tesis david1 modificadotesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/224/1/david erasto garcia … · 1.11...

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Unidad Azcapotzalco

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INDICE Prologo 4 Introducción 5 CAPITULO I ESTRUCTURAS METÁLICAS

1.1 Primeros usos del hierro y del acero 6 1.2 Acero 8 1.3 Proceso de producción y obtención 9 1.4 Fabrica de aglomeración 11 1.5 Alto horno 12 1.6 Convertidor de oxigeno 12 1.7 Coquería 12 1.8 Procedimiento eléctrico 13 1.9 Acero liquido 13 1.10 Estación de afino 13 1.11 Colada continua moldeo de piezas en bruto 13 1.12 Métodos de refinamiento 13 1.13 Aleaciones 14 1.14 Aceros estructurales 15 1.15 Propiedades de los aceros estructurales 17 1.16 Clasificación del acero 20 1.17 Aceros al carbono 20 1.18 Aceros aleados 20 1.19 Aceros de baja aleación ultrarresistentes 21 1.20 Aceros inoxidables 21 1.21 Aceros de herramientas 22 1.22 Procesos y acabados 24 1.23 Tratamiento térmico de los aceros 24 1.24 Tratamiento prolongado 25 1.25 Autotemplado 25 1.26 Cementación 25 1.27 Carburación 25 1.28 Cianuracion 25 1.29 Nitruración 25 1.30 Usos 25 1.31 En la construcción de puentes o edificios 25 1.32 En el sector de la automoción 26 1.33 En lo cotidiano: latas, bidones, botes 26 1.34 En el corazón de la construcción alimentaría en la comunicación 26 1.35 En la energía 26 1.36 En la sanidad 27


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CAPITULO II EL ACERO ESTRUCTURAL SU ANALISIS Y DISEÑO

2.1. Ventajas del acero como material estructural 28 2.2 Desventajas del acero 29 2.3 Análisis estructural 29 2.4 Análisis y diseño estructural 30 2.5 Las cargas estructurales 30 2.6 Cargas muertas (D) 31 2.7 Cargas muertas 33 2.8 Cargas vivas (L) 33 2.9 Cargas de sismo (E) 35 2.10 Cargas de viento (w) 39 2.11 Las acciones de fuego 40 2.12 El acero estructural 43 2.13 Principios básicos del análisis estructural 46 2.14 Componentes y sistemas estructurales 47 2.15 Proyecto estructural 47 2.16 Especificaciones y códigos de construcción 48 2.17 Factores de resistencia 48 2.18 Reglamento LRFD 48 2.19 Reglamento NTC- diseño de estructuras metálicas 49 2.20 Tipos de estructura 49 2.21 Secciones de perfiles laminados 51 2.22 Marcos contraventeados 52 2.23 Marcos sin contraventeo 53 2.24 Clasificación de las secciones 53 2.25 Elementos planos no atiesados 54 2.26 Elementos planos atiesados 55 2.27 Grueso 56 2.28 Secciones circulares huecas (OC) 56 2.29 Miembros sujetos a compresión 57 2.30 Miembros a flexocompresion 57 2.31 Estructuras regulares 57 2.32 Estructuras irregulares 57 2.33 Métodos de análisis y diseño 58 2.34 Diseño de miembros a compresión 60 2.35 Diseño de miembros a tensión 60 2.36 Bloque cortante (interacción-tensión-cortante) 61 2.37 Cables 61 2.38 Torón 61 2.39 Cable 61 2.40 Esfuerzos residuales 62 2.41 Perfiles usados como columnas 62


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CAPITULO III COLUMNAS DE ACERO

3.1 Columnas 64 3.2 Columnas de tabique 64 3.3 Columnas de piedra 64 3.4 Columnas de acero 64 3.5 Columnas de concreto 64

CAPITULO IV SOLDADURA ESTRUCTURAL

4.1 Conexiones soldadas 66 4.2 Ventajas de la soldadura 66 4.3 Desventajas 67 4.4 Clasificación de la soldadura 68 4.5 Filete 68 4.6 Soldaduras de penetración (ranura) 69 4.7 Penetración parcial 69 4.8 Penetración completa 69 4.9 Soldadura de tapón y ranura 70 4.10 Clasificación por su posición 70 4.11 Clasificación por ensamble 70 4.12 Simbología por uniones soldadas 72 4.13 Dimensiones efectivas de soldaduras 73

CAPITULO V ESTRUCTURAS DE ACERO Y SU CLASIFICACION

5.1 Estructuras de ingeniería 77 5.2 Definición de la teoría de estructuras 77 5.3 Clasificación de las teorías estructurales 78 5.5 Clasificación de las estructuras de acero 79 5.6 Forma de trabajo 79 5.7 Estructura metálica 80 5.8 Ventajas de las estructuras de acero 83 5.9 Las estructuras metálicas 84 5.10 Ventajas de las estructuras metálicas 84 5.11 Donde no construir estructuras metálicas 84 5.12 Comportamiento estructural 5.13 Soluciones 85 5.14 Normativa 85 5.15 Estructura de un edificio 86 5.16 Elementos estructurales ( barras, sección, canto, nudo ) 86

CONCLUCIONES 88

BIBLIOGRAFIA 89


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PROLOGO ESTRUCTURAS METÁLICAS Una de las Ventajas de la construcción metálica El acero es un material prácticamente isotrópico, bien definido en sus propiedades y de mejor calidad que materiales como madera, concreto y ladrillo. El uso de conectores de corte y de elementos compuestos (acero y concreto) hace que las estructuras metálicas sean competitivas. Las estructuras metálicas permiten grandes trabajos, se pueden colocar columnas muy distanciadas y aprovechar mejor los espacios. Además el costo de las vigas en acero aumenta comparativamente menos que las vigas de concreto, aumentan su costo mayormente. Para resistir iguales cargas de compresión una columna en acero tiene sección menor que una de concreto. En cualquier tipo de estructura, ya sea arriostrada, con pórticos y muros de corte o pórticos rígidos, con estructura en acero se alcanzan mayores alturas totales en edificios en relación a otros sistemas. En estructuras de acero se obtienen cimentaciones de menor costo que con estructuras en concreto. Esto se debe al peso de la estructura el cual es mucho menor en acero que en concreto. Para efectos de sismo, la fuerza horizontal está relacionada Directamente con el peso de la estructura. El acero tiene la gran ventaja de tener gran resistencia y bajo peso. Esto es muy favorable ya que con el acero se obtienen fuerzas sísmicas bajas y alta existencia en el material. En la NSR – 98 se permiten mayores asentamientos diferenciales para estructuras de acero que en otros sistemas. Si no se tienen acabados susceptibles de dañarse con asentamientos menores, la altura del conjunto viga y losa en acero puede representar las 2/3 partes de la altura del mismo conjunto en concreto. Esto representa un ahorro en volumen y por lo tanto en costo de divisiones interiores y acabados. Con las estructuras metálicas se da más flexibilidad frente al paso de ductos que en las estructuras de concreto, por ejemplo, al tener menor altura en las vigas se pueden pasar los ductos por debajo de estas, sin aumentar demasiado la altura aparente de las losas, por otra parte se tiene la posibilidad de utilizar vigas perforadas en el alma, perforaciones por las cuales se pueden pasar los diferentes ductos. Debido a que este tipo de estructura se fabrica primero en el taller, el tiempo de construcción es muy corto, ya que el montaje de los elementos es muy rápido en comparación con las estructuras de concreto. También se presenta un ajuste preciso en el montaje de los acabados, así como también se tienen tolerancias más reducidas que con el concreto.


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INTRODUCCION En el transcurso de la exposición de esta tesis veremos que el acero no es un material nuevo, se ha visto a través de la historia como se logro realizar esta aleación en el siglo 19 . El proceso que se necesita para lograr conseguir el acero y las complicaciones que tiene este proceso es muy completo, además las dificultades para lograr los diferentes tipos de acabados que se le pueden dar al acero.

Los sistemas de obtención del acero son muy variados dependiendo de la

cantidad de carbono que contenga.

La variedad de aceros es muy extensa dependiendo del método de fabricación y la cantidad de carbono que contenga.

Algunos tipos de acero pueden volverse a fundir en forma que contaminan

menos al ser reciclados y vueltos a utilizar.

El uso del acero en la construcción es muy importante, ya que se le proporciona a las estructuras, el esfuerzo adicional que por ende es llamado el esqueleto de las estructuras.

Sobre la importancia del acero sin duda alguna es un paso a seguir en las estructuras metálicas del cual estaremos hablando que constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, cuyo empleo suele crecer en función de la industrialización alcanzada en la región o país donde se utilizan. Observamos que las estructuras de acero se eligen por sus ventajas en plazos de obra, relación de coste de mano de obra, coste de materiales, financiación etc. La realización de esta tesis estará compuesta por 5 capítulos.

1. Estructuras metálicas 2. El análisis estructural su análisis y diseño 3. Columnas de acero 4. Soldadura estructural 5. Estructuras de acero y su clasificación


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CAPITULO I ESTRUCTURAS METALICAS

1.1 PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y DEL ACERO Hierro: elemento químico natural y metálico de gran resistencia mecánica (Fe).

3000 a. C. Se emplean ya utensilios tales como herramientas y adornos hechos de "acero" en el antiguo Egipto. Se encuentran dagas y brazaletes de hierro en la pirámide de Keops con más de 5000 años de antigüedad.

1000 a. C. Inicio de la edad del hierro, primeros indicios en su fabricación se cree que un incendio forestal en el monte Ide de la antigua Troya (actual Turquía) fundió depósitos ferrosos produciendo hierro. Otros creen que se comenzó a emplear a partir de fragmentos de meteoritos donde el hierro aparece en aleación con Níquel.

490 a. C. Batalla de Maratón Grecia. Los atenienses vencen con sus armas de hierro a los persas, que aún emplean el bronce, con un balance de 6400 contra 192 muertos.

Acero: aleación de hierro (99 %) y carbono (1 %) y de otros elementos de la más alta resistencia mecánica.

1000 a. C. Se cree que el primer acero se fabrico por accidente al calentar hierro con carbón vegetal siendo este último absorbido por la capa exterior de hierro que al ser martillado produjo una capa endurecida de acero. De esta forma se llevó a cabo la fabricación de armas tales como las espadas de Toledo y

1779 d. C. Se construye el puente Coalbrokedale de30 m de claro, sobre el río sueon en Shropshire. Se dice que este puente cambia la historia de la revolución industrial, al introducir el hierro como material estructural, siendo el hierro 4 veces más resistente que la piedra y 30 veces más que la madera.

1819 se fabrican los primeros ángulos laminados de hierro en E.U.A.

1840 el hierro dulce más maleable, comienza a desplazar al hierro fundido en el laminado de perfiles.

1848 Willian Kelly fabrica acero con el proceso Bessenor en E.U.A.

1855 Henry Bessenor consigue una patente inglesa para la fabricación de acero en grandes cantidades Kelly y Bessenor observan que un chorro de aire a través del hierro fundido quema las impurezas del metal, pero también eliminaba el carbono y magnesio.

1870 con el proceso Bessenor se fabrican grandes cantidades de acero al bajo carbono.


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1884 se terminan las primeras vigas IE (I estándar) de acero en E.U.A. La primera estructura reticular el edificio de la Home Insurance Company de Chicago, Ill. Es montada.

William Le Baron Jerry diseña el primer "rascacielos" (10 niveles) con columnas de acero recubiertas de ladrillo. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabrican en hierro forjado, mientras que las de los pisos restantes se fabrican en acero.

1889 se construye la torre Eiffel de París, con 300m de altura, en hierro forjado, comienza el uso de elevadores para pasajeros operando mecánicamente.


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1.2 ACERO

Son aquellos productos ferrosos cuyo tanto por ciento de carbono está comprendido entre 0.05% y 1.7%; el acero endurece por el temple y una vez templado, tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfría lentamente, disminuye su dureza. El acero funde entre los 1400 y 1500°C, y se puede moldear con más facilidad que el hierro.

Aceros se pueden clasificar según se obtengan en estado sólido: en soldados, batidos o forjados; o, en estado liquido, en hierros o aceros de fusión y homogéneos. También se clasifican según su composición química, en aceros originarios, al carbono y especiales.

La proporción de carbono influye sobre las características del metal. Se distinguen dos grandes familias de acero: los aceros aleados y los no aleados. Existe una aleación cuando los elementos químicos distintos al carbono se adicionan al hierro según una dosificación mínima variable para cada uno de ellos.

Por ejemplo el 0.5% para el silicio, el 0.08% para el molibdeno, el 10.5% para el cromo. De esta manera una aleación del 17% de cromo mas 8% níquel constituye un acero inoxidable. Y por eso no hay un acero sino múltiples aceros.


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1.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN Y OBTENCIÓN

El acero se fabrica partiendo de la fundición o hierro colado; éste es muy impuro, pues contiene excesiva cantidad de carbono, silicio, fósforo y azufre, elementos que perjudican considerablemente la resistencia del acero y reducen el campo de sus aplicaciones.

La fabricación verdadera del acero se inició hacia 1856, cuando se introdujo en la si-derurgia el empleo del convertidor Bessemer, consistente en un recipiente de gran capacidad y de forma de pera, de paredes de hierro y fondo provisto de numerosos orificios, a través de los cuales se hacía llegar una potente corriente de aire, que removía con violencia la masa de hierro colado fundido que llenaba el convertidor.

La reacción entre el oxígeno del aire y los componentes de la fundición era violentísima y tal el calor desarrollado dentro del convertidor que la masa de la fundición se mantenía líquida por sí misma. En la reacción indicada se combinaba la mayor parte del carbono, fósforo y azufre con el oxígeno del aire insuflado, pero no se eliminaba el silicio, lo que constituía un grave inconveniente, razón por la cual no podían utilizarse los minerales de hierro ricos en aquél.

Por otra parte, el primitivo convertidor Bessemer sólo podía utilizarse un reducido número de veces, pues la fundición líquida y a elevada temperatura atacaba las paredes de hierro del aparato, Estos inconvenientes fueron subsanados por el oficinista británico Thomas, quien logró afinar el hierro colado revistiendo las paredes internas del convertidor Bessemer con una mezcla de greda y dolomita pulverizada (carbonato de calcio y magnesio), y al mismo tiempo agregaba a la fundición un poco de cal viva, insuflando aire comprimido caliente por el fondo del aparato.

El silicio y gran parte del manganeso contenidos en la fundición se queman con rapidez y el óxido de manganeso que se forma se combina con el silicio; el silicato manganoso funde con dificultad y flota sobre la masa incandescente líquida en forma de escoria, el carbonato arde a su vez y el fósforo se combina con la cal del revestimiento del convertidor y se forma fosfato cálcico básico, el cual flota también en forma de escoria (escories Thomas) sobre la masa líquida, y de la cual se separa con las escorias restantes. Posteriormente mejoraron el procedimiento de afinación del acero Martín, francés, y Siemens, alemán; que introdujeron en la siderurgia los hornos de sus respectivos nombres. En estos hornos, calentaba la fundición o hierro fundido en una atmósfera de gases de gasógeno y se le mezclan chatarra de acero viejo o de hierro dulce. Al alemán Krupp se le debe el método Industrial de obtención de aceros al crisol, que consiste en refundir el acero Martín-Siemens dentro de grandes crisoles fabricados con una mezcla de arcilla, grafito, coque y carbón vegetal en polvo, donde el acero se afina y purifica más aún. Así se obtiene el acero fundido, empleado en la fabricación de herramientas de corte.


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Más modernos aún son los aceros eléctricos, obtenidos en hornos eléctricos, en éstos se afina el acero obtenido en los hornos Martín-Siemens, y se le recarbura con carbono puro o aglomerados de limaduras de hierro y carbón vegetal. Las propiedades del acero se modifican con relativa facilidad, calentándolo a temperatura próxima a 1.000 °C y sumergiéndola con rapidez en agua, aceite o mercurio fríos (temple) se aumenta su elasticidad; si, por el contrario, se le calienta a elevada temperatura y se le deja enfriar lentamente (recocido) se obtiene acero menos elástico pero más tenaz y resistente al choque. El acero es una aleación de hierro y carbono, esto, es, un carburo de hierro, por eso no existe de él un tipo único; sus propiedades (tenacidad, elasticidad, etc.) varían según el contenido de carbono y la clase empleada en su fabricación (martensita, perlita, ferrita o hierro puro; también influye en él, el método seguido en su fabricación.

Existen aceros duros, rápidos (resistentes a la lima), etc, el acero es de gran importancia a causa de las múltiples aplicaciones que recibe. Se pueden modificar sus propiedades aleándolo con otros metales; de este modo se obtienen los aceros especiales.

El acero líquido se elabora a partir del mineral (procedimiento de fundición) o de chatarras (procedimiento eléctrico).

A continuación, el acero líquido se solidifica por moldeo en una máquina de colada continua.

A la salida, se obtienen los SEMI-PRODUCTOS: barras de sección rectangular (desbastes) o cuadrada (tochos o palanquillas), que son las piezas en bruto de las formas finales.

Por último, las piezas en bruto se transforman en PRODUCTOS TERMINADOS mediante el laminado, y algunos de ellos se someten a tratamiento térmico. Más de la mitad de las planchas laminadas en caliente son relaminadas en frío y eventualmente reciben un revestimiento de protección anticorrosión.


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1.4 FÁBRICA DE AGLOMERACIÓN:

Para preparar el mineral de hierro: Éste se tritura y calibra en granos que se aglomeran (se aglutinan) entre ellos. El aglomerado así obtenido se compacta, cargándolo después en el alto horno junto con el coque. El coque es un potente combustible, que se obtiene como residuo sólido de la destilación de la hulla (una clase de carbón muy rico en carbono).


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1.5 ALTO HORNO:

Se extrae el hierro de su mineral. El mineral y el coque sólidos se introducen por la parte superior del horno. El aire caliente (1200°C) inyectado en la base produce la combustión del coque (carbono casi puro). El óxido de carbono así formado reduce los óxidos de hierro, es decir, extrae su oxígeno, aislando el hierro de ese modo. El calor desprendido por la combustión funde el hierro y la ganga en una masa líquida en que la ganga, de menor densidad, flota sobre una mezcla a base de hierro, denominada "fundición". Los residuos formados por la ganga fundida (escorias) son aprovechados por otras industrias: construcción de carreteras, fabricación de cementos...

1.6 CONVERTIDOR DE OXÍGENO:

Aquí se convierte la fundición en acero. La fundición en fusión se vierte sobre un lecho de chatarra. Se queman los elementos indeseables (carbono y residuos) contenidos en la fundición, inyectando oxígeno puro. Se recuperan los residuos (escoria de acero). Se obtiene acero líquido "bruto", que se vierte en una cuchara. Se denomina acero bruto porque, en esa etapa, está todavía inacabado.

1.7 COQUERÍA:

El coque es un combustible obtenido mediante destilación (gasificación de los componentes no deseados) de la hulla en el horno de la fábrica de coque. El coque es carbono casi en estado puro, dotada de una estructura porosa y resistente a la rotura. Al arder en el alto horno, el coque aporta el calor necesario para la fusión del mineral y los gases necesarios para su reducción.


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1.8 PROCEDIMIENTO ELÉCTRICO:

La materia prima introducida en el horno puede incluir desde material en bruto (por ejemplo, piezas de maquinaria) debidamente seleccionado, hasta chatarra entregada en forma preparada, clasificada, triturada y calibrada con un contenido mínimo de hierro del 92%. La chatarra se funde en un horno eléctrico.

1.9 El ACERO LÍQUIDO:

Obtenido de esa manera, se somete a continuación a las mismas operaciones de afinado y de matización que en el procedimiento de fundición. La chatarra procede de envases desechados, edificaciones, maquinaria y vehículos desguazados o desechos de fundición o acero recuperados en la planta siderúrgica o de sus clientes transformadores. Cada matiz de acero requiere una elección rigurosa de la materia prima, especialmente en función de las "impurezas" que un metal determinado u otro mineral contenido en la chatarra pueda representar para un matiz.

1.10 ESTACIÓN DE AFINO:

Afino (descarburación) y adiciones químicas Las operaciones se producen en un recipiente al vacío, haciendo que gire el acero entre la cuchara y el recipiente con la ayuda de un gas inerte (argón). Se inyecta oxígeno a fin de activar la descarburación y calentar el metal. Este procedimiento permite una gran precisión en el ajuste de la composición química del acero ("matización").

1.11 COLADA CONTINÚA MOLDEO DE PIEZAS EN BRUTO (semiprocesados):

Aquí: moldeo de un desbaste. El acero fundido se vierte en continuo en un molde sin fondo. Al atravesar este molde, comienza a solidificarse en contacto con las paredes refrigeradas por agua. El metal moldeado baja, guiado por un conjunto de rodillos, y continúa enfriándose. Al llegar a la salida, está solidificado hasta el núcleo. En ese momento se corta inmediatamente en las longitudes deseadas.

1.12 MÉTODOS DE REFINAMIENTO

Los materiales básicos para la fabricación de lingotes de acero es material férrico coque y caliza. El coque se quema como un combustible para calentar el horno; cuando se quema el coque, este emite monóxido de carbono que se combina con los óxidos férricos, reduciéndolos a hierro metálico, esta es la reacción química básica en el horno de la explosión; tiene la ecuación: Fe2O3+3CO = 3CO2+2Fe. La caliza en el cargo del horno se usa como una fuente adicional de monóxido de carbono y como un flujo para combinar con el sílice infusible, para formar el silicato de calcio fusible. Sin la caliza, se formarían silicatos férricos, con una pérdida resultante de hierro metálico. Los silicatos del calcio mas otras impurezas forman una escoria que flota encima del metal fundido al fondo del horno.


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Los lingotes de hierro ordinario son producidos por hornos de la explosión que contiene hierro aproximadamente en un 92%, carbono 3% o 4%, silicón 0.5% a 3%, manganeso 0.25% a 2.5%, fósforo 0.04% a 2%, y un rastro de azufre. Un horno de la explosión típico consiste en una cáscara de acero cilíndrica lineada con un terco que es cualquier sustancia no metálica como ladrillo refractario. La cáscara se adelgaza a la cima y el fondo es más ancho a un cuarto de la distancia del fondo. La porción más baja del horno se llamo antalage de alto horno, el cual está provisto por varias aperturas tubulares o tulleres, donde la explosión aérea es forzada. Un agujero en la parte inferior del fondo del horno, es el encargado de evacuar las escorias, o impurezas que van a afectar las características del acero.

La cima del horno esta a aproximadamente a 27 metros, contiene aberturas para el escape de los gases y un par de depósitos redondos de alimentación, estos se controlan a través de válvulas campanudas, con las que se adecua la introducción de la carga al horno.

Un desarrollo importante en tecnología de horno de explosión, es el uso de hornos presurizados los cuales se introdujeron después de la segunda guerra mundial. Estos consisten en acumulación de gases, y luego su pronta liberación, pero además de eso esta técnica hace posible la mejor combustión del coque y rendimiento más alto del lingote de acero, además de ello el rendimiento aumenta en un 25%. También es indispensable para acelerar el proceso implementar al conjunto aire y oxigeno.

Cualquier escoria que pueda fluir del horno con el metal, se desnata fuera del horno, antes de que el fluido se introduzca en el recipiente.

En resumen el refinamiento consististe, el evacuar del acero a producir, todas las impurezas que puedan afectar a este. Se comienza con la evacuación de vapores o gases dañinos, y luego con las escorias, para así tener un acero de la calidad que uno desea.

1.13 ALEACIONES

Debido a que las aleaciones han venido ganando un gran campo de acción en la Ingeniería, podíamos conocer las propiedades que caracterizan a cada tipo de aleación. La resistencia no es la única característica que nos permite decidir si el elemento tendrá un desempeño optimo. Un desempeño satisfactorio depende también de la densidad, la resistencia a la corrosión y los efectos de la temperatura, así como también de las propiedades eléctricas y magnéticas. Como ejemplo consideremos algunas partes para las cuales son especialmente apropiadas ciertas aleaciones.

Aleaciones de aluminio: partes de aviones (alta resistencia en la relación con su peso)

Aleaciones de magnesio: fundiciones para aviones (compite con el aluminio)

Aleaciones de cobre: alambres eléctricos (alta conductividad)


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Aleaciones de níquel: partes para turbinas de gas (alta resistencia a temperaturas elevadas).

Encontramos que más del 95% en peso de los metales de ingeniería, utilizados en los Estados Unidos cada año son aleaciones basadas en aluminio, magnesio, cobre hierro y níquel. De hecho, más del 85% es de la familia basada en el hierro y, a pesar de que los porcentajes para las aleaciones de magnesio y níquel son pequeños, estas tiene gran importancia y sería conveniente conocer algunas de las características principales de algunos tipos de aleaciones.

1.14 ACEROS ESTRUCTURALES

El acero al carbono es el más común, barato y aplicable de los metales que se emplean en la industria. Tienen una ductilidad excelente, lo que permite que se utilice en muchas operaciones de formado en frío. El acero también se puede soldar con facilidad.

Los grados de acero que se emplean comúnmente en las industrias de procesos químicos tienen una resistencia a la tracción dentro de 50000 a 70000 lbf / in2 con buena ductibilidad. Es posible alcanzar niveles de resistencia todavía mas altos con trabajo en frió, con aleaciones y con tratamiento térmico.

Los aceros de alta resistencia se utilizan mucho en proyectos de ingeniería civil. Los nuevos aceros, por lo general, los introducen sus fabricantes con marca registrada; pero un breve examen de sus composiciones, tratamiento térmico y propiedades suele permitir relacionarlos con otros materiales ya existentes.

Las clasificaciones generales permiten agrupar los aceros estructurales disponibles en la actualidad en cuatro categorías principales, algunas de las cuales tienen subdivisiones. Los aceros que utilizan el carbono como elemento principal en la aleación se llaman aceros estructurales al carbono.

Dos sub categorías se pueden agruparse dentro de la clasificación general de aceros. Los aceros con bajo contenido de aleación. Los aceros con bajo contenido de aleación : tienen cantidades moderadas de uno o más elementos de aleación , aparte del carbono para desarrollar resistencias más altas que las de los aceros comunes al carbono. Los aceros al columbio vanadio son metales de elevada resistencia al límite de fluencia producidos con la adición de pequeñas cantidades de estos elementos a los aceros de bajo contenido de carbono.

En el mercado hay dos clases de aceros al carbono con tratamiento térmico para usos en la construcción. Los aceros al carbono con tratamiento térmico están disponibles bien en sus condiciones estándar o enfriadas y templadas; su endurecimiento se logra a base del contenido de carbono. Los aceros de aleación con tratamiento térmico para construcción son aceros enfriados y templados que contienen cantidades moderadas de elementos de aleación además del carbono.


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Otra categoría general, mar envejecido, son los aceros de bajo contenido de carbono en aleación con alto contenido de níquel. Estas aleaciones se someten a tratamiento térmico para madurar la estructura de hierro-níquel. Los aceros mar envejecidos tienen una característica particular debido a que son los primeros aceros de grado para construcción que en esencia, están libres de carbono. Su alta resistencia depende de por completo de otros elementos de aleación. Esta clase de acero posiblemente ha abierto la puerta al desarrollo de toda una nueva serie de aceros libres de carbono.

La comparación de la composición química en cuanto a carbono y otros elementos de aleación, pueden utilizarse para distinguir entre sí los aceros estructurales. La mayoría de los aceros estructurales, excepto los aceros martensíticos, contienen carbono en cantidades entre 0.10 y 0.28%. Los aceros más antiguos tienen pocos elementos de aleación y suelen clasificarse como aceros al carbono. Los aceros que contienen cantidades moderadas de elementos de aleación como los aceros martensíticos con 18% de níquel, se designan aceros con alto contenido de aleación. Las composiciones químicas específicas de los aceros estructurales clasificados se indican en las especificaciones de la ASTM. Las composiciones químicas típicas de otros aceros estructurales pueden obtenerse con los fabricantes.

En ocasiones se utiliza un sistema de numeración básica para describir el contenido de carbono y de aleación de los aceros. En el sistema de numeración del American Iron and Steel lnstitute (AlSl) para aceros con bajo contenido de aleación, los dos primeros indican el contenido de aleación y los dos últimos indican el contenido nominal de carbono en fracciones de 0.01%.

También están especificados: 0.40 a 0.60% Mn ( manganeso ), 0.040% P (fósforo) máximo. 0.040% S (azufre) máximo. 0.20 a 0.35% Si (silicio).

El tratamiento térmico puede utilizarse como otro medio de clasificación. Los antiguos aceros estructurales al carbono y los aceros de alta resistencia y bajo contenido de aleación no tienen tratamiento térmico específico, pero sus propiedades se controlan por el proceso de laminación en caliente. Los aceros para construcción y los aceros al carbono térmicamente tratados, recurren a un proceso de enfriamiento y templado para desarrollar sus propiedades de alta resistencia. Los aceros ASTM A514 se someten a tratamiento térmico con enfriamiento por inmersión en agua o aceite a no menos de 1650 °F, y luego, templado a no menos de 1100° F. Los aceros al carbono térmicamente tratados se someten a una secuencia similar de enfriamiento y temple: austenización, enfriamiento con agua, y luego, temple a temperaturas entre 1000° y 1300 °F.

Él tratamiento térmico típico para los aceros mar envejecidos comprende el recocido a 1500 °F durante una hora, enfriamiento con aire a la temperatura ambiente y maduración a 900 °F durante tres horas. El tratamiento de maduración para los aceros martensíticos puede variarse para obtener diferentes grados de resistencia.


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1.15 PROPIEDADES DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES

Las propiedades físicas de varios tipos de acero y de cualquier aleación de acero dada a temperaturas variantes depende principalmente de la cantidad del carbono presente y en como es distribuido en el hierro. Antes del tratamiento de calor la mayoría de los aceros tienen una mezcla de 3 sustancias, ferrita, perlita, cementite. La ferrita es cantidades pequeñas que contienen ferricas de carbono y otros elementos de solución, es suave y dúctil. La cementite es un compuesto de hierro que contiene aproximadamente 7% del carbono, es sumamente quebradiso y duro. La perlita es una mezcla íntima de ferrita y cementite que tienen una composición específica, y una estructura característica, y las características físicas se interponen entre los dos electores. La dureza depende de las variaciones de calor, y de las proporciones de los 3 ingredientes.

Para el tratamiento calorífico del acero se hace un proceso básico, que es el de endurecer el acero que consiste en la calefacción del metal a una temperatura a la que el austenite se forma, normalmente aproximadamente de 760 a 870 °C, y entonces se refresca bruscamente en agua o aceite.

Para comprender el comportamiento de las estructuras de acero, es absolutamente esencial que el diseñador esté familiarizado con las propiedades del acero. Los diagramas esfuerzo-deformación presentan una parte valiosa de la información necesaria para entender cómo será el comportamiento del acero en una situación dada. No pueden ser desarrollados métodos de diseño satisfactorios a menos que se cuente con información disponible correspondiente a las relaciones esfuerzo-deformación del material a utilizarse.

Si una pieza laminada de acero estructural se somete a una fuerza de tensión, comenzará a alargarse. Si la fuerza de tensión se incrementa en forma constante, el alargamiento aumentará constantemente, dentro de ciertos límites. En otras palabras, el alargamiento se duplicará si, por ejemplo, el esfuerzo aumenta de 6,000 a 12,000 psi (libras por pulgada cuadrada) (de 420 a 840 kg/cm2). Cuando el esfuerzo de tensión alcanza un valor aproximadamente igual a la mitad del esfuerzo en la ruptura, el alargamiento empezará a incrementarse en una proporción mayor que el correspondiente incremento de esfuerzo.

El mayor esfuerzo para el cual tiene aplicación la Ley de Hooke, o el punto más alto sobre la porción de línea recta del diagrama esfuerzo-deformación, es el llamado límite de proporcionalidad. El mayor esfuerzo que puede soportar el material sin ser deformado permanentemente es llamado límite elástico. En realidad, este valor es medido en muy pocas ocasiones y, para la mayor parte de los materiales de ingeniería, incluyendo el acero estructural, es sinónimo de límite de proporcionalidad. Por tal mo-tivo, algunas veces se usa el término límite elástico de proporcionalidad.

Al esfuerzo que corresponde un decisivo incremento en el alargamiento o deformación, sin el correspondiente incremento en esfuerzo, se conoce por límite de fluencia. Este es también el primer punto, sobre el diagrama esfuerzo-deformación, donde la tangente a


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la curva es horizontal. Probablemente el punto de fluencia es para el proyectista la propiedad más importante del acero, ya que los procedimientos para diseñar elásticamente están basados en dicho valor (con excepción de miembros sujetos a compresión, donde el pandeo puede ser un factor). Los esfuerzos permisibles usados en estos métodos son tomados usualmente como una fracción (%) del límite de fluencia. Más allá de tal límite, existe una zona en la cual ocurre un considerable incremento en la deformación, sin incremento en el esfuerzo. La deformación que ocurre antes del punto de fluencia, se conoce como deformación elástica; la deformación que ocurre después del punto de fluencia, sin incremento en el esfuerzo, se conoce como deformación plástica. El valor total de esta última, es usualmente de diez a quince veces el valor de la deformación elástica total.

Podría suponerse que la fluencia del acero, sin incremento de esfuerzo, es una seria desventaja, pero actualmente es considerada como una característica muy útil. a menudo ha desempeñado el admirable servicio de prevenir fallas debidas a omisiones o errores de diseño. Pudiera ser que un punto de la estructura de acero dúctil alcanzara el punto de fluencia, con lo que dicha parte de la estructura cedería localmente, sin incremento del esfuerzo, previniendo así una falla prematura. Esta ductilidad permite que los esfuerzos de la estructura de acero puedan reajustarse. Otro modo de describir este fenómeno es diciendo que los muy altos esfuerzos causados durante la fabricación, montaje o carga, tenderán a uniformarse y compensarse por sí mismos. También debe decirse que una estructura de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y choques súbitos.

Si no tuviera esa capacidad, podría romperse bruscamente, como sucede con el vidrio y otras sustancias semejantes.

Siguiendo a la deformación plástica, existe una zona donde es necesario un esfuerzo adicional para producir deformación adicional, que es llamada de endurecimiento por deformación (acritud). Esta porción del diagrama no es muy importante para el diseñador actual. Un diagrama esfuerzo-deformación para acero dulce estructural, que es bien conocido. Sólo se muestra la parte inicial de la curva por la gran deformación que ocurre antes de la falla. En la falla de los aceros dulces, las deformaciones totales son del orden de 150 a 200 veces las deformaciones elásticas. En realidad, la curva continuará hasta el esfuerzo correspondiente a la resistencia final y luego descenderá, “le saldrá cola”, antes de la ruptura. Se presenta una aguda reducción (llamada “estrangulamiento”, cuello o extricción), en la sección transversal del miembro, seguida de la ruptura.

La curva esfuerzo-deformación es una curva típica de un acero usual dúctil de grado estructural y se supone que es la misma para miembros en tensión o en compresión. (Los miembros en compresión deben ser cortos, ya que si son largos, la compresión tiende a pandearlos lateralmente, y sus propiedades se ven afectadas grandemente por los momentos flexionantes.) La forma del diagrama varía con la velocidad de carga, el tipo de acero y la temperatura. Se muestra, con línea interrumpida, una variación del tipo mencionado, indicándose el límite superior de fluencia. Esta forma de la curva esfuerzo-deformación, es el resultado de aplicar rápidamente la carga al acero


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estructural laminado, en tanto que el límite inferior de fluencia corresponde a carga aplicada lentamente.

Una propiedad muy importante de una estructura que no haya sido cargada más allá de su punto de fluencia, es que recuperará su longitud original cuando se le retire la carga. Si se hubiere llevado más allá de este punto, sólo alcanzaría a recuperar parte de su dimensión original. Este conocimiento conduce a la posibilidad de probar una estructura existente mediante carga, descarga y medición de deflexiones. Sí después de que las cargas se han retirado, la estructura no recobra sus dimensiones originales, es porque se ha visto sometida a esfuerzos mayores que su punto de fluencia.

El acero es un compuesto que consiste casi totalmente de hierro (normalmente más de 98%). Contiene también pequeñas cantidades de carbono, sílice, manganeso, azufre, fósforo y otros elementos. El carbono es el material que tiene mayor efecto en las propiedades del acero. La dureza y resistencia aumentan a medida que el porcentaje de carbono se eleva, pero desgraciadamente el acero resultante es más quebradizo y su soldabilidad disminuye considerablemente. Una menor cantidad de carbono hace al acero más suave y más dúctil pero también menos resistente. La adición de elementos tales como cromo, sílice y níquel produce aceros considerablemente más resistentes. Estos aceros, por lo tanto, son apreciablemente más costosos y a menudo no son fáciles de elaborar.

Un diagrama típico de esfuerzo-deformación para un acero frágil; Tal material muestra muy poca deformación permanente al fracturarse. Desgraciadamente, la baja ductibilidad o fragilidad es una propiedad asociada comúnmente con las altas resistencias de los aceros (aunque no necesariamente limitada a aceros de alta resistencia). Es de desearse el tener tanta resistencia, como ductibilidad en el acero, pero el diseñador habrá de decidir entre estos dos extremos o por un término medio conveniente. Un acero frágil puede fallar repentinamente por sobrecarga, o durante el montaje es posible la falla debido a impacto por golpes durante el proceso de erección o montaje.

En las estructuras de acero diseñadas en el pasado, y en la mayoría de las que actualmente se diseñan, se han usado y usan los llamados métodos de diseño elástico. El diseñador estima la “carga de trabajo”, o cargas que la estructura posiblemente deba soportar, y dimensiona los miembros, sobre la base de ciertos esfuerzos permisibles. Estos esfuerzos permisibles son usualmente una fracción del esfuerzo en el límite de fluencia del acero. Aunque el término “diseño elástico” es utilizado comúnmente para describir este procedimiento, los términos diseño por esfuerzo permisible o diseño por esfuerzo de trabajo son en definitiva más apropiados. Muchas de las estipulaciones de las especificaciones para este método se basan realmente en el comportamiento plástico o en la capacidad última, más que en el comportamiento elástico.

La ductibilidad del acero ha sido usada como una reserva de resistencia, y la utilización de este hecho constituye la base de la teoría conocida como el diseño plástico. En este método las cargas de trabajo se estiman y multiplican por ciertos factores y los miembros se diseñan basándose en las resistencias a la falla o al colapso. Se usan


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también otros nombres para este método como son: diseño al límite o diseño a la falta o a la ruptura. Aunque sólo unos cuantos centenares de estructuras se han diseñado en el mundo por los métodos del diseño plástico, los profesionales se están moviendo decididamente en ese sentido. Esta tendencia se refleja particularmente en las últimas especificaciones de la AISC.

El ingeniero diseñador está bien enterado de que la mayor porción de la curva esfuerzo-deformación queda más allá del límite elástico del acero. Además, las pruebas realizadas durante años, han puesto en claro que los aceros dúctiles pueden resistir esfuerzos apreciablemente mayores que los correspondientes a su límite de fluencia, y que en casos de sobrecargas, las estructuras hiperestáticas tienen la propiedad, feliz de redistribuir las cargas debido a la ductilidad del acero. Teniendo en cuenta esta información, se han hecho recientemente muchas proposiciones de diseño plástico. Es indudable que en algunos tipos de estructuras, el diseño por plasticidad conduce a la utilización más económica del acero, que la que se logra con el diseño por elasticidad.

El acero estructural puede laminarse económicamente en una variedad de formas y tamaños sin un cambio apreciable de sus propiedades físicas. Normalmente los miembros mas ventajosos son aquellos que tienen grandes módulos de sección en proporción con sus áreas de sus secciones transversales. Las formas I, T, y canal, tan comúnmente usadas pertenecen a esta clase.

Los perfiles de acero se identifican por la forma de su sección transversal, como ejemplos están los ángulos, tes., zetas, y placas. Es necesario por tanto establecer una clara distinción entre las vigas estándar americanas (vigas I) y las vigas de patín ancho (vigas W), ya que ambas tienen sección en I. El lado interno de los patines de una viga W, puede ser paralelo al lado externo, o casi paralelo, con una pendiente máxima de 1:20, en la superficie interior dependiendo del fabricante.

1.16 CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

1.17 ACEROS AL CARBONO

El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc.

1.18 ACEROS ALEADOS

Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que


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los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.

1.19 ACEROS DE BAJA ALEACIÓN ULTRA RESISTENTES

Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor. Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.

1.20 ACEROS INOXIDABLES

Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.


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1.21 ACEROS DE HERRAMIENTAS

Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de maquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.

1.22 PROCESOS Y ACABADOS

Existen distintos tipos de acabados para el acero, por lo tanto tiene una salida al mercado de gran variedad de formas y de tamaños, como varillas, tubos, raíles de ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminado los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.


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El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termo difusión y a continuación se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero.

El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de devaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que lo reducen a láminas con la sección transversal correcta. Los rodillos para producir raíles o ríeles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías para proporcionar la forma adecuada.

Los procesos de fabricación modernos requieren gran cantidad de chapa de acero delgada. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras y láminas con anchuras de hasta 2,5m. Estos laminadores procesan con rapidez la chapa de acero antes de que se enfríe y no pueda ser trabajado. Las planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por una serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm y aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuo están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos de decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la chapa cuando llega al final del tren.


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El sistema de colada continua, en cambio, produce una plancha continua de acero con un espesor inferior a 5 cm., lo que elimina la necesidad de trenes de desbaste y laminado en bruto.

TUBOS

Los tubos más baratos se forman doblando una tira plana de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo. En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par de rodillos curvados según el diámetro externo del tubo. La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior.

1.23 TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS

El proceso básico de endurecimiento de los aceros consiste en calentar el metal hasta una temperatura en la que se forma austenita, que suele ser entre 750 y 850 ºC, y enfriarlo rápidamente sumergiéndolo en agua o aceite. Este tratamiento de endurecimiento forma martensita y crea grandes tensiones internas en el metal. Para eliminar estas tensiones se emplea el temple que consiste en recalentar la pieza a una temperatura menor. Con este sistema se reduce la dureza y resistencia pero aumenta la ductilidad y la tenacidad.

El objetivo principal del proceso de tratamiento térmico en controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en una ferrita, determinando así las propiedades físicas del acero.

Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la ultima fase del enfriamiento y que este cambio esta acompañado de un aumento de volumen que en caso de que el enfriamiento sea demasiado rápido hace agrietarse al metal. Para evitar esto, se han desarrollado tres procesos distintos.

1.24 TEMPLADO PROLONGADO

El acero se retira del baño de enfriamiento cuando alcanza la temperatura en que comienza a formarse la martensita y se enfría lentamente mediante un chorro de aire.

El acero se retira del baño de enfriamiento en el mismo momento que en el templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que alcanza una temperatura uniforme en su sección transversal. A continuación se enfría lentamente con aire desde los 300 ºC hasta la temperatura ambiente


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1.25 AUSTEMPLADO

El material se enfría hasta la temperatura en la que se forma la martensita y se mantiene a esa temperatura hasta que acaba el proceso. A continuación se enfría a temperatura ambiente.

Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero.

1.26 CEMENTACIÓN

Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno.

1.27 CARBURIZACIÓN

La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal, coque o gases de carbono.

1.28 CIANURIZACIÓN

Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando así que endurezca.

1.29 NITRURIZACIÓN

Se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoniaco gaseoso.

1.30 USOS

La estructura de la pirámide den Louvre, las latas de conserva, las plataformas petroleras, las cámaras catalíticas, los clips de las oficinas, y los soportes de los circuitos integrados son de acero.

Una relación completa sería imposible: desde el objeto mas corriente hasta el instrumento más sofisticado, desde lo microscópico (piezas menores de un gramo en los micro motores de relojes eléctricos) hasta lo gigantesco (cubas de metanero, capaces de alojar el volumen del arco del triunfo), el acero esta en el origen de la infinidad de productos elaborados por la industria humana.

1.31 EN LA CONSTRUCCIÓN DE PUENTES O DE EDIFICIOS

El acero puede tener múltiples papeles. Sirve para armar el hormigón, reforzar los cimientos, transportar el agua, el gas u otros fluidos.

Permite igualmente formar el armazón de edificios, sean estos de oficinas, escuelas, fabricas, residenciales o polideportivos. Y también vestirlos (fachadas, tejados).


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En una palabra, es el elemento esencial de la arquitectura y de la estética de un proyecto.

1.32 EN EL SECTOR DE LA AUTOMOCIÓN

Este sector constituye el segundo mercado acero, después de la construcción y las obras publicas.

Chasis y carrocerías, piezas de motor, de la dirección o de la transmisión, instalaciones de escape, carcasas de neumáticos,.... el acero representa del 55 al 70% del peso de un automóvil.

1.33 EN LO COTIDIANO: LATAS, BOTES, BIDONES.

Numerosos envases son fabricados a partir de hojas de acero, revestidas en ambas caras de una fina capa de estaño que les hace inalterables.

Denominados durante largo tiempo “hierro blanco” (debido al blanco del estaño), los aceros para envase se convierten en latas de conserva o de bebidas y también en botes de aerosol para laca, tubos para carmín de labios, botes, y latas o bidones para pinturas, grasas, disolventes u otros productos que requieren un medio hermético de conservación.

1.34 EN EL CORAZÓN DE LA CONSERVACIÓN ALIMENTARÍA

El acero no aleado, llamado al carbono, requiere una protección contra la corrosión: una capa de zinc y pintura para las carrocerías de automóvil, una capa de estaño y barniz para las latas de conserva o de bebidas.

El inox, acero aleado al níquel y al cromo, puede permanecer desnudo: es inalterable en la masa. Platos, cazos, cuberterías.... el acero inoxidable resiste indefinidamente al agua y alos detergentes, es perfectamente sano y no altera ni el sabor ni el color de los alimentos.

En la comunicación

Los componentes electrónicos utilizados en la informática o en las telecomunicaciones, así como los elementos funcionales del tubo de los televisores en colero, son piezas delicadas con exigencias particulares: por ello, se fabrican en aleaciones adaptadas a cada coso.

1.35 EN LA ENERGÍA

El petróleo y la industria nuclear requieren infraestructuras, equipos y redes de conductos de fluidos muy específicos.


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El acero se muestra como un material clave en este mundo que, como la industria química, debe hacer frente a numerosos desafíos: medios altamente corrosivos, altas temperaturas, condiciones mecánicas altamente exigentes.

1.36 EN LA SANIDAD

Inalterable y perfectamente neutro de cara al los tejidos humanos, el acero inoxidable es idóneo para convertirse en prótesis de cadera, rotulas, tornillos, placas, bisturís..... Y hasta agujas, que se fabrican a partir de una hoja de acero inoxidable de 0.15 a 0.45 mm. de grosor.

En fin el acero esta en todas partes, hay una gran ampliación de los maravillosos usos del acero”

El acero no es un material nuevo, se ha visto a través de la historia como se logro realizar esta aleación en el siglo XIX .

La fabricación del acero comenzó por accidente ya que los expertos en la materia intentando fabricar hierro calentaron excesivamente la masa y la enfriaron muy rápido obteniendo la aleación del acero en lugar de hierro.

El proceso que se necesita para lograr conseguir el acero y las complicaciones que tiene este proceso que es muy complejo, además las dificultades para lograr los diferentes tipos de acabados que se le pueden dar al acero.

Los sistemas de obtención del acero son muy variados dependiendo de la cantidad del acero a obtener.

La variedad de aceros es muy extensa dependiendo del método de fabricación y la cantidad de carbono que contenga.

Algunos tipos de acero pueden volverse a fundir de forma que contaminan menos al ser reciclados y vueltos a utilizar.

El uso del acero en la construcción es muy importante, ya que este es que le proporciona a las estructuras el refuerzo adicional, por ende es llamado el esqueleto de las estructuras.

La industria sobre el acero es muy extensa y a la vez es de mucha calidad, por eso es uno de los sectores que predomina en nuestro país desde hace mucho tiempo.

Existen hoy cerca de 3000 matices (composiciones químicas) catalogadas, sin contar aquellas que son creadas a media, todo lo cual contribuye a hacer que el acero sea el material mejor situado para afrontar los desafíos del futuro.


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CAPITULO II EL ACERO ESTRUCTURAL SU ANALISIS Y DISEÑO

2.1 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

VENTAJAS Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso, permite estructuras relativamente livianas, lo cual es de gran importancia en la construcción de puentes, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos blandos.

Homogeneidad: las propiedades del acero no se alteran con el tiempo, ni varían con la localización en los elementos estructurales.

Elasticidad: el acero es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico (Ley de Hooke) hasta alcanzar esfuerzos considerables.

Precisión dimensional: los perfiles laminados están fabricados bajo estándares que permiten establecer de manera muy precisa las propiedades geométricas de la sección.

Ductilidad: el acero permite soportar grandes deformaciones sin falla, alcanzando altos esfuerzos en tensión, ayudando a que las fallas sean evidentes.

Tenacidad: el acero tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía en deformación (elástica e inelástica).

Facilidad de unión con otros miembros: el acero en perfiles se puede conectar fácilmente a través de remaches, tornillos o soldadura con otros perfiles.

Rapidez de montaje: la velocidad de construcción en acero es muy superior al resto de los materiales.

Disponibilidad de secciones y tamaños: el acero se encuentra disponible en perfiles para optimizar su uso en gran cantidad de tamaños y formas.

Costo de recuperación: las estructuras de acero de desecho, tienen un costo de recuperación en el peor de los casos como chatarra de acero.

Reciclable: el acero es un material 100 % reciclable además de ser degradable por lo que no contamina.

Permite ampliaciones fácilmente: el acero permite modificaciones y/o ampliaciones en proyectos de manera relativamente sencilla.


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Se pueden prefabricar estructuras: el acero permite realizar la mayor parte posible de una estructura en taller y la mínima en obra consiguiendo mayor exactitud.

2.2 DESVENTAJAS DEL ACERO

Corrosión: el acero expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con esmaltes alquidálicos (primarios anticorrosivos) exceptuando a los aceros especiales como el inoxidable.

Calor, fuego: en el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente, debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego (retardantes) como mortero, concreto, asbesto, etc.

Pandeo elástico: debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo que en ocasiones no son económicos las columnas de acero.

Fatiga: la resistencia del acero (así como del resto de los materiales), puede disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión (cargas pulsantes y alternativas).

2.3 ANALISIS ESTRUCTURAL El análisis estructural es la parte de la mecánica ESTRUCTURAS, consistiendo este estudio en la determinación de los esfuerzos deformaciones a que quedan sometidas, por la acción de agentes externos (cargas gravitatorias, fuerzas sísmicas, de vientos, variaciones térmicas, etc) Las estructuras se componen de una o mas piezas ligadas entre si y al medio exterior, de modo de formar un conjunto estable. Esto es, un conjunto capaz de recibir cargas externas, resistirlas internamente y transmitirlas a sus apoyos, donde esas fuerzas externas encontrarán su sistema estático equilibrante. Las piezas que componen una estructura poseen evidentemente tres dimensiones. En general pueden ocurrir dos cosas: Dos dimensiones son pequeñas con relación a la tercera: le llamaremos barra y estará representada por su eje (lugar geométrico del centro de gravedad de su sección transversal), por ejemplo: vigas, columnas. Una dimensión es pequeña con relación a las otras dos. Es el caso de las losas o placas, cuyo espesor es pequeño respecto a su superficie.


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2.4 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL La aplicación de cargas a una estructura produce fuerzas y deformaciones en ella. Determinar estas fuerzas y deformaciones se llama análisis estructural. El diseño estructural incluye la disposición y el dimensionamiento de las estructuras y de sus partes, de manera que las mismas soporten en forma satisfactoria las cargas colocadas sobre ellas. En particular, el diseño estructural implica lo siguiente: la disposición general de las estructuras; el estudio de los posibles tipos o formas estructurales que representen soluciones factibles; la consideración de las condiciones de carga; el análisis y el diseño preliminares de las soluciones factibles; el análisis y el diseño preliminares de las soluciones posibles; la selección de una solución y el análisis y el diseño estructural final de la estructura, incluyendo preparación de planos. Aunque analizar y predecir el comportamiento de las estructuras y de sus partes es una etapa de gran importancia el diseño estructural, en realidad solo se trata de uno de varios pasos importantes interrelacionados. 2.5 LAS CARGAS ESTRUCTURALES La actividad del diseño estructural que realiza el ingeniero civil, requiere un gran conocimiento de las cargas, los materiales y las formas estructurales y no solo de los modelos matemáticos usados para obtener las fuerzas internas: momento flector (M), cortante (V), fuerza axial (N), y momento torsor (T). Los ingenieros ya están acostumbrados a esos procedimientos matemáticos y es necesario que entiendan que una viga es un cuerpo real y no una ecuación diferencial o una matriz. Por tal razón se presenta aquí un resumen o referencia, para irnos introduciendo ala ingeniería estructural y su diseño En el proceso de diseño se deben evaluar las cargas o solicitaciones a las que estará sometida la estructura durante su vida útil. Además, de debe hacer un esfuerzo por tenerlas todas en cuenta sin olvidar aquellas que aunque pequeñas puedan poner en peligro la resistencia o estabilidad de la estructura, el efecto de succión producido por un viento fuerte en una bodega o hangar, que puede levantarlo y separarlo de los apoyos, o los cambios fuertes de temperatura que puedan inducir efectos de acortamiento o alargamiento para los cuales no esté adecuadamente provista la estructura. Se deberán tener en cuenta no solo las que constituyan empujes, fuerzas exteriores o pesos permanentes, sino aquellos estados temporales durante la construcción y los mencionados antes, como los efectos térmicos y de retracción, para evitar accidentes y efectos imprevistos. En algunos casos se podrán despreciar, porque su incidencia es pequeña, pero siempre después de haber meditado en su efecto. Los modernos códigos de construcción le dan al ingeniero recomendaciones de cargas mínimas que deben usarse en el diseño de estructuras comunes. Sin embargo, siempre quedará en el calculista la responsabilidad de su evaluación y elección. Las cargas que deben considerarse en el diseño de estructuras, son:


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Cargas Muertas (D) Cargas vivas (L) Cargas de sismo (E) Cargas de viento (W) Cargas producidas por presión lateral de tierras o presión hidrostática (H) Cargas producidas por presiones de fluidos (F) Efectos producidos por cambios de temperatura (T)

A continuación se expondrán brevemente algunas consideraciones sobre las cargas de gravedad: muertas y vivas y las producidas por fenómenos naturales: sismo, viento, por ser las más comunes en los diseños de edificaciones y puentes en nuestro medio. 2.6 CARGAS MUERTAS (D) Son aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la estructura. Incluyen todos aquellos elementos de la estructura como vigas, pisos, techos, columnas, cubiertas y los elementos arquitectónicos como ventanas, acabados, divisiones permanentes. También se denominan cargas permanentes. Su símbolo “D”, corresponde a la inicial en inglés de Dead (muerto). La principal carga muerta es el peso propio de la estructura. Sus valores se obtienen considerando el peso específico del material de la estructura y el volumen de la estructura. Aunque es el tipo de carga más fácil de evaluar, su monto depende de las dimensiones de los miembros de la estructura las cuales no se conocen al inicio del proceso. Es necesario recurrir entonces a estimaciones del valor inicial. Esta acción será más o menos aproximada, dependiendo de la experiencia del diseñador. En los casos comunes esta estimación inicial será suficiente; pero en casos no rutinarios, será necesario evaluar de nuevo el peso de la estructura y revisar el diseño. Para elementos longitudinales (vigas), la carga se evalúa por unidad de longitud. ha sido costumbre evaluarla en sistema MKS: “kg/m, t/m”. En el Sistema Internacional (SI) se debe hacer: N/m, kN/m. El control de las cargas muertas es muy importante en estructuras de concreto reforzado construidas, pues el volumen de los concretos colocados puede ser muy variable, conduciendo a sobre-espesores que producen masas adicionales a las contempladas en el diseño, afectando la evaluación de las cargas de sismo. En el acero estructural se controlan más fácilmente, pues los perfiles vienen de fábrica con tolerancias de peso pequeñas.


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Fuerzas distribuidas Para elementos de gran área, como las placas o pisos se evalúa por metro cuadrado: kN/m2, (kgf/m2 en sistema MKS). Algunos ejemplos corrientes de pesos propios, propuestos son:

MATERIAL PESO DENSIDAD Concreto simple 23 kN/m3 2300 Kg/m3 Concreto reforzado 24 kN/m3 2400 Kg/m3 Mampostería de ladrillo 18 kN/m3 1800 Kg/m3 Acero 78 kN/m3 7850 Kg/m3 Madera laminada 6 kN/m3 600 Kg/m3 Madera, densa, seca 7,5 kN/m3 750 Kg/m3 Arena, grava, tierra suelta 16 kN/m3 1600 Kg/m3 Arena, grava compactada 19 kN/m3 1900 Kg/m3 Macadam 22 kN/m3 2200 Kg/m3


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Mampostería de piedra 27 kN/m3 2700 Kg/m3 Mortero de pega 21 kN/m3 2100 Kg/m3

2.7 OTRAS CARGAS MUERTAS (Por unidad de área)

Pisos de baldosa de cemento 1,0 kN/m2 100 kgf/m2 Entrepisos de madera 1,2 kN/m2 120 kgf/m2 Cielorrasos de mortero 0,8 a 1,0 kN/m2 80 a 100 kgf/m2 Cielorrasos de madera 0,1 a 0,5 kN/m2 10 a 50 kgf/m2 Teja de barro con mortero 0,75 kN/m2 75 kgf/m2 Placa ondulada a-c 0,18 kN/m2 18 kgf/m2

2.8 CARGAS VIVAS (L) Son aquellas debidas al uso u ocupación de la construcción y que la identifican. Incluyen personas, objetos móviles o divisiones que puedan cambiar de sitio. Generalmente actúan durante períodos cortos de la vida de la estructura. También incluyen el impacto. Su símbolo corresponde a la inicial de Live (vivo). También se denominan cargas de “ocupación”. Debido a la dificultad de evaluarlas, se especifican por los Códigos de Construcción, en kN/m2 en el SI o en kgf/m2 en el MKS. Usualmente se considera que ocupan toda el área del piso como cargas uniformes, aunque en algunos casos puedan estar concentradas en un área específica, algunos valores típicos son:

S.I. MKS Vivienda 1,8 kN/m2 180 kgf/m2 Oficinas 2,0 kN/m2 2 200 kgf/m2 Escaleras 3,0 kN/m2 300 kgf/m2 Salones de reunión: 3,0 kN/m2 300 kgf/m2 (fijos) 5,0 kN/m2 500 kgf/m2 (sin fijar) Hospitales: 2,0 kN/m2 2 200 kgf/m2 (cuartos) 4,0 kN/m2 400 kgf/m2(sala operaciones) Coliseos 4,0 kN/m2 400 kgf/m2 (gradería) 5,0 kN/m2 500 kgf/m2 (escaleras) Garajes 2,5 kN/m2 250 kgf/m2 (autos) Hoteles 2,0 kN/m2 200 kgf/m2


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Escuelas, univ.: 2,0 kN/m2 200 kgf/m2 Bibliotecas: 2,0 kN/m2 200 kgf/m2 (lectura) 5,0 kN/m2 500 kgf/m2 (estante)

Para bodegas, los valores dependen del material y de la altura de almacenamiento, por lo cual es conveniente que se señalen en forma visible los valores máximos de la carga viva de diseño, para evitar sobrecargas cuando hay cambio de dueño. En general, es conveniente que los elementos muy pesados se almacenen directamente sobre el terreno y así evitar cargas concentradas muy pesadas en la estructura. Las cargas vivas para PUENTES constituyen un campo muy especial y común para la Ingeniería Estructural. Generalmente es muy difícil predecir el tipo de vehículo que circulará por un puente. Solo en casos especiales, en explotaciones mineras con volquetas de gran capacidad, serán conocidas. Casi siempre es una mezcla de vehículos livianos y pesados como automóviles, camiones, tractores. En los puentes de gran luz el efecto producido por el tránsito de los vehículos puede simularse adecuadamente por una carga uniforme por unidad de longitud y una carga concentrada, la denominada franja de carga por carril. En los puentes cortos la influencia de la carga de los ejes traseros es mayor y se acostumbra definir un vehículo tipo.

Ensayo de carga de puente, situación de máxima carga viva Cuando un vehículo pasa por un puente se presentan deflexiones elásticas que varían en magnitud y posición según el avance del vehículo; se presentan vibraciones debido a irregularidades de la superficie que se aumentan con el efecto vertical de la suspensión del vehículo, denominado “muelleo”. Estos efectos aumentan los esfuerzos


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producidos por la carga viva. Este efecto dinámico ha sido costumbre llamarlo impacto y su magnitud se evalúa en función de la luz del puente. Es mayor para luces cortas y el valor máximo fijado es del 30% de la carga viva. Además de la fuerza vertical se especifican fuerzas horizontales. Una para tener en cuenta la fuerza centrífuga en sentido radial en los puentes curvos y otra la acción de frenado en sentido longitudinal. 2.9 CARGAS DE SISMO (E) El efecto producido por los movimientos sísmicos en las estructuras depende de la situación de la edificación con respecto a las zonas de actividad sísmica en el mundo. Los movimientos del terreno le transmiten a las construcciones aceleraciones, que producen en las estructuras reacciones de “inercia”, según la masa y su distribución en la estructura. La fuerza total de inercia se considera igual al denominado “cortante de base”, el cual es un porcentaje del peso total de la construcción.

Daños causados por sismo debido a cambios de rigidez en la estructura La respuesta de una edificación a los sismos depende de varios factores, como: la rigidez de la estructura (que se relaciona con la mayor o menor deformabilidad; un edificio de pocos pisos es un edificio más rígido que un edificio alto); la distribución de la masa, tanto en planta como en altura; el tipo de suelo sobre el que está apoyada, siendo mayor para suelos blandos que para roca; las características del terremoto (duración, magnitud, distancia del epicentro); la historia sísmica de la construcción. Los códigos sismorresistentes le dan al diseñador estructural, las recomendaciones para


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que sus diseños tengan un margen de seguridad adecuado para proteger la vida y bienes de los propietarios de las edificaciones situadas en zonas de gran actividad sísmica.

Destrucción total en un sismo (Armenia 1999) La Norma sismorresistente fija los criterios y requisitos que deben cumplir las edificaciones que puedan verse sometidas a fuerzas sísmicas y busca como objetivo el que puedan resistirlas, reduciendo a un mínimo el riesgo de pérdidas de vidas humanas y la defensa del patrimonio del Estado y de los ciudadanos. Al respecto dice: Una edificación diseñada siguiendo los requisitos consagrados en las normas que regulen las construcciones sismorresistentes, debe ser capaz de resistir, además de las fuerzas que le impone su uso, temblores de poca intensidad sin daño, temblores moderados sin daño estructural, pero posiblemente con algún daño en elementos no estructurales y un temblor fuerte con daños a elementos estructurales y no estructurales pero sin colapso. Estos objetivos de la norma, conocidos y entendidos por los calculistas profesionales, algunas veces no son claramente entendidos por la comunidad en general; muchos propietarios entienden que sus edificaciones construidas después del código son antisísmicas, es decir no se dañan en temblores. Los ingenieros y arquitectos deben explicarles a sus clientes que los diseños y procesos que se realizan para una determinada construcción, tienen unos factores de seguridad y riesgo asumidos por la


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sociedad al expedir la norma sismorresistente y que si desean una estructura especial que no sufra daños, tendrán que asumir unos costos adicionales que pueden ser muy altos. En la ingeniería existen estructuras, como las plantas nucleares, que se diseñan con altas especificaciones, para evitar daño alguno.

Diversidad de efectos sobre estructuras en un área reducida

Destrucción total en sismo de Armenia, 1999


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La norma sismorresistente adopta el sistema internacional de medidas SI y por ende la unidad básica de fuerza, el newton N, por lo que las fuerzas inerciales deberán obtenerse a partir de las masas en kilogramos (kg). Los métodos de análisis aceptados por el código son: a) El Método de la fuerza horizontal equivalente. b) El Método del análisis dinámico elástico. c) El método del análisis dinámico inelástico. d) Otros alternos de tipo inelástico.

Colapso de estructura de concreto reforzado (Armenia 1999)

Equilibrio de fuerzas horizontales Fx en pisos y cortante de base Vs


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2.10 CARGAS DE VIENTO (W) Las cargas de viento y explosiones producen presión o succión sobre las superficies expuestas de las construcciones. La carga de viento es una carga muy importante en el diseño de estructuras altas o muy flexibles, como los puentes colgantes, o de gran superficie lateral, como las bodegas o grandes cubiertas. Los factores que influyen en la magnitud de esta carga son: la velocidad del viento y su variación con la altura, la magnitud de las ráfagas, las condiciones locales de la superficie del terreno circunvecino, la forma de la superficie expuesta al viento, la zona o región; es especialmente crítico el efecto en zonas sometidas a huracanes o ciclones, que producen velocidades del viento superiores a los 200 KMH. La presión del viento ha causado muchos daños inesperados. Durante los procesos de construcción es común que las paredes de ladrillo o de bloques de concreto, queden sin apoyo hasta que se construyan los elementos de amarres de los techos, con lo que vientos ligeros pueden derribar estos muros sin apuntalamiento, debido a la gran superficie expuesta a la presión del viento. Las estructuras muy flexibles como los cables de transmisión o los puentes colgantes pueden recibir fuerzas periódicas que inducen vibraciones, causando hasta la falla. Es famosa la falla del Puente de Tacoma (USA), en 1940, que con un viento suave entró en resonancia, produciéndose su colapso, que afortunadamente sirvió para impulsar el estudio del fenómeno y definió un nuevo rumbo en el diseño de puentes colgantes y en la consideración del efecto dinámico del viento como carga o acción estructural.


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La norma, presenta métodos para evaluar el efecto del viento sobre las edificaciones y sus componentes. En el denominado «método simple», que puede aplicarse cuando los efectos producidos por el viento no son fundamentales en el diseño, la fuerza de viento W se obtiene multiplicando la presión del viento p, por el área lateral de la edificación. 2.11 LAS ACCIONES DE FUEGO Debido al rápido proceso de urbanización, es necesario tener en cuenta la acción del fuego sobre las construcciones, situación ya corriente en los países desarrollados. Las normas señalan los requisitos de protección contra el fuego en edificaciones. Al contrario de otras cargas mencionadas anteriormente, las cargas de fuego no producen ningún esfuerzo en las estructuras, a menos que haya un incendio. El concepto de carga de fuego, se relaciona con la cantidad de material combustible por unidad de área; puede expresarse como la cantidad de material en kg. o la energía térmica total del material en MJ (mega- Joules) o BTU. La carga de fuego se especifica según el tipo de ocupación de la edificación. Por ejemplo, un almacén de telas contiene más material combustible que una escuela. Para algunos casos en que se presentan materiales peligrosos, tales como solventes orgánicos, puede ser necesario determinar el volumen de material combustible y multiplicarlo por la energía térmica del material combustible liberada por el incendio; ésta última puede determinarse quemando el material en un calorímetro. La resistencia al fuego de la estructura es el tiempo que tarda la estructura en fallar en un incendio o cuando la temperatura en el lado opuesto, por ejemplo de la placa,


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alcanza una temperatura tal que los materiales como las alfombras en esa zona se incendian. Para miembros estructurales sencillos puede calcularse a partir de suposiciones teóricas. Pero para miembros complejos o arreglos estructurales, esta resistencia al fuego debe determinarse mediante una prueba de fuego a escala natural, colocando el prototipo en un horno cuya temperatura se gradúa de acuerdo a una curva estándar de fuego, que corresponde al aumento de temperaturas observado en un incendio. Los diferentes países adoptan su curva de acuerdo a sus materiales y grado de desarrollo. La resistencia al fuego especificada por los códigos de los países avanzados, depende de la carga de fuego y de la altura y finalidad de la construcción. Las reglamentaciones se basan en dos conceptos: debe ser posible evacuar todos los ocupantes de la edificación; o que el incendio se extinga autónomamente sin causar ninguna catástrofe, aún si los bomberos no son capaces de hacerlo. Las edificaciones aisladas de un solo piso, en general, no requieren resistencia al fuego alguna, excepto cuando almacenan materiales altamente inflamables, puesto que los ocupantes pueden salir del edificio fácilmente. Las edificaciones de dos o tres pisos, requieren una resistencia al fuego baja; si contienen apartamentos unifamiliares; si la edificación corresponde a un hospital o a un hotel, la resistencia al fuego debe ser mayor. Para efecto de los incendios se consideran “altas” las edificaciones cuya altura es superior al máximo alcance de las escaleras de los bomberos de la localidad, casi nunca superiores a 30 m; en este caso es imposible evacuar las personas por las ventanas del piso superior. Se deben proveer escaleras contrafuego o ascensores para la evacuación del edificio y el acceso de los bomberos o brigadas contra incendio. Sin embargo, las escaleras contra el fuego son imposibles para un edificio de gran altura. Se han diseñado pisos especiales, contra el fuego, en ciertos niveles, a donde son llevados los ocupantes; su resistencia al fuego debe ser tal, que las personas deben estar seguras aún durante un incendio excepcional que afectara los pisos vecinos. Además, la estructura del edificio debe tener una resistencia al fuego superior a la requerida para soportar el incendio más severo, que pueda presentarse en las peores condiciones, sin colapsar, aunque algunos pisos individualmente pudieran ser destruidos por el fuego. Aunque las pérdidas de vidas humanas en incendios de edificios, especialmente hoteles, discotecas, son aún altas, sin embargo son menores que las que se presentan por accidentes en las carreteras. La mayor parte de las muertes y pérdidas se concentran en edificaciones antiguas y pequeñas, en las cuales las medidas de seguridad contra incendios están por debajo de los estándares requeridos. Sin embargo, son corrientes las pérdidas de vidas humanas por incendios en discotecas, casinos o lugares donde se presentan espectáculos artísticos, debido a que las salidas de evacuación o de emergencia permanecen con llave. El atentado terrorista de septiembre del 2001 al Word Trade Center de Nueva York demostró la gran vulnerabilidad de las estructuras de acero en situaciones de fuego incontrolado. La pérdida de resistencia de las columnas y vigas de acero por temperaturas superiores a los 800 ºC, causaron el desplome progresivo de las torres (efecto pancake). Las Torres


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Petronas en Malasia, actualmente los edificios más altos del mundo, tienen columnas en la periferia y núcleo de concreto reforzado de alta resistencia, que les permiten soportar fuegos grandes con mayor probabilidad de éxito. De todas maneras, las circunstancias del 11 de septiembre eran imprevisibles desde el punto de vista del diseño estructural y debe llevar a los diseñadores a buscar la combinación de materiales para garantizar la estabilidad de la estructura aún en eventos como éste, no previstos en los diseños.


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2.12 EL ACERO ESTRUCTURAL Es el material estructural más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la intemperie. Es un material usado para la construcción de estructuras, de gran resistencia, producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas está la gran resistencia a tensión y compresión y el costo razonable. A pesar de la susceptibilidad al fuego y a la intemperie es el material estructural más usado, por su abundancia, facilidad de ensamblaje y costo razonable. Su mayor uso como material estructural ha correspondido a las varillas usadas en el concreto reforzado y a los perfiles livianos usados en estructuras de techos.


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Uniones y arriostramientos en estructura de acero. La industria de la construcción ha desarrollado diferentes formas de secciones y tipos de acero que se adaptan más eficientemente a las necesidades de la construcción de edificios. Las aplicaciones comunes del acero estructural en la construcción incluyen perfiles estructurales de secciones: I, H, L, T, [, 0, usadas en edificios e instalaciones para industrias; cables para puentes colgantes, atirantados y concreto pre-esforzado; varillas y mallas electro-soldadas para el concreto reforzado; láminas plegadas usadas para techos y pisos. Como el acero tiene propiedades prácticamente idénticas a tensión y compresión, por ello su resistencia se controla mediante el ensayo de probetas pequeñas a tensión. Los elementos de acero pueden unirse fácilmente, mediante soldadura, pernos o remaches. La “fatiga” puede reducir la resistencia del acero a largo plazo, cuando se l somete a gran número de cambios de esfuerzos y aún fallarlo frágilmente, por lo que en estos casos deben limitarse los esfuerzos máximos. El acero más comúnmente usado es el denominado A-36, que tiene un un punto fluencia de 36000 psi (2530 kgf/cm2), aunque modernamente la tendencia es hacia un acero de resistencia superior, el A-572 de punto de fluencia de 50.000 psi.


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Las características estructurales del acero estructural tipo A-36 se pueden apreciar en las curvas “esfuerzo deformación unitaria” a tensión, mostradas. En ella se muestran, también, los aceros estructurales A572 y A- 36.

Curvas esfuerzo-deformación en aceros estructurales.

En la figura se pueden ver varias zonas: Un comportamiento elástico hasta un esfuerzo alto. Se aplican las relaciones lineales entre el esfuerzo y la deformación, definidas por la Teoría de la Elasticidad. Los parámetros básicos son el Esfuerzo de Fluencia (fy) y la deformación unitaria de fluencia (Ey). Una zona de comportamiento plástico, en la cual el esfuerzo permanece prácticamente constante, pero aumenta continuamente la deformación unitaria. Un punto de falla o de ruptura. La deformación unitaria en la falla es de 0,20 (curva inferior de la figura) para el acero estructural usado corrientemente en la construcción de estructuras. Los aceros de "alta resistencia" como los usados para los cables de pre esforzado y aceros especiales, no presentan la fluencia definida que se muestra en la figura para


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los aceros tipo A-36 (curva inferior de la figura), ni tienen el grado de ductilidad del acero estructural. En ellos, el esfuerzo de fluencia no se presenta tan claro como en los tipo A-36 y debe definirse. El acero para pre-esforzado tiene la resistencia más alta de las mostradas: fpu = 240 ksi (240.000 psi = 17.500 kgf/cm2). La deformación del acero a partir de la fluencia es denominada ductilidad. Esta es una cualidad muy importante en el acero como material estructural y es la base de los métodos de diseño plástico. Permite, que la estructura absorba grandes cantidades de energía por deformación, circunstancia muy importante en zonas sísmicas, en las cuales es necesario que la estructura libere la energía introducida en su base por los terremotos. El Módulo de Elasticidad es prácticamente independiente del tipo de acero está alrededor de 2000000 kgf/cm2. 2.13 PRINCIPIOS BASICOS DEL ANALISIS ESTRUCTURAL

La ingeniería estructural abarca una extensa variedad de estructuras, aparte de los puentes y los edificios. Entre ellas podemos citar estadios, torres de transmisión de energía eléctrica, torres de radio y televisión, cables, arcos, tanques de agua, pavimentos de concreto, y muchas. Los tamaños varían desde marcos pequeños con pocas vigas y columnas, hasta la torre Sears de 442 m de altura, en Chicago, y el puente del estuario humber, en Inglaterra, con su claro colgante de 1410 m. Para enfrentarse a esta amplia variedad de tamaños y tipos de estructuras y tipos de estructuras no parece aconsejable, para quienes se inician en el campo de las estructuras, el aprender a tratar uno o dos casos especiales de las mismas. Si no también a las estructuras cuyo tipo no se encuentra necesariamente dentro del campo de la ingeniería civil, como son, barcos y aeroplanos.


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Los principios fundamentales que se aplican en análisis estructural son las leyes del movimiento de Isaac newton:

1. Un cuerpo estará en estado de reposo o en estado de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea forzado a cambiar ese estado por fuerzas impuestas a el.

2. La razón de cambio del momentum o cantidad de movimiento de un cuerpo es igual a la fuerza neta aplicada.

3. Para toda acción existe una reacción igual y opuesta. Estas leyes del movimiento pueden expresarse con la ecuación F=ma en esta ecuación es la sumatoria de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, m es la más y a es la aceleración. Sobre esto tratamos con un tipo particular de equilibrio, llamado equilibrio estático, en el que el sistema no está acelerado. La ecuación de equilibrio toma entonces la forma F=0. Esas estructuras, o no se mueven, como en la mayoría de las estructuras de la ingeniería civil, o bien se mueven con velocidad constante, como lo hacen los vehículos espaciales en orbita. Usaremos el principio del equilibrio estático para estudiar las fuerzas que actúan sobre las estructuras, así como los métodos para determinar la respuesta de las estructuras a esas fuerzas, por respuesta queremos decir el desplazamiento del sistema y las fuerzas que ocurren en cada componente del sistema. 2.14 COMPONENTES Y SISTEMAS ESTRUCTURALES Todos los sistemas estructurales están integrados por componentes. Las componentes principales de una estructura son las siguientes: Tirantes: son miembros sometidos solo a fuerzas axiales de tensión. Un tirante no esta cargado a lo largo de su longitud y no puede resistir fuerzas generales por flexión. Puntales: son miembros sometidos solo a fuerzas axiales de compresión. Al igual que un tirante, un puntal no está cargado a lo largo de su longitud y tampoco puede resistir fuerzas generados por flexión. Vigas y trabes: son miembros sometidos principales a fuerzas de gravedad, aunque también pueden trabajar en posición inclinada. Columnas: son miembros sometidos principalmente a fuerzas de compresión axial y también a fuerzas de flexión. Pueden ser verticales o inclinadas. Diafragmas: son componentes formados por placas planas, los diafragmas tienen una alta rigidez en su plano y se usan de manera común en pisos y muros cortantes. Los diafragmas suelen salvar claros entre vigas o columnas y pueden estar rigidizados con costillas para resistir mejor las fuerzas fuera de plano.


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Armadura: es un tipo especial de marco estructural, está compuesta enteramente de puntales y tirantes, es decir, todas sus componentes están conectadas de manera que están sometidas solo a fuerzas axiales. Se supone que todas las cargas externas que actúan sobre las armaduras están aplicadas en sus nudos y no directamente a sus componentes, donde las primeras causarían flexión en los miembros de la armadura. Hay dos tipos de sistemas estructurales. Entre ellos se cuentan las estructuras a base de tejidos ( por ejemplo, tiendas y estadios abiertos) y las estructuras a base de cascarones curvos ( por ejemplo, las cortinas de presas y los estadios deportivos como el astrodome). El análisis de esos tipos de estructuras requiere principios avanzados de mecánica estructural. 2.15 PROYECTO ESTRUCTURAL

Objetivo del proyectista estructural

El proyectista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las estructuras de manera que tengan suficiente resistencia, su montaje sea práctico y sean económicas.

Seguridad Las estructuras no solo deben soportar las cargas impuestas (edo. límite de falla),sino que además las deflexiones y vibraciones resultantes, no sean excesivas alarmando a los ocupantes, o provoquen agrietamientos (edo límite de servicio)

Costo El proyectista debe siempre procurar abatir los costos de construcción sin reducir la resistencia, algunas ideas que permiten hacerlo son usando secciones estándar haciendo detallado simple de conexiones y previendo un mantenimiento sencillo.

Factibilidad Las estructuras diseñadas deben fabricarse y montarse sin problemas, por lo que el proyectista debe adecuarse al equipo e instalaciones disponibles debiendo aprender cómo se realiza la fabricación y el montaje de las estructuras para poder detallarlas adecuadamente, debiendo aprender tolerancias de montaje, dimensiones máximas de transporte, especificaciones sobre instalaciones; de tal manera que el proyectista se sienta capaz de fabricar y montar la estructura que está diseñando.

2.16 ESPECIFICACIONES Y CÓDIGOS DE CONSTRUCCIÓN

Las especificaciones de diseño de estructuras no se han desarrollado para restringir al ingeniero sino para proteger al usuario de estas. No todo se encuentra en los reglamentos así que sin impactar los códigos o especificaciones empleados, la responsabilidad final de la estructura (seguridad) recae en el ingeniero estructural.


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2.17 FACTORES DE RESISTENCIA:

Para estimar con precisión la resistencia última de un elemento estructural se deben tomar en cuenta la incertidumbre que se tiene en las hipótesis de diseño, resistencia de materiales, dimensiones de cada sección, mano de obra, aproximación de los análisis, etc.

2.18 REGLAMENTO LRFD (Load and Resistance Factor Design: Cálculo por Factores de Carga y Resistencia)

Factores de resistencia:

• Aplastamiento en zonas de pernos, fluencia del alma bajo cargas concentradas, cortante en tornillos o en juntas tipo fricción.

o Vigas sometidas a flexión y cortante, soldaduras tipo filete con esfuerzos permisibles paralelos a su eje.

o Columnas, aplastamiento del alma, aplastamiento en agujeros.

0.80 Cortante en el área efectiva de soldaduras de penetración parcial.

o Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, fractura de la sección neta de miembros a tensión

o Aplastamiento en tornillos (diferentes al tipo A-307)

o Aplastamiento en tornillos A-307.

2.19 REGLAMENTO NTC- DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS (MEXICO):

Fr CASO

0.9 Resistencia a tensión para estado límite de flujo plástico en la sección total, resistencia a flexión y cortante en vigas, determinación de cargas críticas, tensión o compresión paralela al eje de soldaduras tipo filete y de penetración parcial.

0.80 Tensión normal al área efectiva en soldaduras de penetración parcial cortante en el área efectiva en soldaduras de penetración completa.

0.75 Resistencia a tensión por estado límite de fractura en la sección neta,


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resistencia a compresión para estado límite de pandeo local en secciones tipo 4, cortante en el área efectiva en soldaduras de filete, cortante paralela al eje de la soldadura de penetración parcial, resistencia a tensión de tornillos.

0.70 Resistencia a compresión de columnas de sección transversal circular hueca tipo 4.

0.60 Resistencia al cortante en conexiones por aplastamiento.

Reglamento ntc – metalicas (mexico):

GENERALIDADES:

2.20 TIPOS DE ESTRUCTURA:

• TIPO 1.- Comúnmente designados marcos rígidos o estructuras continuas, los miembros que las componen están unidas por conexiones rígidas (nodos rígidos). Tales conexiones deben ser capaces de transmitir cuando menos 1.25 veces el momento y fuerzas normales y cortantes de diseño de cada uno de los miembros que une la conexión.

• TIPO 2.- Comúnmente designados armaduras, unidas con conexiones que permiten rotaciones relativas, siendo capaces de transmitir el 100% de las fuerzas normales y cortantes, así como momentos no mayores del 20% de los momentos resistentes de diseño de los miembros que une la conexión.


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• las secciones de los miembros que forman la estructura sean todas tipo 1 (secciones compactas).

• Los miembros estén contra venteados lateralmente. • Se usa doble atiesador en almas donde se formen articulaciones plásticas en la

sección donde hay cargas concentradas.

• No se aplican cargas que produzcan falla por fatiga ni halla fallas de tipo frágil.

2.21 SECCIONES DE PERFILES LAMINADOS:


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2.22 MARCOS CONTRAVENTEADOS

El sistema de contraventeo de una estructura de varios niveles deberá ser adecuado para:

• Evitar el pandeo de las estructuras bajo cargas verticales. • Conservar la estabilidad lateral de la estructura incluyendo los efectos P-D bajo

cargas verticales y horizontales de diseño.

Si el edificio tiene muros de cortante ligados a los marcos por medio de losas de concreto u otros sistemas de piso de rigidez suficiente, los muros se considerarán como parte del sistema vertical del contraventeo.

Al analizar el pandeo y la estabilidad lateral de la estructura puede considerarse a las columnas, vigas y diagonales de los marcos contraventeados como una armadura vertical en voladizo (en uniones articuladas) y deben considerarse sus deformaciones axiales.

Las vigas incluidas en el sistema vertical de contraventeos se deben diseñar a flexo compresión considerando las fuerzas axiales debido a cargas laterales.


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2.23 MARCOS SIN CONTRAVENTEO:

Las resistencias de marcos que pertenecen a edificios sin contraventeos ni muros de cortante deben determinarse con un ángulo que incluye el efecto de los desplazamientos laterales y de las deformaciones axiales de columnas.

Dichos marcos deben ser estables bajo la combinación de cargas laterales y verticales.

2.24 CLASIFICACION DE LAS SECCIONES:

Las secciones estructurales metálicas se clasifican en cuatro tipos de acuerdo a las relaciones ancho/espesor máximo de los elementos que las componen:

• SECCION TIPO 1(Secciones para diseño plástico): Son aquellas que pueden alcanzar el momento plástico y conservarlo durante la rotación necesaria para que ocurra la redistribución de esfuerzos (momentos) en la estructura.

Mp = Fy Z Z = C S Z = módulo plástico C > 1

• SECCION TIPO 2 (Para diseño plástico sin rotación, secciones compactas): Son aquellas que pueden alcanzar el momento plástico, pero no tienen capacidad bajo momento constante Mp.

My = Fy S S = I/C


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• SECCIONES TIPO 3 (para diseño a la fluencia o elástica, secciones semicompactas): Son aquellas que pueden alcanzar el momento elástico My (iniciación del flujo plástico).

• SECCIONES TIPO 4 (Secciones esbeltas): Son aquellas que tienen como límite de resistencia el pandeo local de alguno de sus elementos (por esfuerzos de compresión).

ANCHO:

2.25 ELEMENTOS PLANOS NO ATIESADOS

Son aquellos que están soportados a lo largo de uno solo de sus bordes paralelos a la dirección de la fuerza de compresión. Su ancho se toma como sigue:

• En placas, la distancia del borde libre a la primera fila de soldadura, remaches o tornillos.


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• En alas de ángulos, patines de canales y almas de tes, la dimensión nominal total.

• En patines de secciones I, H, T, la mitad de la dimensión nominal total. • En perfiles hechos con lámina doblada, la distancia del borde libre a la iniciación

de la curva que une el elemento considerado con el resto del perfil.

2.26 ELEMENTOS PLANOS ATIESADOS (S1, S2, S3) Son aquellos que están soportados a lo largo de sus dos bordes paralelos al esfuerzo de compresión. Su ancho se toma como sigue:

a. En patines de secciones de cajón hechos en cuatro placas, la distancia entre líneas adyacentes de soldaduras, remaches o tornillos.


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• En patines de secciones laminadas en cajón la distancia libre entre almas, menos los radios de las dos curvas de unión.

• En almas de secciones formadas por placas H, I o en cajón la distancia entre líneas adyacente de remaches o tornillos, en secciones soldadas la distancia libre entre patines.

• En almas de secciones laminadas en caliente o dobladas en frío, la distancia entre la iniciaciones de las curvas de unión con las curvas de soporte.

2.27 GRUESO:

En elementos de grueso uniforme, este se toma igual al valor nominal. En patines de espesor variable se toma el grueso nominal medio a la mitad de la distancia entre el borde y la cara del alma.

2.28 SECCIONES CIRCULARES HUECAS (OC).

En estos la relación b/t se determina por el cociente diámetro exterior/grueso de la pared.


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2.29 MIEMBROS SUJETOS A COMPRESION

Los miembros sujetos a compresión se distinguen de los sujetos a tensión por lo siguiente:

a. Las cargas de tensión tienden a mantener rectos a los miembros mientras que las de compresión tienden a flexionarlas.

b. La presencia de agujeros en la sección transversal de miembros reducen el área efectiva de tensión, mientras que en el caso de compresión, los tornillos, remaches y pernos llenan al agujero apoyándose en ellas a pesar la holgura que existe considerando las áreas totales disponibles para soportar la compresión.

La experiencia demuestra que mientras las columnas son lo suficientemente cortas, falla plastificándose totalmente todas las "fibras" de la sección transversal (es decir que alcanzan el esfuerzo de fluencia), que es el límite elástico del material (Fy). 2.30 MIEMBROS A FLEXOCOMPRESION

Se consideran miembros de eje recto y sección transversal constante con dos ejes de simetría.

Para fines de diseño con las NTC- metálicas se consideran los miembros flexo comprimidos pertenecientes a uno de los dos tipos de estructuras:

2.31 ESTRUCTURAS REGULARES:

Formadas por marcos planos con o sin contraventeo vertical, con o sin muros estructurales: paralelos o casi paralelos ligados entre sí en todos sus entrepisos a través de sistemas de piso con resistencia y rigidez suficiente para hacer que todos los marcos y muros trabajen en conjunto para soportar las fuerzas laterales debido al sismo o viento, o para proporcionar a la estructura, la rigidez suficiente para evitar el pandeo en conjunto bajo cargas verticales. Además todos los marcos deben ser simétricos y todas las columnas de un entrepiso deberán tener la misma altura aunque haya entrepiso con diferente altura 2.32 ESTRUCTURAS IRREGULARES: Cuando ocurre alguno de los siguientes casos:

• No está formada por marcos planos. • No están los muros paralelos entre sí. • No forman dos sistemas de marcos perpendiculares entre sí. • Los sistemas de piso no tienen la rigidez o resistencia suficiente para distribuir

fuerzas laterales de manera uniforme. • Cuando zonas importantes de los entrepisos están huecas. • Cuando la geometría de los marcos difiere sustancialmente de unos a otros. • Cuando algún entrepiso tiene columnas de distinta altura.


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Una estructura puede ser regular en una dirección e irregular en otra.

Ejemplos de Estructuras:

REGULARES: Edificios de departamentos, oficinas. IRREGULARES: Teatros, cines, plantas industriales, auditorios.

2.33 METODOS DE ANALISIS Y DISEÑO

Los elementos mecánicos de diseño se pueden obtener con análisis de primer orden , basados en la geometría inicial de la estructura; o un análisis de segundo orden considerando al menos los incrementos de las fuerzas internas debidas a cargas verticales al actuar sobre la estructura deformada.

Xo = Desplazamiento inicial El análisis es interactivo

Cuando sean significativas las cargas axiales se considerará la interacción flexión – carga axial en las rigidez y cargas de sujeción.


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La dificultad de diseño esta en proporción inversa a la exactitud del análisis efectuado, ya que se consideran factores de amplificación que deberán calcularse aún si no se ha hecho el análisis respectivo

Conforme aumentan su longitud sin variar su sección transversal, las columnas fallan alcanzando el esfuerzo de fluencia solo algunas "fibras de la sección", llamadas columnas intermedias. Finalmente cuando las columnas son lo suficientemente largas fallan sin que ningún punto alcance el valor del esfuerzo de fluencia.

En 1757 Leonhard Euler (suizo) desarrollo un modelo matemático para descubrir el comportamiento de las columnas esbeltas de la manera siguiente:


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2.34 DISEÑO DE MIEMBROS EN COMPRESIÓN.

Cuando una fuerza tiende a comprimir o acortar un miembro, se dice que los esfuerzos producidos por esta fuerza son de compresión y se dice además que el elemento es un miembro sujeto a compresión. Hay diversos tipos de miembros sujetos a compresión, siendo las columnas el mas conocido, sin embargo podemos citar otros elementos estructurales que también están sujetos a compresión como las cuerdas superiores de las armaduras de cubierta, los patines de compresión de las vigas laminadas, etc.

2.35 DISEÑO DE MIEMBROS A TENSION

Para el diseño de miembros a tensión de acuerdo a las NTC se consideran dos estados que son:

• Estado límite de flujo plástico en la sección total (para limitar la elongación del miembro):


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2.36 BLOQUE DE CORTANTE (INTERACCION – TENSION – CORTANTE) • La resistencia de diseño de un miembro a tensión, no siempre esta gobernada

por las expresiones que consideran la falla por fractura o por flujo plástico, ni por la resistencia de los tornillos, remaches o soldaduras; si no que también a veces depende de la resistencia de su "bloque de cortante" que es la zona de conexión del miembro, definida por un plano de falla a cortante y uno transversal a tensión.

• En este caso de la falla de los planos no ocurre simultáneamente pudiendo presentarse dos casos:

2.37 CABLES

Son los miembros más simples para diseño a tensión, se definen como miembros flexibles a tensión, formados por uno a más grupos de alambres, torones o cuerdas.

2.38 TORON

Es un arreglo helicoidal de alambres en torno de un alambre para obtener una sección simétrica.

2.39 CABLE: Es un conjunto de torones arreglado helicoidalmente en torno a un núcleo formado por un torón, cable de alambre o de fibras (los cuales se usan principalmente para fines de izaje).

La resistencia mínima de fluencia se mide al 0.7% de elongamiento bajo carga y sus módulos de elasticidad van de 1.97 x 106 a 2.11 x 106 kg/cm2, ya que el acero es estirado en frío.

El cable se especifica de acuerdo a su diámetro nominal mientras que el alambre se especifica de acuerdo a su calibre en vez del diámetro. La elongación del cable consiste básicamente en dos puntos:

• Un estiramiento debido al reacomodo radial y axial de los alambres y torones que lo componen.

• El estiramiento elástico de los alambres que forman la sección.

Por lo tanto el estiramiento depende del valor de la carga, el número de torones por cable, el número de alambres por torón, el paso de los arreglos helicoidales y el tipo de acero empleado.

La elección del cable se realiza a partir de las tablas del fabricante, especificando la carga última (de ruptura) contra su diámetro nominal, debiendo limitar su elongación de acuerdo al módulo de elasticidad tabulado y el área neta de la sección del cable.

Hay dos diferencias significativas entre los miembros sujetos a tensión y los sujetos a compresión: 1. Las cargas de tensión tienden a mantener recto al elemento,


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en cambio las cargas de compresión tienden a pandearlo, aspecto que es muy importante. 2. La presencia de agujeros para remaches o pernos en los miembros sujetos a tensión, reduce el área disponible para resistir las cargas y es por eso que se habla de “área neta”; en cambio en los miembros sujetos a compresión, se considera que los remaches o pernos llenan los agujeros y el área total queda disponible para resistir la carga. - Por nuestros conocimientos de resistencia de materiales sabemos que las columnas fallan bajo esfuerzos “P/A” que se encuentran muy por debajo del límite elástico del material, divido a su tendencia a pandearse o flexionarse lateralmente. Se vio también que cuanto más larga sea la columna para una misma sección transversal, mayor será su tendencia a pandearse y menor será su capacidad de carga. Sin embargo, la tendencia al pandeo de las columnas no solo depende de la relación de esbeltez donde se encuentra la longitud, sino también de otros factores como el tipo de conexión en los extremos, excentricidades de la carga, torceduras iníciales en la columna, esfuerzos residuales, etc.

2.40 ESFUERZOS RESIDUALES.

Las investigaciones han demostrado que los esfuerzos residuales y su distribución son factores muy importantes que afectan la resistencia de las columnas de acero cargados axialmente. Una causa muy importante de los esfuerzos residuales es el enfriamiento desigual que sufren los perfiles después de haber sido laminados en caliente, por ejemplo, en un perfil W los extremos de los patines y la parte media del alma se enfrían rápidamente, en tanto que las zonas de intersección del alma con los patines lo hacen más lentamente. Las partes de la sección que se enfrían con más rapidez al solidificarse resisten posteriores acortamientos, en tanto que aquellas partes que están aun calientes tienden a acortarse aun más al enfriarse. El resultado es que las áreas que se enfrían más rápidamente que dan con esfuerzos residuales de compresión, en tanto que las áreas de enfriamiento más lento quedan con esfuerzos residuales de tensión. La magnitud de esos valores varía entre 10 y 15 ksi, En consecuencia una columna con esfuerzos residuales se comporta como si tuviese una sección transversal más pequeña. Otra causa de esfuerzos residuales puede ser también la soldadura. En los cálculos los factores de seguridad utilizados son en parte para tomar en cuenta este aspecto.

2.41 PERFILES USADOS COMO COLUMNAS.

Si bien existen una gran cantidad de perfiles que pueden ser utilizados como columnas, en la practica el número de posibilidades se ve limitado por el tipo de secciones disponibles, por ejemplo, nosotros si bien en el manual AISC tenemos gran variedad de perfiles, en el mercado una gran mayoría no los vamos a encontrar. Otro aspecto que puede limitar el uso de un determinado perfil es el tipo de conexión que se usara. - Las secciones usadas para miembros a compresión por lo común son similares a las usadas para miembros a tensión con ciertas excepciones, por ejemplo las placas y varillas generalmente no se pueden usar debido a su relación de esbeltez elevada a menos que sean muy cortas y reciban pequeña carga, como en las estructuras de tinglados se usan las varillas redondas.


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• Los miembros formados por ángulos sencillos son satisfactorios como miembros a compresión de armaduras ligeras.

• Las cuerdas superiores de armaduras empernadas para techos pueden consistir en un par de ángulos espalda con espalda.

• Los perfiles W son los más comunes para columnas de edificios y para miembros a compresión de puentes carreteras.

Para cargas pequeñas y medianas las secciones tubulares son muy satisfactorias. Cuando se usan secciones armadas, estas deben conectarse en sus lados abiertos con algún tipo de celosía que mantenga sus partes unidas y les permita trabajar conjuntamente


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CAPITULO III COLUMNAS DE ACERO 3.1 COLUMNAS Las columnas son elementos estructurales que sirven para transmitir las cargas de la estructura del cimiento, las formas, los armados y las especificaciones y las columnas estarán en razón directa del tipo de esfuerzos que están expuesta. Su construcción en cuanto a su forma es muy variada existen: cuadradas, rectangulares, etc., y pueden elaborarse con materiales como pueden ser de, maderas, tabique, piedra, acero, concreto, etc. Siendo estos dos últimos los materiales mas utilizados por su nobleza, resistencia y adaptabilidad.

3.2 COLUMNAS DE TABIQUE.

Son aquellas que se construye a base de este material y las dimensiones de las columnas se logran acomodando el tabique en diferentes formas. El mortero es usado para asentar tabiques y generalmente es (cal, arena), (cemento, arena); no serán mayores de 15 cm debiendo quedar alternado o cuatropeado, pudiendo ser unidos o a apaña o bien saliente.

3.3 COLUMNAS DE PIEDRAS.

Para la elaboración de estos elementos, la piedra debe ser fácil de labrar y en trozos regulares que faciliten su colocación. Se utiliza por lo regular, en este caso, mortero, arena, 1:4, de concreto 1:6 las juntas deberán ser cuatrapiadas o no serán mayores de 3cm.

3.4 COLUMNAS DE ACERO.

Este tipo de columna puede ser siempre hueca, cuándo se rellena de concreto. El empleo de cada una de ellas constructivo y del diseño estructural..

3.5 COLUMNAS DE CONCRETO.

Cuando se trate de columnas de concreto armado se mojara y lavara previamente la cimbra, sujetándola y aplomándola convenientemente por sus cuatros lados; posteriormente deberá colocarse de una sola vez, cualquiera que sea su altura


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CAPITULO IV SOLDADURA ESTRUCTURAL

4.1 CONEXIONES SOLDADAS

La practica de la soldadura data de hace miles de años, se sabe que en la antigua Grecia se lograba la unión de piezas metálicas a través del calor y golpes (forja) para obtener piezas compuestas con cierta resistencia mecánica.

Se define a la soldadura como un proceso del cual se realiza la unión de partes metálicas mediante calentamiento para alcanzar un estado plástico con o sin el aporte de un material adicional de refuerzo.

4.2 VENTAJAS DE LA SOLDADURA

• El empleo de conexiones soldadas en vez de atornilladas o remachadas permite un ahorro de material (hasta de un 15%).

• La soldadura requiere menos trabajo y por lo tanto menos personal que la colocación de remaches o tornillos (un soldador puede reemplazar una cuadrilla de remachadores).

• La soldadura permite una gran variedad de conexiones, cosa que no se puede con remaches o tornillos.

• Las conexiones soldadas son más rígidas que las demás, lo cual permite una verdadera continuidad en la transmisión de elementos mecánicos entre miembros.

• Debido a la mayor resistencia del metal de aportación las conexiones soldadas permiten una gran resistencia a la fatiga.

• Las estructuras soldadas pueden repararse muy fácilmente a diferencia del resto. • Las conexiones soldadas han permitido la construcción de estructuras soldadas

y "limpias".


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• Las conexiones soldadas permiten ajustes de proyecto más fácilmente que en otro tipo de conexiones.

• El trabajo de soldadura es silencioso comparado con el remachado. • Hay un ahorro considerable en el cálculo, detallado y montaje de las estructuras.

4.3 DESVENTAJAS DE LA SOLDADURA

• Las conexiones rígidas puede no ser óptimas en el diseño. • La revisión de las conexiones soldadas no es muy sencillo con respecto al resto. • La creencia de la baja resistencia a la fatiga en conexiones soldadas (no se

permite aún en algunos puentes ferroviarios U.S.A).

El arco eléctrico se forma al polarizar el metal base negativamente y el electrodo positivamente, al acercar el electrodo se forma el arco eléctrico localizado en las zonas más próximas donde el metal base alcanza temperaturas de 3000 a 6000ºCque derriten también el acero del electrodo debido al campo electromagnético formado, el metal de aporte es forzado a depositarse en el metal base, por lo que es posible realizar soldaduras contra la gravedad a su vez el recubrimiento del electrodo formado por minerales inertes (rutilo) se funde y alcanza la superficie del material líquido que al enfriarse forma una costra protectora de la soldadura mientras se enfría, el gas que se desprende del arco es parte debido al recubrimiento que forma una barrera protectora al depósito del metal para evitar que se mezcle con aire (hidrógeno) y quede porosa la soldadura.

Una vez enfriado el cordón, es necesario retirar la "cáscara", para revisar o bien para aplicar un siguiente cordón.


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4.4 CLASIFICACION DE LA SOLDADURA

POR SU TIPO:

4.5 FILETE

El cordón está formado en su sección transversal por un ángulo diedro

Este tipo de soldadura sirve para unir dos piezas no alineadas entre sí; y por ser este caso muy común en la conexión de miembros estructurales, se emplea en el 80 % de los casos.


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4.6 SOLDADURAS DE PENETRACION (RANURA)

Se obtienen depositando metal de aportación entre los bordes de dos placas que pueden estar alineadas en el mismo plano.

4.7 PENETRACION PARCIAL

Cuando la soldadura no penetra totalmente las placas, o cuando una placa es más delgada que la otra.

4.8 PENETRACION COMPLETA

Cuando la soldadura atraviesa todo el espesor de las placas (iguales).

Esta soldadura se prefiere cuando las placas o elementos planos deben quedar en el mismo plano.

Son aproximadamente el 15 % de las estructuras metálicas.


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4.9 SOLDADURAS DE TAPON Y RANURA

Se hacen en placas traslapadas, rellenando por completo con metal de aportación un agujero circular (tapón) o alargado (ranura) hecho en una de ellas y teniendo como fondo la otra placa.

Se emplean cuando la longitud de filete no es suficiente para proporcionar toda la resistencia de la conexión. Forman aproximadamente el 5 % de las estructuras metálicas.


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4.10 CLASIFICACION POR SU POSICION:

4.11 CLASIFICACION POR ENSAMBLE


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4.12 SIMBOLOGIA PARA UNIONES SOLDADAS AWS


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4.13 DIMENSIONES EFECTIVAS DE SOLDADURAS

• El área efectiva de las soldaduras de penetración o de filete es el producto de su longitud efectiva por la garganta efectiva.

• El área efectiva de soldaduras de tapón o de ranura es el área de la sección transversal nominal del tapón o ranura, medida en el plano de falla.

• La longitud efectiva de una soldadura a tope entre 2 piezas es el ancho de la pieza más angosta, aún en el caso de soldaduras inclinadas respecto al eje de la pieza.

• La longitud efectiva de una soldadura de filete es la longitud total del filete incluyendo retornos. Si el filete esta en un agujero circular o ranura la longitud será la del eje del cordón trazado por el centro del plano de la garganta, pero el área efectiva no será mayor que el área nominal del agujero o ranura medida en el plano de falla.

Las soldaduras utilizadas en estructuras deberán resistir gran número de repeticiones de carga durante su vida útil, y se diseñaran tomando en cuenta la posibilidad de falla por fatiga.


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Resistencia De Diseño

Tipo de soldadura Material FR FMB o FS Nivel de resistencia requerido

Soldadura tipo filete

Metal base* ----- ------ Puede usarse soldadura de

resistencia igual o menor que la compatible con el metal base

Electrodo 0.75 0.6 FEXX El diseño del metal base

queda regido de acuerdo al caso particular, que está sufriendo de acuerdo a

las NTC

Metal base 0.90 Fy

Soldadura de penetración completa


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Metal base 0.90 Fy Debe usarse soldadura

compatible con el metal base

(E60, E70)

Metal base 0.90 Fy Puede usarse soldadura de

resistencia igual o menor que la

soldadura compatible con el metal base

Metal base 0.90 Fy

Metal base

Electrodo

0.90

0.80

0.60 Fu

0.60FEXX

Soldadura de penetración parcial

Metal base

Electrodo

0.90

0.80

Fy

0.60 FEXX

Puede usarse soldadura de

resistencia igual o menor a la del

electrodo compatible al metal base

Metal base 0.90 Fy


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Metal base 0.90 Fy * De acuerdo a la conexión que

soporte el material se diseñara de

acuerdo a las NTC

Metal base*

Electrodo

0.75 0.60 FEXX

Soldadura de tapón o ranura

Metal base*

Electrodo

0.75 0.60 FEXX Puede usarse soldadura con

resistencia igual o menor que el del electrodo

compatible con el metal base


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CAPITULO V ESTRUCTURAS DE ACERO Y SU CLASIFICACION 5.1 ESTRUCTURA DE INGENIERÍA La palabra estructura tiene varios significados. Por estructura de ingeniería se entiende algo que está construido. Las principales estructuras con las que trabaja un ingeniero son: puentes, edificios, muros, presas, torres y cáscaras. Tales estructuras se componen de uno o más elementos resistentes dispuestos de tal manera que tanto la estructura total como sus componentes sean capaces de mantenerse sin cambios apreciables en su geometría durante la carga y la descarga. El diseño de una estructura envuelve muchas consideraciones, entre las cuales hay dos objetivos principales que deben siempre lograrse:

1. La estructura debe cumplir los requisitos de función habilidad La estructura debe soportar las cargas en condiciones seguras

y tener cuidado en los casos especiales. 5.2 DEFINICIONES DE LA TEORIA DE LAS ESTRUCTURAS El diseño completo de una estructura puede establecerse a través de los siguientes pasos:

1. Determinación de la forma general. La forma general para una estructura se selecciona entre varias alternativas posibles. Lo primero que se debe tener en cuenta es el requisito de funcionalidad de la estructura, esto es, si va a servir para vivienda, como puente o para cubrir un espacio. Deberán examinarse varias consideraciones secundarias, entre ellas los aspectos económicos, estéticos, legales y financieros.

a. Investigación de las cargas. La información general acerca de las cargas a

imponer sobre la estructura viene dada generalmente en las especificaciones y en las normas. Básicamente es parte de la responsabilidad del diseñador especificar los datos originales serán solamente estimativo, se revisaran los cálculos sin valor estimado inicialmente no es satisfactorio.

b. Sobrecargas. Las sobre cargas se pueden clasificar en cargas móviles y cargas en movimiento las cargas móviles son aquellas que pueden ser transportadas de un lugar a otro de la estructura por ejemplo las personas y muebles en un piso de un edificio las cargas en movimientos son aquellas que se mueven continuamente sobre la estructura, tales como los trenes y camiones sobre un puente

c. Cargas de impacto: los efectos del impacto generalmente se asocian con las cargas móviles. En el diseño estructural la carga de impacto se considera como un incremento de la sobrecarga, si esta se ha tomado como una carga estática aplicada gradualmente.


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2. Análisis de esfuerzos. Una vez definidas las cargas externas, debe hacerse un

análisis de esfuerzos con el fin de determinar las fuerzas internas, algunas veces conocidas como esfuerzos, que se producirán en los diferentes elementos cuando intervienen las sobrecargas, deben analizarse con todo cuidado los esfuerzos máximos posibles en cada uno de los elementos de la estructura. Para obtener lo anterior no solo debe conocerse la magnitud de carga sino el lugar de aplicación.

3. Selección de los distintos elementos: la elección de los materiales y dimensiones de los elementos de una estructura se basa en los resultados del paso tres junto con las condiciones dadas por las especificaciones y normas.

4. Dibujo y detalles. El paso final es el dibujo y los detalles que proporcionan la información necesaria para la construcción. El objeto de la teoría de las estructuras es el análisis de esfuerzos con referencia ocasional a las cargas. Lo mas importante de la teoría estructural radica en los fundamentos y no en los detalles de diseño.

5.3 CLASIFICACION DE LAS TEORIAS ESTRUCTURALES Las teorías estructurales pueden clasificarse desde diferentes puntos de vista por conveniencia, se caracterizan por los siguientes aspectos:

1. Calculo estático y dinámico: las estructuras normales generalmente se calculan con cargas estáticas. Las cargas muertas y las producidas por la nieve son cargas estáticas que no producen ningún efecto dinámico sobre las estructuras algunas sobrecargas tales como camiones y locomotoras cuando se mueven sobre puentes se suponen como sistemas de cargas concentradas estáticas, estas cargas producen impacto sobre las estructuras sin embargo los efectos dinámicos se consideran como una fracción de las cargas en movimiento con el fin de simplificar el cálculo. Los efectos dinámicos causados por las cargas en movimiento, los sismos, el viento, explosiones de bombas, se estudian en el análisis dinámico de estructuras que es un campo especializado.

2. En el plano y en el espacio no existe realmente ninguna estructura en el plano sin embargo el análisis estructural de vigas armaduras o cerchas para puentes y marcos rígidos de edificios generalmente los considera como estructuras en el plano aunque nunca son menos bidimensionales en otras ocasiones en algunas estructuras tales como torres y entramados para cúpulas los esfuerzos se distribuyen entre elementos que no están en un plano de tal forma que el análisis no puede simplificarse sobre la base de componentes en el plano. Tales estructuras deben considerarse como entramados en el espacio sometidos a un sistema de fuerza no copla nadas.

3. Estructura de comportamiento lineal y no lineal en una estructura lineal se supone que existe una relación lineal entre las cargas aplicadas y los desplazamientos resultantes esta hipótesis se basa en las condiciones siguientes


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a. el material de la estructura es elástico y obedece a la ley hooke en todos los puntos y en el intervalo de carga consideradas

b. los de la geometría de la estructura son tan pequeños que puede despreciarse en el cálculo de los esfuerzos.

Es importante anotar que si ha de aplicarse el principio de la súper posición debe existir o suponerse que existe una relación lineal entre las cargas y los desplazamientos. Una relación no lineal entre las cargas aplicadas y los desplazamientos resultantes existe bajo cualquiera de las condiciones siguientes:

a. Cuando el material de la estructura no sigue la ley de hooke b. Cuando el material se encuentra dentro del intervalo elástico pero la

geometría de la estructura cambia significativamente durante la aplicación de las cargas- el estudio del comportamiento no lineal de las estructuras incluye el cálculo plástico y el pandeo de estructuras.

4. Estructuras estáticamente determinadas y estáticamente

indeterminadas Se entiende por una estructura estáticamente determinada aquella que puede ser analizada mediante la aplicación de las ecuaciones de la estática únicamente en caso contrario la estructura es estáticamente indeterminada

5.5 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO.

Las estructuras son el elemento básico de toda construcción y su función es recibir y transmitir su peso y el de las fuerzas exteriores al terreno, de manera que todos sus elementos estén en equilibrio. La transmisión de dichos esfuerzos se logra mediante la transformación en esfuerzos internos y su distribución a lo largo de las piezas estructurales.

5.6 FORMA DE TRABAJO.

Por su forma de trabajo, las estructuras pueden ser pasivas o activas.

1. Estructuras activas: son capaces de modificar que las fuerzas hagan rodeos a través de la estructura, arcos, dinteles, etc.

2. Estructuras pasivas: transmiten los esfuerzos en forma directa, como en un muro de carga o una columna, porque estos solo son elementos interpuestos entre las cargas y el terreno.

5.7 ESTRUCTURA METÁLICA.

La denominación de estructura metálica se emplea para designar perfiles laminados, barras y planchas preparadas para ensamblado, mediante punzonado, remachado, soldado y cepillado. El acero para estructuras se utiliza en la construcción de edificios,


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puentes, torres con estructuras similares que requieren armazones resistentes para sostener cargas considerables y para resistir fuerzas de índole diversa. Para tales propósitos, el acero laminado es uno de los materiales de construcción mejor conocido y mas confiable, por las razones que se expondrán a continuación. Además, es especialmente apropiado para armaduras de puentes y edificios sobre vanos largos, así como para vigas, tirantes y columnas cuando la rigidez, las limitantes de espacio, el peso, la rapidez de la construcción y la economía son factores que deban tenerse en cuenta. El acero se ha utilizado como material de construcción durante más de un siglo, tiempo en el cual se ha sometido a pruebas, estudios y análisis más minuciosos y estrictos que cualquier otro material de construcción, por ejemplo, todas las laminaciones de acero para estructuras se prueban física y químicamente.

5.8 VENTAJAS DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO.

El acero se recomienda especialmente como material de construcción por las razones siguientes:

• Su método de manufactura esta tan controlado y mecanizado, que sus propiedades físicas son casi invariables, además, su elementos ( como carbono, hierro, etc,) se colocaban con gran exactitud científica, según formulas perfeccionadas después de ensayos completos.

• Cada partícula de acero se somete a prueba antes de hacerse su comprobación final.

• Es muy resistente a esfuerzos de toda clase, como tracción, compresión, corte, torsión, curvatura, etc.

• Es un material homogéneo, cuyas propiedades pueden determinarse con exactitud, mediante análisis matemático. Su modulo de elasticidad se conoce muy bien y es prácticamente una constante para la tracción como para la compresión, dentro de los limites de trabajo.

• Los esfuerzos de las estructuras de acero se pueden calcular con exactitud si se aplican las formulas de mecánica conocidas.

• Los esfuerzo útiles de trabajo por área unitaria son mayores para el acero que para otros materiales de construcción; por tanto , las vigas de acero son de menor tamaño y, a menudo, de menor peso que las de otros materiales.

• Antes de ser entregados, los elementos de acero para estructuras se pueden preparar, acabar y probar completamente, listos para emplearse, en longitudes o tamaños convenientes que facilitan el transporte a cualquier lugar, ya sea por ferrocarril o camión.

• Las partes de acero por usar en estructuras grandes y complicadas se arman con facilidad mediante remache y soldadura, a menudo, con pocos elementos y personal sin mayor destreza, bajo vigilancia adecuada.

• Las estructuras de acero se pueden alterar o ampliar fácilmente. • Las estructuras de acero se pueden desmontar con facilidad, de manera que el

material vuelva a usarse en otro lugar o para otros fines, con un valor de satisfacción.

• Es incombustible.


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• No se alabea, hincha, quiebra o cede, ni lo atacan muchos elementos destructivos que afectan a otros materiales.

• Por sus propiedades elásticas, resiste grandes golpes debido a golpes o impactos fuertes y repentinos.

• Tiene valor especial para regiones afectadas por terremotos, debido a la gran resistencia que ofrece en relación a su peso, porque los esfuerzos producidos por un terremoto son proporcionales al peso de la estructura.

• Por su gran resistencia en relación con su peso, resulta ventajoso para reducir las cargas en las cimentaciones, cuando se emplea en terrenos de alta compresibilidad.

• La estructura de acero bien realizada, si se le da un destino no previsto o se le sobrecarga, no se desplomara sin que ello advierta anticipadamente, a menos que le falle la cimentación. Como es elástico por naturaleza, el acero presenta una deformación considerable antes de fallar considerablemente.

FOTOGRAFÍAS DE ESTRUCTURAS DE ACERO.


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Puente reticulado de hormigón armado.

Adicionalmente, el puente tiene planta curva. La esbelta sección de las diagonales obliga la utilización de un sistema doble de diagonales para que el corte sea siempre tomado por una diagonal traccionada.

Puente de hormigón armado con tirantes.

Este esquema podría considerarse como un antecedente de los puentes con obenques. La fotografía muestra la mitad de la estructura


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Tanque circular pretensado con tendones circunferenciales.

La fotografía muestra la zona de anclajes con los cajetines de acero destinados a generar luego del hormigonado el espacio necesario para tensar los cables.

Techo pretensado.

En una primera etapa se colocan elementos premoldeados de hormigón apoyados en los cables. Posteriormente se hormigonan las juntas para constituir la cáscara final.

5.9 LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS

Constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, cuyo empleo suele crecer en función de la industrialización alcanzada en la región o país donde se utiliza.

Se lo elige por sus ventajas en plazos de obra, relación coste de mano de obra – coste de materiales, financiación, etc.

Las estructuras metálicas poseen una gran capacidad resistente por el empleo de acero. Esto le confiere la posibilidad de lograr soluciones de gran envergadura, como cubrir grandes luces, cargas importantes.

Al ser sus piezas prefabricadas, y con medios de unión de gran flexibilidad, se acortan los plazos de obra significativamente.

La estructura característica es la de entramados con nudos articulados, con vigas simplemente apoyadas o continuas, con complementos singulares de celosía para arriostrar el conjunto.

En algunos casos particulares se emplean esquemas de nudos rígidos, pues la reducción de material conlleva un mayor coste unitario y plazos y controles de ejecución más amplios. Las soluciones de nudos rígidos cada vez van empleándose más


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conforme la tecnificación avanza, y el empleo de tornillería para uniones, combinados a veces con resinas.

5.10 VENTAJAS DE LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS

• Construcciones a realizar en tiempos reducidos de ejecución. • Construcciones en zonas muy congestionadas como centros urbanos o

industriales en los que se prevean accesos y acopios dificultosos. • Edificios con probabilidad de crecimiento y cambios de función o de cargas. • Edificios en terrenos deficientes donde son previsibles asientos diferenciales

apreciables; en estos casos se prefiere los entramados con nudos articulados. • Construcciones donde existen grandes espacios libres, por ejemplo: locales

públicos, salones.

5.11 DONDE NO CONSTRUIR ESTRUCTURAS METÁLICAS

No está recomendado el uso de estructuras metálicas en los siguientes casos:

• Edificaciones con grandes acciones dinámicas. • Edificios ubicados en zonas de atmósfera agresiva, como marinas, o centros

industriales, donde no resulta favorable su construcción. • Edificios donde existe gran preponderancia de la carga del fuego, por ejemplo

almacenes, laboratorios, etc.

5.12 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

Estas estructuras cumplen con los mismos condicionantes que las estructuras de hormigón, es decir, que deben estar diseñadas para resistir acciones verticales y horizontales.

En el caso de estructuras de nudos rígidos, situación no muy frecuente, las soluciones generales a fin de resistir las cargas horizontales, serán las mismas que para Estructuras de Hormigón Armado.

Pero si se trata de estructuras articuladas, tal el caso normal en estructuras metálicas, se hace necesario rigidizar la estructura a través de triangulaciones (llamadas cruces de San Andrés), o empleando pantallas adicionales de hormigón armado.

Las barras de las estructuras metálicas trabajan a diferentes esfuerzos de compresión y flexión; veamos:


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• Piezas a Compresión • Piezas a Flexión

5.13 SOLUCIONES

A fin de rigidizar la estructura, se procede a la triangulación, reservando las pantallas para los núcleos interiores pertenecientes a cajas de escaleras y ascensores.

Como es natural, la importancia de las acciones horizontales aumenta con la altura del edificio, ya que se originan fundamentalmente por la acción del viento, y es precisamente en edificios de gran altura donde se pueden lograr las soluciones más interesantes.

Las estructuras metálicas se realizan con la utilización de barras, elaboradas industrialmente y cuyos Perfiles responden a diferentes tipos, por ejemplo: perfil T, perfil doble T, de sección redonda, o cuadrada, etc.

Existen piezas metálicas especiales, de diferentes tipos que sirven como Medios de Unión de los perfiles.

Con estos elementos mencionados, combinados y en disposiciones determinadas de acuerdo al caso específico, existe una variada gama de posibilidades de diseño para estructuras metálicas.

5.14 NORMATIVA

La construcción con estructuras metálicas se rige por:

NBE EA 95: Estructuras de Acero en Edificación

Es la Norma Básica de cumplimiento obligado para todos los proyectos y obras de edificación.

Esta Norma agrupa otras anteriores, las NBE MV-102 a 111, paso previo a la norma europea experimental.

Las Estructuras son el conjunto de elementos resistentes, convenientemente vinculados entre sí, que accionan y reaccionan bajo efecto de las cargas. Su objetivo es resistir y transmitir las cargas del edificio a los apoyos manteniendo el espacio construido, sin sufrir deformaciones o roturas.

Las Estructuras deberán cumplir requisitos de equilibrio y estabilidad


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5.15 ESTRUCTURAS DE UN EDICIFIO

La Estructura de un edificio es el esqueleto que soporta todas las cargas.

Se denomina cargas a todos aquellos factores y causas que inciden sobre el edificio produciendo deformaciones.

Estas causas son las llamadas acciones. No todas las cargas son de la misma naturaleza. La estructura de un edificio soporta además de las cargas de la edificación, su propio peso y otras situaciones que alteran su carga inicial.

Las cargas en el edificio van variando a lo largo del día, del año y del tiempo en general. Un edificio debe tolerar modificaciones en su distribución, en los revestimientos y puede también, que en algún momento cambie el uso.

Otras acciones que inciden en el edificio son de naturaleza ambiental y climática, tales como el viento, la nieve e inclusive los movimientos sísmicos o movimientos de asentamiento del terreno.

Para dar la regulación correspondiente a la construcción de edificios, frente a todas estas variables expresadas,de cumplimiento obligatorio en todo

5.16 ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Barra

Se considera Barra a todo elemento lineal de forma y materiales indeterminados. Su representación esquemática se realiza a través de su directriz o eje gráfico de una barra de sección cilíndrica

Sección

La Sección de un cuerpo u objeto es el corte del mismo realizado a través de su plano longitudinal o transversal. En estructuras lo definimos como sección de una barra al corte de la misma a través de un plano perpendicular a su directriz.

Una barra se define, por su forma, a través de su sección.

Canto

Toda sección tiene dos direcciones principales: X e Y. La base de la sección determina la dirección XX´, y la altura de la sección determina la dirección YY´. De manera que, se define como canto de una sección a la dirección Y, es decir su altura, respecto de su


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plano horizontal dado por la dirección X. Como está referido a su plano horizontal, el plano XX´, al girar la sección, cambia la base y por ende cambia el canto.

Nudo

El nudo es el medio de unión de dos o más barras.

Según sea el medio de unión utilizado: apoyo simple, apoyo deslizante, empotramiento o articulación, las barras reciben la calificación de apoyadas, empotradas o articuladas, de acuerdo al caso.


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CONCLUSIONES Es sorprendente todo lo que pudimos observar pues nos percatamos de lo importante que son las estructuras de metálicas y que tanto puede influir en las obras en construcción, las estructuras constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países cuyo empleo suele crecer en función de la industrialización. En todo el mundo además una de sus ventajas en las obras, resulta ser más ventajoso que otros materiales utilizados en fin para que una obra en construcción en la que lleve estructuras de acero que concluya satisfactoriamente debe llevar los siguientes pasos a seguir. 1. Tipos de materiales que se empleen 2. Ejecución en la instalación de las estructuras que se lleven a cabo

satisfactoriamente. 3. Cuantificar la medición para fines de pago 4. Cargos que influyen en los precios unitarios.


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BIBLIOGRAFIA Diseño de Estructuras de Acero con LRFD - WILLIAM T. SEGUI Análisis Estructural - ASLAM KASSIMALI Artículo: Manual De Construcción En Acero Diseño Por Esfuerzos Permisibles ISBN: 968-18-6116-7 Autor: Imsa Editorial: Limusa Libro de Texto: Diseño de Estructuras de Acero (Método LRFD). McCormac. Alfaomega. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO EDITORIAL LIMUSA Pagina web: www.construaprende.com

tesis david1 modificadotesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/224/1/david erasto garcia … · 1.11...

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