DE ESTRUCTURAS METALICAS

APUNTES DE ESTRUCTURAS METALICAS

UNIDAD 1 CONCEPTOS GENERALES.

1.1) EL ACERO ESTRUCTURAL.1.1.1) PRODUCCION DE ACEROS Y PRODUCTOS DE ACERO.La produccin de perfiles de acero a partir de materiales crudos, puede dividirse en varias fases:a) Fundicin del mineral en altos hornos.b) Fabricacin de acero en hornos de arco elctrico.c) Hornos bsicos de oxigeno.d) Laminado de perfiles en rodillos de laminacin.

ALTOS HORNOS.- El acero esta compuesto en esencia de hierro, adems de pequeas cantidades de carbono y cantidades menores de otros elementos. El hierro en los depsitos naturales aparece principalmente en forma de magnetita (Fe3O4)y hematita (Fe2O3).Este mineral de alto grado contiene alrededor del 50% (o mas) de hierro puro. Las impurezas de la tierra y los rastros de otros elementos constituyen la porcin remanente del mineral.El hierro se extrae del mineral de los altos hornos durante el proceso denominado fundicin.El alto horno consiste en una enorme torre cilndrica con forro de acero. El horno es alimentado por una carga compuesta de mineral de hierro, coque y piedra caliza, en donde el oxido de hierro es reducido a hierro por el carbono (coque). Cuando la piedra caliza se quema, esta acta como fundente que se mezcla con el mineral de tierra y el coque para formar una mezcla fusible llamada escoria.La escoria mucho mas ligera que el hierro, flota en la superficie del hierro fundido en la chimenea. La escoria es extrada cerca de la superficie de la parte superior de la zona de fundicin a travs de un hueco de cenizas.El hierro fundido mas pesado denominado hierro de la primera fundicin, se acumula en el fondo de la chimenea y es extrado peridicamente.Los hornos grandes son capaces de producir entre 8,000 a 10,000 toneladas de hierro de primera fundicin al da. Este material contiene entre el 4% y 5% de carbono y entre 0.1% y 0.5% de fsforo.

HORNO DE ARCO ELECTRICO.- En los Estados Unidos, los aceros estructurales se producen principalmente en hornos de arco elctrico, y brindan el medio mas econmico para la produccin de aceros de alto grado.Los hornos que se utilizan para este propsito tienen capacidades de 20 a 400 toneladas. Tres electrodos de carbono, hasta 2 pies de espesor y 24 pies de largo se extienden a travs del techo y hacen contacto con la carga del metal en la parte baja del horno. Tres de las fases de la corriente alterna que fluyen de un electrodo a la carga metlica y luego al siguiente electrodo, lo produce un intenso calor y un arco elctrico.Estos hornos operan por arriba de los 80,000 KVA, por lo que consumen bastante energa elctrica para la produccin de acero de alta resistencia de buena calidad para la fabricacin de perfiles metlicos utilizados en la construccin de edificios.La carga por lo regular incluye metal de chatarra seleccionada con mucho cuidado, como son pedacera de perfiles metlicos sobrantes de las obras, autos descartados (yonkes), hierro de primera fusin proveniente de altos hornos y pequeas cantidades de cal. Tambin se aaden ingredientes desulfurizantes, desfosforizantes y desoxidantes en cantidades indicadas mediante un anlisis del material.Bajo el intenso calor de los arcos, estos materiales junto con las impurezas del metal, forman la escoria que flota, y en el fondo queda el acero puro. El acero fundido es vertido en ollas de colado mediante vertedores de extraccin. Todo el horno esta montado en forma basculante para que pueda ser inclinado y permita fluir el acero en estado liquido por el vertedero.El tiempo requerido para el refinamiento del acero en el horno elctrico, varia de dos a cinco horas. Al final del refinamiento del acero, se le aade elementos de aleacin como manganeso, vanadio, colombio, y desoxidantes, como silicn y aluminio. El tipo y la cantidad de elementos de aleacin determinan la calidad del acero estructural.Los desoxidantes remueven el oxigeno del acero durante el proceso de vaciado y solidificacin.La eliminacin del oxigeno del metal fundido contribuye para que gran parte del monxido de carbono no se desarrolle durante la solidificacin, que se conoce como abatimiento.El material fundido es colado en lingotes que se almacenan para su posterior laminado.

MOLINOS DE LAMINADO.- los lingotes son laminados por medio de molinos de laminado conocidos como molinos de rodillo o primarios.El laminado consiste en comprimir el lingote de acero entre dos rodillos, los cuales giran a la misma velocidad pero en sentidos opuestos y espaciados; de esta manera la distancia entre ellos es uno poco menor al grosor de la pieza de acero que se introduce entre ellos. Los rodillos sujetan el acero, reducen su rea de la seccin y lo entregan con un aumento en su longitud. Despus de algunas pasadas a travs de los rodillos, una pequea parte de los extremos que corresponden a la parte superior e inferior, es cortada para eliminar el acero de bajo grado, que por lo general contiene segregaciones, porosidad o huecos.Los productos semiterminados despus de recalentarlos, son enviados a los molinos de laminado de acabado. Las barras son pasadas a travs de laminadoras estructurales para elaborar los perfiles I, WF, ngulos, Tees, PTR, etc.

1.2) CLASIFICACION DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES.La clasificacin de los aceros son los siguientes:ACEROS AL CARBONO.Los aceros al carbono difieren de los aceros de aleacin y de baja aleacin en el que el carbono y el manganeso son los principales elementos de refuerzo.Los aceros al carbono contienen menos del 1.7% C, 1.65% Mn, 0.60% Cu y 0.60% Si. Si se incrementa el porcentaje de carbono, se eleva el esfuerzo de fluencia y la dureza, pero se reduce la ductilidad y se afecta de manera adversa la propiedad de soldabilidad.La soldadura por medio de electrodos especiales es posible solo cuando el contenido de carbono no exceda de 0.30%. el manganeso mejora la resistencia y disminuye la ductilidad. El silicio beneficia la resistencia, pero si se aplica en cantidades excesivas puede hacer que el carbono presente escamas de grafito. El azufre y fosforo tienen efectos perjudiciales sobre la resistencia, en especial la ductilidad y la soldabilidad del acero.Los aceros de alto contenido de carbono tienen las siguientes diferencias:a) baja resistencia a la fluencia.b) Poca resistencia a la corrosin atmosfrica.c) Poca ductilidad de muesca, ya que se vuelve quebradizo a temperaturas ligeramente por debajo de la temperatura ambiente.La clasificacin de los aceros al carbono, son las siguientes:* ASTM A36 ACERO ESTRUCTURAL CON CARBONO.- Hasta hace poco, el acero estructural bsico utilizado mas comnmente en construccin de edificios y puentes ha sido el acero A36. Tiene un contenido mximo de carbono de, que varia de 0.25% a 0.29% dependiendo del espesor, y aun es el material preferido para la elaboracin de perfiles M, S, HP, C, MC, MT, ST, y L, as como de las soleras.El acero A36 tiene un esfuerzo de fluencia de 36 ksi excepto para placas con espesor de mas de 8, para los cuales el esfuerzo de fluencia es de 32 ksi.El esfuerzo ultimo de tensin de este acero varia de 58 ksi a 80 ksi; para clculos de diseo se utiliza el valor mnimo de 58 ksi.

* ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACION (HSLA).- Loa aceros de alta resistencia contienen cantidades moderadas de elementos de aleacin diferentes al carbono, algunos elementos de aleacin son: cromo, colombio, cobre, manganeso, molibdeno, nquel, vanadio y zirconio.El termino acero de baja aleacin se utiliza generalmente para describir aceros cuyo contenido total de elementos de aleacin no excedan del 5% de la composicin total del acero.Los elementos de aleacin mejoran las propiedades mecnicas, las caractersticas de fabricacin y otros atributos del acero.Losa aceros HSLA tienen esfuerzos de fluencia en un rango de 40 ksi a 70 ksi, y algunos aceros de alta resistencia ofrecen una resistencia mejorada a la corrosin.* ACEROS ASTM A572.- Son aceros de vanadio-colombio de baja aleacin y alta resistencia estructural. La especificacin A 572 define cinco grados de aceros HSLA 42, 50, 55, 60 y 65 (en la especificacin ASTM, el termino grado identifica el nivel de esfuerzo de fluencia).El esfuerzo ultimo de tensin de estos aceros corresponde respectivamente, 60, 65, 70, 75 y 80 ksi. Estos aceros se producen para la construccin de edificios y otras estructura, ya sea que se utilice soldadura o tornillo en sus conexiones, excepto para la construccin de puentes.

*ASTM A992.- Esta nueva especificacin cubre solo los perfiles W con el fin de ser utilizados en la construccin de edificios. Tiene valores mnimos especificados de Fy= 50 ksi y Fu=65 ksi. Adems los aceros A992 tienen excelentes caractersticas de ductilidad y soldabilidad.

* ACEROS HSLA RESISTENTES A LA CORROSION.- Aumentan su resistencia a la corrosin atmosfrica, pues desarrollan su propia densidad, dureza y capa de oxido denso, duro que se adhiere con fuerza y tienen color purpura cuando se expone a la intemperie . el oxido apretado o ptina, sella el metal base contra la corrosin futura y por lo tanto acta como capa de pintura.La resistencia a la corrosin atmosfrica de estos aceros es casi el doble que el acero con carbono con cobre, o de cuatro veces del acero con carbono sin cobre.El nquel y el cobre son los principales elementos aadidos al acero HSLA para mejorar la resistencia a la corrosin.

*ACEROS ASTM A588.- Es una acero de intemperie de baja aleacin con punto de fluencia de 50 ksi para espesores de hasta 4. Tambien esta disponible para mayores espesores con menor esfuerzos de fluencia (46 y 42 ksi). Este acero se produce para construccin de estructuras soldadas o atornilladas, su resistencia a la corrosin atmosfrica es cuatro veces mayor al acero A36.

1.3) PROPIEDADES DE LAS SECCIONES.Las propiedades de las secciones son:a) rea de la seccin transversal (plg2) Ab) Peralte (plg) dc) Patn (plg) bfd) Momento de inercia (plg4) Mx, Mye) Modulo de seccin (plg3) Sx, Syf) Radio de giro (plg) rx, ryg) Espesor del patn (plg) tfh) Espesor del alma (plg) tw

MOMENTO DE INERCIA.- Cuando es una seccin compuesta como los perfiles comerciales (a excepcin de las placas y soleras), si se determina con respecto al centro de gravedad de la seccin, la placa del alma se determina su momento de inercia con la formula normal, pero las placas de los patines su momento de inercia se determina por el teorema de los ejes paralelos.

Momento de inercia con respecto al centro de gravedad:

Momento de inercia cuando el centro de gravedad no esta en el centroide la figura:

RADIO DE GIRO.- Se determina por la relacin: ; ;

MODULO DE SECCION.- Se obtiene a partir de las distancias con respecto al centro de gravedad. ; donde: c= distancia del centro de gravedad a la fibra mas alejada a compresin.

1.4) PROPIEDADES FISICAS DE LAS SECCIONES.ESFUERZO.- Se define como la carga axial aplicada, dividida entre la rea de la seccin transversal original de la prueba al inicio de la prueba.

donde:f= esfuerzo (kg/cm2; kips/plg2)T= fuerza axial (kg, kips)A= rea de la seccin transversal (cm2, plg2)

DEFORMACION.- Se define como el alargamiento de la probeta tomada sobre la longitud calibrada.

donde:L= longitud original de la probeta (cm, plg)Lo= longitud final de la probeta despus de la prueba (cm, plg)= deformacin de la probeta (cm, plg)

MODULO DE ELASTICIDAD O MODULO DE YOUNG (E).- Es la representacin de la grafica de la pendiente esfuerzo-deformacin de la regin elstica.

El modulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material en el dominio elstico.Para los aceros estructurales el modulo de elasticidad difcilmente varia y es prcticamente constante. Un valor de 29,000 ksi o 2 x106 kg/cm2, se utiliza en los calculo de diseo para todos los grados de aceros estructurales.

ESFUERZO DE FLUENCIA (Fy).- En la actualidad los aceros estructurales estn disponibles con esfuerzos de fluencia de 32 ksi a 150 ksi.Los esfuerzos caractersticos del acero estructural, como el limite de proporcionalidad, el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo ultimo para las pruebas de compresin, tienen aproximadamente los mismos valores que aquellos para la prueba de tensin.

DUCTILIDAD.- Es la capacidad de un material para ser sometido a gran deformacin sin quebrarse. Una medida de ductilidad es el porcentaje de elongacin de la longitud calibrada de una probeta durante la prueba de tensin.

RAZON DE POISSON ().- Se ha demostrado experimentalmente que si una barra es alargada por tensin axial, hay una reduccin simultanea de las dimensiones transversales. Para esfuerzos por debajo del limite de proporcionalidad, la razn de las deformaciones en direccin transversal y longitudinal es una constante conocida como:

MODULO DE ELASTICIDAD POR CORTANTE (G).- El modulo de elasticidad por cortante o modulo de rigidez por cortante, es la razn entre el esfuerzo cortante y la deformacin unitaria cortante, dentro del limite elstico y se designa con la letra G. Para aceros estructurales, los valores medidos para G varan de 11,500 ksi a 12,000 ksi. Un valor conservador seria de 11,200 ksi.

1.5) MIEMBROS ESTRUCTURALES.Se tratara de identificar los miembros bsicos, las formas en que pudieran armarse para formar el esqueleto de una estructura y las funciones que tienen, y que se deben conocer como requerimiento previo para un buen diseo.La finalidad es describir diversas formas estructurales fundamentales de las construcciones y las maneras en que a menudo se definen dentro de los tipos comunes de edificios mediante bocetos, croquis o planos estructurales.Se comentara con brevedad el comportamiento de estas formas estructurales para proporcionar la informacin que ayuda en la seleccin preliminar, en el anlisis y en el diseo de miembros y sistemas estructurales de acero.Se debe tener un concepto claro sobre la manera en que tienen lugar la transferencia de cargas verticales y horizontales que actan sobre la estructura desde los puntos de aplicacin hasta llegar al suelo de cimentacin.

1.6) CLASIFICACION DE MIEMBROS Y ESTRUCTURAS.1.6.1) ESTRUCTURAS PARA EDIFICIOS:a) Residenciales.b) Comerciales.c) Ensamblado (maquiladoras).d) Institucionales.e) Almacenamiento. f) Industriales.

1.6.2) PUENTES:a) Peatonales.b) Carreteros.c) Vas frreas.

1.6.3) TORRES:a) Radio y televisin.b) Transmisin de electricidad (C.F.E.)c) Alumbrado publico (luminarias y semforos).

1.6.4) ALMACENAMIENTO:a) Depsitos de agua.b) Basureros.c) Silos para granos.d) Tanques de presin.

1.6.5) ESPECIALES:a) Radio telescopios.b) Platos para rastreo de satlites.c) Marcos para minas.d) Tuberas a presin.e) Plataformas marinas.

MARCO RIGIDO.- Un marco puede definirse como una estructura compuesta de dos a mas miembros que se unen mediante conexiones, algunas de las cuales, o todas ellas, son resistentes a momentos para formar una configuracin rgida.

TIPOS DE MARCOS RIGIDOS MAS COMUNES

CONEXIONES RIGIDAS.- Tienen la capacidad de trasmitir, tanto momento flexionante, como fuerza cortante de un miembro a otro a travs de las conexiones.

CONEXIONES SEMIRRIGIDAS.- En este tipo de conexin hay una rotacin relativa entre el extremo de la viga y la unin a la que esta conectada, y el momento transmitido por la conexin es una funcin conocida y depende de esta rotacin de la conexin. Comparadas con las conexiones rgidas, las conexiones semirrgidas son mas fciles de fabricar y montar, as como las de mas costo bajo. Sin embargo las conexiones semirrgidas pueden utilizarse solo cuando las propiedades momento-rotacin de la conexin se consideran de manera explicita en el anlisis y diseo. As mismo, con frecuencia, su ductilidad limita su uso para edificios de baja altura.

CONEXIONES SIMPLES.- En ocasiones los elementos de la conexin son tan flexibles que trasmiten solo momentos insignificantes a travs de la conexin, y a estos se les conoce como conexiones simples.En los apoyos, las columnas descansan sobre una placa de acero rectangular conocida como placas base, la cual esta conectada a una zapata por medio de anclas. La base de las columnas pueden ser articuladas o empotradas. Si se considera que las columnas estn fijas en sus bases metlicas, el anclaje, incluyendo las anclas y sus conexiones, deben ser lo suficientemente fuertes para resistir los momentos flexionantes en las bases de las columnas.

TIPOS DE CONEXIONES

REPRESENTACION ESQUEMATICA DE LAS CONEXIONES EN LOS MARCOS RIGIDOS

Cuando se analizan y disean marcos rectangulares, resulta til clasificarlos en dos categoras: contraventeados y no contraventeados. En las figura anteriores se muestra dos ejemplos, un marco rgido arriostrado y el otro marco rgido sin arriostrar, sometidos ambos a carga vertical y carga lateral. Tambin en las mismas figuras se muestra las configuraciones deformadas de los marcos (sealadas con lnea punteada y dibujadas a una escala exagerada).En los marcos contraventeados (marcos arriostrados) sometidos a carga vertical y lateral, las uniones giran pero permanecen prcticamente en el mismo lugar. Por lo tanto, no hay traslacin relativa de los extremos de la columna cunado el marco cunado el marco esta sometidos a carga lateral.En los marcos no contraventeados (marcos sin arriostrar) sometidos a carga vertical y carga lateral, las uniones estn libres de trasladarse de forma horizontal adems de la rotacin. La traslacin relativa del extremo superior de la columna respecto de su extremo inferior , se conoce como desviacin o desplazamiento lateral o simplemente desplazamiento. Y se denota con el smbolo . La relacin /h, donde h es igual a la altura de la columnas, se conoce como ndice de desplazamiento.

ARMADURAS.- La armadura es un conjunto de elementos lineales arreglados en forma de triangulo, o combinaciones de tringulos, para dar lugar a una estructura rgida y plana.A continuacin se dan dos ejemplos de armaduras tipo.

Las armaduras tipo Pratt y Warren, son las configuraciones mas utilizadas para la fabricacin de armaduras para cubiertas y entrepisos, ya que son mas sencillas de construirse.El miembro superior horizontal de la armadura se llama cuerda superior, el miembro inferior horizontal se llama cuerda inferior, y los miembros verticales y diagonales se llaman montantes verticales y montantes diagonales, respectivamente.Las armaduras de acero se fabrican de tal manera que los ejes centroidales de todos los miembros que confluyen en cualquier unin, tengan el mismo punto comn de interseccin. Mas an , los miembros y apoyos por lo regular, se disponen de tal manera que todas las cargas y reacciones ocurran solamente en las uniones, y que la lnea de accin de la carga aplicada en la unin tambin pase a travs de ese punto comn de interseccin.CONEXIONES TIPO EN MIEMBROS DE UNA ARMADURA

La forma usual de un sistema de apoyo estticamente determinado de una armadura es mediante el uso de u soporte articulado en uno de los extremos (el cual permite la rotacin de la unin conforme la armadura se deforma bajo la accin de la carga) y un soporte de rodillo en el otro extremo (el cual permite a la armadura contraerse o expandirse, y tambin permite que rote la unin en ese extremo).Una armadura bajo la accin de las cargas se comporta igual que una viga I, resistiendo los momentos flexionantes en las cuerdas superior e inferior (como los patines de la viga), y los montantes verticales y diagonales soportan los cortantes (como la alma de la viga). Segn estas suposiciones, los miembros de las armaduras estn sujetos a las fuerzas internas de tensin y compresin.En las conexiones de las armaduras rara vez estn articuladas; en realidad estn atornilladas o mas comnmente en la actualidad, estn soldadas.Cuando se utilizan conexiones atornilladas, se requiere de una placa de conexin para hacer la conexin en el nodo, y cuando se usa cordones de soldadura, los miembros verticales y diagonales se hacer coincidir sus lneas de accin a un solo punto, de tal manera que estos miembros se soldn a la cuerda superior e inferior. Para ello se debe determinar la longitud de los cordones de soldadura que se debern utilizar para evitar un desgarramiento por falta de cordn de soldadura.Aunque a veces por procedimiento constructivo o porque se requiere reforzar las uniones (nodos) soldadas, se utilizan placas de conexin que se coloca entre las cuerdas superior e inferior, y posteriormente se soldn a esta placa los elementos verticales y diagonales.16

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