CONSTRUCCIONES METALICAS Y DE MADERA

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1 CONSTRUCCIONES METALICAS Y DE MADERA FUNDAMENTOS PROCEDIMIENTOS CRITERIOS DE PROYECTO PROFESOR: M.M.O. MARTÍN RODRIGO PIRAGINI ESPECIALIDAD: CONSTRUCCIONES CIVILES 1

2 CONSTRUCCIONES METALICAS UNIDAD 1 GENERALIDADES: El proyectista estructural tiene como meta principal generar una estructura resistente, factible y económica, la cual debe cumplir con requisitos funcionales y estéticos. Para ello el proyecto debe ser una unión entre ciencia y arte, teniendo como camino principal la seguridad. El proyectista deberá poseer un completo conocimiento, científico e intuitivo, de la estática, resistencia de materiales y del análisis estructural. Comprendido en esto la correcta concepción de los parámetros estáticos que la estructura debe satisfacer, como así también las propiedades de los materiales estructurales y de su respuesta frente a las solicitaciones; además, como un eje fundamental, será necesaria la correcta relación entre la función, distribución y forma de los elementos estructurales como así también la estructura en su conjunto. En todo esto, siempre será de vital importancia que el proyectista marche por un camino de funcionalidad y estética, que deben ser satisfechos o destacados por la estructura. Este conjunto de conocimientos no podría estar completo sin el conocimiento de las técnicas constructivas, de la tecnología del medio y de los costos relativos. Para dar respuesta a todo esto el proyectista estudiara el sistema estructural más conveniente (evaluando los parámetros anteriores), siendo una de ellos las estructuras metálicas. El sistema posee las grandes ventajas, debido a que los elementos utilizados están fabricados en acero, del cual podemos conocer sus propiedades y características de acuerdo a su fabricación y además presenta grandes valores de resistencia con pequeñas secciones; esto puede ser comparado con el hormigón armado. Acero Estructural: El acero debe tener un conjunto de propiedades y características químicas y mecánicas, que se obtienen de su composición y de su proceso de fabricación. En los distintos países las Normas y especificaciones clasifican a los aceros para su uso estructural según sus propiedades y características. En nuestro país estamos en una transición debido a la entrada al mercado de aceros de distintas procedencias y al proceso de integración del MERCOSUR. La industria nacional fabrica aceros que responden a Normas nacionales, norteamericanas y del MERCOSUR. Así coexisten las especificaciones locales como IRAM, IRAM IAS, las Normas ASTM (norteamericanas), Normas EN (europeas), Normas ISO (europeas), Normas NM MERCOSUR y Normas DIN (alemanas), como las principales. Ellas establecen limites para las propiedades y características químicas y mecánicas, métodos de ensayo, etc. Es importarte contemplar que la Secretaria de Industria, Comercio y Minería de la Nación dictó en Junio de 1999 la Resolución N 404 por la cual los productos de acero utilizados en las Estructuras Metálicas deberán cumplir con los requisitos de seguridad que quedan asegurados si se satisfacen las exigencias de las Normas IRAM e IRAM- IAS. Para los productos importados se deberá certificar ese cumplimiento. 2

3 1- Composición Química: El acero es una aleación que contiene principalmente hierro (más del 98%) y un porcentaje variable de carbono, fósforo, azufre, silicio manganeso y otros elementos. El carbono es el que tiene mayor influencia en las propiedades del acero. La dureza y la resistencia aumentan con el porcentaje de carbono, pero el acero resultante es más frágil y resultan disminuidas la soldabilidad y la ductibilidad. Lo mismo ocurre con el fósforo y el azufre. La adición de cromo, silicio, manganeso, níquel, vanadio, molibdeno, colombio dan como resultado aceros con resistencia muchos mayores, aunque estos aceros resultan más costosos y difíciles de fabricar. La Norma IRAM-IAS U /2003 para aceros al carbono para uso estructural (excepto chapas de acero al carbono laminadas en calientes) dan valores máximos en los contenidos de Carbono (C), Fósforo (P)y Azufre (S), en la colada para los aceros estructurales. (Máximo C entre 0,20% y 0,28% según las características mecánicas y el espesor; máximo P=0,045%;máximo S=0,05%). También relaciona la soldabilidad con el carbono equivalente que esta en función de los contenidos de Carbono, Manganeso, Cromo, Níquel, Cobre, Vanadio y Molibdeno. La ASTM establece una clasificación muchos más amplia en razón de la gran variedad disponible en el mercado norteamericano. 2- Propiedades Mecánicas: Estas dependen principalmente de la composición química, de los procesos de laminado, fabricación y tratamiento térmico de los aceros. Para estudiar las propiedades mecánicas se realizan ensayos sobre pequeñas piezas a las cuales se las denomina probetas, estas mismas son ensayadas en maquinas de aplicación de cargas (prensas). La forma y dimensiones de las probetas están normalizadas al igual que la realización del ensayo. En dicho ensayo se toman los valores de fuerza aplicada y las deformaciones que experimenta la probeta. La aplicación de carga se realiza en forma escalonada y en intervalos de tiempo, esto es para evitar efectos de carga dinámica, es decir, asegurar que la carga aplicada se en forma estática. Obtenidos los datos del ensayo se procede al análisis de los mismos, pudiéndose realizar un grafico que relacione en las ordenadas Tensiones y en las absisas Deformaciones Especificas. Ambos estás analizados en base a la sección y longitud inicial. Del grafico de ensayo de tracción se obtienen las siguientes consideraciones: Desde el origen hasta el punto 1 se tiene el periodo elástico lineal, es decir, las tensiones son proporcionales a las deformaciones (Ley de Hooke). Dicho punto es el valor límite de la proporcionalidad, a partir de este punto la distribución seguirá una variación no lineal. La Ley de Hooke se ve expresada como: E E : Modulo de Elasticidad Longitudinal : Tensión : Deformación especifica 3

4 Desde el origen hasta el punto 2 se tiene el periodo elástico, el cual indica que los efectos de deformación son reversibles, es decir, que una vez que retirada la carga, aplicada la probeta, volverá a sus dimensiones iniciales. Entre el punto 2 y 4 la curva es distorsionada, a este periodo se lo denomina de escurrimiento o fluencia. Se observa que manteniendo la carga constante la probeta sufre deformaciones permanentes. El punto 3 es el valor de límite de fluencia. A partir del punto 4 tenemos el periodo plástico, en este se observa que para los intervalos de tensiones se tienen mayores deformaciones (parte de estas permanentes) que en los otros peridos. La carga máxima es aquella alcanzada para el punto 5. La finalización del grafico es la del punto 6, la tensión de rotura. = P F Tensión (MPa) E Derfomación Especifica (%) = L Lo Para el diseño de las estructuras metálicas nos interesa el punto (3) límite de fluencia (tensión y deformación específica). Si la tensión en un punto de la estructura de acero dúctil alcanza la fluencia, esa parte fluirá localmente sin incremento de tensiones, impidiendo así una falla prematura. O sea, hace posible que los esfuerzos se redistribuyan. La estructura de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y golpes repentinos sin llegar a la rotura. En el punto superior de fluencia que aparece en los diagramas con carga rápida, mientras que la curva con el punto de fluencia inferior aparecen ensayos con carga lenta. Los valores establecidos para el límite de fluencia mínimo por las especificaciones se refieren al punto superior. Los reglamentos de construcción metálica y las Normas de de materiales fijan valores mínimos de tensión de fluencia, de tensión de rotura y generalmente de alargamientos de rotura. También valores algunas constantes mecánicas. 4

5 Por ejemplo el Reglamento CIRSOC 301 (edición 1994) Capitulo 2: 2.3. Los aceros a emplear en estructuras remachadas y atornilladas serán de la nominación F 20; F 22; F 24; F 26; F 30; F 36 y cumplirán con las disposiciones contenidas en las normas IRAM IAS U e IRAM IAS U A los efectos de la realización de los cálculos serán empleados los valores de las constantes mecánicas que se detallan a continuación: 3- Ductibilidad-Tenacidad: La ductilidad es la capacidad de soportar deformaciones sin romperse. Los aceros estructurales son dúctiles, tanto en caliente como en frío. La capacidad de absorber energía sin romperse se conoce como tenacidad. Para evaluar la tenacidad de los aceros se establecen valores mínimos de resistencia a flexión por impacto (ensayo de resiliencia) a distintas temperaturas. 4- Soldabilidad: Es la aptitud del acero para ser soldado. Esta íntimamente ligado con la ductilidad. Influyen pues todos los factores relacionados con la posibilidad de rotura frágil. Ellos son: la composición del acero (mejor aceros al carbono); el espesor de la pieza (a mayor espesor mayor probabilidad de rotura frágil); temperatura (al bajar la temperatura aumente la fragilidad); deformación en frío (Se consumió energía de deformación); estado tensional (los estados biaxiales y sobre todo triaxiales de tracción permiten alcanzar la rotura sin alcanzar la tensión de corte de fluencia. 5

6 Estos estados suelen originarse por la forma o por la ejecución de los elementos estructurales por ejemplo tensiones residuales de laminación o soldadura, posición de cordones de soldadura, entalladuras, etc.). Para la evaluación de la soldabilidad de un acero se utilizan los resultados del ensayo de resiliencia (la flexión con impacto sobre probeta entallada a distintas temperaturas) y el ensayo de plegado con soldadura. 5- Protección contra la corrosión: La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuesto al aire y/o al agua por lo que deben ser protegidas con pinturas o revestimientos. La corrosión y la correspondiente disminución de sección es más importante para espesores pequeños. En el mercado americano y europeo existen aceros resistentes a la corrosión a partir de la inclusión de cobre u otros elementos (como el ASTM A242 y el ASTM A588) en los que se forma al oxidarse una película protectora que impide la penetración de la oxidación. Otro tipo de oxidación es la electroquímica, la mis es dada por la presencia de distintos materiales y de sus electronegatividades. Podrá ser subsanado o mitigado utilizando materiales de similares valores o con la colocación de ánodos de sacrificio. 6- Resistencia al fuego: La resistencia y la fluencia de los aceros disminuyen sensiblemente para temperaturas elevadas (a partir de los 300 C) por lo que debe analizarse a partir de la posibilidad de alcanzar esas temperaturas en los elementos estructurales desnudos, la protección de los mismos con revestimientos adecuados. 7- Resistencia a la fatiga: La fatiga es un fenómeno asociado con la presencia de cargas pulsatorias. Las acciones cíclicas repetidas producen una disminución de la resistencia del acero. Esto se debe considerar en estructuras sometidas a ese tipo de esfuerzos (por ejemplo: bases para bombas, soporte de motores, soportes de cañerías, etc.) Formas seccionales y productos de acero estructural: En las estructuras metálicas se utilizan: (a) Perfiles Laminados en Caliente con variedad de formas y tamaños, buscando en general distribuir el material adecuadamente en relación a los distintos tipos de solicitaciones. (b) Secciones Formadas con Chapas Planas Unidas por soldadura o bulones. (c) Combinación de Perfiles y Chapas Planas (d) Perfiles Obtenidos a partir de Chapas Planas Delgadas conformadas o plegadas en frío. (e) Elementos Macizos de sección circular o cuadrada, etc. Los perfiles laminados en caliente tienen distintas características y denominaciones según el país de origen. Los actualmente existentes en nuestro medio responden a la denominación y dimensiones de origen europeo o norteamericano. De los laminados en el país son Doble Te y C son del tipo IPN y UPN con dimensiones en mm (según Norma DIN). Los ángulos de alas iguales, te, planchuelas y barras macizas de sección circular y cuadrada tienen dimensiones en pulgadas (origen Normas norteamericanas). Los tubos circulares tiene en general dimensiones en pulgadas y los cuadrados y rectangulares en mm. Las chapas planas vienen con dimensiones en ambas unidades. Como existen asimismo muchos aceros de importación hay una anarquía de normalización en el mercado. 6

7 En la siguiente figura se muestran algunas formas seccionales comunes, indicando la designación según el origen. EU=Designación Europea AM=Designación Norteamericana Es necesario notar que en los perfiles W, M y HP la altura nominal de designación no responde exactamente a la altura real. 7

8 SEGURIDAD ESTRUCTURAL: A la hora de proyectar, dimensionar y ejecutar una estructura debemos ajustarnos a las Normas que nos rigen, según el país y la ciudad donde será construido nuestro proyecto. En nuestro país contamos con un único sistema de Normas para el Proyecto, Cálculo y Ejecución de las Estructuras de Acero, el cual esta a cargo del INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) por medio del Reglamento CIRSOC (Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad de las Obras Civiles del Sistema INTI). Debido a la versatilidad de las estructuras de acero, contamos con más de un reglamento, como ser: CIRSOC Proyecto, Cálculo y Ejecución de las Estructuras de Acero. La finalidad de este Reglamento es establecer los principios fundamentales para el cálculo, las reglas de dimensionado y los detalles constructivos de estructuras metálicas para edificios, así como para su protección y conservación. Campo de Validez: Este Reglamento se aplica a todos los elementos resistentes de acero con un espesor mínimo de 4mm, que puede reducirse a 3mm para perfiles en ambientes no corrosivos, de edificios y otras estructuras, aún en el caso que tengan carácter provisorio como andamios, cimbras, puntales, etc. y siempre que no se hallen vigentes reglamentos que se refieran específicamente a estructuras especiales. No son de aplicación en puentes ferroviarios y carreteros, grúas, construcciones hidráulicas de acero, torres especiales y construcciones sometidas a temperaturas inferiores a 30ºC o superiores a 100ºC. CIRSOC Métodos Simplificados, Admitidos para el cálculo de Estructuras Metálicas. La finalidad de este Reglamento es proveer métodos simplificados para el calculo elementos y estados de cargas particulares. CIRSOC Fundamentos de Cálculo para los Problemas de Estabilidad del Equilibrio en las Estructuras de Acero. La finalidad de este Reglamento es estudiar con especial cuidado si en parte o en la totalidad de la estructura pueden aparecer estados de equilibrio inestable. Campo de Validez: Este Reglamento puede aplicarse solamente a los aceros que se encuentran especificados en la tabla I del Reglamento CIRSOC 301 Proyecto, cálculo y ejecución de estructuras de acero para edificios. Este Reglamento se aplica en la verificación de la estabilidad del equilibrio en estructuras de acero en los siguientes casos. a) Edificios construidos de acuerdo con el Reglamento CIRSOC 301. b) Puentes carreteros de acero. c) Puentes ferroviarios de acero. d) Elementos de estructuras de acero de grúas y puentes grúas. e) Torres de acero de perforación. f) Torres de acero de líneas aéreas de alta tensión. g) Estructuras livianas de acero. CIRSOC 302 Métodos de Cálculo para los Problemas de Estabilidad del Equilibrio en las Estructuras de Acero. La finalidad de este Reglamento es estudiar el equilibrio que una estructura cargada, se establece entre las fuerzas exteriores y las fuerzas internas, puede ser estable o inestable. 8

9 Campo de Validez: Esta recomendación se podrá aplicar en la verificación de la estabilidad del equilibrio en estructuras de acero de acuerdo con lo indicado en el artículo 1.2. del Reglamento CIRSOC 302 Fundamentos de cálculos para los problemas de estabilidad del equilibrio en las estructuras de acero. CIRSOC 303 Estructuras Livianas de Acero. Se entiende por estructuras livianas de acero aquellas estructuras o elementos estructurales en que los procedimientos contemplados en el Reglamento CIRSOC 301 Proyecto, cálculo y ejecución de estructuras de acero para edificios tratando de ir a formas constructivas que requieren un menor peso de acero respecto de aquellas; esto supone el empleo de nuevos conocimientos técnicos o experimentales, pudiéndose usar espesores menores que los permitidos en el Reglamento CIRSOC 301 Campo de Validez: Esta recomendación se podrá aplicar en las estructuras de cubiertas y de edificios en general, y servir de complemento en el proyecto, cálculo y ejecución en otros campos de utilización. Se tratarán los siguientes tipos de estructuras livianas de acero: a) Estructuras de chapa delgada doblada o conformada en frío. b) Estructuras de barras de acero de sección circular. c) Estructuras de perfiles laminados pequeños. d) Estructuras de tubos de pared delgada. CIRSOC Comentarios a la Recomendación CIRSOC 303 Estructuras Livianas de Acero. La finalidad de este Reglamento es complementar lo dispuesto por el Reglamento CIRSOC 303 Estructuras Livianas de Acero. CIRSOC 304 Estructuras de Acero Soldadas El cálculo, los detalles estructurales y la realización de construcciones de acero soldadas, exigen un profundo conocimiento de estas construcciones y en especial de la técnica de soldadura. Estos trabajos solo deben ser encargados a ingenieros y talleres que, por sus conocimientos y la experiencia de sus técnicos y operarios, pueden garantizar que dichas construcciones estén correctamente diseñadas y realizadas. Campo de Validez: Este reglamento se aplica específicamente a construcciones de acero para edificios nuevos o en modificaciones, sometidos a cargas predominantemente estáticas, cuyos elementos soldados son de espesor mayor que 4mm que puede reducirse a 3mm para perfiles en ambientes no corrosivos. Los procesos de soldadura considerados por este Reglamento son: a) Soldadura manual con electrodos revestidos. b) Soldadura semiautomática con alambre macizo y protección gaseosa. c) Soldadura semiautomática con alambre tubular y protección gaseosa. d) Soldadura automática con alambre macizo por arco sumergido. Coeficiente de Seguridad: Al realizar el dimensionamiento debemos crear seguridad contra todas las clases de falla posible, la cual puede producirse por coincidir varias circunstancias desfavorables, por ejemplo, un crecimiento no previsto de las cargas que gravitan en las secciones, cuya resistencia se ha debilitado por la existencia de vicios ocultos. 9

10 La teoría de probabilidades nos enseña que no se puede lograr una seguridad absoluta, lo único que puede hacerse es mantener reducidas las probabilidades de falla. La seguridad de una construcción siempre estará amenazada por incertidumbres, será satisfactoria cuando las probabilidades de falla queden por debajo del valor considerado como admisible. Existen numerosas causas de incertidumbres: Las hipótesis de cargas Las hipótesis de cálculo Los errores de cálculos Defectos del material Errores de las dimensiones Errores de ejecución El método de cálculo fundamental y más difundido de los Coeficientes de Seguridad es el basado en las tensiones. Según este método, el cálculo de la resistencia se realiza controlando el valor de la tensión máxima que se produce en cierto punto de una estructura. La tensión máxima de trabajo no debe superar cierto valor. máx. L L : Cierto valor límite de la tensión para el material dado : Un número mayor que la unidad denominado coeficiente de seguridad Para el caso de materiales dúctiles el valor límite sl es el límite de fluencia, en el caso de materiales frágiles L es el límite de resistencia o tensión de rotura. L La relación recibe el nombre de tensión admisible. adm. L La elección del coeficiente de seguridad depende del mayor o menor grado de incertidumbre que exista en un problema, y se realiza basándose en toda una serie de criterios, en general probabilísticos, que escapan a los alcances de este curso. Existen reglamentos que establecen los criterios de dimensionamiento del coeficiente de seguridad, por ejemplo, la norma CIRSOC. En el CIRSOC 106, nos permite dimensionar el coeficiente de seguridad para incertidumbres que no contemplen otros reglamentos. Para los casos más frecuentes ya existen valores establecidos de los coeficientes de seguridad. Podemos hacer referencia a disposiciones reglamentarias que tratan sobre construcciones de acero; indican valores que varían entre 1.25 y 1.60 según los recaudos constructivos, el destino de los edificios y los estados de carga considerados. Para estructuras de hormigón armado, los coeficientes de seguridad varían entre 1,75 y 10

11 2,10. Para el caso de la madera, material que presenta muchas incertidumbres en cuanto a su comportamiento, los coeficientes de seguridad suelen ser bastantes más grandes. Tanto el CIRSOC 301 como el 302, fijan criterios para la adopción de coeficientes de seguridad, los mismos serán vistos para cada caso particular. Vamos a citar el criterio del CIRSOC 301, CAPITULO 4 ART. 4.1: 4.1. COEFICIENTE DE SEGURIDAD El coeficiente se seguridad será obtenido de la Tabla 6. Los factores de cálculo y construcción que se adoptan en la definición del coeficiente de seguridad son: I) Las acciones que se consideran sobre la estructura y los métodos de superposición de las mismas, que se determinan de acuerdo con el Capítulo 3. II) El destino de la construcción y la función de la estructura resistente. El destino de la construcción y la función de la estructura resistente se determinarán de acuerdo con la Tabla 5, no considerándose las centrales atómicas que se regirán por reglamentos especiales. III) Recaudos constructivos y adaptación al modelo de cálculo. Según los recaudos constructivos y la adaptación al modelo de cálculo, las estructuras se clasifican en I y II. a) Una construcción de acero será considerada clase I si se verifican las siguientes condiciones: - Los sistemas serán considerados espaciales salvo que verifiquen las condiciones de simetría geométrica, de vínculo y de carga que los sistemas planos requieren. - Las uniones y apoyos verifiquen las condiciones de giro y desplazamiento que los modelos de vínculo adoptados imponen. En los casos de duda la verificación se realizará para las dos hipótesis más desfavorables (sin consideración de condición promedio). - Se especificarán tolerancias dimensionales y de forma geométrica en los elementos constructivos de modo que las imperfecciones aleatorias no produzcan una disminución de más del 5% en la capacidad resistente de la estructura. Toda excentricidad de concurrencia de ejes de barras en vértices de un reticulado, falta de alineación, verticalidad o excentricidad en la aplicación de la carga, previsible en el proyecto, debe ser tenida en cuenta en los cálculos. - Deberán ser adoptados los recaudos de cálculo necesarios para considerar los casos que se presenten de anisotropía constructiva, tensiones principales, etc. Se incluirá el análisis experimental de los modelos cuando la teoría resulte insuficiente. - La construcción será realizada por personal altamente calificado y mediante el empleo de las máquinas y herramientas acordes con el estado del arte en todas las fases constructivas. - Salvo condiciones de imposibilidad se deberá realizar el montaje previo en el taller. - En los casos que reglamentos especiales lo requieran o de duda de presunta falla en el material o medio de unión se harán verificaciones con ensayos no destructivos. b) Una construcción de acero deberá ser considerada clase II cuando verificando las disposiciones del presente Reglamento y cumpliendo las disposiciones de seguridad en él impuestas, los cálculos o la construcción no cumplen o cumplen parcial o aproximadamente las condiciones indicadas para la clase I. 11

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