PROLOGO

Aparte del método de Diseño por Esfuerzos Permisibles y el método de Diseño Plástico, el método de Diseño por Factores de Carga y Resistencia (LRFD) es una nueva alternativa para los edificios de acero estructural. En 1986, el AISC edito las primeras especificaciones para el diseño de factores de carga y resistencia de edificios de acero estructural y en 1988 un manual de construcción en acero, denominado (LRFD). La segunda edición del manual LRFD publicada en 1994, contiene las especificaciones AISC de 1993.

Debido a la importancia en la resistencia, economía y estética, ingenieros y arquitectos recurren actualmente al diseño compuesto. El presente trabajo está basado en las Especificaciones del Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) y el manual LRFD ; lo cual se enfoca principalmente al diseño de vigas y columnas compuestas.

Las diversas ecuaciones indicadas y empleadas en los respectivos problemas ilustrativos de los diferentes temas, se han traducido al sistema métrico decimal. Las dimensiones y valores de resistencia se tomaron de acuerdo a las empleadas en nuestro país; a fin de facilitar su aplicación y entendimiento. Se incluye suficiente teoría y diferentes problemas ilustrativos para una mayor información y comprensión, así como también diagramas de flujo para que se pueda entender aún más el proceso del diseño compuesto.

GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL

DISEÑO ESTRUCTURAL

La palabra diseño se refiere al dimensionamiento de los miembros de una estructura después de que se han calculado los elementos mecanicos, ya sea esta de acero estructural, de concreto reforzado y/o compuesto de aceroconcreto, para lo cual se selecionan las secciones transversales adecuadas para que resistan las cargas a que va estar sometida, por lo que el estructurista debe distribuir y proporcionar adecuadamente los miembros estructurales para que puedan montarse facilmente, y tengan la resistencia sufuciente, al igual que sean econòmicas. En consecuencia el estructurista debe garantizar que no se va a caer la estructura diseñada, por lo cual una de las prioridades màs imporatntes del estructurista es la seguridad ya que la estructura debe soportar no solo las cargas a que va estar sometida, si no tambièn debe de soportar los estados limite de servicio, es decir debe considerar que los desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños no sean excesivos, para que no puedan perjudicar su capacidad para soportar las cargas de la estructura. Para hacer un buen diseño se requiere la evaluaciòn de varias alternativas de estructuraciòn de los miembros y de sus conexiones, por lo que se deven hacer varios diseños para poder abatir costos, tanto en la estructuraciòn como en la construciòn sin sacrificar la resistencia de la misma. Otra prioridad del estructurista es la factibilidad, ya que en el diseño de los miembros se debe ver que se puedan fabricarse y montarse sin que haya problemas, por lo que el estructurista debe adaptar sus diseños a los mètodos de fabricaciòn y a los materiales e instalaciones disponibles.Para poder selecionar y evaluar el sistema estructural en una forma global, el estructurista debe de tener un conocimiento suficiente en el diseño de miembros individuales de la estructura para poder diseñar de una forma eficiente y econòmica.ACERO ESTRUCTURAL

El acero resulta de la combinaciòn de hierro y pequeñas cantidades de carbono, que generalmente es menor al 1% y pequeños porcentajes de otros elementos, siendo uno de los materiales estructurales màs importantes, ya que es de alta resistencia en comparaciòn con otros materiales estructurales, otras de sus propiedades es la uniformidad ya que no cambia apreciablemente con el paso del tiempo, como las estructuras de concreto reforzado, que se da por el efecto del flujo plàstico. La elasticidad del acero es otra caracteristica importante, ya que es capaz de recuperar su estado primitivo despues de que se le ha aplicado una fuerza que lo deforma, esto se da si la deformaciòn no ha pasado un limite (limite de elasticidad), este comportamiento sigue la ley de Hooke. La durabilidad; si el mantenimiento de la estructura es adecuado, esta tiende a tener un ciclo de vida màs largo. La ductibilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones antes de fallar bajo esfuerzos de tensiòn muy grandes. En el acero con bajo contenido de carbono, en la prueba de tensiòn sufre una reducciòn

considerable en su secciòn transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se fracture. La tenacidad es otra propiedad; el acero cuando se le aplica una fuerza considerable que provoca una gran deformaciòn en su seccion transversal, serà a un capaz de resistir mayores fuerzas.

Otra ventaja es la soldabilidad que consiste en la union de dos metales por presión y fusión, esto se realiza a altas temperaturas (soplete, etc.). La facilidad de corte es otra propiedad ya que se puede cortar facilmente.

El acero se produce por la refinaciòn del mineral de hierro y metales de desecho, junto con agentes fundentes apropiados; Coke (para el carbono) y oxìgeno, en hornos a alta temperatura, para producir grandes masas de hierro llamadas arrabio de primera fusiòn. El arrabio se refina aùn mas para mover el exceso de carbono y otras impuresas y/o se combina (aleación) con otros metales como cobre, nìquel, cromo, manganeso, molibdeno, fosforo, sìlice, azufre, titanio, columbio, y vanadio, para producir las caracteristicas deseadas de resistencia, ductibilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosiòn.

Los lingotes de acero obtenidos de este proceso pasan entre rodillos que giran a la misma velocidad y en direcciones opuestas para producir un producto semiterminado, largo y de forma rectangular que se llama plancha o lingote, dependiendo de su secciòn transversal. Desde aquì, se envìa el producto a otros molinos laminadores para producir el perfil geomètrico final de la secciòn, incluyendo perfiles estructurales asì como barras, alambres, tiras, placas y tubos. El proceso de laminado, ademàs de producir el perfil deseado, tiende a mejorar las propiedades materiales de tenacidad, resistencia y maleabilidad. Desde estos molinos laminadores, los perfiles estructurales se embarcan a los fabricantes de acero o a los depòsitos, segùn se soliciten.

Algunas propiedades de las mas importantes del acero estructural es el modulo de elasticidad (Es), relativamente independiente de la resistencia de fluencia; el modulo de alasticidad para todos los aceros es de 1968400 kg/cm2(28000 Ksi) a 2109000 kg/cm2 (30000 Ksi), pero el que generalmente se toma para el diseño es de 2040000 kg/cm² o29 000 Ksi. La densidad del acero estructural es de 7.85 ton/m³ o 490 lbs/pie³.

El modulo cortante (G) es otra propiedad y se puede calcular como: G = E / 2(1 +μ )Dondeμ= coeficiente de Poisson, igual a 0.3 para el acero. Usando μ=3; G=784615 kg/cm2.El coeficiente de expansiòn termica del acero (ά). ά = 11.25 X 106 por ºCelsiusΔ L = ά( Tf – Ti)L

El punto de fluencia (Fy) y resistencia ùltima a tensiòn (Fu). En la tabla 1.1 se dan los puntos de fluencia de los varios grados de acero que interesan al ingeniero estructural.Tabla 1.1. Propiedades de los aceros estructurales

Designación

ASTM

Acero Formas Usos Fy min

Ksi

Fu min tensión ksi

A36 Al carbono Perfiles, barras y placas

Puentes, edificios estructurales en gral. Atornillados, remachados y soldados

36 e < 8"

32 e > 8"

58 – 80

A529 Al carbono Perfiles y placas

e< ½"

Igual al A36 42 6085

A441 Al magnesio, vanadio de alta resistencia y bajaaleación

Perfiles, placas y barras

e < 8"

Igual al A36

Tanques

4050 6070

A572 Alta resistencia y bajaaleación

Perfiles, placas y barras

e< 6"

Construcciones atornilladas, remaches. No en puentes soldados cuando Fy> 55 ksi

4265 6080

A242 Alta resistencia, baja aleación y resistente a la corrosión atmosférica

Perfiles, placas y barras

e< 4"

Construcciones soldadas, atornillada, técnica especial de soldadura

4250 6370

A588 Alta resistencia, baja aleación y resistente a la corrosión atmosférica

Placas y barras

Construcciones atornilladas y remachadas

4250 6370

A514 Templados y revenidos

Placas e< 4" Construcciones soldada especialmente. No se usa si se requiere gran ductilidad

90100 100150

PRODUCTOS DE ACERO

Los lingotes de acero de la refinaciòn del arrabio se laminan para formar placas de anchos y espesores variables; diversos perfiles estructurales; barras redondas, cuadradas y retangulares; tubos. La mayor parte del laminado se efectùa sobre el acero en caliente, y el producto se laama “ acero laminado en caliente”. Despues de que se enfrian, algunas de las placas màs delgadas se laminan o doblan aùn màs, para hacer productos de acero laminados en frìo o “formados en frìo”.

Perfiles W

Este tipo de perfil es el que generalmente se usa para el diseño, ya que es un perfil de patìnes anchos, es doblemente simetrico.Un W16 X 40 tiene un peralte nominal total de 16 pulg y un peso de 40 Lb/pie.Tambièn se indica como W410 X 59.5 con un peralte nominal 410 mm ( este valor es el promedio de varios peraltes de todas las secciones con un redondeo de 5 mm) y con una masa de 59.5 kg/m.

Perfiles S

Estos perfiles se conocian anteriormente como vigas I (vigas American Standard), siendo doblemente simetricos.Estos se diferencian con los perfiles W por tener el patìn mas chico, con una pendiente aproximada de 16.7 º, su peralte nominal y el teorico son iguales a diferencia de los perfiles W que varian.

Perfiles M.

Son perfiles ligeros y simètricos. Existen 20 perfiles de este tipo. Un perfil M360 X 25.6 es el mayor de la clasificaciòn M, y es una secciòn de peralte nominal de 360 mm y una masa de 25.6 kg/m (M14 X 17.2).

Perfiles C

Son perfiles de canal, con la misma inclinaciòn de los patines que los perfiles S, llamados anteriormente canales standard o American Standard, siendo el peralte nominal igual al peralte teorico.Un C150 X 19.3 es un perfil estàndar de canal que tiene un peralte nominal de 150 mm y una masa de 19.3 kg/m (C6 X 13).

Perfiles MC

Estos son perfiles en canal que no se clasifican como perfiles C. Se conocian como canales diversos o para construciòn de barcos.

Perfiles L

Estos perfiles son de lados iguales o desiguales.Un perfil L6 X 6 X ¾ es un angulo de lados iguales con una dimensiòn nominal de 6 pulg y con un espesor de 3/4 pulg.Un perfil L89 X 76 X 12.7 es un angulo de lados desiguales con una dimension nominalde cada uno de sus lados de 89 y 76 mm recpectivamente, y con un espesor de 12.7 mm en sus lados (L3 ½ X 3 ½ ).

Perfiles T

Son tes estructurales que se obtienen cortando los perfiles W , S, M. Para la obtenciòn de una WT, ST, MT respectivamente, generalmente el corte se hace a la mitad, pero tambiènse pueden cortar mas largos. Las tablas con perfiles T se basan en cortes simetricos. Un perfil WT 205 X 29.8 es una te estructural con un peralte nominal de 205 mm y una masa de 29.8 kg/m, y se obtiene dividiendo la secciòn W410 X 59.5 ( de una secciòn W16 X 40).

Figura 1.1. Secciones de perfiles laminados

1.4.-RESISTENCIA DEL ACERO

Las propiedades del acero estructural nos permite conocer el

comportamiento de las estructuras de acero, y para entender parte de ese comportamiento se cuenta con los diagramas de esfuerzodeformación. El esfuerzo de fluencia es la propiedad más importante que ingeniero estructural considera para un diseño, ya que la mayoria de los procedimientos se basan en el. La resistencia de fluencia es el mìnimo valor garantizado por el productor de acero y que se basa en el promedio estadistico y la consideraciòn del valor mìnimo de fluencia obtenido mediante un gran nùmero de pruebas. Asì, para el aceroA36, el valor garantizado es Fy=36 Ksi (2530 kg/cm2), pero el valor màs probable serà del orden de 43 a 48 Ksi (3020 a 3370 kg/cm2). De modo similar, un acero A441, con un punto de fluencia de 50 Ksi (3515 kg/cm2), tendra una resistencia de fluencia del orden de57 Ksi (4000 kg/cm2). Conforme la fluencia garantizada hasta aproximadamente 65 Ksi(4670 kg/cm2) los valores real y garantizdo, convergen.

Desde cerca de 1 900 a 1 960, el grado principal de acero disponible era el llamado A7 con Fy = 33 Ksi (2320 kg/cm2); esto fue la consecuencia de la mayor popularidad de la soldadura debido a las actividades en la construcciòn de buques en la segunda guerra mundial. Cuando se renueven edificios màs antiguos, el ingeniero estructural puedeocuparse de incorporar los nuevos aceros a los antiguos grados.

A partir de 1960 se han sustituìdo los grados de acero A373 y A7 por aceros A36, que representan un 10 % de aumento en la resistencia de fluencia sobre el grado A7. En los años treinta, se inicio la producciòn de acero de alta resistencia y tambièn resiste a la corrosiòn, y al que se le designo como A272 (està descrito en la especificaciòn A272 de la ASTM). En 1959 se escribiò la especificaciòn ASTM A440, para otro acero de alta resistencia, aplicable a la construcciòn con remaches y tornillos; en 1960 se introdujo el acero A441, aplicable a la construcciòn soldada. Todos estos tres aceros tienen un punto de fluencia que depende del espesor del metal, como se muestra en la tabla 1.1.

Desde cerca de 1964 se han incorporado las normas ASTM las especificaciones para varios otros aceros de alta resistencia (baja aleaciòn); estos aceros aparecen como A572 y A588. En la tabla 1.1 se muestra que el acero descrito en la especificaciòn A572 cubre varias resistencias de fluencia, llamadas grados, tales como los grados 42, 45, 50, 55, 60, y 65 para el correspondiente esfuerzo mìnimo garantizado de fluencia en Ksi. En general, la resistencia de fluencia de estos nuevos aceros tambièn dependen del espesor como se muestra en la tabla 1.1.

En terminos de costo/unidad de masa, el acero A36 es el màs econòmico. Los aceros de alta resistencia tienen su aplicaciòn principal en aquellos casos donde los esfuerzos son principalmente de tensiòn. Las vigas de acero de alta resistencia pueden tener una deflexiòn excesiva, debido asl mòdulo de secciòn reducido. Las columnas de acero de alta resistencia pueden resultar menos econòmicas que el acero A36 si la relaciòn de esbeltez ( KL/r ) es grande.

Las trabes hibridas en el que se usa el acero de alta resistencia en los patines, o las columnas armadas, en estas puede que suministre mejores soluciones en los casos que se restrinjan las dimensiones de los miembros. En su caso determinado, es necesario efectuar un anàlisis econòmico y de disponibilidad para determinar si es apropiado usar acero de alta resistencia.

Figura 1.2. Diagrama esfuerzodeformacion del acero

El límite de proporcionalidad es el punto más alto de la porción recta del diagrama esfuerzo-deformación, para la cual es todavía es valida la ley de Hooke. Cuando un material soporta un esfuerzo (máximo), sin que se deforme permanentemente se dice que esta en su límite elastico o límite de proporcionalidad. Cuando el acero presenta un incremento brusco en su deformación sin que el esfuerzo se incremente, se denomina esfuerzo de fluencia del acero. La deformación del acero antes del esfuerzo de fluencia se llama limite elastico en el cual se basa el diseño por esfuerzos permisibles o diseño elastico; en el rango donde el acero se deforma despues del esfuerzo de fluencia, sin que se incremente el esfuerzo, se le considera rango plastico o deformación plastica, en la cual se basa el diseño plástico o diseño ultimo, lo cual aprovecha la resistencia de reserva (deformación plástica) que proporciona la ductibilidad del acero. En la zona de endurecimiento por deformación el acero requiere esfuerzos adicionales para que se pueda deformar más; posteriormente alcanza un esfuerzo máximo sin que se rompa tadavía, es esfuerzo de roptura sucede por debajo del esfuerzo máximo, cuando el acero presenta una reducción máxima de su sección transversal (estricción de fluencia).La resistencia de fluencia de diversos grados de acero que estàn disponibles para el diseño, se pueden ver en la tabla 11.

Aceros Estructurales

(De acuerdo a la American Society of Testing Materials ASMT)

Aceros generales (A36).

Aceros estructurales al carbono (A529).

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), (A441 y A572)aleación al 5 %.

Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación, resistentes a la corrosión atmosférica (A242, A588).

Acero templado y revenido (A514).

1.5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL ACERO Efectos de altas temperaturasLos miembros de acero no son inflamables, pero su resistencia se reduce de una forma considerable cuando aumenta drasticamente su temperatura en un incendio, el acero es un excelente conductor del calor, por lo que en las zonas que no estan protegidas contra el fuego y que estan en contacto con materiales inflamables, se deben proteger ya que se pueden incendiar. La resistencia depende en alto grado de la temperatura; a 1 000º F, la resistencia tanto de fluencia como de tensiòn es alrededor del 60 a 70 por ciento de la obtenida a la temperatura ambiente (alrededor de 70º F). La perdida de resistencia es bastante notable a altas temperaturas, donde la resistencia del acero a 1 600º F es sòlo el15 por ciento de la resistencia a la temperatura ambiente.

La resistencia contra el fuego de los miembros estructurales se puede incrementar con una cierta protección que depende del tipo de estructura, en estructuras de acero se le puede aplicar pinturas

especiales (aislantes y expansivas), una capa de concreto, yeso, fibras minerales etc., en un miembro de acero hueco se le puede proveer un liquido con un agente anticongelante en su interior, para el control de altas temperaturas. El concreto anteriormente se usaba mucho para proteger estructuras de acero contra el fuego, ya que resulta muy efectivo en espesores de 1 ½ a 2 pulg. (4 a 5 cm) de espesor; pero su costo de instalación es muy alto y su peso también, lo cual resulta antieconomico, debido a lo anterior, en las secciones compuestas se aprovecha las caracteristicas estructurales del concreto y del acero, para contrarrestar esta problemática y pueda ser satisfactorio, tanto en la protección contra el fuego, como en la resistencia de los miembros estructurales. Se han establecido clasificaciones de protecciòn contra incendios para los diversos materiales y espesores que se pueden aplicar a un miembro estructural para controlar la temperatura. Se incluyen productos a base de yeso, o concreto ligero que se puede rociar sobre el miembro ò tableros aislantes de fibra para proteger el acero. La clasificaciòn de incendios se basa en el nùmero de horas que le toma el acero alcanzar una temperatura promedio de 540 a 650ºC para el espesor dado de material de protecciòn contra incendios, utilizando un procedimiento estàndar de prueba segùn viene dado por la ASTM E119 (en la parte 18). Una clasificaciòn de incendio de 2 horas, que se usa comùnmente, indica que tarda 2 horas que la temperatura del acero alcance el nivel indicado por la prueba estàndar.

Efectos de bajas temperaturas

La fractura fragìl a menudo se asocia con las bajas temperaturas. Bàsicamente, la fractura fràgil ocurre sin que haya fluencia del material. Las curvas de esfuerzodeformaciòn indican que en la falla usual de un espècimen a tensiòn, tiene lugar una considerable elongaciòn. De hecho, en la prueba estàndar a tensiòn de la ASTM, se especifica un por ciento mìnimo de elongaciòn para el acero. En el diseño del acero està implìcita la deformaciòn resultante (fluencia) del material bajo un alto esfuerzo local. Cuando el material sufre elongaciòn, las dimensiones laterales se contraen, debido al efecto de Poisson. Si las dimensiones laterales estàn total, o hasta parcialmente restringidas, el acero se separà sin desarrollar totalmente su potencial de fluencia. Este tipo de falla constituye lo que se conoce como “fractura fràgil”.

Una combinaciòn de baja temperatura, un cambio en las dimensiones de la secciòn (efecto de muesca) o alguna imperfecciòn, junto con la presencia de esfuerzos de tensiòn, pueden iniciar una fractura fràgil. Esto puede empezar como una grieta que se desarrolla hasta constituir la falla del miembro. No todos los miembros que presentan muescas en un ambiente de baja temperatura y sometido a una alta tasa de deformaciòn por tensiòn fallan; tiene que haber exactamente la combinaciòn apropiada de deformaciòn y tasa de deformaciòn, temperatura y efecto de muesca.

SOLICITACIONES DE CARGAS

Toda estructura y cada uno de sus miembros deben diseñarse para cualquier estado lìmite de falla posible ante las combinaciones de acciones màs desfavorables que se puedan presentar durante la vida ùtil de la estructura, no rebasando ningun estado lìmite de servicio ante las combinaciones de acciones que corresponden a condiciones normales de operaciòn.

El estado lìmite de falla corresponde al agotamiento de la capacidad de carga de la estructura o de cualquier miembro, ocurriendo daños irreversibles que afectan considerablemente la resistencia ante nuevàs aplicaciones de carga. El estado lìmite de servicio corresponde a los desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños que afectan al funcionamiento de la estructura, estas no deben de perjudicar la capacidad de carga de la estructura o de cualquier miembro estructural.

En el diseño de estructuras se deben tomar encuenta los efectos de las cargas muertas, de las cargas vivas, del sismo y del viento, cuando este ùltimo sea significativo, tambièn cuando otros efectos producidos por otras acciones sean significativos (nieve, lluvia o hielo, debido al funcionamiento de maquinaria y equipo y su acupaciòn) se deben considerar en diferentes combinaciones para el diseño.

Categorias de acciones, deacuerdo con la duraciòn:

1. Acciones Permanentes: Son aquellas que obran sobre la estructura en forma continua, y cuya intensidad casi no varía con el tiempo (carga muerta, el empuje estatico de tierras y de liquidos, etc.).

2. Acciones Variables: Son aquellas que obran sobre la estructura con una intensidad que varía considerablemente con el tiempo (cargas vivas, efectos de tamperatura (lluvia, nieve, hielo), etc.).

3. Acciones Accidentales: Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la estructura, y que pueden tomar valores significativos en periodos sumamente pequeños con respecto a la vida útil de la estructura (vientos, sismos, incendios, etc.).

Toda fuerza que actue sobre la estructura se se denomina carga, estas cargas se clasifican en muertas y vivas.

Las cargas muertas ocupan una posiciòn permanente y son de magnitud constante, incluyen el peso propio de la estructura, el peso de componentes no estructurales como recubrimientos de pisos, lo muros divisorios, plafones, instalaciones, equipo macànico y plomerìa . Todas las cargas mencionadas hasta ahora son fuerzas que resultan de la gravitaciòn y se llaman cargas de gravedad. Para su evaluaciòn se cuantan con las dimensiones de los elementos constructivos y los pesos unitarios de los materiales.

Las cargas vivas, que tambièn pueden ser fuerzas de gravedad, estas se producen por el uso y ocuapaciòn de las edificaciones, estas no son tan permanentes como las cargas muertas. Ellas pueden o no estar actuando sobre la estructura en cualquier momento y su posiciòn puede no ser fija (muebles, el equipo y los ocupantes de los edificios). En general, la magnitud de una carga viva no està bien definida como la de una carga muerta y usualmente debe ser estimada, pero el peso mìnimo de las cargas vivas que debe usarse en el diseño de edificios se especifican claramente en los reglamentos o còdigos de construcciòn que serìan las cargas de piso, para el caso del reglamento del D.F. presenta una tabla de cargas unitarias que no incluyen el peso de los muros divisorios, de muebles, equipos u otros elementos de peso, por lo cual si se preveen deben cuantificarse y tomarse en cuanta en el diseño en forma independiente de la carga viva especificada en el reglamento del D.F., lo cual, se deveran estudiar diferentes posiciones de carga viva para ciertos miembros estructurales a fin de que se pueda pasar por alto una condiciòn potencial de falla.

Otras cargas vivas;

Si una carga viva se aplica lentamente y no es retirada, ni se àplica un nùmero excesivo de veces, la estructura puede analizarse como si la carga fuera estàtica. La carga de impacto las causan la vibraciòn de cargas mòviles, en el caso de una carga que se aplica repentinamente, como es el caso cuando la estructura soporta una grùa mòvil, los efectos de impacto deben tomarse encuenta. Cuando la carga se aplica y retira muchas veces durante la vida de la estructura, como en el caso de los puentes que estan sujetos a una serie de cargas de magnitud variable, el esfuerzo de fatiga se vuelve problemàtico y sus efectos deben considerarse. Las cargas de impacto ocurren relativamente en pocos edificios, sobre todo en edificios industriales, y la carga por fatiga es rara, requirìendose miles de ciclos de carga durante la vida de la estructura antes que la fatiga se vuelva un problema.

El viento actua como presiones o succiones sobre las superficies exteriores de un edificio; este se toma como uan accion accidental debido a su naturaleza transitorial, tal carga permanece mas bien a la categorìa de las acargas vivas. Sin embargo, debido a la relativa complejidad de determinar las cargas de viento, èstas se consideran como una categoria aparte de carga. Este tipo de carga lateral es mas perjudicial en edificios altos, siendo no tan importante en edificios de poca altura, pero estructura de poco peso como naves industriales puede causar efectos como el levantamiento del sistema de techo, lo cual es muy cririco. Si bien el viento èsta presente la mayor parte del tiempo, las cargas de viento de la magnitud considerada en el diseño no son frecuentes y no se consideran como cargas de fatiga. La presiòn del viento que actua sobre superficies verticales de una estructura se puede estimar con la siguiente expresiòn:

P=0.002558 CsV²

Donde:P= Presiòn del viento en lb/pie²Cs=Coeficiente de acuerdo a la forma; para estructuras tipo caja es igual a 1.3 de donde0.8 es para la presiòn de barlovento y 0.5 para la succiòn de sotavento.V= Velocidad bàsica del viento en mi/hra. Estimada con ayuda de los reportes meteorologicos en cada regiòn del paìs.

Las cargas de sismo son consideradas en zonas sismicas y donde pueda haber probabilidad de que se pueda presentarse. Cuando se presenta un sismo hay una aceleraciòn en el terreno, la cual tiene dos componentes, que serian una vertical y otra horizontal, debido a que la componente vertical es insignificante, en un anàlisis estructural se toman encuanta los efectos de la componente horizontal de un sismo y se simula por un sistema de cargas horizontales, similares a los originados por la presiòn del viento, actuando en cada nivel de piso del edificio, el efecto de la aceleraciòn horizontal crece con la altura debido al efecto de “resonancia” del sismo.

La nieve es otra carga viva, en paises muy frios estas cargas son muy importantes. Debido a la incertidumbre que es causada por la presencia del viento que suele acumular la nieve sobre àreas muy pequeñas. Los valores mayores de carga se usan para techos horizontales y los menores para techos inclinados.

La lluvia, es otro tipo de carga y que se puede considerar menos problematica que la carga de nieve, pero si se acumula el agua en techos sin pendiente (encharcamiento), puede causar que la losa se deflexione y forme una especie de vaso y se pueda acumular màs agua, y que con el tiempo provoque daños en la estructura.Otros tipos de cargas vivas que en ocasiones debe considerar en el diseño son las presiones hidrostaticas y la presiòn del suelo, pero los casos que se han mencionadoson los comùnmente encontrados en el diseño de los marcos estructurales de acero de edificios y de sus miembros.

2.5.FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA USADOS EN LAS ESPECIFICACIONES AISC

Los factores de carga incrementan las cargas de servicio tomando encuenta la incertidumbre que estan implicitas en los valores de las cargas muertas y cargas vivas.La ecuaciòn:

i Qi ≤ ø Rnال∑

Donde:

i = un factor de cargaالQi = un efecto de carga (una fuerza o un momento)ø =factor de resistenciaRn=Resistencia tèorica o nominal del miembro

La resistencia factorizada ø Rn se llama resistencia de diseño y la carga factorizada resulta de la combinaciòn de los diferentes efectos de carga a que va estar sometido el miembro estructural. Las condiciones de carga por considerarse se dan en el capìlo A, “general provisions”, de las especificaciones AISC como

U=1.4D U=1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R) U=1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (0.5L o 0.8W)U=1.2D +1.3 W + 0.5L + 0.5(Lr o S o R)U=0.9D ± 1.0E + 0.5L + 0.2S

U=0.9D ± (1.3W o 1.0E)

Donde:

U =carga factorizadaD = carga muertaL =carga viva debido al equipo y ocupaciònLr=carga viva de techoS =carga de nieveR =carga de lluvia o hieloW=carga de vientoE =carga por sismo

Estas ecuaciones de combinaciones de cargas, el AISC las identifica con una letra que reprsenta el capitulo, el primer numero la secciòn, y el segundo numero la secuencia de la misma secciòn.

En cada combinaciòn, uno de los efectos se considera como el valor “máximo” durante su vida y los otros como los valores en “puntos arbitrarios del tiempo”. Esos factores de carga y combinaciones de carga son los recomendados en el Minimun Design for Building and Other structures (ASCE, 1996) y se basan en amplios estudios estadísticos.

Los factores de resistencia toman encuenta las incertidumbres de la resistencia de los materiales, dimensiones y mano de obra. El factor de resistencia ø para cada tipo de resistencia està dado por el AISC en el capìtulo de las especificaciones que trata con esa resistencia. Esos factores varìan en valor de 0.75 a 1.0. (0.85 para columnas, 0.75 0.90 para elementos en tensiòn, 0.90 para flexiòn o corte en vigas, etc.).

Tabla 2.1. Factores de resistencia de las especificaciones LRFD

Fr(ø) SITUACIÓN

1.00 Aplastamiento en áreas proyectantes de pasadores, fluencia del alma bajo cargas concentradas, cortante en tornillos en juntas tipo fricción.

0.90 Vigas sometidas a flexión y corte, filetes de soldadura con esfuerzos paralelos al eje de la soldadura, soldaduras de ranura en el metal base.

0.85 Columnas, aplastamiento del alma, distancias al borde y capacidad de aplastamiento de agujeros.

0.75 Tornillos a tensión, soldaduras de tapón o muesca, fractura en la sección neta de miembros a tensión.

0.65 Aplastamiento de tornillos (menos A307)0.60 Aplastamiento en tornillo A307, aplastamiento en cimentaciones de concreto.

Tabla 2.2 Factores de resistencia de las especificaciones de las NTC Diseño deEstructuras Metálicas

Fr CASO

0.9 Resistencia a tensión para estado límite de flujo plástico en la sección total, resistencia a flexión y cortante en vigas, determinación de cargas críticas, tensión o compresión paralela al eje de soldaduras tipo filete y de penetración parcial.

0.80 Tensión normal al área efectiva en soldaduras de penetración parcial cortante en el área efectiva en soldaduras de penetración completa.

0.75 Resistencia a tensión por estado límite de fractura en la sección neta, resistencia a compresión para estado límite de pandeo local en secciones tipo 4, cortante en el área efectiva en soldaduras de filete, cortante paralela al eje de la soldadura de penetración parcial, resistencia a tensión de tornillos.

0.70 Resistencia a compresión de columnas de sección transversal circular hueca tipo4.

0.60 Resistencia al cortante en conexiones por aplastamiento.