Nueva tendencia en la normalización del diseño de estructuras de acero Presentación de la nueva norma unificada AISC 360-2010
Historia
Norma de estado límite Para cualquier solicitación o combinación de solicitaciones la norma define una resistencia nominal Rn para cada solicitación o combinación de solicitaciones: LRDF ASD Φ Factor de resistencia (varía con las distintas solicitaciones) Φ Rn Resistencia de diseño Ru Resistencia requerida utilizando combinaciones de carga de LRFD Ru=1,2D+1,6L Ω Factor de seguridad (varía con las distintas solicitaciones) Rn/ Ω Resistencia admisible Ra Resistencia requerida utilizando combinaciones de carga de ASD Ra=D+L La resistencia nominal Rn es la misma para ambos métodos. No aparecen tensiones, se expresa en solicitaciones: fuerzas o momentos nominales
Cargas Se calculan con la norma ASCE 7- «Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures», la cual define estados de carga para diseño en hormigón, madera y acero en edificios (no se aplica a puentes). La última versión de esta norma es del 2010, pero la que define las cargas de viento con un período de retorno similar a la norma UNIT 50-84 es la de ASCE 7-2005. Define 4 categorías de edificios según la siguiente tabla:
Cargas ASCE 2005
Combinaciones de carga LRFD -ASD ASCE7-2005 -LRFD 1. 1,4D 2. 1,2D+1,6L 4. 1,2D+1,6W+L+0,5Lr 6. 0,9D+1,6W ASCE7-2005 - ASD 1. D 3. D+L 5. D+W 6. D+0,75(L+W+Lr) 7. 0,6D+W
Cargas de viento El coeficiente que multiplica las cargas de viento pasó de 1,6 a 1, porque en la ASCE7-2010 se consideran velocidades de viento en el estado límite, correspondientes a un periodo de retorno mayor. Categoría Tiempo de retorno Servicio (2005) Límite (2010) I 25 300 II 50 700 III y IV 100 1700
Calibración Se obtiene el mismo dimensionado por los métodos LRDF y ASD para el caso en que la sobrecarga triplica al peso propio, es decir L=3D. Por ASD R a D L Rn en LRFD R u.2d 1.6L R. 1 n Despejando Rn en ambas ecuaciones 1,2D 1,6L ( D si L 3D 1,2D 1,6.3D L). 6. 4 1,5 4. D.
LRDF vs. ASD LRFD ASD 1,2D 1,6.L.. 1,2 1,6.L D D L 1,5. 1 L D
Organización de la norma Generalidades Requerimientos de diseño Diseño para la estabilidad Diseño de miembros a tensión Diseño de miembros a compresión Diseño de miembros a flexión Diseño de miembros a cortante Diseño de miembros para esfuerzos combinados y torsión Diseño de miembros compuestos Diseño de conexiones
Organización de la norma
Organización de la norma
Solicitaciones Directa de tracción a) Fluencia en sección bruta. b) Fractura en sección neta. Ag- área bruta de la sección Fu- tensión de rotura Pn- esfuerzo nominal de tracción Ae área efectiva Fy- tensión de fluencia En el segundo caso se consideran coeficientes mayores por la forma de falla en estado límite.
Solicitaciones Directa de compresión Pandeo por flexión Siendo Ag-área bruta y Fcr la tensión crítica Tensión crítica Si Si entonces entonces Siendo: E- módulo de elasticidad r-radio de giro de la sección kl-longitud de pandeo Fe-tensión crítica de Euler Esbeltez máxima 200
Solicitaciones Directa de compresión
Solicitaciones Directa de compresión FB flexural buckling TB torsional buckling FTB flexural-torsional buckling LB local buckling
Solicitaciones - Flexión Para secciones cargadas en su plano de simetría. Define el esfuerzo nominal a flexión como el menor de los valores de M n hallados de las verificaciones correspondientes a fluencia y a pandeo lateral-torsional. Fluencia Mn=Mp=FyZx Zx módulos plástico de la sección
Solicitaciones - Flexión
Y- fluencia LTB-pandeo lateral torsional FLB-pandeo local del ala TFY-fluencia del ala a tracción WLB pandeo local del alma LB- pandeo local
Combinación de solicitaciones Miembros con al menos un plano de simetría sometidos a esfuerzos de flexión y carga axial. Diferencia en dos casos: a) Si b) Si Siendo : -Pr, resistencia axial requerida -Mr resistencia a flexión requerida -Pc resistencia axial disponible -Mc resistencia a flexión disponible
Combinación de solicitaciones
Secciones compuestas Se deberán verificar 3 resistencias nominales: Resistencia de la sección de acero Resistencia de la losa de hormigón armado Resistencia de los anclajes M n Fy. As. j V 0,6. F. A. C n y w v Aw área del alma, se calcula como la altura total del perfil por el espesor del alma. Cv coeficiente de cortante en el alma
Análisis y diseño para la estabilidad Se debe considerar: - Los efectos de segundo orden, o sea determinar las solicitaciones teniendo en cuenta la geometría de la estructura deformada. - Las imperfecciones geométricas. - La reducción de las rigideces debida al posible comportamiento inelástico del acero. - Incertidumbres en rigideces y resistencias.
Análisis y diseño para la estabilidad Dada la no linealidad del análisis, los efectos dependientes de las cargas se deben determinar en estado límite. Para ello se siguen dos caminos distintos según el criterio de diseño que se emplee: LRFD Se usan en el diseño las solicitaciones calculadas para las combinaciones de cargas correspondientes al método. ASD Se usan en el diseño las solicitaciones divididas por 1,6 luego de haberlas calculado para las combinaciones de cargas correspondientes al método multiplicadas por 1,6. Para calcular las solicitaciones en base a estas premisas la Norma AISC 2010 preconiza utilizar el denominado Método de Análisis Directo (DAM). Admite otros métodos simplificados, pero con limitaciones en su campo de aplicación.
Método de análisis directo Consiste en calcular las solicitaciones en la estructura teniendo en cuenta las bases indicadas anteriormente. En estructuras no desplazables las columnas tendrán solamente el efecto de segundo orden P δ debido a la deformación entre sus extremos. En el caso de estructuras desplazables aparece además un efecto de segundo orden P Δ debido al desplazamiento relativo de los extremos, que se suma al P δ.
Método de análisis directo Las imperfecciones pueden ser introducidas adoptando las tolerancias de alineaciones de los nudos dentro de las reglas de buena construcción, o las reales imperfecciones, si se conocen. Como alternativa práctica se toma la geometría nominal de la estructura (sin imperfecciones y columnas verticales) y se agregan Cargas Ficticias horizontales en cada piso N i = 0,002αY i Y i es la carga de origen gravitatorio aplicada al nivel i calculadas para la combinación de cargas que corresponda según el método adoptado (LRFD o ASD) α = 1 para LRFD α= 1,6 para ASD. Estas cargas ficticias equivalen a una desviación de la vertical de las columnas de l/500, que es el límite máximo aceptado como buena práctica constructiva.
Método de análisis directo Además se tiene en cuenta una reducción de las rigideces de las barras según el siguiente criterio: 0,8 a todas las barras que contribuyen a la estabilidad de la estructura un factor de reducción adicional τ b para las barras comprimidas: -τb = 1 si αpr/py 0,5 -τ b = 4 αp r /P y (1- αp r /P y ) si αpr/py > 0,5 -α es el anteriormente definido -Pr es la compresión axial requerida según el método (LRFD o ASD) -Py es la resisitenca axial de fluencia a compresión. Este coeficiente τ b tiene en cuenta el módulo de elasticidad tangente cuando la carga requerida supera la mitad de la que hace fluir la totalidad de la sección a compresión.
Método de análisis directo -τb = 1 si αpr/py 0,5 -τ b = 4 αp r /P y (1- αp r /P y ) si αpr/py > 0,5
Método de análisis directo Los requerimientos básicos se tienen en cuenta de la siguiente forma: IMPERFECCIONES GEOMÉTRICAS De las posiciones de los nudos mediante las cargas ficticias o la modelación directa Del miembro sobre la respuesta estructural en la reducción de rigidez 0,8 τ b Del miembro sobre su propia resistencia incluida en la relación resistencia esbeltez REDUCCION DE RIGIDEZ DEBIDA A INELASTICIDAD En la respuesta de la estructura mediante la reducción de rigidez 0,8 τ b En la resistencia del miembro mediante la relación resistencia esbeltez INCERTIDUMBRE EN RESISTENCIAS Y RIGIDECES En la respuesta de la estructura mediante la reducción de rigidez 0,8 τ b En la resistencia del miembro mediante la relación resistencia esbeltez
Método de análisis directo Calculadas las solicitaciones (P, M) de la pieza se procede a su diseño usando las ecuaciones de interacción directa-momento. Se toma la resistencia nominal en compresión centrada como la correspondiente a la esbeltez de la pieza referida a su luz real pues la Norma AISC preconiza abandonar el uso de la luz de pandeo por las dificultades de su real determinación, sobre todo en estructuras desplazables. Para la determinación del momento nominal de la pieza se debe tener en cuenta eventuales riesgos de inestabilidad (v.g. inestabilidad de la forma plana de la flexión).
Bibliografía ANSI/AISC 360-10 Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, June 22, 2010 ASCE 7-05 y ASCE 7 10 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers (2006, 2010) Design Examples Version 14.0 American Institute of Steel Srtuctures, October 2011 Unified Design of Steel Structures, Second Edition, Louis Geschwindner, Wiley, 2012 Steel Structures Design, ASD/LRFD, Alan Williams, McGraw Hill, 2011 Steel Structures, Design and Behavior, Fifth Edition, Charles G. Salmon, John E Johnson, Faris A. Malhas, Pearson-Prentice Hall, 2009 Acero, Diseño Estructural. Manual, Instituto Chileno del Acero, 2008
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