estructuras metalicas ing reynaldo
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Introducción al
diseño
estructural en
acero
“UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ”
PROFESOR : ING.REYNALDO WILSON FLORES LOPEZ
CURSO : ESTRUCTURAS METALICAS
VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Una persona que viaje por Estados Unidos podría concluir que el acero es el material
estructural perfecto; vería un sinfín de puentes, edificios, torres y otras estructuras de
este material. Después de ver estas numerosas estructuras metálicas, se
sorprendería al saber que el acero no se fabricó económicamente en Estados Unidos
sino hasta finales del siglo xix, y que las primeras vigas de patín ancho no se
laminaron sino hasta 1908.
Alta resistencia
La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será
relativamente bajo el peso.
Uniformidad
Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo,
como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.
Elasticidad
El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño
que la mayoría
de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos
bastante altos.
Durabilidad
Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefi-
nidamente.
Ductilidad
La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar grandes
deformaciones sin
fallar bajo esfuerzos de tensión altos.
Tenacidad
Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad.
Ampliaciones de estructuras existentes
DESVENTAJAS DEL ACERO COMO
MATERIAL ESTRUCTURAL
Corrosión
La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al
aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente.
Costo de la protección contra el fuego
Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se
reducen considerablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en
incendios, cuando los otros materiales de un edifi cio se queman.
Susceptibilidad al pandeo
Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es
el peligro de pandeo.
Fatiga
Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si
se somete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo
Fractura frágil
Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frágil
puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos.
PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y EL ACERO
Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algún
tipo de aleación de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estaño y
algunos otros aditivos), los avances más importantes en el desarrollo de los
metales han ocurrido en la fabricación y uso del hierro y de su famosa aleación
llamada acero. Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en
tonelaje de todos los metales producidos en el mundo.
El mástil de amarre del edificio Empire
State, ciudad de Nueva York. (Cortesía
de Getty Images/Hulton Archive Photos.)
El acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de
carbono, generalmente menos del 1%. También contiene pequeños porcentajes de
algunos otros elementos. Aunque se ha fabricado acero desde hace 2 000 o 3 000
años, no existió realmente un método de producción económico sino hasta la mitad
del siglo xix.
El primer proceso para producir acero en grandes cantidades fue bautizado en honor
de Sir Henry Bessemer de Inglaterra. Recibió una patente inglesa para su proceso
en 1855, pero sus esfuerzos para conseguir una patente en Estados Unidos en 1856
no tuvieron éxito, ya que se demostró que William Kelly de Eddyville, Kentucky,
había producido acero mediante el mismo proceso siete años antes de que
Bessemer solicitara su patente inglesa. Kelly recibió la patente, pero se usó el
nombre de Bessemer para el proceso.
Kelly y Bessemer se percataron de que un chorro de aire a través del hierro fundido
quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente,
también el chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el
carbono y el manganeso.
Después se aprendió que esos elementos podían restituirse añadiendo hierro
especular, que es una aleación de hierro, carbono y manganeso. Se aprendió
además que al agregar piedra caliza en el convertidor, podía removerse el fósforo y
la mayor parte del azufre.
Actualmente, la mayor parte de los perfiles y las placas de acero estructural que
se producen en Estados Unidos se hacen fundiendo la chatarra de acero.
El término hierro dulce se refiere 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 carbón en el rango de 0.15% al 1.7
El primer uso del metal para una estructura grande tuvo lugar en Shropshire,
Inglaterra(aproximadamente a 140 millas al noroeste de Londres) en 1779, ahí se
construyó con hierro colado el puente Coalbrookdale en forma de arco de 100 pies
de claro sobre el Río Severn. Se dice que este puente (que aún está en pie) fue un
hito en la historia de la ingeniería porque cambió el curso de la Revolución Industrial
al introducir al hierro como material estructural. Supuestamente este hierro era cuatro
veces más fuerte que la piedra y treinta veces más que la madera.3
PERFILES DE ACERO
Los primeros perfi les estructurales hechos en Estados Unidos, en 1819, fueron
ángulos de hierro laminados. Las vigas I de acero se laminaron por primera vez en
ese país en 1884 y la primera estructura reticular (el edificio de la Home Insurance
Company de Chicago) fue montada ese mismo año. El crédito por inventar el
“rascacielos” se le otorga generalmente al ingeniero William LeBaron Jenny
La torre Eiffel, de 985 pies de altura y
construida con hierro
dulce en 1889
En 1896, La Association of American Steel Manufacturers (Asociación
Estadounidense de Fabricantes
de Acero) (ahora el American Iron and Steel Institute, o AISI) (Instituto
Estadounidense
del Hierro y el Acero) hizo los primeros esfuerzos para estandarizar los perfiles.
Puente peatonal para el Hospital del
Cáncer en Carolina del Norte, Chapel Hill,
NC. (Cortesía
de CMC South Carolina Steel.)
Durante esos primeros años, diversas laminadoras fabricaron sus propios
perfi les y publicaron catálogos con las dimensiones, pesos y otras
propiedades de esas secciones. En 896, La Association of American Steel
Manufacturers (Asociación Estadounidense de Fabricantes
de Acero) (ahora el American Iron and Steel Institute, o AISI) (Instituto
Estadounidense del Hierro y el Acero) hizo los primeros esfuerzos para
estandarizar los perfiles. ( EJEMPLOS DE Perfiles laminados)
de acero.
actualmente se procesa tanto trabajo en computadoras
y otros equipos automatizados que es necesario tener un sistema a base de
números y letras
que pueda imprimirse por medio de un teclado estándar
1. Una W27 * 114 es una sección W con 27 plg aproximadamente de peralte y peso de
114 lb/pie.
2. Una S12 * 35 es una sección S con 12 plg de peralte y peso de 35 lb/pie.
3. Una HP12 * 74 es una sección usada como pilote de carga con 12 plg
aproximadamente
4. Una HSS14 * 10 * 5/8 es una sección estructural rectangular hueca de 14 plg de
peralte, 10 plg de ancho, con un espesor de pared de 5/8 plg. Pesa 93.10 lb/pie.
También se dispone de secciones HSS cuadradas y redondas.
5. Un L6 * 6 * 1/2 es un ángulo de lados iguales, cada uno de 6 plg de longitud y 1/2 plg
De 5 espesor.
puede requerirse añadir un piso extra a un edifi co existente que fue construido
con perfi les que ya no se fabrican. En 1953, el AISC publicó 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 está disponible
una edición actualizada de este libro. Es el AISC Design Guide 15 y cubre las
propiedades de los perfi les de acero producidos de 1887 a 2000.
El AISC en Estados Unidos ha eliminado casi por completo el problema de trabajar
con unidades métricas al realizar el diseño de acero estructural. Casi todas sus
ecuaciones están escritas en una forma aplicable a ambos sistemas. Además, los
equivalentes métricos de los perfi les americanos estándar se suministran en la
Sección 17 del Manual. Por ejemplo, una sección W36 * 302 se muestra como W920
× 449, donde el 920 está en mm y el 449 está en kg/m.
Además de los perfi les de acero
laminados en caliente analizados en la
sección previa, existen
algunos perfi les de acero rolados en frío.
Éstos se fabrican doblando láminas
delgadas de acero de bajo carbono o baja
aleación
Estos perfi les, que pueden utilizarse
para los miembros más ligeros suelen
usarse en algunos tipos de techos,
pisos y muros y varían en
espesores entre 0.01 hasta
aproximadamente 0.25 plg.
RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN DEL ACERO
ESTRUCTURAL
RELACIONES ESFUERZO-
DEFORMACIÓN DEL ACERO
ESTRUCTURAL ALTO CARBONO
ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS
Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las
cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel,
manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos últimos
elementos se denominará acero aleado.
Por ejemplo, el contenido 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.
En las décadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con
un esfuerzo mínimo de fluencia Fy = 36 klb/plg2, (2530 KG/CM2) era el acero
estructural comúnmente usado.
Sin embargo, más recientemente, la mayoría del acero estructural usado en Estados
Unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos eléctricos. 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, algunas de las laminadoras de acero hacen un cargo extra
por las secciones W si van a consistir de acero A36. Por otro lado, ocasionalmente ha
sido difícil obtener los ángulos de 50 klb/plg2 sin pedidos especiales a las laminadoras
de acero. Como resultado, todavía se usan con frecuencia los ángulos A36. Además,
las placas de 50 klb/plg2 pueden costar más que el acero A36.
Aceros al carbono
Los aceros al carbono tienen sus contenidos limitados
a los siguientes porcentajes máximos: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso,
0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías,
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 categoría.)
3. Acero medio al carbono: 0.30 a 0.59%.
4. Acero con alto contenido de carbono: 0.60 a 1.70%.
Estos aceros obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición,
aparte del carbono y manganeso, de uno a más agentes de aleación como el
columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre y níquel. Se incluyen aceros con esfuerzos
de fl uencia comprendidos entre 40 klb/plg2 y 70 klb/plg2.
Aceros de alta resistencia y baja aleación
USO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA
Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los de ultra-alta-
resistencia que tienen
fl uencias de entre 160 klb/plg2 y 300 klb/plg2. Estos aceros no se han incluido
en el Manual
del Acero porque la ASTM no les ha asignado un número de clasifi cación.
Actualmente existen en el mercado más de 200 aceros con esfuerzos de fl
uencia mayores
de 36 klb/plg2. La industria del acero está experimentando ahora con aceros
cuyos esfuerzos
de fl uencia varían entre 200 klb/plg2 y 300 klb/plg2, y esto es sólo el principio.
Mucha
gente de esta industria cree que en unos cuantos años se dispondrá de aceros
con fl uencias
de 500 klb/plg2. La fuerza teórica de unión entre los átomos de hierro se ha
estimado en más
de 4 000 klb/plg2.7
SUMINISTRO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
Existen aproximadamente entre 400 y 500 compañías en Estados Unidos que
fabrican estructuras de acero. La mayoría se dedica tanto a la fabricación
como al montaje.
La compañía encargada de fabricar la estructura elabora los planos
detallados y los somete a la aprobación del ingeniero. Esos planos contienen
toda la información necesaria para fabricar la estructura correctamente.
EL TRABAJO DEL DISEÑADOR ESTRUCTURAL
El diseñador estructural distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de éstas
para que soporten satisfactoriamente las cargas a las que quedarán sometidas.
RESPONSABILIDADES DEL INGENIERIO ESTRUCTURISTA
El ingeniero estructurista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las
estructuras de manera que puedan montarse prácticamente, que tengan resistencia sufi
ciente y que sean razonablemente económicas. Estos conceptos se analizan
brevemente a continuación.
Seguridad
Una estructura no sólo debe soportar con seguridad las cargas impuestas, sino
soportarlas en forma tal que las defl exiones y vibraciones resultantes no sean
excesivas ni alarmen a los ocupantes o causen grietas de aspecto desagradable en
ella.
Costo
El proyectista siempre debe tener en mente la posibilidad de abatir los costos de la
construcción sin sacrifi car la resistencia. A lo largo de este texto se analizan algunos
aspectos de construcción que incluyen el uso de elementos de tamaño estándar,
conexiones y detalles simples, y miembros y materiales que no requieran un
mantenimiento excesivo a través de los años.
Factibilidad
Otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan
fabricarse y montarse sin mayores problemas.
Los proyectistas necesitan conocer lo relativo a los
métodos de fabricación y deben
adaptar sus diseños a las instalaciones disponibles.
Entre más sepan sobre los problemas,
tolerancias y holguras de
taller y campo, mayor será la posibilidad
de que sus diseños resulten razonables,
prácticos
y económicos.
Actualmente, se considera que los costos de mano de obra implicados en
la fabricación y montaje del acero estructural son cercanos al 60% de los
costos totales de las estructuras de acero. Por otro lado, los costos de
materiales representan sólo aproximadamente el 25% de los costos
totales.
DISEÑO ECONÓMICO DE MIEMBROS DE ACERO
1.- Comunicación abierta entre los proyectistas, fabricantes, montadores y otros
que intervienen en un proyecto específi co.
2.- El diseñador necesita seleccionar las dimensiones en que se fabrican los
perfi les laminados. Vigas, placas y barras de acero de tamaños poco
comunes serán difíciles de conseguir en periodos de mucha actividad
constructiva y resultan costosos en cualquier época.
Surge con frecuencia la pregunta, ¿cómo lograr un diseño económico en
acero estructural?
La respuesta es simple: depende de lo que el fabricante de acero no tenga
que hacer. (En otras palabras, un diseño económico se alcanza cuando la
fabricación se minimiza.) MODERN STEEL CONSTRUCTION
Las siguientes reglas generales se aplican a las dimensiones y pesos de piezas de
acero estructural que se pueden fabricar en un taller, embarcarse a la obra y
montarse:
1. Los pesos y longitudes máximos que pueden manejarse en el taller y en un sitio
de construcción son aproximadamente 90 toneladas y 120 pies, respectivamente.
2. Piezas de 8 pies de altura, 8 pies de ancho y 60 pies de largo pueden embarcarse
en camiones sin difi cultad (siempre que los pesos en los ejes o pesos brutos no
excedan los valores permisibles indicados por las autoridades a lo largo de las rutas
designadas).
3. Hay pocos problemas en el envío por ferrocarril si las piezas no tienen más de 10
pies de alto, 8 pies de ancho, 60 pies de largo y si no pesan más de 20 toneladas.
4. Las rutas deben estudiarse cuidadosamente, así como consultar a los
transportistas con respecto a los pesos y tamaños que excedan los valores indicados
en los puntos 2 y 3 anteriores.
MANEJO Y EMBARQUE DEL ACERO ESTRUCTURAL