la condicin lmite en la que se alcanza la mxima resistencia de la estructura o de alguno de sus componentes y, por consiguiente, se pierde la condicin de seguridad de una estructura.Estado lmite de servicio (Sercicebility limit state). Condicin en la que un elemento o estructura deja de cumplir, en condiciones normales de uso, con los requisitos de apariencia, mantenimiento, durabilidad, comodidad, tranquilidad de los usuarios o el correcto funcionamiento de la maquinaria que soporta.Factor de resistencia, (Resistance factor, ). Multiplicador que incrementa la resistencia nominal, para tomar en cuenta las inevitables desviaciones de la resistencia nominal de su verdadera magnitud y del mecanismo y consecuencias de la falla.Factor de seguridad, (Safety factor, ). Multiplicador que reduce la resistencia nominal para tomar en cuenta la variacin de la resistencia real de la resistencia nominal, las cargas reales de las nominales, las incertidumbres del clculo de los efectos de las cargas y los modos de falla y sus consecuencias.Fatiga (Fatigue). Estado lmite del inicio y crecimiento de una grieta, como resultado de repetidas aplicaciones de carga viva.Fluencia local (Local yielding). Deformacin inelstica por fluencia que ocurre en un rea local de un elemento.Fluencia por penetracin (Shear yielding punching). Se refiere al estado limite de fluencia por cortante en el sentido transversal de la cara de una cuerda a la que conecta un miembro de la celosa en conexiones de perfil tubular estructural OR o perfil OC.Fluencia, momento plstico (Yielding, plastic moment). Fluencia en la seccin transversal de un miembro cuando el momento flexionante alcanza el momento plstico.Inestabilidad (Instabiltity). Estado lmite que se obtiene al aplicar una carga a un componente, marco o sistema estructural en el que una pequea alteracin en las cargas o la geometra produce grandes deformaciones.Mtodo de anlisis directo (Direct analysis method). Mtodo de clculo de estabilidad que considera los efectos de los esfuerzos residuales y el desplome inicial de los marcos, reduciendo la rigidez y aplicando cargas nocionales en un anlisis de segundo orden.Mdulo de seccin efectivo (Effective section modulus). Mdulo de seccin reducida para tomar en cuenta el pandeo de elementos esbeltos en compresin.

MANUAL IMCA 2014

Apndice 1: Diseo por Anlisis InelsticoApndice 2: Diseo por Cargas de EncharcamientoApndice 3: Diseo por FatigaApndice 4: Diseo Estructural para condiciones de IncendiosApndice 5: Evaluacin de Estructuras existentesApndice 6: Arriostramiento estable para columnas y VigasApndice 7: Mtodos Alternativos de Diseo por EstabilidadApndice 8: Anlisis aproximado de segundo Orden

MANUAL IMCA 2014

Captulo A: Disposiciones GeneralesCaptulo B: Requisitos de DiseoCaptulo C: Diseo por EstabilidadCaptulo D: Diseo de miembros en TensinCaptulo E: Diseo de miembros en CompresinCaptulo F: Diseo de miembros en FlexinCaptulo G: Diseo de miembros a CortanteCaptulo H: Diseo de miembros en fuerzas Combinadas y TorsinCaptulo I: Diseo de miembros CompuestosCaptulo J: Diseo de ConexionesCaptulo K: Diseo de Conexiones en miembros tubularesCaptulo L: Diseo por estados Lmite de ServicioCaptulo M: Fabricacin y MontajeCaptulo N: Requisitos mnimos en el Control y el aseguramiento de la Calidad.NormatividadLos Cdigos de Diseo Estructural usados en Mxico Son: RC DF 2004 Reglamento de construcciones para el D.F. NTC 2004 Normas Tcnicas Complementarias para el Diseo y Construccin de Estructuras Metlicas.IMCA 2014 Instituto Mexicano de la Construccin en Acero. CFE 2008 Manual de Diseo de Obras Civiles (Viento y Sismo).NOM Norma Oficial Mexicana de la D.G.N. (Direccin General de Normas).NMX Norma Mexicana.ASTM American Society of Testing and Materials.NormatividadLos Cdigos de Diseo Estructural empleados en E.U.A. son:American National of Specification Institute ANSI (avala la calidad de los reglamentos). American Society of Civil Engineers ASCE.American Society of Test and Materials ASTM.American of Welded Society AWS-96.Consejo de Investigaciones sobre conexiones estructurales, surgi despus del sismo de Nortich California. Especificaciones para Diseo por Factores de Carga y Resistencia de Uniones Estructurales con Tornillos ASTM A325 A490 en 1988. Especificaciones para Diseo por Factores de Carga y Resistencia de Miembros de Acero Formados en Fro 1996, American Institute of Steel And Iron AISI.Cdigo de prcticas generales para edificios de Acero y Puentes. American Institute of Steel Construction AISC.UBC-97 Uniform Building Code-96. Es un reglamento que se utiliza en toda la unin americana, tomando en cuenta todo tipo de estructuras y regula las solicitaciones.