Introducción al diseño estructural en acero

• Generalidades y conceptos • Historia • Características de la construcción • Ventajas y desventajas

• El acero es un producto refinado del mineral de hierro. • El hierro como elemento químicamente puro no tiene aplicación en la construcción civil.

• El metal que comúnmente llamamos hierro se obtiene técnicamente mediante la reducción del mineral de hierro en altos hornos y se encuentra en combinación con un elevado contenido de carbono y otros aditivos.

• Se denomina acero a todas aquellas aleaciones del hierro con un porcentaje de carbono menor a 1,7% en peso.

• El

acero estructural

tiene un contenido de carbono que oscila entre 0,1% y 0,3% • El carbono es el elemento de mayor influencia en las propiedades mecánicas del acero. A mayor porcentaje aumenta la dureza y la resistencia, pero el acero resultante es más frágil y se reduce su soldabilidad.

Historia

Hierro Colado y Forjado

:

Se utilizó básicamente para la confección de herramientas (Año 4000 A.C.) En 1779 se construyó el puente de Coalbrookdale. (Hierro Fundido) En 1783 se inicia la producción comercial de perfiles de Hierro Forjado Placas planas que pueden doblarse y unirse mediante remaches Locomotora de Vapor Puentes metálicos de gran claro

Historia Hierro Colado y Forjado:

En 1850 se culmina el Brittania Bridge (Hierro Forjado) 1856  Convertidor Bessemer 1867  Horno Abierto Acero Estructural En 1874 se terminó de construir el puente Eads sobre el río Mississippi construido completamente en acero estructural.

Puente de Coalbrookdale

:

Historia

Puente de Coalbrookdale

:

Historia

Brittania Bridge

:

Historia

Historia

Brittania Bridge (Sección en cajón)

: Planchas y perfiles unidos mediante remaches

Puente Eads

:

Historia

Puente Eads

:

Historia

Puente Eads

:

Historia

Viaducto Millau

:

Torre Eiffel

:

WORLD TRADE CENTER, New York

Gelserkirschen Stadio 2006

:

Jin Mao Tower, en Shangaï, 88 pisos, 421 m

:

Bremen Stadium, 2005

Sears Tower, en Chicago, 443 m

Estación de trenes en Sidney, Australia: 2000

BOEING TOWER, Seattle

El Taipei 10, en Taïwan, culminado en el 2004, 508 m.

Características de la construcción en acero

La construcción en acero abarca un amplio campo de aplicación en puentes, edificios, galpones industriales, torres, grúas, tanques de almacenamiento, obras hidráulicas y portuarias, antenas, estructura de barcos, entre otras.

Aplicación Construcción de puentes Desarrollo tecnológico Avance del cálculo estructural: teoría de la elasticidad y técnica de las soldaduras Construcción de puentes ferrocarrileros y grúas Chimeneas de acero, torres de alta tensión y antenas Investigación de la resistencia del material a la fatiga Estudio de la dinámica de las construcciones Construcción de tanques de almacenamiento y reactores Construcción de edificios Estudio de las propiedades de los materiales. Desarrollo de aceros inoxidables y aceros a prueba de altas temperaturas Desarrollo de las técnicas de construcción en serie, ingeniería de detalle, seguridad contra-incendio y cálculo de estructuras según los estados límites

• Estructuras Aporticadas: edificios, torres, puentes, galpones.

• Cáscaras y membranas: estanques, silos, calderas, cascos de barco.

Los adelantos desarrollados en alguna aplicación se reflejaron en otras. El campo de utilización del acero está determinado por sus características específicas, economía, tiempo de construcción, pero también por razones arquitectónicas y de tradición.

El acero es un material prácticamente isotrópico y homogéneo, de calidad constante. Así, es posible reducir los factores de seguridad que están condicionados con una fabricación deficiente del material de construcción.

El acero posee un índice de eficiencia (relación: capacidad de carga útil / peso propio) muy favorable, ya que tiene una alta resistencia de grado constante y un elevado Módulo de Elasticidad y Ductilidad. Esto hace al acero especialmente apropiado para estructuras de grandes luces y bajo peso propio.

Las estructuras de acero permiten predecir con mucha exactitud el estado de sus esfuerzos internos, con lo cual se cumplen las premisas del cálculo estructural, pudiéndose ajustar las secciones de los elementos estructurales a los requerimientos previsibles, lo cual redunda favorablemente en la economía de la obra.

Comparación de Resistencia en kgf por cm 2

Concreto Armado: (sólo compresión) 180 kgf/cm 2 – 250 kgf/cm 2 (normal) 350 kgf/cm 2 (Alta Resistencia) 600 kgf/cm 2 (Concreto especial) Acero Estructural: 3515 2530 kgf/cm 2 (perfiles laminados) kgf/cm 2 (ángulos - perfiles CONDUVEN) 10.000 kgf/cm 2 (Guayas – Cables (Tensores))

Ventajas: Desventajas:

 Mayor resistencia unitaria  Miembros más esbeltos  Menor Peso Global  Fundaciones más pequeñas  Amplia gama de secciones disponibles en el mercado  Rapidez de montaje (menor costo por financiamiento – rapidez de entrega)  Puede llegar a tener menor precio total  Mayor peso por m 3 - mayor costo por m 3  Sensible a la corrosión (costo de revestimiento y protección)  Alto nivel de detalles en proyecto  Mano de obra especializada  Perfiles en tamaños estándar (problemas con el transporte y los porcentajes de desperdicio)  Requiere mayor planificación de obra.

Diseño estructural en acero

• Propiedades • Perfiles normalizados • Métodos de diseño y cálculo • Factores de Carga y Resistencia

Propiedades físicas • Estructura cristalina

Cristal cúbico de malla centrada Cristal cúbico de cara centrada

Propiedades físicas Propiedades metálicas características: • buena ductilidad (o maleabilidad).

• conductividad térmica elevada.

• conductividad eléctrica elevada.

• brillo metálico.

Propiedades físicas

Resistencia a la Corrosión • Corrosión: pérdida de sección debido a reacciones químicas o electroquímicas con el medioambiente.

• La resistencia depende de la composición química

Propiedades físicas

Ensayo a tracción

Propiedades físicas

Curva idealizada del Acero estructural (ensayo de tracción) Acero Dúctil

s (esfuerzo) Meseta de Fluencia Fu Estrición y Falla Fy Endurecimiento E = m Zona elástica Ley de Hooke e (deformación unitaria)

Propiedades físicas

Curva del Acero de alta resistencia (ensayo de tracción)

s (esfuerzo) Resistencia a la Tensión,

Fu

Resistencia a la Fluencia,

Fy

Límite Elástico E Zona elástica Ley de Hooke Deformación Unitaria residual (0,002) e (deformación unitaria)

Propiedades físicas • Módulo de Young (Elasticidad) E = 200000 Mpa (2

x

10

6

kg/cm

2

) • Modulo de Poisson

– Elástico n = 0.3 (aumento de volumen) – Plástico n = 0.5 (volumen constante)

Propiedades físicas Factores influyentes en las propiedades del acero • Composición química • Envejecimiento • Temperatura

Tipos de acero por composición química

•

Aceros al carbono

• • Contienen diversas cantidades de C y menos del 1,65% de Mn, el 0,60% de Si y el 0,60% de Cu. Ejemplo: A36

Aceros aleados

Contienen Ni, Mo y otros, además de cantidades mayores de Mn, Si y Cu que los aceros al carbono. Ejemplo: A514

Aceros de baja aleación y alta resistencia

• Contienen cantidades menores de aleación. Tratados para obtener resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Ejemplo: A572.

Aceros inoxidables

Contienen Cr, Ni y otros para resistir oxidación.

Clasificación de los aceros según la ASTM (

American Society for Testing and Materials

) Designación Mínimo punto de fluencia kpsi (kgf/cm 2 ) Resistencia última kpsi (kgf/cm 2 ) A36

Acero Estructural

36 (2530) 58-80 (4081-5630) A501

Tubos estructurales de acero al carbono, laminados

36 (2530) 58 (4081) min A242 y A588

Aceros Estructurales de baja aleación y alta resistencia con punto de fluencia mínimo de 50 ksi en piezas de hasta 4” de espesor

42 (2956) 46 (3237) 50 (3519) A618

Tubos estructurales de baja aleación y alta resistencia, laminados en caliente, soldados y sin costura

A572 A514

Aceros de calidad estructural al columbio-vanadio de baja aleación y alta resistencia Placa de acero de aleación de alta resistencia a la fluencia, templado y tratado, apropiado para soldarse.

50 (3519) 50 (3519) 42 (2956) 50 (3519) 60 (4222) 65 (4574) 90 (6333) 100 (7037) 63 (4433) min 67 (4715) min 70 (4926) min 65 (4574) min 70 (4926) min 60 (4222) min 65 (4574) min 75 (5278) min 80 (5630) min 110-130 (7741-9148) 110-130 (7741-9148)

Factor: Envejecimiento

s

“Strain aging” A Endurecimiento por deformación B Ductilidad después de endurecimiento por deformación y “strain aging”

e

C

Factor: Temperatura

Angulo

Perfiles Estructurales Normalizados Perfiles Laminados

I U Placas Barras

Posibles Combinaciones

Perfiles plegados y soldados

Tubo circular Tubo rectangular

Perfiles plegados (en frío)

ACCIONES Y CARGAS

Se entiende como

carga

a cualquier acción o conjunto de acciones capaz de producir estados tensionales (esfuerzos) en una estructura.

La determinación precisa de las cargas sobre una estructura durante su vida útil es la tarea más importante y difícil que enfrenta un calculista al elaborar un proyecto.

Después que se determinan las cargas es necesario investigar la combinación más desfavorable de ellas que puedan ocurrir en un momento dado.

•Clasificación de las cargas:

Accidentales

: Son acciones que tienen una pequeña probabilidad de ocurrencia, sólo en lapsos breves de tiempo. (sismos, huracanes)

Extraordinarias

: No se consideran que puedan ocurrir. Pueden presentarse en casos excepcionales. (explosiones, incendios)

Permanentes Reológicas Térmicas

: Actúan continuamente y su magnitud es invariable. (peso de los materiales estructurales y no estructurales, empuje estático de líquidos y suelos de carácter estático) : Son producidas por la deformación de los materiales en el transcurso del tiempo por retracción, fluencia y otras causas.

: Son producidas por las deformaciones originadas en cambios de temperatura.

Variables

: Son las que actúan sobre una estructura con una magnitud variable en el tiempo y que se deben a su ocupación y uso habitual. (personas, objetos, vehículos, ascensores, grúas móviles, empujes de líquidos y suelos de carácter periódico)

De agotamiento

: Cargas que conducen al estado límite de agotamiento resistente.

De servicio

: Carga que probabilísticamente se espera que ocurra durante la vida útil de la estructura debido a su ocupación y uso habitual.

Mayorada

: Carga de servicio multiplicada por los factores de mayoración previstos en las normas correspondientes.

Factores de Resistencia

La resistencia minorada de los miembros y conexiones estructurales de acero y la de los sistemas resistentes a sismos para las hipótesis de solicitaciones en las cuales el sismo actúa solo o en combinación con las solicitaciones permanentes y variables, se determinará convirtiendo los tensiones admisibles calculadas según la Norma venezolana COVENIN – MINDUR 1618-82 en resistencias teóricas, multiplicando dichas resistencias teóricas por los factores de minoración de la resistencia teórica

Ø

, dados a continuación:

Tracción:

Cedencia, Ruptura,

Compresión:

Pandeo,

Flexión:

0.75

0.85

Cedencia, Ruptura,

0.9

0.9

0.75

Corte:

Cedencia,

0.9

Ruptura,

0.75

Soldaduras de filete:

0,75 Pernos: 0.75

Torsión:

Cedencia, Pandeo,

0.9

0.9

Soldaduras de penetración:

0.9

para el metal base

0.8

para el metal de soldadura

Aplastamiento:

Sobre el acero,

0.75

Sobre el concreto,

0.6