Upload
marco-gonzales-guillen
View
223
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
1/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
1
UNIDAD1LAESTRUCTURADEACERO
Objetivo: El conocimiento del acero como material estructural, sus propiedades mecnicas, las
especificacionesmodernasde losdiversos tiposdeaceroy los conceptosgeneralese introductoriosal
temadelasestructurasmetlicas.
Temario:
1.1 INTRODUCCIN.1.2NOTACINYDEFINICIONES1.3VENTAJASYDESVENTAJASDELACEROCOMOMATERIALESTRUCTURAL1.4ELACEROESTRUCTURALYSUSPROPIEDADESMECNICAS.1.5PERFILESYPLACASDEACEROESTRUCTURAL
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
2/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
2
1.1INTRODUCCINEn laactualidad,existeun sin findeestructurasenelmundo fabricadasconestematerial,desde
puentes,edificios,torresyotras.ElacerosefabriceconmicamenteenEstadosUnidosafinalesdelsigloXIXylasprimerasvigasdepatnanchonoselaminaronsinohasta1908.
Lasupuestaversatilidadyfacilidaddearmadodeestructuras,locataloganalacerocomoelmaterialperfectoparalaconstruccindeobrasciviles,ademsdecontarconunaconsiderableresistencia,pocopeso, facilidadde fabricacin yotraspropiedadespordemsde convenientes.Estasyotraspropiedadeslasiremosdesglosandoenloscaptulosposteriores.
Existe una gran variedad de especificaciones que fueron y son desarrolladas para materiales yestructuras.Cadaunaestbasadaenaosdeexperienciaadquiridapormediodeluso realde laestructura.Lasdiversasecuacionesyreglasdeespecificacinquesedancuandounorealizaestudiossobre las estructuras de aceromuchas veces ocasionan confusin almomento de disear. Estosapuntessereferirnensumayorpartea laespecificacinLRFD(LoadandResistanceFactorDesignSpecification for Structural Steel Buildings) del Instituto Americano de la Construccin en Acero
(AISC)ysonespecificacionesparaeldiseoporfactoresdecargayresistenciaenedificiosdeacero
estructural.
1.2NOTACINYDEFINICIONESNotacinBsica:
E=MdulodeElasticidaddelAcero=29000Kipporpulgadacuadrada(Ksi)
FU=Resistenciaalatraccin,KsiFy=Esfuerzodefluencia,lmitedefluencia,resistenciadefluencia,Ksi
Definiciones:
Acero Estructural, como lo define el AISC (en la especificacin LRFD y otras), se refiere a loselementosdeacerodeunmarcoestructuralquesoportacargasdediseo.Enlseincluyenvigasdeacero,columnas,vigascolumnas,tirantesdesuspensinyempalmes.
Viga:Miembroestructuralcuyafuncinprimariaessoportarcarastransversalesasuejelongitudinal.Lasvigas,porlogeneral,sonhorizontalesysostienenlospisosenlosedificios(Figura1.1).
Columna:Miembroestructuralcuyafuncinprimariaessoportarcargasdecompresinalolargode
sueje longitudinal.En lasestructurasdeconstruccin, lascolumnas,generalmente, sonmiembros
verticalesquesoportanlasvigas(Figura1.1).
VigaColumna: Miembro estructural cuya funcin es soportar cargas tanto transversales comoparalelasasueje longitudinal.Unacolumnadeconstruccinsometidaafuerzashorizontales(talescomoelviento)esrealmenteunavigacolumna.
Tirante de suspensin:Miembro estructural que soporta cargas de traccin a lo largo de su ejelongitudinal.
Empalme:Materialutilizadoparaunirdosomsmiembrosestructurales.Ejemplosdeempalmessonvigaavigayvigaacolumna.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
3/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
3
Figura1.1MarcodeAceroEstructural
1.3VENTAJASYDESVENTAJASDELACEROCOMOMATERIALESTRUCTURALEntrelasVentajasmsdestacadasdelacerocomomaterialestructuralsepuedencitarlassiguientes:
AltaResistencia
Laaltaresistenciadelaceroporunidaddepeso implicaqueserrelativamentebajoelpesode las
estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en
estructurasdeficientesenlacimentacin.
Uniformidad
Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo como es el caso de las
estructurasdeconcretoreforzado.
Elasticidad
El acero se acercams en su comportamiento a las hiptesis de diseo que lamayora de losmateriales, graciasaque sigue la leydeHookehastaesfuerzosbastantealtos. Losmomentosde
inercia de una estructura de acero pueden calcularse exactamente, en tanto que los valoresobtenidosparaunaestructuradeconcretoreforzadosonrelativamenteimprecisos.
Durabilidad
Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarn indefinidamente.Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se
requiereningnmantenimientoabasedepintura.
Ductilidad
Laductilidadeslapropiedadquetieneunmaterialdesoportargrandesdeformacionessinfallarbajo
altosesfuerzosde tensin.Cuando sepruebaa tensinunacero conbajo contenidode carbono,ocurreunareduccinconsiderablede laseccintransversalyungranalargamientoenelpuntodefalla,antesdequesepresentelafractura.Unmaterialquenotengaestapropiedadprobablementeserduroyfrgilyseromperalsometerloaungolperepentino.
Enmiembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concentraciones deesfuerzosenvariospuntos.Lanaturalezadctildelosacerosestructuralescomuneslespermitefluir
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
4/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
4
localmenteenesospuntos,evitndoseasfallasprematuras.Unaventajaadicionaldelasestructuras
dctilesesque,alsobrecargarlas,susgrandesdeflexionesofrecenevidenciavisibledelainminencia
delafalla.
Tenacidad
Losacerosestructuralessontenaces,esdecir,poseenresistenciayductilidad.Unmiembrodeacerocargadohastaquesepresentangrandesdeformacionesserancapazderesistirgrandesfuerzas.Esta es una caracterstica muy importante porque implica que los miembros de acero puedensometerseagrandesdeformacionesdurantesuformacinymontaje,sinfracturarse,siendoposibledoblarlos,martillarlos,cortarlosy taladrarlossindaoaparente.Lapropiedaddeunmaterialparaabsorberenergaengrandescantidadessedenominatenacidad.
AmpliacionesdeEstructurasExistentes
Lasestructurasdeaceroseadaptanmuybienaposiblesadiciones.Sepuedenaadirnuevascrujaseincluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con frecuencia
puedenampliarse.
PropiedadesDiversas
Otrasventajas importantesdelaceroestructuralson:a)granfacilidadparaunirdiversosmiembros
pormediode varios tiposde conexin como son la soldadura, los tornillos y los remaches;b) laposibilidaddeprefabricarlosmiembros;c)rapidezdemontaje;d)grancapacidadparalaminarseenunagrancantidaddetamaosyformascomosedescribemsadelante;e)resistenciaa lafatiga;f)
reusoposibledespusdedesmontarunaestructurayg)posibilidaddevenderlo como chatarraaunquenopuedautilizarseensuformaexistente.Elaceroeselmaterialreutilizableporexcelencia.
Engeneralelacerotienelassiguientesdesventajas:
CostodeMantenimiento
Lamayorpartedelosacerossonsusceptiblesalacorrosinalestarexpuestosalaireyalaguay,por
consiguiente, deben pintarse peridicamente. El uso de aceros intemperizados para ciertasaplicaciones,tiendeaeliminarestecosto.
CostodeProteccinContraelFuego
Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen
considerablementedurantelosincendios,cuandolosotrosmaterialesdeunedificiosequeman.Han
ocurridomuchos incendios en inmuebles vacos en los que el nicomaterial combustible era el
mismoinmueble.Elaceroesunexcelenteconductordecalor,demaneraquelosmiembrosdeacerosinproteccinpuedentransmitirsuficientecalordeunaseccinocompartimientoincendiadodeunedificioaseccionesadyacentesdelmismoedificioeincendiarelmaterialpresente.Enconsecuencia,la estructura de acero de una construccin debe protegerse mediante materiales con ciertas
caractersticasaislantesoeledificiodeberacondicionarseconunsistemade rociadoresparaquecumpla con los requisitos de seguridad del cdigo de construccin de la localidad en que seencuentreemplazado.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
5/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
5
SusceptibilidadalPandeo
Cuantomslargosyesbeltosseanlosmiembrosacompresin,tantomayoreselpeligrodepandeo.
Comose indicpreviamente,elacerotieneunaaltaresistenciaporunidaddepeso,peroalusarsecomocolumnasno resultamuyeconmicoyaquedebeusarsebastantematerial,sloparahacermsrgidaslascolumnascontraelposiblepandeo.
Fatiga
Otracaracterstica inconvenientedelaceroesquesuresistenciapuedereducirsesisesometeaungrannmerode inversionesdel sentidodelesfuerzo,obien,aungrannmerode cambiosde lamagnitud del esfuerzo de tensin. (Se tienen problemas de fatiga slo cuando se presentantensiones).Enlaprcticaactualsereducen lasresistenciasestimadasdetalesmiembros,sisesabedeantemanoqueestarnsometidosaunnmeromayordeciclosdeesfuerzovariable,queciertonmerolmite.
FracturaFrgil
Bajociertascondiciones,elaceropuedeperdersuductilidadylafallafrgilpuedeocurrirenlugaresdeconcentracindeesfuerzos.Lascargasqueproducenfatigaymuybajastemperaturasagravanlasituacin.
1.4ELACEROESTRUCTURALYSUSPROPIEDADESMECNICASLaprincipalventajadelaceroessualtaresistenciaenrelacinconlasresistenciasdeotrosmateriales
estructuralescomunes:lamadera,lamamposterayelhormign.Adiferenciadelamamposterayelhormign,quesondbilesatraccin,elaceroesresistentetantoalatraccincomoalacompresin.Debidoasualtaresistencia,elaceroestructuralseusaampliamenteenconstruccin.Lasestructurasmsaltasydemayordistanciaentreapoyossonpredominantementedeacero.
En laFigura1.2sepresentanlosdiagramastpicosdeesfuerzodeformacinenelaceroestructural.Sebasanenlaaplicacindefuerzasdetraccinaunamuestradeprueba.Laordenada(esdecir,elejevertical) representaelesfuerzo,quesedefinecomo lacargadivididaporelreade la seccin
transversal. Las unidades de esfuerzo son kip ( kilopounds; es decir, 1 000 libras) por pulgadacuadrada,comnmente representadasporksi.Laabscisa (esdecir,elejehorizontal) representa ladeformacin,queesunamedidadealargamientobajoesfuerzo y sedefine comoelaumentoenlongitud,divididoporlaunidadoriginal.Lasunidadesdeladeformacinsonpulgadasobrepulgada;
ladeformacinesadimensional.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
6/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
6
Figura 1.2 Diagrama esfuerzodeformacin mostrando los efectos del endurecimiento pordeformacin.
Siuna pieza de acero estructural dctil se somete a una fuerzade tensin, sta se comenzar a
alargar.
Si
se
incrementa
la
fuerza
a
razn
constante,
la
magnitud
del
alargamiento
aumentar
constantementedentrodeciertoslmites.Enotraspalabras,elalargamientoseduplicarcuandoel
esfuerzo pase de 6 000 a 12 000 psi (pounds per square inches); se usar psi lb/pulgindistintamente).Cuandoelesfuerzodetensinalcanceunvaloraproximadamenteigualaunmediode la resistencialtimadelacero,elalargamiento comenzar aaumentarms y rpidamente sin
incrementocorrespondientedeesfuerzo.
Elmayoresfuerzoparaelque todavaesvlida la leydeHookeoelpuntomsaltode laporcinrectadeldiagramaesfuerzodeformacinsedenominalmitedeproporcionalidad.Elmayoresfuerzo
queunmaterialpuederesistirsindeformarsepermanentementesedenomina lmiteelstico.Este
valorraravezsemideyparalamayoradelosmaterialesestructurales,incluidoelacero,essinnimo
del
lmite
proporcional.
Por
esta
razn
se
usa
a
veces
el
trmino
lmiteproporcional
elstico.
El esfuerzo en elque se presentaun incrementobrusco en el alargamientoo deformacin si unincremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo defluencia; corresponde al primer punto deldiagrama esfuerzodeformacin para el cual la tangente a la curva es horizontal. El esfuerzo defluencia es para el proyectista la propiedad ms importante del acero, ya que muchosprocedimientosdediseosebasanenestevalor.Msalldelesfuerzodefluenciahayunintervaloen el que ocurre un incremento considerable de la deformacin sin incremento de esfuerzo. Ladeformacinque sepresentaantesdelesfuerzode fluenciasedenominadeformacinelstica.Ladeformacinqueocurredespusdelesfuerzode fluencia sedenominadeformacinplstica.Esta
ltimadeformacinesgeneralmenteigualenmagnituda10o15vecesladeformacinelstica.
Despusdelareginplsticasetieneunazonallamadaendurecimientopordeformacinenlaqueserequieren esfuerzos adicionalesparaproducir deformacionesmayores. Estaporcindel diagrama
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
7/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
7
esfuerzodeformacin no resulta muy importante para los proyectistas actuales porque las
deformaciones son muy grandes. En la Figura 1.3 se muestra un diagrama tpico de un acero
estructuraldebajocontenidodecarbono.Slosepresentaaqulaparteinicialdelacurva,debidoa
la gran deformacin que ocurre antes de la falla. En el punto de falla, los aceros dulces tienendeformaciones unitarias que equivalen a valores que oscilan entre 150 y 200 veces loscorrespondientesaladeformacinelstica.Lacurvaalcanzasuesfuerzomximoyluegodisminuye
poco a poco antes de que ocurra la falla. En esta regin de la curva se presenta unamarcadareduccindelaseccintransversal,llamadaestriccindelelemento,Figura1.4.
Figura1.3DiagramaEsfuerzoDeformacincaractersticodeunaceroestructuralconbajocontenidodecarbono.
Figura1.4Estriccinoensanchamientosbitodeunaprobetadeaceroenlaseccin.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
8/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
8
Tabla1.1Acerosusadosenlosperfilesyplacasdeaceroestructural
Lossiguientesdatos,sonvaloresaproximadosparatodoslosaceros:
MdulodeElasticidad(E) :29000[ksi]MdulodeCortante(G) :11200[ksi]RelacindePoison :0.30Esfuerzodecedenciaencorte :0.57veceselesfuerzodecedenciaentraccin
Resistencialtimaencorte :2/3a3/4veceslaresistenciaalatraccin
VaseASTMA6paraconocerlaclasificacindelgrupodelosperfilesestructurales
Entrelosacerosestructuralesmsimportantessetienen:
Acero
estructural;
ASTM
A36
donde
fy
=
36
ksi
Fy=36kilopoundperSquireinch=36klb/pulg
fy=36ksix70.3 2500kg/cmASTMA50 donde fy=50ksi
Fy=50ksix70.3 3500kg/cm
1.5PERFILESYPLACASDEACEROESTRUCTURALUnmiembroestructuralpuedeserunperfillaminadoopuedeestarcompuestodedosomsperfileslaminadosodeplacas,unidosmediantesoldadurasopernos.Siemprequeseaposibleseempleanlos perfiles laminados ms econmicos. Sin embargo, se puede exigir el uso de miembros
compuestos
en
condiciones
especiales
(tales
como
las
que
se
necesitan
para
miembros
muy
pesados
oseccionestransversalescongeometrasparticulares).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
9/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
9
Actualmenteelhierroyelacerocomprendencasiel95%enpesodetodoslosmetalesproducidosen
el mundo. Los aceros para usos estructurales se clasifican por su composicin qumica, las
propiedades que se presentan cuando es sometido a traccin y por la forma de fabricacin, en:
aceros de carbono, aceros de alta resistencia y de baja aleacin, aceros de carbono tratadostrmicamente,yacerosaleadosparaconstruccintratadostrmicamente.
EnlaFigura1.6seobservaunacurvatpicadeesfuerzodeformacinparauntipodeaceroparacadagrupo,con lafinalidaddeobservar losnivelescrecientesderesistenciadecadaunode lostiposdeaceros.
En laTabla1.1sepresentaalgunosde losacerosmsutilizadosencadaunode losgruposconsusresistenciasespecficasenperfilesyplacas.EnlaNormaAISC01sepuedeobservarlaspropiedadesmnimasespecificadasparaperfilesyplacasdeaceroestructuralcomoseindicaenlaTabla1.2.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
10/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
10
Tabla1.2EspecificacionesparaperfilessegnelASTM(vaseAISC01,pg.224)
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
11/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
11
Tabla1.3EspecificacionesparaperfilessegnelASTM(vaseAISC01,pg.225)
1.5.1 AcerosalCarbonoLascaractersticasgeneralesdelaceroalcarbonoson:1. Mximocontenidoparaelementosquenosobrepasanlassiguientescantidades;manganeso1.65%;silicio0.60%;cobre0.60%.
2. Elmnimoqueseespecificanosobrepaseel0.40%
3. EnelreglamentodelAISCnoespecificauncontenidomnimoparaotroselementosaadidosparaobtenerunaaleacindeseada.
ElaceroA36eselacerodeusofrecuenteparapuentes,edificiosyotrosusosestructurales.EsteproporcionaunpuntodefluenciamnimoFy=36[klb/pulg=ksi]entodoslosperfilesyplacas
estructuralesdehasta8pulgadasdeespesor.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
12/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
12
ElaceroA573,queenlatabla1.1estdisponibleentresgradosderesistenciaparaaplicacionesenplacasenlascualesimportalatenacidad.
Entrelosacerosdebajaaleacindealtaresistencia(HSLA),sonaquellosquepresentanelpuntode fluenciaFy=40 [ksi]yalcanzanesaresistenciacuandoson laminadosencaliente,ynoportratamiento trmico, estos aceros ofrecen un aumento de resistencia con un incremento de
precio.
ElaceroA242esunaceroqueesresistentea lacorrosinsuperficial,entoncesse loutilizaencasosdondelaresistenciaalacorrosinatmosfricaporlomenosesequivalentea4vecsladelaceroalcarbonoparausosestructurales.
El aceroA588 es el aceroms empleado en el trabajo estructural. Proporciona un punto defluenciadeFy=50[ksi]enplacasdehasta4pulgadasdeespesor.
El grupo A572 especifica aceros HSLA de columbiovanadio en cuatro grados con punto defluenciamnimosde42,50,60y65[ksi].Elgrado42enespesoreshastade6pulgadasyelgrado
50enespesorcon4pulgadasseusanparapuentessoldados.(VaselaFigura1.6)
Losacerosdebajaaleacinydealtaresistenciaselosutilizaparaconstruccindemaquinariasynoparaeldiseodeestructuras.
1.5.2 CurvasTpicasdeEsfuerzoDeformacinparaAcerosEstructuralesyConcreto.Comosepuedeobservar,lascurvastpicasdeacerosestructuralesydeconcretoenlaFigura1.5,
elmduloelsticoparaelacerodeterminadoanterirmenteyparaelmdulodeelasticidaddelconcretowcestcomprendidoentre1.44y2.48ton/mdepesosnormales(ACI31805artculo8.5.1),es:
'15100 cc fE =
Ec=MdulodeElasticidaddelconcreto,[MPa].fc=Resistenciaalacompresincilndricaalos28das.wc=Pesounitariodelconcreto,[ton/m]
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
13/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
13
Figura 1.5 Curvas tpicas esfuerzodeformacin del concreto y acero. (Vase Diseo deEstructurasdeConcretodeArthurH.Nilson).
Figura 1.6 a) Curvas tpicas esfuerzodeformacin para aceros estructurales; b) Curvas tpicas
esfuerzodeformacinparaacerosestructuralesyconcreto.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
14/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
14
1.5.3 EconomaenelDiseoEstructuralDebido al Incremento y competitividad en la industria de la construccin, con costos de
materialesymanodeobraquevanenaumento,elIngenieroEstructuralestobligadoabuscarlamxima economa en el diseo, que est relacionada con la seguridad y la vida til de laestructura.
Enelcasodeestructurasdehormignarmadoeldiseadorsepreocupapordisearlaestructuraquefalleprimeroelaceroyluegoelconcreto,dandoascumplimientoaunodelosprincipiosdela ingenieraestructuralquees laseguridad,yaqueesteevitaraque laestructuracolapseysepuedansalvarvidashumanas.
Algunasveceseltransportetieneunagraninfluenciaenlaeconoma,lasconexionespuedenserfabricadas en un taller lo que abaratara costos cuando se fabrican durante elmontaje. Porejemploun tallerconstruido sobreunavanavegable tieneunagranventajaalconstruirseunpuentesobreelro.
Enel casode grandespuentes,puede construirseun tallerprovisional, cercade laobrapara
evitareltransportedeloselementosdelpuente.
Ladisposicindelosmiembrosdeunaestructuratambinesafectadaporlaeconoma,lamejor
maneraesproporcionarunatrayectoriamsdirectaposibleparatransmitir lafuerzadelpunto
decargaalacimentacindeunaestructura.
1.5.4 Perfiles(Secciones)deAceroLos usos de los diversos perfiles semostrarn en los captulos siguientes. Se hace referenciaconstanteenelpresente textoalManualdeDiseoenAcerosegnelMtododeFactoresdeCarga y Resistencia;Manual LRFD (Manual of Steel Construction Load and Resistance FactorDesign), publicado por el Instituto Americano de la Construccin de Acero (AISC). Esteproporciona la informacindetallada sobre losperfilesestructuralesdeacero,esdenominadoManualLRFD.
SerecomiendaqueellectorconsulteelManualLRFDdelAISC01dondesedanlasdimensionesypropiedadesdelosperfileslaminadosencalienteW,S,L,Cyotrosms.
1.5.4.1 PerfilesWLosmiembrosestructuralesmayormenteutilizadossonaquellosquetienengrandesmomentos
deinerciaconrelacinasusreas.
LosperfilesItienenestapropiedad,generalmentelosperfilesdeacerosedesignanporlaformade sus secciones transversales, estas vigas son de patn ancho (denominadas vigas W), lasuperficieinternadeunavigaWesparalelaalasuperficieexternaconunapendientemximade1:20enelinterior,dependiendodesuprocedenciayfabricacin.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
15/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
15
Figura1.7PerfilWShapes(ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign2001
ThirdEdition)
EnelManualAISC01sepuedenobservarunagranvariedaddeperfilesW,conlasdimensionesy
propiedadesdecadaunadeellos(Pg.112alasPg.129).
AnteslosperfilesWsedenotabancomo:
WF40x321(WideFlanges=AlasAnchas)
Lasimbologaqueesutilizadaactualmenteparasunotacines:
W40x321Peso[lb/ft]
ProfundidadAprox.[in]
Elprimertrminoindicaconciertaaproximacinlaprofundidadotamaoaproximadoden[in],yelsegundotrminoindicaelpesodelperfilen[lb/ft].
EstetipodeperfilesWsonunodelosperfilesquetieneunamayorresistenciaalaflexinesto
porquecuentanconunelevadoMomentodeInercia.
OtrasdelascaractersticasesquelasalasdelperfilWestnalejadasdelcentrodelperfil,porlo
tantomientrasms alejadas las alas se tienemayormomento de inercia y sucede tambincuando se incrementael anchode lasalas,pero sedeber teneren cuentaque cuandoesteincrementoesdemasiadotantoenelalmadelperfily lasalassepandea,producindoseaselpandeolocaldelalmaopandeolocaldelalacomoseindicaenlaFigura1.8
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
16/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
16
Figura1.8PerfilesWconPandeoLocal:a)Pandeodelalma,b)Pandeodealas.
1.5.4.2 PerfilesSEste tipodeperfiles fueron losprimerosen fabricarsey suuso fuemuydifundidoenEstadosUnidos, teniendounapendientede1:6enel interiordesuspatines,comosepuedeobservar,estosperfilesadiferenciadelosWnopresentanespesoresconstantesyunaciertacurvaturaenelalmaylasalasdelperfilSquedificultalasconexiones.
Esmuyutilizadoen la construccindepuentes, yaque facilitael escurrimientodelaguao la
nievequeestencontactoconlosperfiles,estograciasalapendientequepresentan.
Figura1.9PerfilSShapes(ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign2001).
EnelAISC01sepuedenobservarlosperfilesS,(Pg.126alasPg.127).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
17/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
17
1.5.4.3 PerfilesM
Figura 1.10PerfilMShapes (Manualof SteelConstruction Load andResistance FactorDesign
2001).
Lafabricacindeestosperfilesesapedidosegnlosrequerimientosespecialesdelquediseay
el constructor, es decir, no son perfilesmuy comerciales. En elManual AISC01 se pueden
observarperfilesM,(Pg.125alasPg.126).
1.5.4.4 PerfilesHPEs utilizado en el diseo de pilotes de acero para las fundaciones de estructuras como serpuentes,edificiosyotros.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
18/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
18
Figura1.11PerfilHPShapes (ManualofSteelConstruction LoadandResistance FactorDesign
2001).
EsteperfilestfabricadodetalmaneraqueelalmatienemayorespesorqueelalaparaqueelalamadelperfilHP resista la fuerzadelmartilloqueejerceenelmomentodelhincado.EnelManualAISC01sepuedenobservarperfilesHP,(Pg.128alasPg.129).
1.5.4.5 PerfilesCyMCLosperfiles canal como semuestraen la Figura1.12,puedenutilizarseen la construccindearmadurasplanasconectadasaplacasdenudoconpernos,remachesosoldadura.Al igualquelos perfiles M, la fabricacin de los perfilesMC es a pedido segn los requerimientos deldiseadoryelconstructor,estosperfilesnosonmuycomerciales.
EnelManualAISC01sepuedenobservar losperfilesC, (Pg.130a lasPg.131)yMC, (Pg.132alasPg.133).
Figura 1.12 Perfil CShapes (Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design2001).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
19/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
19
1.5.4.6 PerfilesL
Figura 1.13 Perfil LShapes (Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design2001).
Losperfiles L son losmsutilizadosenestructurasdonde senecesiteminimizar las cargasde
vientooporrazonessimplementeestticas.
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesL,(Pg.134alasPg.139).
1.5.4.7 PerfilesWT
Figura1.14PerfilWTShapes (ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign2001).
LasestructurasconperfilesT,sonsatisfactoriascomocuerdasdearmadurassoldadasporquelos
miembrosdelacelosasepuedenconectarfcilmenteaellas.
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesWT,(Pg.140alasPg.151).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
20/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
20
1.5.4.8 PerfilesMT
Figura1.15PerfilMTShapes (ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign2001).
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesMT,(Pg.152alasPg.153).
1.5.4.9 PerfilesST
Figura1.16Perfil STShapes (Manualof SteelConstruction LoadandResistance FactorDesign2001).
LosperfilesST,seobtienendelosperfilesS,tienenlaventajadequesusperaltesnovaranconrespectoalosperfilesWT.
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesST,(Pg.154alasPg.155).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
21/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
21
1.5.4.10 PerfilesRectangularesHSS
Figura1.17PerfilRectangularyCuadradoHSSShapes (ManualofSteelConstruction LoadandResistanceFactorDesign2001).
LosperfilesRectangularyCuadradoHSSsonperfilesparausoexpuesto,paraminimizarlascarasdevientooporrazonesestticas.
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesHSS,(Pg.156alasPg.169).
1.5.4.11 PerfilesCircularesHSS
Figura1.18PerfilCircularHSSShapes(ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign2001).
LosperfilesCircularHSSoseccintubularal igualque losperfilesRectangularyCuadradoHSSsonutilizadosparaunusoexpuesto.
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesCircularHSS,(Pg.170alasPg.173).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
22/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
22
1.5.4.12 Perfiles2L
Figura1.19Perfil2LShapes (Manualof SteelConstruction LoadandResistance FactorDesign
2001).
Losperfiles2L,se losutilizaparamiembrosatraccindearmadurasparatechosqueconsisten
enangularessimples,perounmiembromssatisfactorioseconstruyeabasededosangulares,
espalda con espalda, deben conectarse cada 1.2 m 1.5 m para prevenier vibracin,especialmenteenarmadurasdepuentes.
Elperfil2L (dobleangular) tiene laventajade tenerunamayor resistencia con respectoa los
perfilesL(simpleangular),donde:
Elperfil2L (dobleangular) tiene laventajade tenerunamayor resistencia con respectoa losperfilesL(simpleangular),donde:
SfM = (Ecuacinvlida
para
ejes
principales)
Entonces:
S
Mf = Si:S>porlotantomayorresistencia
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfiles2L,(Pg.174alasPg.176).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
23/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
23
1.5.4.13 PerfilesCombinadosWC
Figura1.20PerfilWShapesCap(ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign2001).
EnelManualAISC01sepuedenobservarlosperfilesWCap.SonlacombinacindeunperfilW
conunperfilCMC,(Pg.180alasPg.181).
1.5.4.14 PerfilesCombinadosSC
Figura1.21PerfilSShapesCap(ManualofSteelConstructionLoadandResistanceFactorDesign
2001).
EnelManualAISC01sepuedenobservar losperfilesSCap.Son lacombinacindeunperfilS
conunperfilCMC,(Pg.182alasPg.183).
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
24/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
24
1.5.4.15 Rieles
Figura1.22Dimensionesypropiedadesdeseccionesriel(ManualofSteelConstructionLoadand
ResistanceFactorDesign2001).
EnelManualAISC01 sepuedenobservar lasdimensiones ypropiedadesdeuna variedaddeseccionesrieles,(Pg.188).
1.5.5 PerfilesDobladosenFroLosperfilesestructuralesdobladosenfro,sonaquellosfabricadosabasedeplanchas,tratadostrmicamente (templadosy revenidos)dndolesdurezay resistencia,para luegoseprocedaaldoblado de lasmismasmediante equipos sencillos de doblado en fro, la forma es segn losrequerimientosdeldiseadoryconstructor.
Losmiembrosformadosenfro,adiferenciadelasseccioneslaminadasencaliente,maspesadas,seusanesencialmenteentressituaciones:
1. Cuandocargasyclarosmoderadoshacenantieconmicosalosgruesosperfileslaminadosen
caliente.
2. Cuando, independientemente del espesor, se requieren miembros de configuracionestransversalesquenopuedenproduciren formaeconmicapor laminadoencalienteopor
soldadoenplacasplanas.
3. Cuando sebuscaque losmiembrosportadoresdecarga tambinproporcionen superficies
tiles,comoenpanelesdepisoyparedes,tablerosdetechoysimilaresyseanresistentesalacorrosin.
Se cuenta con una variedadde perfiles doblados en fro, los cuales pueden observarse en laFigura1.23.Estosperfilesestructurales son resistentes,durablesyahorran tiempoymanodeobra, entre sus aplicaciones tenemos; galpones, porta techos de viviendas, carroceras,
estructurasmetlicas,maquinasyequipos,etc.
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
25/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
25
Figura1.23De(ae)sonseccionessimplesparamiembrosestructurales,de(fh)seccionescon
refuerzo
para
miembros
estructurales,
de
(i
k)
secciones
para
cubiertas
o
paneles
(vase
ColdFormedMembersenStructuralSteelDesigndeLambertTall,SecondEdition)
Entre los perfilesms usados en la industria de la construccin se tienen las dimensiones ycaractersticas de los perfiles doblados en fro como ser perfil C, perfil costanera, angulares(vaseFigura1.24).
Figura 1.24 Dimensiones y caractersticas de perfiles C, Costanera, Angulares (Vase LRFD
ColdFormedSteelDesignManualofAmericanIronandSteelInstituteAISI1991)
Setieneotravariedaddemiembrosaflexinqueeslaarmaduraprefabricadacomoloslargueros
delalmaabiertayloslarguerostrabes.EstosproductossonregidosporelAISI(Specificationforthe ColdFormed Steel Structural Members), pero el reglamento que se estudia en estedocumentonoseaplicaalosperfilesenfro,teniendosupropioreglamentoqueeselManualde
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
26/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
26
Diseo de Aceros Laminados en Fro con elMtodo LRFD, (LRFD ColdFormed Steel Design
Manual).
Ejemplo1.1
Determinar:
a) ElMomentodeInerciadelperfilW10x112ycuantoresiste.
Entonces:
7/28/2019 DISEO_EN_ACERO_Y_MADERA _Capitulo 1_.pdf
27/27
DISEODEESTRUCTURASDEACERO(MtodoLRFD)
Ing.RodrigoSurezP.
b) Se tiene una seccin rectangular de acero con dimensiones 30 x 13.87, hallar elmduloresistente(S),delaseccinrectangular.
Conclusiones:
Haciendo una comparacin entre las secciones anteriormente estudiadas, el perfilW resistetantocomolaseccinrectangularyaquepresentanelmismomduloresistente,ysolovaraenelreacomosepuedeobservarenelEjemplo1.1incisoa)yb).
Elprincipioqueelingenieroestructuralpersigue,eseldelaseguridadyeconomaeneldiseoyconstruccindetodotipodeestructuras.
ElpesodelaseccinrectangulardeaceroesmayorqueeldelperfilW,porlotantoelcostodel
perfilWesmenorencomparacinaldelaseccinrectangular.