Instituto Tecnológico Superior de Acayucan DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO Miembros de Acero Presenta: M. en I. Dante Javier Franyutti Limon 1 Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Introducción 2 Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Temario • • • • • • • • • Criterios de diseño Características del Acero Tipos de carga Diseño a tensión Diseño a cortante Diseño de compresión Diseño a flexión Diseño a flexocompresión Diseño de placas Diseño de Elementos de Acero 3 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño Plástico Métodos de Diseño Diseño por esfuerzos permisibles (ASD) Diseño por factores de carga (LRFD) Diseño de Elementos de Acero 4 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan El método ASD ya tiene más de 100 años de aplicación; con él se procura conseguir que los esfuerzos unitarios actuantes reales en los miembros estructurales sean menores que los esfuerzos unitarios permisibles, aconsejados por el reglamento. En esta metodología (LRFD) se denomina “estado límite” aquella condición de la estructura en la cual cesa de cumplir su función. Los estados límites se dividen en dos categorías: Resistencia y Servicio. El primer estado tiene que ver con el comportamiento para máxima resistencia dúctil, pandeos, fatiga, fractura, volteo o deslizamiento. El segundo estado tiene que ver con la funcionalidad de la estructura, en situaciones tales como deflexiones, vibraciones, deformación permanente y roturas. Diseño de Elementos de Acero 5 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Ventajas y Desventajas 6 Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Ventajas El acero es el metal mas versátil de todos los materiales estructurales, cuando se considera su gran resistencia, poco peso, facilidad de fabricación y otras propiedades y características convenientes. Dentro de las diferentes propiedades que tiene el acero como elemento estructural están los siguientes: • • • • • • • Alta Resistencia Uniformidad Elasticidad Durabilidad Ductilidad Tenacidad Facilidad de Ampliación Diseño de Elementos de Acero 7 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Alta Resistencia Con relación a la alta resistencia tenemos que el acero es un elemento que con menor sección a en comparación con el concreto es capaz de tener una elevada resistencia. Esta ligereza se puede apreciar en estructuras como puentes, edificios de gran altura y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación. • Uniformidad Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo en comparación con las estructuras de concreto, donde en caso de agrietamiento los agentes del intemperismo afectan con el paso del tiempo al acero de refuerzo. Diseño de Elementos de Acero 8 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Tenacidad Se denomina tenacidad a la propiedad que tiene un material de absorber grandes cantidades de energía. Con relación al acero la tenacidad es referida a la presencia de grandes esfuerzos que provoquen grandes deformaciones sin que estos lleguen aun a la falla. • Durabilidad Con base a la aplicación de un adecuado mantenimiento de forma periódica se puede garantizar el uso factible de la estructura durante toda la vida útil requerida. Diseño de Elementos de Acero 9 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Elasticidad El acero se acerca mas al comportamiento definido por la Ley de Hooke hasta esfuerzos bastantes altos, esto en parte a que los momentos de inercia se pueden determinar con mayor precisión que en el concreto reforzado • Ductilidad Esta propiedad es la que tiene todo material para soportar grandes deformaciones ante la presencia de altos esfuerzos de tensión. En el caso del acero se tiene que durante la tensión la sección transversal sufre una pequeña reducción en su área y un gran alargamiento en el punto de su falla. Diseño de Elementos de Acero 10 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Facilidad de Ampliación Con relación a esta características tenemos que el acero es un material que nos brinda la facilidad de poder dar continuidad a estructuras existentes, esto debido al uso de conexiones atornilladas o bien de conexiones soldadas, también es posible incrementar sus propiedades de carga. • Otras Ventajas Rapidez de montaje Posibilidad de prefabricar los miembros Capacidad de laminarse en diferentes tamaños y formas Rehusó posible Posibilidad de venta Diseño de Elementos de Acero 11 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Desventajas Como elemento estructural el acero puede llegar a tener ciertas desventajas, las cuales se podrán solucionar durante el proceso de construcción o bien por quien ocupe la estructura durante su vida útil. Dentro de estas desventajas tenemos las siguientes: • • • • • Costo de Mantenimiento Costo de protección contra el fuego Susceptibilidad al pandeo Fatiga Fractura Frágil Diseño de Elementos de Acero 12 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Costo de Mantenimiento Para que una estructura de acero pueda funcionar adecuadamente durante toda su vida útil, es importante garantizar que siempre se encontrara en condiciones aceptables para su uso, es decir, que siempre se conserven los espesores de los elementos que componen a la sección. Para esto debemos considerar un mantenimiento constante, que impida que los agentes del intemperismo dañen la sección, afectando sus características geométricas. Diseño de Elementos de Acero 13 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Protección contra el fuego Independientemente de considerar un adecuado mantenimiento para los efectos de corrosión, debemos considerar que las altas temperaturas hacen que el acero sufra cambios en sus propiedades, esta afectación puede llegar incluso a provocar un debilitamiento en el elemento, generando su falla. • Fatiga La fatiga en un elemento estructural de acero se presenta cuando dicho elemento es sometido a diversas inversiones de carga. Diseño de Elementos de Acero 14 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Susceptibilidad al Pandeo Se ha mencionado que el acero es un material que proporciona una gran capacidad de cargo, por ello es factible utilizar secciones esbeltas para que soporten estas cargas, sin embargo se puede llegar a presentar el siguiente inconveniente al tener secciones esbeltas y elementos largos, llega un punto en el cual ante una carga a compresión, el elemento se pandea. Esto se refleja en un limite entre la longitud del elemento y su sección que esta ligada con la capacidad de carga del elemento. Diseño de Elementos de Acero 15 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Fractura Frágil Durante el proceso de construcción, particularmente hablando de las conexiones de las columnas con las trabes se puede dar el caso de que se presenten esfuerzos concentrados, esto se debe a que durante el proceso de maniobra de soldado o atornillado de los elementos se pueden presentar deformaciones que de entrada provocan que antes de recibir las cargas muertas y vivas el elemento se encuentre trabajando bajos dichos esfuerzos concentrados, lo cual genera una reducción en su capacidad de carga. Diseño de Elementos de Acero 16 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Tipos de Acero 17 Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Tipos de Acero Aceros al carbono (carbono – manganeso) Alta resistencia, baja aleación (HSLA) Alta resistencia, apagados y templados (QT) Alta resistencia, apagados y autotemplados (QST) aceros aleados Diseño de Elementos de Acero 18 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 19 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Aceros al carbono (carbono –manganeso) También se les conoce como aceros estructurales, además de hierro(Fe), tiene dos elementos principales, el carbono(C) y el manganeso(Mn), asimismo tiene restricciones muy particulares en algunos otros elementos de aleación como son el fósforo(P)y el azufre(S), que perjudican propiedades de ductilidad y soldabilidad. El acero más común de este tipo es el ASTM A36 • Alta resistencia, baja aleación (HSLA) Este tipo de aceros se han desarrollado en los últimos 30 años y actualmente son los más utilizados en la industria de la construcción. La alta resistencia se consigue reduciendo el contenido de carbono(C) y añadiendo ciertos elementos de aleación. Los aceros más comunes de este tipo son el ASTM A992, ASTM A572–50, ASTM A588–50. Diseño de Elementos de Acero 20 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Alta resistencia, apagados y templados (QT) Estos aceros constituyen un pequeño grupo de materiales con un límite de fluencia mínimo de 90 a 100 ksi (6327a7030kg/cm²). Este tipo de aceros están disponibles únicamente en placa. La alta resistencia se logra de la combinación del bajo contenido de carbono(C) y una secuencia de enfriamiento rápido del acero, la ductilidad de estos acero es significativamente menor que las del carbono–manganeso y los HSLA. • Alta resistencia, apagados y auto templados (QST) aceros aleados La disponibilidad de estos aceros es limitada, su alta resistencia se obtiene a través del enfriamiento selectivo de determinadas regiones de un perfil, pero además, el calor que se almacena en el material, es utilizado para darle el efecto de templado. El enfriamiento localizado deja un producto con una superficie distinta a las regiones del interior del perfil, por lo que este tipo de aceros en su superficie tiende a ser más duro que el interior. Su soldabilidad es buena Diseño de Elementos de Acero 21 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS PROPIEDADESD DE LOS ACEROS • Fósforo(P) Aumenta el límite de resistencia, favorece la resistencia a la corrosión y la dureza, pero perjudica la ductilidad y soldabilidad. • Manganeso(Mn) Es usado prácticamente en todos los aceros estructurales. El aumento de su contenido, asegura el aumento a la resistencia mecánica, perjudica a la soldabilidad, pero es menos perjudicial que el carbono, ya que afecta poco a la ductilidad. • Níquel(Ni). Aumenta la resistencia mecánica, la tenacidad y la resistencia a la corrosión, pero reduce la soldabilidad. Diseño de Elementos de Acero 22 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Molibdeno(Mo) Aumenta el límite de fluencia y la resistencia a la corrosión atmosférica, mejora la soldabilidad y el comportamiento del acero a altas temperaturas. • Niobio(Nb) En poca cantidad, aumenta considerablemente el límite de resistencia y el límite de fluencia, no afecta la soldabilidad y permite disminuir el contenido de C y de Mn, es favorable a la ductilidad. • Silicio(Si) Se utiliza como desoxidante del acero, favorece sensiblemente la resistencia, pero reduce la soldabilidad. Diseño de Elementos de Acero 23 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Titanio (Ti). Aumenta el límite de resistencia, la resistencia a la abrasión y mejora el desempeño del acero a temperaturas elevadas. También se utiliza para inhibir el envejecimiento precoz. • Vanadio (V). Aumenta el límite de resistencia sin perjudicar la soldabilidad y la tenacidad Diseño de Elementos de Acero 24 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 25 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 26 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 27 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Perfiles de Acero Estructural 28 Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Dentro de las diferentes secciones de acero se tiene que estas pueden ser de tipo laminado o bien de sección compuesta. Una sección es de tipo laminado cuando su fabricación se hace mediante molde, o bien se va formando mediante dobleces de una lamina o placa de acero. Dentro de estos perfiles tenemos los siguientes casos. • Laminados en Caliente • Laminados en Frío • Sección Compuesta Diseño de Elementos de Acero 29 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan • Laminados en Caliente Se obtienen perfiles mas grandes y baratos aunque con control de tamaño y forma menos eficientes que los perfiles laminados en frío. Tienen mayor uniformidad y no presentan dobleces o soldadura. • Laminados en Frío Estos perfiles se dividen en dos tipos: miembros estructurales y miembros de superficie; se caracterizan por tener esquinas redondeadas y elementos planos esbeltos y todos esos elementos tienen el mismo espesor Diseño de Elementos de Acero 30 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Clasificación de Perfiles Laminados en Caliente Tipo I, H ó Laminados en Frío Secciones Compuesta Monten Placas Sección W, T Zeta Ángulos Sección Canal Sombreo Ángulos Angulo Sección S Diseño de Elementos de Acero 31 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 32 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 33 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Principios de Ingeniería 34 Instituto Tecnológico Superior de Acayucan La relación Claro/Costo no es lineal. Los claros pequeños pueden desperdiciar la resistencia del material y los claros muy grandes pueden ser muy deformables y antieconómicos. Diseño de Elementos de Acero 35 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Esfuerzos solicitantes y resistentes Axiales son efectos a los largo del eje de las barras, pueden ser de tensión o de compresión. En tensión los esfuerzos son resistidos por el área de la sección, en la que se descuentan agujeros en el caso de conexiones atornilladas. En compresión, así como el área, es importante la forma del perfil, la esbeltez de la barra, ya que está vinculado el pandeo, estado crítico a partir del cual la pieza pierde capacidad de utilización. Esos son los tipos de esfuerzos que solicitan las barras de un enrejado, tirantes, anclajes y colur. Diseño de Elementos de Acero 36 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Flexión Son los esfuerzos perpendiculares a la sección de las barras, que son resistidos por el módulo de sección. Tienden a girar la sección de la barra, en torno al eje, denominado eje neutro, que divide las áreas en tensión y compresión. En el caso de la flexión la forma de la sección es extremadamente importante, pues su trabajo equivale al de un par de fuerzas (doble palanca), siendo su resistencia mayor, cuando más alejada esté el eje neutro, centroide o centro de gravedad de las áreas tensionadas y comprimidas. Diseño de Elementos de Acero 37 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Cortante Son los esfuerzos tangenciales a la sección de los elementos resistidos por el alma de la sección, tienden a cortar “rebanadas” de elemento Diseño de Elementos de Acero 38 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Torsión Es la solicitación que tiende a girar rebanadas de la sección de la barra en torno de su eje longitudinal, ocurre cuando la carga actúa fuera del eje de la barra, haciendo que ocurran las tensiones de cortante, que se deben equilibrar Diseño de Elementos de Acero 39 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Deformaciones Son parte del trabajo de la estructura. Una pieza estructural requiere de forma separa entrar en función, esas deformaciones tienen límites para que no se tornen incomodas o inadecuadas para su uso. Las normas limitan las deformaciones bajo cargas accidentales, considerando que para las cargas permanentes pueden ser adoptadas con contraflechas, esto es, pueden recibir una deformación previa que compense las deformaciones que son ocasionadas por las cargas permanentes Diseño de Elementos de Acero 40 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Aspectos conceptuales Una obra bien concebida es económica y es un reflejo del proyecto arquitectónico, respetando el material, adoptando espacios estandarizados y compatibles a su uso, optimizando las piezas, alineando los cierres y viabilizando el transporte y el montaje. Por otro lado, buenos diseños estructurales aislados, no garantizan la calidad de la obra. Es importante la compatibilización de todos estos aspectos, para el suceso del proyecto. Diseño de Elementos de Acero 41 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Conexiones A través de las conexiones logramos que las piezas de la estructura trabajen como un todo. Las conexiones entre perfiles pueden ser atornilladas o soldadas. Las conexiones atornilladas pueden ser premontadas en un taller, permitiendo mayor precisión y mejor calidad en el montaje, pueden verificarse con torquimetros o por tornillos de tensión controlada y presenten una mejor apariencia. Cuando las conexiones soldadas son ejecutadas en el taller tienen más control en la ejecución permitiendo una garantía en su calidad. Diseño de Elementos de Acero 42 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Las conexiones hechas en obra deben ser inspeccionadas para garantizar su calidad. La soldadura es de gran responsabilidad (sobretodo en las conexiones). Son menos visibles dando una apariencia de continuidad de las piezas y requieren de mano de obra especializada. Es posible usar soldadura y tornillos en una misma conexión, más nunca en la misma función Diseño de Elementos de Acero 43 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 44 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Simples Tipos de Conexiones Rigidas SemiRigidas Diseño de Elementos de Acero 45 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 46 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Conexiones Simples Diseño de Elementos de Acero 47 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Conexiones Rígidas Diseño de Elementos de Acero 48 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Conexiones Semi - Rígidas Diseño de Elementos de Acero 49 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Predimensionamiento Es un estudio de conjunto analizando: •Relación entre claros y alturas •Verificación de las tensiones de trabajo de las piezas sobre los esfuerzos solicitantes •Verificación de las deformaciones •Verificación de las condiciones de anclaje y estabilidad de piezas En cualquier construcción a pesar de que las cargas de utilización sean las mismas, va a depender de los claros y de los espaciamientos de las vigas Diseño de Elementos de Acero 50 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 51 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 52 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 53 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 54 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 55 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan 20 40 7,000 30 233.33 Ejemplo: Para un claro de 70 mts Proponemos un peralte de 2.35 m Diseño de Elementos de Acero 56 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de elementos a Tensión Axial Diseño de Elementos de Acero 57 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Cuando una barra está sometida a una fuerza externa y experimenta un incremento en su longitud de manera uniforme en dirección de la fuerza (todas las fibras sufren la misma deformación), se puede concluir que internamente la barra está sometida a una fuerza que actúa de adentro hacia afuera, normal al plano de su sección transversal. A esta fuerza se le da el nombre de TENSIÓN AXIAL. Los miembros en tensión axial son perfiles estructurales ó barras de eje longitudinal recto y sección transversal constante, que están sometidos a cargas que actúan a lo largo de sus ejes centroidales, que ocasionan esfuerzos de tensión normales a su sección transversal en dirección de la fuerza. Diseño de Elementos de Acero 58 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 59 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Usos de miembros a tensión Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Tensores Contra venteos Celosías Cuerdas inferiores de armaduras Diagonales de Armaduras Diseño de Elementos de Acero 60 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 61 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Los distintos tipos de elementos estructurales que se utilizan para trabajar en tensión se pueden clasificar en: • • • • • Cables (elementos flexibles) Barras redondas, cuadradas, planas (semi–rígidos) Secciones de perfiles (rígidos) Secciones armadas (rígidos) Tensores Diseño de Elementos de Acero 62 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Fluencia en la sección total Modos de Falla 0.60 Fractura en la sección neta Cortante y tensión combinados 0.50 0.30 0.50 Diseño de Elementos de Acero 63 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Fluencia en la sección total La falla consiste en que desarrolle el esfuerzo máximo en el área total de la sección transversal, esto es cuando el esfuerzo de tensión aplicado igual a el esfuerzo de fluencia del material donde las deformaciones quedarán sin restricción. Diseño de Elementos de Acero 64 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Fractura en la sección neta Este tipo de falla se presenta en las conexiones de los elementos que trabajan en tensión, en este caso el esfuerzo de fluencia es alcanzado más rápido debido a que el área de la sección transversal en ese punto es menor. Diseño de Elementos de Acero 65 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Cortante y tensión combinados La falla se presenta en toda la longitud de la parte conectada y se combina un esfuerzo de cortante y uno de tensión simultáneamente, también se le conoce como desgarramiento o bloque de cortante. Diseño de Elementos de Acero 66 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Área total, neta y neta efectiva La diferencia entre el área total Ag y el área neta An es que la segunda es medida en la zona de un perfil donde se han hecho barrenos para tornillos de alta resistencia para realizar una unión. El área neta efectiva Ae no es otra cosa que el área neta An multiplicada por un coeficiente U que está en función del tipo de unión y de la forma en la que se trasmiten los esfuerzos en la sección. El área neta se determina restando al ancho total el diámetro de los barrenos que conformarán la conexión y multiplicándolo por su espesor. Diseño de Elementos de Acero 67 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan El área neta efectiva se calcula de la siguiente manera según sea el caso o tipo de conexión: Cuando la carga se trasmite por medio de tornillos o remaches Cuando la carga se trasmite por medio de soldaduras U es el coeficiente de reducción del área cuyos valores particularmente están influenciados por la geometría del elemento y por el tipo de conexión que se desarrolla Diseño de Elementos de Acero 68 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Valores del coeficiente U Diseño de Elementos de Acero 69 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Valores del coeficiente U Diseño de Elementos de Acero 70 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de elementos a Compresión Axial Diseño de Elementos de Acero 71 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Los miembros en compresión axial, son elementos estructurales prismáticos, sometidos a esfuerzos de compresión axial producidos por fuerzas que actúan a lo largo de sus ejes centroidales. Diseño de Elementos de Acero 72 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Consideraciones Generales Existen 2 diferencias importantes en el diseño de miembros en tensión y compresión axial: • Los miembros en compresión axial se pandean, los miembros en tensión axial no. • En miembros en compresión axial no existe la reducción del área en presencia de agujeros para tornillos de alta resistencia. Diseño de Elementos de Acero 73 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Usos de miembros a compresión axial • • • • • • Barras de armaduras trianguladas. Estructuras espaciales. Celosías de columnas armadas. Contra venteos laterales. Patines en compresión de vigas. Columnas. Diseño de Elementos de Acero 74 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 75 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Factores que influyen en el comportamiento • • • • • • • • • Tipo de acero Proceso de fabricación Área de la sección transversal Radio de giro mínimo Desviaciones e imperfecciones en el eje de la columna Excentricidad en la carga Condiciones de Apoyo Flexión durante el pandeo Magnitud y distribución de esfuerzos Diseño de Elementos de Acero 76 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Clasificación de las Columnas Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Cortas Intermedias Largas Diseño de Elementos de Acero 77 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Columnas Cortas En estas columnas el esfuerzo de falla será igual al esfuerzo de fluencia y no ocurriría pandeo. Este tipo de columnas debe tener una longitud muy corta de tal forma que su uso es muy limitado ya que constructivamente no se puede ocupar en grandes estructuras. Su falla se presenta por aplastamiento (no hay pandeo). Diseño de Elementos de Acero 78 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Columnas Largas En estas columnas las formulas de Euler predice muy bien la resistencia en las que el esfuerzo axial de pandeo permanece por abajo del limite proporcional, estas columnas fallan elásticamente; es decir su falla se presenta por pandeo en el intervalo elástico. Diseño de Elementos de Acero 79 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Columnas Intermedias En estas columnas algunas fibras alcanzaran el esfuerzo de fluencia y otras no; estas fallaran por fluencia como por pandeo y su comportamiento se denomina inelástico. La mayoría de las columnas caen en esta clasificación. El criterio por esfuerzos permisibles supone que debido a los esfuerzos residuales, el limite superior del pandeo elástico esta definido por un esfuerzo promedio igual a la mitad del esfuerzo de fluencia (1/2 fy). Diseño de Elementos de Acero 80 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Tipos de Equilibrio Equilibro Estable: cuando se remueve la carga axial por compresión la columna regresa a su estado original antes del pandeo. Equilibrio Indiferente: cuando se remueve la carga axial por por compresión la columna permanece deformada. Equilibrio Inestable: Cuando se remueve la carga axial por compresión la columna sigue deformándose Diseño de Elementos de Acero 81 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Formas de Pandeo Pandeo general Es una deformación lateral, alrededor de los dos ejes principales (suele ser crítico alrededor del eje menor). Diseño de Elementos de Acero 82 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Pandeo local Esta deformación ocurre cuando alguna parte o partes de la sección transversal se pandean antes de que pueda ocurrir algún otro tipo de pandeo. Diseño de Elementos de Acero 83 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Pandeo por Flexo-torsión Es un modo de falla en columnas cuya sección transversal es asimétrica y ocurre en presencia de flexión simultánea en 2 o 3 direcciones Diseño de Elementos de Acero 84 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Factor de Longitud Efectiva El factor de longitud efectiva “K” depende de las restricciones existentes en los apoyos. La tabla siguiente muestra algunos de estos valores. Diseño de Elementos de Acero 85 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de elementos a Flexión (Vigas y Trabes) Diseño de Elementos de Acero 86 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Miembros a Flexión Son elementos estructurales, colocados normalmente en posición horizontal y que soportan cargas perpendiculares al eje longitudinal y producen solicitaciones de flexión y de cortante Diseño de Elementos de Acero 87 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Usos de miembros a flexión • • • • Vigas de sistemas de piso Trabes de marcos principales Largueros de fachada (edificios industriales) Largueros de cubierta (edificios industriales) Diseño de Elementos de Acero 88 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Secciones Estructurales Convenientes Diseño de Elementos de Acero 89 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Elástica Teorías de Diseño de Vigas Plástica Diseño de Elementos de Acero 90 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Esfuerzos de Flexión en Vigas Se considera para estudio, una viga rectangular y los diagramas de esfuerzos siguientes para estudiar los esfuerzos de flexión. Para análisis inicial se supondrá que el patín a compresión esta soportado lateralmente contra el pandeo lateral. Inicialmente cuando el momento se aplica a la viga, el esfuerzo varia linealmente desde el eje neutro hasta las fibras extremas. Figura (b) Si se incrementa el momento se mantendrá la variación lineal de los esfuerzos hasta que se alcanza el esfuerzo de fluencia en las fibras extremas Figura (c). El momento de fluencia de una sección se define como el momento al cual empiezan a fluir las fibras extremas de la sección. Diseño de Elementos de Acero 91 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Para la viga de acero dúctil, soportada lateralmente el momento podrá incrementarse mas allá del momento de fluencia, las fibras mas extremas que se encontraba permanentemente sometidas al esfuerzo de fluencia se mantendrán bajo este esfuerzo, pero en estado de fluencia, Figura (d y e). Cuando se incrementa el momento de tal forma que toda la sección se mantiene trabajando al esfuerzo de fluencia se que se ha alcanzado una distribución plástica. En esta etapa se forma una distribución plástica, porque no puede resistirse en la sección a ningún esfuerzo adicional; en caso de presentarse un esfuerzo adicional la sección rotaria. A este ultimo momento donde se alcanza la plasticidad se le denomina Momento Plástico. Diseño de Elementos de Acero 92 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Si la viga esta sujeta a momento flexionante el esfuerzo en cualquier punto puede determinarse con la formula de flexión. Esta formula se limita al caso en que los esfuerzos se encuentren por debajo del limite elástico. Diseño de Elementos de Acero 93 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Teoría Elástica para diseño Diseño de Elementos de Acero 94 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Teoría Plástica para diseño Diseño de Elementos de Acero 95 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Clasificación de Secciones Compacta (Dúctil) Compacta Clasificación de Sección No Compacta Esbelta Diseño de Elementos de Acero 96 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 97 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Para establecer los limites de las relaciones ancho-espesor de los elementos, las especificaciones para el diseño por esfuerzos permisibles maneja las 3 clasificaciones siguientes • Secciones Compactas • Secciones NO compactas • Elementos esbeltos Diseño de Elementos de Acero 98 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Secciones Compactas Una sección compacta es aquella con un perfil suficientemente fuerte para que sea capaz de desarrollar una distribución total de esfuerzos plásticos antes de pandearse. El termino plástico significa que en toda la sección se tiene presente el esfuerzo de fluencia. Para que un miembro pueda clasificarse como compacto, sus patines deben estar conectados en forma continua al alma o almas, las relaciones ancho-espesor de sus elementos, no deben rebasar los limites establecidos. Diseño de Elementos de Acero 99 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Una seccion compacta es aquella que es capaz de desarrollar la totalidad de su momento plástico antes de que ocurra cualquier falla. Para calificar a un perfil como seccion compacta debe satisfacer los requisitos de las especificaciones por esfuerzos permisibles. Para secciones no compactas soportadas lateralmente, las especificaciones requieren que Fb sea menor a 0.66Fy, mientras que para las secciones compactas soportas lateralmente el esfuerzo permisible es local a 0.66Fy Diseño de Elementos de Acero 100 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Secciones NO Compactas Una sección NO compacta es en la que el esfuerzo de fluencia pueda alcanzarse en algunos pero no en todos sus elementos antes de que ocurra el pandeo; no es capaz de alcanzar una distribución plástica de esfuerzo total. Su relación ancho-espesor también cumple con ciertas limitaciones. Diseño de Elementos de Acero 101 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Elementos Esbeltos Estos elementos tienen relaciones ancho-espesor, mayores que las dadas para la secciones no compactas y se pandearan elásticamente antes de que el elemento de fluencia se alcance en cualquier parte de la sección. Para estos elementos se consideran relaciones elásticas de pandeo, en estos casos el esfuerzo permisible debe reducirse Diseño de Elementos de Acero 102 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Relación ancho/grueso Diseño de Elementos de Acero 103 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Longitud NO Soportada Lateralmente Diseño de Elementos de Acero 104 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Modos de Falla Fluencia o Plastificación Pandeo Local Pandeo Lateral Pandeo Lateral por Flexo-Torsión Diseño de Elementos de Acero 105 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 106 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Elementos Atiesados y NO Atiesados El diseño por esfuerzos permisibles contempla dos tipos de elementos: • Elementos atiesados • Elementos NO atiesados Un elemento NO atiesado es una pieza proyectante con un borde libre, paralelo a la dirección de la fuerza de compresión. Un elemento atiesado esta soportado a lo largo de los 2 bordes de esa dirección. Diseño de Elementos de Acero 107 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon Instituto Tecnológico Superior de Acayucan Diseño de Elementos de Acero 108 M. en I. Dante Javier Franyutti Limon
