MODULO DE ESTRUCTURAS METALICAS TRABAJO INDIVIDUAL

MIGUEL ROSENDO GARCS RAMOS

ASESOR Ing. Andrs Ramrez Gmez

UNIVERSIDAD SANTO TOMS ESPECIALIZACIN EN PATOLOGA DE LA CONSTRUCCIN

MONTERA - CRDOBA 2015

1. Presente aplicaciones prcticas (mediante fotos e imgenes) de:

Prticos Resistentes a Momento

Prticos Arriostrados Concntricamente

Prticos Arriostrados Excntricamente

Prticos Arriostrados Restringidos al pandeo

Muros de cortante de placa de acero

Muros de cortante de placa de acero

Prticos de acero arriostrados con muros de concreto

2. De ejemplos de estructuras construidas con perfiles de acero formado en frio.

En la actualidad es muy comn que la estructura principal de los edificios altos est formada por perfiles pesados

laminados en caliente; en cambio, los elementos secundarios como viguetas, paneles o cubiertas y entrepisos

generalmente lo componen miembros conformados en fro.

3. De ejemplos y explique, estructuras con elementos trabajando a tensin, compresin, flexin y corte.

MIEMBROS A TENSION

Los miembros en tensin son elementos estructurales que estn sujetos a fuerzas axiales directas, que tienden a

alargar el miembro. Un miembro cargado en tensin axial, se sujeta a esfuerzos normales de tensin uniformes en

todas las secciones transversales a lo largo de su longitud.

La seleccin de un perfil para usarse como miembro a tensin es uno de los problemas ms sencillos que se

encuentran en el diseo de estructuras. Como no existe el problema de pandeo, solo se necesita calcular la fuerza

mxima estimada que debe tomar el miembro y dividirla entre un esfuerzo permisible de diseo para determinar el

rea de la seccin transversal efectiva necesaria.

Cualquier perfil de acero disponible se puede utilizar como un miembro en tensin. Pero se debe tener en cuenta lo

siguiente:

Debern ser compactos; poseer suficiente rigidez y masa para comportarse como un miembro continuo.

Tener dimensiones que se ajusten en la estructura con una relacin razonable a las dimensiones de los otros

miembros

Tener conexiones con tantas partes de las secciones como sea posible para minimizar el regazo de cortante.

Ejemplos: TENSORES

CORDON INFERIOR Y ELEMENTOS VERTICALES DE CERCHAS

RIOSTRAS (trabajan a tensin y compresin)

MIEMBROS A COMPRESION

Existen varios tipos de miembros que trabajan a compresin, de los cuales la columna es el ms conocido. Entre los

otros tipos se encuentran los cordones superiores de cerchas, riostras, los patines a compresin de vigas laminadas

y armadas y los miembros sujetos simultneamente a flexin y a compresin.

Existen dos diferencias importantes entre miembros a tensin y miembros a compresin. Estas son:

Las cargas de tensin tienden a mantener rectos los miembros, en tanto que las de compresin tienden a

flexionarlos hacia afuera del plano de las cargas.

La presencia de agujeros para tornillos o remaches en los miembros a tensin reduce las reas disponibles para

resistir las cargas; en los miembros a compresin se supone que los tornillos y remaches llenan los agujeros

(aunque inicialmente puede haber un pequeo deslizamiento hasta que los conectores se apoyan en el material

adyacente) y las reas totales estn disponibles para resistir las cargas.

Los miembros estructurales cargados axialmente a compresin pueden fallar tericamente de tres manera

diferentes: por pandeo flexionante, por pandeo torsionante o por pandeo flexotorsionante.

Ejemplos: COLUMNAS

RIOSTRAS (trabajan a tensin y compresin)

MIEMBROS A FLEXIN

Los elementos estructurales que trabajan a flexin predominantemente son las vigas, que se usan generalmente en

posicin horizontal y estn solicitadas por cargas verticales transversales a su eje principal.

Una viga es un elemento estructural diseado para soportar cargas aplicadas transversalmente a su eje longitudinal,

y para transferir esas cargas a puntos designados en la viga, denominados apoyos. Estos pueden estar integrados

por muros de carga, columnas u otras vigas (a veces denominadas trabes) a las cuales la viga ensambla. El termino

trabe se usa en forma algo ambigua, pero esta es una viga grande a la que se conectan otras de menor tamao.

Las vigas estn sujetas principalmente a flexin, que suele acompaarse de cortante. Con menos frecuencia, se ven

sujetas a torsin.

Los perfiles W generalmente son las secciones ms econmicas para usarse como vigas.

Los largueros se usan a veces como largueros cuando las cargas son pequeas y en lugares donde se requieran

patines estrechos.

Los perfiles S se usan principalmente para situaciones especiales, como cuando se requieren anchos pequeos de

patines, cuando las fuerzas cortantes son muy grandes o cuando son convenientes mayores espesores de patn en la

cercana del alma por motivos de flexin lateral.

Existen muchos tipos de vigas entre ellos viguetas, dinteles, vigas de fachada, largueros de puente y vigas de piso.

Las correas de cubiertas son miembros a flexin que soportan las cubiertas del techo de edificios y van de una

cercha a la siguiente. Las secciones laminadas en caliente o formadas en fri (canales, perfiles I o Z) se utilizan como

correas.

Ejemplos: CORREAS DE CUBIERTAS

VIGAS DE ENTREPISO

MIEMBROS A CORTE

4. Muestre y describa conexiones trabajando a momento, corte y fuerza axial, tanto soldadas como atornilladas.

Conexiones rgidas (Tipo 1 segn la ASD A2.2): este tipo de conexin no gira en absoluto o tiene resistencia total al

momento. Se usan en porticos resistentes a momentos (PRM). En ellas se concentran los esfuerzos producidos por

sismos y por excentricidades de las cargas.

Conexiones simples (Tipo 2 segn la ASD A2.2): es una conexin completamente flexible que gira libremente sin

resistencia al momento. Se usan en prticos con arriostramiento lateral, en los cuales los miembros estn sujetos

primordialmente a fuerzas axiales.

Conexiones semirrgidas (Tipo 3 segn la ASD A2.2): este tipo de conexin tiene una resistencia intermedia entre las

conexiones rgidas y las simples.

Desde el punto de vista prctico, no existen conexiones completamente rgidas o completamente flexibles, es por

esto que es comn clasificarlas en trminos del porcentaje del momento desarrollado para generar una rigidez

completa.

Una regla aproximada es que las conexiones simples tienen entre 0 y 20%, las semirrgidas entre 20 y 90% y las

rgidas ms del 90% de la rigidez total.

5. Describa tres modos de falla en conexiones y sus soluciones.

Rotura por Bloque de Cortante, este estado lmite se verifica de acuerdo con F.2.10.4.3 de las NSR-10. este tipo

de falla se produce cuando por la accin de la fuerza transmitida, se generan tensiones, unas de traccin y otras

de corte, que superan la resistencia del material y por lo tanto se desprende un pedazo de uno de los elementos

conectados.

Solucin: Separar los tornillos para aumentar rea neta sometida a corte. En todo caso se debe chequear que la

conexin sea resistente a la fractura en el plano de tensin y fluencia en el plano de corte o a la fractura en el plano

de corte y fluencia en el plano de tensin.

Desgarramiento, Este tipo de falla se presenta cuando no se respetan ciertas distancias mnimas entre las

perforaciones y los bordes, contenidas en la tabla F.2-10 de las NSR-10.

La separacin entre conectores debe ser mayor de 2 2/3 el dimetro del conector, preferiblemente que sea mayor

de 3 veces el dimetro.

La distancia mnima al borde Le es la menor de las calculadas con las expresiones anteriores y la distancia que se

encuentre segn sea al caso, en la siguiente tabla:

Solucin: Se controla respetando unas distancias mnimas al borde y una separacin mnima entre perforaciones. En

caso que la conexin no cumpla se debe disear perforaciones para tornillos alternadas y de esa forma se gana rea

transversal neta del elemento sometido a tensin.

Corte en los Tornillos, este estado lmite se verifica de acuerdo con F.2.10.3.6 de las NSR-10, depende adems

de la resistencia a la tensin de los conectores y de su descripcin segn la Tabla F.2-8 de las NSR-10.

Solucin: Se debe aumentar el dimetro de los tornillos o si la conexin lo permite se debe aumentar la cantidad de

los mismos.

6. Describa dos ejemplos de fallas durante la construccin de puentes y sus soluciones.

Puente de Tacoma Narrows, aunque su colapso no ocurri durante su construccin sino pocos meses despus,

vale la pena traerlo a colacin porque es un clsico de los errores de diseo a nivel mundial. El Puente Tacoma

era un puente colgante de 1600 metros de longitud que una las dos orillas del estrecho del mismo nombre

conectando la pennsula de Kitsap y el continente en el estado de Washington, dando servicio a la ciudad de

Tacoma.

Desde el punto de vista de la fsica, el puente experimentaba un movimiento ondulatorio que era provocado

por las vibraciones de los vehculos que lo cruzaban y que, por un efecto de resonancia mecnica, el puente lo

amplificaba.

El 7 de noviembre de 1940 entr en escena un factor que no haba sido tenido en cuenta en el diseo del

puente. Comenz a soplar un viento que impactaba de manera transversal en la estructura del puente, un

viento de 68 kilmetros por hora que provoc una nueva resonancia en el puente (de orientacin transversal)

que haca que ste se retorciese. El eje central del puente permaneca quieto y los dos lados de la carretera se

retorcan sin parar por efecto del viento que soplaba (que era de intensidad media), en un fenmeno conocido

como flameo aeroelstico. A las 11 de la maana, despus de todas las torsiones, el puente se vino abajo por

completo, quedando nicamente en pie los pilares de ste.

Solucin: Una forma de solucionar el problema era aumentar la rigidez de su estructura con elementos ms

robustos, de mayor peso y menor esbeltez de los elementos. Lo anterior tambin ayudara a cambiar la

frecuencia de oscilacin de la estructura para que fuese diferente a la que le induca la fuerza del viento.

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=s0376-723x2004000300001&script=sci_arttext

7. Describa dos ejemplos de fallas durante la fabricacin en taller de una Armadura de cubierta y sus soluciones

En taller los procesos tienen un mejor control de calidad y mrgenes de error mnimos y por lo tanto las

armaduras no presentan fallas considerables durante su fabricacin.

8. Cite y describa dos ejemplos de falla por fatiga en puentes y sus soluciones.

EL PUENTE FERROVIARIO DEE:

CAUSAS DEL COLAPSO DE LOS PUENTES EN COLOMBIA

Deficiencias estructurales y de diseo

Al analizar los casos de colapsos se encuentra un porcentaje importante de fallas por deficiencias en el diseo

estructural, sobretodo en puentes de estructura metlica. De los estudios elaborados por la Universidad

Nacional de Colombia- sede Bogot, contratados por el INVIAS y otras entidades para determinar las causas de

las fallas de algunos puentes metlicos y de concreto (Saman-1993, Los Angeles-1994, Heredia-1995,

Pescadero-1996, Purnio-1996, Maizaro-1997, Recio-1998), se pueden identificar las siguientes deficiencias

estructurales tpicas:

En puentes de arco en acero, los elementos principales de arco no cumplen con relaciones ancho

espesor (pandeo local) y presentan esfuerzos actuantes mayores a los permitidos.

Presentan elementos de arco diseados solamente a compresin y no revisados para efectos

combinados de flexin biaxial ms compresin.

Modelos estructurales incompletos que no contemplan todas las caractersticas mnimas para un

adecuado anlisis y diseo. En el caso de puentes con arcos es importante un modelo tridimensional

que tenga en cuenta la flexin fuera del plano que puede ser del mismo orden de la flexin en el plano;

muchos puentes de arco construidos en Colombia fueron diseados con modelos planos.

Seleccin errnea del factor de longitud efectiva (K) para la evaluacin del pandeo general de la parte

inicial de los elementos de un arco.

Puentes de armadura en acero sin una evaluacin adecuada de la estabilidad lateral.

Deficiencia de anlisis y diseo de las uniones en puentes metlicos. Igualmente, el diseo de refuerzos

de los elementos de puentes metlicos existentes no tienen en cuenta las uniones.

Diseos estructurales de puentes en acero, sin tener en cuenta consideraciones de fatiga para los

elementos y las uniones.

Por falta de mantenimiento preventivo de puentes de acero, se presentan fenmenos de corrosin que

afectan la capacidad de la estructura.

Soldaduras sin un adecuado diseo y con deficiencias desde la fabricacin por falta de controles de

calidad.

9. Describa dos ejemplos de fallas durante la operacin de un edificio en estructura metlica y sus soluciones

Corrosin Deslaminacin de perfiles

Picaduras en conexiones

La corrosin es un proceso que afecta al acero provocando una destruccin o deterioro de sus propiedades debido

a una reaccin qumica o por consecuencia de una corrosin electroqumica. Experimenta una aceleracin en

ambientes agresivos como los industriales o marinos. Provoca una disminucin progresiva de la seccin resistente

de los elementos estructurales, llegando incluso a la perforacin o rotura por abombamiento de los xidos. Las

zonas donde suele aparecer son: los apoyos, cerramientos exteriores y en forjados sanitarios. Los tipos de corrosin

ms frecuentes son la de aireacin diferencial y la de par galvnico.

- Fallo de las uniones

Corrosin

Mecnico

Las uniones constituyen uno de los puntos ms delicados a tener en cuenta en la estructura, tanto en la ejecucin

como en su operacin. Su objetivo es dotar de continuidad a un elemento estructural que no puede construirse de

una sola pieza. Son esenciales para dotar de estabilidad y seguridad a la estructura.

Los defectos pueden ser segn la tipologa de la unin los siguientes:

Atornillado

El problema ms importante es la corrosin por aireacin diferencial que puede surgir en los encuentros, causando

una prdida de seccin til en los roblones o tornillos. Hay que utilizar aceros de igual composicin para evitar

problemas de par galvnico. En las articulaciones habr que emplear aceros de alta resistencia. Y de modo general,

los elementos deben someterse a un control exhaustivo de calidad y de su colocacin.

Soldadura

Los procesos patolgicos mecnicos son consecuencia de una seccin de clculo insuficiente o de una ejecucin no

uniforme. Las patologas qumicas son causadas por incompatibilidad de aceros o con el material de aportacin.

Anclajes

Los procesos patolgicos mecnicos conducen a aplastamiento y cizalladura del elemento traccionado, llegando a

su rotura. Suele producirse un alargamiento diferido, que habr que cuantificar en los primeros meses de puesta en

funcionamiento. Los procesos de naturaleza qumica se deben a corrosin por aireacin diferencial.

-Falta de rigidez

Deformacin

Mecnica . Trmica, especialmente en elementos perimetrales situados en los cerramientos.

Vibracin

El acero aunque sufre deformaciones, suele recuperar su forma, salvo en determinados casos. Las lesiones

mecnicas que afectan a forjados metlicos pueden ser de dos tipos: de flecha o de tensin excesiva. Su origen est

en la inadecuacin de la estructura frente a un estado lmite; bien por un incremento de las cargas que puede

soportar o por la disminucin de la resistencia de la estructura.

De modo general, las lesiones comienzan en las zonas ms rgidas del edificio, donde son ms visibles, como sucede

en los cerramientos y particiones.

-Los fallos caractersticos son los siguientes: Fallos mecnicos: afectan a la solidez, implican prdida de capacidad

mecnica o resistencia, estabilidad, rigidez que inciden en la seguridad estructural.

Fallos funcionales: afectan a la utilidad, conllevan prdida de nivelacin horizontal, vertical que repercute en la

durabilidad y transmisin de vibraciones.

Fallos estticos: afectan al decoro debido a cambio de coloracin por accin de la corrosin. Son figuraciones

inducidas que influyen ms en cerramientos, revestimientos y paramentos que en la propia estructura.

10. Cite un caso con imgenes, de rehabilitacin de una estructura metlica.

Para la rehabilitacin de edificios que son patrimonio de la nacin se emplean estructuras metlicas, las cuales

facilitan los trabajos, permiten conservar fachadas. El primer punto a seguir es con la demolicin, retaques de la

estructura a conservar y estabilizacin de esta.

Apuntalamiento para la estabilizacin del edificio

El segundo procedimiento es la construccin de la cimentacin y apoyos de la estructura metlica, las cuales son

zapatas con vigas de amarre.

El tercer procedimiento es la instalacin de la estructura, la cual se compone de perfiles tipo I el cual son acoplados

mediante soldadura. En algunos casos son atornillados, dependiendo de las especificaciones tcnicas del calculista.

12. Cite y describa tres casos de estructuras metlicas que hayan fallado en Colombia y de sus conclusiones.

Torre de la Escollera, Fue un edificio sin terminar ubicado en Cartagena de Indias, la altura original se

estimaba en 206 metros y alrededor de 50 pisos, todos con fin residencial.

Los materiales que se usaran en su construccin seran: concreto reforzado, acero y vidrio en la mayor

parte de su estructura, iba a ser uno de los rascacielos ms modernos de Sudamrica.

CAUSAS DE LA FALLA

Cuando la torre llevaba 50 pisos, un vendaval con vientos del orden de 40km/h caus una distorsin significativa

que provoc una inclinacin 1m con su mayor curvatura entre los pisos 28 y 40, la causa principal de la falla era la

ausencia de la instalacin de las riostra o diagonales.

LOS DIAFRAGMAS

Cada prtico actu como una estructura independiente.

No compartan cargas entre varios de ellos.

Las losas estaban vaciadas y conectadas convenientemente.

El peso de las losas habra sido favorable para contrarrestar los momentos de volteo generados por las fuerzas e

viento.

CONCLUSIONES

Ausencia de riostras, losas y la falta de rigidez de los nudos de conexin durante su montaje.

Se debe hacer nfasis en las conexiones calificadas con base en protocolos de ensayo real, que demuestren que su

comportamiento ser adecuado.

El ingeniero diseador debe tener el control sobre el diseo de las conexiones.

En Colombia es posible construir estructuras seguras con acero estructural.

LA RIGIDEZ DE LOS NUDOS

La edificacin estaba siendo realizada con nudos articulados, cuando deban hacerlo con nudos rgidos para evitar

grandes demandas de rotacin.

RIOSTRAS

Si se hubieran utilizados riostras con nudos articulados la deformacin hubiera reducido 25 veces, de lo contrario si

se hubieran usado nudos rgidos y riostras el comportamiento de la estructura hubiera sido mejor.

Puente peatonal calle 122 con autopista norte Bogot

El dia 14 de Agosto de 1.999 ocurri el colapso del tramo oriental del puente peatonal localizado en la Calle 122 con

Autopista Norte de Santaf de Bogot.

CAUSAS DE LA FALLA

Las soldaduras presentaban deficiencias de ejecucin, y los miembros presentan corrosin interna que redujo su

seccin estructural. Desde el punto de vista del diseo estructural, el diseo de las juntas era deficiente, las

secciones de miembros estructurales no cumplen con la normatividad en que fue diseado, y se incurri en error

conceptual de disear a carga axial el cordn inferior siendo que en realidad trabaja a flexo-compresin o flexo-

traccin por la forma en que estn apoyadas las losetas de tablero.

La capacidad de carga del puente no es la indicada en las memorias iniciales si se cumple con un factor de seguridad

adecuado.

Con base en la comparacin de los esfuerzos mximos resultantes de los clculos de revisin contra los esfuerzos

admisibles fijados por la norma en que fue construido el puente (Decreto 1.400 de 1.984), se puede deducir que la

estructura metlica tena nicamente capacidad para soportar una carga viva uniforme del orden de 90 kg/m2 en

lugar de los 450 kg/m2 utilizados en su clculo inicial.

Por lo tanto, el puente metlico estaba trabajando por encima de los rangos de seguridad, que no deben ser

excedidos.

Adems de los fenmenos de corrosin y de esfuerzos residuales producidos por las soldaduras que de hecho

reducen su capacidad de carga, el puente en su tiempo de utilizacin pudo estar solicitado por cargas vivas

superiores a 90 kg/m2 que debilitaron su estructura y ocasionaron fallas en las uniones soldadas. Es difcil valorar la

magnitud y la fecha de ocurrencia de tales fallas. Lo nico que puede aseverarse es su existencia momentnea y su

contribucin al colapso presentado.

El Comit-considera que el colapso del puente se present por la falla sbita de una soldadura de unin entre los

componentes de la armadura vertical en celosa. Con base en el anlisis de esfuerzos y en lo que es posible apreciar

de la estructura colapsada, el mecanismo de falla pudo iniciarse en la soldadura que liga el cordn superior con la

vertical del apoyo central.

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