1. 1. DISEODEESTRUCTURASDEACEROQUINTA EDICIN JACK C. McCORMAC STEPHEN F. CSERNAK
2. 2. Al cuidado de la edicin: Luz ngeles Lomel Daz lalomeli@alfaomega.com.mx Gerente Editorial: Marcelo Grillo Giannetto mgrillo@alfaomega.com.mx Datos catalogrcos McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. Diseo de Estructuras de Acero. Quinta Edicin Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Mxico ISBN: 978 607 707 559 2 Formato: 17 23 cm Pginas: 736 Diseo de Estructuras de Acero. Jack C. McCormac, Stephen F. Csernak. ISBN: 978- 0-13- 607948-4 edicin original en ingls Structural Steel Design, Fifth Edition, publicada por Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey, USA. Derechos reservados Pearson Education, Inc. Quinta edicin:Alfaomega Grupo Editor, Mxico, Diciembre 2012 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitgoras No. 1139, Col. Del Valle, 03100, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pgina Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx ISBN: 978 607 707 559 2 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicacin en lengua espaola han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproduccin parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. NOTA IMPORTANTE: La informacin contenida en esta obra tiene un n exclusivamente didctico y, por lo tanto, no est previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones tcnicas y programas incluidos han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control.ALFAOMEGA GRUPO EDITOR S.A de C.V. no ser jurdicamente responsable por: errores u omisiones; daos y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la informacin comprendida en este libro, ni por la utilizacin indebida que pudiera drsele. Impreso en Mxico. Printed in Mexico. Empresas del grupo: Mxico: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitgoras 1139, Col. Del Valle, Mxico, D.F. C.P. 03100,Tel.: (52-55) 55 75 50 22 Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. Carrera 15 No. 64 A 29, Bogot, Colombia, Tel.: (57-1) 2100122 Fax: (57-1) 6068648, E-mail: scliente@alfaomega.com.co Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. General del Canto 370, Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 947-9351 Fax: (56-2) 235-5786, E-mail: agechile@alfaomega.cl Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. Paraguay 1307 P.B. Of.11, C.P. 1057, Buenos Aires,Argentina,Tel/Fax.: (54-11) 4811-0887/ 7183, E-mail: ventas@alfaomegaeditor.com.ar
3. 3. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Prefacio Este libro de texto se ha preparado con la esperanza de que los lectores, al igual que muchos ingenieros en el pasado, se interesen en el diseo de las estructuras de acero y tengan la in- tencin de mantener e incrementar su conocimiento de la materia a lo largo de sus carreras en la ingeniera y en las industrias de la construccin. El material se prepar primordialmen- te para un curso introductorio en el primero y segundo aos de la carrera, pero los ltimos captulos se pueden usar para un curso de posgrado. Los autores esperan que el estudiante haya tomado cursos introductorios previos de mecnica de materiales y de anlisis estruc- tural. El principal objetivo de los autores en la preparacin de esta nueva edicin fue actua- lizar el texto conforme a la Specication for Structural Steel Buildings de 2010 (Especica- cin para edicios de acero estructural de 2010) delAmerican Institute of Steel Construction (AISC) y conforme a la 14a. edicin del AISC Steel Construction Manual (Manual de cons- truccin en acero del AISC) que se public en 2011. LO QUE ES NUEVO EN ESTA EDICIN En esta edicin se hicieron varios cambios en el texto del libro: 1. Al nal del Captulo 1 se ha agregado una seccin de Problemas para resolver. 2. Los factores de carga y las combinaciones de carga que se denen en el Captulo 2 del libro de texto y que se usan a lo largo del mismo en los problemas de ejemplo y en los problemas para resolver al nal de los captulos, se han revisado para que concuerden con aquellos dados en el Apartado 7-10 de ASCE y en la Parte 2 del Manual de construccin de acero del AISC. 3. La clasicacin de las secciones en compresin para el pandeo local que se denen en el Captulo 5 del libro de texto se ha revisado conforme a la nueva denicin dada en la Seccin B4.1 de la Especicacin delAISC.Para la compresin,ahora las secciones se clasican como secciones de elemento no esbelto y elemento esbelto. 4. La Especicacin del AISC proporciona varios mtodos para tratar el anlisis de estabilidad y el diseo de las vigas-columnas. En el Captulo 7 del libro de texto, todava se usa el Mtodo de la longitud efectiva (MLE), aun cuando se ha aadido una breve introduccin al Mtodo del anlisis directo (MD). Se presenta un estudio ms detallado del MD en el Captulo 11 del libro. 5. En el Captulo 11 del libro de texto, se presentan tanto el Mtodo del anlisis directo como el Mtodo de la longitud efectiva para el anlisis y el diseo de las vigas-colum- nas. Esto es para solventar el hecho de que la presentacin del Mtodo del anlisis directo se pas de un apndice al Captulo C de la nueva Especicacin el AISC, mientras que el Mtodo de la longitud efectiva se pas del Captulo C al Apndice 7. 6. Se ha revisado la mayora de los Problemas para resolver al nal de los captulos en los Captulos 2 al 11. Para los Captulos 12 al 18 se ha revisado aproximadamente la mitad de los problemas. 7. Se han actualizado diversas fotografas a lo largo del libro de texto.
4. 4. Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega iv Prefacio RECURSOS DEL PROFESOR Manual de soluciones. Aqu se encuentran las soluciones de problemas propues- tos en 18 captulos de la obra. Figuras en formato PowerPoint. Se encuentran las guras de todos los captulos y apndices del texto, para la creacin de diapositivas para clases y conferencias. Este material slo podr ser descargado por los profesores que hayan adoptado el libro como texto para sus cursos y para lo cual debern ponerse en contacto con un repre- sentante de Alfaomega Grupo Editor. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al Dr. Bryant G. Nielson de la Universidad Clemson por su ayuda para plantear los cambios de este manuscrito y a Sara Elise Roberts, quien fue estudiante de posgrado de la Universidad Clemson por su ayuda en la revisin de los problemas al nal de los captulos y sus soluciones. Adems, el American Institute of Steel Construction prest una ayuda muy valiosa al proveer ejemplares inditos de las revisiones de la Especicacin del AISC y del Manual de construccin en acero del AISC. Finalmente, nos gustara agradecer a nuestras familias por su aliento y apoyo en la revisin del manuscrito de este libro de texto. Tambin agradecemos a los revisores y a los lectores de las ediciones anteriores de este libro por sus sugerencias, correcciones y observaciones. Damos la bienvenida a cual- quier comentario acerca de esta edicin. Jack C. McCormac, P. E. Stephen F. Csernak, P. E. El libro contiene los siguientes recursos en la web:
5. 5. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Contenido Prefacio iii CAPTULO 1 Introduccin al diseo estructural en acero 1 1.1 Ventajas del acero como material estructural 1 1.2 Desventajas del acero como material estructural 3 1.3 Primeros usos del hierro y el acero 4 1.4 Perles de acero 7 1.5 Unidades mtricas 12 1.6 Perles de lmina delgada de acero doblados en fro 12 1.7 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural 13 1.8 Aceros estructurales modernos 19 1.9 Uso de los aceros de alta resistencia 22 1.10 Medicin de la tenacidad 24 1.11 Secciones jumbo 26 1.12 Desgarramiento laminar 26 1.13 Suministro de estructuras de acero 27 1.14 El trabajo del diseador estructural 30 1.15 Responsabilidades del ingeniero estructurista 31 1.16 Diseo econmico de miembros de acero 31 1.17 Fallas en estructuras 34 1.18 Manejo y embarque del acero estructural 37 1.19 Exactitud de los clculos 37 1.20 Las computadoras y el diseo del acero estructural 37 1.21 Problemas para resolver 39 CAPTULO 2 Especicaciones, cargas y mtodos de diseo 39 2.1 Especicaciones y cdigos de construccin 39 2.2 Cargas 41 2.3 Cargas muertas 41 2.4 Cargas vivas 42
6. 6. vi Contenido Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 2.5 Cargas ambientales 45 2.6 Diseo con factores de carga y resistencia (LRFD) y diseo por esfuerzos permisibles (ASD) 51 2.7 Resistencia nominal 52 2.8 Sombreado 52 2.9 Clculo de las cargas para los mtodos LRFD y ASD 52 2.10 Clculo de las cargas combinadas con las expresiones de LRFD 53 2.11 Clculo de cargas combinadas con expresiones ASD 57 2.12 Dos mtodos para obtener un nivel aceptable de seguridad 59 2.13 Estudio de la magnitud de los factores de carga y de seguridad 59 2.14 Un comentario del autor 60 2.15 Problemas para resolver 60 CAPTULO 3 Anlisis de miembros a tensin 62 3.1 Introduccin 62 3.2 Resistencia nominal de los miembros a tensin 65 3.3 reas netas 67 3.4 Efecto de agujeros alternados 69 3.5 reas netas efectivas 74 3.6 Elementos de conexin para miembros a tensin 84 3.7 Bloque de cortante 85 3.8 Problemas para resolver 94 CAPTULO 4 Diseo de miembros a tensin 103 4.1 Seleccin de perles 103 4.2 Miembros compuestos sometidos a tensin 111 4.3 Varillas y barras 115 4.4 Miembros conectados por pasadores 120 4.5 Diseo por cargas de fatiga 122 4.6 Problemas para resolver 125 CAPTULO 5 Introduccin a los miembros cargados axialmente a compresin 129 5.1 Consideraciones generales 129 5.2 Esfuerzos residuales 132 5.3 Perles usados para columnas 133 5.4 Desarrollo de las frmulas para columnas 137 5.5 La frmula de Euler 139 5.6 Restricciones en los extremos y longitud efectiva de una columna 141 5.7 Elementos rigidizados y no rigidizados 144 5.8 Columnas largas, cortas e intermedias 145 5.9 Frmulas para columnas 148
7. 7. Contenido vii Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 5.10 Relaciones de esbeltez mximas 150 5.11 Problemas de ejemplo 150 5.12 Problemas para resolver 158 CAPTULO 6 Diseo de miembros cargados axialmente a compresin 163 6.1 Introduccin 163 6.2 Tablas de diseo segn el AISC 166 6.3 Empalmes de columnas 171 6.4 Columnas compuestas 174 6.5 Columnas compuestas con componentes en contacto entre s 175 6.6 Requisitos de conexin en columnas armadas cuyas componentes estn en contacto 176 6.7 Columnas compuestas con componentes sin contacto entre s 182 6.8 Miembros en compresin de un solo ngulo 187 6.9 Secciones que contienen elementos esbeltos 189 6.10 Pandeo exotorsional de miembros a compresin 191 6.11 Problemas para resolver 196 CAPTULO 7 Diseo de miembros cargados axialmente a compresin (continuacin) y placas de base para columnas 200 7.1 Introduccin 200 7.2 Una exposicin ms amplia de las longitudes efectivas 201 7.3 Marcos que cumplen con las hiptesis de los nomogramas 205 7.4 Marcos que no cumplen con las hiptesis de los nomogramas con respecto a los giros de los nudos 208 7.5 Factores de reduccin de la rigidez 211 7.6 Diseo en un plano de columnas apoyadas entre s 215 7.7 Placas base para columnas cargadas concntricamente 218 7.8 Problemas para resolver 232 CAPTULO 8 Introduccin al estudio de vigas 237 8.1 Tipos de vigas 237 8.2 Perles usados como vigas 237 8.3 Esfuerzos de exin 238 8.4 Articulaciones plsticas 239 8.5 Diseo elstico 240 8.6 El mdulo plstico 240 8.7 Teora del anlisis plstico 243 8.8 El mecanismo de falla 244 8.9 El mtodo del trabajo virtual 245
8. 8. viii Contenido Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 8.10 Localizacin de la articulacin plstica para cargas uniformes 249 8.11 Vigas continuas 250 8.12 Marcos de edicios 252 8.13 Problemas para resolver 254 CAPTULO 9 Diseo de vigas por momentos 263 9.1 Introduccin 263 9.2 Comportamiento plstico momento plstico total, zona 1 266 9.3 Diseo de vigas, zona 1 267 9.4 Soporte lateral de vigas 275 9.5 Introduccin al pandeo inelstico, zona 2 277 9.6 Capacidad por momento, zona 2 281 9.7 Pandeo elstico, zona 3 283 9.8 Grcas de diseo 285 9.9 Secciones no compactas 290 9.10 Problemas para resolver 295 CAPTULO 10 Diseo de vigas: temas diversos (cortante, deexin, etctera) 302 10.1 Diseo de vigas continuas 302 10.2 Fuerza y esfuerzo cortante 304 10.3 Deexiones 310 10.4 Almas y patines con cargas concentradas 316 10.5 Flexin asimtrica 324 10.6 Diseo de largueros 327 10.7 El centro de cortante 330 10.8 Placas de asiento para vigas 335 10.9 Arriostramiento lateral de los extremos de miembros soportados sobre placas de asiento 339 10.10 Problemas para resolver 340 CAPTULO 11 Flexin y fuerza axial 346 11.1 Sitio de incidencia 346 11.2 Miembros sujetos a exin y tensin axial 347 11.3 Momentos de primer y segundo orden para miembros sometidos a compresin axial y exin 350 11.4 Mtodo del anlisis directo (DM) 352 11.5 Mtodo de la longitud efectiva (ELM) 353 11.6 Anlisis aproximado de segundo orden 354 11.7 Vigascolumnas en marcos arriostrados 359 11.8 Vigascolumnas en marcos no arriostrados 371 11.9 Diseo de vigascolumnas; arriostradas y sin arriostrar 378 11.10 Problemas para resolver 386
9. 9. Contenido ix Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak CAPTULO 12 Conexiones atornilladas 390 12.1 Introduccin 390 12.2 Tipos de tornillos 390 12.3 Historia de los tornillos de alta resistencia 391 12.4 Ventajas de los tornillos de alta resistencia 392 12.5 Tornillos apretados sin holgura, pretensionados y de friccin 392 12.6 Mtodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia 396 12.7 Conexiones tipo friccin y tipo aplastamiento 398 12.8 Juntas mixtas 399 12.9 Tamaos de los agujeros para tornillos 400 12.10 Transmisin de carga y tipos de juntas 401 12.11 Fallas en juntas atornilladas 404 12.12 Separacin y distancias a bordes de tornillos 405 12.13 Conexiones tipo aplastamiento: cargas que pasan por el centro de gravedad de las conexiones 408 12.14 Conexiones tipo friccin: cargas que pasan por el centro de gravedad de las conexiones 419 12.15 Problemas para resolver 423 CAPTULO 13 Conexiones atornilladas cargadas excntricamente y notas histricas sobre los remaches 430 13.1 Tornillos sujetos a corte excntrico 430 13.2 Tornillos sujetos a corte y tensin (conexiones tipo aplastamiento) 444 13.3 Tornillos sujetos a corte y tensin (conexiones de friccin) 447 13.4 Cargas de tensin en juntas atornilladas 448 13.5 Accin separadora 451 13.6 Notas histricas sobre los remaches 454 13.7 Tipos de remaches 455 13.8 Resistencia de conexiones remachadas: remaches en cortante y aplastamiento 457 13.9 Problemas para resolver 461 CAPTULO 14 Conexiones soldadas 469 14.1 Generalidades 469 14.2 Ventajas de la soldadura 470 14.3 Sociedad Americana de Soldadura 471 14.4 Tipos de soldadura 471 14.5 Soldadura precalicada 475 14.6 Inspeccin de la soldadura 475
10. 10. x Contenido Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 14.7 Clasicacin de las soldaduras 478 14.8 Smbolos para soldadura 480 14.9 Soldaduras de ranura 482 14.10 Soldaduras de lete 484 14.11 Resistencia de las soldaduras 485 14.12 Requisitos del AISC 486 14.13 Diseo de soldaduras de lete simples 491 14.14 Diseo de conexiones para miembros con soldaduras de lete longitudinal y transversal 497 14.15 Algunos comentarios diversos 498 14.16 Diseo de soldaduras de lete para miembros de armaduras 499 14.17 Soldaduras de tapn y de muesca 503 14.18 Cortante y torsin 506 14.19 Cortante y exin 513 14.20 Soldaduras de ranura de penetracin completa y de penetracin parcial 515 14.21 Problemas para resolver 519 CAPTULO 15 Conexiones en edicios 528 15.1 Seleccin del tipo de sujetador 528 15.2 Tipos de conexiones para vigas 529 15.3 Conexiones estndar de vigas atornilladas 536 15.4 Tablas de conexiones estndar del manual AISC 539 15.5 Diseo de conexiones estndar atornilladas a base de ngulos 539 15.6 Diseo de conexiones estndar soldadas 542 15.7 Conexiones a base de una sola placa o de placa de cortante 544 15.8 Conexiones con placa de extremo de cortante 547 15.9 Diseo de conexiones soldadas de asiento para vigas 548 15.10 Diseo de conexiones para viga de asiento atiesado 550 15.11 Diseo de conexiones resistentes a momento totalmente restringido 551 15.12 Atiesadores de almas de columnas 555 15.13 Problemas para resolver 558 CAPTULO 16 Vigas compuestas 562 16.1 Construccin compuesta 562 16.2 Ventajas de la construccin compuesta 563 16.3 Estudio del apuntalamiento 565 16.4 Anchos efectivos de patines 566 16.5 Transmisin de la fuerza cortante 567 16.6 Vigas parcialmente compuestas 570 16.7 Resistencia de los conectores de cortante 570
11. 11. Contenido xi Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 16.8 Nmero, espaciamiento y requerimientos de recubrimiento de los conectores de cortante 571 16.9 Capacidad por momento de las secciones compuestas 573 16.10 Deexiones 578 16.11 Diseo de secciones compuestas 579 16.12 Secciones compuestas continuas 588 16.13 Diseo de secciones ahogadas en concreto 589 16.14 Problemas para resolver 592 CAPTULO 17 Columnas compuestas 596 17.1 Introduccin 596 17.2 Ventajas de las columnas compuestas 597 17.3 Desventajas de las columnas compuestas 599 17.4 Soporte lateral 599 17.5 Especicaciones para columnas compuestas 600 17.6 Resistencias de diseo de columnas compuestas cargadas axialmente 602 17.7 Resistencia al cortante de las columnas compuestas 607 17.8 Tablas de los mtodos LRFD y ASD 608 17.9 Transmisin de la carga a la cimentacin y otras conexiones 609 17.10 Resistencia a la tensin de las columnas compuestas 610 17.11 Carga axial y exin 610 17.12 Problemas para resolver 610 CAPTULO 18 Vigas con cubreplacas y trabes armadas 613 18.1 Vigas con cubreplacas 613 18.2 Trabes armadas 616 18.3 Proporciones de las trabes armadas 618 18.4 Resistencia a la exin 624 18.5 Accin de tensin diagonal 629 18.6 Diseo de atiesadores 634 18.7 Problemas para resolver 640 CAPTULO 19 Diseo de edicios de acero 642 19.1 Introduccin a edicios de poca altura 642 19.2 Tipos de estructuras de acero utilizadas para edicios 642 19.3 Diferentes sistemas de piso 646 19.4 Losas de concreto sobre viguetas de acero de alma abierta 647 19.5 Losas de concreto reforzadas en una y en dos direcciones 650 19.6 Pisos compuestos 651 19.7 Pisos de losa reticular 652 19.8 Pisos con tableros de acero 653 19.9 Losas planas 655
12. 12. xii Contenido Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 19.10 Pisos de losas precoladas 656 19.11 Tipos de cubiertas para techos 658 19.12 Muros exteriores y muros interiores divisorios 659 19.13 Proteccin del acero estructural contra el fuego 659 19.14 Introduccin a edicios de gran altura 660 19.15 Estudio de fuerzas laterales 662 19.16 Tipos de contraventeo lateral 663 19.17 Anlisis de edicios con contraventeo diagonal para fuerzas laterales 669 19.18 Juntas resistentes a momento 671 19.19 Diseo de edicios por cargas gravitacionales 672 19.20 Diseo de miembros 676 APNDICE A Deduccin de la frmula de Euler 677 APNDICE B Elementos esbeltos a compresin 679 APNDICE C Pandeo exotorsional de miembros a compresin 682 APNDICE D Placas de base resistentes a momento de columnas 688 APNDICE E Encharcamiento 697 GLOSARIO 702 NDICE 708
13. 13. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1 C A P T U L O 1 Introduccin al diseo estructural en acero 1.1 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL Una persona que viaje por Estados Unidos podra concluir que el acero es el material estruc- tural perfecto; vera un sinfn de puentes, edicios, torres y otras estructuras de este material. Despus de ver estas numerosas estructuras metlicas, se sorprendera al saber que el acero no se fabric econmicamente en Estados Unidos sino hasta nales del siglo xix, y que las primeras vigas de patn ancho no se laminaron sino hasta 1908. La supuesta perfeccin de este metal, tal vez el ms verstil de todos los materiales estructurales, parece ms razonable cuando se considera su gran resistencia, poco peso, fa- cilidad de fabricacin y otras propiedades convenientes. stas y otras ventajas del acero estructural se analizarn con ms detalle en los prrafos siguientes. 1.1.1 Alta resistencia La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que ser relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edicios altos y en estructuras con condiciones decientes en la cimentacin. 1.1.2 Uniformidad Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. 1.1.3 Elasticidad El acero se acerca ms en su comportamiento a las hiptesis de diseo que la mayora de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tan- to que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.
14. 14. 2 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 1.1.4 Durabilidad Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarn indenidamente. In- vestigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningn mantenimiento a base de pintura. 1.1.5 Ductilidad La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensin altos. Cuando se prueba a tensin un acero dulce o con bajo contenido de carbono, ocurre una reduccin considerable de la seccin transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y probablemente ser duro y frgil y se romper al someterlo a un golpe repentino. En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concen- traciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dctil de los aceros estructurales co- munes les permite uir localmente en esos puntos, evitndose as fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla (algunas veces denominada en son de broma como cuenta regresiva). 1.1.6 Tenacidad Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones ser aun capaz de resistir grandes fuerzas. sta es una caracterstica muy importante porque implica que los miembros Montaje de viguetas de acero. (Cortesa de Vulcraft.)
15. 15. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.2 Desventajas del acero como material estructural 3 de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricacin y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin dao aparen- te. La propiedad de un material para absorber energa en grandes cantidades se denomina tenacidad. 1.1.7 Ampliaciones de estructuras existentes Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden aadir nuevas crujas e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se pueden ampliar los puentes de acero. 1.1.8 Propiedades diversas Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexin simple, como son la soldadura y los pernos; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaos y formas, como se describe en la Seccin 1.4 de este captulo; e) es posible utilizarlo nuevamente despus de desmontar una estructura; y f) posibilidad de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente. El acero es el material reciclable por excelencia. 1.2 DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL En general, el acero tiene las siguientes desventajas: 1.2.1 Corrosin La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente. Sin embargo, el uso de aceros in- temperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosin, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosin puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosin- fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciable- mente cuando los miembros se usan en ambientes qumicos agresivos y sometidos a cargas cclicas. El lector debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabri- cacin del acero. 1.2.2 Costo de la proteccin contra el fuego Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen consi- derablemente en temperaturas que comnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros materiales de un edicio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en in- muebles vacos en los que el nico material combustible es el mismo inmueble. Adems, el acero es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin pro- teccin pueden transmitir suciente calor de una seccin o compartimiento incendiado de un edicio a secciones adyacentes del mismo edicio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de un edicio debe protegerse mediante materiales
16. 16. 4 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega con ciertas caractersticas aislantes, y el edicio deber acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del cdigo de construcciones de la localidad en que se halle. 1.2.3 Susceptibilidad al pandeo Cuanto ms largos y esbeltos sean los miembros a compresin, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la mayora de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy econmico debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional, se necesita algn acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto tiende a reducir su economa. 1.2.4 Fatiga Otra caracterstica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si se so- mete a un gran nmero de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran nmero de cambios en la magnitud del esfuerzo de tensin. (Se tienen problemas de fatiga slo cuando se presentan tensiones.) En la prctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarn sometidos a un nmero mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto nmero lmite. 1.2.5 Fractura frgil Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frgil puede ocu- rrir en lugares de concentracin de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situacin. Las condiciones de esfuerzo triaxial tambin pueden con- ducir a la fractura frgil. 1.3 PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y EL ACERO Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algn tipo de aleacin de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estao y algunos otros aditi- vos), los avances ms importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fabrica- cin y uso del hierro y de su famosa aleacin llamada acero.Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en tonelaje de todos los metales producidos en el mundo.1 A pesar de los esfuerzos de los arquelogos durante muchas dcadas, no ha sido po- sible descubrir cundo se us el hierro por primera vez. Los arquelogos encontraron una daga y un brazalete de hierro en la Gran Pirmide de Egipto y arman que la edad de stos era por lo menos de 5 000 aos. El uso del hierro ha tenido una gran inuencia en el avance de la civilizacin desde los tiempos ms remotos y probablemente la seguir teniendo en los siglos venideros. Desde el principio de la Edad de Hierro, alrededor del ao 1 000 a.C., el progreso de la civilizacin en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de enfrentamientos militares. Por ejemplo, durante la Batalla de Maratn en Grecia, en el ao 490 a.C., los atenienses, con una inferioridad numrica, mataron a 6 400 persas y perdieron slo a 192 de sus hombres. Cada uno de los soldados victoriosos llevaba 57 libras de arma- dura de hierro durante la batalla. (Fue en sta en la que Feidpides corri aproximadamente 40 km hasta Atenas, muriendo al llegar despus de anunciar la victoria.) Esta batalla supues- tamente salv a la civilizacin griega durante muchos aos. 1 American Iron and Steel Institute, The Making of Steel (Washington, DC, sin fecha), p. 6.
17. 17. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.3 Primeros usos del hierro y el acero 5 Segn la teora clsica sobre la primera produccin de hierro en el mundo, hubo una vez un gran incendio forestal en el Monte Ida en la antigua Troya (la actual Turqua) cerca del Mar Egeo. Supuestamente, el terreno era muy rico en depsitos ferrosos y el calor del fuego produjo una forma primitiva de hierro a la que se le pudo dar diversas formas, al mar- tillarla. Sin embargo, muchos historiadores creen que el hombre aprendi a usar primero el hierro que cay a la Tierra en forma de meteoritos. Con frecuencia, el hierro de los meteo- ritos est combinado con nquel, resultando entonces un metal ms duro. Posiblemente los primeros pobladores del planeta forjaron este material para convertirlo en armas y herra- mientas primitivas. El acero se dene como una combinacin de hierro y pequeas cantidades de carbo- no, generalmente menos del 1%. Tambin contiene pequeos porcentajes de algunos otros elementos.Aunque se ha fabricado acero desde hace 2 000 o 3 000 aos, no existi realmente un mtodo de produccin econmico sino hasta la mitad del siglo xix. El mstil de amarre del edicio Empire State, ciudad de Nueva York. (Cortesa de Getty Images/Hulton Archive Photos.)
18. 18. 6 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega El primer acero seguramente se obtuvo cuando los otros elementos necesarios para producirlo se encontraron presentes por accidente cuando se calentaba el hierro. Con el paso de los aos, el acero se fabric muy probablemente calentando hierro en contacto con carbn vegetal. La supercie del hierro absorbi algo de carbono del carbn vegetal que luego se martill en el hierro caliente.Al repetir este proceso varias veces, se obtuvo una capa exterior endurecida de acero.De esta manera se produjeron las famosas espadas deToledo y Damasco. El primer proceso para producir acero en grandes cantidades fue bautizado en honor de Sir Henry Bessemer de Inglaterra. Recibi una patente inglesa para su proceso en 1855, pero sus esfuerzos para conseguir una patente en Estados Unidos en 1856 no tuvieron xito, ya que se demostr que William Kelly de Eddyville, Kentucky, haba producido acero me- diante el mismo proceso siete aos antes de que Bessemer solicitara su patente inglesa. Kelly recibi la patente, pero se us el nombre de Bessemer para el proceso.2 Kelly y Bessemer se percataron de que un chorro de aire a travs del hierro fundi- do quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente, tambin el chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el carbono y el manganeso. Despus se aprendi que esos elementos podan restituirse aadiendo hierro especular, que es una aleacin de hierro, carbono y manganeso. Se aprendi adems que al agregar piedra caliza en el convertidor, poda removerse el fsforo y la mayor parte del azufre. Antes de que fuese desarrollado el proceso Bessemer, el acero era una aleacin costo- sa usada principalmente para fabricar cuchillos, tenedores, cucharas y ciertos tipos de herra- mientas de corte. El proceso Bessemer redujo los costos de produccin por lo menos en un 80% y permiti por primera vez la produccin de grandes cantidades de acero. El convertidor Bessemer se uso en Estados Unidos hasta principios de este siglo, pero desde entonces se ha reemplazado con mejores mtodos como el proceso de solera abierta y el de oxgeno bsico. Gracias al proceso Bessemer, en 1870 ya se poda producir en grandes cantidades ace- ro estructural al carbono, y por 1890 el acero era el principal metal estructural usado en Estados Unidos. Actualmente, la mayor parte de los perles y las placas de acero estructural que se producen en Estados Unidos se hacen fundiendo la chatarra de acero. sta se obtiene de automviles viejos y de la chatarra de los perles estructurales, as como de refrigeradores, motores, mquinas de escribir, resortes de camas y otros artculos similares de desecho. El acero fundido se vierte en moldes que tienen aproximadamente las formas nales de los miembros. Las secciones resultantes, que se hacen pasar por una serie de rodillos para com- primirlos hasta su forma nal, tienen mejor supercie y menores esfuerzos residuales que el acero recin hecho. Los perles se pueden procesar ms mediante el rolado en fro, la aplicacin de di- versos recubrimientos, y tal vez mediante el proceso de recocido. Mediante este proceso, el acero se calienta a un rango intermedio de temperatura (por ejemplo, 1 300-1 400 F), se le mantiene a esta temperatura por varias horas, y luego se le deja enfriar lentamente a la temperatura ambiente. El recocido conduce a un acero que tiene menor dureza y fragilidad, pero mayor ductilidad. El trmino hierro dulce se reere al hierro con un contenido muy bajo de carbono ( 0.15%), mientras que al hierro con un contenido muy alto de carbono ( 2%) se le llama hierro colado. Los aceros se encuentran entre el hierro colado y el hierro dulce y tienen un contenido de carbn en el rango de 0.15% al 1.7% (como se ver en la Seccin 1.8 de este captulo). 2 American Iron and Steel Institute, Steel 76 (Washington, DC, 1976), pp. 5-11.
19. 19. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.4 Perles de acero 7 El primer uso del metal para una estructura grande tuvo lugar en Shropshire, Ingla- terra (aproximadamente a 140 millas al noroeste de Londres) en 1779, ah se construy con hierro colado el puente Coalbrookdale en forma de arco de 100 pies de claro sobre el Ro Severn. Se dice que este puente (que an est en pie) fue un hito en la historia de la ingenie- ra porque cambi el curso de la Revolucin Industrial al introducir al hierro como material estructural. Supuestamente este hierro era cuatro veces ms fuerte que la piedra y treinta veces ms que la madera.3 Muchos otros puentes de hierro colado se construyeron en las dcadas siguientes, pero despus de 1840 el hierro dulce (ms maleable) comenz a reemplazar al hierro colado.El de- sarrollo del proceso Bessemer y los avances subsecuentes, como el proceso de solera abierta, permiti la fabricacin de acero a precios competitivos, lo que estimul el casi increble desarrollo del acero estructural que ha tenido lugar en los ltimos 120 aos. 1.4 PERFILES DE ACERO Los primeros perles estructurales hechos en Estados Unidos, en 1819, fueron ngulos de hierro laminados. Las vigas I de acero se laminaron por primera vez en ese pas en 1884 y la primera estructura reticular (el edicio de la Home Insurance Company de Chicago) fue montada ese mismo ao. El crdito por inventar el rascacielos se le otorga generalmente al ingeniero William LeBaron Jenny, que ide esta estructura, aparentemente durante una huelga de albailes. Hasta ese momento los edicios altos en Estados Unidos se construan con muros de carga de ladrillos de varios pies de espesor. Para los muros exteriores de este edicio de 10 niveles, Jenny us columnas de hie- rro colado recubiertas por ladrillos. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabricaron con hierro dulce, en tanto que se usaron vigas de acero estructural para los pisos superiores. El primer edicio totalmente armado con acero estructural fue el segundo edicio de la Rand- McNally, terminado en 1890 en Chicago. Un aspecto importante de la torre Eiffel, de 985 pies de altura y construida con hie- rro dulce en 1889, fue el uso de elevadores para pasajeros accionados mecnicamente. La disponibilidad de estas mquinas, junto con la idea de Jenny relativa a la estructuracin reticulada, condujeron a la construccin de miles de edicios altos en todo el mundo en el siglo pasado. Durante esos primeros aos, diversas laminadoras fabricaron sus propios perles y publicaron catlogos con las dimensiones, pesos y otras propiedades de esas secciones. En 1896, La Association of American Steel Manufacturers (Asociacin Estadounidense de Fa- bricantes de Acero) (ahora el American Iron and Steel Institute, o AISI) (Instituto Estado- unidense del Hierro y el Acero) hizo los primeros esfuerzos para estandarizar los perles. En la actualidad casi todos lo perles estructurales se encuentran estandarizados, aunque sus dimensiones exactas pueden variar un poco de laminadora a laminadora.4 El acero estructural puede laminarse en forma econmica en una gran variedad de formas y tamaos sin cambios apreciables en sus propiedades fsicas. Generalmente los miembros estructurales ms convenientes son aquellos con grandes momentos de inercia en relacin con sus reas. Los perles I, T, y C, que son de uso tan comn, se sitan en esta clase. 3 M. H. Sawyer, Worlds First Iron Bridge, Civil Engineering (Nueva York: ASCE, diciembre, 1979), pp. 46-49. 4 W. McGuire, Steel Structures (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1968), pp. 19-21.
20. 20. 8 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega Por lo general los perles de acero se designan por la forma de sus secciones transver- sales. Por ejemplo, se tienen perles en ngulo, tes, zetas y placas. Sn embargo, es necesario hacer una distincin clara entre las vigas estndar americanas (llamadas vigas S) y las vigas de patn ancho (llamadas vigas W), ya que ambas tienen la forma de I. La supercie interna del patn de una seccin W es paralela a la supercie externa o bien, casi paralela con una pendiente mxima de 1 a 20 en el interior, dependiendo del fabricante. Las vigas S, que fueron los primeros perles de vigas laminadas en Estados Unidos, tienen una pendiente de 1 a 6 en la supercie interior de sus patines. Debe notarse que los espesores constantes (o casi constantes) de los patines de las vigas W, a diferencia de los pa- tines ahusados de las vigas S, facilitan las conexiones. Las vigas de patn ancho representan hoy en da casi el 50% de todos los perles estructurales laminados. Los perles W y S se muestran en la Figura 1.1 junto con otros perles comunes de acero. Los usos de los diversos perles se expondrn en los siguientes captulos. En este libro se hace referencia constante a la 14 edicin del Steel Construction Ma- nual (Manual de Construccin en Acero), publicado por el AISC (American Institute of Steel Construction: Instituto Estadounidense de la Construccin en Acero). A este manual, que proporciona informacin detallada sobre los perles estructurales de acero, se le llamar aqu el Manual del AISC, el Manual del acero, o simplemente, el Manual. Se basa en la Specication for Structural Steel Buildings de 2010 (Especicacin para los Edicios enAcero Estructural) (ANSI/AISC 360-10) (en lo sucesivo,la Especicacin AISC), publicada por el AISC el 22 de junio de 2010. Puente peatonal para el Hospital del Cncer en Carolina del Norte, Chapel Hill, NC. (Cortesa de CMC South Carolina Steel.)
21. 21. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural 9 Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Los perles estructurales se identican mediante un cierto sistema descrito en el Ma- nual para usarse en planos, especicaciones y diseos. Este sistema est estandarizado de modo que todos los molinos de acero puedan usar la misma nomenclatura para propsitos de rdenes, facturacin, etc.Adems, actualmente se procesa tanto trabajo en computadoras y otros equipos automatizados que es necesario tener un sistema a base de nmeros y letras que pueda imprimirse por medio de un teclado estndar (a diferencia del viejo sistema en donde ciertos smbolos se usaban para ngulos, canales, etc.). Ejemplos de este sistema de identicacin son los siguientes: 1. Una W27 * 114 es una seccin W con 27 plg aproximadamente de peralte y peso de 114 lb/pie. 2. Una S12 * 35 es una seccin S con 12 plg de peralte y peso de 35 lb/pie. 3. Una HP12 * 74 es una seccin usada como pilote de carga con 12 plg aproximadamen- te de peralte y peso de 74 lb/pie. Los pilotes de carga se hacen con laminados regulares W, pero con almas ms gruesas para resistir mejor el impacto del hincado del pilote. El ancho y el peralte de estas secciones son aproximadamente iguales, y sus patines y almas tienen espesores iguales o casi iguales. 4. Una M8 * 6.5 es una seccin diversa con 8 plg de peralte y peso de 6.5 lb/pie. Forma parte de un grupo de miembros estructurales tipo H con doble simetra que no puede clasicarse por sus dimensiones como seccin W, S o bien HP, ya que la pendiente de sus patines interiores es diferente de 16 2/3 por ciento. 5. Una C10 * 30 es una canal con 10 plg de peralte y peso de 30 lb/pie. 6. Una MC18 * 58 es una canal diversa con 18 plg de peralte y peso de 58 lb/pie que no se puede clasicar por sus dimensiones como C. 7. Una HSS14 * 10 * 5/8 es una seccin estructural rectangular hueca de 14 plg de peral- te, 10 plg de ancho, con un espesor de pared de 5/8 plg. Pesa 93.10 lb/pie. Tambin se dispone de secciones HSS cuadradas y redondas. 8. Un L6 * 6 * 1/2 es un ngulo de lados iguales, cada uno de 6 plg de longitud y 1/2 plg de espesor. Figura 1.1 Perles laminados de acero. Seccin WT Filete ngulo de lados desiguales Filete ngulo de lados iguales Filete Viga S (Viga estndar americana) Filete 16 %2 3 Seccin C (Canal estndar americano) Filete Seccin W Alma Filete Pendiente: 0 a 5% Patn Pendiente: 16 %2 3 Pendiente:
22. 22. 10 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 9. Una WT18 * 151 es una te que se obtiene al cortar en dos una W36 * 302. Este tipo de seccin se conoce como te estructural. 10. Las secciones rectangulares de acero se clasican como placas anchas o barras estrechas. Las nicas diferencias entre las barras y las placas son el tamao y el procedimiento de produccin. Histricamente, a las piezas planas se les ha denominado barras si tienen 8 plg o menos de ancho. Son placas si tienen un ancho mayor a 8 plg. Las tablas 1-29, 2-3 y 2-5 en el Manual AISC suministran informacin sobre las barras y las placas. Generalmente, el espesor de una barra o de una placa se especica aproximando al 1/16 ms cercano para espesores menores a 3/8 plg, aproximando al 1/8 ms cercano para espesores entre 3/8 y 1 plg, y al 1/4 ms cercano para espesores mayores a 1 plg. Una placa generalmente se de- signa por su espesor, su ancho y su longitud, en ese orden; por ejemplo, una PL1/2 * 10 * 1 pie 4 plg tiene un espesor de 1/2 plg, 10 plg de ancho y 16 plg de longitud. En realidad, en la actualidad el trmino placa se usa casi universalmente, ya sea que el miembro se fabrique a partir de una placa o de una barra. La hoja y la tira generalmente son ms delgadas que las barras y las placas. El estudiante debe consultar el Manual del Acero para obtener informacin sobre otros perles.Aqu se presentar informacin detallada sobre stas y otras secciones cuando sea necesario. En la Parte 1 del Manual, se tabulan las dimensiones y las propiedades de los perles W, S, C y otros. Las dimensiones de los miembros se dan en forma decimal (para uso de los diseadores) y en fracciones al dieciseisavo de pulgada ms prximo (para uso de los Marcos del techo de la escuela Glen Oaks, Bellerose, NY. (Cortesa de CMC South Carolina Steel.)
23. 23. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.5 Unidades mtricas 11 tcnicos, dibujantes y detallistas del acero). Se proporcionan tambin, para el uso de los di- seadores, elementos tales como los momentos de inercia, los mdulos de seccin, los radios de giro y otras propiedades de la seccin transversal que se analizarn ms adelante en este texto. Se presentan variaciones en cualquier proceso de manufactura, y la industria del acero no es una excepcin. En consecuencia, las dimisiones de las secciones transversales de los miembros de acero pueden variar un poco, respecto a los indicados en el Manual. Las tole- rancias mximas para el rolado de los perles de acero las establece la Especicacin A6 de la American Society for Testing and Materials (ASTM) y se presentan en las Tablas 1-22 a 1-28 en el Manual. Entonces los clculos se pueden hacer con base en las propiedades dadas en el Manual, independientemente del fabricante. Algunas de las secciones de acero listadas en el Manual se consiguen en Estados Uni- dos de solamente uno o dos productores de acero y entonces, ocasionalmente, puede ser di- fcil obtenerlas inmediatamente. Por tanto, al especicar las secciones, el diseador deber tener la precaucin de ponerse en contacto con un fabricante de acero para obtener una lista de las secciones en existencia. A travs de los aos han existido cambios en las dimensiones de los perles de acero. Por ejemplo, puede haber poca demanda que justique seguir laminando un cierto perl; un perl puede descontinuarse porque se desarrolla un perl de tamao similar, pero ms eciente en su forma, etc. Ocasionalmente el proyectista puede necesitar conocer las pro- piedades de un perl descontinuado que no aparece ya en las listas de la ltima edicin del Manual o en otras tablas que normalmente tiene a su disposicin. Por ejemplo, puede requerirse aadir un piso extra a un edico existente que fue cons- truido con perles que ya no se fabrican. En 1953, el AISC public un libro titulado Iron and Steel Beams 1873 to 1952 (Vigas de hierro y acero, de 1873 a 1952) que presenta una lista completa de las vigas de hierro y acero y sus propiedades, laminadas en Estados Unidos durante ese periodo. Actualmente est disponible una edicin actualizada de este libro. Es el AISC Design Guide 15 y cubre las propiedades de los perles de acero producidos de 1887 a 2000.5 Indudablemente que habr muchos cambios ms en los perles en el futuro. Por esta razn, el diseador estructural prudente deber conservar cuidadosamente las edi- ciones anteriores del Manual para tenerlas a su disposicin cuando se necesite informacin anterior. 1.5 UNIDADES MTRICAS Casi todos los ejemplos y problemas de tarea presentados en este libro emplean las unidades usadas en Estados Unidos. Sin embargo, el autor piensa que el diseador contemporneo debe tener la capacidad de realizar su trabajo ya sea en unidades inglesas o mtricas. El AISC en Estados Unidos ha eliminado casi por completo el problema de trabajar con unidades mtricas al realizar el diseo de acero estructural. Casi todas sus ecuaciones estn escritas en una forma aplicable a ambos sistemas. Adems, los equivalentes mtricos de los perles americanos estndar se suministran en la Seccin 17 del Manual. Por ejemplo, una seccin W36 * 302 se muestra como W920 449, donde el 920 est en mm y el 449 est en kg/m. 5 R. L. Brockenbrough, AISC Rehabilitation and Retrot Guide: A Reference for Historic Shapes and Specications (Chicago,AISC, 2002).
24. 24. 12 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 1.6 PERFILES DE LMINA DELGADA DE ACERO DOBLADOS EN FRO Adems de los perles de acero laminados en caliente analizados en la seccin previa, exis- ten algunos perles de acero rolados en fro. stos se fabrican doblando lminas delgadas de acero de bajo carbono o baja aleacin en prcticamente cualquier seccin transversal deseada, como las mostradas en la Figura 1.2.6 Estos perles, que pueden utilizarse para los miembros ms ligeros suelen usarse en algunos tipos de techos, pisos y muros y varan en espesores entre 0.01 hasta aproximadamente 0.25 plg. Los perles ms delgados se usan con mucha frecuencia para algunos paneles estructurales. Si bien el trabajado en fro reduce algo la ductilidad, tambin incrementa en alguna medida la resistencia. Bajo ciertas condiciones, las especicaciones de diseo permitirn el uso de tales resistencias superiores. Las losas de concreto para piso frecuentemente se cuelan sobre cubiertas de acero doblado que sirven como cimbras econmicas para el concreto hmedo y que se dejan en el sitio despus de que el concreto fragua. Se dispone de varios tipos de estas cubiertas, algunas de las cuales se muestran en la Figura 1.3. Las secciones con las celdas ms profundas tienen Mariners, Ballpark, Seattle,WA. (Cortesa de Trade ARBED.) 6 Cold-Formed Steel Design Manual (Washington, DC:American Iron and Steel Institute, 2002). SigmaSombrero ngulo Canal Canal atiesada Zeta Zeta atiesada Figura 1.2 Perles doblados en fro.
25. 25. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural 13 Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak la til caracterstica de que los conductos elctricos y mecnicos pueden alojarse en ellas. El uso de las cubiertas de acero para losas de pisos se analiza en el Captulo 16 de este texto.Ah se presenta la construccin compuesta. En este tipo de construccin, las vigas de acero se convierten en compuestas con las losas de concreto suministrando transferencia al cortante entre las dos para que acten conjuntamente como una unidad. 1.7 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIN DEL ACERO ESTRUCTURAL Para entender el comportamiento de las estructuras de acero, el ingeniero debe estar fa- miliarizado con las propiedades de ste. Los diagramas esfuerzo-deformacin presentan informacin valiosa necesaria para entender cmo se comporta el acero en una situacin dada. No pueden desarrollarse mtodos satisfactorios de diseo, a menos que se disponga de informacin completa relativa a las relaciones esfuerzo-deformacin del material que se usa. Si una pieza de acero estructural dctil se somete a una fuerza de tensin, sta co- menzar a alargarse. Si se incrementa la fuerza de tensin a razn constante, la magnitud del alargamiento aumentar en forma lineal dentro de ciertos lmites. En otras palabras, el alargamiento se duplicar cuando el esfuerzo pase de 6 000 a 12 000 psi (pounds per square inch; se usar lb/plg2 ). Cuando el esfuerzo de tensin alcance un valor aproximadamente igual a tres cuartos de la resistencia ltima del acero, el alargamiento comenzar a aumentar ms y ms rpidamente sin un incremento correspondiente del esfuerzo. El mayor esfuerzo para el que todava es vlida la ley de Hooke o el punto ms alto de la porcin recta del diagrama esfuerzo-deformacin se denomina lmite proporcional. El mayor esfuerzo que un material puede resistir sin deformarse permanentemente se llama Concreto Concreto Concreto 12 plg 2 plg 3 plg 2 plg 3 plg 3 6 plg 6 plg Cubierta de acero Concreto Aislante rgido Sistema de piso de cubierta compuesta Sistema de piso de cubierta doblada Sistema de cubierta de techo 1 2 1 plg5 16 1 plg3 4 1 plg1 2 9 16 2 plg plg plg 1 2 Cubierta de aceroVara con el fabricante Vara con el fabricante Cubierta de acero Cubierta de acero (costilla intermedia) Cubierta de acero Figura 1.3 Algunos tipos de cubiertas de acero.
26. 26. 14 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega lmite elstico. Este valor rara vez se mide realmente y para la mayora de los materiales de ingeniera, incluido el acero estructural, es sinnimo del lmite proporcional. Por esta razn, se usa a veces el trmino lmite proporcional elstico. El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o defor- macin sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de uencia. Es el primer punto del diagrama esfuerzo-deformacin para el cual la tangente a la curva es horizontal. El esfuerzo de uencia es para el proyectista la propiedad ms importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseo se basan en este valor. Ms all del esfuerzo de uencia hay un intervalo en el que ocurre un incremento considerable de la deformacin sin in- cremento del esfuerzo. La deformacin que se presenta antes del esfuerzo de uencia se denomina deformacin elstica; la deformacin que ocurre despus del esfuerzo de uencia, sin incremento de esfuerzo, se denomina deformacin plstica. Esta ltima deformacin es generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformacin elstica. La uencia del acero sin esfuerzo puede parecer una seria desventaja, pero en realidad es una caracterstica muy til. Con frecuencia ha prestado el maravilloso servicio de prevenir la falla de una estructura debida a omisiones o errores del proyectista. Si el esfuerzo en un punto de una estructura de acero dctil alcanza el punto de uencia, esa parte de la estructu- ra ceder localmente sin incremento en el esfuerzo, impidiendo as una falla prematura. Esta ductilidad permite que se redistribuyan los esfuerzos en una estructura de acero. Otra mane- ra de describir este fenmeno es armar que los altos esfuerzos causados por la fabricacin, el montaje o la carga tienden a igualarse entre s.Tambin puede decirse que una estructura de acero tiene una reserva de deformacin plstica que le permite resistir sobrecargas e im- Montaje de una armadura de techo, North Charleston, SC. (Cortesa de CMC South Carolina Steel.)
27. 27. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural 15 Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak pactos repentinos. Si no tuviera esta capacidad, se podra fracturar repentinamente como el vidrio u otros materiales anlogos. Despus de la deformacin plstica,existe un rango en el cual es necesario un esfuerzo adicional para producir deformacin adicional, a esto se le denomina endurecimiento por deformacin. Esta porcin del diagrama esfuerzo-deformacin no resulta muy importante para los proyectistas actuales porque las deformaciones son muy grandes. En la Figura 1.4 se muestra un diagrama tpico de esfuerzo-deformacin de un acero estructural dulce o de bajo contenido de carbono. Slo se presenta aqu la parte inicial de la curva, debido a la gran deformacin que ocurre antes de la falla. En el punto de falla los aceros dulces tienen deformaciones unitarias que equivalen a valores que oscilan entre 150 y 200 veces los co- rrespondientes a la deformacin elstica. En realidad, la curva alcanza su esfuerzo mximo y luego disminuye poco a poco antes de la falla. Se presenta una marcada reduccin de la seccin transversal del miembro (que se denomina estriccin del elemento) justo antes de que el miembro se fracture. La curva esfuerzo-deformacin en la Figura 1.4 es tpica de los aceros estructurales dc- tiles y se supone que es la misma para miembros a tensin o a compresin. (Los miembros estructurales a compresin deben ser robustos, ya que los miembros a compresin esbeltos sujetos a cargas de compresin tienden a pandearse lateralmente y sus propiedades se ven muy afectadas por los momentos que se generan.) La forma del diagrama vara con la ve- locidad de carga, el tipo de acero y la temperatura. En la gura se muestra dicha variacin mediante la lnea punteada marcada como uencia superior. Esta forma de la curva esfuerzo-deformacin resulta cuando un acero dulce se carga rpidamente, en tanto que la curva con la uencia inferior se obtiene con una carga lenta. La Figura 1.5 muestra curvas de esfuerzo-deformacin caractersticas para algunos aceros con diferente esfuerzo de uencia. Debe percatarse de que los diagramas de esfuerzo-deformacin de las Figuras 1.4 y 1.5 se prepararon para un acero dulce a temperatura ambiente. Durante las operaciones de soldadura y durante los incendios, los miembros de acero estructural pueden someterse a temperaturas muy altas. Los diagramas de esfuerzo-deformacin preparados para aceros con temperaturas superiores a 200 F sern ms redondeados y no lineales y no presentan Deformacin elstica Deformacin plstica Endurecimiento por deformacin Punto superior de fluencia Punto inferior de fluencia Deformacin l l Esfuerzof P A Figura 1.4 Diagrama de esfuerzo-deformacin caracterstico de un acero estructural dulce o con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente.
28. 28. 16 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega puntos de uencia bien denidos. Los aceros (particularmente aquellos con contenido de carbono ms bien alto) en realidad pueden incrementar un poco su resistencia a la tensin al ser calentados a una temperatura de aproximadamente 700 F. A medida que las tempe- raturas se elevan al rango de 800 F a 1 000 F, las resistencias se reducen drsticamente, y a 1 200 F tienen ya muy poca resistencia. La Figura 1.6 muestra la variacin de las resistencias de uencia para varios grados de acero cuando sus temperaturas se elevan desde la temperatura ambiente hasta 1 800 F y 1 900 F. Las temperaturas con las magnitudes mostradas pueden alcanzarse fcilmente en miembros de acero durante incendios, en zonas localizadas de miembros durante el proceso de soldado, en miembros en fundiciones sobre amas abiertas, etctera. Cuando las secciones de acero se enfran a menos de 32 F, sus resistencias se incre- mentan un poco, pero tendrn reducciones considerables en ductilidad y tenacidad. Una propiedad muy importante de una estructura que ha sido sometida a esfuerzos, pero no ms all de su punto de uencia, es que sta recuperar su longitud original cuando se supriman las cargas. Si se esfuerza ms all de ese punto, recuperar slo parte de su lon- gitud inicial. Este hecho ofrece la posibilidad de probar una estructura existente cargndola y descargndola. Si despus de que las cargas se retiran, la estructura no recupera sus dimen- siones originales, signica que se ha esforzado ms all de su punto de uencia. Puerta Europa, Madrid, Espaa. (Cortesa de Trade ARBED.)
29. 29. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformacin del acero estructural 17 Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Resistencia a la tensin, Fu Aceros aleados de construccin con tratamiento trmico; acero aleado templado y revenido A514 Resistencia mnima a la fluencia Fy = 100 klb/plg2 Esfuerzo,kilolibrasporpulgadacuadrada Aceros al carbono, de alta resistencia, de baja aleacin; A572 Aceros al carbono; A36 Fy = 36 klb/plg2 Deformacin unitaria, pulgadas por pulgada Fy = 50 klb/plg2 Corrimiento de 0.2% de deformacin 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Temperatura, F Cocientecaractersticodelasresistenciasalafluencia paratemperaturaselevadasytemperaturaambiente A514 A588 A992,A572 A36 Figura 1.5 Curvas caractersticas de esfuerzo-deformacin. (Basado en una gura tomada de Salmon C. G. y J. E. Johnson, Steel Structures: Design and Behavior, cuarta edicin. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1996.) Figura 1.6 El efecto de la temperatura sobre el esfuerzo de uencia.
30. 30. 18 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega El acero es una aleacin que est compuesta casi por completo de hierro (general- mente ms del 98%). Contiene tambin pequeas cantidades de carbono, silicio, manganeso, azufre, fsforo y otros elementos. El carbono es el elemento que tiene la mayor inuencia en las propiedades del acero. La dureza y la resistencia del acero aumentan con el porcentaje de carbono. Un incremento del 0.01 por ciento del contenido de carbono causar que la resistencia de uencia del acero se eleve aproximadamente 0.5 klb/plg2 (ksi). Desafortuna- damente, sin embargo, una mayor cantidad de carbono har que el acero sea ms frgil y afectar adversamente su soldabilidad. Si se reduce el contenido de carbono, el acero se har ms suave y ms dctil, pero tambin ms dbil. La adicin de elementos tales como cromo, silicio y nquel produce aceros con resistencias considerablemente ms altas. Aunque con frecuencia son muy tiles, estos aceros son considerablemente ms caros y con frecuencia no son tan fciles de fabricar. En la Figura 1.7 se muestra un diagrama comn de esfuerzo-deformacin para un acero frgil. Desafortunadamente, la baja ductilidad o fragilidad es una propiedad que por lo general se asocia con la alta resistencia del acero (aunque no necesariamente asociada con los aceros de alta resistencia). Como es conveniente tener a la vez alta resistencia y gran ductilidad, el proyectista tendr que decidir entre los dos extremos o buscar un trmino medio entre ellos. Un acero frgil puede fallar repentinamente, sin previo aviso, cuando se sobrecargue y durante el montaje puede fallar debido a los impactos propios de los procedi- mientos de construccin. Los aceros con comportamiento frgil tienen un intervalo considerable donde el esfuerzo es proporcional a la deformacin unitaria, pero no tienen esfuerzos de uencia claramente denidos. Sin embargo, para aplicar muchas de las frmulas dadas en las especi- caciones de diseo para el acero estructural, es necesario contar con valores denidos del esfuerzo de uencia, independientes de si los aceros son dctiles o frgiles. Si un miembro de acero se deforma ms all de su lmite elstico y luego se descarga, ste no retornar a una condicin de deformacin cero. Al descargarlo, su diagrama de es- fuerzo-deformacin unitaria seguir una nueva trayectoria (mostrada por la lnea punteada en la Figura 1.7 paralela a la lnea recta inicial). El resultado es una deformacin permanente o residual. La lnea que representa la relacin de esfuerzo-deformacin para aceros templados y revenidos gradualmente se aparta de una lnea recta, de modo que no existe un punto de uencia bien denido. Para estos aceros el esfuerzo de uencia se dene por lo general como el esfuerzo en el punto de descarga que corresponda a alguna deformacin unitaria residual arbitrariamente denida (0.002 es el valor comn). En otras palabras, incrementamos la de- formacin unitaria mediante una cantidad designada y dibujamos una lnea desde ese punto, Fractura Fu Fy esfuerzo mnimo de fluencia Fy Deformacin residual si se descarga cuando el esfuerzo es mayor que el lmite elstico P A Esfuerzof Deformacin L L Fu esfuerzo de tensin mnimo ltimo Figura 1.7 Diagrama esfuerzo- deformacin caracterstico de un acero frgil.
31. 31. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.8 Aceros estructurales modernos 19 paralela a la porcin de lnea recta del diagrama de esfuerzo-deformacin unitaria, hasta que la nueva lnea corte a la anterior. Esta interseccin es el esfuerzo de uencia en esa deforma- cin unitaria particular. Si se usa 0.002, a la interseccin se le llama usualmente el esfuerzo de uencia para 0.2 por ciento de deformacin unitaria paralela. 1.8 ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades pre- sentes de carbono y aadiendo otros elementos como silicio, nquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos ltimos elementos se denominar acero aleado.Aunque estos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las can- tidades de carbono y otros elementos de aleacin son muy pequeos. Por ejemplo, el conte- nido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3 por ciento. Mitad de una armadura de techo con 170 pies de claro libre para el Centro de Atletismo y Convenciones de la Universidad Lehigh en Bethlehem, Pa. (Cortesa de la Bethlehem Steel Corporation.)
32. 32. 20 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega La composicin qumica del acero es de suma importancia en sus efectos sobre sus propiedades tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosin, la resistencia a la fractu- ra frgil, etc. La ASTM especica los porcentajes exactos mximos de carbono, manganeso, silicio, etc., que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades fsicas y mecnicas de los perles de acero las determina principalmente su composicin qumica, tambin inuye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de laminado, la historia de sus esfuer- zos y el tratamiento trmico aplicado. En las dcadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con un esfuerzo mnimo de uencia Fy = 36 klb/plg2 , era el acero estructural comnmente usado. Sin embargo, ms recientemente, la mayora del acero estructural usado en Estados Unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos elctricos. Con este proceso puede producirse un acero de 50 klb/plg2 ,A992, y venderse a casi el mismo precio que el acero A36. Los aceros de 50 klb/plg2 son los que predominan en uso actualmente. De hecho, al- gunas de las laminadoras de acero hacen un cargo extra por las secciones W si van a con- sistir de acero A36. Por otro lado, ocasionalmente ha sido difcil obtener los ngulos de 50 klb/plg2 sin pedidos especiales a las laminadoras de acero. Como resultado, todava se usan con frecuencia los ngulos A36. Adems, las placas de 50 klb/plg2 pueden costar ms que el acero A36. En dcadas recientes los ingenieros y arquitectos continuamente requieren aceros ms fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosin, con mejores propiedades de solda- bilidad y diversas caractersticas. Las investigaciones realizadas por la industria acerera du- rante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas. Actualmente existe una gran cantidad de aceros clasicados por la ASTM e incluidos en la especicacin AISC. Domo de acero. (Cortesa de Trade ARBED.)
33. 33. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.8 Aceros estructurales modernos 21 Los aceros estructurales generalmente se agrupan en varias clasicaciones principales de la ASTM: los aceros al carbono A36,A53,A500,A501 y A529; los aceros de baja aleacin y de alta resistencia A572,A618,A913 y A992, y los aceros de baja aleacin y alta resistencia y resistentes a la corrosin A242,A588 y A847. En la Parte 2 del Manual se presenta bastante informacin para cada uno de estos aceros. Las siguientes secciones incluyen algunas obser- vaciones generales acerca de estas clasicaciones del acero. 1.8.1 Aceros al carbono Estos aceros tienen como principales elementos de resistencias al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosicadas. Los aceros al carbono tienen sus contenidos limi- tados a los siguientes porcentajes mximos: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categoras, dependiendo del porcentaje de carbono: 1. Acero de bajo contenido de carbono: 6 0.15%. 2. Acero dulce: 0.15 a 0.29%. (Los aceros estructurales al carbono quedan dentro de esta categora.) 3. Acero medio al carbono: 0.30 a 0.59%. 4. Acero con alto contenido de carbono: 0.60 a 1.70%. 1.8.2 Aceros de alta resistencia y baja aleacin Existe un gran nmero de aceros de este tipo clasicados por la ASTM. Estos aceros ob- tienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adicin, aparte del carbono y man- ganeso, de uno a ms agentes de aleacin como el columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre y nquel. Se incluyen aceros con esfuerzos de uencia comprendidos entre 40 klb/plg2 y 70 klb/plg2 . Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosin atmos- frica que los aceros al carbono. El trmino baja aleacin se usa arbitrariamente para describir aceros en los que el total de elementos de aleacin no excede el 5% de la composicin total del acero. 1.8.3 Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleacin y resistentes a la corrosin atmosfrica Cuando los aceros se alean con pequeos porcentaje de cobre, se vuelven ms resistentes a la corrosin. Cuando se exponen a la atmsfera, las supercies de estos aceros se oxidan y se les forma una pelcula adhesiva muy comprimida (conocida tambin como ptina bien adherida o capa de xido), que impide una mayor oxidacin y se elimina as la necesidad de pintarlos. Despus de que ocurre este fenmeno (en un periodo de 18 meses a 3 aos, de- pende del tipo de exposicin, por ejemplo rural, industrial, luz solar directa o indirecta, etc.), el acero adquiere un color que va del rojo oscuro al caf y al negro. Supuestamente, el primer acero de este tipo lo desarroll en 1933 la U. S. Steel Cor- poration para darle resistencia a los carros de ferrocarril, que transportaban carbn y en los que la corrosin era muy intensa. Estos aceros tienen gran aplicacin, particularmente en estructuras con miembros ex- puestos y difciles de pintar como puentes, torres de transmisin elctrica, etc., sin embargo, no son apropiados para usarse en lugares donde queden expuestos a brisas marinas, nieblas o que estn continuamente sumergidos en agua (dulce o salada) o el suelo, o donde existan
34. 34. 22 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega humos industriales muy corrosivos. Tampoco son adecuados en reas muy secas, como en algunas partes del oeste de Estados Unidos. Para que a estos aceros se les forme la ptina, deben estar sujetos a ciclos de humedad y resequedad, de otra manera seguirn teniendo la apariencia de acero sin pintar. La Tabla 1.1 que se presenta aqu, que corresponde a la Tabla 2-4 en el Manual del Acero, enlista los 12 aceros de ASTM mencionados anteriormente en esta seccin, junto con sus resistencias a la uencia mnimas especicadas (Fy) y sus resistencias a la tensin mnimas especicadas (Fu).Adems, las columnas a la derecha de la tabla suministran infor- macin con respecto a la disponibilidad de los perles en los diversos grados de aceros, as como el grado recomendado para usarse para cada uno. En cada caso, se muestra el acero recomendado con un cuadro negro. Mediante los cuadros negros, observar en la tabla que se recomienda el acero A36 que se debe usar para las secciones M, S, HP, C, MC y L, mientras que el A992 es el material recomendado para los perles ms comunes, los W. Los cuadros grises en la tabla se reeren a los perles disponibles en grados de acero que no sean los recomendados.Antes de seleccionar perles de esos grados, el proyectista deber vericar si estn disponibles con los proveedores de acero. Finalmente, los cuadros vacos, o de color blanco, indican los grados de acero que no estn disponibles para ciertos perles. En la Tabla 2-5 del Manual del Acero se proporciona informacin similar para placas y barras. Como se mencion anteriormente, los aceros pueden fortalecerse mediante la adicin de aleaciones especiales. Otro factor que afecta la resistencia del acero es el espesor. Entre ms se rola el acero para hacerlo ms delgado, adquiere mayor resistencia. Los miembros ms gruesos tienden a ser ms frgiles, y sus tasas de enfriamiento ms lentas hacen que el acero tenga una microestructura ms spera. Haciendo referencia nuevamente a la Tabla 1.1, usted puede ver que varios de los ace- ros listados estn disponibles con esfuerzos de uencia y de tensin diferentes con el mismo nmero ASTM. Por ejemplo, los perles A572 estn disponibles con resistencias a la uencia de 42, 50, 55, 60 y 65 klb/plg2 . En seguida, leyendo los pies de pgina de la Tabla 1.1, observa- mos que los aceros de grados 60 y 65 tienen asignada la letraecomo pie de pgina.Este pie de pgina indica que los nicos perles A572 disponibles con estas resistencias son los ms delgados que tienen un espesor de patn 2 pulgadas. En la tabla se muestran situaciones similares para algunos otros aceros, incluyendo el A992 y el A242. 1.9 USO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los de ultra-alta-resistencia que tie- nen uencias de entre 160 klb/plg2 y 300 klb/plg2 . Estos aceros no se han incluido en el Ma- nual del Acero porque la ASTM no les ha asignado un nmero de clasicacin. Actualmente existen en el mercado ms de 200 aceros con esfuerzos de uencia ma- yores de 36 klb/plg2 . La industria del acero est experimentando ahora con aceros cuyos es- fuerzos de uencia varan entre 200 klb/plg2 y 300 klb/plg2 , y esto es slo el principio. Mucha gente de esta industria cree que en unos cuantos aos se dispondr de aceros con uencias de 500 klb/plg2 . La fuerza terica de unin entre los tomos de hierro se ha estimado en ms de 4 000 klb/plg2 .7 7 L. S. Beedle et al., Structural Steel Design (Nueva York: Ronald Press, 1964), p. 44.
35. 35. 1.9 Uso de los aceros de alta resistencia 23 Esfuerzo mnimo de fluencia Fy (klb/plg2 ) Esfuerzoa de tensin Fu (klb/plg2 ) Tipo de acero Designacin de la ASTM W M S HP C MC L Rect. Tubo A36 36 5880b A53 Gr. B 35 60 Gr. B 42 58 A500 46 58 Gr. C 46 62 50 62 A501 Gr. A 36 58 Gr. B 50 70 A529c Gr. 50 50 65100 Gr. 55 55 70100 Gr. 42 42 60 Gr. 50 50 65d A572 Gr. 55 55 55 Gr. 60e 60 60 Gr. 65e 65 65 A618f Gr.I&II 50g 70g Gr. III 50 50 50 50h 60h A913 60 60 75 65 65 80 70 70 90 A992 50 65i 42j 63j A242 46k 67k 50l 70l A588 50 70 A847 50 70 = Especificacin recomendada para el material = Otra especificacin de material aplicable, cuya disponibilidad deber confirmarse antes de la especificacin = La especificacin de material no aplica Al carbono Baja aleacin alta resistencia Baja aleacin alta resistencia resistente a la corrosin Serie de perfiles aplicables HSS Redondo a Mnimo a menos que se muestre un rango. b Para perfiles arriba de 426 lb/pie, slo aplica el mnimo de 58 klb/plg2 . c Para perfiles con un espesor de patn menor que o igual a 11 2 plg solamente. Para mejorar la soldabilidad, puede especificarse un mximo de carbono (de acuerdo con el Requisito suplementario S78 de la ASTM). Si se desea, puede especificarse el esfuerzo mximo de tensin de 90 klb/plg2 (de acuerdo con el Requisito suplementario S79 de la ASTM). d Si se desea, puede especificarse el esfuerzo mximo de tensin de 70 klb/plg2 (de acuerdo con el Requisito suplementario S91 de la ASTM). e Para perfiles con un espesor de patn menor que o igual a 2 plg solamente. f A618 de la ASTM tambin puede especificarse como resistente a la corrosin; vase A618 de la ASTM. g El mnimo aplica a muros de un espesor nominal de 3 4 plg y menor. Para espesores de muro mayores que 3 4 plg, Fy = 46 klb/plg2 y Fu = 67 klb/plg2 . h Si se desea, puede especificarse un esfuerzo mximo de fluencia de 65 klb/plg2 y una relacin de resistencia mxima a la fluencia entre la de tensin de 0.85 (de acuerdo con el Requisito suplementario S75 de la ASTM). i Se incluyen como obligatorias en A992 de la ASTM una relacin de resistencia mxima a la fluencia entre la de tensin de 0.85 y una frmula equivalente para el carbono. j Para perfiles con un espesor de patn mayor que 2 plg solamente. k Para perfiles con un espesor de patn mayor que 11 2 plg y menor que o igual a 2 plg solamente. l Para perfiles con un espesor de patn menor que o igual a 11 2 plg solamente. Fuente: Manual de la AISC,Tabla 2-4, p. 2-48, 14ava. Ed., 2011. Derechos reservados American Institute of Steel Construction. Reproducido con autorizacin.Todos los derechos reservados. TABLA 1.1 Especicaciones aplicables de la ASTM a diversos perles estructurales.
36. 36. 24 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega Aunque los precios de los aceros aumentan con el incremento de los esfuerzos de uen- cia, el porcentaje de incremento en los precios no es mayor que el porcentaje de incremento de los esfuerzos de uencia. En consecuencia, el uso de aceros ms resistentes resultar econmi- co en miembros a tensin, vigas y columnas. Tal vez la mayor economa se obtendr con los miembros a tensin (sobre todo en aquellos sin agujeros para tornillos y remaches). Pueden producir ahorros considerables en vigas si las deexiones no son de importancia o si stas pueden controlarse (con los mtodos descritos en captulos posteriores). Adems, pueden lograrse ahorros sustanciales con los aceros de alta resistencia en columnas robustas de lon- gitudes corta y mediana. Otra fuente de ahorro lo proporciona la construccin hbrida. En este tipo de construccin se usan dos o ms aceros de diferentes resistencias, empleando los aceros ms dbiles en donde los esfuerzos son menores,y los aceros ms resistentes en donde los esfuerzos son mayores. Entre los factores adicionales que pueden conducir al uso de los aceros de alta resis- tencia se cuentan los siguientes: 1. Alta resistencia a la corrosin. 2. Posibles ahorros en los costos de transporte, montaje y cimentaciones debido al menor peso. 3. Uso de vigas de menor peralte, que permite reducir el espesor de los pisos. 4. Posibles ahorros en la proteccin contra el fuego porque pueden usarse elementos ms pequeos. La primera consideracin que toman en cuenta muchos ingenieros al escoger un tipo de acero, es el costo directo de los miembros. Dicha comparacin puede hacerse fcilmente, pero la consideracin econmica respecto a qu acero se debe usar, no puede hacerse, a menos que se tomen en cuenta otros factores como pesos, dimensiones, deexiones, mante- nimiento y fabricacin. Hacer una comparacin general exacta de los aceros probablemente resulte imposible, por lo que debe limitarse a considerar el caso particular en estudio. 1.10 MEDICIN DE LA TENACIDAD La tenacidad a la fractura del acero se usa como una medida general de su resistencia al impacto o de su capacidad para absorber incrementos repentinos en los esfuerzos de mues- ca. Entre ms dctil es el acero, mayor es su tenacidad. Por otra parte, entre ms baja es la temperatura, mayor es su fragilidad. Se dispone de varios procedimientos para estimar la tenacidad de muesca, pero la prueba Charpy de muesca V es la ms ampliamente usada. Si bien esta prueba (descrita en la especicacin A6 del ASTM) es algo inexacta, ayuda a identicar los aceros frgiles. Con esta prueba se mide la energa requerida para fracturar una pequea barra de seccin trans- versal rectangular con una muesca especca (vase la Figura 1.8). La barra se fractura con un pndulo liberado desde cierta altura. La cantidad de ener- ga requerida para fracturar la barra se determina a partir de la altura a la que el pndulo se eleva despus del golpe. La prueba puede repetirse para diferentes temperaturas y gracarse como se muestra en la Figura 1.9.Tal grca muestra claramente la relacin entre temperatura, ductilidad y fragilidad. La temperatura en el punto de mayor pendiente es la temperatura de transicin.
37. 37. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.10 Medicin de la tenacidad 25 Aunque la prueba Charpy es bien conocida, en realidad proporciona una medicin muy mala. En los artculos de Barsom y Rolfe 8,9 se consideran otros mtodos para medir la tenacidad del acero. Varios aceros estructurales tiene especicaciones diferentes para los niveles de ener- ga absorbida requerida (por ejemplo, 20 pie-lb a 20F), dependiendo de la temperatura, es- fuerzo y condiciones de carga bajo los cuales se usarn. El tema de la fragilidad se continuar viendo en la siguiente seccin. 8 J. M. Barsom, Material Considerations in Structural Steel Design, Engineering Journal, AISC, 24, 3 (3er. trimestre 1987), pp. 127-139. 9 S. T. Rolfe, Fracture and Fatigue Control in Steel Structures, Engineering Journal, AISC, 14, 1 (1er. trimestre 1977), pp. 2-15. 10 mm 10 mm Golpe de impacto Muesca 45 20 mm 2 mm 20 mm 10 10 0 10 20 Temperatura, F 30 40 20 Energaabsorbida,pie-lb Frgil (ductilidad despreciable) Transicin de frgil a dctil Temperatura de transicin (en la pendiente mxima) Dctil 30 40 50 Figura 1.9 Resultados de la prueba de Charpy de muesca en V. Figura 1.8 Probeta para la prueba Charpy de muesca en V.
38. 38. 26 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega 1.11 SECCIONES JUMBO Ciertos perles W pesados con espesores de patn mayores de 2 pulgadas suelen denominar- se secciones jumbo. Se les identica con notas de pie de pgina para el perl W,Tabla 1.1 del Manual del Acero. Las secciones jumbo se desarrollaron originalmente para usarse como miembros a compresin, y como tales tienen un comportamiento satisfactorio. Sin embargo, los inge- nieros los han usado con frecuencia como miembros a tensin o exin. En tales casos, sus patines y almas han presentado serios problemas de agrietamiento cuando se ha utilizado soldadura o corte trmico.Estos agrietamientos tienen como resultado menores capacidades de carga y problemas relacionados con la fatiga.10 Las piezas gruesas de acero tienden a ser ms frgiles que las delgadas. Algunas de las razones de esto son que los ncleos de perles gruesos (mostrados en la Figura 1.10) estn sometidos a un menor laminado, poseen mayor contenido de carbono (necesario para producir los esfuerzos de uencia requeridos) y tienen mayores esfuerzos de tensin por el enfriamiento (esfuerzos residuales). Estos temas se analizarn en captulos posteriores. Las secciones jumbo empalmadas con soldadura pueden usarse satisfactoriamente en casos de tensin axial o de exin si los procedimientos dados en la EspecicacinA3.1c de la Especicacin AISC se siguen cuidadosamente. Algunos de los requisitos son los siguientes: 1. El acero usado debe tener ciertos niveles de absorcin de energa, determinados por la prueba Charpy de la muesca en V (20 pies-lb a una temperatura mxima de 70 F). Es absolutamente necesario que las pruebas se hagan sobre especmenes tomados de reas del ncleo (mostrado en la Figura 1.10), donde la fractura frgil se ha evidencia- do como problemtica. 2. La temperatura debe controlarse durante el soldado y el trabajo debe seguir una cier- ta secuencia. 3. Se requieren detalles especiales para los empalmes. 1.12 DESGARRAMIENTO LAMINAR Los especmenes de acero usados para pruebas y desarrollo de curvas esfuerzo-deformacin unitaria usualmente tienen sus ejes longitudinales en la direccin en la que el acero fue lami- nado.Si los especmenes se toman con sus ejes longitudinales transversalmente a la direccin del laminado a travs del espesor del acero, el resultado ser una menor ductilidad y tena- 10 R. Bjorhovde,Solutions for the Use of Jumbo Shapes, Proceedings 1988 National Steel Construction Conference,AISC, Chicago, junio 8-11, pp. 2-1 a 2-20. Placa Los ncleos de reas se muestran rayados Perfil W Figura 1.10 Ncleos de las reas donde una falla frgil puede presentar problemas en miembros gruesos pesados.
39. 39. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.13 Suministro de estructuras de acero 27 cidad.Afortunadamente, esto es de poca importancia para casi todos los casos. Sin embargo, puede ser de gran importancia cuando se usan placas gruesas y perles estructurales pesados en juntas soldadas fuertemente restringidas. (Puede ser tambin problemtico en miembros delgados, pero es mucho ms importante en los elementos gruesos.) Si una junta est fuertemente restringida, la contraccin de las soldaduras en la direc- cin del espesor no puede redistribuirse adecuadamente y el resultado puede ser un des- garramiento del acero llamado desgarramiento laminar. (Laminar signica que consiste en capas delgadas.) La situacin se agrava por la aplicacin de una tensin externa. El desga- rramiento laminar puede presentarse como un agrietamiento por fatiga despus de la apli- cacin de un nmero de ciclos de carga. El problema del desgarramiento laminar se puede eliminar o minimizar considerable- mente con detalles y procedimientos de soldadura apropiados. Por ejemplo, las soldaduras deben detallarse de manera que la contraccin ocurra tanto como sea posible en la direccin en que el acero fue rolado. Algunas compaas fabricantes de acero producen aceros con propiedades mejoradas en la direccin del espesor, lo que proporciona una resistencia ma- yor al desgarramiento laminar.Aun si en tales aceros se usan juntas fuertemente restringidas, sern necesarios los detalles especiales mencionados anteriormente.11 Las Figuras 8-16 y 8-17 en el Manual del Acero muestran los arreglos preferidos de juntas soldadas que reducen la posibilidad del desgarramiento laminar. Se proporciona in- formacin adicional sobre el tema en la especicacin ASTM A770. 1.13 SUMINISTRO DE ESTRUCTURAS DE ACERO El suministro de estructuras de acero consiste en el laminado de los perles, la fabricacin de los elementos para un trabajo especco (incluido el corte a las dimensiones requeridas y el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y su montaje. Muy rara vez una compaa ejecuta estas tres funciones y la compaa promedio realiza slo una o dos de ellas. Por ejemplo, muchas compaas fabrican estructuras de acero y las montan, en tanto que otras slo las montan o slo las fabrican. Existen aproximadamente entre 400 y 500 compaas en Estados Unidos que fabrican estructuras de acero. La mayora se dedica tanto a la fabricacin como al montaje. Los fabricantes de acero normalmente tienen pocos perles en bodega debido a los altos intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, ordenan los perles cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a sus proveedores. Los distribuidores, que son un factor cada vez ms importante en el suministro del acero es- tructural, compran y almacenan grandes cantidades de perles que adquieren a los mejores precios posibles en cualquier parte del mundo. El diseo de las estructuras generalmente lo hace un ingeniero en colaboracin con una empresa de arquitectos.El proyectista hace los dibujos del diseo que muestran las cotas de los miembros estructurales, las dimensiones generales y las conexiones fuera de lo comn. La compaa encargada de fabricar la estructura elabora los planos detallados y los somete a la aprobacin del ingeniero. Esos planos contienen toda la informacin necesaria para fabricar la estructura correctamente. En ellos se muestran las dimensiones de cada miembro, la posicin de los oricios, la posicin y el tamao de las conexiones, etc. En la Figura 1.11 se muestra una parte de un dibujo para un detalle tpico de una viga de acero atornillada. 11 Commentary on Highly Restrained Welded Connections, Engineering Journal, AISC, vol. 10, no. 3 (3er . trimestre, 1973), pp. 61-73.
40. 40. 28 Captulo 1 Introduccin al diseo estructural en acero Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak Alfaomega Podra haber algunos detalles incluidos en este dibujo que no entienda, ya que ha ledo slo unas cuantas pginas de este libro. Sin embargo, tales detalles se aclararn conforme avance en el estudio de los captulos siguientes. En dibujos reales los detalles se mostrarn probablemente para varios miembros. Aqu, el autor ha mostrado slo un miembro para indicar la informacin necesaria para fa- bricar correctamente el miembro en el taller. Los crculos y rectngulos sombreados indican que los tornillos deben instalarse en el campo, mientras que los no sombreados muestran las conexiones que deben hacerse en el taller. El montaje de los edicios de acero es ms que en cualquier otro aspecto del trabajo de construccin, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en el taller con letras y nmeros para distinguirlo de los dems. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de planos de montaje. Estos planos no son dibujos detallados, son simples diagramas lineales que muestran la posicin de cada elemento en la estructura. Los planos muestran a cada pie- za individual o subensamblaje de piezas junto con las marcas de asignacin de transporte o de montaje, de modo que los trabajadores del acero puedan identicar y ubicar rpidamente a los miembros en su posicin correcta en la estructura. (Frecuentemente, a las personas que realizan el montaje del acero se les llama herreros de obra, que es un nombre que se conserva desde los das anteriores al acero estructural.) Generalmente se pintan indicaciones respecto a la direccin en las caras de las columnas (norte, sur, este y oeste). Algunas veces los planos de montaje dan las dimensiones de los miembros, pero esto no es necesario. Esto puede o no mostrarse, dependiendo del fabricante en particular. Figura 1.11 Parte de un dibujo de detalles. 1 2 1 2 1 41 1 21 1 42 Corte 5 7 815'9 7 815'9 1 432'1 1 25 1 42 3333 Viga B4 F6 W16 40 32'0 1 4
41. 41. Alfaomega Diseo de Estructuras de Acero McCormac/Csernak 1.13 Suministro de estructuras de acero 29 Las vigas, trabes y columnas se indicarn en los planos por las letras B, G o C seguidas por el nmero de miembro particular como B5, G12, etc.A menudo, habr varios miembros con esas mismas designaciones cuando los miembros se repiten en el edicio. Los marcos de acero de mltiples pisos suelen tener varios niveles con sistemas de estructuracin idnticos o casi idnticos. De esta manera, puede usarse un plano de montaje para varios pisos. Para tales situaciones, las designaciones de los miembros de las columnas, vigas y trabes tendrn los nmeros de nivel incorporados en ellos. Por ejemplo, la columna C15 (3-5) es la columna 15, tercero a quinto pisos, mientras que B4F6 o slo B4 (6), repre- sentan la viga B4 para el sexto piso. En la Figura 1.12 se muestra una porcin de un dibujo de montaje de un edicio. Enseguida describimos brevemente el montaje de los miembros de acero estructural de un edicio.Inicialmente,un grupo de herreros de obra,algunas veces llamado lapandilla de levantamient