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DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO.

TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES

TIPOLOGIAS ESTRUCTURALES

PERFILES ESTRUCTURALES. El “AISC” (American Institute of Steel Construction), ha definido los siguientes perfiles estructurales: PERFILES EN FORMA “H” O “I” • PERFILES “W”:

Las superficies internas y externas de los patines (flanges), son paralelas.

• PERFILES “S”:

(Viga standard americana). La superficie interna de los patines tiene una pendiente del 16 2/3%.

• PERFILES “HP”: (Bearing Piles). Similares a los Perfiles W, con la excepción que los patines y el alma tienen el mismo espesor. • PERFILES “M”:

Perfiles que no están clasificados como perfiles W, S, HP. Se designan con su símbolo, peralte nominal en pulgadas y peso en lb/pie. Ej. W 30x90

PERFILES ESTRUCTURALES. CANALES • PERFILES “C”:

También llamado Canal Standard Americano. Tiene una pendiente de 16 2/3% en la superficie interior del patín.

• PERFILES “MC”: Llamados Canales Misceláneos. Tienen una pendiente diferente a 16 2/3% en la superficie interior del patín. Se designan con su símbolo, peralte nominal en pulgadas y peso en lb/pie. Ej. C 9x20

ANGULARES • PERFILES “L”:

Tienen alas de igual espesor, con una longitud que puede ser igual o desigual. Son designados con el signo “L”, longitud de las alas en pulgadas, y el espesor en pulg. Ej.: L 4 x 3 x 3/8

PERFILES ESTRUCTURALES. SECCIONES HUECAS “HSS”. (HOLLOW STRUCTURAL SECTIONS)

• Rectangulares:

Incluyen secciones cuadradas. Los bordes son redondeados, y tienen un espesor uniforme. Designados por el signo HSS, las dimensiones nominales en pulgadas, y el espesor de la pared. Ej.: HSS 10 x 10 x 1/2

• Circulares:

Secciones con espesor uniforme. Designados por el signo HSS, el diámetro nominal externo en pulgadas, y el espesor de la pared. Ej.: HSS 10.000 x 1/2

PERFILES ESTRUCTURALES. TUBOS DE ACERO Se clasifican dependiendo de su peso: Livianos, Medianos y Pesados. (Standard, X – Strong, XX – Strong.) Nomenclatura: Pipe, diámetro nominal en pulgadas, y clase de peso. Ej.: Pipe 5 Std.

OTRAS SECCIONES ESTRUCTURALES: • Angulares Dobles. •Canales Dobles. •Sección W con Canal en la parte superior.

TABLE 2-1. APPLICABLE ASTM SPECIFICATIONS FOR VARIOUS STRUCTURALES SHAPES

STEEL TYPE

ASTM DESIGNATION A36 A53 Gr. B

36 35 42 46 46 50 36 50 55 42 50 55

58-80(b) 60 58 58 62 62 58 65-100 70-100 60 65(d) 70

60

75

65

80

50(g) 50 50(h) 60 65 70

70(g) 65 60(h) 75 80 90

A588

50-65(i) 42(j) 46(k) 50(l) 50

65(i) 63(j) 67(k) 70(l) 70

A847(f)

50

70

Gr. B Carbon

High Strength Low-Alloy

A500 Gr. C A501 Gr. 50 A529(´c) Gr. 55 Gr. 42 Gr. 50 Gr. 55 Gr. 60 (.e) Gr. A572 65(.e) A618(f)

A913

Gr. I &II Gr. III 50 60 65 70

A992 Corrosion Resistant HighStrength Low-Alloy

Fy Min. Fu Y¡eld Tensile Stress Stress (Ksi) (Ksi)

A242

Applicable Shape Series W

M

S

HP

C

MC

L

HSS Steel Roun Pipe. Rec. d.

= Preferred material specification = Other applicable material specification, the availability of which should be confirmed prior to specification. = Material specification does not apply.

FILOSOFIAS DE DISEÑO. • ALLOWABLE STRESS DESIGN, ASD. (DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES) Son utilizadas cargas de servicio (Cargas no factoradas). Los esfuerzos permisibles son obtenidos al dividir los esfuerzos de resistencia por un factor de seguridad. Para el diseño Plástico, únicamente las cargas son multiplicadas por un factor común de mayoración. Ultima norma publicada en 1989. ASD-AISC,1989. • LOAD AND RESISTANCE FACTOR DESIGN, LRFD. (DISEÑO POR CARGA Y RESISTENCIA ULTIMA)

Publicada en 1999 por el American Institute of Steel Construction, AISC. Considera el estado límite de los materiales, múltiples factores de carga y resistencia con un análisis implícito de probabilidad de ocurrencia. El método LRFD fue ideado para ofrecer al diseñador flexibilidad, más racionalidad y posiblemente mayor economía.

CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO Cargas. Factores de Cargas. Resistencia-Resistencia Requerida. Servicialidad Estabilidad. Tolerancias.

• CARGAS, FACTORES DE CARGA Y COMBINACIONES LRFD

Las cargas , integración, factores de carga, y combinaciones de carga están basadas en el ASCE 7. Es permitida una reducción de carga viva de acuerdo a lo especificado en el ASCE 7.

Nomenclatura: D= Carga Muerta. L = Carga Viva. Lr = Carga Viva de techo. S = Carga por nieve. R = Carga nominal producida por lluvia o hielo, exclusiva para la contribución en empozamiento. W= Carga por Viento. E= Carga por Sismo.

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

1.4D 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr ó S ó R) 1.2D + 1.6(Lr ó S ó R) + (0.5L ó 0.8W) 1.2D + 1.6W + 0.5L + 0.5(Lr ó S ó R) 1.2D ± 1.0 E + 0.5L + 0.2S 0.9D ± (1.6W ó 1.0E)

Excepción: para las combinaciones 3,4 y 5, el factor para L debe ser igual a 1.0 para garajes, áreas ocupadas como espacios públicos, y áreas donde la carga viva es mayor que 100 psf. Factores de reducción de resistencia: Φ = 0.90 cuando este involucrado el estado limite de fluencia. Φ = 0.75 cuando este involucrado el estado limite de ruptura. Φ = 0.85 cuando este involucrada compresión y pandeo.

• DISEÑO PLÁSTICO. LRFD Según el código LRFD el diseño por análisis elástico o plástico es permitido, excepto que para el diseño plástico se debe cumplir lo siguiente: •Fy < 65 ksi. •Los patines sujetos a compresión, y las almas de cualquier elemento, deben tener una razón ancho-espesor “λp” de tal forma que se clasifiquen como compactas. •En elementos sujetos flexión, el Momento Ultimo debe ser determinado mediante un análisis plástico de segundo orden (PΔ). •En sistemas de Marcos Embreizados, la fuerza axial en los elementos causada por las cargas gravitacionales factoradas más las producidas por las cargas horizontales factoradas, no debe exceder de 0.85 * Φc * Ag * Fy •En sistemas de Marcos sin breizas, la fuerza axial en los elementos causada por las cargas gravitacionales factoradas más las producidas por las cargas horizontales factoradas, no debe exceder de 0.75 * Φc * Ag * Fy

•El diseño plástico de columnas es permitido si el parámetro de esbeltez λc no excede de 1.5K. •En elementos a flexión simple y flexo-compresión, deberá proveerse soporte lateral a las secciones en que sea inducida compresión para evitar el fallo prematuro por pandeo de la sección antes de alcanzar el esfuerzo plástico.

DISEÑO DE ELEMENTOS SUJETOS A TENSIÓN.

DISEÑO DE ELEMENTOS SUJETOS A TENSIÓN. AREA GRUESA: El Área Gruesa de un elemento en cualquier punto, es la suma de los productos de el espesor y ancho de cada elemento. AREA NETA: El Área Neta de un elemento es el área gruesa menos el área de los agujeros de los pernos, tomándolos como 1/16” más grandes. AREA EFECTIVA: El Área Efectiva será igual al Área Neta, si todas las secciones del elemento sometido a tensión se encuentran conectadas por pernos o soldadura. Cuando no estén todas las secciones del elemento conectadas, habrá que modificar el Área Neta por “rezago de cortante” para calcular el área efectiva.

REZAGO DE CORTANTE. Ocurre cuando no todos los elementos de una sección transversal están conectados. La consecuencia de esta conexión parcial, es que el elemento conectado se sobrecarga y la parte sin conectar no esta totalmente esforzada. El concepto de área neta efectiva aplica para ambos tipos de conexiones, pernadas y soldadas. CALCULO DE ÁREA NETA EFECTIVA. Secciones pernadas: Ae = An*U U = 1 – x/l ≤ 0.9 En donde: Ae = Área efectiva en in2 An = Área neta en in2. U = Coeficiente de reducción. X = Excentricidad de la conexión, en in. l = Largo de la conexión en la dirección de la carga, en in.

Secciones soldadas. La ecuación para el área neta efectiva depende del tipo de soldadura. Cuando únicamente es transmitida tensión por una soldadura longitudinal que conecta el miembro a otro, o la soldadura es longitudinal y transversal: Ae = Ag * U U = 1 – x/l ≤ 0.9 Cuando la tensión es transmitida únicamente por una soldadura transversal: Ae = A * U U = 1.0

ESPECIFICACIONES PARA ELEMENTOS SUJETOS A TENSIÓN. Pu < 0.9 *Fy * Ag Pu < 0.75 * Fu * Ae

Chequeo por Fluencia. Chequeo por Ruptura.

Relación de esbeltez, L/r < 300.

ELEMENTO SUJETO A TENSIÓN Y REZAGO DE CORTANTE

DISEÑO DE ELEMENTOS A COMPRESIÓN. Los miembros de acero sujetos a compresión, están clasificados en base a los ratios de ancho-espesor de los elementos de la sección transversal del miembro. Un miembro es clasificado como esbelto, si la relación ancho-espesor es mayor a λr

Si λp < b/t < λr, el miembro es no compacto. Si b/t < λp, el miembro es compacto.

Los miembros que sean parte del sistema sismo resistente, deberán ser compactos de acuerdo a la tabla B5.1, y deberán ser sísmicamente compactos de acuerdo a la Tabla I-8-1, ambas de las especificaciones LRFD y Provisiones Sísmicas.

LONGITUD EFECTIVA EN ELEMENTOS A COMPRESIÓN. La longitud física de un elemento a compresión es la distancia entre puntos embreizados o con soporte lateral. El concepto de longitud efectiva es un método de estimación de los efectos de interacción entre toda la estructura sobre un elemento a compresión.

Para la longitud efectiva KL, el factor K puede calcularse aproximadamente como:

CAPACIDAD DE CARGA DE MIEMBROS A COMPRESIÓN. La resistencia a compresión de un miembro cuyos elementos tengan una relación ancho-espesor menor a λr es igual a Φc Pn: Φc = 0.90 Pn = Ag Fcr Ag = Area gruesa en in^2 Fy = Limite de Fluencia ksi. E = Modulo de Elasticidad, ksi. K = Factor de longitud efectiva. L = Longitud sin soporte lateral. r = Radio de giro que gobierna.

DISEÑO DE ELEMENTOS A FLEXIÓN. Los miembros a flexión son clasificados en base a la longitud Lb entre soportes laterales. Los miembros a flexión son considerados embreizados si Lb < Lp. Son considerados no embreizados si Lb > Lp. Una viga no embreizada con Lb ≤ Lr esta sujeta a pandeo inelástico lateral torsional. Una viga no embreizada con Lb > Lr esta sujeta a pandeo elástico lateral torsional. El Momento resistente nominal a flexión, es el menor valor obtenido de acuerdo a los estados límites: •Fluencia. •Pandeo torsional de todo el miembro. (No aplicable a flexión sobre eje débil, ni secciones circulares y ángulos dobles) •Pandeo local del flange. •Pandeo local del alma.

Para Lb < Lp y λ ≤ λp, la resistencia del miembro es Mn = Fy Zx Para Lp Lr M n = Cb Sx X1 √2 Lb / ry

1 + X12 X2 2(Lb/ry)2

DISEÑO POR CORTE PARA ALMAS (Web) SIN RIGIDIZANTES. Si h/tw ≤ 260 Para h/tw ≤ 2.45 √E /Fyw

Vn = 0.6 Fyw Aw

Para 2.45 √E /Fyw < h/tw ≤ 3.07 √E/Fyw

Vn = 0.6 Fyw Aw 2.45√E/Fyw h/tw

Para 3.07 √E/Fyw < h/tw ≤ 260

Vn = Aw (4.52E / (h/tw)2)

Rigidizantes no son requeridos si h/tw ≤ 2.45 √E /Fyw o cuando Vu ≤ 0.6 Φ Aw Fyw Cv Cv = Coeficiente que depende de la geometria del alma y las propiedades del acero.

DISEÑO DE CONEXIONES. CONEXIONES POR APLASTAMIENTO: Conexiones en la que los pernos son los que resisten las solicitaciones por medio de fuerzas cortante en su área transversal. CONEXIONES CRÍTICAS AL DESLIZAMIENTO: Conexiones en la que los pernos son pos tensados, y las solicitaciones son resistidas por fricción entre los miembros conectados. CONEXIONES POR CORTE SIMPLE: Diseñadas para resistir y transmitir únicamente corte. CONEXIONES RESISTENTES A MOMENTO: Diseñadas para resistir el efecto combinado entre momento y corte. El momento es descompuesto en un par, que será resistido por elementos de conexión. M=Pxd M = Momento actuante. P = Fuerza aplicada en patines. d = Peralte efectivo de la viga.

CONEXIONES POR CORTE SIMPLE

CONEXIONES RESISTENTES A MOMENTO

CONSIDERACIONES PARA DISEÑO DE SOLDADURAS TIPOS DE SOLDADURA: •De Filete: Los elementos a soldar son colocados a tope para proceder a soldar el cordón requerido. Es más económica y fácil de elaborar. •De Garganta: Los elementos son biselados para soldar el cordón.

Resistencia de soldadura es el menor valor de: •ΦFBM ABM •ΦFwAw Donde Φ = Factor de resistencia. FBM = resistencia nominal del material base. ABM = Área del material base. Fw = resistencia nominal del electrodo. Aw = Área efectiva de la soldadura.

La resistencia de las soldaduras depende de la dirección de la carga respecto a su área efectiva, limite de fluencia del material base y de la resistencia del electrodo. Las soldaduras que unan elementos sometidos a cargas cíclicas o fatiga, deberán extenderse al menos 2 la dimensión de la soldadura.

NOMENCLATURA DE SOLDADURAS. SOLDADURA DE FILETE

SOLDADURA DE GARGANTA

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PERNOS. Tipos de pernos según LRFD-AISC. •A307. Usados solo para carga estática. •A325. Perno de alta resistencia, utilizados para conexiones por aplastamiento. •A490. Perno de alta resistencia, utilizados para conexiones por aplastamiento y criticas al deslizamiento. La resistencia del perno depende si su rosca se encuentra dentro o fuera del plano de corte.

El espaciamiento entre pernos >2 2/3 d, preferible 3d Máxima distancia del perno al borde = 12 veces espesor de parte conectada, siempre menor a 6 pulgadas. La distancia mínima entre perno al borde será: • 1 ¾ Diametro . Para bordes cortados. •1 ¼ Diametro, para bordes de perfiles rolados, o cortados con gas. Dimensiones nominales de agujeros. Diámetro de Agujero Standard = d + 1/16” Diámetro de Agujero sobre-dimensionado = d + 1/8” Díametro de Agujero de ranura corta = (d + 1/16”) x (d + 3/8”) Diámetro de Agujero de ranura larga = (d + 1/16”) x (2.5 x d) d = diámetro del perno.

DISEÑO DE CONEXIONES POR CORTE SIMPLE

Sección para chequeo por Fluencia y Ruptura en conexiones simples por corte.

Chequeo por Fluencia: ΦRn= 1.0 * (0.6 * Fy * Ag) Chequeo por Ruptura: ΦRn= 0.75 * (0.6 * Fu * An)

Sección para el Chequeo de ruptura del Bloque de Corte.

La resistencia del Bloque de corte es la menor de: •ΦRn= Φ(0.6 * Fu * Anv + Fy * Agt) •ΦRn= Φ(0.6 * Fy * Agv + Fu * Ant) Φ = 0.75.

DISEÑO DE CONEXIONES PARA FUERZAS EQUIVALENTES DE MOMENTO (FUERZAS DE TENSIÓN-COMPRESIÓN

Sección para el chequeo de Bloque de Ruptura.

Sección para el Chequeo por tensión. Resistencia de placa es la menor de: ΦRn = 0.9 *Fy * Ag ΦRn = 0.75 * Fu * Ae

El Chequeo de la placa a tensión se determinará ΦFcr dependiendo de la relación de esbeltez y compacidad de la placa. ΦRn = ΦFcr * Ag.

PROPEDEUTICO. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

MSc. Ing. José Humberto Rosal. 05 mayo de 2018. Horario 14:00 – 17:00 hrs. Sesión No.8