Trabajo De Estructuras.docx

Ductilidad La ductilidad mide grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El % de elongación presenta la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura. % 𝒅𝒆 𝒆𝒍𝒐𝒏𝒈𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 =

𝒍𝒇 −𝒍𝟎 𝒍𝟎

× 𝟏𝟎𝟎

Donde 𝒍𝒇 es la distancia entre las marcas calibradas después dela ruptura del material. Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área dela sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. El % de reducción de área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba: % 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒅𝒖𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒆𝒏 𝒂𝒓𝒆𝒂 =

𝑨𝟎 − 𝑨𝒇 × 𝟏𝟎𝟎 𝑨𝟎

Donde 𝑨𝒇 es el área de la sección transversal en la superficie de la fractura. La ductilidad es importante tanto como para los diseñadores como para los fabricantes. El diseñador de un componente preferirá un material que tenga por lo menos cierta ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado resulta demasiado alto, el componente se deforme antes de romperse. Los fabricantes también prefieren un material dúctil, a fin de manufacturar formas complicadas sin que se rompa durante el proceso. Isotropía En física, la isotropía se refiere al hecho de que ciertas magnitudes vectoriales medibles dan resultados idénticos con independencia de la dirección escogida para la medida. Cuando una determinada magnitud no presenta isotropía decimos que presenta anisotropía. En matemáticas, la isotropía se refiere a una propiedad geométrica de invariancia en una variedad diferenciable. De la raíz iso - = "equitativo o igual"; algo isótropo es algo de proporciones idénticas. Casos físicos de isotropía Por ejemplo, cuando medimos el comportamiento de la luz al atravesar un objeto, los cristales anisótropos presentan distintos índices de refracción en función de la dirección del haz de luz. Esta propiedad es constante en un cristal isótropo. La estructura interna de un mineral determina su comportamiento isótropo o anisótropo. Si éste no posee una organización interna, o si ésta es muy regular, se trata de un mineral isótropo. Cualquier otro es considerado anisótropo. Por lo tanto nos está diciendo que las propiedades del medio no son idénticas en todas las direcciones. Materiales isotrópicos Un material es isotrópico si sus propiedades mecánicas y térmicas son las mismas en todas las direcciones. Un material es ortotrópico cuando sus propiedades mecánicas o térmicas son únicas e independientes en tres direcciones perpendiculares entre sí.

Los materiales isotrópicos pueden tener estructuras microscópicas homogéneas o no homogéneas. Por ejemplo, el acero muestra un comportamiento isotrópico, aunque su estructura microscópica no es homogénea. CONTENIDO

Modelo isotrópico elástico lineal Un material se considera isotrópico si sus propiedades no varían con la dirección. Los materiales isotrópicos, por lo tanto, tienen un módulo elástico, un coeficiente de Poisson, una conductividad térmica, un coeficiente de expansión térmica, etc. idénticos en todas direcciones. El término isotérmico algunas veces se utiliza para indicar materiales sin direcciones preferidas para coeficientes de expansión térmica.

ASTM A36 La ASTM especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso, silicio, etcétera, que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades físicas y mecánicas de los perfiles de acero las determina principalmente su composición química, también influye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de laminado, la historia de sus esfuerzos y el tratamiento térmico aplicado. En las décadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con un 𝒌𝒍𝒃

esfuerzo mínimo de fluencia 𝑭𝒀 = 𝟑𝟔 𝒌𝒔𝒊(𝒐 𝒑𝒖𝒍𝒈𝟐 ), era el acero estructural comúnmente usado. Sin embargo, actualmente (1995), la mayoría del acero estructural usado en los estados unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos eléctricos. Con este proceso puede producirse un acero de 50 ksi y venderse a casi el mismo precio que el acero A36. Como consecuencia, al tiempo de escribir esto, el acero 50 ksi producido por el proceso eléctrico, es el acero estructural usado comúnmente en los estados unidos. En décadas recientes los ingenieros y arquitectos han requerido aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera durante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas, de manera que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en las especificaciones LRFD. Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de la ASTM; los aceros de propósitos generales (A36), los aceros estructurales de carbono (A529), los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A572), los aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y la placa de acero templada y revenida (A514 y A852).

Designación tipo de la ASTM acero

de Formas

A36

Al carbono

A529

Al carbono

A572

A242

A588

A852

A514

Perfiles, barras placas

Usos Esfuerzos recomendados mínimo de 𝒇𝒍𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂 𝑭𝒚 , en ksi

Resistencia mínima especificada a la 𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏 𝒃, 𝑭𝒖 , en ksi Edificios, 36, pero 32 58-80 y puentes y otras si el estructuras espesor es atornilladas o mayor de 8 soldadas pulg y Similar al A36 42-50 60-100

perfiles placas hasta de ½ pulg ColumbioPerfiles, Construcción vanadio de placas y soldada o alta barras atornillada. No resistencia y hasta de 6 para puentes baja pulg soldados con 𝐹𝑦 aleación grado de 55 o mayor De alta Perfiles, Construcción resistencia, placas y atornilladas, baja barras soldadas o aleación y hasta de 5 remachadas; resistencia a pulg técnica de la corrosión soldado muy importante De una Placas y Construcción resistencia, barras atornillada baja hasta de 4 aleación y pulg resistente a la corrosión atmosférico Aleación Placas solo Construcción templada y hasta de 4 soldada o revenida pulg atornillada, principalmente para puentes y edificios soldados. Proceso de soldadura de importancia fundamental Baja Placa solo Estructura aleación de 21/2 a 6 soldada con pulg gran atención a

42-65

60-80

42-50

63-70

42-50

63-70

70

90-110

90-100

100-130

templada revenida

y

la técnica; no se recomienda si la ductilidad es importante

Ventajas del acero 

Alta resistencia

La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importante en puentes de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación. 

Uniformidad

Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en 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, gracias a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzo bastante alto. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos. 

Durabilidad

Si el manteniendo de las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura. 

Ductilidad

La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensiones. Cuando se prueba a tensión un acero con bajo contenido de carbono, ocurre una reducción considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino. En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitándose así fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de inminencia de la falla.



Tenacidad

Los aceros estructurales son tenaces, es decir poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una característica muy importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su formación y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad. 

Aplicaciones de estructuras existentes

Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles adiciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con frecuencia pueden ampliarse. Propiedades diversas Otras ventajas importantes del acero estructural son: a) Gran fragilidad para unir diversos miembros de varios tipos de conexión como son la soldadura, los tornillos y los remaches b) Posibilidad de fabricar los miembros c) Rapidez de montaje d) Gran capacidad de laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas como se describe en la sección e) Resistencia a la fatiga f) Reuso posible después de desmontar una estructura g) Posibilidad de venderlo como chatarra aunque no pueda utilizarse en una forma existente. El acero es el material reutilizable por excelencia. Desventaja del acero 

Costo de mantenimiento

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. El uso de aceros intemperados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Costo dela protección contra el fuego Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios en inmuebles vacíos en los que el único material combustible era el mismo inmueble. El acero es un excelente conductor de calor, de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de una construcción debe protegerse mediante materiales con ciertas características aislantes o el edificio deberá acondicionarse con sistema de rociadores para que cumpla

con los requisitos de seguridad del código de construcción de la localidad en la que se halle. 

Susceptibilidad al pandeo

Cuanto más largo y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. Como se indicó previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas so resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible pandeo. 

Fatiga

Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia puede reducirse si se somete a un gran número de inversiones del sentido de, esfuerzo o bien, a un gran número de cambios de la magnitud del esfuerzo de la tensión. (Se tienen problemas de fatiga solo cuando se presentan tensiones.) En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarán sometidos a un número mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto número limite. 

Fractura frágil

Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la falla frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación. ¿Qué es LRFD? EL LRFD (Load and Resistance factor design) es un método que se utiliza para el diseño de estructuras de acero, este nos permite hacer de una manera más eficaz nuestros proyectos. El acero es un material utilizado desde hace entre 2000 y 300 años, pero jamás en producción en masa ya que no se contaba con la tecnología ni con la suficiente capacidad del ser humano, solamente lo utilizaban para ocasiones especiales, sino al siglo XIX se creó un método de producción económica. Se dice que descubrieron el acero mientras reforzaban hierro con más capas de acero y en una de tantas veces como este no era solamente hierro también tenía otros elementos que no se contaba con ellos al hacer reacción con las demás capas crearon acero. Ya estando en el siglo XIX dos científicos uno Inglés y otro Estadounidense llegaron al mismo método para producir acero en grandes masas y a este proceso se le llamó Bessemmer. Después de todo esto, el primer uso de acero en un edificio que estructuró William Lebaron Jenny pero solo se utilizó en partes el acero no en todo este. El primer Edificio hecho completamente por acero fue el segundo edificio Rand-McNally terminada en 1980 en chicago, y a su vez en 1989 la torre Eiffel de 985 pies de altura y como esta le introdujeron un elevador mecánico, la tecnología de los edificios se revolucionó para siempre utilizando elevadores en cualquier edificio de ese año en adelante hasta la fecha. En 1890 se crearon muchas manufacturas de acero las cuales proponían sus ideales y teorías cuál sería la mejor forma de estructurar el acero y lo podían moldear de tal forma que se pudieron cambiar sus propiedades y mejorarlas, como lo son: Alta resistencia, uniformidad, elasticidad, durabilidad, ductilidad, tenacidad, todas están mejoran el rendimiento de las estructuras.

LRFD Las cargas de trabajo o servicio (Qi) se multiplican por ciertos factores de carga o seguridad (λi–siempre mayores que 1.0) Las cargas factorizadas usadas para el diseño de la estructura. Las magnitudes de los factores de carga varían, dependiendo del tipo de combinación de las cargas. La estructura se proporciona para que tenga una resistencia última de diseño suficiente para resistir las cargas factorizadas. Esta resistencia es la resistencia teórica o nominal (Rn) del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia (φ‐siempre menor que 1.0) La expresión para el requisito de seguridad estructural es: Σλi Qi≤φRn (Suma de los productos de los efectos de las cargas y factores de carga) ≤(factor de resistencia)(resistencia nominal) (Los efectos de las cargas) ≤ (la resistencia o capacidad del elemento estructural) Donde U –la carga última D –cargas muertas (Dead load) L –cargas vivas (Live load) Lr –cargas vivas en techos (Roof Live load) S –cargas de nieve (Snow load) R –carga inicial de agua de lluvia o hielo (Rain water or ice load) W –fuerzas de viento (Wind load) E –Fuerzas de Sismo (Earthquake load) Se base en los conceptos de estados límite. El estado límite es para describir una condición en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función. Estados de límite: Los estados límite de resistencia: Se basan en la seguridad o capacidad de carga de las estructuras e incluyen las resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo, etc. Los estados límite de servicio: Se refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y agrietamientos. Factores de Resistencia La resistencia última de una estructura depende en la resistencia de los materiales, las dimensiones, la mano de obra y no puede calcular exactamente Que puede influir 1. Imperfecciones en las teorías de análisis 2. A variaciones en las propiedades de los materiales 3. A las imperfecciones en las dimensiones de los elementos estructurales Para hacer esta estimación, se multiplica la resistencia última teórica (resistencia nominal) de cada elemento por un factor Q, de resistencia. Magnitud de los factores de carga y resistencia Las incertidumbres que afectan a los factores de carga y resistencia son: Variación en la resistencia de los materiales.

Error en los métodos de análisis. Los fenómenos naturales como huracanes, sismos, etcétera. Descuidado durante el montaje La presencia de esfuerzos residuales y concentraciones de esfuerzos, variaciones en las dimensiones de las secciones transversales, etc. Confiabilidad y las especificaciones LRFD Confiabilidad al porcentaje estimado de veces que la resistencia de una estructura será igual o excederá a la carga máxima aplicada a ella durante su vida estimada ( 50 años) Los investigadores del método LRFD desarrollaron un procedimiento para estimar la confiabilidad de los diseños. Establecieron lo que les pareció razonable en cuanto a porcentajes de confiabilidad para diferentes situaciones. Lograron ajustar los factores φ de resistencia para que los proyectistas fuesen capaces de obtener los porcentajes de confiabilidad establecidos en el punto anterior. Un proyectista afirma que sus diseños son 99.7% confiables. 100 % no es posible. 1000 estructuras diferentes ‐3 son sobrecargadas y en 50 años de vida se fallarán. La resistencia de cada estructura, R ≥Q, la carga máxima. Siempre habrá una pequeña posibilidad de que Q >R. El propósito de los autores de las especificaciones LRFD fue mantener esta posibilidad tan baja y consistente como fuese posible. Tipos de protección estructural Los sistemas de protección estructural están formados por productos que de modo general revisten el pilar o la viga de modo que evitan que la temperatura del incendio debilite el elemento estructural, retrasando o evitando el colapso de la estructura portante. Los sistemas de protección estructural son los garantes de la estabilidad de los edificios y por lo tanto de la vida de las personas y de la conservación de los bienes, por ello la certificación de estos productos solamente se obtiene tras un largo y riguroso proceso en el que el fabricante y el producto son sometidos por una entidad externa a un número considerable de pruebas, que llevan a garantizar las prestaciones del producto y a demostrar la fiabilidad del sistema de control de calidad del fabricante. Se aplican en   

Estructuras de acero, madera y de hormigón Industria en general En elementos estructurales: vigas, jácenas, columnas, pórticos, tirantes o correas.

Los sistemas más conocidos son los sistemas a base de pintura, mortero y las placas o paneles. Los sistemas de protección estructural trabajan protegiendo la estructura de manera diferente, según la naturaleza del material empleado.

PINTURAS INTUMESCENTES reaccionan a la elevación de la temperatura, generando una espuma o intumescencia de naturaleza carbonosa que aísla la estructura, manteniéndola fría temporalmente.

INGNIFUGANTES (sólo aplicables a estructuras de madera), son aditivos que se aplican a la madera para retardar la aparición de gases combustibles.

PANELES DE LANA DE ROCA constituyen una barrera contra el fuego gracias a la baja conductividad térmica de este material, y la elevada temperatura de fusión.

PLACAS DE FIBROSILICATO basan su resistencia al fuego en el tiempo que tardan en deshidratarse, que depende asimismo del contenido de otros materiales como lanas minerales, perlitas o vermiculitas.

MORTEROS protegen las estructuras tanto por resistencia térmica como por su poder refrigerante durante la deshidratación del agua contenida según sea el material del que están compuestos. Los Morteros, en función de su composición se clasifican en Proyectados Rígidos y Proyectados Flexibles. Los Proyectados Rígidos son: morteros de escayola y perlita, morteros de cal y vermiculita y morteros de cemento y vermiculita. Los Proyectados flexibles son: morteros de fibras minerales y ligantes hidráulicos y morteros de fibras minerales y cemento. NORMATIVA APLICABLE El uso de la protección estructural está perfectamente definida:

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RSCIEI RD 2267/2004 RSCIEI, Reglamento de Seguridad Contra Incendios en Edificios Industriales. CTE. Código Técnico de la Edificación - DB - Seguridad contra Incendio.

Las normas de caracterización de los productos y de sus prestaciones se encuentran recogidas en las correspondientes Guías DITE (Documento de Idoneidad Técnica Europeo). CÓMO SE APLICA 

Barnices: directamente sobre la superficie mediante brocha, pistola o rodillo

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Pinturas: a pistola, rodillo o brocha, previa limpieza de superficie.

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Placas: se fijan al soporte mediante pastas adhesivas, tornillos, clavos y/o grapas.



Morteros: se aplican a pistola por proyección, previa preparación del soporte.

Resonancia en ingeniería estructural La resonancia de una estructura es el aumento en la amplitud del movimiento de un sistema debido a la aplicación de una fuerza pequeña en fase con el movimiento, es decir, estamos ante la presencia de un fenómeno mecánico que se origina cuando la vibración natural de una estructura es sometida a un periodo de vibración externa a la misma frecuencia de la vibración natural de la dicho estructura de forma repetida, haciendo que la amplitud del mismo sistema oscilante o movimiento propio de la estructura se haga muy grande. Este efecto o fenómeno puede ser de magnitud destructiva en hospitales, escuelas, oficinas de gobierno, casas particulares, puentes, y en cualquier edificación. Por ejemplo: es la razón por lo cual no es permitido el paso de tropas “marcando el paso” por los puentes, ya que la estructura pudiera entrar en resonancia y derrumbarse catastróficamente, comprometiendo un accidente con pérdidas humanas y materiales considerables.