Diseño de acero estructural - Joseph E. Bowles.pdf PDF

Preview

Summary

La presente obra aborda los siguientes temas: - Consideraciones generales de diseño - Elementos de diseño de marcos, armaduras y , puentes. - Comportamiento elástico, plástico y por pandeo del acero estructural - Diseño de vigas a flexión - - Diseño de miembros a tensión - Columnas y puntales axial ...

Description

La presente obra aborda los siguientes temas: - Consideraciones generales de diseño - Elementos de diseño de marcos, armaduras y , puentes. - Comportamiento elástico, plástico y por pandeo del acero estructural - Diseño de vigas a flexión - Diseño de miembros a tensión - Columnas y puntales axial mente cargados - Diseño de vigas-columnas - Conexiones atornilladas y remachadas - Conexiones soldadas • Trabes armadas - Apéndice. Selección de programas de computadoras

DISEÑO DE ACERO ESTRUCTURAL JOSEPH E. BOWLES Catedrático de Ingeniería Civil en Bradley University

~ LlMUSA • GR~~~ E~~~~~~~'a. lB

Argentina

Colombia. Puerto Rico

Versión autorizada en español de la obra publicada en inglés por McGraw-Hill Book Company, con el titulo: STRUCTURAL STEEL DESIGN, © 1980 by McGraw-Hill, Inc. ISBN 0-07-006765-1 Versión española: CARLOS ALBERTO GARCIA FERRER Ingeniero Quimico e Ingeniero Civil de la Universidad de La Habana, Cuba. Revisión: JOSE DE LA CERA ALONSO Ingeniero Civil de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM. Diplom-Ingenieur de la Universidad Técnica de Munich, Alemania Federal. Profesor de Tiempo Completo e Investigador del Departamento de Materiales de la Universidad Autónoma Metropolitana. Con la colaboración de: ENRIQu'E MARTINEZ ROMERO Ingeniero Civil de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM. Maestría en Ciencias de la Universidad de Comel!, Estados Unidos. Profesor del Area de Estructuras de la Facultad de Ingeniería de la UNAM y Profesor de Estructuras Metálicas en la Escuela de Ingeniería de la Universidad Anáhuac. Consultor en Ingeniería Estructural. La p"'sentaci6n y disposici6nen conjunto de OIsERo DE ACERO ESTRUCTURAL son propiedaddel editor. Ningunaparte de esta obta puede ser reproch.¡cif,M optmsmiticla. medianteningtJn sistema o método.electrónico 'o mecánico (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO. la gtabación o cualquiersistema de fflCUp9ff1Ci6n y almacenamiento de información). sin consentimiento por escritodel editor. Derechosreservados: © 1993, EDITORIALL1MUSA, S.A. de C.V. GRUPO NORIEGAEDITORES Balderas95, C.P. 06040, México. Q.F. Teléfono 521-21-05 Fax 512·29-03 Miembro de la Cámara Nacionalde la IncJustña Editoñal Mexicana.Registro número 121 Primera edición: 1984 Pñmera reimpresión:1989 Segunda reimpresión: 1991 Tercera reimpresión:1992 Cuarta reimpresión: 1993 Impreso en México (11996)

ISBN 968-18-1623-4'

PROLOGO

El propósito principal de este libro de texto es exponer los temas básicos para un primer curso en diseño de acero estructural. El texto contiene elementos de diseño tanto de edificios como de puentes, para usarlo en la secuencia de ingeniería estructural de los programas de ingenieria civil. Si el instructor quisiera hacer énfasis eh las estructuras de edificios, el texto también es apropiado como introducción al diseño de acero estructural en los programas de arquitectura. Se le da aproximadamente igual importancia a las unidades pie-lb-s y SI. Se utilizan en la exposición de los temas ambos sistemas de unidades; los problemas presentados como ejemplo y los que se dan para que los resuelva el alumno están 10 mismo en un sistema de unidades que en el otro. Se adoptó este formato después de entrevistar y consultar a algunos miembros de la facultad y especialistas de distintas industrias afines, que se interesan en este tema. Se acordó que en el texto se debían seguir usando ambos sistemas de unidades, ya que la transición a las unidades métricas no ocurre en la industria de la construcción con la misma rapidez que en otras áreas de la ingeniería. Parece que es necesario este uso dual para proporcionar tanto al estudiante como al instructor con la comprensión necesaria de 10 que representan tanto para el estudiante como para el profesor, el tamaño razonable de un miembro (número), deflexión, o cualquier otro parámetro de diseño, en ambas sistemas de unidades. La instrucción práctica en el uso de las unidades SI requiere utilizar datos de diseño, y corno ninguno de ellos era de fácil obtención, se ha reunido un juego de 5

ti

PROLOGO

tablas con datos de secciones de acero laminado, como suplemento del texto; estos datos se calcularon usando computadoras. Estas tablas por lo general se ajustan a las especificaciones de la AISC y la A-6 de la ASTM. Este grupo de datos también incluye material elaborado con base en las especificaciones de la AISC, AASHTO, y AREA. Se espera que este texto, junto con el manual suplementario Structura/Stee/Design Data (SSDD), sean los instrumentos necesarios para un curso de diseño de acero, sin necesidad de ninguna otra obra de consulta. El material presentado en el curso debe ser suficiente para permitir a los estudiantes diseñar miembros estructurales de rutina (y algunos no tan de rutina), ya sea en las unidades p, lb, s o SI, y usando cualesquiera de las tres especificaciones de diseño de acero que es más probable que controlen el diseño -al menos en la práctica en los E.V.A.- Los problemas especializados por lo general no se presentan en el aula, y para estos casos (así como la práctica de diseño en las oficinas de ingeniería y para otros trabajos no académicos), el lector debe obtener, de la agencia correspondiente, una copia de las últimas especificaciones. Se ha usado la computadora digital como auxiliar en el diseño, de modo algo interactivo (por medio del procesamiento en lotes) para la parte de diseño del curso de diseño de acero. Se ha visto que el uso de la computadora en los cursos de diseño de acero es una de las mejores experiencias académicas para el estudiante, porque los ayuda a adquirir rápidamente experiencia en el área del comportamiento estructural. Esto puede ser por accidente (al perforar de manera equivocada los datos sobre el módulo de elasticidad, área transversal de la sección, o el momento de inercia de un miembro) o por la repetición de un problema de diseño en el que se cambian las dimensiones de los miembros según lo indiquen los resultados de la computadora. En cualesquiera de los casos, los estudiantes perciben con facilidad los efectos de la sección del miembro sobre el comportamiento estructural. El uso de los programas de computadora permite obtener este resultado con sólo una pequeña cantidad de trabajo por parte del estudiante, y sin necesidad de escribir programas. En el Apéndice del texto se da una lista de algunos programas de computadora, para el uso de quienes no usen ya la computadora como auxiliar del diseño. Estos programas son relativamente simples, pero eficaces, y se pueden perforar fácilmente en tarjetas para ser usadas en un sistema local de computadoras. Se usa el método de reducción del ancho de banda a fin de que sean mínimos los requerimientos de capacidad de la computadora. El autor puede suministrar estos programas en cintas, al costo de la misma, la reproducción y los gastos de envío, para cualquier persona que use actualmente este texto en las aulas. No se ha tratado de citar, o promover el uso de calculadoras programables de mesa, para simples tareas, como son el diseño de vigas o columnas, debido a la diversidad de dispositivos disponibles (por ejemplo, HP, TI, Sharp, Casio, etc.), cada uno de los cuales requiere un método diferente de programación y además a causa de los continuos y rápidos cambios en las técnicas. Para dar una lista de los múltiples programas necesarios para el empleo de las diversas calculadoras, se hubiese necesitado demasiado espacio de esta obra, en detrimento del estudio de temas más importantes.

PROLOGO

7

El texto trata de establecer un equilibrio entre la teoría y la "manera de proceder". El tratamiento de los temas no es lo suficientemente complejo como para oscurecer las bases, pero tiene la suficiente profundidad para que el lector conozca el origen de las ecuaciones de diseño que aparecen en las varias ecuaciones. Algunas de estas ecuaciones se deducen total o parcialmente, de modo que el lector se dé cuenta de sus limitaciones. También se da una explicación razonablemente detallada de los problemas básicos del diseño y los ejemplos ilustrativos se efectúan por lo general paso por paso. Con este formato, los estudiantes deben ser capaces de resolver los problemas de diseño más complejos a nivel profesional, y obtener soluciones de diseño para los problemas asignados para resolverlos por su cuenta. Se cita directamente en el texto la bibliografía apropiada para aquellos temas cuyo tratamiento sea limitado pero que sean lo suficientemente importantes como para que el lector desee estudiar el asunto con mayor profundidad. Por lo general, la inclusión de referencias se acostumbra más en la práctica profesional que a nivel escolar. La experiencia adquirida por el autor durante la enseñanza de varios años de diseño de acero, indica que la mayoría de los estudiantes del primer curso de diseño se interesa principalmente en aprender cómo diseñar los diversos tipos de miembros estructurales que se les asignarán para su trabajo en casa o en el laboratorio. En este punto de su desarrollo profesional no están demasiado interesados en las consideraciones teóricas ni en los extensos trabajos de laboratorio de los investigadores y teóricos, que han producido las ecuaciones actuales de diseño. La complejidad de las ecuaciones de diseño semiteóricas y empíricas, además de la naturaleza del diseño estructural y su íntima relación con las especificaciones y códigos de diseño, hace necesario adoptar una actitud definida sobre el enfoque que se debe utilizar al enseñar el diseño de acero. Es esencial presentar al que los va a usar un juego de datos hipotéticos (o reales) y realizar un diseño como ilustración. Se presume que los estudiantes tienen preparación suficiente en las secuencias básicas de ingeniería y matemáticas, para poder apreciar lo que se ha ilustrado, y luego se les enseña a aplicar los pasos en un problema semejante para así adquirir confianza y, basándose en los problemas ilustrativos extrapolar, con un mínimo de supervisión, a un problema donde los parámetros de diseño sean considerablemente diferentes. En los problemas de ejemplo se introducen como apropiados, factores prácticos y de fabricación. Se consideran, en varias secciones, la separación de los sujetadores, la distancia al borde, los espacios libres para el montaje, distancias normales de paso, paso de rosca, y mantenimiento. Esto da al usuario un panorama de los problemas de fabricación y otras consideraciones prácticas. Además de todo esto, el texto tiene numerosas fotografías, complementadas con croquis de los elementos y conexiones estructurales, lo que debe ser de ayuda particular al principiante. El lector debe complementar dichas ilustraciones con la observación de armaduras de acero en proceso de construcción. Las fotografías se tomaron especialmente para este libro, para mostrar las características individuales de las estructuras según se vayan estudiando a lo largo de la obra.

8 PROLOGO

En el capítulo 3 se describe brevemente el diseño plástico, junto con los conceptos básicos de la teoría de placas. Se procede de este modo a fin de referir eficazmente al capítulo 3 las ecuaciones que tienen su origen en el diseño plástico o la teoría de placas, lo que representa un ahorro de espacio en el texto. No se hace hincapié en los métodos de diseño plástico por dos razones básicas: no hay suficiente tiempo en un primer curso para cubrir apropiadamente el tema, y además parece ser que, en la práctica profesional se prefiere el diseño elástico. El autor se ha apartado de la tendencia actual en estos libros para reflejar el formato que se incorporó en algunos de los textos sobre acero publicados en los años cincuenta. Este formato incluye el uso de simples ejemplos ilustrativos, donde se enuncian sencillamente los datos de diseño, así como ejemplos de diseño más realistas. Estos ejemplos se analizan en el capítulo 2 usando la computadora, y se dejan algunos miembros para ser diseñados en capítulos posteriores. El uso de ejemplos sencillos le da al lector una rápida comprensión de los objetivos generales de la exposición. Se usan ejemplos de diseño más detallados para dar un sentido de realismo e indicar claramente que el diseño del acero no es sólo asunto de manipular números. En cada ejemplo se comenta razonablemente el análisis utilizado. Considerando las restricciones de tiempo en las clases, un diseño de-acero debe ser tan realista como sea posible. Por esta razón se alienta al alumno a procesar cualesquiera de los problemas de diseño estructural, asignados en el capítulo 2, en los capítulos posteriores, rediseñando los miembros según fuere necesario y recalculando una y otra vez el problema para determinar el tamaño de los miembros antes de llegar a diseñar las conexiones, en los capítulos 8 y 9. Se puede crear un falso sentido de seguridad en lo que respecta a la complejidad real del diseño estructural, y hasta de la manera como se llega a las cargas de diseño, si se le dan simplemente al alumno las cargas para cada problema de diseño. Se debe reconocer que los problemas de diseño más realistas requieren mayor esfuerzo físico y mental de parte del alumno y un mayor esfuerzo de clasificación de parte del instructor. Se puede compensar un poco este esfuerzo asignando menos problemas totales, pero incluyendo algunos en que se suministran las cargas, para aumentar la confianza, y algunos con problemas de diseño, para aumentar la pericia en el diseño. El siguiente programa podría ser apropiado para el sistema de semestres: 3 horas semestre. Tratamiento rápido de los capítulos 1 y 3, con el capítulo 3 asignado como lectura. Un tratamiento razonable de los capítulos 4 a 10. Tal vez dos semanas en cada uno de los capítulos 4, 7, y 10. 4 horas semestre. Tratamiento rápido dé los capítulos 1 y 3. Dos semanas para los capítulos 2, 4, 7, y 10, seguidos por el diseño real de la estructura de un edifi. cio y un puente de armadura para carreteras, o un edificio industrial, basándose en los análisis del-capítulo 2. Una de las estructuras se debe calcular en unidades p,lb, s y la otra en unidades SI. Se debe llevar una libreta de notas del diseño, donde se muestren los cálculos y las entradas y salidas de la computadora. También se aconseja que se labore en grupos, con un máximo de cuatro estudiantes en cada grupo.

AGRADECIMIENTOS

Muchas personas y organizaciones proporcionaron considerable apoyo y ayuda en la preparación de este libro. Primeramente quisiera expresar mi más sincera gratitud al Dr. Peter Z. Bulkeley, Decano de Ingeniería y Tecnología de la Universidad de Bradley, que me concedió la licencia necesaria en mis labores docentes. También quisiera dar gracias a Mr. Andrew Lally y Mr. Franck Stockwell, Jr., de la AISC, quienes me suministraron una copia preliminar de las nuevas especificaciones de la AISC y quienes me dedicaron el tiempo necesario para revisar junto conmigo las modificaciones más importantes. Mr. Lally también suministró provechosa información sobre cómo realizar las conversiones a unidades SI. Mr. Robert Lorenz, de la Oficina Regional de la AISC en Chicago, tuvo la gentileza de proporcionarme las correcciones más recientes para los cambios preliminares en las especificaciones. Las corporaciones Bethlehem y la US Steel fueron muy amables al suministrar copias de los nuevos perfiles de sus secciones de acero, casi un año antes de que tuvieran carácter oficial; esto permitió adelantar el trabajo de cálculo por computadora de las tablas del Structura/ Stee/ Design. Doy particularmente las gracias a Mr. Roland Graham de la US Steel, quién revisó cuidadosamente secciones escogidas del manuscrito y todo el manual de datos de acero, e hizo muy útiles sugerencias e indicaciones. Doy mis más expresivas gracias al Dr. Eugen Chesson, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Delaware, por su gran ayuda al revisar con gran cuidado los manuscritos tanto preliminares como finales del libro. Gracias también al Dr. T. V. Galambos, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Washington, San Luis, quien revisó el material de diseño para el factor de resistencia de carga. El autor también desea expresar su agradecimiento a Mr. Gary Zika, ingeniero de construcción de la Pittsburg-Des Moines Steel Company, un antiguo alumno en Bradley, quien ayudó a conseguir muchas de las fotografías usadas en el texto. Finalmente, doy gracias a mi esposa Faye, que ayudó a mecanografiar el manuscrito, verificó las cifras y las ordenó y, lo que es más importante, fue paciente conmigo durante esos difíciles momentos. Joseph E. Bow/es

9

CONTENIDO

5

Prólogo Capítulo 1 Consideraciones generales de diseño 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6

1-7 1-8

1-9

1-10 1-11 1-12 1-13 1-14 1-15

Tipos de estructuras Procedimientos de diseño El acero como material estructural Productos de· acero Resistencia del acero Efectos de la temperatura en el acero Códigos de diseño estructural Cargas de construcción Cargas sobre los puentes de carretera y ferrocarril Cargas de impacto Cargas sísmicas Fatiga Estructuras de acero Exactitud de los cálculos y de las computadoras electrónicas Cálculos de ingeniería estructural en unidades SI

Capítulo 2 Elementos de diseño de marcos, armaduras y puentes 2-1 2-2

Métodos de análisis Análisis de vigas

17 17 18

19 22 25

27 31 33

42 48 50 56

59 65 65

71 71 75

11

12

CONTENIDO

2-3 2-4

2-5 2-6 2-7

2-8 2-9 2-10 2-11

Estructuras determinadas Análisis de armaduras Análisis de marcos rígidos Análisis de puentes El programa de computadora que se presenta en el Apéndice La matriz P Condiciones de carga Revisión de la salida de la computadora Ejemplos de diseño

78 78

81 83 85 86 90 91 92

Capítulo 3 Comportamiento elástico, plástico y por pandeo del acero estructural

135 Introducción 135 136 Teoría elástica y teoría plástica de diseño Factores de seguridad en los diseños elásticos y plásticos 146 3-4 Deflexiones de diseño plástico vs deflexiones de diseño elástico 148 3-5 Longitud de la articulación plástica 149 3-6 Diseño elástico y diseño plástico 150 3-7 Diseño por factor de resistencia de carga 157 3-8 Pandeo local de placas 158 3-9 Resistencia posterior al pandeo de placas 164

3-1 3-2 3-3

Capítulo 4 Diseño de vigas a flexión 4-1 4-2

4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11

4-12 4-13 4-14

Consideraciones generales Diseño de vigas por el método elástico Diseño de vigas continuas Pandeo y aplastamiento del alma Criterios de cortante Flexión según el eje fuerte y flexión según el eje débil Deflexiones Flexión biaxial y flexión en secciones asimétricas Centro de cortante de secciones abiertas Diseño de vigas sin soporte lateral Vigas con patines no paralelos Diseño de largueros de puente y vigas de piso Vigas compuestas . Diseño de vigas usando el factor de resistencia de carga (DFRC)

Capítulo 5 Diseño de miembros a tensión 5-1

Tipos de miembros a tensión

5-2 Esfuerzos permisibles a tensión

169 169 173 181 183 187

188 189 192 200 203 212 214

220 241

249 249 251

CONTENIDO

5-3 Consideraciones generales de diseño 5-4 Esfuerzos debidos a la carga axial sobre la sección 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10

Capítulo 6 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8

Capítulo. 7

neta Diseño de las barras Secciones netas Diseño de miembros Diseño de miembros Diseño de cables Diseño de miembros

a tensión a tensión según el AISC a tensión en los puentes a tensión usando el DFRC

Columnas y puntales axialmente cargados Introducción La fórmula de Euler para columnas Columnas con condiciones de extremo Esfuerzos permisibles en las columnas de acero Diseño de miembros armados a compresión Placas de base de columnas Soporte lateral de las col...