curso perfiles laminados en frio

8/10/2019 Curso Perfiles Laminados en Frio

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Universidad de Sonora.

DISEO BASICO DE

PERFILES LAMINADOS

EN FRIO

PRIMERA EDICION

M.C. CARLOS E. PEA RAMOS


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PROLOGO

El uso de los perfiles laminados en fro en Mxico ha experimentado un incremento significativo enlos ltimos 10 aos debido a la gran cantidad de edificaciones industriales y comerciales que losusan para estructurar sus sistemas de cubiertas y muros. Los fabricantes nacionales en respuesta

a la demanda han producido una gran variedad de perfiles tanto para usos arquitectnicos comoestructurales. Dichos fabricantes normalmente producen informacin referente a las propiedadesde diseo que permiten hacer una seleccin preliminar del perfil, pero por consideracionesprcticas, no abundan en los procedimientos de anlisis requeridos para definir la seleccin finaldel perfil.

No obstante la creciente demanda en Mxico en el uso de los perfiles laminados en fro, labibliografa en espaol referente al comportamiento estructural desde el punto de vista terico yexperimental de dichos perfiles es prcticamente inexistente. Este libro fue preparado con elobjetivo fundamental de presentar en detalle, tanto al ingeniero estructurista como al estudiante deingeniera civil, los procedimientos de diseo y anlisis de los perfiles laminados en fro quepermitan generar un mejor entendimiento de su comportamiento para su aprovechamiento ptimocomo miembro estructural.

El libro fue desarrollado a partir de las notas de un curso de titulacin impartido en laUniversidad de Sonora en Hermosillo y de la investigacin bibliogrfica de las publicaciones deltema realizadas en Estados Unidos. Cabe mencionar que aun en Estados Unidos los libros detexto relacionados con el anlisis y diseo de perfiles laminados en fro son muy escasos. Dehecho, un solo libro de texto fue usado y sirvi de gua para la estructuracin de este libro. Dicholibro fue escrito en 1991 por el Dr. Wei Wen Yu de la Universidad de Missouri-Rolla, basado en laEdicin 1986 y en el Adendum 1989 de las Especificaciones de Diseo del Instituto Americano delHierro y Acero (AISI) para Perfiles Laminados en Fro. La otra referencia fundamental del presentelibro lo constituy la Edicin 1996 del Manual de Diseo del AISI, que contiene las Especificacionesde Diseo y su seccin correspondiente de Comentarios Tcnicos de la Especificacin (de estepunto en adelante abreviado como AISI 1996), as como el suplemento publicado en 1999 de lasEspecificaciones de Diseo del AISI (de este punto en adelante abreviado como Suplemento

1999). Otras publicaciones del AISI fueron consultadas y se encuentran enlistadas en labibliografa de consulta. Por consiguiente, no es pretensin del autor el considerar el contenido delpresente libro como de carcter original. Mas bien es una recopilacin estructurada de lainformacin publicada por otros, aunque a travs del libro existen comentarios que pretendenenriquecer dicha informacin con la experiencia propia del autor.

Es importante mencionar que las Especificaciones de Diseo del AISI son la Referencia TcnicaComplementaria estndar en la mayora de los Reglamentos de Construccin Municipales enMxico para el diseo de sistemas estructurales a base de perfiles laminados en fro. Porconsiguiente, su consideracin como referencia fundamental en el contenido del libro es obligada.Sin embargo, para efectos de mantener cierta independencia en el seguimiento del contenido dellibro, previendo que dicha referencia podra no estar inmediatamente disponible, se incluyen en eltexto la mayora de las especificaciones vigentes del AISI aplicables al contenido. Con el propsitode minimizar confusiones, dichas especificaciones se presentan regularmente despus de lapresentacin de la fundamentacin terica y experimental correspondiente. Las citas posteriores ala especificacin se hacen a travs de la seccin correspondiente y las citas a la fundamentacinse hacen a travs del artculo correspondiente. Por ejemplo, la cita de la Seccin E2, se refiere a laespecificacin y la cita al Art. 9.10, se refiere a la fundamentacin.

Se consideraron una cantidad razonable de ejemplos numricos de la aplicacin de lasEspecificaciones del AISI. Reflejando las preferencias del sistema de unidades de fuerza y longitudusado en Mxico y Latinoamrica, todos los ejemplos fueron desarrollados en el sistema mtrico.As mismo, aunque gran parte del AISI 1996 y el Suplemento 1999 presentan sus ecuaciones de


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diseo en formato adimensional, algunas conversiones del sistema ingls al sistema mtrico fueronrequeridas, sobre todo en los valores de los esfuerzos de fluencia y ltimo del acero (Fy, Fu,respectivamente) y la resistencia de electrodos (Fxx). En estos casos se usaron criteriosconservadores de redondeo. Dado que los perfiles laminados en fro presentan espesores muypequeos, la gran mayora de los clculos de propiedades geomtricas de los perfiles se realizaronen milmetros, presentando los resultados finales en centmetros, para efectos de minimizar laprdida de precisin en dichos resultados.

El Captulo 1 introduce al lector a los perfiles laminados en fro, presentando comentariosgenerales referentes a los tipos comunes de perfiles encontrados en la prctica, asi como susaplicaciones prcticas, sus mtodos de fabricacin y las ventajas mas importantes que ofrecen.Tambin se presentan las consideraciones de diseo mas importantes, desde el punto de vista delcomportamiento estructural, de los perfiles laminados en fro que dieron origen a la necesidad deproducir especificaciones particulares.

Debido a la importancia fundamental que tienen las propiedades mecnicas del acero en elcomportamiento de los perfiles estructurales, se presentan en el Captulo 2 las propiedadesmecnicas relevantes de todos los tipos de acero reconocidos por el AISI 1996 y el Suplemento1999. La curva esfuerzo-deformacin y los conceptos de fluencia, falla ltima, fatiga, soldabilidad,ductilidad son discutidos en este Captulo. Adems, se presentan tratados sobre los efectos del

laminado en fro y la temperatura en las propiedades mecnicas.

En el Captulo 3 se presentan los conceptos fundamentales y ecuaciones de diseo del MtodoASD (Diseo por Esfuerzos Permisibles) y LRFD (Diseo por Factor de Carga y Resistencia).Ambos mtodos de diseo son reconocidos en igualdad por el AISI 1996. Cabe mencionar que lamayora de los ejemplos numricos incluidos en el presente libro ilustran la aplicacin de ambosmtodos. Sin embargo, existe una clara tendencia del AISI a estandarizar al Mtodo LRFD yrelegar al Mtodo ASD a una alternativa de diseo, siguiendo las mismas polticas establecidas porel Instituto Americano de Construccin en Acero (AISC), por lo que se sugiere al lector hacernfasis en su estudio a las especificaciones relacionadas con LRFD, as como a sus aplicacionesen ejemplos numricos.

El Captulo 4 presenta los conceptos fundamentales del comportamiento estructural de los

perfiles laminados en fro. Se hace especial nfasis en los conceptos de resistencia al pandeo localy al postpandeo de elementos de pared delgada, as como en los criterios de diseo desarrolladosa partir de stos conceptos y que sern usados en captulos posteriores.

Los Captulos 5 al 9 presentan la fundamentacin terica y experimental, as como lasespecificaciones correspondientes al diseo de miembros estructurales a base de perfileslaminados en fro. El Captulo 5 trata los miembros sujetos a flexin y cortante, incluyendoaplastamiento del alma y la interaccin de flexin y cortante y flexin y aplastamiento. Losmiembros sujetos a compresin axial y a flexocompresin se presentan en los Captulos 6 y 7,respectivamente. El Captulo 8 presenta el diseo de elementos tubulares cilndricos sujetos acompresin y flexin y el Captulo 9 presenta el diseo de conexiones soldadas, atornilladas ypijeadas.

Debido a la continua evolucin de las opciones de perfiles que generan los fabricantes y a laescasa informacin presentada por stos con respecto a las propiedades geomtricas de diseo,se incluyen en el Apndice A los procedimientos de clculo de propiedades geomtricas de perfilesrequeridas por las ecuaciones de diseo del AISI 1996. Se incluyen las frmulas de clculoincluidas en el Manual de Diseo del AISI 1996, as como varios ejemplos numricos de aplicacin.

Deseo agradecer las facilidades dadas por la Divisin de Ingeniera de la Universidad deSonora para la aprobacin del Sabtico que tuvo como proyecto la investigacin bibliogrfica y laredaccin del presente libro. Tambin deseo agradecer al M.I Julio Luna Rodrguez, Jefe delDepartamento de Ingeniera Civil y Minas por su apoyo para la organizacin y aprobacin del curso


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de titulacin que dio el impulso definitivo a su publicacin. As mismo, deseo agradecer a losIngenieros Jess Barrera Paredes y Vctor Martnez Yeomans, Maestros de Ingeniera Estructuralde la Universidad de Sonora, por la revisin de la redaccin del presente libro y sus valiosassugerencias que permitieron maximizar la claridad de la presentacin.

Tambin deseo expresar mi agradecimiento a las organizaciones e individuos que dieron suconsentimiento para la reproduccin de material tabular, grfico y fotogrfico. Se hacen referenciasbibliogrficas de dichos materiales en los lugares donde aparecen en el texto.

Finalmente, deseo manifestar mi mas profundo agradecimiento a mi familia, en especial a mishijos Carlos Enrique y Manuel Alejandro; su amor, apoyo y comprensin fueron un gran alicientepara culminacin del presente trabajo.

M.C. Carlos E. Pea RamosHermosillo, Sonora.Noviembre del 2000


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DISEO BASICO DE PERFILES LAMINADOS EN FROTEMARIO DEL CURSO

MODULO I: CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEO (45 HRS.)Expositores: M.C. Carlos E. Pea e Ing. Jess Barrera Paredes

1. Introduccin1.1 Comentarios Generales.1.2 Ventajas Principales del Uso de los Perfiles Laminados en Fro.1.3 Tipos y Usos de los Perfiles Laminados en Fro.1.4 Mtodos de Laminado en Fro.1.5 Especificaciones de Diseo para Perfiles Laminados en Fro.1.6 Consideraciones Generales de Diseo para Perfiles Laminados en Fro.1.7 Mtodo Lineal para el Clculo de las Propiedades Geomtricas de Perfiles.

2. Propiedades del Acero Usado en Laminado en Fro2.1 Comentarios Generales.2.2 Aceros Estructurales Reconocidos por el AISI.2.3 Propiedades Mecnicas Relevantes del Acero.

2.4 Los Efectos de la Temperatura en las Propiedades del Acero.2.5 Los Efectos del Laminado en Fro en las Propiedades del Acero.2.6 Esfuerzos Residuales Debidos al Proceso de Laminado en Fro.

3. Criterios de Diseo para Perfiles Laminados en Fro3.1 Comentarios Generales.3.2 Mtodo de Diseo por Esfuerzos Permisibles (ASD).3.3 Mtodo de Diseo por Factor de Carga y Resistencia (LRFD).

4. Comportamiento Estructural de Elementos de Acero de Pared Delgada4.1 Comentarios Generales.4.2 Definicin de Trminos Generales.4.3 Comportamiento Estructural de Elementos Sujetos a Compresin.

4.4 Comportamiento Estructural de Elementos Perforados Bajo Esfuerzo Uniforme.

MODULO II: DISEO BASICO DE MIEMBROS LAMINADOS EN FRIO (45 HRS)Expositor: M.C. Carlos E. Pea

5. Miembros Sujetos a Flexin y Cortante5.1 Comentarios Generales.5.2 Resistencia a Flexin y Deformaciones. LRFD y ASD.5.3 Diseo de Almas en Vigas. LRFD y ASD.5.4 Requisitos de Apoyos Laterales en Vigas.

6. Miembros Sujetos a Tensin y Compresin Axial

6.1 Comentarios Generales.6.2 Fluencia en Miembros Sujetos a Tensin y Compresin Axial.6.3 Miembros Sujetos a Tensin.6.4 Pandeo por Flexin de Columnas.6.5 Pandeo Torsional y Flexotorsional de Columnas.6.6 Efecto del Laminado en Fro sobre el Pandeo de Columnas.6.7 Ecuaciones de Diseo del AISI para Columnas. LRFD y ASD.6.8 Factor de Longitud Efectiva, K.6.9 Ejemplos de Diseo. LRFD y ASD.


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7. Miembros Sujetos a Flexocompresin7.1 Comentarios Generales.7.2 Secciones con Simetra Doble y Secciones No Sujetas a Pandeo Torsional o

Laterotorsional.7.3 Secciones Abiertas de Pared Delgadas Sujetas a Pandeo Laterotorsional.7.4 Secciones Abiertas con Simetra Simple.7.5 Criterios de Diseo del AISI. LRFD y ASD.

8. Miembros Tubulares Cilndricos8.1 Comentarios Generales.8.2 Tipos de Tubulares Cilndricos.8.3 Pandeo por Flexin.8.4 Pandeo Local.8.5 Criterios de Diseo del AISI. LRFD y ASD.8.6 Ejemplos de Diseo. LRFD y ASD.

MODULO III: TEMAS SELECTOS DE DISEO (45 HRS)Expositores: M.C. Carlos E. Pea e Ing. Victor Martnez Yeomans

9. Diseo de Conexiones9.1 Comentarios Generales.9.2 Tipos de Conexiones.9.3 Conexiones Soldadas. LRFD y ASD.9.4 Conexiones Atornilladas. LRFD y ASD.9.5 Conexiones a Base de Pijas. LRFD y ASD.9.6 Miembros a Compresin de Seccin I o Cajn Formados con Secciones C Conectadas.9.7 Vigas de Seccin I Formadas con Dos Secciones C.9.8 Espaciamiento de Conectores en Elementos a Compresin.

10. Lminas Corrugadas10.1 Comentarios Generales.10.2 Aplicaciones Prcticas.

10.3 Propiedades Geomtricas y Diseo de Lminas Corrugadas.10.4 Aplicaciones de Lminas Corrugadas en Diseo de Miembros Compuestos.

11. Diseo de Sistemas de Cubiertas Ligeras y Muros Metlicos11.1 Tipos de Sistemas de Cubiertas y Muros11.2 Anlisis de Cargas11.3 Diseo de Polinera y Lmina en Cubiertas y Muros11.4 Ejemplos de Aplicacin.

MODULO IV: SEMINARIO DE TITULACIN (30 HRS)Expositor: Ing. Daniel Zaragoza

1. Introduccin1.1 Motivacin para la seleccin del tema1.2 Explicacin de condiciones, requisitos y procedimientos1.3 Repaso de metodologa de la Investigacin

2. Seleccin del Tema2.1 Titulo tentativo2.2 Area2.3 Materia2.4 Cobertura


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2.5 Campo de Inters2.6 Entidad responsable2.7 Asesores

3. Planteamiento del Problema3.1 Antecedentes3.2 Objetivos3.3 Justificacin3.4 Formulacin del problema3.5 Tipo de investigacin3.6 Inscripcin del trabajo de disertacin ante coordinacin del programa

4. Marcos4.1 Resea y revisin bibliogrfica bsica4.2 Temario4.3 Formulacin de Hiptesis

5. Correcciones a Trabajos Escritos5.1 Correcciones5.2 Revisin final

5.3 Defensa verbal.


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CAPITULO 1

INTRODUCCION

1.1 COMENTARIOS GENERALES

Las estructuras de acero usadas en grandes centros comerciales, hipermercados y plantas demanufactura, entre otras, requieren de grandes espacios entre columnas y de alturas libresconsiderables. Dichas estructuras deben ser ligeras y resistentes para que sean econmicamenteviables. En la gran mayora de las estructuras de acero que deben cumplir con stas restriccionesse puede observar el uso de dos tipos de perfiles estructurales, clasificados en funcin de suproceso de formacin: los perfiles laminados en fro y los perfiles laminados en caliente. Como sunombre lo indica, en los laminados en fro el proceso de formacin de los perfiles estructurales selleva a cabo a temperatura ambiente. Por el contrario, en los laminados en caliente, el proceso deformacin se lleva acabo a altas temperaturas.

Aunque ambos tipos de perfiles colaboran de manera integral para desarrollar la resistencia yrigidez de la estructura, su comportamiento individual bajo cargas suele ser significativamente

diferente. El comportamiento estructural de perfiles laminados en fro se ve influido de maneradeterminante por los efectos del laminado en fro en el material, as como por el uso predominantede elementos esbeltos (espesores tpicos de 0.4mm hasta 6.4mm). Esto, aunado a su crecientedemanda en la construccin, a obligado a los profesionales e investigadores de la ingenieraestructural a desarrollar especificaciones de diseo para estos perfiles. En 1946 se publicaron lasprimeras especificaciones de diseo bajo el auspicio del Instituto Americano del Hierro y Acero (oAISI, por sus siglas del ingls: American Iron and Steel Institute). El AISI ha continuado realizadoediciones subsecuentes para reflejar el grado de avance tecnolgico en los materiales y losresultados de las investigaciones en proceso. La edicin ms reciente de las especificaciones delAISI fue realizada en 1996 y actualizada en 1999. A menos que se indique lo contrario, dichaedicin y su actualizacin ser la especificacin de referencia en los diversos captulos quecomponen ste libro.

El alcance del presente libro se limita a las aplicaciones de los perfiles laminados en fro en eldiseo y construccin de estructuras para edificios. Otras aplicaciones, tales como el uso encarroceras y fuselajes de aviones, donde los efectos dinmicos, de corrosin y fatiga son de granrelevancia, no sern considerados aqu.

1.2 VENTAJAS PRINCIPALES DEL USO DE LOS PERFILES LAMINADOS EN FRIO

La capacidad de carga de los perfiles laminados en fro proviene del material constitutivo y de laconfiguracin del perfil. Una lmina delgada de acero no puede soportar una carga considerable,pero si sta lmina se dobla, formando un perfil estructural, los dobleces actan como atiesadores,incrementando considerablemente la capacidad de carga de la lmina original. Debido a que granparte de la resistencia y rigidez de la seccin depende de su configuracin y no de su espesor, las

relaciones de resistencia-peso pueden llegar a ser muy favorables.

En general, los perfiles laminados en fro proveen las siguientes ventajas:

1. En comparacin con los perfiles laminados en caliente ms pesados, los perfiles laminados enfro son ms econmicos para cargas livianas y/o claros cortos.

2. Se pueden producir econmicamente secciones con configuraciones poco comunes paraamoldarse a condiciones de uso muy particulares sin incremento en peso propio, obteniendorelaciones resistencia-peso ms favorables. Esto puede resultar en reducciones considerablesen peso por metro cuadrado de estructura, as como ahorros en material.


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La Fig. 1.1 muestra algunos de los perfiles tpicos usados, incluyendo los antes mencionados. Unadistincin comnmente usada es la de clasificar a los perfiles en abiertos [Fig. 1.1 (a) a (j)],cerrados [Fig. 1.1 (p) a (r)] y compuestos [Fig. 1.1 (k) a (o), (s) y (t)]. Las dimensiones tpicas deestos perfiles varan de 2 a 12 plg (51 a 305 mm) de peralte y de 0.048 a 0.25 plg (1.2 a 6.4mm) deespesor. Sin embargo, se producen en la actualidad perfiles con peraltes de hasta 18 pulgadas(457mm) y los espesores pueden llegar a 0.5 pulgadas (13mm).

Los miembros estructurales suelen clasificarse en miembros primarios y secundarios,dependiendo de su importancia en la preservacin de la integridad estructural. En general, seconsideran miembros primarios las trabes y columnas que forman los marcos principales de laestructura y miembros secundarios a los polines, contravientos, contraflambeos (sag-rods), lminasde cubierta o muro, etc. Se han usado perfiles laminados en fro como elementos primarios enedificios de baja altura de uno a tres niveles (ver Fig. 1.2). En edificios industriales con claros libresconsiderables (ver Fig. 1.3), los elementos principales son tpicamente perfiles laminados encaliente y los elementos secundarios (polines, joists, decks o paneles) son tpicamente perfileslaminados en fro. En estos casos, los perfiles laminados en caliente y en fro trabajan encolaboracin, aprovechando las ventajas de ambos para producir un diseo integral econmico.

(a)

(b)

Fig. 1.2 Estructuras de baja altura compuestas en sutotalidad por perfiles laminados en fro

(1), (2).


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Fig. 1.3 Edificio Industrial a base de marcos rgidos en la estructura primaria ypolines de seccin C y lmina corrugada en la estructura secundaria

(1).

El uso de perfiles con agujeros prefabricados en el alma es de uso cada vez mas comn. Estosagujeros son realizados por el fabricante con dimensiones y espaciamientos estandarizados. LaFig. 1.2 (a) y (b) muestran dichos agujeros. Los agujeros son convenientes para paso deinstalaciones que estarn ocultas en muros y pisos. En el caso de perfiles para formar estantesindustriales o racks (ver Fig. 1.5), los agujeros se usan para efectos de ensamble. La Fig. 1.4muestra el uso de perfiles agujerados por consideraciones arquitectnicas (ntese la variacin en

los dimetros de los agujeros) usados como estructura principal de la cubierta.

Fig. 1.4 Uso de perfiles agujerados como estructura principal de la cubierta(2)


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Fig. 1.5 Estantera industrial o racks formados con perfiles laminados en fro(1)

Los perfiles laminados en fro se usan tambin como elementos en cuerdas y diagonales deestructuras triodticas (ver Fig. 1.6) y estructuras principales en cubiertas cilndricas (ver Fig. 1.7).

Fig. 1.6 Estructura triodtica a base de perfiles laminados en fro(1)


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Fig. 1.7 Estructura para cubierta cilndrica a base de perfiles laminados en fro(2)

1.3.2 Paneles y Decks

Estos perfiles se usan comnmente en sistemas de piso y cubierta y en paneles de muros. La Fig.1.8 muestra perfiles tpicos de este grupo. En esta figura se observa tambin la distincin entrepaneles, decks y lminas corrugadas.

Fig. 1.8 Paneles y decks laminados en fro(1)

Las dimensiones tpicas de paneles y decks varan de 1.5 a 7.5 pulgadas (38 a 191mm) deperalte y de 0.018 a 0.075 pulgadas (0.5 a 1.9mm) de espesor. En lminas corrugadas ladistancias tpicas entre centros de valles de corrugaciones son de 1.5 a 3 pulgadas (32 a 76mm) ylos peraltes varan de 0.25 a 1.0 pulgadas (6.4 a 25mm). Sin embargo, en la actualidad variaciones

a estas dimensiones tpicas son ya muy comunes.

Como se mencion anteriormente, stos perfiles no son solo capaces de resistir cargas sinoque tambin pueden servir como plataformas de trabajo para colar pisos. En estos casos el decktrabaja como refuerzo primario a flexin para sistema de piso de concreto. La Fig. 1.9 ilustrasistemas de pisos a base de deck y joist y deck y estructura laminada en caliente.


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(a)

(b)

Fig. 1.9 Sistemas de piso de concreto con deckde lmina actuando como refuerzo primario delconcreto. (a) Sistema de piso con estructura deacero a base de joist laminado en fro; (b)Sistema de piso con estructura de acerolaminado en caliente

(1), (2).

En el caso de decks para cubiertas, se han desarrollado sistemas a base de hiprbolasparaboloides (ver Fig. 1.10), de lminas cilndricas (ver Fig. 1.7), lminas dobladas (ver Fig. 1.11) y

lminas engargoladas con costuras sobresalientes (ver Fig. 1.12). Los sistemas a base dehiprbolas, lminas dobladas y algunas lminas cilndricas se pueden disear para trabajar comomembranas o cascarones. Es decir, pueden transmitir las cargas de la cubierta directamente a lalos apoyos (columnas, muros, cimentacin, etc.) sin necesidad de una estructura principal (marcos,armaduras, etc.) o secundaria (polinera).

Fig. 1.10 Cubierta de cascarn hiperblico paraboloide a base de lmina de acero(1)


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(a) (b)

Fig 1.13. Edificios industriales con muros de panel de acero laminado en fro; (a) Edificio con muroscompletos a base de panel de lmina; (b) Edificio con muro fabricados parcialmente con panel delmina

(2).

1.4 METODOS DE LAMINADO EN FRIO

Existen bsicamente dos tipos de mtodos de laminado en fro: (1) El Mtodo de Prensa y (2) ElMtodo de Rolado. Se describen a continuacin ambos mtodos.

1.4.1 Mtodo de Prensa

El Mtodo de la Prensa es econmico si se cumplen las siguientes condiciones:

1. La seccin tiene una configuracin sencilla que no requiera mas de dos movimientos de laprensa para su formacin definitiva.

2. La cantidad de produccin requerida es menor de 92 metros por minuto.3. La seccin a producir es relativamente ancha [usualmente mayor de 18 pulgadas (457mm)]. Por

ejemplo, secciones para decks y paneles.

Este mtodo consiste en el uso de una prensa donde la longitud de las plantillas o moldes esmucho mayor que el ancho. La plantilla usualmente se coloca en una cama estacionaria y laprensa baja sobre la lmina hasta formar la geometra indicada en la plantilla, aunque existencasos donde una parte de la plantilla se coloca sobre la prensa (ver Fig. 1.14). Secciones simplescomo perfiles C, Z y angulares se pueden formar con el mtodo de prensa a partir de lminas,barras, placas o cintas en no ms de dos movimientos de la prensa. Sin embargo, perfiles mascomplicados pueden requerir de varias operaciones.

1.4.2 Mtodo de Rolado

En este mtodo el acero se alimenta longitudinalmente a travs de una serie de rodillos, cada unode los cuales dobla progresivamente la lmina hasta alcanzar la configuracin deseada [ver Fig.


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1.15 (a)]. Una seccin sencilla puede requerir de seis pares de rodillos, pero una seccincomplicada puede requerir de 15 a 20 pares. Los rodillos usualmente estn hechos de aceroendurecido y pueden ser colocados en disposicin vertical y horizontal. La mayora de lasmaquinas de rolado usan una combinacin de ambas disposiciones.

(a) (b)

Fig. 1.14 Mtodo de Prensa: (a) Fabricacin de recipiente; (b) Fabricacin de perfiles y esquinas(1), (2)

Usualmente, las maquinas roladoras tienen disponibles sets de rodillos para secciones estndarcomo las secciones C y Z. Normalmente el fabricante debe cambiar el set cada vez que quieracambiar el tipo de seccin a producir. Esto puede tomar varios das, por lo que el fabricante debertomar siempre en cuenta el volumen de produccin requerido para minimizar el impacto de loscostos de montaje del set de rodillos correspondiente sobre el costo por pieza producida. Esto esespecialmente cierto en la fabricacin de secciones complicadas. Obsrvese por ejemplo, elproceso de rolado de una columna arquitectnica ilustrado en la Fig. 1.15 (b). Aqu se observaclaramente como cada paso de los rodillos va dando la configuracin final. La pieza terminada serde 96 pulgadas (2.44 metros) de longitud. Si la velocidad de fabricacin se establece en 26

metros/min, 305 metros pueden ser rolados en 1 hora y 33 minutos. Debido a que la maquina derolado requiere de 6 horas con 48 minutos para colocar la disposicin de rodillos correspondiente,miles de piezas debern ser fabricadas para hacer al mtodo de rolado el mtodo econmico defabricacin.

(a) (b)

Fig. 1.15 (a) Mquina roladora; (b) Proceso de rolado de una columna arquitectnica(2)


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Una de las ventajas principales del mtodo de rolado es que el acero puede ser alimentado atravs de carretes de hasta 96 pulgadas (244mm) de ancho y 3000 pies (915 metros) de longitud,lo cual acelera el proceso significativamente. La velocidad de rolado puede variar de 6 a 92metros/min, aunque la velocidad usual es de 23 a 46 metros/min. En el extremo de acabado, laseccin terminada usualmente se corta a la longitud requerida por una maquina de corteautomtica. Las longitudes mximas de corte en fbrica varan de 6 a 12 metros, aunque staspueden variar.

Las dimensiones tpicas de secciones que pueden ser fabricadas por el mtodo de rolado seilustran en la Fig. 1.16.

Fig. 1.16 Rango de dimensiones tpicas para perfiles laminados en fro(2)

Las tolerancias de rolado estn normalmente en funcin del tamao y tipo de la seccin y delespesor del material. A continuacin se proporcionan lmites representativos de la industria:

1. Longitud de pieza, usando maquina automtica de corte: 1/64 a 1/8 plg. (0.4 a 3.2mm)

2. Rectitud o Torcedura: 1/64 a 1/8 plg. (0.4 a 3.2mm) en 10 pies (3 metros).3. Dimensiones de la Seccin:

Fraccional: 1/64 a 1/16 plg. (0.4 A 1.6mm).

Decimal: 0.005 a 0.015 plg. (0.1 a 0.4mm).

4. Angulos: 1 a 2 grados.

La Tabla 1.1 muestra las tolerancias de fabricacin aprobadas por la Asociacin de Fabricantesde Edificios Metlicos de EEUU (MBMA por sus siglas del ingls: Metal Building ManufacturersAsociation) para secciones C y Z laminadas en fro a ser usadas en edificios metlicos. Toda lasimbologa usada en la Tabla 1.1 se ilustra en la Fig. 1.17.


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Tabla 1.1 Tolerancias de Fabricacin de la MBMA(1)

Tolerancias, plg (mm)Dimensiones + -

GeometraDBD

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Ubicacin de BarrenosE1E2E3S1S2FPLDeformacin C(L en pies)Espesor mnimo t

0.188 (4.76)0.188 (4.76)0.375 (9.53)

35

0.125 (3.18)0.125 (3.18)0.125 (3.18)0.063 (1.59)0.063 (1.59)0.125 (3.18)0.125 (3.18)0.125 (3.18)

0.025L(0.635L)0.95 x tde diseo

0.188 (4.76)0.188 (4.76)0.125 (3.18)

35

0.125 (3.18)0.125 (3.18)0.125 (3.18)0.063 (1.59)0.063 (1.59)0.125 (3.18)0.125 (3.18)0.125 (3.18)

Fig. 1.17 Simbologa usada en la Tabla 1.1(1)


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1.5 ESPECIFICACIONES DE DISEO PARA PERFILES LAMINADOS EN FRIO

No obstante el uso de los perfiles laminados en fro tuvo su inicio a mediados del siglo IXX enEstados Unidos y Gran Bretaa, ya para 1930 su desarrollo se vea obstaculizado por la falta deespecificaciones de diseo apropiadas. Los cdigos de construccin vigentes de la poca solocontenan especificaciones para los perfiles laminados en caliente.

Las especificaciones de diseo para los perfiles laminados en fro eran necesarias ya que elcomportamiento estructural bajo cargas de estos perfiles difiere en muchos aspectos importantesde los perfiles laminados en caliente. Adems, los diferentes tipos de perfiles desarrollados, lostipos de conexiones y los procedimientos de fabricacin de los perfiles laminados en fro contienencaractersticas muy particulares que no comparten los perfiles laminados en caliente. Porconsiguiente, la aplicacin de las especificaciones de diseo desarrolladas para los perfileslaminados en caliente a los perfiles laminados en fro resultaba poco prctica y hasta insegura enalgunos casos.

El Comit de Investigacin y Tecnologa del AISI se plante el objetivo de patrocinar eldesarrollo de la sustentacin terica y experimental requerida para la creacin de las primerasespecificaciones de diseo. En 1939 patrocin proyectos de investigacin en la Universidad deCornell bajo la direccin del Dr. George Winter con el objetivo de desarrollar dicha sustentacin.

Las investigaciones del comportamiento estructural de los perfiles laminados en fro del Dr.Winter y sus colaboradores resultaron en el desarrollo de mtodos para el clculo del anchoefectivo de elementos a compresin atiesados, de la reduccin de los esfuerzos de trabajo de loselementos a compresin no atiesados, del aplastamiento del alma, del pandeo lateral de vigas, delcomportamiento estructural de puntales de muros, del pandeo de armaduras y marcos, de flexinasimtrica de vigas, de conexiones atornilladas y soldadas, de pandeo por flexin de columnas, depandeo flexo-torsionante de columnas con cargas excntricas y concntricas en el rango elstico einelstico, de los efectos del laminado en fro en las propiedades de los materiales, de laresistencia al cortante de diafragmas de acero, del comportamiento de columnas y vigas con apoyolateral continuo por medio de diafragmas, de los requisitos de apoyo lateral de perfiles C y Zcargados en el plano del alma, de la interaccin del pandeo local y global, de la capacidadinelstica de reserva en vigas, etc.

Desde 1939, muchas empresas privadas y universidades en EEUU se han embarcado enproyectos de investigacin en el comportamiento estructural de perfiles laminados en fro, susconexiones y sus arreglos estructurales tpicos. Los resultados de dichas investigaciones se hanpresentado en congresos en EEUU y otras partes y se han publicado en las minutas de dichoscongresos y las revistas tcnicas especializadas de las diversas sociedades profesionales deingeniera de los Estados Unidos.

Como resultado de todo lo anterior, en 1946 se public la primera edicin del documentoEspecificaciones de Diseo para Elementos Estructurales de Acero de Calibre Ligero por elSubcomit Tcnico de la AISI. Para reflejar los continuos avances tecnolgicos y los resultados delos proyectos de investigacin en proceso, el AISI realiz ediciones subsecuentes del documentoen 1956, 1960, 1962, 1968, 1980, 1986 (con Addendum en 1989) y ms recientemente en 1996(con Suplemento en 1999). En la actualidad dicho documento se conoce como Especificacionespara el Diseo de Miembros Estructurales Formados en Fro. Es de esperarse que lasespecificaciones del AISI continen actualizndose en ediciones subsecuentes para incorporar losavances futuros en el rea de tecnologa de materiales, comportamiento estructural y deprocedimientos de diseo.

Aun cuando diversas naciones han desarrollado sus propias especificaciones de diseo paralos perfiles laminados en fro, las especificaciones editadas por el AISI son sin duda las de mayordifusin y reconocimiento internacional y han sido incorporadas como la referencia tcnica base demuchos cdigos de construccin regionales para el diseo de perfiles laminados en fro. En el caso


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especfico de Mxico, las especificaciones del AISI son reconocidas como Normas TcnicasComplementarias Estndar en la mayora de los reglamentos de construccin vigentes en el pas.

Adems de las especificaciones de diseo, el AISI edita desde 1949 el Manual de Diseo delAcero Formado en Fro, donde se incluyen las especificaciones de diseo, la seccin decomentario de dichas especificaciones, tablas de propiedades geomtricas de perfiles tpicos,tablas y grficas de ayuda para el diseador, as como numerosos ejemplos de diseo. Estemanual a sido revisado subsecuentemente en 1956, 1962, 1968-1972, 1977, 1983, 1986 y msrecientemente en 1996.

Es importante hacer mencin que en la actualidad ni en Estados Unidos ni en Mxico se handesarrollado perfiles estandarizados para el acero laminado en fro. Los fabricantes individualesgeneran sus propias dimensiones particulares y emiten generalmente las tablas de propiedadesgeomtricas, as como tablas y grficas para ayuda del diseador que selecciona sus productos.Por consiguiente, las tablas de propiedades geomtricas de perfiles tpicos, as como las tablas ygrficas desarrolladas para los mismos contenidas en el Manual de Diseo de la AISI, tienen uncarcter meramente ilustrativo de las aplicaciones de las especificaciones y procedimientos dediseo contenidos.

Es innegable que la estandarizacin de perfiles, como se ha adoptado en el diseo de perfiles

laminados en caliente, es conveniente para el diseador, pero puede limitar considerablemente eldesarrollo de aplicaciones nuevas y el uso de perfiles innovadores. Se debe considerar que elacero laminado en fro es mucho ms flexible que el laminado en caliente para adoptar perfilesnuevos que permiten adaptarse con eficiencia a necesidades arquitectnicas y/o estructurales muyparticulares.

1.6 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEO PARA LOS PERFILES LAMINADOS ENFRIO.

El comportamiento estructural bajo carga de los perfiles laminados en fro presenta diversosproblemas de diseo que difieren de los que se presentan normalmente en los perfiles laminadosen caliente. A continuacin se presentan algunos de los problemas ms importantes:

1.6.1 Pandeo Local y Resistencia de Post Pandeo de Elementos a Compresin de ParedDelgada.

Debido a que los componentes individuales de los perfiles laminados en fro son muy esbeltos (esdecir que sus espesores son muy delgados comparados con sus dimensiones longitudinales),estos pueden pandearse por inestabilidad a magnitudes de esfuerzo por debajo del esfuerzo defluencia, si son sometidos a compresin, flexin, cortante o aplastamiento. Por consiguiente, elpandeo local de dichos componentes es una de las consideraciones principales que debentomarse en cuenta para determinar la resistencia de diseo.

Por otro lado, se ha demostrado experimentalmente que dichos componentes nonecesariamente fallarn al alcanzar sus esfuerzos crticos de pandeo. Se han observadocomponentes que pueden resistir cargas adicionales hasta alcanzar esfuerzos de falla queexceden hasta 3.5 veces el esfuerzo de pandeo. A esta capacidad adicional para resistir cargadespus de ocurrir el pandeo inicial se le conoce como resistencia de post pandeo y puede seraprovechada para calcular la resistencia de diseo.

1.6.2 Rigidez Torsionante y Pandeo Flexo-Torsionante

Debido a que la rigidez torsionante de perfiles abiertos es proporcional a t3, donde tes el espesor

del perfil, los perfiles laminados en fro de pared delgada son relativamente dbiles a la torsin.


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Adems, es un caso muy comn el de perfiles, como los perfiles C, donde el centro decortante no coincide con el centroide del perfil y las cargas se aplican en el plano del alma. Si laaccin de la resultante de dichas cargas no coincide por el centro de cortante, se genera unaexcentricidad de carga que induce a la torsin y flexin simultnea del perfil.

Por consiguiente, debido a que los perfiles laminados en fro estn constituidos porcomponentes esbeltos y en algunos de stos perfiles no coincide el centro de cortante con elcentroide, el pandeo flexo-torsionante es una de las consideraciones principales que debentomarse en cuenta para determinar la resistencia de diseo.

1.6.3 Atiesadores en Elementos Sujetos a Compresin

La capacidad de carga y el comportamiento por pandeo de los componentes de vigas y columnassujetos a compresin puede ser mejorada considerablemente si se usan atiesadores intermedios ode borde. En perfiles laminados en fro los atiesadores son dobleces en la lmina que forma alperfil. Ejemplos del uso atiesadores intermedios y de borde se pueden observar en la lmina de laFig. 1.8(b) y en el perfil C de la Fig. 1.1(b), respectivamente. Debido a que los perfiles laminados enfro son especialmente susceptibles a problemas de pandeo, es muy comn que se usen uno oambos tipos de atiesadores. Por consiguiente, el efecto de la presencia de atiesadores debe serconsiderado en la evaluacin de la resistencia diseo.

1.6.4 Variabilidad de las Propiedades Geomtricas de Perfiles con Elementos Atiesados yNo Atiesados.

Para perfiles con elementos a compresin atiesados, parcialmente atiesados y no atiesados, elancho total del elemento es 100% efectivo para resistir cargas cuando la relacin ancho-espesores pequea o cuando los esfuerzos a compresin son relativamente pequeos. Sin embargo, alincrementar los esfuerzos a compresin en elementos con relaciones ancho-espesor grandes, lasregiones cercanas a los atiesadores son ms eficientes estructuralmente despus de pandearse elelemento. Como resultado, la distribucin de esfuerzos a compresin es no uniforme. Debido a quelos modelos de diseo por flexin considerados requieren de distribuciones uniformes deesfuerzos, se han ideado distribuciones uniformes equivalentes proyectadas sobre un anchoefectivo reducido.

Como se ver en captulos posteriores, el ancho efectivo de un elemento a compresin no solovara con respecto al nivel del esfuerzo aplicado sino que tambin depende de la relacin ancho-espesor. Es evidente que al variar las dimensiones de uno o varios elementos del perfil, variarntambin el mdulo de seccin y el momento de inercia de todo el perfil. Como el nivel de esfuerzosen un miembro puede variar dependiendo de la seccin del claro considerada, pueden presentarsecasos donde las propiedades geomtricas del miembro ya no sern constantes en todo el claro.

1.6.5 Conexiones

Los perfiles laminados en fro suelen ser de pared mucho ms delgada que los perfiles laminadosen caliente. Adems, la relacin entre el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo ltimo se ve afectadapor el laminado en fro. Por consiguiente, el comportamiento de conexiones atornilladas en perfileslaminados en fro es diferente al de perfiles laminados en caliente. El AISI ha desarrolladoespecificaciones que toman en cuenta estas caractersticas especiales.

Por otro lado, las conexiones soldadas son quiz la seleccin ms comn para unir perfileslaminados en fro. El AISI tambin ha desarrollado especificaciones para el diseo de conexionessoldadas. Se contemplan especificaciones para los tipos de soldadura ms comunes.


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1.6.6 Resistencia la Aplastamiento del Alma

El aplastamiento del alma suele ser crtico en perfiles laminados en fro por dos razonesprincipales. Primero, el uso de atiesadores de placa bajo apoyos o cargas concentradas es engeneral poco prctico. Segundo, la relacin peralte-espesor en perfiles laminados en fro esnormalmente grande y en general excede la de los perfiles laminados en caliente, por lo que lasalmas de perfiles laminados en fro estn ms propensas a sufrir problemas de inestabilidad bajoesfuerzos de compresin. Tomando en cuenta lo anterior, el AISI ha desarrollado especificacionesde diseo especiales para prevenir el aplastamiento del alma.

Es importante establecer la diferencia entre el atiesador de placa y el atiesador formado a partirde dobleces en la lmina. El atiesador de placa es un elemento rectangular que se solda al alma ypatines de un miembro en regiones de alta concentracin de esfuerzos cortantes (bajo los apoyosy cargas concentradas). Dichos elementos tienen como funcin distribuir los esfuerzos cortantesentre los atiesadores y el alma, dando como resultado una reduccin en los esfuerzos en el alma.El atiesador de placa se usa normalmente en perfiles laminados en caliente con almas esbeltas.

1.6.7 Limitaciones del Espesor

Como se menciona en el Art. 1.3, el rango de espesores tpicos de perfiles laminados en fro es

muy amplio. Sin embargo, no existe en realidad en las especificaciones de diseo limitaciones enel espesor mximo o mnimo que deba usarse. Los espesores observados en los perfiles tpicosobedecen a criterios prcticos de fabricacin, de durabilidad y de eficiencia estructural.

La Seccin A3.4 del AISI hace referencia a espesores mnimos solo con el objetivo degarantizar que el espesor de los perfiles suministrados en campo, medido sin recubrimiento, seacuando menos el 95% del espesor considerado en diseo. Sin embargo, esta restriccin puedeignorarse en zonas de doblez debido al efecto del laminado en fro.

Desde el punto de vista del diseo estructural de perfiles laminados en fro, los factoresimportantes son la relacin ancho-espesor de los elementos sujetos a compresin y la resistenciade diseo considerada. El espesorpor si mismo, no es un factor crtico.Las especificaciones delAISI son aplicables a elementos de cualquier espesor.

1.6.8 Efectos del Laminado en Fro

Como se ver ms adelante, las propiedades mecnicas del acero se ven afectadas por ellaminado en fro. Sin duda el efecto ms importante es el incremento que experimenta el esfuerzode fluencia del material. El aprovechamiento de este incremento para efectos de diseo estrestringido por la Seccin A7.2 del AISI (ver Captulo 5).

1.6.9 Criterios de Diseo Plstico y de Estados Lmites

Las especificaciones del AISI no consideran la aplicacin de los criterios de diseo plstico, ya quela mayora de los perfiles laminados en fro tienen relaciones ancho-espesor que excedenconsiderablemente los lmites requeridos por dichos criterios. Dichos perfiles son normalmenteincapaces de desarrollar articulaciones plsticas sin la ocurrencia de pandeo local. Sin embargo,desde 1980 las especificaciones del AISI incluyen procedimientos para considerar la capacidadinelstica de reserva de miembros a flexin (ver Art. 5.2.2.2).

Cabe mencionar que el mtodo de diseo plstico realmente no logr consolidarse comomtodo alternativo aun en los perfiles laminados en caliente, los cuales en general si cumplen conlas limitaciones del mtodo, debido a que generaba complicaciones considerables de anlisis singenerar mayor economa de diseo en comparacin con el mtodo tradicional de esfuerzospermisibles o ASD (por sus siglas del ingls: Allowable Stress Design). Sin embargo, un mtodobasado en conceptos de estados lmites ha estado ganando recientemente aceptacin. El mtodo


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se conoce como Diseo por Factor de Carga y Resistencia o LRFD (por sus siglas del ingls: Loadand Resistance Factor Design). Las especificaciones LRFD del AISI se publicaron por primera vezen 1991 y en 1996 el AISI public sus especificaciones dando un tratamiento igual a los mtodosASD y LRFD. Para mayor informacin sobre dichos mtodos consultar el Captulo 3.

1.6.10 Mtodo Lineal para el Clculo de Propiedades Geomtricas de Perfiles

Si el espesor del perfil es uniforme, los clculos de las propiedades geomtricas de dichos perfilespueden ser simplificados usando el mtodo lineal o de lnea central. En este mtodo se asume queel material de la seccin se concentra a travs de la lnea central de la lmina de acero, por lo quelos elementos rea se convierten en elementos lnea. La dimensin de espesor se introducedespus de calcular de calcular las propiedades lineales. Por consiguiente, el rea total ser A = L

x ty el momento de inercia ser I = I x t, donde Les la suma de longitud de todos los elementoslnea y I es el momento de inercia de los elementos lnea. Las propiedades de elementos lneatpicos, las ecuaciones de propiedades lineales de los perfiles mas usados, as como ejemplos deaplicacin se incluyen en el Apndice A.

1.6.11 Pruebas de Carga para Casos Especiales

Debido a la gran versatilidad de perfiles que pueden ser fabricados a base de acero laminado en

fro, pueden existir perfiles cuya complejidad geomtrica requiera procedimientos de anlisis ydiseo sumamente difciles y poco prcticos para los cuales las ecuaciones de diseo del AISI nosean aplicables. Para estos casos las especificaciones del AISI permiten la determinacin delcomportamiento y resistencia estructural mediante pruebas de carga realizadas por un laboratoriocalificado o por el fabricante. As mismo, la Seccin F del AISI 1996 contiene los criteriosnecesarios para evaluar los resultados de las pruebas de carga y establecer la resistencia nominalde diseo.

1.7 CONSIDERACIONES PRELIMINARES DE DISEO

Como se mencion en el Art. 1.5 no existe una estandarizacin de perfiles laminados en fro. Estacondicin presenta el problema de la seleccin inicial del perfil ms adecuado para una serie

condiciones particulares de diseo. En el diseo de perfiles laminados en caliente, donde laestandarizacin de perfiles si existe, dicha seleccin inicial se realiza de un listado de perfilesdisponibles, los cuales son producidos por una gran diversidad de fabricantes. En diseo deperfiles laminados en fro, el diseador se ve obligado a seleccionar un fabricante particular parahacer uso de sus listados de perfiles para realizar la seleccin. En el caso de que el perfil requeridosea no convencional, el diseador no tendr acceso a las propiedades geomtricas y deberdesarrollarlas. El Apndice A fue incluido para auxiliar al diseador en estos casos. As mismo, esposible que deba realizar pruebas de carga para establecer la resistencia nominal de diseo. LaSeccin F del AISI 1996 fue desarrollada para normar dichas pruebas. Cualquiera que sea el caso,el diseador deber estar pendiente de cambios en el fabricante del perfil durante la etapaconstructiva, ya que variaciones significativas en las propiedades materiales y/o geomtricaspueden requerir una revisin del proyecto estructural.

Por otro lado, como se ver ms adelante, la revisin estructural de un perfil laminado en fropuede llegar a ser compleja si algunos de sus elementos resultan ser parcialmente efectivos, yaque requiere de una gran cantidad de clculos numricos para evaluar las propiedadesgeomtricas efectivas del perfil (momento de inercia, mdulos de seccin, etc.). Esto ha hechoprcticamente indispensable el clculo mediante programas de computadora de las propiedadesefectivas de diseo de los perfiles. El diseador deber contar con dichos programas o deberasegurarse que el fabricante seleccionado haya desarrollado dichas propiedades.

El AISI public en 1993 el documento(3)

Diseo Preliminar de Vigas a Base de Perfiles C y Zque contiene procedimientos basados en versiones simplificadas de las ecuaciones de diseo de la


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especificacin para auxiliar al diseador en la seleccin preliminar del perfil. As mismo, el Manualde Diseo del AISI 1996 presenta en forma tabular y grfica las resistencias nominales a flexin,cortante, combinacin de flexin y cortante, aplastamiento y compresin axial de los perfilesestructurales seleccionados por el Manual. Sin embargo, las variaciones de las propiedadesgeomtricas de los perfiles de fabricacin mexicana con respecto a los perfiles seleccionados porel Manual limitan la aplicacin en Mxico de dicha informacin. Para resolver este problema, en laUniversidad de Sonora se estn desarrollando tablas y grficas de diseo similares a las incluidasen el Manual para los perfiles de los principales fabricantes mexicanos. En general, las ayudas dediseo que permiten una seleccin preliminar del perfil son de gran utilidad prctica para eldiseador. Sin embargo, la revisin final de la seleccin debe realizarse por los procedimientos dediseo convencionales segn las especificaciones vigentes del AISI. Los Captulos 5 al 9 incluyendichas especificaciones y procedimientos.

Independientemente de que se pretenda usar perfiles laminados en fro o en caliente, eldiseador deber estar siempre consiente de los aspectos econmicos de su proyecto. Su objetivodeber ser lograr la minimizacin del costo de la estructura satisfaciendo simultneamente todoslos requisitos de diseo, incluyendo las limitaciones que le impongan otros tipos de proyectos comoel arquitectnico, electromecnico, hidrosanitario, etc. En general, la minimizacin del costo de laestructura est ntimamente ligada a la minimizacin el peso de los miembros estructurales, la cualse asocia tambin con la maximizacin de la eficiencia estructural.

Dada la alternativa del uso del acero de alta resistencia y el mayor costo asociado a ste, eldiseador deber considerar el modo de falla del miembro o estructura para poder hacer un usoeficiente de su resistencia mayor. Bajo ciertas condiciones, como el caso de miembros sujetos acompresin con relaciones de esbeltez considerables, el modo de falla gobernante suele ser elpandeo elstico global. Para este caso, el uso de acero de alta resistencia puede no resultar en undiseo econmico, ya que el desempeo del miembro estructural bajo estas condicionesdepender bsicamente de sus propiedades geomtricas y ser el mismo para todos los grados deacero.

El objetivo general del diseo econmico deber ser el de utilizar al mximo la resistencia deacero, diseando el perfil del miembro para lograr mxima eficiencia estructural. La flexibilidad delproceso de laminado en fro para producir una variedad interminable de perfiles es ideal para

cumplir con dicho objetivo.


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CAPITULO 2

PROPIEDADES DEL ACERO USADO EN LAMINADO EN FRIO

2.1 COMENTARIOS GENERALES

Las propiedades mecnicas del material constitutivo juegan un papel preponderante en elcomportamiento de miembros estructurales y el diseador debe estar familiarizado con dichaspropiedades para los diversos tipos de acero que se usan para fabricar los perfiles laminados enfro.

Las especificaciones del AISI 1996 hacen referencia expresa a los tipos de acero reconocidospara su uso en perfiles laminados en fro, as como las caractersticas de ductilidad y otraspropiedades que deben cumplir los aceros no reconocidos por la especificacin.

2.2 ACEROS ESTRUCTURALES RECONOCIDOS

Las especificaciones del AISI 1996, Seccin A3.1, reconocen los siguientes 14 tipos de acero de laSociedad Americana de Pruebas y Materiales o ASTM (por sus siglas del ingls: American Societyfor Testing and Materials):

1. ASTM A36/A36M, Acero Estructural de Carbono.2. ASTM A242/A242M, Acero Estructural de Alta Resistencia y Baja Aleacin.3. ASTM A283/A283M, Placas de Acero de Carbono de Resistencia a la Tensin Baja e

Intermedia.4. ASTM A500, Tubulares Estructurales Redondos y de Otros Perfiles Laminados en Fro de Acero

de Carbono.5. ASTM A529/A529M, Acero de Calidad Estructural de Manganeso y Carbono de Alta

Resistencia.6. ASTM A570/A570M, Acero de Calidad Estructural de Carbono para Lminas y Cintas

Laminadas en Caliente.7. ASTM A572/A572M, Acero Estructural de Columbio y Vanadio de Alta Resistencia y Baja

Aleacin.8. ASTM A588/A588M, Acero Estructural de Alta Resistencia y Baja Aleacin con Esfuerzo de

Fluencia Mnimo de 50 ksi (3514 kg/cm2) y espesor hasta 4 plg. (100 mm).

9. ASTM A606, Acero Estructural de Alta Resistencia y Baja Aleacin para Lminas y CintasLaminadas en Caliente y en Fro con Resistencia Mejorada a la Corrosin Atmosfrica.

10. ASTM A607, Acero Estructural de Columbio o Vanadio, o ambos, de Alta Resistencia y BajaAleacin para Lminas y Cintas Formadas en Caliente y en Fro.

11. ASTM A611 (Grados A, B, C y D), Acero Estructural (SS, abreviacin del ingls StructuralSteel) de Carbono para Lminas Formadas en Fro.

12. ASTM A653/A653M (SS, Grados 33, 37, 40 y 50 Clase 1 y Clase 3; Alta Resistencia y BajaAleacin Tipos A y B, Grados 50, 60, 70 y 80), Lminas de Acero con Recubrimiento de Zinc

(Galvanizado) o con Recubrimiento de Aleacin Zinc-Hierro realizado por medio del Proceso deInmersin en Caliente (Galvanizado y Endurecido).13. ASTM A715 (Grados 50, 60, 70 y 80), Acero de Alta Resistencia y Baja Aleacin para Lminas

y Cintas Formadas en Caliente y de Acero de Alta Resistencia y Baja Aleacin para Lminas yCintas Formadas en Fro con Propiedades Mejoradas de Formabilidad.

14. ASTM A792/A792M (Grados 33, 37, 40 y 50A), Lminas de Acero con Recubrimiento deAleacin 55% Aluminio-Zinc realizado por medio del Proceso de Inmersin en Caliente.

Las propiedades mecnicas relevantes de los 14 tipos de acero especificados se ilustran en laTabla 2.1.


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Tabla 2.1 Descripcin y Propiedades Mecnicas Relevantes de los Aceros Reconocidos por el AISI(4)

Designacin del ASTM.

Descripcin Producto Grado

Fy(min)kg/cm

2

Fu(min/max)kg/cm

2

% elongacinen 5.08 cm(min)

Fu/Fy(min)

A36/A36M-94Esta especificacin cubre perfiles, placas y barrasde acero de carbono de calidad estructural paraconstruccin remachada, atornillada o soldada de

puentes y edificios y para aplicacionesestructurales generales.

Se proveen requisitos adicionales cuando latenacidad de muesca sea importante. Estosrequisitos aplicarn cuando se especifiquen por elcomprador en su orden.

Cuando el acero vaya a ser soldado, sepresupone que ser usado un procedimiento desoldado consistente con el tipo de grado de aceroy el uso planeado de la estructura.

Placas yBarras

2530 4076/5622 23 1.61

A242-A242M-93Esta especificacin cubre perfiles, placas y barrasde acero de alta resistencia y baja aleacin paraconstruccin remachada, atornillada y soldada aser usados principalmente en miembrosestructurales cuando el ahorro en peso y ladurabilidad adicional son importantes.

La resistencia a la corrosin atmosfrica de estetipo de acero en la mayora de los ambientes essubstancialmente mejor que el acero al carbonocon o sin adicin de cobre. Esta especificacinest limitada a material de hasta 4 plg (10 cm) deespesor.

Placas yBarras

t 0.75 plg(19.05mm)

3514 4919 21 1.40

A283/A283M-93Esta especificacin cubre cuatro grados de aceropara placas de acero al carbono de calidadestructural para aplicaciones generales.Cuando el acero vaya a ser soldado, se

presupone que ser usado un procedimiento desoldado consistente con el tipo de grado de aceroy el uso planeado de la estructura.

Placa ABCD

1686189721082319

3162/42163514/46683865/52704216/5622

30282523

1.881.851.831.82

A500-93Esta especificacin cubre tubos estructurales

soldados sin costuras redondos, cuadrados y deconfiguraciones especiales de acero de carbonolaminado en fro para construccin remachada,atornillada y soldada de puentes y edificios y paraaplicaciones estructurales generales.

Estos tubos se producen soldados y sin costuraspara dimetros mximos de 64 plg. (1626 mm) yun espesor mximo de 0.625 plg. (15.88 mm). ElGrado D requiere de tratamiento con calor.Nota: Los productos manufacturados con estaespecificacin pueden no ser recomendables paracondiciones tales como carga dinmica enestructuras soldadas, donde las propiedades detenacidad de muesca pueden ser importantes.

Tubos

Redondos

TubosCuadrados

A

BCD

ABCD

2319

295132322530

2740323235142530

3162

407643574076

3162407643574057

25

232123

25232123

1.36

1.381.351.61

1.151.261.241.61


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Fy(min)kg/cm

2

Fu(min/max)kg/cm

2


Fu/Fy(min)

A529/A529M-94Esta especificacin cubre perfiles, placas y barrasde acero de carbono y manganeso paraconstruccin remachada, atornillada y soldada deedificios y para aplicaciones estructurales

generales. El material bajo esta especificacinesta disponible en dos grados. Grado 42 paraplacas y barras de 0.50 plg (12.7 mm) de espesory Grado 50 para placas y barras de 1.00 plg (25.4mm) de espesor.Cuando el acero vaya a ser soldado, se

presupone que ser usado un procedimiento desoldado consistente con el tipo de grado de aceroy el uso planeado de la estructura.

Placas yBarras

42

50

2951

3514

4216/5973

4919/7027

22

21

1.43

1.40

A570/A570M-95Esta especificacin cubre lminas y cintas deacero de carbono laminado en caliente enlongitudes cortadas o en carretes. Este materialpuede usarse para propsitos estructuralescuando se requieran valores mecnicos deprueba, y est disponible en espesores mximosde 0.229 plg (6 mm) excepto por lo que se

especifica para A568, A568M, A749 y A749M.

Lmina yCinta

303336404550

210823192530281131623514

344336543724386542164568

211817151311

1.631.581.471.381.331.30

A572/A572M-94cEsta especificacin cubre perfiles, placas y barrasde acero de alta resistencia y baja aleacin. LosGrados 42 y 50 se recomiendan sean usados enconstruccin remachada, atornillada y soldada deedificios, puentes y otras aplicaciones. Los Grados60 y 65 se recomiendan sean usados paraconstruccin remachada y atornillada de puentes ypara construccin remachada, atornillada ysoldada para otras aplicaciones.

Para construccin soldada de puentes latenacidad de muesca es un requisito importante.Para esta u otras aplicaciones donde los requisitosde tenacidad de muesca sean indicados, estossern negociados entre el productor y comprador.

El uso de columbio, vanadio y nitrgeno, ocombinaciones de estos, bajo las limitaciones dela Seccin 5 del ASTM, estarn bajo la opcin delproductor a menos que se especifique lo contrario.Cuando se desee usar uno de estos elementos ouna combinacin de ellos, se hace referencia alRequisito Suplementario S90 del ASTM en dondedichos elementos y sus combinaciones comunesse enlistan por su tipo. Cuando dicha designacinsea deseada, tanto el grado como el tipo debernser especificados.

Placas yBarras

42

50

60

65

2951

3514

4216

4568

4216

4568

5270

5622

24

21

18

17

1.43

1.30

1.25

1.23

A588/A588M-94Esta especificacin cubre perfiles, placas y barrasde acero de alta resistencia y baja aleacin paraconstruccin remachada, atornillada y soldada aser usado principalmente en miembrosestructurales cuando el ahorro en peso y la

durabilidad adicional son importantes. Laresistencia a la corrosin atmosfrica del acero enla mayora de los ambientes es substancialmentemejor que el acero al carbono con o sin adicin decobre. Cuando se expone apropiadamente a laatmsfera este acero puede ser usado sin pinturapara muchas aplicaciones. Esta especificacinest limitada a material de hasta 8 plg (20 cm) deespesor. Cuando el acero vaya a ser soldado, sepresupone que ser usado un procedimiento desoldado consistente con el tipo de grado de aceroy el uso planeado de la estructura.

Placas yBarras

t 4.0 plg(101.6 mm)

3514 4919 21 1.40


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Fy(min)kg/cm

2

Fu(min/max)kg/cm

2


Fu/Fy(min)

A606-91Esta especificacin cubre lminas y cintas deacero laminado en fro y en caliente de altaresistencia y baja aleacin en longitudes cortadaso en carretes a ser usadas para propsitos

estructurales o miscelneos, donde los ahorros enpeso o la durabilidad adicional son importantes.Estos aceros tienen una resistencia mejorada a lacorrosin atmosfrica y se proveen en dos tipos:Tipo 2 contiene 0.20 mnimo de cobre (0.18mnimo de Cu para revisin del producto). Tipo 4contiene un nivel de resistencia a la corrosinsubstancialmente superior al acero de carbonocon o sin adicin de cobre. Cuando expuestoadecuadamente a la atmsfera, este acero puedeser usado sin pintura para muchas aplicaciones.

Lmina yCintas

L. en Cal.LongitudCortada

L. en Cal.Carrete

L. en Cal.Endureci-do o Nor-malizado.

L. en Fro

3514

3162

3162

3162

4919

4568

4568

4568

22

22

22

22

1.40

1.44

1.44

1.44

A607-92Esta especificacin cubre lminas y cintas deacero de alta resistencia y baja aleacin decolumbio o vanadio, o lminas de acero laminadoen fro, o una combinaciones de ambos, ya sea enlongitudes cortadas o carretes a usarse en

aplicaciones donde una mayor resistencia yahorros en peso son importantes. El material estdisponible en dos clases: ambas clases sonsimilares en nivel de resistencia excepto que laClase 2 ofrece una mejor soldabilidad y mayorformabilidad que la Clase 1. La resistencia a lacorrosin atmosfrica de estos acero esequivalente al acero de carbono tpico. Si seespecifica aleacin con cobre, la resistencia a lacorrosin atmosfrica es el doble que la del acerode carbono tpico. La Clase 1 se denominabacomo A607 sin una designacin de clase.

Lmina yCinta

Clase 145

50

55

60

65

70

Clase 245

50

55

60

65

70

3162

3514

3865

4216

4568

4919

3162

3514

3865

4216

4568

4919

4216

4568

4919

5270

5622

5973

3865

4216

4568

4919

5270

5622

L. en Cal. 23L. en Fro 22L. en Cal. 20L. en Fro 20

L. en Cal. 18L. en Fro 18L. en Cal. 16L. en Fro 16L. en Cal. 14L. en Fro 15L. en Cal. 12L. en Fro 14

L. en Cal. 23L. en Fro 22L. en Cal. 20L. en Fro 20L. en Cal. 18L. en Fro 18L. en Cal. 16

L. en Fro 16L. en Cal. 14L. en Fro 15L. en Cal. 12L. en Fro 14

1.33

1.30

1.27

1.25

1.23

1.21

1.22

1.20

1.18

1.17

1.15

1.14

A611-94Esta especificacin cubre lminas de acero decarbono en longitudes cortada o carretes. Incluyecinco niveles de resistencia designadas comoGrado A con fluencia mnima de 1756 kg/cm

2;

Grado B con fluencia mnima de 2108 kg/cm2;

Grado C tipo 1 y 2 con fluencia mnima de 2319kg/cm

2; Grado D tipo 1 y 2 con fluencia mnima de

2811 kg/cm2 y Grado E con fluencia mnima de

5622 kg/cm2. Los Grados A a D tienen ductilidad

moderada mientras que el Grado E es un productoduro y poco dctil sin una elongacin mnima

especificada.

Lmina A

B

CTipo 1 y 2

DTipo 1 y 2

1756

2108

2319

2811

2951

3162

3373

3654

26

24

22

20

1.68

1.50

1.45

1.30


30/454

23



Fy(min)kg/cm

2

Fu(min/max)kg/cm

2


Fu/Fy(min)

A653/A653M-95Esta especificacin cubre a lminas de acero conrecubrimiento de zinc (galvanizado) o con aleacinde zinc con hierro (galvanizado y endurecido) enlongitudes cortadas o carretes. El galvanizado se

realiza por el proceso de inmersin en caliente. Seincluyen varios grados basados en la resistenciapor fluencia en acero estructural (SS) y en altaresistencia y baja aleacin (HSLA). Las lminasHSLA estn disponibles en Tipo I y II. HSLA Tipo Ise recomienda cuando se requiere formabilidadmejorada en comparacin con SS. El Tipo II tieneaun mayor formabilidad que el Tipo I. Losproductos bajo la especificacin A653/A653M-95deben cumplir con las ltimas modificaciones de

A924/A924M, excepto cuando se indique locontrario en la aplicacin.

Lmina SS333740

50 Clase 150 Clase 3

HSLATipo 1

50607080

HSLATipo II

50607080

231926002811

35143514

3514421649195622

3514421649195622

316236543865

45684919

4216491956226325

4216491956226325

201816

1212

20161210

22181412

1.361.411.38

1.301.40

1.201.171.141.13

1.201.171.141.13

A715-92

Esta especificacin cubre lminas y cintas deacero de alta resistencia y baja aleacin y lminasde acero laminado en fro con formabilidadmejorada comparada con A606 y A607. Elproducto se provee en longitudes cortadas o encarretes y est disponible en cuatro niveles deresistencia, Grados 50, 60, 70 y 80 y ocho tipos(de acuerdo con su composicin qumica). Notodos los grados estn disponibles en todos lostipos. El acero es devastado y transformado en unmaterial granular fino, e incluye elementos demicroaleacin como columbio, vanadio, titanio yzirconio, etc. El producto se recomienda paraaplicaciones estructurales y miscelneas donde laahorro en peso, alta resistencia, formabilidadmejorada y soldabilidad es importante.

Lminas yCintas

50

60

70

80

3514

4216

4919

5622

4216

4919

5622

6325

22

18

16

14

1.20

1.17

1.14

1.13

A792/A792M-95Esta especificacin cubre lminas de acero conrecubrimiento de aluminio con aleacin de zincmediante el proceso de inmersin en caliente. Lacomposicin de la aleacin de aluminio-zinc enrelacin nominal al peso es 55% aluminio, 1.6%silicn y balance de zinc. El producto serecomienda para aplicaciones que requieranproteccin contra la corrosin, resistencia al caloro ambos. Las lminas con recubrimiento dealuminio y aleacin de zinc estn disponibles enCalidad Comercial, Calidad de Formacin yCalidad Estructural. Los grados disponibles enCalidad Estructural se dan en la tabla anexa.

Lmina 33

37

40

50

2319

2600

2811

3514

3162

3654

3865

4568

20

18

16

12

1.36

1.41

1.38

1.30

Nota: Las abreviaciones L en Cal. y L en Fro usadas en la Tabla significa laminado en caliente y fro, respectivamente.

En el Suplemento 1999 del AISI 1996 se establece el reconocimiento de dos tipos de aceroadicionales:

15. ASTM A847 (Grado 50), Acero de Alta Resistencia y Baja Aleacin para Perfiles TubularesEstructurales Soldados sin Costuras con Resistencia a la Corrosin Atmosfrica Mejorada.

16. ASTM A875/A875M (SS, Grados 33, 37, 40 y 50 Clase 1 y Clase 3; Alta Resistencia y BajaAleacin Tipos A y B, Grados 50, 60, 70 y 80), Lminas de Acero con Recubrimiento deAleacin Zinc-5% Aluminio realizado por medio del Proceso de Inmersin en Caliente.

Las propiedades mecnicas relevantes de estos aceros se muestran en la Tabla 2.2


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Tabla 2.2 Descripcin y Propiedades Mecnicas Relevantes de los Dos Aceros AdicionalesReconocidos por el Suplemento 1999

(1)



Fy(min)kg/cm

2

Fu(min/max)kg/cm

2


Fu/Fy(min)

A847Esta especificacin cubre perfiles tubularesestructurales soldados, sin costuras, laminados en

fro formados con acero de alta resistencia y bajaaleacin con resistencia a la corrosin atmosfricamejorada.

Tubos 3514 3162 19 1.40

A875/A875MEsta especificacin cubre lminas conrecubrimiento de aleacin zinc-5% aluminiorealizado mediante el proceso de imersin encaliente. Este acero se maneja en dosmodalidades:1. Acero Estructural (SS) en Grados 33, 37, 40

y 50 Clase 1 (C1) y Clase 2 (C2).2. Acero de Alta Resistencia y Baja Aleacin

Tipo A (Grados 50, 60, 70 y 80) y Tipo B(Grados 50, 60, 70 y 80).

Lminas 333740

50 (C1)50 (C2)Tipo A

50607080

Tipo B50607080

23192600281135143514

3514421649195622

3514421649195622

31623654386545684919

4216491956226325

4216491956226325

2018161212

20161210

22181412

1.361.411.381.301.40

1.201.171.141.13

1.201.171.141.13

De los 16 tipos de acero reconocidos hasta el Suplemento 1999, 6 son para placas, 5 son paralminas y cintas, 3 son para lminas y 2 son para productos tubulares. La clasificacin de la ASTMde los productos de acero se ilustran en la Tabla 2.3 y 2.4. La Seccin A3.2 del AISI 1996, noexcluye el uso de otros tipos de acero no considerados dentro del grupo de los 16, siempre ycuando no excedan un espesor de 1.0 plg. (25.4 mm) y se acople a las propiedades qumicas ymecnicas de uno de los aceros considerados. Adems, condiciona su uso a que sea sujeto, yasea por el fabricante o comprador, a pruebas, anlisis y otros controles establecidos para uno delos aceros reconocidos y que cumpla con las disposiciones de la Seccin A3.3 del AISI (ver Art.2.3.3).

Tabla 2.3 Clasificacin de Productos de Acero Laminado en Fro

(4)

Espesor, t (mm)Ancho, w(cm) Acero de Carbono Acero HSLA

5.08 w 30.48

30.48


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2.3 PROPIEDADES MECANICAS RELEVANTES DEL ACERO

Desde el punto de vista estructural las propiedades ms importantes del acero son:

1. El Esfuerzo de Fluencia2. La Resistencia a la Tensin o Resistencia Ultima3. Las Caractersticas de la Curva de Esfuerzo-Deformacin4. El Mdulo de Elasticidad y el Mdulo Tangente5. La Ductilidad6. La Facilidad para Soldarse7. La Resistencia a la Fatiga8. La Tenacidad9. La Facilidad de Formado10. La Durabilidad

A continuacin se tratarn con ms detalle cada una de stas propiedades:

2.3.1 Esfuerzo de Fluencia, Resistencia Ultima y Curva Esfuerzo-Deformacin

La resistencia de los perfiles laminados en fro depende del valor del esfuerzo de fluencia, excepto

en conexiones y en aquellos casos donde el pandeo elstico local o global es crtico. Los valoresestipulados del esfuerzo de fluencia (Fy) para los primeros 14 tipos de acero reconocidos seincluyen en la Tabla 2.1.

Las curvas esfuerzo-deformacin se pueden clasificar en dos tipos: Tipo 1, Curvas con FluenciaPronunciada [ver Fig. 2.1(a)] y Tipo 2, Curvas con Fluencia Gradual [ver Fig. 2.1(b)].

Fig. 2.1 Curvas esfuerzo-deformacin de acero de carbono para lminas y cintas(1)

; (a) Fluenciapronunciada. (b) Fluencia gradual.


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Las curvas esfuerzo-deformacin de los aceros laminados en caliente son del tipo 1 y las curvasde los laminados en fro son del tipo 2. El valor del esfuerzo de fluencia en las curvas del tipo 1 seobtiene fcilmente del valor de esfuerzo correspondiente a donde la curva quiebra y adquiere suforma plana horizontal. Sin embargo, dicho quiebre no se presenta en las curvas del tipo 2, sinoque se presenta una curva suave de transicin a la parte plana horizontal, por lo que el valor delesfuerzo de fluencia no puede obtenerse directamente. Para estos casos, el esfuerzo de fluenciapuede ser obtenido por el mtodo de compensacin o el mtodo de deformacin unitaria bajocarga.

En el mtodo por compensacin, se traza una lnea paralela a la parte recta inicial de la curva,desfasada o compensada hacia la derecha, cuyo origen es un valor especificado de 0.2%deformacin unitaria [ver Fig. 2.2(a)] y se ubica la interseccin con la curva esfuerzo-deformacincon dicha recta. El valor de esfuerzo a la altura de la interseccin ser el valor buscado de Fy. Estemtodo se usa predominantemente en los trabajos de investigacin y en las pruebas del fabricantepara aceros de aleacin. En el mtodo de deformacin unitaria bajo carga, el valor del esfuerzo defluencia se obtiene directamente de la curva para un valor especificado de 0.5% para ladeformacin unitaria [ver la Fig. 2.2(b)]. Este mtodo lo usan comnmente los fabricantes enpruebas para lminas y cintas de acero de carbono de baja aleacin.

Dos propiedades mecnicas relevantes adicionales tambin pueden obtenerse de la curva

esfuerzo-deformacin: La Resistencia Ultima (Fu) y el Lmite de Proporcionalidad (fpr). Laresistencia ltima es el valor mximo de esfuerzo que puede ser inducido en un elemento antes dealcanzar la falla, es decir el valor de mximo esfuerzo de la curva ilustrada en la Fig. 2.1(a). Laresistencia ltima prcticamente no tiene aplicacin en el diseo de elementos estructurales, yaque los modos de falla de dichos elementos son controlados por los esfuerzos de fluencia o por losesfuerzos crticos de pandeo. Esto es particularmente cierto para elementos de pared delgadasujetos a compresin con relaciones ancho-espesor grandes y para miembros a compresin(columnas) con relaciones de esbeltez grandes. Sin embargo, en el caso del diseo de conexionesatornilladas y soldadas, donde es comn que se presenten concentraciones de esfuerzosconsiderables que pueden alcanzar la resistencia ltima de algunas fibras del material, el valor dela resistencia ltima es crtico. Por consiguiente, la especificacin AISI contiene criterios de diseoque garantizan la seguridad de la conexin bajo resistencia ltima. Los valores de resistencialtima se incluyen en la Tabla 2.1 y 2.2 para el grupo de los 16 aceros reconocidos por el AISI 1996

y Suplemento 1999.

El lmite de proporcionalidad es el valor mximo de esfuerzo para el cual las deformaciones sondirectamente proporcionales a los esfuerzos, es decir donde termina la parte recta de la curva,como se ilustra en la Fig. 2.1(b). Aunque el lmite de proporcionalidad no se aplica directamente enlas ecuaciones de diseo del AISI, si ha influido hasta cierto punto en el establecimiento de losvalores de los factores de seguridad de diseo. El lmite de proporcionalidad puede ser obtenidopor el mtodo de compensacin usando un desfasamiento de 0.1%.

2.3.2 Mdulo de Elasticidad y Mdulo Tangente

La resistencia de los elementos que fallan por inestabilidad depende no solo de su esfuerzo defluencia, sino tambin del valor del mdulo de elasticidad Eo del mdulo tangente Et,en el casodel pandeo elstico e inelstico, respectivamente.

El mdulo de elasticidad se define como la pendiente de la parte inicial recta de la curvaesfuerzo-deformacin. Los valores comnmente utilizados de Epara el acero se encuentran dentrodel rango de 2.038x10

6a 2.108x10

6 kg/cm

2. Las especificaciones del AISI recomiendan un valor

de 2.073x106 kg/cm

2 para su uso en diseo, el cual es ligeramente mas alto que el valor de

2.038x106 kg/cm

2 recomendado por las especificaciones de diseo para perfiles laminados en

caliente emitidas por el Instituto Americano de Construccin en Acero o AISC (por sus siglas delingls: American Institute of Steel Construction). El valor de Et se define como el valor de lapendiente de la curva esfuerzo-deformacin en cualquier punto, como lo ilustra la Fig. 2.1(b).


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Fig 2.2 Determinacin del esfuerzo de fluencia en acero con fluencia gradual

(1). (a) Mtodo de compensacin;

(b) Mtodo de deformacin unitaria.

Para las curvas con fluencia pronunciada, Et es igual aEhasta el punto de fluencia, pero para

el caso de curvas con fluencia gradual, Etes igual aEhasta el lmite de proporcionalidad. Una vezque el esfuerzo excede el lmite de proporcionalidad, el valor de Etse reduce progresivamente conrespecto al valor de E. Esta es la razn del porque los aceros con fluencia pronunciada conrelaciones de esbeltez moderadas tienen una mayor resistencia al pandeo que los aceros confluencia gradual.

2.3.3 Ductilidad

La ductilidad es la habilidad de un material para poder sobrellevar deformaciones plsticasconsiderables sin fracturarse. Es una propiedad importante tanto como para los procesos delaminado en fro como para la seguridad estructural, ya que facilita la redistribucin inelstica deesfuerzos en juntas y conexiones, donde pueden ocurrir concentraciones importantes de esfuerzos.

La ductilidad de un acero puede ser establecida por medio de pruebas de tensin, de flexin ode muesca. La elongacin permanente en longitudes calibradas de 2 plg y 8 plg. (51 mm y 203mm) de un especmen de prueba a tensin se utiliza normalmente como una indicativo deductilidad. La Tabla 2.1, muestra que la elongacin permanente del acero en longitudes calibradasde 2 plg. vara de 12 a 27% y para una longitud calibrada de 8 plg. vara de 15 a 20%.

A partir de 1968, debido al desarrollo de nuevos aceros de alta resistencia, pero en algunoscasos de baja ductilidad, se inici un proyecto de investigacin en la Universidad de Cornell con elobjetivo de establecer hasta que punto es necesario la ductilidad en una estructura. Sedesarrollaron en el proyecto requisitos de elongacin de acero dctiles. Se desarrollaron tambin


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los conceptos de ductilidad local y uniforme. La ductilidad local se define como la elongacin localde la zona de eventual fractura. La ductilidad uniforme se define como la capacidad de unespecmen de prueba de tensin a desarrollar elongaciones considerables en toda su longitudantes de desarrollar el cuello de fractura. En el proyecto tambin se encontr que en losdiferentes aceros dctiles investigados, la elongacin en la longitud calibrada de 2 plg., no podacorrelacionarse satisfactoriamente con la ductilidad local o uniforme.

Para efectos de garantizar la habilidad de redistribucin de esfuerzos requerida para evitarfallas frgiles prematuras y para poder lograr alcanzar la resistencia ltima en reas netas deelementos a tensin con concentraciones de esfuerzos, se sugiere que (1) la mnima elongacinlocal en una longitud calibrada de 0.5 plg. (12.7 mm) de un especmen a tensin estndar,incluyendo el cuello de fractura, sea cuando menos del 20%; (2) la mnima elongacin uniforme enuna longitud calibrada de 3 plg. (76.2 mm) menos la elongacin en una longitud calibrada de 1 plg.(25.4 mm) que contenga el cuello y fractura sea cuando menos del 3%; y (3) que la relacin deresistencia ltima a resistencia de fluencia, Fu/Fy, sea cuando menos de 1.05. En este mtodo, laelongacin local y uniforme se establecen de acuerdo al siguiente procedimiento:

1. Los especmenes de prueba a tensin se preparan de acuerdo a lo estipulado en la ASTMA370 Mtodos y Definiciones para Pruebas Mecnicas de Productos de Acero, excepto quela longitud de la seccin central reducida de 0.5 plg. (12.7 mm) del especmen debe ser cuando

menos de 3.5 plg. (89 mm). Lneas de calibracin deben ser indicadas a cada 0.5 plg. a travsde toda la longitud del especmen.

2. Al terminar la prueba a tensin, dos elongaciones son medidas:a. La elongacin lineal en una longitud calibrada de 3 plg., e3, medida en pulgadas,

incluyendo la porcin fracturada, y que sta halla ocurrido de preferencia en el tercio mediode la longitud calibrada.

b. La elongacin lineal en una longitud calibrada de 1 plg., e1, medida en pulgadas,incluyendo la porcin fracturada.

3. La elongacin local ly la elongacin uniforme use calculan de la siguiente manera:

)%5(50 311 ee = )%(50 13 eeu =

Las especificaciones del AISI consideran que los aceros reconocidos (ver Art. 2.2 o la SeccinA3.1 del AISI 1996) tienen ductilidad adecuada por lo que no se requiere aplicar las pruebas antesdescritas para usarse en diseo. Los requisitos de ductilidad del AISI para los aceros noreconocidos se encuentran en la Seccin A3.3. Estos requisitos incluidos en A3.3.1 y A3.3.2 delAISI 1996 se presentan a continuacin:

A3.3.1. La relacin Fu/Fy no debe ser menor que 1.08 y la elongacin total de un especmenestndar probado segn ASTM A370 no debe ser menor de 10% en una longitud calibrada de 2plg. (51 mm) o 7% en una longitud calibrada de 8 plg. (203 mm). Si estos requisitos no pueden sercumplidos, se debe satisfacer los siguientes criterios: a) la elongacin local en una longitud

calibrada de 0.5 plg. (12.7 mm) a travs de la fractura no deber ser menor que 20%, b) laelongacin uniforme por fuera de la fractura no deber ser menor que 3%. Cuando la ductilidad delmaterial es determinada en funcin de criterios de elongacin local y uniforme, el uso de dichomaterial ser restringido al diseo de polinera de cubierta y muros. Para polines sujetos a carga

axial y momentos flexionantes, cP/Pnno deber exceder 0.15 para el Mtodo ASD y Pu/(cPn)nodeber exceder 0.15 para el Mtodo LRFD (ver el Captulo 3 para mas informacin sobre losMtodos ASD y LRFD).

A3.3.2. Los aceros que cumplan con ASTM A653 SS Grado 80 y A611 Grado E, A792 Grado 80,A875 Grado 80 u otros acero que no cumplan con lo estipulado en la Seccin A3.3.1, podrn


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usarse para perfiles con almas mltiples, como los perfiles de cubierta, muros y decks de piso,siempre y cuando a) el esfuerzo de fluencia Fy usando para calcular la resistencia nominal deelementos o arreglos estructurales se tome al 75% del valor mnimo de Fy especificado para elmaterial o 60 ksi (4216 kg/cm

2), el que sea menor y b) la resistencia a tensin Fu, usada para

calcular las resistencias nominales de conexiones, se tome al 75% del valor mnimo de Fuespecificado para el material o 62 ksi (4357 kg/cm

2), el que sea menor. De manera alternativa, la

viabilidad de dichos aceros para la fabricacin de cualquier perfil podr ser demostrada a travs delas pruebas de carga estipuladas en la Seccin F1 del AISI 1996. Las resistencias de diseoobtenidas de dichas pruebas no podrn exceder a las resistencias calculadas mediante lasecuaciones de diseo de elementos y arreglos estructurales del AISI 1996, usando el esfuerzo defluencia mnimo especificado, Fsy, por Fyy el esfuerzo de tensin mnimo especificado, Fu.

La Seccin A3.3.2 fue modificada en el Suplemento 1999 para incorporar los dos nuevos tiposde acero reconocidos. Adems, dicho Suplemento incorpora la siguiente clusula de excepcin enla Seccin A3.3.2:

Para perfiles con almas mltiples, se permitir usar un esfuerzo de fluencia reducido, RbFy, paradeterminar la resistencia a flexin en la Seccin C3.1.1(a) (ver Art. 5.2.2.1), donde el factor dereduccin Rbse determina de la siguiente manera:

(a) Patines de Compresin Atiesados y Parcialmente Atiesados.

Para w/t 0.067E/Fy 0.1=bR

Para 0.067E/Fy


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de ductilidad en estos elementos es poca y no compromete la integridad de la estructura. Loselementos primarios como vigas, columnas y polines quedan excluidos de la Seccin A3.3.2.

Por otro lado, una investigacin realizada en la Universidad de Missouri Rolla en 1997demuestra que el esfuerzo de fluencia Fy puede ser usado para calcular la resistencia alaplastamiento del alma de decks. Sin embargo, el AISI 1996 adopta un criterio conservador en laSeccin C3.4.1 (ver Art. 5.3.6), ya que el menor de 0.75Fy y 60 ksi (4216 kg/cm

2)es usado para

determinar tanto la resistencia al aplastamiento del alma como la resistencia a cortante para acerode baja ductilidad.

Otra investigacin realizada en la Universidad de Missouri Rolla en 1997 confirm que para eldiseo de conexiones usando acero A653 SS Grado 80, el esfuerzo Fuusado en diseo deber sertomado como el menor valor de 75% de la resistencia a tensin mnima especificada o 62 ksi (4357kg/cm

2). Debe mencionarse que las especificaciones vigentes del AISI se limitan al diseo de

miembros y conexiones sujetas a carga esttica, sin considerar la resistencia a la fatiga del acero.

2.3.4 Facilidad para Soldarse

Los aceros fcilmente soldables son aquellos que pueden formar sin dificultad uniones soldadaslibres de grietas e ntegras en condiciones de taller o campo. La facilidad para soldarse de un acero

depende en esencia de la composicin qumica del mismo y vara con el tipo de acero y el procesode soldado usado.

Los procesos de soldado estructural comnmente usados para unir perfiles laminados en froson el SMAW (soldadura de arco con electrodos recubiertos), el SAW (soldadura de arco conelectrodos sumergidos), el GMAW (soldadura de arco de gas metlico) y el FCAW (soldadura dearco con flujo recubierto). Las especificaciones de los procesos de soldadura antes mencionadosse incluyen el AWS (Sociedad Americana de Soldadura). Las especificaciones para el diseo deconexiones soldadas para perfiles laminados en fro estn incluidas en la Seccin E2 del AISI 1996(ver Captulo 9).

2.3.5 Resistencia a la Fatiga y Tenacidad

La resistencia a la fatiga se define como la capacidad de un material para soportar una grancantidad de ciclos de carga antes de fallar. Cargas cclicas pueden ser inducidas por vibracionesde maquinaria, cargas repetitivas producidas por trfico vehicular, etc. La resistencia a la fatigapuede medirse en curvas S-N (donde S es el valor del esfuerzo y N el nmero de ciclos de carga)obtenidas a partir de pruebas. En general, la relacin de resistencia a la fatiga con respecto a laresistencia a la tensin en aceros vara entre 0.35 a 0.60. Estos valores son aplicables a elementossimples individuales, ya que en arreglos estructurales se ha observado que la resistencia a la fatigade los elementos es gobernada por los detalles o las conexiones.

La resistencia a la fatiga es una consideracin de importancia en elementos laminados en frousados en carroceras, fuselajes de aviones, etc., donde las solicitaciones dinmicas pueden serde naturaleza cclica. Sin embargo, para usos tpicos en edificaciones, las solicitaciones dinmicastales como sismos, vientos e impacto son de muy corta duracin, por lo que las consideraciones defatiga en este tipo de estructuras no son de importancia, salvo en casos excepcionales comopuentes y bases para maquinaria. Por esta razn, AISI 1996 no contempla especificaciones para eldiseo por fatiga de elementos.

La tenacidad es la medida en la que un material puede absorber energa sin fracturarse. Seexpresa normalmente en funcin de la energa que absorben especmenes con muescas enpruebas de impacto sobre las muescas. La cantidad de absorcin de energa se correlaciona con lacantidad de deformacin en las muescas generada por los impactos. Adems, la tenacidad de unelemento liso bajo cargas estticas puede ser medida como el rea bajo la curva esfuerzo-deformacin. En general, no existe correlacin entre las dos medidas de tenacidad.


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2.3.6 La Facilidad de Formado y Durabilidad

La facilidad de formado de un material se refiere a su capacidad para moldearse en una granvariedad de configuraciones geomtricas sin sufrir desgarres o fallas. En el caso de los perfileslaminados en fro el acero requiere de facilidad de formado, de lo contrario las hojas de acero nopodran d

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