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DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO QUINTA EDICIÓN JACK C. McCORMAC STEPHEN F. CSERNAK Al cuidado de la edición: Luz Ángeles Lomelí Díaz Datos catalográficos [email protected] McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. Diseño de Estructuras de Acero. Gerente Editorial: Quinta Edición Marcelo Grillo ...

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DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO QUINTA EDICIÓN

JACK C. McCORMAC STEPHEN F. CSERNAK

Al cuidado de la edición: Luz Ángeles Lomelí Díaz [email protected] Gerente Editorial: Marcelo Grillo Giannetto [email protected]

Datos catalográficos McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. Diseño de Estructuras de Acero. Quinta Edición Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C. V., México ISBN: 978 607 707 559 2 Formato: 17 ⫻ 23 cm

Páginas: 736

Diseño de Estructuras de Acero. Jack C. McCormac, Stephen F. Csernak. ISBN: 978- 0-13- 607948-4 edición original en inglés “Structural Steel Design”, Fifth Edition, publicada por Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey, USA. Derechos reservados © Pearson Education, Inc. Quinta edición: Alfaomega Grupo Editor, México, Diciembre 2012 © 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras No. 1139, Col. Del Valle, 03100, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Página Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: [email protected] ISBN: 978 607 707 559 2 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. NOTA IMPORTANTE: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR S.A de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Impreso en México. Printed in Mexico. Empresas del grupo: México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. – Pitágoras 1139, Col. Del Valle, México, D.F. C.P. 03100, Tel.: (52-55) 55 75 50 22 – Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: [email protected] Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. – Carrera 15 No. 64 A 29, Bogotá, Colombia, Tel.: (57-1) 2100122 – Fax: (57-1) 6068648, E-mail: [email protected] Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – General del Canto 370, Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 947-9351 – Fax: (56-2) 235-5786, E-mail: [email protected] Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. Of.11, C.P. 1057, Buenos Aires, Argentina, Tel/Fax.: (54-11) 4811-0887/ 7183, E-mail: [email protected]

Prefacio Este libro de texto se ha preparado con la esperanza de que los lectores, al igual que muchos ingenieros en el pasado, se interesen en el diseño de las estructuras de acero y tengan la intención de mantener e incrementar su conocimiento de la materia a lo largo de sus carreras en la ingeniería y en las industrias de la construcción. El material se preparó primordialmente para un curso introductorio en el primero y segundo años de la carrera, pero los últimos capítulos se pueden usar para un curso de posgrado. Los autores esperan que el estudiante haya tomado cursos introductorios previos de mecánica de materiales y de análisis estructural. El principal objetivo de los autores en la preparación de esta nueva edición fue actualizar el texto conforme a la Specification for Structural Steel Buildings de 2010 (Especificación para edificios de acero estructural de 2010) del American Institute of Steel Construction (AISC) y conforme a la 14a. edición del AISC Steel Construction Manual (Manual de construcción en acero del AISC) que se publicó en 2011.

LO QUE ES NUEVO EN ESTA EDICIÓN En esta edición se hicieron varios cambios en el texto del libro: 1. Al final del Capítulo 1 se ha agregado una sección de Problemas para resolver. 2. Los factores de carga y las combinaciones de carga que se definen en el Capítulo 2 del libro de texto y que se usan a lo largo del mismo en los problemas de ejemplo y en los problemas para resolver al final de los capítulos, se han revisado para que concuerden con aquellos dados en el Apartado 7-10 de ASCE y en la Parte 2 del Manual de construcción de acero del AISC. 3. La clasificación de las secciones en compresión para el pandeo local que se definen en el Capítulo 5 del libro de texto se ha revisado conforme a la nueva definición dada en la Sección B4.1 de la Especificación del AISC. Para la compresión, ahora las secciones se clasifican como secciones de elemento no esbelto y elemento esbelto. 4. La Especificación del AISC proporciona varios métodos para tratar el análisis de estabilidad y el diseño de las vigas-columnas. En el Capítulo 7 del libro de texto, todavía se usa el Método de la longitud efectiva (MLE), aun cuando se ha añadido una breve introducción al Método del análisis directo (MD). Se presenta un estudio más detallado del MD en el Capítulo 11 del libro. 5. En el Capítulo 11 del libro de texto, se presentan tanto el Método del análisis directo como el Método de la longitud efectiva para el análisis y el diseño de las vigas-columnas. Esto es para solventar el hecho de que la presentación del Método del análisis directo se pasó de un apéndice al Capítulo C de la nueva Especificación el AISC, mientras que el Método de la longitud efectiva se pasó del Capítulo C al Apéndice 7. 6. Se ha revisado la mayoría de los Problemas para resolver al final de los capítulos en los Capítulos 2 al 11. Para los Capítulos 12 al 18 se ha revisado aproximadamente la mitad de los problemas. 7. Se han actualizado diversas fotografías a lo largo del libro de texto. Alfaomega

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Prefacio

RECURSOS DEL PROFESOR El libro contiene los siguientes recursos en la web: •

Manual de soluciones. Aquí se encuentran las soluciones de problemas propuestos en 18 capítulos de la obra.

•

Figuras en formato PowerPoint. Se encuentran las figuras de todos los capítulos y apéndices del texto, para la creación de diapositivas para clases y conferencias.

Este material sólo podrá ser descargado por los profesores que hayan adoptado el libro como texto para sus cursos y para lo cual deberán ponerse en contacto con un representante de Alfaomega Grupo Editor.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al Dr. Bryant G. Nielson de la Universidad Clemson por su ayuda para plantear los cambios de este manuscrito y a Sara Elise Roberts, quien fue estudiante de posgrado de la Universidad Clemson por su ayuda en la revisión de los problemas al final de los capítulos y sus soluciones. Además, el American Institute of Steel Construction prestó una ayuda muy valiosa al proveer ejemplares inéditos de las revisiones de la Especificación del AISC y del Manual de construcción en acero del AISC. Finalmente, nos gustaría agradecer a nuestras familias por su aliento y apoyo en la revisión del manuscrito de este libro de texto. También agradecemos a los revisores y a los lectores de las ediciones anteriores de este libro por sus sugerencias, correcciones y observaciones. Damos la bienvenida a cualquier comentario acerca de esta edición. Jack C. McCormac, P. E. Stephen F. Csernak, P. E.

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Contenido

Prefacio

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CAPÍTULO 1 Introducción al diseño estructural en acero 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 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21

Ventajas del acero como material estructural Desventajas del acero como material estructural Primeros usos del hierro y el acero Perfiles de acero Unidades métricas Perfiles de lámina delgada de acero doblados en frío Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural Aceros estructurales modernos Uso de los aceros de alta resistencia Medición de la tenacidad Secciones jumbo Desgarramiento laminar Suministro de estructuras de acero El trabajo del diseñador estructural Responsabilidades del ingeniero estructurista Diseño económico de miembros de acero Fallas en estructuras Manejo y embarque del acero estructural Exactitud de los cálculos Las computadoras y el diseño del acero estructural Problemas para resolver

CAPÍTULO 2 Especificaciones, cargas y métodos de diseño 2.1 2.2 2.3 2.4 Alfaomega

Especificaciones y códigos de construcción Cargas Cargas muertas Cargas vivas

1 1 3 4 7 12 12 13 19 22 24 26 26 27 30 31 31 34 37 37 37 39 39 39 41 41 42

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Contenido

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15

Cargas ambientales Diseño con factores de carga y resistencia (LRFD) y diseño por esfuerzos permisibles (ASD) Resistencia nominal Sombreado Cálculo de las cargas para los métodos LRFD y ASD Cálculo de las cargas combinadas con las expresiones de LRFD Cálculo de cargas combinadas con expresiones ASD Dos métodos para obtener un nivel aceptable de seguridad Estudio de la magnitud de los factores de carga y de seguridad Un comentario del autor Problemas para resolver

CAPÍTULO 3 Análisis de miembros a tensión 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Introducción Resistencia nominal de los miembros a tensión Áreas netas Efecto de agujeros alternados Áreas netas efectivas Elementos de conexión para miembros a tensión Bloque de cortante Problemas para resolver

CAPÍTULO 4 Diseño de miembros a tensión 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Selección de perfiles Miembros compuestos sometidos a tensión Varillas y barras Miembros conectados por pasadores Diseño por cargas de fatiga Problemas para resolver

CAPÍTULO 5 Introducción a los miembros cargados axialmente a compresión 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Consideraciones generales Esfuerzos residuales Perfiles usados para columnas Desarrollo de las fórmulas para columnas La fórmula de Euler Restricciones en los extremos y longitud efectiva de una columna Elementos rigidizados y no rigidizados Columnas largas, cortas e intermedias Fórmulas para columnas

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45 51 52 52 52 53 57 59 59 60 60 62 62 65 67 69 74 84 85 94 103 103 111 115 120 122 125 129 129 132 133 137 139 141 144 145 148

Alfaomega

Contenido

5.10 5.11 5.12

Relaciones de esbeltez máximas Problemas de ejemplo Problemas para resolver

CAPÍTULO 6 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11

Introducción Tablas de diseño según el AISC Empalmes de columnas Columnas compuestas Columnas compuestas con componentes en contacto entre sí Requisitos de conexión en columnas armadas cuyas componentes están en contacto Columnas compuestas con componentes sin contacto entre sí Miembros en compresión de un solo ángulo Secciones que contienen elementos esbeltos Pandeo flexotorsional de miembros a compresión Problemas para resolver

vii

150 150 158 163 163 166 171 174 175 176 182 187 189 191 196

CAPÍTULO 7 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión (continuación) y placas de base para columnas 200 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

Introducción Una exposición más amplia de las longitudes efectivas Marcos que cumplen con las hipótesis de los nomogramas Marcos que no cumplen con las hipótesis de los nomogramas con respecto a los giros de los nudos Factores de reducción de la rigidez Diseño en un plano de columnas apoyadas entre sí Placas base para columnas cargadas concéntricamente Problemas para resolver

CAPÍTULO 8 Introducción al estudio de vigas 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 Alfaomega

Tipos de vigas Perfiles usados como vigas Esfuerzos de flexión Articulaciones plásticas Diseño elástico El módulo plástico Teoría del análisis plástico El mecanismo de falla El método del trabajo virtual

200 201 205 208 211 215 218 232 237 237 237 238 239 240 240 243 244 245

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Contenido

8.10 8.11 8.12 8.13

Localización de la articulación plástica para cargas uniformes Vigas continuas Marcos de edificios Problemas para resolver

CAPÍTULO 9 Diseño de vigas por momentos 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10

Diseño de vigas continuas Fuerza y esfuerzo cortante Deflexiones Almas y patines con cargas concentradas Flexión asimétrica Diseño de largueros El centro de cortante Placas de asiento para vigas Arriostramiento lateral de los extremos de miembros soportados sobre placas de asiento Problemas para resolver

CAPÍTULO 11 Flexión y fuerza axial 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10

263

Introducción Comportamiento plástico – momento plástico total, zona 1 Diseño de vigas, zona 1 Soporte lateral de vigas Introducción al pandeo inelástico, zona 2 Capacidad por momento, zona 2 Pandeo elástico, zona 3 Gráficas de diseño Secciones no compactas Problemas para resolver

CAPÍTULO 10 Diseño de vigas: temas diversos (cortante, deflexión, etcétera)

Sitio de incidencia Miembros sujetos a flexión y tensión axial Momentos de primer y segundo orden para miembros sometidos a compresión axial y flexión Método del análisis directo (DM) Método de la longitud efectiva (ELM) Análisis aproximado de segundo orden Vigas–columnas en marcos arriostrados Vigas–columnas en marcos no arriostrados Diseño de vigas–columnas; arriostradas y sin arriostrar Problemas para resolver

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249 250 252 254

263 266 267 275 277 281 283 285 290 295 302 302 304 310 316 324 327 330 335 339 340 346 346 347 350 352 353 354 359 371 378 386

Alfaomega

Contenido

CAPÍTULO 12 Conexiones atornilladas 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 12.12 12.13 12.14 12.15

390

Introducción Tipos de tornillos Historia de los tornillos de alta resistencia Ventajas de los tornillos de alta resistencia Tornillos apretados sin holgura, pretensionados y de fricción Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia Conexiones tipo fricción y tipo aplastamiento Juntas mixtas Tamaños de los agujeros para tornillos Transmisión de carga y tipos de juntas Fallas en juntas atornilladas Separación y distancias a bordes de tornillos Conexiones tipo aplastamiento: cargas que pasan por el centro de gravedad de las conexiones Conexiones tipo fricción: cargas que pasan por el centro de gravedad de las conexiones Problemas para resolver

CAPÍTULO 13 Conexiones atornilladas cargadas excéntricamente y notas históricas sobre los remaches 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9

Tornillos sujetos a corte excéntrico Tornillos sujetos a corte y tensión (conexiones tipo aplastamiento) Tornillos sujetos a corte y tensión (conexiones de fricción) Cargas de tensión en juntas atornilladas Acción separadora Notas históricas sobre los remaches Tipos de remaches Resistencia de conexiones remachadas: remaches en cortante y aplastamiento Problemas para resolver

CAPÍTULO 14 Conexiones soldadas 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 Alfaomega

ix

390 390 391 392 392 396 398 399 400 401 404 405 408 419 423 430 430 444 447 448 451 454 455 457 461 469

Generalidades Ventajas de la soldadura Sociedad Americana de Soldadura Tipos de soldadura Soldadura precalificada Inspección de la soldadura

469 470 471 471 475 475

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Contenido

14.7 14.8 14.9 14.10 14.11 14.12 14.13 14.14 14.15 14.16 14.17 14.18 14.19 14.20 14.21

Clasificación de las soldaduras Símbolos para soldadura Soldaduras de ranura Soldaduras de filete Resistencia de las soldaduras Requisitos del AISC Diseño de soldaduras de filete simples Diseño de conexiones para miembros con soldaduras de filete longitudinal y transversal Algunos comentarios diversos Diseño de soldaduras de filete para miembros de armaduras Soldaduras de tapón y de muesca Cortante y torsión Cortante y flexión Soldaduras de ranura de penetración completa y de penetración parcial Problemas para resolver

CAPÍTULO 15 Conexiones en edificios 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10 15.11 15.12 15.13

478 480 482 484 485 486 491 497 498 499 503 506 513 515 519 528

Selección del tipo de sujetador Tipos de conexiones para vigas Conexiones estándar de vigas atornilladas Tablas de conexiones estándar del manual AISC Diseño de conexiones estándar atornilladas a base de ángulos Diseño de conexiones estándar soldadas Conexiones a base de una sola placa o de placa de cortante Conexiones con placa de extremo de cortante Diseño de conexiones soldadas de asiento para vigas Diseño de conexiones para viga de asiento atiesado Diseño de conexiones resistentes a momento totalmente restringido Atiesadores de almas de columnas Problemas para resolver

528 529 536 539 539 542 544 547 548 550 551 555 558

CAPÍTULO 16 Vigas compuestas

562

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7

562 563 565 566 567 570 570

Construcción compuesta Ventajas de la construcción compuesta Estudio del apuntalamiento Anchos efectivos de patines Transmisión de la fuerza cortante Vigas parcialmente compuestas Resistencia de los conectores de cortante

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Contenido

16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14

Número, espaciamiento y requerimientos de recubrimiento de los conectores de cortante Capacidad por momento de las secciones compuestas Deflexiones Diseño de secciones compuestas Secciones compuestas continuas Diseño de secciones ahogadas en concreto Problemas para resolver

CAPÍTULO 17 Columnas compuestas 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 17.10 17.11 17.12

Introducción Ventajas de las columnas compuestas Desventajas de las columnas compuestas Soporte lateral Especificaciones para columnas compuestas Resistencias de diseño de columnas compuestas cargadas axialmente Resistencia al cortante de las columnas compuestas Tablas de los métodos LRFD y ASD Transmisión de la carga a la cimentación y otras conexiones Resistencia a la tensión de las columnas compuestas Carga axial y flexión Problemas para resolver

Vigas con cubreplacas Trabes armadas Proporciones de las trabes armadas Resistencia a la flexión Acción de tensión diagonal Diseño de atiesadores Problemas para resolver

CAPÍTULO 19 Diseño de edificios de acero 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 Alfaomega

571 573 578 579 588 589 592 596

CAPÍTULO 18 Vigas con cubreplacas y trabes armadas 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7

xi

Introducción a edificios de poca altura Tipos de estructuras de acero utilizadas para edificios Diferentes sistemas de piso Losas de concreto sobre viguetas de acero de alma abierta Losas de concreto reforzadas en una y en dos direcciones Pisos compuestos Pisos de losa reticular Pisos con tableros de acero Losas planas

596 597 599 599 600 602 607 608 609 610 610 610 613 613 616 618 624 629 634 640 642 642 642 646 647 650 651 652 653 655

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Contenido

19.10 19.11 19.12 19.13 19.14 19.15 19.16 19.17 19.18 19.19 19.20

Pisos de losas precoladas Tipos de cubiertas para techos Muros exteriores y muros interiores divisorios Protección del acero estru...