Prof. Alberto Moya Arredondo v.2013 Metalicas-uv.weebly.com 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 1

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1 ESTRUCTURAS METALICAS Prof. Alberto Moya Arredondo v.2013 Metalicas-uv.weebly.com ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 1

2 OBJETIVOS DEL CURSO: Asignatura está relacionada con la ejecución de obras en las que se emplean estructuras ras metálicas, y capacita al estudiante en la comprensión de sistemas constructivos y los esfuerzos involucrados en ellas, las propiedades y características del Acero y sus formas de presentación, y piezas utilizadas, aplicando las normas de diseño y ejecución pertinentes. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 2

3 Al concluir la asignatura el estudiante será capaz de: Identificar, comprender y aplicar especificaciones técnicas relativas a obras de Estructuras Metálicas Ejecutar, controlar y supervisar obras en las que se utilicen elementos de este tipo. Planificar y dar soluciones constructivas de dichas estructuras, así como de sus conexiones ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 3

4 Diseñar elementos y sistemas de estructuras metálicas sencillas en concordancia con NCh427.Of76, Método ASD. En este Curso se verifican elementos de Acero, aplicando un Manual específico que contiene las normas respectivas, tablas de perfiles de diversos fabricantes nacionales y extranjeros, y recomendaciones y especificaciones constructivas. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 4

5 Metodología Desarrollo del curso secuencial y acumulativo. Exposición de conceptos y normas aplicadas ; ejercitación. Utilización de apuntes especiales para el curso. Evaluación por unidades d temáticas Realización de un portafolio de conexiones ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 5

6 Evaluaciones Tracción y conectores Compresión axial (simple y compuesta) Flexión, interacciones, placas de anclaje Portafolio Examen final ( Sumativa extraordinaria) i ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 6

7 BIBLIOGRAFIA W. Nash, Shaum Resistencia de Materiales. J. Tuma, McGraw-Hill Análisis Estructural. CINTAC, CN C, Manual de Diseño Estructural. Oscar de Buen, Limusa Estructuras de Acero. J.M.García, McGraw-Hill,1997. Fundamentos para el Cálculo y Diseño de Estructuras de Acero. McCormac, Alfa Omega, Diseño de Estructuras Metálicas, Método ASD. CEAC, Manual de Soldadura Eléctrica. P. Beer & E. Russel, Mcgraw-Hill, Mecánica de Materiales. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 7

8 RECOMENDACIONES Período de Ajuste... Existirán clases y/o pruebas en días extras. No posponer ni faltar a pruebas. Grado de Dificultad... Estudiar mucho. Asistir a clases siempre. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 8

9 PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS FECHAS PROGRAMADAS PERIODOS El acero como material estructural CAP. 1 Elementos e tosdeu una aconstrucción stuccó en aceo acero EL ACERO Cargas de diseño según norma Nch 427 cr MARZO CAP. 2 BREVE REPASO Propiedades estructrurales del acero Especificaciones, cargas y métodos de diseño Momentos estáticos, Momentos de inercia Momento resistente o módulo de sección Radio de giro Ecuación de la elástica, deformaciones POR CUENTA DE LOS ESTUDIANTES CON GUÍAS PREPARADAS AL EFECTO Momentos flectores, esfuerzos de corte Tensión base CAP. 3 Tensión admisible DISEÑO A Restricciones 19 MARZO TRACCIÓN Uso y tipo de conectores CAP. 4 Tracción y compresión 26 MARZO 2013 UNIONES Y Pernos, pasadores y Aplastamiento CONECTO -RES elementos con hilo Desgarramiento 2 ABRIL Excentricidad Soldaduras Tipos 9 ABRIL 2013 Tensión admisible y electrodos 16 ABRIL 2013 Nomenclatura y simbología CONTROL CERTAMEN Nº 1 23 ABRIL ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 9

10 PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS(2) FECHAS PERIODOS Clasificación de elementos según sección CAP. 5 Ancho plano, esbeltez compacta, pandeo local 30 ABRIL 2013 DISEÑO A Pandeo General longitud efectiva, coeficientes COMPRESIÓN pandeo por flexión 7 MAYO pandeo flexo-torsional Secciones compuestas por perfiles. (Perfiles compuestos) 14 MAYO 2013 CONTROL CERTAMEN Nº 2 28 MAYO ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 10

11 PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS FECHAS PERIODOS Clasificación de secciones esbeltez límite CAP. 6 longitud entre arriostramientos 4 JUNIO 2013 DISEÑO A Tensión admisible Vigas no afectas a PLT FLEXIÓN Vigas afectas a PLT 11 JUNIO Verificación al corte Deformación vertical 18 JUNIO 2013 Interacciones CAP. 7 PLACAS DE Distribución de tensiones bajo la placa placa rígida placa flexible 25 JUNIO 2013 ANCLAJE Cartelas de rigidización 2 Placa sometida a compresión simple Placa sometida a flexo-compresión Tensiones admisibles en el hormigón Pernos de anclaje CONTROL CERTAMEN Nº 3 (SUMATIVO) 2 JULIO ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 11

12 1.- Introducción al Diseño Estructural en Acero Ventajas del Acero como Material Estructural. Alta Resistencia. Uniformidad. Elasticidad. Durabilidad. d Ductilidad. Tenacidad. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 12

13 1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural. Ampliaciones de Estructuras Existentes. Gran Facilidad para unir miembros a través de varios tipos de conectores. Gran Adaptabilidad a la Prefabricación. Rapidez de Montaje. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 13

14 1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural. Gran Capacidad para Laminación (Maleabilidad) y plegado en frío. Reutilización después de desmontaje en otra localización. Valor Residual como chatarra. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 14

15 1.2.- Desventajas del Acero como Material Estructural. Costo de Mantenimiento. Costo de Protección contra Fuego. Susceptibilidad al Pandeo. Fractura Frágil. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 15

16 1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural. Capítulo I: El Acero Fluencia Elástica Fluencia Plástica Endurecimiento por Deformación Pto. Superior de Fluencia P / A) erzo ( f = Esfue Pto. Inferior de Fluencia Caso: Acero Dúctil Deformación unitaria L L ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 16

17 Capítulo I: El Acero Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural. (Cont...) F u Fractura Caso: Acero Frágil E sfuerzo ( f = P / A) F y F u = Resistencia mínima última tensión. F y = Esfuerzo mínimo de Fluencia. Deformación residual en la descarga cuando el esfuerzo es superior al límite elástico. Deformación unitaria L L ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 17

18 1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural (Cont...) r f p p f e 10 f r ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 18

19 1.4.- Relación Ductilidad - Tenacidad B Acero B es más Resistente que C. Acero C es más Ductil que B. C Si A (B) = A (C) Acero B es tan tenaz como Acero C (B) (C) ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 19

20 1.4.- Relación Ductilidad Tenacidad (cont.) u4 u3 u2 u ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 20

21 1.5.- Aceros Estructurales Modernos. Aceros al Carbono Cr C 17% 1,7% S P Fe Ni Si 0,6% 0,6% Cu Mn 1,65% ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 21

22 Aceros al Carbono (Cont...) La composición Química influye en propiedades como: Soldabilidad. Resistencia a la corrosión. Resistencia a la Fractura. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 22

23 Aceros al Carbono (Cont...) Propiedades de los Aceros Estructurales (Según ASTM) Tipo ASTM Formas Al Carbono A-36 A529 Perfiles, barras y placas. Perfiles yplacas hasta ½ Alta resistencia y baja aleación A441 Resistente a la corrosión. Perfiles, placas y barras hasta 8 plg. A572 A242 A588 Baja Aleación Columbio-Vanadio. Muy resistente a la corrosión. Muy resistente a la corrosión. Perfiles, placas y barras hasta 6 plg. Perfiles, placas y barras hasta 4 plg. Placas y barras. Templados y revenidos A514 Placas sólo hasta 4 plg. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 23

24 Propiedades de los Aceros Estructurales (Según ASTM) Tipo ASTM Usos A-36 A529 Puentes, Edificios y Estructuras remachadas, atornilladas o soldadas. A441 Puentes, Edificios y Estructuras remachadas, atornilladas pero preferentemente soldadas. A572 A242 A588 A514 Estructuras remachadas, atornilladas o soldadas. No se emplea en puentes soldados si el grado es superior a 50. Puentes, edificios y estructuras remachadas, atornilladas o soldadas siendo muy importante la técnica de soldeo. Enfocado principalmente a Puentes y Edificios soldados. Enfocado principalmente a puentes soldados. Requiere mucha atención a la técnica de soldeo, no se usa si la ductilidad es importante. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 24

25 1.6.- Propiedades en Ley de Hooke. Módulo de Elasticidad de Young: E = Mpa= kg/cm2 Coeficiente de Poisson: Módulo Elástico transversal: = = 0,3. G E MPa k/ kg/cm 2 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 25

26 1.7.- Calidades Comerciales en Chile. Designación de aceros (según NCh 427) Acero A ES A-240 ES Estructural Soldable Límite de Límite de Ruptura Fluencia (kg/mm 2 ) (kg/mm 2 ) Otros: A ES A ES ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 26

27 1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile Armados: (soldados) IN doble T (serie normal de vigas) IB doble T (serie híbrida de vigas) HN doble T (serie normal de columnas) ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 27

28 1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile Laminados (Tren de laminación) W doble T (serie Americana) IPE doble T (serie Alemana) ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 28

29 1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.) Plegado en frío C canal CA canal atiesada IC doble T (2 canales espalda espalda) ICA doble T (2 canales atiesadas espalda espalda) ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 29

30 1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.) Plegado en frío L ángulo TL T formada por dos ángulos espalda espalda XL X formada por dos ángulos vértice vértice ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 30

31 1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.) Plegado en frío (cont.) cajón cuadrado cajón rectangular. L cajón formado por 2 ángulos de frente. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 31

32 1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.) Plegado en frío (cont.) C cajón formado por 2 canales de frente. CA cajón formado por 2 canales atiesadas frente. Tubos sección tubular redonda ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 32

33 2.- Propiedades d de Areas Planas Momento Estático x da A τ S x Q b y S I da A S y x da y A ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 33

34 2.2.-Ejes de Gravedad Y CG A y A da S A x x CG CG X CG A x A da S A y y CG Sx S x = A ycg y S y = A x CG ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 34

35 2.3.- Momento de Inercia x da A I x A y 2 da y I y A x 2 da C.G. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 35

36 2.4.- Momento Polar de Inercia I p A r 2 da I p 2 (x y 2 )da x A y I I p p A I y x 2 I da x 2 y da A ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 36

37 2.5.- Teorema de Steiner (Ejes Paralelos) A y CG a b CG y X CG I = +Ay 2 = 3 2 x1 (ab )/12 + aby I x1 Ix CG X 1 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 37

38 2.6.- Módulo de Sección (Momento Resistente: W). M σw W M σ W I y ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 38

39 2.7.- Radio de Giro. i x, y I Ix, A y ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 39

40 3.- Cargas de Diseño. Cargas Normales Peso Propio (P.P) Cargas Eventuales Viento (V) NCh 432 Sobrecarga (S.C) Sismo (S) NCh 433 Impacto (I) Otras Fuerzas (Ej: Huracán) Fuerza Horizontal en los rieles de una grúa (H) ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 40

41 Combinación de Cargas (NCh 427 cr 77) P.P + S.C. SC Coeficiente e de Cargas = 1 P.P + S.C. + N P.P + S.C. + S PP P.P + S.C. + V P.P + S.C. + N + V PP+ P.P S.C. + S + N P.P + S.C. + V + S Con 1 eventualidad: Coef. de Cargas = 0.75 Con 2 eventualidades: Coef. de Cargas = 0.67 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 41

42 4.- Métodos de Diseño Estructural. Capítulo I: El Acero El Proyectista Estructural. Distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de ella para soportar satisfactoriamente las cargas a que quedaran sometidas. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 42

43 4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.) Funciones: co Trazo general de la estructura. Estudio de las formas estructurales posibles. Consideración de las condiciones de carga. Análisis de esfuerzos, deflexiones, etc. Diseño de elementos. Preparación de los Planos. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 43

44 4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.) Capítulo I: El Acero Objetivos del Proyecto o Estructural: u Seguridad. d Costo. Factibilidad. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 44

45 4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.) Capítulo I: El Acero Diseño Económico de Miembros de Acero: Debe seleccionar perfiles según existencias. Uniformar el mayor número posible de perfiles. Considerar en edificios altos (muchos pisos) la posible reducción de la altura total. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 45

46 Diseño Económico de Miembros de Acero: (Cont.) Considerar los costos de transporte en elementos muy grandes. Escoger secciones fáciles de montar y mantener. Considerar posibles interferencias con instalaciones. Considerar la apariencia (Efecto estético). ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 46

47 Exactitud de los Cálculos. El diseño Estructural no es una ciencia exacta. Métodos de análisis i basados en suposiciones i parcialmente ciertas. Las resistencias de los materiales varían apreciablemente. Cargas máximas pueden determinarse sólo aproximadamente. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 47

48 Exactitud de los Cálculos.(Cont (Cont.) Entonces: A pesar de la Precisión de las calculadoras y computadores, el uso de más de 2 ó 3 cifras significativas, son de poco valor y pueden darle al estudiante una falsa idea de seguridad. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 48

49 4.2.- Diseño Elástico y Diseño Plástico. Capítulo I: El Acero Diseño Elástico Esfuerzos Admisibles Esfuerzos de Trabajo Diseño Plástico Diseño al colapso σ σ trabajo admisible P *FC P admisibles ibl = f /CS C.S. P trabajo * F.C. P colapso ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 49

50 Diseño Elástico. Capítulo I: El Acero Método A.S.D. (Allowable Stress Design) Distribución de Esfuerzos en el Colapso Distribución ib ió de Esfuerzos en el Régimen Elástico La Estructura falla provocada por un aumento proporcional o de todas las solicitaciones. o ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 50

51 Diseño Elástico. Capítulo I: El Acero DISTORSIÓN S Es falsa, no considera la redistribución de esfuerzos antes de la falla. No es Real (Ej.: La carga muerta no varía) ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 51

52 Diseño Plástico. Capítulo I: El Acero Método L.R.F.D. (Load and Resistance Factor Design) Considera la condición de falla o de resistencia última. Combina el cálculo de estados límites de resistencia y servicio con un enfoque probabilístico de la seguridad. ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 52

53 Diseño Plástico. Capítulo I: El Acero Cargas x FC y Cap.Nominal x FR Diseño de Elementos FC > 1 FR < 1 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO 53