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Instituto Tecnológico de Tepic
Ingeniería Civil
Diseño de elementos de acero
Conceptos Generales
Integrantes: Garrido Solorio Evelyn 20401080 Mojica Sandoval Edgar Yaxail 20401116 Gonzalez Llamas Angel Yair 20401082 Aguayo González Sergio Antonio 20401018 Docente:M.C Osvaldo Alejandro Miramontes Moreno Fecha de Entrega:09/02/
Indice
- Introducción.......................................................................................................................................
- Conceptos generales.......................................................................................................................
- 1.1 El acero estructural.
- Ventajas del acero estructural....................................................................................................
- Desventajas del acero estructural
- Tipo de cargas
- Diferencias entre el acero estructural y el hormigón armado(concreto)
- 1.2 Reglamentos y especificaciones de diseño
- I.1 Normas ASTM
- I.2 Grados de acero para secciones estructurales huecas
- I.3 Norma BS Designación BS 4360.
- I.4 Normas DGN-NMX
- I.5 Identificación......................................................................................................................
- I.6 Acero estructural no identificado
- 1.3 Criterios de diseño
- 1.Resistencia:
- 2.Seguridad:
- 3.Deformación
- 4.Durabilidad
- 5.Economía
- 1 .4 Análisis de cargas por gravedad
- Bajada de cargas
- Líneas de carga.
- 1.5 Combinaciones de acciones
- Factores de carga:
- Estados límite últimos:...........................................................................................................
- Estados límite de servicio:
- Conclusión
- Bibliografía
Ventajas del acero estructural
- Resistencia. La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es 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 con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.
- Elasticidad El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.
- Durabilidad Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán 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 para soportar grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensión altos. Cuando se prueba a tensión un acero dulce o 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 esta propiedad por lo general es inaceptable y 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 la inminencia de la falla (algunas veces denominada en son de broma como “cuenta regresiva”).
- 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. Ésta es una característica muy importante porque implica que los miembros Montaje de viguetas de acero. pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente.
- Ampliaciones de estructuras existentes Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se pueden ampliar los puentes de acero.
Desventajas del acero estructural
- Corrosión. La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosión, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosión puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosión fatigan pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cíclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciablemente cuando los miembros se usan en ambientes químicos agresivos y sometidos a cargas cíclicas. El lector debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabricación del acero.
- Costo de la protección contra el fuego. Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en inmuebles vacíos en los que el único material combustible es el mismo inmueble. Además, el acero es un excelente conductor del 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 un edificio debe protegerse mediante materiales con ciertas características aislantes, y el edificio deberá acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del código de construcciones de la localidad en que se halle.
- Cargas vivas_._ Las cargas vivas son aquellas que pueden cambiar de lugar y magnitud. Son causadas cuando una estructura se ocupa, se usa y se mantiene.
- Cargas ambientales. Las cargas ambientales son causadas por el medio ambiente en el cual se localiza una estructura particular. Para los edificios, las cargas ambientales son causadas por la lluvia, la nieve, el viento, los cambios de temperatura y los sismos.
Diferencias entre el acero estructural y el hormigón
armado(concreto)
1.2 Reglamentos y especificaciones de diseño
I.1 Normas ASTM En los últimos años, la producción del acero a nivel mundial ha tenido cambios significativos. Actualmente existen en el mercado nacional e internacional una gran variedad de tipos de acero que se usan profusamente en la industria de la construcción, naval, mecánica, petrolera y en diversas estructuras especiales, y que evolucionaron debido a las necesidades derivadas de los avances tecnológicos acelerados en los diversos campos de la ingeniería.
estructural más utilizado actualmente en el mercado estadounidense, aunque está siendo sustituido rápidamente por el acero A9 92 en perfiles tipo W. ASTM A992. El A992 es la adición más reciente (1998) de la lista de aceros estructurales en Estados Unidos. Se produjo para usarse en construcción de edificios, y está disponible solamente en perfiles tipo W. Para propósitos prácticos se trata de un acero A572 grado 50 con requisitos adicionales. Específicamente, además de un esfuerzo de fluencia mínimo especificado de 345 MPa o 50 ksi ( 515 kg/cm2), el A992 también proporciona un límite superior de F’y de 65 ksi ( 570 kg/cm2). La relación F’y/Fu no es mayor de 0.85 y el carbono equivalente no excede de 0.50. Ofrece características excelentes de soldabilidad y ductilidad. ASTM A53. El acero A 53 está disponible en tipos E y S, donde E denota secciones fabricadas con soldadura por resistencia y S indica soldadura sin costura. El grado B es conveniente para aplicaciones estructurales; con esfuerzo de fluencia y resistencia a la ruptura en tensión, respectivamente de 35 y 50 ksi (2 4 0 0 y 3 515 kg/cm2). ASTM A500. Este tipo de acero está disponible en tubos de sección circular hueca HSS formados en frío en tres grados, y también en los mismos grados de tubos HSS formados en frío, de sección cuadrada y rectangular. Las propiedades para tubos cuadrados y rectangulares HSS difieren de los circulares HSS. El grado más común tiene un esfuerzo de fluencia y una resistencia de ruptura a la tensión de 46 y 58 ksi (320 MPa o 3 200 kg/cm 2 y 405 MPa o 4 100 kg/cm2). ASTM A501. Para fines prácticos El A501 es similar al acero A36. Se usa para tubos HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. Para el diseño de miembros estructurales de acero formados en frío, cuyos perfiles tienen esquinas redondeadas y elementos planos esbeltos, se recomienda consultar las especificaciones del Instituto Americano del Hierro y del Acero (American Iron and Steel Institute, AISI).
I.3 Norma BS Designación BS 4360.
I.4 Normas DGN-NMX
1 .- Grados de acero estructural.
B- 254 (ASTM A36) Acero estructural. B- 99 (ASTM A529) Acero estructural con límite de fluencia mínimo de 290 MPa (2950 kg/cm²). B- 282 (ASTM A242) Acero estructural de baja aleación y alta resistencia. B- 284 (ASTM A572) Acero estructural de alta resistencia y baja aleación al manganeso– vanadio. (ASTM A588) Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de hasta 100 mm de grueso, con límite de fluencia mínimo de 345 MPa (35 1 5 kg/cm²). (ASTM A913) Perfiles de acero de alta resistencia y baja aleación, de calidad estructural, producidos por un proceso de tratamiento térmico especial. (ASTM A992) Acero estructural para perfiles H laminados para uso en edificios. B- 177 (ASTM A53, grado B) Tubos de acero, con o sin costura. B- 199 (ASTM A500) Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en frío, con o sin costura, de sección circular o de otras formas. B- 200 (ASTM A501) Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en caliente, con o sin costura.
2 .- Remaches.
ASTM A502 Remaches de acero estructural; esta especificación incluye tres grados: Grado 1 Remaches de acero al carbón para uso general; Grado 2 Remaches de acero al carbono-manganeso, para uso con aceros; y Grado 3 Semejante al Grado 2, pero con resistencia a la corrosión mejorada.
3 .- Tornillos.
H- 118 (ASTM A307) Sujetadores de acero al carbono con rosca estándar exterior (Fu= 414 MPa; 4220 kg/cm²).
1.3 Criterios de diseño
El diseño de acero estructural es un proceso complejo que implica la selección de materiales y la configuración de elementos para garantizar la seguridad y la estabilidad de una estructura. Los criterios de diseño se basan en normativas y códigos de construcción específicos que varían según el país y la región. Sin embargo, en general, los criterios de diseño del acero estructural se centran en los siguientes aspectos: 1.Resistencia: Los miembros de acero deben ser diseñados para resistir las cargas a las que estarán expuestos, como cargas gravitatorias (peso propio y cargas vivas), cargas de viento, cargas sísmicas, etc. El diseño debe garantizar que la estructura sea capaz de soportar estas cargas sin fallos.
- Resistencia a la tracción: Esta es la capacidad del acero para resistir fuerzas de tracción o estiramiento. Los miembros estructurales a menudo están sujetos a fuerzas de tracción, como las que actúan en los cables de un puente colgante. La resistencia a la tracción se mide en términos de la tensión admisible, que es la máxima tensión que el acero puede soportar de manera segura sin deformarse permanentemente o romperse.
- Resistencia a la compresión: La resistencia a la compresión se refiere a la capacidad del acero para soportar fuerzas de compresión, que son fuerzas que tienden a aplastar o comprimir un miembro. Los pilares y columnas son ejemplos de miembros que están sujetos a fuerzas de compresión. Al igual que en la tracción, la resistencia a la compresión se mide en términos de la tensión admisible.
- Resistencia a la flexión: Muchos elementos estructurales, como vigas y viguetas, están diseñados para resistir cargas de flexión. Esto implica la combinación de fuerzas de tracción y compresión a lo largo de la longitud del miembro. La resistencia a la flexión se evalúa mediante ecuaciones y métodos de diseño específicos para garantizar que el miembro pueda soportar las cargas de flexión sin fallar.
- Resistencia a la cortante: La resistencia a la cortante se refiere a la capacidad del acero para resistir fuerzas de corte que actúan en un plano perpendicular a la longitud del miembro. Los miembros estructurales, como las vigas, pueden estar sujetos a fuerzas de corte, especialmente en zonas de
conexión. La resistencia a la cortante se mide en términos de la tensión cortante admisible.
- Resistencia a la torsión: Algunas estructuras, como las torres o los puentes colgantes, pueden estar sujetas a fuerzas de torsión, que tienden a hacer girar un miembro. La resistencia a la torsión se evalúa en función de la capacidad del acero para resistir (^) estas fuerzas. 2.Seguridad: La seguridad es un aspecto fundamental en el diseño estructural. Los criterios de diseño deben garantizar que la estructura tenga un margen adecuado de seguridad para prevenir la falla debido a cargas imprevistas o errores en la construcción.
- Factor de seguridad: En el diseño estructural, se utiliza un factor de seguridad para garantizar que la estructura sea más resistente de lo necesario para las cargas previstas. Este factor de seguridad se basa en la incertidumbre inherente a las cargas y las propiedades del material. Por ejemplo, si una viga está diseñada para soportar una carga máxima de 100 kN, se podría aplicar un factor de seguridad de 1.5, lo que significa que la viga debe ser capaz de soportar 150 kN antes de fallar. Esto proporciona un margen de seguridad adicional. •Cargas de diseño: El diseñador debe considerar una variedad de cargas que pueden actuar sobre la estructura, como el peso propio de la estructura, las cargas vivas (como personas o mobiliario), las cargas de viento, las cargas de nieve y las cargas sísmicas, entre otras. Todas estas cargas deben tenerse en cuenta para garantizar la seguridad de la estructura. •Evaluación de resistencia y deformación: Durante el diseño, se realizan cálculos detallados para evaluar la resistencia y la deformación de los miembros de acero bajo diferentes condiciones de carga. Los ingenieros estructurales utilizan ecuaciones y modelos de análisis para determinar si la estructura será lo suficientemente resistente y si las deformaciones serán aceptables.
- Verificación de la estabilidad: Se verifica la estabilidad global de la estructura para asegurarse de que no se produzcan movimientos o colapsos inesperados. Esto implica analizar la estructura en su conjunto para garantizar que sea capaz de soportar las cargas laterales, como las cargas de viento o sísmicas, sin volcarse o colapsar. - Materiales y calidad de construcción: Se debe garantizar que se utilicen materiales de acero de alta calidad y que la construcción se realice de acuerdo con estándares y prácticas aceptadas. Esto incluye la inspección de la
- Efectos de temperatura : Las variaciones de temperatura pueden causar expansiones o contracciones térmicas en los miembros de acero, lo que puede dar lugar a deformaciones. En el diseño, se deben tener en cuenta estos efectos y se pueden utilizar juntas de expansión, conexiones deslizantes u otros métodos para permitir la expansión y la contracción sin causar tensiones excesivas en la estructura.
- Efectos de cargas cíclicas: En algunas estructuras, como puentes y componentes de maquinaria, las cargas cíclicas pueden dar lugar a deformaciones por fatiga. Esto implica un proceso gradual de deformación acumulativa bajo cargas repetitivas. El diseño debe considerar estos efectos y garantizar que las deformaciones por fatiga sean manejables a lo largo de la vida útil de la estructura.
- Control de vibraciones: En algunas situaciones, como edificios altos o puentes colgantes, las vibraciones pueden ser un problema. El diseño debe considerar la frecuencia natural de la estructura y asegurarse de que las deformaciones causadas por vibraciones sean controlables y no afecten negativamente a la funcionalidad o la comodidad de la estructura. 4.Durabilidad Los criterios de diseño deben tener en cuenta la durabilidad de los materiales y la protección contra la corrosión. Esto implica la selección de acero adecuado y la aplicación de recubrimientos protectores cuando sea necesario.
- Selección de acero resistente a la corrosión: La corrosión es uno de los principales factores que pueden reducir la durabilidad del acero. En áreas expuestas a la intemperie o en ambientes corrosivos, se debe seleccionar acero resistente a la corrosión, como acero inoxidable o acero galvanizado, o se deben aplicar recubrimientos protectores.
- Protección contra la corrosión: Además de la selección adecuada del tipo de acero, se pueden tomar medidas para proteger el acero contra la corrosión. Esto incluye la aplicación de pintura, recubrimientos epoxi u otros métodos de protección superficial. También se pueden utilizar sistemas de protección catódica en ambientes particularmente agresivos.
- Consideraciones climáticas: En áreas con climas extremos, como altas temperaturas, exposición a la salinidad o ciclos de congelación y descongelación, se deben tomar medidas adicionales para proteger la estructura. Esto puede incluir el uso de recubrimientos y materiales adecuados para resistir estas condiciones.
- Evaluación de la vida útil: En el diseño de acero estructural, es importante considerar la vida útil esperada de la estructura y seleccionar materiales y métodos de construcción que coincidan con esta expectativa. Esto implica evaluar cómo los factores ambientales y las condiciones de servicio afectarán la estructura con el tiempo. - Mantenimiento preventivo: El mantenimiento regular es esencial para garantizar la durabilidad de una estructura de acero. Se deben llevar a cabo inspecciones periódicas y realizar reparaciones o reemplazos de componentes cuando sea necesario. La prevención y el tratamiento temprano de la corrosión son fundamentales en este proceso. •Evaluación de la exposición química: En entornos donde los productos químicos agresivos puedan estar presentes, como plantas industriales o instalaciones químicas, se deben considerar los efectos potenciales de la exposición química en la durabilidad del (^) acero y se deben tomar medidas adecuadas de protección. 5.Economía El diseño debe ser eficiente desde el punto de vista económico, utilizando la cantidad mínima de material de acero necesario para cumplir con los requisitos de resistencia y seguridad.
- Eficiencia del uso de materiales: El diseño de acero estructural debe ser eficiente en términos de uso de materiales. Esto implica utilizar la cantidad mínima de acero necesaria para cumplir con los requisitos de resistencia y seguridad. Un diseño eficiente reduce los costos de materiales y, por lo tanto, contribuye a la economía del proyecto.
- Selección de perfiles y secciones adecuados: Se deben seleccionar perfiles y secciones de acero que sean adecuados para la carga y las condiciones de servicio específicas. Utilizar perfiles más ligeros o secciones optimizadas puede reducir los costos de acero y la cantidad de material utilizado. - Optimización de conexiones: Las conexiones entre los miembros de acero son componentes críticos en el diseño y pueden ser costosas en términos de mano de obra y materiales. Optimizar las conexiones para simplificar su fabricación e instalación puede generar ahorros significativos.
Bajada de cargas En este método se consideran todos los elementos estructurales del edificio; algunos, como las escaleras y el cubo de elevadores, no se predimensionaron; sin embargo, durante el proceso se detalla el cálculo de sus dimensiones. En la estructura propuesta intervienen muros estructurales de carga y rigidez. Estos elementos, junto con las columnas, son los responsables de transmitir el peso del edificio desde el nivel más alto hasta la cimentación. Por sus características y los esfuerzos que soportan, ayudan a resistir los esfuerzos cortantes originados en el edificio por acciones como sismo y viento. Para fines de este análisis, la distribución de las cargas en la estructura se considera como lo muestran las figuras 4.1 a 4.3. Figura 4 .1 Distribución de carga a trabes
Figura 4.2 Distribución de carga a muros de carga y de rigidez
