NSR-09 ESTRUCTURAS DE ACERO CON PERFILES LAMINADOS, ARMADOS Y TUBULARES ESTRUCTURALES

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NSR-09 TITULO F ESTRUCTURAS METALICAS

Capítulos

F.1: Requisitos Generales F.2: Estructuras de acero con Perfiles Laminados, Armados y Tubulares Estructurales F.3: Provisiones Sísmicas F.4: Estructuras de Acero con Perfiles en Lámina Formada en Frío F.5: Aluminio Estructural

CAPITULO F.2

Estructuras de Acero con Perfiles Laminados, Perfiles Armados y Perfiles Tubulares Estructurales

Antecedentes NSR-98 AISC-ASD 1.989

AISC-LRFD 1.993

RESISTENCIA NOMINAL R n Propiedades mecánicas del material.

Dimensiones de la sección transversal.

Esfuerzos residuales.

Desviaciones de rectitud.

Imperfecciones de construcción y montaje.

Deterioro por corrosión.

Variaciones en procedimientos de montaje.

Cambio de uso.

S γ Q

Simplificaciones del análisis.

Dimensiones de construcción.

Magnitud de las cargas.

EFECTO DE LAS CARGAS NOMINALES ∑Q i

Nueva Edición AISC-LRFD 1999 (2ª edición Manual) AISC-ASD 1.989

AISC-LRFD 1.999

ANSI/AISC 360-05 LRFD/ASD

Nueva Edición ANSI/AISC 360

Actualmente en discusión Pública Mantiene formato dual ASD/LRFD de ANSI/AISC 360-05

Problema General de Seguridad Estructural

Distribución de frecuencias para los efectos de las cargas (Q) y la Resistencia (R)

Condición “segura”

R ≥ Q

 

R/Q ≥ 1 ln(R/Q) ≥ 0

Distribución de frecuencias para pares Resistencia (R) - Carga (Q)

Distribución de frecuencias para pares Resistencia (R) - Carga (Q) β: índice de seguridad o índice de confiabilidad R elación entre el valor medio y la desviación estándar para la distribución de frecuencias de ln(R/Q)

SEGURIDAD ESTRUCTURAL Concepto de Factor de Seguridad en ASD: Si se considera que la carga aplicada puede incrementarse en un 40% y la resistencia puede reducirse en un 15%: R-0.15R

≥

Q+0.40Q => R/Q

≥

1.65

SEGURIDAD ESTRUCTURAL Concepto de Factor de Seguridad en ASD • Se aplica el mismo factor a la carga muerta y a la carga viva • Resulta una considerable variación en los valores de β

SEGURIDAD ESTRUCTURAL Concepto de Factor de Seguridad en ASD Ejemplo: Para vigas en perfiles laminados compactos fluencia en miembros a tensión: • β = 3.1 para L/D = 0.5

• β = 2.4 para L/D = 4.0

SEGURIDAD ESTRUCTURAL La variación en el valor de β inherente a ASD se reduce sustancialmente en LRFD mediante la definición de unos valores objetivo de β y la selección de factores de carga y de resistencia apropiados para lograr dichos valores.

SEGURIDAD ESTRUCTURAL - LRFD • LRFD calibrado a ASD para L/D = 3.0 para flexión en vigas compactas y fluencia en miembros a tensión • Factor de resistencia para estos estados límite:

φ = 0.90

• Valores de

β β = 2.6

implícitos: para miembros

β = 4.0

para conexiones

Formato ANSI-AISC 360-05 • ASD/LRFD • Los mismos Estados Límite • Se parte de la misma Resistencia Nominal

Formato ANSI-AISC 360-05

Formato ANSI-AISC 360-05 • Condición de diseño: En LRFD: øR n ≥ 1.2D + 1.6L

En ASD: R n /Ω ≥ D + L • Para R n (LRFD) = R n (ASD): (1.2D + 1.6L)/ø = (D + L)Ω Ω.ø = (1.2D + 1.6L)/(D + L)

Formato ANSI-AISC 360-05 • LRFD calibrado a ASD para: L/D = 3.0

• Lo que equivale a:

Ω.ø = 1.5

øRn /(Rn/ Ω) = 1.5

Formato ANSI-AISC 360-05 • Esto quiere decir que dos diseños, uno por LRFD y por ASD, requerirán la misma R n (o sea el mismo elemento) para la combinación 1.2D + 1.6L cuando la carga viva sea 3 veces la carga muerta.

Consideraciones ASD

Diseño de Miembros a Tensión Estados Límite: • Fluencia en la sección bruta • Fractura en la sección neta efectiva

Diseño de Miembros a Tensión Limitación de esbeltez, sólo una recomendación: PREFERIBLEMENTE NO SUPERIOR A 300

Diseño de Miembros a Tensión Fluencia sobre el área neta RESISTENCIA NOMINAL: P n = F y .A

g RESISTENCIA DE DISEÑO: Ø R n = Ø t Ø t P n = 0.90

Diseño de Miembros a Tensión Fractura en la sección neta efectiva RESISTENCIA NOMINAL: P n = F u .A

e Ae = U.An

RESISTENCIA DE DISEÑO: Ø R n = Ø t Ø t P n = 0.75

Cálculo del Area Neta

A n = A g – S( d+ D) t+ S( s 2 /(4g )) d: diámetro de la perforación = diámetro del perno + 1.6 mm para perforaciones estándar D =1.6 mm para perforaciones estándar

Diseño de Miembros a Tensión Factor “U” por Rezago de Cortante

Diseño de Miembros a Tensión Desgarramiento en Bloque (Shear Lag)

Diseño de Miembros a Tensión Desgarramiento en Bloque (Block Shear)

Antes de ANSI/AISCE 360-05

• Rotura en líneas a tracción y fluencia en líneas a cortante • Rotura en líneas a cortante y fluencia en líneas a tracción

SE TOMABA EL MAYOR

Diseño de Miembros a Tensión Desgarramiento en Bloque (Block Shear)

Ahora:

Rotura en líneas a tracción más la menor entre: • • Rotura en líneas a cortante Fluencia en líneas a cortante

RESISTENCIA NOMINAL:

R n = U bs F u .A

nt + min { 0.6F

u .A

nv 0.6F

y .A

gv

Diseño de Miembros a Tensión Desgarramiento en Bloque (Block Shear)

Diseño de Miembros a Compresión RESISTENCIA NOMINAL: P n = F cr .A

g RESISTENCIA DE DISEÑO: Ø R n = Ø c Ø c P n = 0.90

(Antes 0.85)

Diseño de Miembros a Compresión Estados Límite • Pandeo Flexional • Pandeo Flexotorsional • Pandeo Local

Diseño de Miembros a Compresión Limitación de esbeltez, sólo una recomendación: PREFERIBLEMENTE NO SUPERIOR A 200

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo Flexional

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo Flexional

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo por Flexo-Torsión

Cálculo de Fe a utilizarse en fórmulas de Pandeo Flexional (no incluye secciones en T, ángulos dobles en T)

De simetría doble y perfiles en Z Con simetría simple, eje de simetría “y ” Asimétrica Mínima raíz de la ecuación:

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo por Flexión o por Flexo-Torsión

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Diseño de Miembros a Compresión Pandeo por Flexo-Torsión

Angulos dobles Espalda con Espalda y Secciones en T

• F cry = F cr de ecuación E3-2 o E3-3, con KL/r = KL/r y eje de simetría) (y:

Angulos Dobles

Espalda con Espalda • • • Tradicional en EEUU Fácil transporte Permite diagonales en ángulo sencillo • • • • • Enfrentados Mayor rigidez en y Fácil manipulación Fácil montaje Menos arriostramiento Fácil pintura

a r

i

r ib α h A i : L b : I b : n: A b : Diseño de Miembros a Compresión Esbeltez Modificada para Ángulos Dobles Distanciados (Ref: Investigación Universidad Nacional – Sede Medellín)

KL r m



KL r

2 0   2 ( 1   2 )    0 .

82  

a r ib

  2  1 .

65

A i aL b I b

 51 .

32

anA L b A b i

   = distancia entre conectores, mm = Radio m í nimo de giro de un componente individual, mm = Radio de giro de un componente individual relativo a su eje centroidal paralelo al eje de pandeo del miembro, mm = Relaci ó n de separaci ó n = h/(2r ib ) = Distancia entre los centroides de los componentes individuales, medida perpendicularmente al eje de pandeo del miembro, mm = area de un á ngulo, mm 2 = longitud del conector medida entre los centroides de los á ngulos, mm = inercia del conector asociada a la flexi ó n en el plano de los dos á ngulos conectados, mm 4 = factor de forma para deformaciones por cortante = 3.33 para conectores en perfil angular = 1.2 para conectores de secci ó n rectangular = 1.11 para conectores circulares á rea del conector, mm 2

Diseño de Miembros a Compresión Se introducen provisiones de diseño para ángulos sencillos a compresión.

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Diseño de Ángulos Sencillos a Compresión Usar ecuaciones de Pandeo Flexional bajo las siguientes condiciones: • La carga es concéntrica, o • se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones: – Miembros conectados por la misma aleta en ambos extremos – Miembros conectados por soldadura o mínimo 2 pernos – No se aplican cargas transversales – Usar esbeltez modificada

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Diseño de Miembros a Compresión Pandeo Local El diseño para secciones con elementos esbeltos queda integrado en el numeral F.2.5

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo Local Las tablas para los límites de b/t para pandeo local aparecen ahora separadas para compresión y para flexión.

Así en las tablas para compresión sólo aparece ahora el límite λ r .

Antes…

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo Local

Ahora.…

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo Local

Diseño de Miembros a Compresión Pandeo por Flexión o por Flexo-Torsión Usar

QFy

en lugar de

Fy

para miembros con elementos esbeltos

Diseño de Miembros a Compresión

Diseño de Miembros a Compresión

Diseño de Miembros a Flexión RESISTENCIA NOMINAL: M n = según estado límite RESISTENCIA DE DISEÑO: Ø R n = Ø b Ø b M n = 0.90

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Diseño de Miembros a Flexión Cambios a destacar: • Se unifica tratamiento para vigas en perfiles laminados y en perfiles ensamblados.

• Provisiones para ángulos sencillos a flexión • Provisiones para Perfiles Tubulares Estructurales (PTE) a flexión • Nuevo tratamiento para aletas a tensión con perforaciones.

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Diseño de Miembros a Flexión Vigas en I de simetría doble y sección compacta Canales de sección compacta Flexión alrededor del eje mayor

Diseño de Miembros a Flexión

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Diseño de Miembros a Flexión

Diseño de Miembros a Cortante Dos métodos para el cálculo de la resistencia: • Sin utilizar la acción del campo tensionado • Utilizando la acción del campo tensionado

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Diseño de Miembros a Cortante

Diseño de Miembros a Flexión y Cortante • Se remueve la distinción para Vigas Ensambladas (Plate Girders) • Se incluyen ángulos sencillos y Perfiles Tubulares Estructurales • Se integran las provisiones para almas no compactas y almas esbeltas • Todas las provisiones para cortante quedan incluidas en el mismo capítulo

Diseño de Secciones Compuestas • Valores revisados para conectores de cortante • Ø b para vigas aumenta de 0.85 a 0.90

• Nuevas provisiones para tensión y cortante • Nuevo enfoque para columnas compuestas • Disminuye Ø c para columnas • Nuevo enfoque para la interacción

Diseño de Conexiones Cambios en especificación ANSI/AISC 360-05 • Se elimina requisito de mínima resistencia de la • • soldadura • Cálculo de resistencia para soldaduras que forman un ángulo con la carga.

• Garganta efectiva para soldaduras acanaladas de penetración parcial.

Cálculo del resistencia al desgarramiento en bloque Destijeres y perforaciones para acceso de soldadura

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Diseño de Conexiones

(antes tamaño mínimo del filete basado en el mayor de los espesores a unir)

Perfiles Tubulares Estructurales (PTE)

• Totalmente reorganizado en ANSI/AISC 360-10, ampliamente ilustrado con esquemas.

Estabilidad

Se deben tener en cuenta los siguientes efectos: • Deformaciones de los miembros • Deformaciones de la estructura • Efectos P – Δ • Efectos P – δ • Imperfecciones Geométricas • Esfuerzos residuales

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Efectos P – Δ

Estabilidad

Efectos P – δ ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA

Estabilidad

El Método de Análisis Directo se convierte en el método básico para el análisis de la estabilidad, sin limitaciones en su aplicación.

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Estabilidad

Como métodos alternativos, sujetos a limitaciones en su aplicabilidad, quedan: • Método de la Longitud Efectiva • Método del Análisis de Primer Orden

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Estabilidad

Método de Análisis Directo • Aplicable a todo tipo de estructuras • Para todos los sistemas – Pórticos arriostrados – Pórticos resistentes a momento – Muros de cortante – Combinaciones de sistemas

Método de Análisis Directo

El método implica: • Cálculo de la resistencia requerida.

• Cálculo de la resistencia disponible.

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Método de Análisis Directo

• Requiere ejecutar un análisis de segundo orden que considere los efectos P – Δ y los efectos P – δ.

• Opciones: – Cualquier método general de análisis de segundo orden.

– Análisis de segundo orden por amplificación de los resultados de un análisis de primer orden (B 1 – B 2 ).

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Método de Análisis Directo

Para tener en cuenta la influencia del comportamiento inelástico en los efectos de segundo orden: • Usar rigidez flexional reducida:

EI* = 0.8τ b EI

• Usar rigidez axial reducida:

EA* = 0.8EA

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Método de Análisis Directo

Aplicar cargas virtuales,

Ni

, donde:

N i = 0.002Y

i Y i

= carga gravitacional total en el piso (correspondiente a un desplome inicial de 1/500)

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Método de Análisis Directo

Una vez obtenidos los resultados de este análisis: • Los miembros se diseñan con base en las provisiones para las respectivas solicitaciones.

• Los miembros a compresión se pueden diseñar con K = 1.0.

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Aseguramiento y control de Calidad

• Antes conjuntamente con Fabricación y Montaje • Ahora en numeral separado, con requerimientos específicos.

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Fabricación y Montaje

Fabricación y Montaje

Fabricación y Montaje

Seis etapas en el desarrollo de un proyecto

….y algunos añaden una séptima etapa: ¡Llegaron los planos!

¡Muchas gracias!

MAURICIO J. CASTRO Ingeniero Civil, Universidad del Cauca M.Sc. Rensselaer Polytechnic Institute Industrias Ceno S.A.

Escuela de Ingeniería de Antioquia