tragabjo2-conexione,vigas,columnas y cerchas

Proyectos de Acero: Conexiones – Vigas – Columnas - Cerchas

1

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA

FUERZA ARMADA NACIONAL

NUCLEO PORTUGUESA EXTENSION TUREN

PRESENCIA DEL ACERO EN

CONSTRUCCIONES CON

CONEXIONES, VIGAS,

COLUMNASY CERCHAS

AUTOR(es)

CHAVEZ LUIS

GARCIA MARIANNIS

MENDOZA GENESIS

MUÑOZ YUSLEIDY

6TO SEMESTRE EN ING. CIVIL

Turen, noviembre del 2012


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INDICE

- INTRODUCCION

1. CONEXIONES (Pág. 5)

Remaches en caliente o roblones (Pág.7)

1.1) SOLDADURA (Pág. 8)

Tipos de Soldadura (Pág.9)

Metal de aportación (Pág. 12)

Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Meta Arc Welding )

(Pág. 12)

Soldadura por Arco Sumergido (Submerged Arc Welding) (Pág. 13)

La soldadura por resistencia (Pág. 13)

1.2) CONEXIONES EMPERNADAS (Pág. 14)

Tipos de Pernos (Pág. 15)

Ventajas de los pernos de alta Resistencia (Pág. 16)

Tornillos (Pág. 17)

Tornillos apretados sin holgura y tornillos completamente tensados

(Pág. 18)

Pernos en combinación con soldadura (Pág. 19)

2.- VIGAS (Pág. 21 )

Vigas de acero (Pág. 23)

Los principales usos de las vigas de acero (Pág. 23)

Algunos usos de los perfiles estructurales de acero laminados en

caliente

(Pág. 24)

Clasificación de perfiles laminados por su forma o sección (Pág. 25)

Vigas en edificaciones (Pág. 27)

Tipos de vigas en edificios comerciales (Pág. 31)


3

- Forjado de chapa colaborante con vigas mixtas

- Forjado con vigas asimétricas integradas

- Forjado de chapa colaborante con vigas alveolares mixtas

Puentes: importancia de las vigas transversales (Pág. 37)

3.-COLUMNAS (Pág. 39)

Comportamiento (Pág. 41)

- Carga crítica (Pág. 42)

- Excentricidad (Pág. 44)

Predimensionado de columna (Pág. 45)

Columna de acero (Pág. 45)

Sección de la columna (Pág. 46)

Método para predimensionar la columna de acero

(Pág. 47)

Columna de concreto armado (Pág. 48)

Método para predimensionar columnas de concreto

armado (Pág. 49)

Conexiones viga-columna (Pág. 52)

Clasificación de las conexiones viga-columna (Pág. 52)

Diseño de conexión a momento (Pág. 53)

4) CERCHAS (Pág. 55)

Uso O Aplicación (Pág. 56)

Tipos De Cerchas ( Pág. – 57)

5) RECOMENDACIONES ( Pág. – 59)

- CONCLUSIONES (Pág. – 76)


4

INTRODUCCION

La creciente construcción de edificios, puentes y viviendas de alta y

mediana clase en estructuras metálica en nuestro medio, crea la necesidad

de diseñar y estudiar con mayor profundidad una conexión bien empernada o

por medio de soldaduras de Vigas y Columnas asi como también cerchas

capaces de satisfacer los requerimientos de los distintos Códigos

venezolanos existentes para la construcción.

En este trabajo se estudiaran en primer las características esenciales

de las diversas conexiones o uniones bien sea por soldadura y por pernos

En segundo lugar se estudiaran las especificaciones y características de los

perfiles estructurales o Vigas y su importancia en edificaciones y puentes.

Seguidamente Columnas, Para éstas se indican las características

que la definen así como el comportamiento para definir los aspectos a tomar

en cuenta en el diseño de las columnas de acero y concreto armado. La

columna es un elemento sometido principalmente a compresión, por lo tanto

el diseño está basado en la fuerza interna, conjuntamente debido a las

condiciones propias de las columnas, también se diseñan para flexión de tal

forma que la combinación así generada se denomina flexocompresión.

Y, antes por ultimo Cerchas, sobre la misma se definirá lo que es este

elemento y los diversos tipos según la noma COVENIN Venezolana.

Finalizando asi con una serie de recomendaciones producto de errores que

suceden en base a errores en la manera de trabajar con los temas

mencionados anteriormente, con la finalidad de hacer notar la gravedad de lo

que pudiera pasar si no se toman en cuenta dichas recomendaciones


5

CONEXIONES


6

1.- CONEXIONES

La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como

prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos

que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna

manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera

diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma

significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de

conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión

(rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas,

la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos

automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y

aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos

de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima

en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.).

Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral,

bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra

grandes ventajas.

Las conexiones deben ser capaces de transmitir los elementos

mecánicos calculados en los miembros que liguen, satisfaciendo, al mismo

tiempo, las condiciones de restricción y continuidad supuestas en el análisis

de la estructura. Las conexiones están formadas por las partes afectadas de

los miembros conectados (por ejemplo, almas de vigas), por elementos de

unión (atiesadores, placas, ángulos, ménsulas), y por conectores

(soldaduras, tornillos y remaches). Los elementos componentes se

dimensionan de manera que su resistencia de diseño sea igual o mayor que

la solicitación de diseño correspondiente, determinada:

a) Por medio de un análisis de la estructura bajo cargas de diseño;


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b) Como un porcentaje especificado de la resistencia de diseño de los

miembros conectados.

El uso de juntas empernadas en la construcción de estructuras para

edificios actualmente no es explotado a totalidad en nuestro país, debido al

gran auge de la soldadura en años anteriores, el montaje de estructuras por

medio de tornillos es un proceso que además de ser muy rápido requiere

mano de obra menos especializada que cuando se trabaja con soldadura.

Remaches en caliente o roblones

Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a

mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado,

materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones.

Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se

perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los

empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al

mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a

representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o

remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se

colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por

las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda

cabeza. Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte

presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión

funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún

elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan

significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura

ambiente. (El coeficiente de expansión lineal del acero es 0,0000251 x


8

longitud del elemento x diferencial de temperatura =

contracción/expansión de la pieza).

En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución

del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos

procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una

estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas.

1.1. SOLDADURA

La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural

y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las

caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado.

Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto

al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla

de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no

tiene aplicación en la confección de estructuras.

Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los

elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus

propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras

expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor

resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se

presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr

una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por

reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas

logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras.

Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se


9

relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas

correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento

(condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima,

etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es

concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer

conexiones apernadas en obra.

Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y

sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en

terreno

Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las

siguientes:


10

Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en

el siguiente esquema:

http://www.arquitecturaenacero.org/images/stories/acero/uniones_03.jpg


11

A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o

planchas a soldar:

Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar:

Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo

una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de

fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material

de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a

soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se

emplea también en el corte de planchas.

Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura

por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a

soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce

temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo

se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en

torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan

alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo

revestido o automática con arco sumergido.



12

1.1.2) Metal de aportación

Se usará el electrodo, o la combinación de electrodo y fundente,

adecuados al material base que se esté soldando, teniendo especial cuidado

en aceros con altos contenidos de carbón u otros elementos aleados, y de

acuerdo con la posición en que se deposite la soldadura. Se seguirán las

instrucciones del fabricante respecto a los parámetros que controlan el

proceso de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad y tipo de

corriente. La resistencia del material depositado con el electrodo será

compatible con la del metal base.

o Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc

Welding)

Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un

revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre

su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el

metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.



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o Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding)

Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto

de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de

fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las

partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola.

El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser

automático le confiere mayor calidad a la soldadura.

o La soldadura por resistencia

Se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están

presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las

planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se

emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como

soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos

generando una soldadura de costura.

En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está

dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los

elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener



14

determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo,

esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se

está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se

agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es

permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura

requerido para el nudo.

La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado,

realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede

quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un

desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de

colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante

instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años.

1.2.- CONEXIONES EMPERNADAS

Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una

estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología

ha permitido fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones

logran excelentes resultados.

Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones

soldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un

ambiente controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido,

por ejemplo) o con los operadores en posiciones suficientemente cómodas


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para garantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho

más factible el someter las soldaduras a un exigente control de calidad, que

incluye la certificación mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo

que en terreno frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar.

En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y creciente es a

realizar las uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra

es mucho más fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller.

Aún así, la construcción y materialización de estas uniones apernadas

requiere de un cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de

fabricación, cuya precisión milimétrica debe ser estrictamente respetada en la

maestranza a fin de evitar descalces o problemas en el montaje. Entre las

ventajas de las uniones apernadas se cuenta con que existe una amplia

gama de dimensiones y resistencia, no se necesita una especial

capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje y simplifica los

procesos de reciclado de los elementos.

1.2.1) Tipos de pernos

Existen varios tipos de pernos que pueden usarse para la conexión de

miembros de acero:

Pernos ordinarios o comunes

Estos pernos los designa la ASTM como A307 y se fabrican con

aceros al carbono con características similares al acero A36. En el mercado

se pueden encontrar en diámetros desde 5/8 pulg hasta 11/2 pulg en

incrementos de 1/8 pulg. Los pernos A307 se fabrican generalmente con

cabezas y tuercas cuadradas para reducir costos, pero las cabezas

hexagonales se usan a veces por apariencia más atractiva, facilidad de


16

manipulación con la herramienta y requieren menos espacio para girarlas.

Tienen relativamente grandes tolerancias en el vástago, pero su resistencia

de diseño es menor que los pernos de alta resistencia. Se usan

generalmente en estructuras ligeras sujetas a cargas estáticas como:

correas, plataformas y armaduras pequeñas.

Pernos de alta resistencia

Existen dos tipos básicos, el A325 (hecho con acero al carbono

tratado térmicamente) y el A490 de mayor resistencia (hecho con acero

aleado tratado térmicamente), su resistencia a la tensión es de dos o más

veces que los pernos comunes. Los pernos de alta resistencia se usan en

todo tipo de estructuras, desde pequeños edificios hasta rascacielos, puentes

de todo tipo. Estos pernos fueron desarrollados para superar la debilidad de

los remaches, especialmente la insuficiente tensión en el vástago una vez

enfriado; las tensiones resultantes en los remaches no son suficientemente

grandes como para mantenerlos en posición durante la aplicación de cargas

por impacto o vibratorias, a causa de esto, los remaches se aflojan, vibran y

deben ser reemplazados. Los pernos de alta resistencia pueden apretarse

hasta alcanzar esfuerzos muy altos de tensión, de forma que las partes

conectadas quedan fuertemente afianzadas entre la tuerca del perno y su

cabeza, lo que permite que las cargas se transfieran principalmente por

fricción.

1.2.2) Ventajas de los pernos de alta resistencia

Entre las ventajas más importantes de los pernos de alta resistencia

están:


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1. Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar son menores que las

que se necesitan para soldar, resultando un montaje de acero estructural

más rápido.

2. Personal con menor entrenamiento y experiencia es capaz de producir

juntas empernadas de calidad en comparación con la soldadura; la

instalación apropiada de pernos de alta resistencia puede aprenderse en

cuestión de horas.

3. El equipo necesario en campo para realizar la junta es mucho más barato

en comparación al equipo de soldadura.

4. Los riesgos de manejo de gases en obra son nulos.

5. En lugares donde las estructuras se alteren o desmonten, es necesario

desensamblar las juntas, objetivo que las juntas empernadas sobrepasan a

las juntas soldadas.

1.2.3) Tornillos

Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero

livianas, para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel

framing). Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son

comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una

cantidad mayor de tornillos (hay que tener presente que los tornillos deben

ser utilizados preferentemente para unir chapas delgadas). Los tornillos

pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan de perforación

guía y se pueden utilizar para metales más pesados). Entre las ventajas de

estas conexiones hay que destacar que son fáciles de transportar, existe una

gran variedad de medidas, largos, diámetros y resistencia; y finalmente, que

son fáciles de remover, factor importante para el montaje y desmontaje de los

componentes de la estructura.


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o Tornillos apretados sin holgura y tornillos completamente

tensados

Los pernos apretados sin holgura son usados cuando las superficies

están en contacto firme entre sí y deben ser claramente identificados en los

planos de diseño como en los de montaje; para conseguir el apriete es

suficiente el esfuerzo de un operario con llave manual o el conseguido por

unos pocos golpes con una llave de impacto. Cuando se aplican cargas a

tornillos apretados sin holgura puede haber un pequeño deslizamiento ya

que los agujeros poseen mayor dimensión respecto a los vástagos de los

pernos, de esta manera es posible un asentamiento contra el perno; este

comportamiento no es apropiado en casos de fatiga. Para casos de fatiga es

necesario utilizar pernos completamente tensados, esto no permite que la

conexión se deslice, este tipo de conexiones son llamadas de deslizamiento

crítico. Los pernos completamente tensados conllevan un proceso muy caro,

así como su inspección, es por esto que solo deben usarse cuando sean

necesarios, es decir cuando las cargas de trabajo ocasionen un gran cambio

de esfuerzos con la posibilidad de problemas de fatiga. Los tornillos

apretados sin holgura tienen ventajas sobre los completamente tensados ya

que un obrero puede apretar apropiadamente los pernos a una condición sin

holgura con una llave de mango o con solo unos cuántos golpes con una

llave de impacto, la inspección es sólo visual, puede reemplazarse las

herramientas manuales por eléctricas, eliminando la necesidad de aire

comprimido en la obra.

La tabla 2.9 presenta las tensiones necesarias para pernos en juntas

tipo fricción y en juntas sujetas a tensión directa; para estar completamente

tensados los pernos A325 o A490 deben apretarse por lo menos al 70% de la

resistencia a la tensión mínima especificada.


19

Tabla 2.9 Tensión (en Klb) requerida en los tornillos para conexiones tipo

fricción y para las sujetas a tensión directa

Tensión (Klb)

Tamaño de

perno (pulg)

Perno A325

Perno A490

½ 12 15

5/8 19 24

¾ 28 35

7/8 39 49

1 51 64

1 1/8 56 80

1 ¼ 71 102

1 3/8 85 121

1 ½ 103 148

1.3) Pernos en combinación con soldadura

Cuando en una obra nueva se especifique el uso de remaches o

tornillos, ordinarios o de alta resistencia, diseñados para transmitir las cargas

por aplastamiento, en combinación con soldadura, ésta se dimensionará para

resistir las fuerzas completas a que estén sujetos los miembros conectados

(Antes de que la resistencia última de la conexión se alcance, los pernos se

deslizarán y la soldadura tendrá que tomar una proporción mayor de la

carga; la proporción exacta es difícil de determinar). Si los tornillos de alta

resistencia se diseñan para juntas tipo fricción, se puede permitir que

compartan la carga con la soldadura. Para tales situaciones, el comentario

J1.9 del LRFD establece que es necesario apretar totalmente los tornillos

antes de hacer las soldaduras. Si se hacen primero las soldaduras, el calor

de éstas puede distorsionar la conexión de modo que no se obtenga la

resistencia al deslizamiento crítico deseada en los tornillos. Si éstos se

colocan y se aprietan totalmente antes de hacer las soldaduras, el calor de la

soldadura no cambiará las propiedades mecánicas de los tornillos. Para tal


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caso, puede suponerse que los tornillos de deslizamiento crítico y las

soldaduras comparten la carga. Si estamos haciendo alteraciones en una

estructura existente que está conectada con tornillos de aplastamiento o

apretados sin holgura o bien con remaches, podemos suponer que cualquier

deslizamiento que vaya a ocurrir, ya ha tenido lugar. Entonces, si estamos

usando soldaduras en la alteración, diseñaremos esas soldaduras

despreciando las fuerzas que se producen por la carga muerta existente.


21

VIGAS


22

2.- VIGAS

Una viga no está pensada solo para soportar presión y peso, sino

también flexión y tensión. Es importante definir que en la teoría de las vigas,

se contempla la resistencia de los materiales. De esta forma, se puede

calcular la resistencia del material con que está hecha la viga, además, de

la tensión, el desplazamiento y la fuerza que puede soportar.

Las vigas, eran construidas de maderas, dado que puede soportar

tracciones y mucha fuerza, sin sufrir alteraciones. Pero dado los avances

tecnológicos, las vigas se comenzaron a construir de hierro y acero, ya que

poseen una mayor resistencia con un peso mucho menos; y resiste, tanto

tracciones como compresiones.

Las vigas, se clasifican, según el punto de contacto entre los postes y

la viga: las vigas simples, apoyada en un poste en cada extremo; las vigas

voladizas, apoyada solamente en un extremo; las vigas sobresalientes, que

se extienden más allá de los soportes; y las vigas continuas, apoyada en

más de un poste.

Una viga convencional, consiste en una estructura horizontal, que

sostiene carga entre dos apoyos, sin generar empuje lateral entre estos.

Pero nuevos diseños arquitectónicos, han dado origen a un tipo de viga

llamada viga IP, que se fabrican a partir de perfiles en forma de H, y se

sueldan re conformando una pieza en forma de T. Son muy utilizadas en los

túneles mineros.


23

2.1.- Vigas de acero

Constituyen un elemento primordial en la construcción, más allá del

material con que estén construidas. Esto dependerá del tipo de obra que se

esté desarrollando, lo que también condicionará las medidas de la viga.

Las vigas están hechas para contener y sostener pesos, presiones y

también flexión y tensión. La característica predominante estará sujeta a la

finalidad que tenga la viga. De cualquier manera, es posible hacer un cálculo

teniendo en cuenta el material con que está confeccionada, para saber qué

es lo que puede soportar.

Históricamente se han utilizado vigas de distintos materiales y para

infinidad de construcciones. En principio eran de madera. Luego, con la

evolución de la tecnología y los avances de la industria se comenzaron a

fabricar con hierro y, poco más tarde, con acero.

El acero tiene la característica de ser isotrópico y las vigas de

acero son más resistentes que las de madera o de hormigón. Además, están

preparadas para la tracción y la compresión y son más livianas.

En el siglo XIX se utilizaba el hormigón para fabricar vigas y,

prácticamente al mismo tiempo, comenzó a utilizarse el hierro como material,

aunque en esa misma época también se empezó a usar el acero.

2.1.1.- Los principales usos de las vigas de acero

Uno de los usos más importantes que han tenido las vigas de acero es

como parte de la construcción de puentes. Estas piezas se fabrican de

acuerdo a la estructura del puente que se desea instalar.

Los primeros puentes que se construyeron se hicieron con vigas de

madera. Uno de los más conocidos es el construido por el soberano de

Persia, Jerjes, en el año 418 AC, con vigas de ramas y troncos.

http://vigasdeacero.es/

http://vigasdeacero.es/


24

Recién en 1840 se construyó el primer puente con vigas de hierro.

Luego, en general, se utilizaron vigas de acero. Ese es el caso de los más

emblemáticos y gigantes que supo concebir la humanidad, como el de

Brooklyn en Nueva York o el Golden Gate, ubicado en la ciudad también

norteamericana de San Francisco.

El mayor avance que se alcanzó en esta materia es la viga reticulada

electrosoldada de acero. Ésta se conforma por un alambre superior a todo el

largo de la viga y un par de alambres de acero inferiores de consistencia

nervurada, que se hallan unidos por dos estribos de acero en manera de

zigzag, soldados a ambos lados de la viga.

ALGUNOS USOS DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES DE ACERO

LAMINADOS EN CALIENTE

INDUSTRIA CONSTRUCCION CIVIL

- Cobertizos, galpones y silos

- Soporte de máquinas y equipos

- Industria naval y plataformas

marinas

- Instalaciones industriales, racks

- Balanzas, tecles y puentes grúa

- Máquinas y equipos agrícolas

- Bastidores, chasis de vehículos y

carros

- Edificios comerciales y

residenciales

- Hoteles y hospitales

- Universidades y colegios

- Centros comerciales

- Estadios y gimnasios

- Puentes, viaductos y pasarelas

- Cimientos, contenciones y

entibaciones

http://vigasdeacero.es/estructuras-acero.php


25

CLASIFICACION DE PERFILES LAMINADOS POR SU FORMA O

SECCION

ANGULAR DE

LADOS IGUALES

PERFIL U DE

ALAS

INCLINADAS

PERFIL U DE

ALAS

PARALELAS

PERFIL IDE ALAS

INCLINADAS

P

E

R

F

I

L

E

S

E

U

R

O

P

E

R

O

I

N

G

L

E

S


26

A

M

E

R

I

C

A

N

O

PERFIL I DE ALAS

PARALELAS

PERFIL H DE ALAS ANCHAS

Y CARAS PARALELAS

PERFIL H DE ALAS

ANCHAS Y CARAS

PARALELAS

P

E

R

F

I

L

E

S

E

U

R

O

P

E

O


27

Vigas en Edificaciones

En las edificaciones en acero o mixtas acero-concreto, el ingeniero

estructural puede optar por solucionar los sistemas de piso y techo

mediante vigas mixtas, ya sea usadas como los nervios en las conocidas

losas de tabelones (Foto 1a), mediante vigas de alma abierta que soportan

una losa de concreto vaciada sobre una lámina de acero que ade-más de

servir de encofrado, puede contribuir como acero de refuerzo de la losa

de concreto (SIDETURjoist; Foto 1b) o mediante perfiles doble te (Foto 1c).

Las vigas mixtas son miembros en flexión formados por una viga de

acero con una losa de concreto. En ellas, el momento positivo es resistido

por la losa de concreto que funciona como cordón superior comprimido y la

I

N

G

L

E

S

A

M

E

R

I

C

A

N

O


28

parte inferior de la viga de acero se desempeña como cordón inferior

traccionado.

Para luces cortas de hasta 4 m, la solución convencional es con la

losa de tabelones, pero cuando el proyecto de la edificación requiere cubrir

luces superiores, la solución mixta más económica es el uso de las vigas de

alma abierta (SIDETURjoist) o bien con los perfiles doble te.

Precisamente uno de los atributos de los IPN Sidetur es su

pequeño tamaño. La presentación en alturas de 80 a 140 mm lo hace un

producto muy conveniente para luces cortas donde imperan severas

limitaciones arquitectónicas o de uso. En las fotos 2a y 2b se puede apreciar

el uso de los IPN como vigas mixtas en obras don-de se saca ventaja de su

pequeño tamaño a la vez que de su mayor momento de inercia y peso


29

para reducir las flechas y la frecuencia de vibración por actividades

humanas.

Otra de las ventajas del uso de los perfiles IPN en la construcción

mixta en acero en edificaciones de uso público masivo, como mercados o

estacionamientos de centros comerciales, radica en la facilidad que permite

para el mantenimiento de las instalaciones tanto eléctricas, sanitarias

como de protección contra incendios, tal como se muestra en las fotos 3a y

3b


30

En la Tabla 1 se dan las propiedades de los perfiles IPN como vigas

mixtas, considerando una losa de concreto de 10 cm de espesor total

vaciada sobre el sofito metálico. La resistencia mínima del concreto

será de Fc = 210 kgf/cm2 . Los conectores de corte UPL 80

adecuadamente soldados sobre el sofito metálico, deben cubrir al menos 2/3

de la anchura del ala. Bajo estas condiciones se satisfacen los

requisitos de rigidez sismorresistentes exigidos por la Sección

8.3.3 de la Norma COVENIN 1756:2001 Edificaciones Sismorre-

sistentes


31

Tipos de vigas en edificios comerciales

- Forjado de chapa colaborante con vigas mixtas

Descripción

La construcción mixta consiste en vigas de acero de perfil en I o en H,

con conectadores soldados al ala superior de la viga para permitir que ésta

actúe conjuntamente con la losa mixta (chapa colaborante y hormigón

armado “in situ”), como puede observarse en la Figura 3.1. La losa mixta y la

viga de acero actúan unidas para incrementar la resistencia a flexión y la

rigidez del forjado.

Las losas mixtas se apoyan en las vigas secundarias, las cuales a su

vez, son soportadas por las vigas principales. Las vigas principales y

secundarias son diseñadas como vigas mixtas. Las vigas de borde pueden

diseñarse como no mixtas, aunque los conectadores se utilicen por

razones de integridad estructural y para transferir las cargas de viento.


32

La losa de forjado comprende la chapa colaborante de poco canto,

con el hormigón armado y una capa de compresión, las cuales actúan

conjuntamente en acción mixta. En la capa de compresión se coloca una

mallazo para reforzar la resistencia al fuego de la losa, distribuir la carga

localizada, actuar como armadura transversal alrededor del conectador y

reducir la fisuración del hormigón. El forjado normalmente se diseña sin

empleo de apuntalamiento y soporta el peso del hormigón fresco y la carga

de construcción actuando como un elemento continuo sobre, al menos, dos

luces. La losa mixta se diseña generalmente como simplemente apoyada

entre las vigas.

Rango de luces típicas en Vigas secundarias:

- 6 - 15 m. de luz y de 2,5 - 4 m. de modulación Vigas principales: Entre 6 y

12 m.

Principales consideraciones de diseño para la implantación del forjado

Las vigas secundarias deben de colocarse a fin de evitar el apuntalamiento

del forjado durante la construcción. Por lo general, se prefieren grandes

luces para las vigas secundarias.

En las vigas de poco canto, los servicios son instalados bajo las vigas, y por

consiguiente, afectan a todo el forjado. Para vigas de mayor canto, se

pueden realizar aberturas en el alma de la viga para la integración de los

servicios. Las vigas de borde pueden requerir mayor canto que las vigas

internas debido a los límites de flechas por el peso del cerramiento, en

particular, por el acristalamiento.

Ventajas: Las vigas son más ligeras y tienen menos canto que en la

construcción no-mixta, como consecuencia son más económicas.


33

Amplia disponibilidad de perfiles de acero laminados en caliente.

Protección ante incendio

Vigas: Pintura intumescente con 1,5 mm. de espesor para 90 minutos de

resistencia al fuego (R90), o placas de 15 a 25 mm. de espesor para 90

minutos de resistencia al fuego (R90).

Pilares: Placas de 15 mm. de espesor para resistencia al fuego de 60

minutos (R60) y 25 mm. de espesor para R90.

Uniones articuladas: casquillos de doble angular atornillados al alma,

chapas de borde de canto total o chapas atornilladas al alma para uniones a

vigas principales y secundarias.

- Forjado con vigas asimétricas integradas


34

Descripción

Las vigas de forjado integradas proporcionan sistemas de forjado de poco

canto que constan de vigas asimétricas en la que apoyan las prelosas de

hormigón, tales como las alveolares. El sistema IFB está construido cortando

un perfil IPE o HE en dos secciones en forma de T y soldándolos a una

platabanda perpendicular al alma. En el sistema SBF, la platabanda se

suelda debajo del ala inferior de un perfil IPE o HE, véase Figura 3.4. Esta

placa se prolonga al menos 100 mm. a cada lado del ala de la viga para

servir de apoyo de las unidades de hormigón prefabricado.

Se recomienda una capa de comprensión estructural de hormigón para

unir las placas prefabricadas a fin de que actúen como un diafragma. Si no

se prevé apuntala-miento, la armadura debe ser colocada a través del alma

de la viga para unir el forjado a ambos lados, a fin de satisfacer la necesidad

de solidez y acción del diafragma.

Hay dos opciones para el diseño de vigas:

- Secciones no mixtas.

- Secciones mixtas – Si la losa tiene el suficiente canto sobre las vigas para

permitir la altura de los conectadores.

Las disposiciones de las vigas comprende luces comprendidas entre 5 -

7,5 m. con un canto de forjado entre 200 - 350 mm. (véase la Figura 3.5).

Para las vigas de forjado integrado, la luz de la losa es generalmente más

larga que la luz de la viga.

Los perfiles de las vigas pueden tener entre 200 y 350 mm. de canto y

sobre sus alas se construye la capa de compresión del forjado (el ala

superior también puede a la misma cota que el acabado de la losa.)


35

Las vigas de borde pueden ser perfiles IFB/SBF con geometría

modificada o bien perfiles alveolares rectangulares o vigas de sección

rectangular (RHS), con una platabanda inferior soldada actuando como ala.

Las vigas de borde son a menudo concebidas como no mixtas y los

conectadores a cortante son empleados sólo para garantizar la acción

diafragma del forjado. Como alternativa a las placas alveolares prefabricadas

se puede emplear la chapa colaborante de gran canto en el forjado.

Rango de luces típicas en vigas

Entre 5 m. y 7,5 m. aunque se puede lograr una luz más grande

utilizando vigas de gran canto y losas prefabricadas de hormigón. Las

diferentes disposiciones de aplicación son las presentadas anteriormente.

Ventajas:

- Normalmente las vigas no requieren protección contra el fuego mayor de

60 minutos de resistencia al fuego.

- La zona del forjado de canto reducido obtenida proporciona a su vez una

reducción en la altura total del edificio y del coste de la envolvente.

- El forjado permite una instalación de servicios sencilla y ofrece flexibilidad

en las particiones interiores. La cara inferior puede quedar vista.

- Las vigas de forjado integradas pueden ser empleadas como un sistema

seco de construcción, con un alto nivel de prefabricado y rapidez de

montaje.

Protección ante incendio

El revestimiento de hormigón alrededor de la viga normalmente es

suficiente para proporcionar 60 minutos de resistencia al fuego. Para 90

minutos de resistencia al fuego, se puede escoger una pintura intumescente

o placa de protección para el ala inferior. Es necesario, a fin de satisfacer los


36

requisitos de la integridad estructural hacia el fuego, seleccionar con

precaución la armadura transversal en las placas alveolares y en el relleno

de hormigón que recubre a la viga.

Forjado de chapa colaborante con vigas alveolares mixtas

- Descripción

Las vigas alveolares son vigas con aberturas circulares distribuidas

regularmente a lo largo de la longitud del alma. Las vigas son armadas a

partir de 3 platabandas, o cortando y soldando secciones en forma de T

obtenidas de perfiles de acero laminados en caliente. Las aberturas, o

alvéolos, son generalmente circulares pero pueden ser alargadas,

rectangulares o hexagonales. Las zonas con altas solicitaciones de cortante

pueden ser fácilmente rellenadas o rígidizadas. Las vigas alveolares pueden

ser colocadas para salvar luces mediante vigas secundarias que soportan la

losa de forjado directamente, o para salvar grandes luces a modo de vigas

principales, soportando otras vigas alveolares o perfiles I de vigas

secundarias.

- Rango de luces típicas en vigas:

10 - 18 m. para vigas alveolares secundarias. 9 - 12 m. para vigas alveolares

principales.

- Ventajas Largas luces con uso eficiente del acero.

Vigas relativamente ligeras, comparadas con otros sistemas de grandes

luces. Los servicios pueden integrarse en las vigas del forjado, reduciéndose

la altura total del edificio. La contra flecha puede ser introducida durante la

fabricación para reducir flechas apreciables

- Protección ante incendio


37

Pintura intumescente con espesores de 1,5 a 2 mm. Puede aplicarse en

la obra pero la aplicación en taller también pueden ser económica. Puede

requerirse una protección adicional ante el fuego ya que el factor de forma

del perfil alveolar es mayor que el perfil laminado de acero equivalente

IMPORTANCIA DE LAS VIGAS TRANSVERSALES EN PUENTES

Una buena parte de los puentes que sufren daño en diversos países

del mundo, durante los sismos, son debido a que no tienen vigas

transversales, que les permita soportar en forma adecuada la fuerza sísmica

transversal al puente y sobre todo que le permita mantener la geometría del

tablero, con una rigidización apropiada.

Es conveniente en cualquier estructura tener rigideces parecidas en

sentido longitudinal y en sentido transversal. Cuando solo se colocan vigas

en un solo sentido, se hace muy rígido en esa dirección pero muy débil en

sentido transversal y la falla se va a dar en el sentido débil. En los puentes

pasa igual si solo se tienen vigas en un solo sentido va a fallar en el sentido

contrario sobre todo cuando el puente tiene cierta curvatura.

En la figura 1 se ilustra el caso que está en estudio, presentando la sección

transversal de varias vigas longitudinales que llegan a un apoyo. El caso de

la derecha es más crítico ya que las vigas en su parte inferior no tienen la

traba sísmica que de alguna manera ayuda a resistir las cargas sísmicas


38

laterales. Se notan las vigas sobre los apoyos de Neopreno y en la parte

superior se tiene el tablero del puente.

LA CONSTRUCCIÓN DE VIGAS TRANSVERSALES HACE QUE LA

ESTRUCTURA SEA MÁS SÓLIDA EN LAS TRES DIMENSIONES.


39

COLUMNAS


40

3.- COLUMNAS

La columna es el elemento estructural vertical empleado para sostener

la carga de la edificación. Es utilizado ampliamente en arquitectura por la

libertad que proporciona para distribuir espacios al tiempo que cumple con la

función de soportar el peso de la construcción; es un elemento fundamental

en el esquema de una estructura y la adecuada selección de su tamaño,

forma, espaciamiento y composición influyen de manera directa en su

capacidad de carga.

Para la columna se indica las características que la definen así como

el comportamiento para definir los aspectos a tomar en cuenta en el diseño

de las columnas de acero y concreto armado. La columna es un elemento

sometido principalmente a compresión, por lo tanto el diseño está basado en

la fuerza interna, conjuntamente debido a las condiciones propias de las

columnas, también se diseñan para flexión de tal forma que la combinación

así generada se denomina flexocompresión.

Según el uso actual de la columna como elemento de un pórtico, no

necesariamente es un elemento recto vertical, sino es el elemento donde la

compresión es el principal factor que determina el comportamiento del

elemento. Es por ello que el predimensionado de columnas consiste en

determinar las dimensiones que sean capaces de resistir la compresión que

se aplica sobre el elemento así como una flexión que aparece en el diseño

debido a diversos factores1. Cabe destacar que la resistencia de la columna

disminuye debido a efectos de geometría, lo cuales influyen en el tipo de

falla.

El efecto geométrico de la columna se denominan esbeltez2 y es un

factor importante, ya que la forma de fallar depende de la esbeltez, para la


41

columna poco esbelta la falla es por aplastamiento y este tipo se denomina

columna corta, los elemento más esbeltos se denominan columna larga y la

falla es por pandeo. La columna intermedia es donde la falla es por una

combinación de aplastamiento y pandeo. Además, los momentos flectores

que forman parte del diseño de columna disminuyen la resistencia del

elemento tipo columna (Galambos, Lin y Johnston, 1999; Singer y Pytel,

1982).

3.1) Comportamiento

Dentro de los requisitos fundamentales de una estructura o elemento

estructural están: equilibrio, resistencia, funcionalidad y estabilidad. En una

columna se puede llegar a una condición inestable antes de alcanzar la

deformación máxima permitida o el esfuerzo máximo. El fenómeno de

inestabilidad se refiere al pandeo lateral, el cual es una deflexión que ocurre

en la columna (véase Figura 3); cuando aparece incrementa el momento

flector aplicado sobre el elemento, el aumento de la deflexión agranda la

magnitud del momento flector, creciendo así la curvatura de la columna hasta

la falla; este caso se considera inestable. Por ello la resistencia de la

columna sometida a compresión tiene dos límites, el de resistencia para

columnas cortas y el de estabilidad para columnas largas (véase Figura 1).

La estabilidad es así el nuevo parámetro que define además de la resistencia

y la rigidez, las dimensiones de la columna (Beer y Johnston 1993; Popov,

1996; Timoshenko y Young, 2000).


42

3.1.1) Carga crítica

La deformación de la columna varia según ciertas magnitudes de

cargas, para valores de P bajos se acorta la columna, al aumentar la

magnitud cesa el acortamiento y aparece la deflexión lateral. Existe una

carga límite que separa estos dos tipos de configuraciones y se conoce como

carga crítica Pcr (véase Figura 2).


43

Supongamos un elemento recto vertical sometido una carga H, esta

carga produce una deflexión (véase Figura 3a). Si se aplica una fuerza

vertical P que va aumentado y se disminuye el valor de H, de tal forma que la

deflexión sea la misma al caso de la Figura 3a (véase Figura 3b), el valor de

Pcr es la carga necesaria para mantener la columna deformada sin empuje

lateral H. Para valores mayores a la carga crítica aumentan la deflexión

hasta que falla por pandeo, limitando la capacidad de la columna.

Los factores que influyen en la magnitud de la carga crítica son la

longitud de la columna, las condiciones de los extremos y la sección

transversal de la columna. Estos factores se conjugan en la relación de

esbeltez o coeficiente de esbeltez (véase Ecuación 1), el cual es el

parámetro que mide la resistencia de la columna. De esta forma para

aumentar la resistencia de la columna se debe buscar la sección que tenga

el radio de giro más grande posible, o una longitud que sea menor, ya que de

ambas formas se reduce la esbeltez y aumenta el esfuerzo crítico (Beer y

Johnston 1993; Galambos, Lin y Johnston, 1999; Popov, 1996; Singer y

Pytel, 1982; Timoshenko y Young, 2000)


44

3.1.2) Excentricidad

Cuando la carga no se aplica directamente en el centroide de la

columna, se dice que la carga es excéntrica y genera un momento adicional

que disminuye la resistencia del elemento, de igual forma, al aparecer un

momento en los extremos de la columna debido a varios factores, hace que

la carga no actúe en el centroide de la columna (véase Figura 4). Esta

relación del momento respecto a la carga axial se puede expresar en

unidades de distancia según la propiedad del momento3, la distancia se

denomina excentricidad. Cuando la excentricidad es pequeña la flexión es

despreciable y cuando la excentricidad es grande aumenta los efectos de

flexión sobre la columna (Singer y Pytel, 1982)


45

3.3) PREDIMENSIONADO DE COLUMNA

3.3.1) Columna de acero

El diseño de las columnas de acero se basa en la desigualdad de la

ecuación del diseño por estados límites y se presenta en la forma indicada

en la Ecuación 6. La esencia de la ecuación es que la suma de los efectos de

las cargas divididas entre la resistencia minorada debe ser menor o igual a la

unidad (Segui, 2000).


46

- Sección de la columna

La resistencia correspondiente a cualquier modo de pandeo no puede

desarrollarse si los elementos de la sección transversal son tan delgados que

se presenta un pandeo local. Por lo tanto existe una clasificación de las

secciones transversales según los valores límite de las razones ancho-

espesor y se clasifican como compactas, no compactas o esbeltas.

En general, dentro de los límites de los márgenes disponibles y

teniendo en cuenta las limitaciones por espesor, el diseñador usa una

sección con el radio de giro más grande posible, reduciendo así la relación

de esbeltez e incrementando el esfuerzo crítico. (Galambos, Lin, y Johnston,

1999; Segui, 2000)


47

- Método para predimensionar la columna de acero

Para perfiles que no se encuentren en las tablas de cargas para

columnas debe usarse un procedimiento de tanteos. El procedimiento

general es suponer un perfil y luego calcular su resistencia de diseño. Si la

resistencia es muy pequeña (insegura) o demasiado grande (antieconómica),

deberá hacerse otro tanteo. Un enfoque sistemático para hacer la selección

de tanteo es como sigue:

− Seleccione un perfil de tanteo.

− Calcule Fcr y øcPn para el perfil de tanteo.

− Revíselo con la fórmula de interacción (véase Ecuación 4), si la resistencia

de diseño es muy cercana al valor requerido puede ensayarse el siguiente

tamaño tabulado. De otra manera, repita todo el procedimiento. (Segui, 2000)


48

- Columna de concreto armado

Las columnas de concreto armado pueden ser de tres tipos que son:

− Elemento reforzados con barras longitudinales y zunchos (véase Figura

6.a),

− Elementos reforzados con barras longitudinales y estribos (véase Figura

6.b),

− Elementos reforzados con tubos de acero estructural, con o sin barras

longitudinales, además de diferentes tipos de refuerzo transversal (véase

Figura 6.c). Para las columnas de concreto armado, la cuantía de acero4

oscila entre 1 y 8% con un mínimo de 4 barras longitudinales (Nilson y

Winter, 1994)


49

Método para predimensionar columnas de concreto armado

Existen dos tipos de métodos para predimensionar las columnas de

concreto armado, el primero es una aproximación, ya que se basa en la

carga axial únicamente, debido a que esta carga es fácil de obtener por

métodos aproximados para cálculos preliminares de pórticos. El segundo

método es más preciso y está basado en la carga axial y el momento flector

conocido, valores que son los necesarios para diseñar una columna.

- Conocido Pu

Existen una gran variedad de fórmulas para predimensionar columnas

con Pu conocido, solo se presenta dos tipos.

- Método sugerido por Nilson y Winter

Las dimensiones de las columnas se controlan principalmente por

cargas axiales, aunque la presencia de momento incrementa el área

necesaria. Para columnas interiores, donde el incremento de momento no es


50

apreciable un aumento del 10% puede ser suficiente, mientras que para

columnas exteriores un incremento del 50% del área sería apropiado (Nilson

y Winter, 1994).

- Método sugerido por Arnal y Epelboim

El área de concreto armado puede estimarse por la fórmula (Arnal, y

Epelboim, 1985)


51

- Conocido Pu y Mu

Este método está basado en el empleo de ábacos basados en diagramas

de interacción de resistencia que definen la combinación de carga axial y

momento flector de falla para una columna determinada, con un intervalo

completo de excentricidades desde cero hasta infinito (véase Figura 7). Los

pasos para obtener las dimensiones son:


52

3.4) CONEXIONES VIGA-COLUMNA 3.4.1) Clasificación de las conexiones viga-columna

Las conexiones viga-columna se clasifican de acuerdo al ángulo de rotación

que presentan frente a un determinado momento; la figura 2.9 muestra el

comportamiento de los diferentes tipos de juntas

Figura 2.9 Diagrama Momento vs. Rotación

3.4.1.1) Totalmente restringida o rígidas - FR o tipo I

Este tipo de conexión FR (Fully restrained) de elementos rígidos, asume que

para diseño, tiene la suficiente rigidez para resistir la rotación de la junta y

transfieren el 100% del momento al empotramiento. Generalmente este tipo

de conexiones son utilizadas en la construcción de edificios de gran altitud en

los que la resistencia al viento se desarrolla proporcionando continuidad

entre los miembros de la estructura del edificio.


53

3.4.1.2) Cortantante simple – PR o tipo II

Este tipo de conexión PR (Partially restrained) de elementos simples, asume

que para diseño la conexión es libre de rotar bajo cargas gravitatorias. Está

conformada de elementos muy flexibles que permiten girar los extremos de la

viga hacia abajo cuando están sometidos a cargas. Poseen la capacidad de

resistir la fuerza cortante producto de las carga, aunque tienen cierta

resistencia al momento, es decir al giro de los extremos, se asume que es

insignificante.

3.4.1.3) Parcialmente restringida – PR o tipo III

Este tipo de conexión PR (Partially restrained) de elementos semirrígidos,

asume que para diseño, tiene una capacidad de momento que depende de la

rotación media entre las conexiones tipo I y tipo II, aunque son aquellas que

tienen una apreciable resistencia a la rotación del extremo, es decir la

posibilidad de reducir el momento.

3.4.2 Diseño de conexión a momento

3.4.2.1 Método de diseño

Los cuatro parámetros primarios para el diseño de conexiones a momento

placa extendida sujeta a cargas cíclicas son:

1. El momento de diseño para la conexión requerido.

2. La fuerza del perno de conexión.

3. La fuerza de la placa de extendida.

4. La fuerza de curvatura de la brida de la columna

3.4.2.2 Bases recomendadas para el diseño

El procedimiento de diseño presentado a continuación se basa en

investigaciones dirigidas por la Universidad de Oklahoma y el Instituto


54

Politécnico de Virginia. Las fuerzas de tenaza en los pernos se descartan ya

que se demostró que el espesor de la placa extendida y del patín de la

columna son suficientes para evitar que se desarrolle éste efecto. Las

condiciones inherentes para el procedimiento de diseño son:

1. Todos los pernos son apretados hasta llegar a la carga de pretensión

según la especificación AISC 2005, por lo que los requerimientos de

conexión de deslizamiento crítico no son necesarios.

2. El procedimiento de diseño es válido únicamente para pernos A325 o

A490.

3. La distancia más corta desde la cara del patín de la viga a la línea de

centros del perno más cercano generalmente resulta en la solución más

económica para la conexión. Se recomienda que la distancia mas corta a

utilizarse debe ser el diámetro del perno mas 12mm para pernos de hasta

25mm y mas 19mm para pernos mayores a 25mm; sin embargo es una

práctica común usar una distancia desde 50mm hasta 62mm.

4. Se asume que todo el cortante en la conexión es soportado por los pernos

del lado de compresión. La conexión de placa extendida no necesita ser

diseñada como deslizamiento crítico; raramente el cortante es una carga

considerable en el diseño.

5. La soldadura del alma de la viga a la placa extendida en el área cercana a

los pernos en tensión debe ser diseñada para desarrollar el esfuerzo de

fluencia del alma. Esta resistencia en la soldadura es recomendada aun

cuando no se alcance el momento máximo del perfil de la viga en el

elemento estructural.

6. La soldadura comprendida entre la mitad de la altura del alama de la viga

y la cara interna del patín de compresión es usada para resistir el cortante de

la viga; ésta hipótesis es basada únicamente en el buen criterio ingenieril y

no existe literatura que soporte o contradiga este criterio.


55

CERCHAS


56

4.- CERCHAS

Las cerchas o armaduras son uno de los elementos estructurales que

forman parte del conjunto de las estructuras de forma activa. Es por ello que

para establecer los aspectos relacionados con las cerchas, a continuación se

indica las propiedades de la cercha como elemento estructural sometido a

tracción y compresión. Además se muestra las propiedades que rige el

diseño de la cercha, así como las unidades adicionales requeridas, asimismo

se indica el procedimiento para estimar las dimensiones de las secciones

transversales de los componentes de la cercha.

Para distinguir las propiedades de la cercha primero se establece la

definición donde se indica las ventajas, comportamiento, relación con el

cable y arco, materiales empleados para la construcción, elementos

necesarios y los principales usos dados a esta unidad estructural.

Posteriormente se señala algunos métodos de resolución de cerchas así

como el diseño y un ejemplo de aplicación.

4.1) Uso O Aplicación

- Permite desarrollar elementos de prefabricación abierta tales como:

Pre-nervios para losas nervados unidireciones Losetas prefabricadas

para losas armadas en dos direcciones (tipo maciza o reticular)

- Elementos prefabricados para usos de contención, pantallas,

estructuras verticales y canalización


57

4.1) Tipos De Cerchas

Cercha estándar

Cercha Especiales

Cercha Estándar

Las cerchas estándar presentan características constantes, exceptuando su

altura, peso y ángulo de la diagonal:

( Covenin: 3231 presentan características constantes, exceptuando su

altura, peso y ángulo de la diagonal)

Diámetro de alambre superior: 7,0 mm (superficie lisa)

Diámetro de alambres diagonales: 4,5 mm (superficie lisa)

Diámetro de alambre inferior: 5,0 mm (superficie con resalte)

Paso de zig-zag: 20 cm

Separación entre alambres inferiores: 6 cm


58

Cerchas Especiales

Son suministradas bajo pedido, satisfaciendo así las necesidades

particulares de cada proyecto y dentro del siguiente rango:

Altura: De 7 a 30 cm con incrementos de 1 cm

Longitud: De 2 a 12 m con incrementos de 10 cm

Paso de zig-zag: 20 cm

Separación entre alambres inferiores: 6 cm


59

5.- RECOMENDACIONES

¿Por qué evitar columnas débiles?

Una columna se considera débil cuando tiene configuración de

“columna corta” (columna parcialmente arriostrada por algún elemento

rígido), o cuando su resistencia es inferior a la resistencia de las vigas que se

apoyan en ella.

En un diseño sismorresistente adecuado, se debe garantizar que las

columnas sean más fuertes que las vigas, y no el caso contrario. De esta

manera, se prefiere que de ocurrir una falla, esta se genere en las vigas y no

en las columnas.

Columnas débiles, conllevan a pisos débiles; falta de paredes o muros

en una planta, conlleva a un piso débil; irregularidades en el terreno sin el

adecuado diseño para cada columna, conlleva también a columnas débiles.

La falla principal de las columnas y pisos débiles, es que se excede la

resistencia por cortante, antes que por flexión. En casos de sismos o

sobrecargas, se originan severos daños en la edificación, generalmente la

inutilización y/o colapso de la misma.


60

.


61

Patologías causadas por daños

Los tipos de falla más importantes que se han registrado en

estructuras de concreto armado, han surgido con la ocurrencia de eventos

sísmicos en distintas localidades del mundo. Para entender el

comportamiento sísmico de las estructuras, es necesario identificar las

características que han conducido a las fallas y a los buenos

comportamientos estructurales, así como también es importante el

análisis de los distintos tipos de daños y de las causas que los han

originado.

Por lo general las fallas presentadas en las edificaciones durante

eventos sísmicos, se originan producto de los defectos en el diseño y

configuración estructural, así como en los errores durante la construcción

de la obra y el empleo de materiales inapropiados para la edificación.

Los principales daños estructurales que ocurren durante un sismo,

pueden deberse a:


62

Vigas y columnas con grandes esfuerzos de cortante y de tensión.

- Las edificaciones deben contar con una capacidad de

deformación suficiente para soportar las fuerzas sísmicas, sin que

esto afecte su resistencia.

- Cuando la edificación presenta una respuesta sísmica dúctil, es

capaz de soportar elevadas deformaciones.

- El acero proporciona ductilidad a la estructura. Se debe colocar el

acero transversal (estribos) necesario y estrechamente separado,

ya que los estribos sirven para mantener confinado al concreto, y

cuando éstos son insuficientes el concreto se desconcha, se

astilla, y el acero longitudinal se pandea, ocasionando la inestabilidad

de la estructura.


63

- Este tipo de fallas ocurren por la gran concentración de esfuerzos

originados por las distintas cargas y fuerzas que induce el sismo.

- Las fuerzas cortantes impuestas por los sismos, originan fallas por

tensión diagonal.

- La manifestación típica es la formación de grietas inclinadas, en

ángulos de aproximadamente 45°.

- Cuando no hay suficiente acero transversal, o éste se encuentra

muy separado, el concreto no tiene el confinamiento necesario y hay

muy poca resistencia a la tensión diagonal.


64

- Las vigas también pueden fallar por tensión diagonal provocada

por las fuerzas sísmicas.


65

Falla causada por entrepisos que no poseen adecuada resistencia al corte.

- El colapso de los edificios se debe generalmente a la poca resistencia

que tienen las columnas para resistir cargas laterales.

- Las columnas deben tener un área transversal suficiente que les

permitan resistir las fuerzas cortantes inducidas por los sismos.


66

Conexiones viga-columna con falla de adherencia.

- En las conexiones entre los distintos elementos estructurales, se

originan condiciones complejas y elevadas concentraciones de

esfuerzos, que conducen a numerosos casos de falla.

- Las conexiones pueden fallar por la escasez de anclajes de

refuerzo entre las columnas y las vigas


67


68

Variaciones bruscas de rigidez a lo largo de la altura de la edificación.

- Con frecuencia se construyen las plantas bajas de los edificios con el

mayor espacio posible para permitir el paso o estacionamiento de

vehículos, sin colocar paredes; mientras que en los pisos superiores

las paredes proporcionan confinamiento y aportan mayor rigidez.


69

- Esto hace que la planta baja posea una rigidez mucho menor a la

de los pisos superiores; lo que conduce a grandes desplazamientos y

concentración de daños en las columnas de ese nivel.

- A esta situación se le conoce como “planta baja débil”, “planta baja libre”

o “planta baja blanda”.

- En caso de un evento sísmico, las edificaciones con planta baja

débil, tienden a presentar severos daños, que incluso se manifiestan con

el colapso de la estructura.


70

- Deben evitarse discontinuidades en la rigidez, resistencia y ductilidad.

- Debe evitarse la presencia de masas innecesarias.

- Se recomienda continuar las paredes hasta la planta baja.


71

- Una manera de ayudar a contrarrestar el problema de plantas débiles, es

colocando elementos de acero en forma de cruz, que aportan cierta

ductilidad y resistencia lateral (Se les llama “Cruz de San Andrés”)


72

Grandes esfuerzos causados por presencia de columnas cortas.

- Las columnas cortas se originan cuando algún elemento,

comúnmente las paredes, se encuentran adosadas a las columnas,

restringiéndolas hasta donde llega la altura de las paredes.

- Se provocan concentraciones de fuerza cortante en los extremos

libres de las columnas, que tienden a fallar frágilmente por cortante.


73

- Las columnas que se encuentran restringidas, adquieren mucha más

rigidez en comparación con las demás columnas que no están

confinadas ni restringidas en ninguno de sus lados. Por lo tanto, se

generan elevados esfuerzos de corte en la columna corta,

ocasionando consecuencias desastrosas.

- Ante la insuficiente ductilidad de la columna corta, la falla se

genera por tensión diagonal producida por elevados esfuerzos cortantes.

- La columna corta es más frágil que las demás columnas no

restringidas parcialmente, debido a que su longitud deformable es más

limitada


74

Falla típica de columna corta.

- Es por lo tanto recomendable no adosar directamente las

paredes a las columnas, sino dejar un espacio libre entre ellas,

o colocando algún tipo de junta que le permita a la columna

deformarse libremente, permitiéndole trabajar dúctilmente en el

momento de algún movimiento sísmico. (Deben fijarse muy bien las

paredes a la viga superior, inferior o a ambas)


75

- En caso de colocar paredes adosadas a las columnas, debe hacerse a

lo largo de toda su longitud


76

CONCLUSION

Para proyectos donde la velocidad en la construcción y el mínimo

almacenamiento de materiales es vital, la construcción en acero es el mejor

diseño práctico ya que es una síntesis de temas arquitectónicos,

estructurales, de servicio, constructivos y logísticos. “Los beneficios

principales de un proyecto construido en acero son una reducción en el

tiempo de ejecución y un retorno más rápido de la inversión para el cliente.”

Además de ofrecer una:

Vida útil

Cuando se analiza cualquier proyecto estructural, se admite que la

estructura principal tiene una vida útil mayor que otros elementos

constructivos. Por ejemplo, los servicios presentan una vida útil de

aproximadamente 15 años frente a los 60 años que presenta la estructura.

Los cerramientos exteriores para el caso de oficinas tienen habitualmente

una vida útil de 30 a 60 años

En las edificaciones en acero o mixtas acero-concreto, se puede optar

por solucionar los sistemas de piso y techo mediante vigas mixtas, ya sea

usadas como los nervios en las conocidas losas de tabelones, mediante

vigas de alma abierta que soportan una losa de concreto vaciada sobre

una lámina de acero que además de servir de encofrado, puede contribuir

como acero de refuerzo de la losa de concreto o mediante perfiles

doble T.

“La construcción con perfiles conformados en frío puede concebirse para

minimizar los efectos de la vibración mediante el empleo de métodos de

análisis. Las vigas de gran luz movilizan mayor masa eficaz reduciendo las

vibraciones.”


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Para ello, la estructura del forjado se compone de vigas y losas de

hormigón. Las vigas están unidas a los pilares, los cuales se sitúan en

lugares óptimos para conseguir un uso eficaz del espacio. El espacio libre

entre pilares se considera un importante requisito en el diseño de edificación,

logrando mayor flexibilidad en uso. Muchos sistemas de vigas de grandes

luces proporcionan hasta 18 m, lo que implica que los pilares internos no son

necesarios en la implantación del edificio. Además de su función de transmitir

las sobrecargas, los forjados suelen actuar como diafragmas horizontales,

asegurándose que las fuerzas horizontales sean transferidas al

arriostramiento vertical o núcleos. Por otro lado, los componentes

constructivos del forjado, losas, chapas y vigas deben diseñarse de acuerdo

con la resistencia al fuego requerida, que debe ser seleccionada teniendo en

cuenta la altura del edificio y el uso del mismo.

Los servicios pueden ser integrados en la estructura o colocados bajo

el forjado. Algunos forjados pueden contar con un suelo técnico para la

distribución de los servicios de electricidad y comunicación. Pueden

presentarse diferentes sistemas de forjado:

Forjado de chapa colaborante con vigas mixtas.

Forjado con vigas asimétricas integradas.

Forjado de chapa colaborante con vigas alveolares mixtas.

Vigas aligeradas mixtas de grandes luces.

Vigas mixtas con placas prefabricadas de hormigón.

Vigas no mixtas con placas prefabricadas de hormigón

Las columnas mixtas de acero y hormigón, especialmente las de perfiles

tubulares de acero rellenos de hormigón, presentan una importante serie

de ventajas en el campo de la arquitectura, estructural y económico, las

cuales son muy valoradas por los diseñadores actuales y por los ingenieros

de la construcción.


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Por otra parte también se concluye que para la construcción de otros

elementos de gran envergadura como puentes son de vital importancia la

realización de estos con vigas trasversales, ya que estas hacen que los

mismos sean más rígidos o estables en las 3 dimensiones

tragabjo2-conexione,vigas,columnas y cerchas

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