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INSTITUTO CHILENO DEL ACERO MANUAL DE DISEÑO PARA ESTRUCTURAS DE ACERO METODO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA TOMO I ARZE, RECINE Y ASOCIADOS, INGENIEROS CONSULTORES MANUAL PREPARADO EL AÑO 2000 POR EL INSTITUTO CHILENO DEL ACERO S.A. Los antecedentes contenidos en este documento se basan en prin...

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INSTITUTO CHILENO DEL ACERO

MANUAL DE DISEÑO PARA ESTRUCTURAS DE ACERO METODO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA

TOMO I

ARZE, RECINE Y ASOCIADOS, INGENIEROS CONSULTORES

MANUAL PREPARADO EL AÑO 2000 POR EL INSTITUTO CHILENO DEL ACERO S.A.

Los antecedentes contenidos en este documento se basan en principios reconocidos de la buena práctica de la ingeniería y se presentan únicamente con el carácter de información general. Si bien las informaciones pueden ser consideradas como correctas, su aplicación en proyectos de ingeniería u otros fines específicos debe hacerse bajo la responsabilidad de ingenieros, arquitectos, constructores civiles u otros técnicos competentes legalmente autorizados para ejercer su profesión. El Instituto Chileno del Acero no asume responsabilidades por la vulnerabilidad de patentes que puedan derivarse de esta publicación. No se permite la reproducción de este Manual ni ninguna parte de él sin el consentimiento escrito del Instituto Chileno del Acero.

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INDICE

CAPITULO 1

INFORMACION GENERAL

CAPITULO 2

TABLAS DE PROPIEDADES DE PERFILES

CAPITULO 3

RECOMENDACIONES PARA EL DETALLAMIENTO

CAPITULO 4

CONEXIONES

CAPITULO 5

ESPECIFICACIONES PARA EL CALCULO, FABRICACION Y CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE ACERO – METODO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA

CAPITULO 6

EJEMPLOS

CAPITULO 7

TABLAS AUXILIARES

CAPITULO 8

PRESCRIPCIONES TECNICAS GENERALES PARA LA CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE ACERO

CAPITULO 1 INFORMACION GENERAL

CAPITULO 1 INFORMACION GENERAL

INDICE Pág. 1.1

CONCEPTOS GENERALES .............................................................................. 1-1

1.2

CONTENIDO DEL MANUAL ........................................................................... 1-3

1.3

ACEROS ........................................................................................................... 1-5

1.4

DISPONIBILIDAD DE PERFILES NACIONALES E IMPORTADOS ........... 1-7

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INFORMACION GENERAL

1-1

1.

INFORMACION GENERAL

1.1

CONCEPTOS GENERALES El Instituto Chileno del Acero, (ICHA), es una institución sin fines de lucro que tiene como objetivo principal el fomento del uso racional del acero en estructuras y otras aplicaciones por medio de la investigación, el desarrollo y la transferencia de tecnologías desde los países desarrollados. Son miembros del ICHA las empresas productoras de acero y de materiales complementarios, los fabricantes y constructores, las empresas de ingeniería y los usuarios del material. Para cumplir sus objetivos el Instituto tiene en sus programas la publicación de Especificaciones de Diseño, Manuales y Textos, la modernización de Normas, publicaciones periódicas, asesorías y la organización de cursos y reuniones técnicas. El presente Manual reemplaza publicaciones anteriores, que luego de una larga y exitosa vida, han ido quedando anticuadas y obsoletas en muchas de sus partes. Para su preparación se han investigado las prácticas más modernas de producción de acero y de estructuras en los Estados Unidos, Europa y en nuestro propio país y se ha considerado su adaptación a las condiciones locales. Se le ha dado especial importancia a los siguientes aspectos: - La práctica generalizada en Europa y América del Norte de diseñar por estados límites, o factores de carga y resistencia. - La producción en Chile, en plantas modernas, de un volumen importante de perfiles conformados en frío, de planchas delgadas, hasta 6 mm. - La política mundial de igualar los precios unitarios de los aceros al carbono de baja aleación y alta resistencia con los aceros de resistencias normales. - La globalización de la industria, que ha hecho posible la entrega rápida a precios económicos de una serie limitada de perfiles laminados y de planchas. Conforme a esto, la variedad de perfiles que se incluyen en el Manual se ha incrementado sustancialmente. Las series de perfiles soldados nacionales, lo mismo que las de perfiles conformados en frío, incluyen la vasta gama de productos que actualmente ofrecen los fabricantes nacionales, con lo cual resulta posible llevar los diseños a elevados niveles de optimización. Esto ha sido hecho en consulta con los productores nacionales. Se han incluido también las series de perfiles norteamericanos y europeos, especificados normalmente en los proyectos hechos para nuestro país por proveedores extranjeros.

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INFORMACION GENERAL

1.2

1-2

NORMAS Y ESPECIFICACIONES Las actuales normas NCh 427 y NCh 428 de diseño y fabricación de estructuras de acero son anticuadas y obsoletas, razón por la cual se aplican normalmente en los proyectos, con autorización legal, las especificaciones norteamericanas AISC para estructuras pesadas y AISI para estructuras livianas, con modificaciones para cumplir los requisitos de las normas sísmicas chilenas NCh 433 para edificios y NCh 2369 para estructuras industriales. Tanto AISC como AISI tienen disposiciones de diseño por métodos alternativos, el tradicional de “Tensiones Admisibles” (Allowable Stress Design ASD) y el más moderno de “Factores de Carga y Resistencia” (Load & Resistance Factor Design LRFD). Ambas especificaciones recomiendan el diseño por Factores de Carga y Resistencia, que es más racional y hace posible, en general, proyectos más económicos y seguros. Agregan que la alternativa de Tensiones Admisibles no se mantendrá al día con los avances tecnológicos y que se dejará de usar probablemente el año 2001. Es interesante hacer presente que una situación similar se presentó hace varios años con las normas de hormigón armado ACI, que mantuvo las tensiones admisibles como alternativa durante un período de transición, que tanto en Chile como en el exterior está superado. Se puede agregar que tanto en Europa como en Canadá, desde hace varios años, se usa el método de Factores de Carga y Resistencia únicamente. Por las razones citadas, las tablas y disposiciones técnicas de este manual se basan en el método LRFD, con las modificaciones necesarias para cumplir las normas sísmicas chilenas. El ICHA, además, ha preparado las “Especificaciones para el Cálculo, Fabricación y Construcción de Estructuras de Acero – Método de Factores de Carga y Resistencia” que se presenta con ejemplos de aplicación, en los Capítulos 5 y 6. Dichas especificaciones consideran las recomendaciones de AISC y AISI, los requisitos de las Normas Sísmicas Chilenas y disposiciones de la práctica nacional de diseño que ha sido probada con éxito en los últimos 40 años. Tomando como base estas especificaciones se presentarán proyectos de modificación de las NCh 427 y 428 al Instituto Nacional de Normalización. Reconociendo el hecho de que durante el período de transición va a ser necesario utilizar también el método de las Tensiones Admisibles, en las tablas de propiedades de perfiles del Capítulo 2 se incluyen todos los parámetros relevantes para el diseño según dicho sistema, además de los factores Qs, Qa y Sef para perfiles esbeltos.

1.3

CONTENIDO DEL MANUAL

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INFORMACION GENERAL

1-3

El presente Manual consta de las siguientes partes: Capítulo 1 -

Información General

Capítulo 2 -

Tablas de propiedades de Perfiles Nacionales soldados, plegados y laminados; Perfiles serie AISC; Perfiles Europeos; Perfiles Especiales, Planchas para techos, muros y pisos y Parrillas de piso.

Capítulo 3 -

Recomendaciones para el detallamiento.

Capítulo 4 -

Conexiones. Tablas de resistencia.

Capítulo 5 -

Especificaciones para el Cálculo, Fabricación y Construcción de Estructuras de Acero - Método de Factores de Carga y Resistencia.

Capítulo 6 -

Ejemplos.

Capítulo 7 -

Tablas auxiliares.

Capítulo 8 -

Prescripciones Técnicas Generales para la Construcción de Estructuras de Acero.

En el Capítulo 3, Recomendaciones para el Detallamiento, se entregan esquemas representativos de soluciones típicas de conexiones, empalmes, holguras y configuración de miembros armados, con indicación de los límites de distancias o esbelteces de componentes que establece la Especificación. En el Capítulo 4, Conexiones, se entregan tablas de resistencia de pernos, de soldaduras, de conexiones apernadas y soldadas de varias configuraciones y tablas con las soldaduras precalificadas según el código AWS. Las tablas mayoritariamente han sido extraídas del Manual de Diseño AISC, Método LRFD y reproducidas tal como aparecen en él, con la autorización del AISC. En las tablas de resistencia de conexiones soldadas y apernadas se ha utilizado el Método del Centro Instantáneo de Rotación, que permite cargas más elevadas que las obtenidas con los métodos tradicionales. El Capítulo 5, entrega el texto completo de la Especificación propuesta, con todos sus Apéndices. El Capítulo 6, entrega un conjunto de Ejemplos, didácticamente concebidos para ilustrar la aplicación de las disposiciones de la Especificación y para entregar comentarios sobre aspectos que a veces están sujetos a interpretación. En el Capítulo 7, Tablas Auxiliares, se entregan las fórmulas que definen los parámetros geométricos que se han incluido en las Tablas de Propiedades de Perfiles para posibilitar el cálculo con el Método de Factores de Carga y Resistencia, sobre

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INFORMACION GENERAL

1-4

todo los de determinación más compleja, además de tablas con fórmulas para vigas y otras con información de uso corriente. En el Capítulo 8 se presentan las “Prescripciones Técnicas Generales para la Construcción de Estructuras de Acero”, que regulan las relaciones entre los diversos agentes relacionados con la adquisición, diseño, fabricación y montaje de estructuras de acero, definen lo que se entiende por acero estructural, establecen las condiciones y tolerancias que se deben respetar en la fabricación y montaje de las estructuras de acero, detallan las responsabilidades relativas al control de calidad, precisan algunos contenidos indispensables de los contratos y definen los requisitos adicionales para los elementos arquitectónicamente expuestos. 1.4

ACEROS a)

Los aceros de uso estructural en Chile para uso en construcciones sismorresistentes, de acuerdo al acápite 4.3.1 de la Especificación, deben cumplir los siguientes requisitos: - Tener en el ensayo de tracción una meseta de ductilidad natural, un cuociente entre la resistencia a la rotura y el límite de fluencia comprendido entre 1,2 y 1,8 y alargamiento de rotura mínimo de 20% en la probeta de 50 mm. - Soldabilidad garantizada según las normas AWS D1.1 y NCh 203. - Tenacidad mínima de 27 Joules a 21°C en el ensayo de Charpy hecho según ASTM A6-S5 y ASTM A673, si van a ser utilizados en estructuras sismorresistentes o expuestas a bajas temperaturas. - Límite de fluencia no superior a 450 MPa.

b)

La NCh 203, redactada originalmente en 1968, contempla 3 grados de aceros que se producían en Chile en planchas gruesas y delgadas: − A37.24 equivalente a ASTM-A7. − A42.27 equivalente a ASTM-A36. − A52.34 sin equivalencia. Desde 1968 la situación ha cambiado como sigue: − − − −

ASTM A7 dejó de producirse. Las planchas gruesas se importan en calidad ASTM A36. El uso de acero de alta resistencia y baja aleación es cada vez mayor. Las calidades recomendadas para construcciones sismorresistentes son ASTM A36 y ASTM A572 Grado 50 complementadas con los requisitos de 4.3.

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INFORMACION GENERAL

1-5

Considerando lo anterior y para facilitar las posibles exportaciones de estructuras y disminuir los inventarios, ICHA está presentando al INN proyectos de modificación de la NCh 203 con dos calidades únicas equivalentes a ASTM A36 y A572-Gr. 50. Para facilitar los diseños en el tiempo necesario para los cambios, este Manual considera la posibilidad de uso de A37.24, A42.27, A52.34 y ASTM de 36 y 50 ksi. Se recomienda no proyectar con A37.24. Además está normalizado en Chile el acero NCh Y49-35ES, patinable, que equivale aproximadamente al ASTM A252. Estos aceros satisfacen los requerimientos que se resumen en las tablas siguientes: Aceros al carbono de Especificación Nacional: CARACTERÍSTICAS Resistencia a tracción Límite de fluencia,mín Alargamiento de Rotura, en probeta de 50 mm

Diámetro del Cilindro para ensayo de doblado a 180°

Espesor, e, a que se aplica mm

UNIDAD

Todos e≤16 160,45, algunas almas pueden clasificar como esbeltas. Ver tabla 5.5.1 de la Especificación. DISEÑO POR TENSIONES ADMISIBLES : - Flexión simple : usar Q s tabulado y Q a =1. - Flexión compuesta o compresión : usar Q s tabulado y f=F Y para determinar Q a .

bf

x

h

k

PERFILES SOLDADOS SECCIONES H

s x

bf y

TABLA 2.1.1

tf

y

d

x

x tw

tw

DESIGNACIÓN d x

b f x Peso

DIMENSIONES ÁREA tf

tw

h

A

EJE X - X I X /10

6

S X /10

3

EJE Y - Y

r X Z X /10

3

I Y /10

6

S Y /10

3

ESBELTEZ ALA ALMA r Y Z Y /10

3

ia

it

b f /2t f

Qs

mm x mm x kgf/m

mm mm mm

mm 2

mm 4

mm 3 mm

H

200 x 150 x

54.6 53.4 50.1 48.8 45.6 44.3 41.1 39.7 35.2 30.6 26.1

20 20 18 18 16 16 14 14 12 10 8

6 5 6 5 6 5 6 5 5 5 5

160 160 164 164 168 168 172 172 176 180 184

6960 6800 6384 6220 5808 5640 5232 5060 4480 3900 3320

50.8 50.5 47.1 46.7 43.1 42.7 38.9 38.5 34.1 29.5 24.7

508 505 471 467 431 427 389 385 341 295 247

H

200 x 100 x

30.1 28.7 25.7 22.8 19.8 16.8 15.3

14 14 12 10 8 6 5

6 5 5 5 5 5 5

172 172 176 180 184 188 190

3832 3660 3280 2900 2520 2140 1950

26.8 26.4 23.5 20.5 17.3 14.1 12.4

268 264 235 205 173 141 124

TORSIÓN Y ALABEO

h/t w

mm 3

mm 4

mm 3

mm

mm 3

mm

mm

-

-

85.5 86.2 85.9 86.6 86.1 87.0 86.3 87.2 87.3 87.0 86.3

578 572 532 525 484 477 435 428 377 326 273

11.3 11.3 10.1 10.1 9.00 9.00 7.88 7.88 6.75 5.63 4.50

150 150 135 135 120 120 105 105 90.0 75.0 60.0

40.2 40.7 39.8 40.3 39.4 40.0 38.8 39.5 38.8 38.0 36.8

226 226 204 204 182 181 159 159 136 114 91.2

47.0 47.2 46.4 46.6 45.7 45.9 45.0 45.2 44.5 43.7 42.7

15.0 15.0 13.5 13.5 12.0 12.0 10.5 10.5 9.00 7.50 6.00

3.8 3.8 4.2 4.2 4.7 4.7 5.4 5.4 6.3 7.5 9.4

83.6 84.9 84.7 84.1 83.0 81.1 79.6

305 297 264 231 196 161 143

2.34 2.34 2.00 1.67 1.34 1.00 0.84

46.7 46.7 40.0 33.4 26.7 20.0 16.7

24.7 25.3 24.7 24.0 23.0 21.6 20.7

71.5 71.1 61.1 51.1 41.2 31.2 26.2

29.5 29.8 29.2 28.5 27.7 26.7 26.0

7.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.50

3.6 3.6 4.2 5.0 6.3 8.3 10.0

- Q s y Q a tabulados corresponden a perfil trabajando en compresión. - Valor de Q a está determinado para cálculo de tensiones. - Valor de Q a ó Q s no indicado, significa valor unitario. - Para F Y < 345 MPa, Q s =1 en todos los perfiles de la tabla. DISEÑO POR MFCR : - Para valores de f distintos de los tabulados, ver tabla 2.4.3 ó interpolar linealmente con el siguiente margen de error : - si f < 55 MPa, Q a = 1, sin error

y

PANDEO LOCAL* Qa

F y , MPa

* PANDEO LOCAL

k

GEOMETRÍA DE LA SECCIÓN Y PROPIEDADES PARA EL DISEÑO

y

H

T

8

J/10

4

C w /10

SOLD. AUTO.

12

√EC w /GJ

X1

X 2 x10

MPa

(1/MPa)2

mm 4

mm 6

S

f , MPa

345

55

100

200

310

mm

mm

26.7 32.0 27.3 32.8 28.0 33.6 28.7 34.4 35.2 36.0 36.8

-

-

-

-

-

40834 40498 36183 35830 31738 31356 27508 27080 23011 19177 15650

213 213 346 347 590 595 1062 1081 2116 4534 10786

81.3 80.8 59.6 59.1 42.3 41.7 28.8 28.2 18.1 10.8 5.92

0.0911 0.0911 0.0838 0.0838 0.0762 0.0762 0.0681 0.0681 0.0596 0.0508 0.0415

540 542 605 607 684 689 784 792 927 1106 1350

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

28.7 34.4 35.2 36.0 36.8 37.6 38.0

-

-

-

-

0.993

28243 27639 23589 19806 16394 13615 12645

1081 1110 2163 4569 10473 24658 35934

19.6 19.1 12.3 7.46 4.21 2.25 1.65

0.0202 0.0202 0.0177 0.0150 0.0123 0.0094 0.0079

517 525 611 724 871 1043 1119

4 4 4 4 4 4 4

- si f ≥ 55 MPa, error en Q a varía hasta en ± 3 % - Flexión simple : - perfil con esbeltez de ala sombreada es no compacto para acero con F Y =345 MPa, pero tiene M n ≥0,92M p . - si se usa acero con F Y ≤ 265 MPa, los perfiles de la tabla clasifican como compactos. - Flexión compuesta : ningún ala de perfil de la tabla clasifica como esbelta. Además, si P u /φ b P Y ≤0,45 ningún alma clasifica como esbelta. Si P u /φ b P Y >0,45, algunas almas pueden clasificar como esbeltas. Ver tabla 5.5.1 de la Especificación. DISEÑO POR TENSIONES ADMISIBLES : - Flexión simple : usar Q s tabulado y Q a =1. - Flexión compuesta o compresión : usar Q s tabulado y f=F Y para determinar Q a .

bf s x

x

h

bf y

TABLA 2.1.2

tf

y

k

PILOTES SOLDADOS SECCIONES PH

d

x

x

tw

tw

DESIGNACIÓN d x

DIMENSIONES ÁREA

b f x Peso

tf

tw

h

I X /10

mm 4

350 356 360 364 368 372 376

28750 25432 23200 20952 18688 16408 14112

22 20 18 16 14 12 10

306 310 314 318 322 326 330

20 18 16 14 12 10

20 18 16 14 12 10

16 14 12 10

16 14 12 10

S X /10

3

EJE Y - Y

r X Z X /10

3

I Y /10

6

S Y /10

3

ESBELTEZ ALA ALMA r Y Z Y /10

3

ia

it

b f /2t f

y

PANDEO LOCAL* Qs

TORSIÓN Y ALABEO

h/t w

8

J/10

4

X1

X 2 x10

MPa

(1/MPa)2

mm 4

mm 6

F y , MPa

C w /10

12

SOLDADURA AUTOMATICA

√EC w /GJ

S<...