Diseño en Acero

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Introducción
TIPOS DE ESTRUCTURAS
El ingeniero estructural se ocupa del diseño de una variedad de estructuras que
incluyen, pero que no necesariamente se limitan, a las siguientes:
Puentes: Para ferrocarriles, carreteros, y de peatones.
Edificios: Que incluyen estructuras dé marco rígido, marcos simplemente
conectados, muros de carga, soportados por cables, y en voladizo. Se pueden
considerar o usar numerosos esquemas de' soporte lateral, como armaduras,
simples y alternadas, y un núcleo central rígido. Además, se pueden clasificar
los edificios según su empleo o altura como edificios de oficinas, industriales,
fábricas, rascacielos, etc.
Otras estructuras: Incluyen torres para transmisión de potencia, torres para
instalaciones de radar y TV, torres de transmisión telefónica, servicios de
suministro de agua, y servicios de terminales
Aceros Estructurales
(De acuerdo a la American Society of Testing Materials ASMT)
Aceros generales (A-36)
Aceros estructurales de carbono (A-529)
-b.1 Bajo contenido de carbono (<0.15 %)
-b.2 Dulce al carbono (0.15 – 0.29 %)
-b.3 Medio al carbono (0.30 – 0.59 %)
-b.4 Alto contenido de carbono (0.6 – 1.7 %)
Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (Mo, V y Cr), (A-441 y A572) aleación al 5 %.
Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión
atmosférica (A-242, A-588).
Acero templado y revenido (A-514).
Designación ASTM
Acero
A-36 NOM B-254
Al carbono
A-529 NOM B-99
Al carbono
A-441 NOM B-284
Formas
Usos
Puentes, edificios
estructurales en gral.
Perfiles, barras y placas
36 e < 8" 32 e > 8"
Atornillados,
remachados y soldados
Perfiles y placas
e< ½"
Igual al A-36
Perfiles, placas y barras Igual al A-36
e< 4"
Tanques
Al magneso, vanadio de
alta resistencia y baja
aleación
58 – 80
42 60-85
60-70
Construcciones
atornilladas, remaches.
Perfiles, placas y barras
No en puentes
42-65
e< 4"
soldados cuando Fy>
55 ksi
60-80
Alta resistencia y baja
aleación
A-242 NOM B-282
Construcciones
Alta resistencia, baja
Perfiles, placas y barras soldadas, atornillada,
aleación y resistente a
e< 4"
técnica especial de
la corrosión atmosférica
soldadura
Templados y revenidos
Fu min tensión ksi
40-50
A-572 NOM B
A-514
Fy min Ksi
Placas
e< 4"
42-50
Construcciones soldada
especialmente. No se
90-100
usa si se requiere gran
ductilidad
63-70
100-150
Designación
ASTM
A-53 NOM
B-177
Usos
Tubo de acero con o sin costura negros y galvanizados por inmersión en caliente.
A-500 NOM Tubo de acero para usos estructurales formados en frío con o sin costura de sección circular y otras
B-199
formas.
A-501 NOM
B-200
Tubo de acero al carbono con o sin costura formado en caliente para uso estructural.
A-606 NOM
B-277
Lámina de acero de baja aleación y alta resistencia. Laminada en caliente o en frío, resistente a la
corrosión.
A-570 NOM
B-347
Lámina de acero al carbono laminada en caliente para uso estructural.
A-27 NOM
B-353
Piezas coladas de acero de alta resistencia.
A-668
Forjados de acero al carbono y de aleación para uso industrial general.
1. Métodos de Análisis.
Existen dos métodos de análisis y son los siguientes:
a. El método ASD (Allowable Stress Design), se diseña de manera
tal que las tensiones calculadas por efectos de las cargas de
servicio no superen los valores máximos en las especificaciones,
es decir que se trabaja en función de las tensiones admisibles,
donde estas son una fracción de las tensiones cedentes del
material, ya que por basarse en el análisis elástico de las
estructuras, los elementos deben ser diseñados para comportarse
elásticamente.
b. El método de Load and Resistance Factor Design (LRFD)
emplea como criterios de análisis y diseño los de la teoría plástica
o una combinación de análisis y diseño plástico. En este caso,
basado en estados límites, hay consistencia con el método de
diseño para concreto reforzado ACI-318, que emplea
procedimientos probabilísticos y provee un nivel más uniforme
de confiabilidad.
Elementos en tracción
La resistencia de diseño está asociada a dos posibles estados límites: fluencia en el
área bruta y fractura en el área neta efectiva. Como parte del método LRFD se
define la resistencia de diseño como el resultado de multiplicar la resistencia
nominal por un factor que tiende a castigar la resistencia a la tracción. En el
método ASD se define la resistencia admisible en tracción dividiendo la resistencia
nominal por un factor de seguridad.
En ambos, la resistencia del elemento es el menor valor obtenido al considerar los
dos estados límites.
Elementos en compresión
El diseño de secciones simétricas bajo esfuerzos de compresión requiere algunas
consideraciones del estado límite de pandeo por flexión, asociado a la carga crítica
de pandeo correspondiente. En ambas metodologías (ASD y LRFD), las columnas
han sido tradicionalmente diseñadas tomando como límite la carga crítica de
pandeo, elástico para el ASD o inelástico para el LRFD.
Elementos en flexión
El diseño de elementos en flexión considera cuatro estados límites: fluencia,
pandeo local del ala, pandeo local del alma y pandeo lateral en torsión, estos
estados límites siempre estuvieron presentes en la especificación ASD, por lo
tanto no se producen grandes cambios.
Estado límite de fluencia
Controla el diseño de elementos compactos, cuya ala comprimida está
suficientemente arriostrada para evitar el volcamiento. La resistencia nominal se
presenta asociada a un momento plástico.
En las versiones anteriores del formato ASD, la razón de módulos se tomaba
conservadoramente igual a 1.1, con lo cual resulta para secciones compactas una
tensión admisible de Fb = 0.66 Fy.
La disposición ASD 2005 coincide con las anteriores en el estado límite de
fluencia. Sin embargo, la especificación actual permite al diseñador aprovechar la
verdadera relación de módulos que permite llegar a resistencias hasta un 20%
mayores (~0.80Fy). En el caso del método LRFD, no se han producido cambios
en las disposiciones actuales para definir el estado límite de fluencia con respecto
de la especificación de 1999.
Estado límite de volcamiento
La ecuación que expresa la capacidad nominal de una viga sometida a momento,
con soportes laterales entre los límites Lp y Lr, es una línea recta.
Para vigas con soportes laterales a distancias mayores que Lr, se usa una ecuación
de pandeo elástico. La especificación 2005 describe la resistencia de una viga no
arriostrada mediante tres ecuaciones, cada una con su propio intervalo de
aplicabilidad.
Este es un cambio con respecto de la especificación anterior, la cual requería de
cinco ecuaciones, que en algunos casos debían ser primero evaluadas para
después elegir el mayor valor calculado, por lo que la nueva norma da valores
mayores que los obtenidos usando la anterior. Por su parte, las versiones LRFD
1999 y 2005 dan valores muy próximos, excepto que las expresiones de las
ecuaciones para pandeo elástico hayan sido modificadas en su presentación.
Adicionalmente, en la especificación 2005, todas las disposiciones de flexión han
sido circunscritas a un mismo capítulo, con la sola excepción de una sección
específica destinada a la determinación de la esbeltez de los elementos planos
componentes de la sección.
Esfuerzo de corte
Las disposiciones para esfuerzo de corte en secciones de ala ancha y secciones armadas,
considerando o no el efecto del campo de tracciones, se unificaron de forma tal que la
resistencia al esfuerzo de corte de una sección W laminada en la especificación 2005
resulta ser la misma que se usaba en la especificación ASD 1989. En términos de tensión
admisible, da un valor para el esfuerzo de corte de 0.4 Fy, lo que se traduce en un leve
aumento en la resistencia LRFD 2005 respecto de las disposiciones LRFD 1999.
Las resistencias a la compresión y la flexión se determinan considerando que cada
solicitación actúa aisladamente, mediante un análisis de segundo orden (incluido en el
proceso de análisis) o a través del análisis usual de primer orden, a cuyo resultado se le
aplica un factor de amplificación.
En la práctica, cuando una estructura se deforma, las fuerzas internas cambian de
dirección, por lo que se requiere el estudio de una geometría deformada, lo que se conoce
como análisis de segundo orden.
Este efecto ha sido incluido en las especificaciones AISC en 1961. En las ASD 1989 se
amplificaron las tensiones de flexión, en tanto que con el LRFD se combinó el uso de
factores de amplificación. La norma 2005 permite el uso alternativo de varios factores,
según la aproximación que se desee.
Se puede afirmar que la especificación 2005 aumentó las opciones para considerar los
efectos de segundo orden, pues incluye una metodología para la determinación directa de
los efectos de segundo orden. También permite el diseño de todas las vigas columnas
usando el verdadero largo de la columna y un largo efectivo K = 1 cuando se satisface las
otras disposiciones.
Elementos compuestos
El tratamiento de la construcción compuesta representa uno de los cambios más
importantes respecto de las primeras especificaciones ASD, el que refleja el
generado en su filosofía, pues se considera que ASD no requiere una distribución
de tensiones elásticas. Al igual que en las otras disposiciones, se establece una
resistencia nominal de los elementos, a la cual se aplica un factor de seguridad
para obtener los valores admisibles ASD.
A pesar de que por algún tiempo el diseño de estructuras metálicas estuvo
orientándose hacia el método LFRD o de estados límites, las nuevas
disposiciones de la AISC han modificado el método ADS de forma tal que pueda
ser usado indistintamente cualquiera de los dos métodos, dando al diseñador la
libertad de elegir basado en su experiencia.
El siguiente cuadro incluye las opiniones de empresas que están dentro del
mercado de acero, las cuales dan su punto de vista sobre las limitaciones que
enfrenta el diseño y construcción de este producto. Además, de las desventajas
que encuentra en el diseño y construcción empleando el acero con respecto al
tradicional concreto.
TIPOS DE CARGAS
Cargas muertas
Cargas vivas
Cargas accidentales
CARGAS MUERTAS
Son aquellas cuya magnitud y posición, permanecen prácticamente constantes
durante la vida útil de la estructura.
Peso propio.
Instalaciones.
Empujes de rellenos definitivos.
Cargas debidas a deformaciones permanentes
CARGAS VIVAS
Son cargas variables en magnitud y posición debidas al funcionamiento propio de
la estructura.
Personal.
Mobiliario.
Empujes de cargas de almacenes.
Estas cargas se especifican como uniformemente repartidas por unidad de área en
el ANSI y otros códigos como el RCDF-87 título 6.
Cargas vivas máximas para diseño por carga gravitacional (combinación común).
Cargas vivas medias para diseño por estado límite de servicio.
Cargas vivas instantáneas para diseño por combinación accidental.
CARGAS ACCIDENTALES:
VIENTO: Estas cargas dependen de la ubicación de la estructura, de su altura, del
área expuesta y de la posición. Las cargas de viento se manifiestan como presiones
y succiones.
En general ni se especifican normas de diseño para el efecto de huracanes o
tornados, debido a que se considera incosteable el diseño contra estos efectos; sin
embargo, se sabe que el detallado cuidadoso del refuerzo, y la unión de refuerzos
en los sistemas de piso con muros mejora notablemente su comportamiento.
SISMO: Estas cargas inducidas en las estructuras están en relación a su masa y
elevación a partir del suelo; así como de las aceleraciones del terreno y de la
capacidad de la estructura para disipar energía; estas cargas se pueden determinar
como fuerzas estáticas horizontales aplicadas a las masas de la estructura, aunque
en ocasiones debido a la altura de los edificios o esbeltez se hace necesario un
análisis dinámico para determinar las fuerzas máximas a que estará sometida la
estructura.

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