Diseño de Elementos de Acero PDF

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investigación acerca del diseño de elementos de acero...

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7-2-2017

Diseño de Elementos de Acero Unidad 1 Competencias Generales

Índice El acero estructural..................................................................................................................1 Primeros usos del hierro y el acero.....................................................................................1 Ventajas del acero como material estructural......................................................................3 Alta resistencia................................................................................................................3 Uniformidad....................................................................................................................3 Elasticidad.......................................................................................................................3 Durabilidad......................................................................................................................4 Ductilidad........................................................................................................................4 Tenacidad........................................................................................................................5 Ampliaciones de estructuras existentes...........................................................................5 Propiedades diversas.......................................................................................................5 Desventajas del acero como material estructural................................................................6 Corrosión.........................................................................................................................6 Costo de la protección contra el fuego............................................................................7 Susceptibilidad al pandeo................................................................................................7 Fatiga...............................................................................................................................7 Fractura frágil..................................................................................................................7 Propiedades mecánicas del acero estructural......................................................................8 Resistencia......................................................................................................................8 Ductilidad......................................................................................................................10 Soldabilidad..................................................................................................................10 Tenacidad......................................................................................................................12 Influencia de los elementos químicos en las propiedades del acero.............................12 Proceso de fabricación del acero.......................................................................................14 Proceso primario...........................................................................................................14 Arrabio y Acero.............................................................................................................15 Perfiles de acero estructural..............................................................................................17 Secciones laminadas en caliente...................................................................................17 Secciones laminadas en frio..........................................................................................18 Secciones armadas........................................................................................................19 Perfiles de acero ASTM................................................................................................20

Perfiles de acero EUROCODIGO.................................................................................20 Fabricantes de México de acero estructural......................................................................22 Curva esfuerzo deformación.............................................................................................23 Tipos de acero estructural.................................................................................................24 Análisis de cargas por gravedad............................................................................................26 Reglamentos y especificaciones del diseño..........................................................................37 Criterios de diseño de esfuerzos permisibles....................................................................37 Criterio de diseño de factor de carga y resistencia............................................................38 Ventajas del formato LRFD..............................................................................................39 Ecuación básica de diseño LRFD.....................................................................................39 Vista gráfica de incertidumbres.........................................................................................40

Índice de Imágenes IMAGEN 1Daga de hierro......................................................................................................1 IMAGEN 2Placas de Acero....................................................................................................2 IMAGEN 3Perfiles Estructurales............................................................................................2 IMAGEN 4Puente de Akashi Kaikyō.....................................................................................3 IMAGEN 5 Ley de Hooke......................................................................................................3 IMAGEN 6 Ensayo de tracción..............................................................................................4 IMAGEN 7 Corrosión del Acero............................................................................................6 IMAGEN 8 Gráfica esfuerzo-deformación para varios grados de acero estructural..............9 IMAGEN 9 Gráfica esfuerzo-deformación del acero.............................................................9 IMAGEN 10 Efecto del carbono en la soldabilidad del acero..............................................11 IMAGEN 11 Soldabilidad del acero en función del carbono equivalente............................11 IMAGEN 12 Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros estructurales. ...............................................................................................................................................13 IMAGEN 13 Efecto del contenido del carbono en la ductilidad de los aceros estructurales. ...............................................................................................................................................13 IMAGEN 14 Secciones Armadas.........................................................................................19 IMAGEN 15 Áreas de cortante Av para secciones típicas....................................................21 IMAGEN 16 Características mecánicas mínimas de los aceros...........................................25

El acero estructural Primeros usos del hierro y el acero Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algún tipo de aleación de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estaño y algunos otros aditivos), los avances más importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fabricación y uso del hierro y de su famosa aleación llamada acero. Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en tonelaje de todos los metales producidos en el mundo. A pesar de los esfuerzos de los arqueólogos durante muchas décadas, no ha sido posible descubrir cuándo se usó el hierro por primera vez. Los arqueólogos encontraron una daga y un brazalete de hierro en la Gran Pirámide de Egipto y afirman que la edad de éstos era por lo menos de 5 000 años. El uso del hierro ha tenido una gran influencia en el avance de la civilización desde los tiempos más remotos y probablemente la seguirá teniendo en los siglos venideros.

IMAGEN 1Daga de hierro

Desde el principio de la Edad de Hierro, alrededor del año 1 000 a.C., el progreso de la civilización en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de enfrentamientos militares.

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El primer acero seguramente se obtuvo cuando los otros elementos necesarios para producirlo se encontraron presentes por accidente cuando se calentaba el hierro. Con el paso de los años, el acero se fabricó muy probablemente calentando hierro en contacto con carbón vegetal. La superficie del hierro absorbió algo de carbono del carbón vegetal que luego se martilló en el hierro caliente. Al repetir este proceso varias veces, se obtuvo una capa exterior endurecida de acero. Kelly y Bessemer, los responsables en producir acero por primera vez, se percataron de que un chorro de aire a través del hierro fundido quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente, también el chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el carbono y el manganeso. Después se aprendió que esos elementos podían restituirse añadiendo hierro especular, que es una aleación de hierro, carbono y manganeso. Se aprendió además que al agregar piedra caliza en el convertidor, podía removerse el fósforo y la mayor parte del azufre. Actualmente, la mayor parte de los perfiles y las placas de acero estructural que se producen en Estados Unidos se hacen fundiendo la chatarra de acero. Ésta se obtiene de automóviles viejos y de la chatarra de los perfiles estructurales, así como de refrigeradores, motores, máquinas de escribir, resortes de camas y otros artículos similares de desecho. El acero fundido se vierte en moldes que tienen aproximadamente las formas finales de los miembros. Las secciones resultantes, que se hacen pasar por una serie de rodillos para comprimirlos hasta su forma final, tienen mejor superficie y menores esfuerzos residuales que el acero recién hecho.

IMAGEN 2Placas de Acero

IMAGEN 3Perfiles Estructurales

Ventajas del acero como material estructural Alta resistencia La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación.

IMAGEN 4Puente de Akashi Kaikyō

Uniformidad Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

Elasticidad El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.

IMAGEN 5 Ley de Hooke

Durabilidad Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura.

Ductilidad La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensión altos. Cuando se prueba a tensión un acero dulce o con bajo contenido de carbono, ocurre una reducción considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino. En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitándose así fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla (algunas veces denominada en son de broma como “cuenta regresiva”).

IMAGEN 6 Ensayo de tracción

Tenacidad Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Ésta es una característica muy importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliaciones de estructuras existentes Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso a las enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se pueden ampliar los puentes de acero.

Propiedades diversas Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexión simple, como son la soldadura y los pernos; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas; e) es posible utilizarlo nuevamente después de desmontar una estructura; y f) posibilidad de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente.

Desventajas del acero como material estructural Corrosión La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosión, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosión puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosión fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cíclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciablemente cuando los miembros se usan en ambientes químicos agresivos y sometidos a cargas cíclicas. El lector debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabricación del acero.

IMAGEN 7 Corrosión del Acero

Costo de la protección contra el fuego Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en inmuebles vacíos en los que el único material combustible es el mismo inmueble. Además, el acero es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de un edificio debe protegerse mediante materiales.

Susceptibilidad al pandeo Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la mayoría de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy económico debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional, se necesita algún acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto tiende a reducir su economía.

Fatiga Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si se somete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran número de cambios en la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se tienen problemas de fatiga sólo cuando se presentan tensiones.) En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarán sometidos a un número mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto número límite.

Fractura frágil Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación. Las condiciones de esfuerzo triaxial también pueden conducir a la fractura frágil.

Propiedades mecánicas del acero estructural Las propiedades mecánicas del acero están influenciadas de manera importante por el proceso de laminación, velocidad de enfriamiento, tratamiento térmico, temperatura de servicio, deformación en frío, tipo de solicitaciones, etc., por lo que es muy conveniente analizar cada uno de estos factores para establecer los criterios de selección de la calidad y tipo de material más recomendable para una aplicación específica. Las propiedades mecánicas de los aceros son las características más importantes para su aplicación en estructuras, debido a que el diseño y la fabricación de este tipo de estructuras se basan en su conocimiento. Aunque lo que interesa principalmente al diseñador o al proyectista son las características mecánicas de los aceros estructurales, la composición química es un índice de calidad de los mismos, y puede, a parir de ésta, determinar con bastante aproximación las propiedades mecánicas.

Resistencia El acero estructural es un material homogéneo e isótropo de calidad uniforme que permite soportar grandes esfuerzos, por lo que en la mayoría de los casos se obtienen miembros con espesores relativamente pequeños en comparación con sus otras dimensiones. Estas propiedades le dan mayores niveles de seguridad a una estructura sobre todo cuando está sujeta a esfuerzos causados por cargas accidentales, principalmente sismo o viento, ya que estas fuerzas pueden ocasionar inversiones de esfuerzos. La resistencia a las diversas solicitaciones de los miembros estructurales de acero depende de la forma del diagrama esfuerzo-deformación, y particularmente de los esfuerzos de fluencia Fy y de ruptura en tensión Fu. En el diseño de una estructura se buscará el equilibrio entre fuerzas externas e internas de tal manera que se obtenga una estructura resistente a las solicitaciones actuantes. La gráfica debe mostrar una zona amplia de deformaciones crecientes bajo esfuerzo constante, con alargamiento a la ruptura no menor del 20% en probeta de 50 mm (2”) y una zona de endurecimiento por deformación, tal que la relación entre la resistencia a la ruptura en tensión y el esfuerzo de fluencia, Fu / Fy esté comprendida entre 1.2 y 1.8. La dirección en que se laminan los perfiles estructurales y placas es la de mayor interés en el diseño de las estructuras, por lo que el esfuerzo de fluencia en esa dirección, determinado por medio de ensayes estándar de tensión, es la propiedad mecánica que decide, en la mayoría de los casos, el tipo de acero que ha de emplearse.

IMAGEN 8 Gráfica esfuerzo-deformación para varios grados de acero estructural.

IMAGEN 9 Gráfica esfuerzo-deformación del acero.

Ductilidad El acero es un material dúctil por naturaleza, que tiene además un comportamiento estable bajo inversiones de carga y tiene una relación resistencia- peso conveniente. El acero puede aceptar deformaciones importantes más allá del límite elástico sin fallar, tiene pues capacidad para permitir las deformaciones inelásticas que puedan requerirse. Puede utilizarse para construir estructuras estáticamente indeterminadas que satisfagan los requisitos de diseño sísmico....