Diseño de Estructuras Metálicas. Prof. Akram Homsi H. Marzo 2013

Transcripción

1 Diseño de Estructuras Metálicas Prof. Akram Homsi H. Marzo 2013

2 Introducción al acero estructural Los primeros usos del hierro, componente principal del acero, fueron en la confección de pequeñas herramientas e instrumentos, 4000 años antes de la era cristiana (Murphy, 1957). Este material se usaba en forma de hierro forjado, que se obtenía calentando el mineral en hornos de carbón. En la última parte del siglo XVIII y principios del XIX, el hierro colado y el hierro forjado se usaron en varios tipos de puentes. El acero, aleación principalmente de hierro y carbono fue usado en la construcción pesada en el siglo XIX. En Estados Unidos, el primer puente ferroviario de acero estructural fue el puente Eads, construido en 1874 en St. Louis, Missouri (Tall, 1964). En 1884 fue terminado en Chicago el primer edificio con estructura de acero.

3 EADS BRIDGE fecha de construcción (SIGLO XIX) personas involucradas en diseño y construcción JAMES BUCHANAN EADS ubicación RÍO MISSISSIPPI, ST. LOUIS, EEUU tipología PUENTE DE ARCOS estado EN USO

4 Primer edificio en Chicago, se utilizó barras de acero (1884)

5 Torre Eiffel Exposición mundial de París de 1889

6 Montaje de la estructura de acero para el edificio del Chase Manhattan Bank en Nueva York. (Cortesía de la Bethlehem Steel Corporation)

7 Los productos industriales derivados del hierro son solamente dos: acero y fundiciones. Ambos son aleaciones de hierro a las cuales se le agrega metales y metaloides que les confiere propiedades específicas. Estos productos son los más utilizados en la industria de la construcción. Acero: producto industrial derivado del hierro. Es una aleación de hierro y carbono principalmente, en la cual el porcentaje de carbono está comprendido entre 0,01 y 1,7 %. Cada uno de estos porcentajes, unido a la presencia de otros porcentajes de otros metales y metaloides, le confiere al acero propiedades perfectamente diferenciadas. Fundiciones: son aleaciones de hierro y carbono, en las cuales el porcentaje de carbono está comprendido entre 1,7 y 6,7 %. Al igual que los aceros, los diferentes porcentajes de otros elementos dan origen a una gran variedad de fundiciones con propiedades diversas.

8 Tabla de composición de varios aceros Designación (c) %máx. (Mn) %máx. (P) % máx. (Si) (S) % máx. SIDOR PS-25 0,24 1,55 0,05 0,06 SIDOR ALTEN 0,30 1,60 0,04 0,05 ASTM A-7 0,04 0,05 ASTM A-36 0,26 0,04 0,05

9 Carbono ( C ): a mayor proporción de este elemento, el acero será más duro en detrimento de su forjabilidad o propiedad de dejarse trabajar en estado sólido, o bien sea en frio o sometido a altas temperaturas. Manganeso (Mn): confiere al acero mayor dureza y resistencia. La capacidad de alargamiento disminuye. Silicio (SI): como los anteriores, confiere al acero mayor dureza y resistencia. La capacidad de alargamiento disminuye. Azufre (S): es un elemento muy perjudicial en el acero, y por eso su porcentaje debe reducirse hasta donde sea posible. Fósforo (P): es un elemento altamente nocivo que hace al acero muy quebradizo cuando se trabaja en frio.

10 Propiedades mecánicas La principal ventaja del acero es su alta resistencia en relación con la resistencia de otros materiales estructurales comunes, tales como madera, mampostería y concreto. A diferencia de la mampostería y el concreto, que son débiles a la tracción, el acero es resistente tanto a la tracción como a la compresión. Ventajas: a. Alta resistencia: la alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será poco el peso de la estructura. b. Elasticidad: es la capacidad de un metal de recobrar su forma original una vez cargado y descargado. El acero es el material que más se acerca en su comportamiento a la hipótesis de diseño, ya que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos de gran rango.

11 c. Ductilidad: es la propiedad que tiene un material de deformarse sin fracturarse en el rango inelástico, esto es, más allá del límite elástico. Un material que no tenga esta propiedad, probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a esfuerzos de consideración. d. Tenacidad: es la propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades. Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. e. Uniformidad: las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto armado. f. Resistencia a la fatiga: la fatiga de un metal se presenta cuando se le aplica un esfuerzo en forma repetida, por encima de su límite de tenacidad, a través de muchos siclos de carga y descarga.

12 Ventajas de las estructuras de acero: además de las enunciadas anteriormente podemos citar: a. Gran facilidad para unir los diferentes miembros entre sí, a través de medios como soldaduras, remaches y pernos.

13 b. Facilidad para transportar los diferentes elementos de una estructura

14 c. Las estructuras metálicas son fáciles de armar y sobre todo aquellas apernadas son fáciles de desmontar, e inclusive volverlas a montar en un sitio diferente.

15 d. Los diferentes elementos se pueden prefabricar.

16 e. Los diferentes elementos estructurales denominados comúnmente perfiles pueden laminarse en gran cantidad de tamaños y formas.

17 e. Los diferentes elementos estructurales denominados comúnmente perfiles pueden laminarse en gran cantidad de tamaños y formas.

18 e. Los diferentes elementos estructurales denominados comúnmente perfiles pueden laminarse en gran cantidad de tamaños y formas.

19 Desventajas del acero como material de construcción En general pueden clasificarse las siguientes desventajas: a. Alto costo de mantenimiento: es un material susceptible a la corrosión, por lo tanto debe protegerse periódicamente con pinturas especiales; sobretodo si está expuesto al aire, al agua o a un ambiente marino.

20 Desventajas del acero como material de construcción b. Alto costo de protección contra el fuego: el acero es un excelente conductor del calor, de manera que un miembro de acero sin protección contra el fuego puede transmitir suficiente calor y de esta manera reducirse considerablemente su resistencia.

21 Desventajas del acero como material de construcción c. Susceptibilidad al pandeo: si un miembro de acero sometido a carga axial es muy largo y esbelto, es susceptible de pandeo; por lo que los elementos de acero usados como columnas resultan antieconómicos, ya que deben usarse perfiles de gran tamaño a fin de lograr mayor resistencia al pandeo.

22 Diagrama esfuerzo-deformación del acero fy: límite de cedencia o fluencia fu: resistencia mínima de agotamiento en tracción o límite de rotura. E: módulo de elasticidad = 2.1E6 kgf/cm2 Coeficiente de Poisson: = 0.3 Peso unitario = = 7850 kgf/m3 Coeficiente de dilatación térmica =11.7E-6/ C

23 Diagrama esfuerzo-deformación del acero Las propiedades mecánicas de los aceros, cuyo conocimiento es fundamental para el diseño estructural, son determinadas por ensayos de tracción cuyos resultados se marcan en un diagrama denominado Diagrama esfuerzo-deformación del acero

24 Algunas especificaciones de diseño Las especificaciones americanas más conocidas para el diseño de estructuras metálicas: 1) American Institute of Steel Construction (AISC) 2) American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) 3) American Railway Engineering Association (AREA) 4) American Iron and Steel Institute (AISI) 5) NORMA VENEZOLANA Estructuras de Acero para Edificaciones método de los Estados Límites (1ra Revisión) COVENIN 1618:1998 Articulado y Comentario

25 Métodos de diseño Se conocen dos métodos para el diseño de estructuras de acero. Hasta el año 1986 el método comúnmente usado era el ASD (método de los esfuerzos admisibles), el AISC se basaba en este método. Posteriormente, a partir de 1986, el AISC introdujo el nuevo método un nuevo método, LRFD (método por factor de carga y resistencia). La Norma venezolana COVENIN - MINDUR Estructuras de Acero para Edificaciones. Proyecto, Fabricación y Construcción, se basan en el método de Diseño del Esfuerzo Admisible (ASD), a diferencia de la Norma venezolana COVENIN-MINDUR (1era revisión) Estructuras de acero para Edificaciones. Método de los Estados Límites, el cual se basa en el uso del método del Factor de Carga y Resistencia (LRFD).

26 Las estructuras de acero pueden llegar a fallar si se incurre en errores de diseño. Después del sismo Antes del sismo

27 Las estructuras de acero pueden llegar a fallar si se incurre en errores de diseño y/o de construcción Estructura de techo de la cancha de usos múltiples del Barrio Hacienda del Medio foto: 09 de junio de 2006

28 Puente de Tocoma inicio de construcción: 1938 Inauguración: 01/07/1940 Colapso: 07/11/1940