bowles, diseño de acero estructural

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  • La presente obra aborda los siguientestemas:

    - Consideraciones generales de diseo

    - Elementos de diseo de marcos, armaduras y ,puentes.

    - Comportamiento elstico, plstico y por pandeodel acero estructural

    - Diseo de vigas a flexin -

    - Diseo de miembros a tensin

    - Columnas y puntales axialmente cargados

    - Diseo de vigas-columnas

    - Conexiones atornilladas y remachadas

    - Conexiones soldadas

    Trabes armadas

    - Apndice. Seleccin de programas decomputadoras

  • DISEO DE ACEROESTRUCTURAL

    JOSEPH E. BOWLESCatedrtico de Ingeniera Civil

    en Bradley University

    ~ LlMUSA GR~~~ E~~~~~~~'a. ArgentinalB Colombia. Puerto Rico

  • Versin autorizada en espaolde la obra publicada en inglspor McGraw-Hill Book Company, con el titulo:STRUCTURAL STEEL DESIGN, 1980 by McGraw-Hill, Inc.ISBN 0-07-006765-1Versin espaola:CARLOS ALBERTO GARCIA FERRERIngeniero Quimico e Ingeniero Civilde la Universidad de La Habana, Cuba.

    Revisin:JOSE DE LA CERA ALONSOIngeniero Civil de la Facultad de Ingenierade la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, UNAM.Diplom-Ingenieur de la Universidad Tcnica deMunich, Alemania Federal. Profesor de TiempoCompleto e Investigador del Departamento de Ma-teriales de la Universidad Autnoma Metropolitana.

    Con la colaboracin de:ENRIQu'E MARTINEZ ROMEROIngeniero Civil de la Facultad de Ingenierade la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, UNAM.Maestra en Ciencias de la Universidad deComel!, Estados Unidos. Profesor del Area deEstructuras de la Facultad de Ingeniera de laUNAM y Profesor de Estructuras Metlicas en laEscuela de Ingeniera de la Universidad Anhuac.Consultor en Ingeniera Estructural.

    Lap"'sentaci6n y disposici6nen conjuntodeOIsERoDE ACERO ESTRUCTURALson propiedaddel editor.Ningunaparte de esta obtapuede ser reproch.cif,M optmsmiticla.medianteningtJn sistemao mtodo.electrnico 'o mecnico(INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO.la gtabacino cualquiersistemade fflCUp9ff1Ci6n y almacenamientode informacin). sin consentimiento por escritodel editor.

    Derechosreservados:

    1993, EDITORIALL1MUSA, S.A. de C.V.GRUPONORIEGAEDITORESBalderas95, C.P. 06040, Mxico.Q.F.Telfono 521-21-05Fax 51229-03

    Miembrode la Cmara Nacionalde la IncJustaEditoalMexicana.Registronmero 121

    Primera edicin: 1984Pmera reimpresin:1989Segunda reimpresin: 1991Tercera reimpresin:1992

    Cuarta reimpresin: 1993Impresoen Mxico(11996)

    ISBN 968-18-1623-4'

  • PROLOGO

    El propsito principal de este libro de texto es exponer los temas bsicos para unprimer curso en diseo de acero estructural. El texto contiene elementos de diseotanto de edificios como de puentes, para usarlo en la secuencia de ingenieraestructural de los programas de ingenieria civil. Si el instructor quisiera hacer n-fasis eh las estructuras de edificios, el texto tambin es apropiado como introduc-cin al diseo de acero estructural en los programas de arquitectura.

    Se le da aproximadamente igual importancia a las unidades pie-lb-s y SI. Seutilizan en la exposicin de los temas ambos sistemas de unidades; los problemaspresentados como ejemplo y los que se dan para que los resuelva el alumno estn10mismo en un sistema de unidades que en el otro. Se adopt este formato des-pus de entrevistar y consultar a algunos miembros de la facultad y especialistasde distintas industrias afines, que se interesan en este tema. Se acord que en eltexto se deban seguir usando ambos sistemas de unidades, ya que la transicin alas unidades mtricas no ocurre en la industria de la construccin con la mismarapidez que en otras reas de la ingeniera. Parece que es necesario este uso dualpara proporcionar tanto al estudiante como al instructor con la comprensin nece-saria de 10 que representan tanto para el estudiante como para el profesor, el ta-mao razonable de un miembro (nmero), deflexin, o cualquier otro parmetrode diseo, en ambas sistemas de unidades.

    La instruccin prctica en el uso de las unidades SI requiere utilizar datos dediseo, y corno ninguno de ellos era de fcil obtencin, se ha reunido un juego de

    5

  • ti PROLOGO

    tablas con datos de secciones de acero laminado, como suplemento del texto; es-tos datos se calcularon usando computadoras. Estas tablas por lo general se ajus-tan a las especificaciones de la AISC y la A-6 de la ASTM. Este grupo de datostambin incluye material elaborado con base en las especificaciones de la AISC,AASHTO, y AREA. Se espera que este texto, junto con el manual suplementarioStructura/Stee/Design Data (SSDD), sean los instrumentos necesarios para un cur-so de diseo de acero, sin necesidad de ninguna otra obra de consulta. El materialpresentado en el curso debe ser suficiente para permitir a los estudiantes disearmiembros estructurales de rutina (y algunos no tan de rutina), ya sea en las unida-des p, lb, s o SI, y usando cualesquiera de las tres especificaciones de diseo deacero que es ms probable que controlen el diseo -al menos en la prctica en losE.V.A.- Los problemas especializados por lo general no se presentan en el aula, ypara estos casos (as como la prctica de diseo en las oficinas de ingeniera y paraotros trabajos no acadmicos), el lector debe obtener, de la agencia correspon-diente, una copia de las ltimas especificaciones.

    Se ha usado la computadora digital como auxiliar en el diseo, de modo algointeractivo (por medio del procesamiento en lotes) para la parte de diseo del cur-so de diseo de acero. Se ha visto que el uso de la computadora en los cursos dediseo de acero es una de las mejores experiencias acadmicas para el estudiante,porque los ayuda a adquirir rpidamente experiencia en el rea del comportamien-to estructural. Esto puede ser por accidente (al perforar de manera equivocada losdatos sobre el mdulo de elasticidad, rea transversal de la seccin, o el momentode inercia de un miembro) o por la repeticin de un problema de diseo en el quese cambian las dimensiones de los miembros segn lo indiquen los resultados de lacomputadora. En cualesquiera de los casos, los estudiantes perciben con facilidadlos efectos de la seccin del miembro sobre el comportamiento estructural. El usode los programas de computadora permite obtener este resultado con slo una pe-quea cantidad de trabajo por parte del estudiante, y sin necesidad de escribirprogramas.

    En el Apndice del texto se da una lista de algunos programas de computado-ra, para el uso de quienes no usen ya la computadora como auxiliar del diseo.Estos programas son relativamente simples, pero eficaces, y se pueden perforarfcilmente en tarjetas para ser usadas en un sistema local de computadoras. Seusa el mtodo de reduccin del ancho de banda a fin de que sean mnimos los re-querimientos de capacidad de la computadora. El autor puede suministrar estosprogramas en cintas, al costo de la misma, la reproduccin y los gastos de envo,para cualquier persona que use actualmente este texto en las aulas.

    No se ha tratado de citar, o promover el uso de calculadoras programables demesa, para simples tareas, como son el diseo de vigas o columnas, debido a la di-versidad de dispositivos disponibles (por ejemplo, HP, TI, Sharp, Casio, etc.),cada uno de los cuales requiere un mtodo diferente de programacin y adems acausa de los continuos y rpidos cambios en las tcnicas. Para dar una lista de losmltiples programas necesarios para el empleo de las diversas calculadoras, se hu-biese necesitado demasiado espacio de esta obra, en detrimento del estudio de te-mas ms importantes.

  • PROLOGO 7

    El texto trata de establecer un equilibrio entre la teora y la "manera de pro-ceder". El tratamiento de los temas no es lo suficientemente complejo como paraoscurecer las bases, pero tiene la suficiente profundidad para que el lector conoz-ca el origen de las ecuaciones de diseo que aparecen en las varias ecuaciones. Al-gunas de estas ecuaciones se deducen total o parcialmente, de modo que el lectorse d cuenta de sus limitaciones. Tambin se da una explicacin razonablementedetallada de los problemas bsicos del diseo y los ejemplos ilustrativos se efec-tan por lo general paso por paso. Con este formato, los estudiantes deben ser ca-paces de resolver los problemas de diseo ms complejos a nivel profesional, yobtener soluciones de diseo para los problemas asignados para resolverlos porsu cuenta.

    Se cita directamente en el texto la bibliografa apropiada para aquellos te-mas cuyo tratamiento sea limitado pero que sean lo suficientemente importantescomo para que el lector desee estudiar el asunto con mayor profundidad. Por logeneral, la inclusin de referencias se acostumbra ms en la prctica profesionalque a nivel escolar. La experiencia adquirida por el autor durante la enseanza devarios aos de diseo de acero, indica que la mayora de los estudiantes del pri-mer curso de diseo se interesa principalmente en aprender cmo disear los di-versos tipos de miembros estructurales que se les asignarn para su trabajo encasa o en el laboratorio. En este punto de su desarrollo profesional no estn dema-siado interesados en las consideraciones tericas ni en los extensos trabajos de la-boratorio de los investigadores y tericos, que han producido las ecuacionesactuales de diseo.

    La complejidad de las ecuaciones de diseo semitericas y empricas, ademsde la naturaleza del diseo estructural y su ntima relacin con las especifica-ciones y cdigos de diseo, hace necesario adoptar una actitud definida sobre elenfoque que se debe utilizar al ensear el diseo de acero. Es esencial presentar alque los va a usar un juego de datos hipotticos (o reales) y realizar un diseo co-mo ilustracin. Se presume que los estudiantes tienen preparacin suficiente enlas secuencias bsicas de ingeniera y matemticas, para poder apreciar lo que seha ilustrado, y luego se les ensea a aplicar los pasos en un problema semejantepara as adquirir confianza y, basndose en los problemas ilustrati