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“CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE ACERO” LIBRO DE TEXTO O PROTOTIPO DIDACTICO (OPCION II) MARCOS GREGORIO HERNANDEZ DE LA CRUZ TAPACHULA, CHIAPAS A ENERODE 2008 CONTENIDO INTRODUCCION 1 CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS. 1.1. Estructuración. 2 1.2 Revisión e interpretación de planos estructural...

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"CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE ACERO" LIBRO DE TEXTO O PROTOTIPO DIDACTICO (OPCION II Giovanna Perez Ventura

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“CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE ACERO”

LIBRO DE TEXTO O PROTOTIPO DIDACTICO (OPCION II)

MARCOS GREGORIO HERNANDEZ DE LA CRUZ

TAPACHULA, CHIAPAS A ENERODE 2008

CONTENIDO

INTRODUCCION

1

CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS. 1.1. Estructuración.

2

1.2 Revisión e interpretación de planos estructurales.

10

1.3 Procedimientos de construcción.

14

CAPITULO 2. DETALLES CONSTRUCTIVOS. 2.1. En vigas.

23

2.2. En columnas.

30

2.3. En nodos.

41

CAPITULO 3. CONEXIONES. 3.1. Soldadas. Control de calidad.

44

3.2. Remachadas. Control de calidad.

59

3.3. Atornilladas. Control de calidad.

62

CAPITULO 4. PLACAS. 4.1. De asiento.

70

4.2. De base.

71

CAPITULO 5. FABRICACION Y MONTAJE. 5.1 En taller.

77

5.2 En campo.

80

5.3 Equipo para montaje.

82

5.4 Procedimiento de montaje.

92

CONCLUSION

102

BIBLIOGRAFIA

103

2

INTRODUCCION.

El acero es el material estructural mas usado para la construcción de estructuras en el mundo. Es un material usado para la construcción de estructuras de gran resistencia, producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas está la gran resistencia a tensión y compresión y el costo razonable.

Este libro de Construcción de estructuras de acero, ha sido desarrollado para complementar las enseñanzas impartidas en la carrera de ingeniería civil, y como un material de apoyo para los estudiantes.

La materia se divide en cinco unidades. La primera se trata de cómo está estructurado los procesos para la realización de una obra cien por ciento de acero; y a su vez saber revisar e interpretar los planos estructurales.

En la unidad dos se definen los detalles constructivos que se ven en los elementos principales de estructuras de acero; que son vigas y columnas. La unidad tres trata los diferentes tipos de conexiones utilizadas para la unión del acero.

La cuarta unidad se refiere a la placa base y placa de asiento; las cuales son utilizadas para distribuir las reacciones que producen las vigas y las columnas. Y la última unidad se trata de la fabricación y montaje de estructuras de aceros; en la cual denota como debe ser la fabricación y montaje tanto en el taller como en el campo y todos los materiales y equipos necesarios para poder montar todos los miembros estructurales.

1

CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS

1.1 ESTRUCTURACION

1.1.1 EL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

El acero es uno de los más importantes materiales estructurales. Entre sus propiedades de particular importancia en los usos estructurales, están la alta resistencia, comparada con cualquier otro material disponible, y la ductilidad. Ductilidad es la capacidad que tiene el material de deformarse sustancialmente ya sea a tensión o compresión antes de fallar. Otras ventajas importantes en el uso del acero son su amplia disponibilidad y durabilidad, particularmente con una modesta cantidad de protección contra el intemperismo.

El acero se produce por la refinación del mineral de hierro y metales de desecho, junto con agentes fundentes apropiados, coke (para el carbono) y oxígeno, en hornos a alta temperatura, para producir grandes masas de hierro llamadas arrabio de primera fusión. El arrabio se refina aún más para remover el exceso de carbono y otras impurezas y/o se alea con otros metales como cobre, níquel, cromo, manganeso, molibdeno, fósforo, sílice, azufre, titanio, columbio, y vanadio, para producir las características deseadas de resistencia, ductilidad, soldadura y resistencia a la corrosión.

Los lingotes de acero obtenidos de este proceso pasan entre dos 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 sección transversal. Desde aquí, se envía el producto a otros molinos laminadores para producir el perfil geométrico final de la sección, incluyendo perfiles estructurales así como barras, alambres, tiras, placas y tubos. El proceso de laminado, además 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 depósitos, según se soliciten.

El fabricante de estructuras de acero trabaja con los planos de ingeniería o arquitectura para producir dibujos detallados de taller, de los que se obtienen las dimensiones requeridas para cortar, aserrar, o cortar con flama, los perfiles al tamaño pedido y localizar 2

con exactitud los agujeros para barrenar o punzonar. Los dibujos originales también indican el acabado necesario de la superficie de las piezas cortadas. Muchas veces se arman las piezas en el taller para determinar si se tiene el ajuste apropiado. Las piezas se marcan para facilitar su identificación en el campo y se embarcan las piezas sueltas o armadas parcialmente hasta el sitio de la obra para su montaje. El montaje en el sitio la ejecuta a menudo el propio fabricante, pero la puede hacer el contratista general.

Entre las más importantes propiedades estructurales del acero se tienen las siguientes:

1. Módulo de elasticidad (E). El rango típico para todos los aceros (relativamente independiente de la resistencia de fluencia) es de 2039000 Kg./cm2 2. Módulo de cortante (G). El módulo de cortante de cualquier material elástico se calcula como G = E / 2(1+ ) Donde

= coeficiente de Poisson que se toma como 0.3 para el acero.

3. Coeficiente de expansión térmica, (α). El coeficiente de expansión térmica puede tomarse como α= 11.25 X 10-6por°C L = α (Tf — Ti)L

(pies o metros, dependiendo de la longitud L)

L = Incremento de longitud. Tf = Temperatura final

Ti = Temperatura inicial. L = Longitud

En estas ecuaciones, la temperatura está en grados Celsius. Para convertir de Fahrenheit a Celcius, se usa

C = 5/9 ( F-32 )

4. Punto de fluencia y resistencia última. En la tabla 1.1 se dan los puntos de fluencia de los varios grados de acero que interesan al ingeniero estructural, y que se producen en las fábricas de acero.

3

4

1.1.2 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

La supuesta perfección de este metal, tal vez el más versátil de todos los materiales estructurales, parece más razonable cuando se considera su gran resistencia, poco peso, facilidad de fabricación y otras propiedades convenientes. Estas y otras ventajas del acero estructural se analizarán en detalle en los siguientes apartados.

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.

Uniformidad

Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en 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, gracias a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.

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.

5

Ductilidad

La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Cuando se prueba a tensión un acero 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 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.

Tenacidad

Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aún capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una característica muy importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su formación 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 adiciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con frecuencia pueden ampliarse.

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Propiedades diversas

Otras ventajas importantes del acero estructural son: a) Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexión como son la soldadura, los tornillos y los remaches. b) Posibilidad de prefabricar los miembros. c) Rapidez de montaje. d) Gran capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas. e) Resistencia a la fatiga. f) Reuso posible después de desmontar una estructura. g) Posibilidad de venderlo como "chatarra" aunque no pueda utilizarse en su forma existente. El acero es el material reutilizable por excelencia.

1.1.3

DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

En general el acero tiene las siguientes desventajas:

Costo de mantenimiento

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. El uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo.

Costo de la protección contra el fuego

Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios en inmuebles vacíos en los que el único material combustible era el mismo inmueble. El acero es un excelente conductor de 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 una construcción debe protegerse mediante materiales con ciertas características aislantes o el 7

edificio deberá acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del código de construcción de la localidad en que se halle.

Susceptibilidad al pandeo

Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. Como se indicó previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, sólo para hacer más rígidas las columnas contra el posible pandeo.

Fatiga

Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia puede reducirse si se somete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran número de cambios de 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 limite.

Fractura frágil

Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la falla frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación.

1.1.4

TIPOS DE ESTRUCTURAS

El ingeniero estructural se ocupa del diseño de una variedad de estructuras que incluyen, pero que no necesariamente se limitan, a las siguientes:

Puentes: Para ferrocarriles, carreteros, y de peatones.

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Edificios: Que incluyen estructuras de marco rígido, marcos simplemente conectados, muros de carga, soportados por cables y en voladizo. Se pueden considerar o usar numerosos esquemas de soporte lateral, como armaduras, simples y alternadas, y un núcleo central rígido. Además, se pueden clasificar los edificios según su empleo o altura como edificios de oficinas, industriales, fábricas, rascacielos, etc.

Otras estructuras: Incluyen torres para transmisión de potencia, torres para instalaciones de radar y TV, torres de transmisión telefónica, servicios de suministro de agua, y servicios de terminales de transporte, que incluyen ferrocarriles, camiones, aviación y marina.

Además de las estructuras anteriores, el ingeniero estructural también se ocupa del diseño de navíos, aeroplanos, partes de diversas máquinas y otros equipos mecánicos, automóviles, presas y otras estructuras hidráulicas, incluyendo el suministro de agua y la eliminación de desperdicios.

1.1.5 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO

El diseño estructural requiere la aplicación del criterio del ingeniero para producir un sistema estructural que satisfaga de manera adecuada las necesidades del cliente o el propietario. A continuación, este sistema se incorpora a un modelo matemático para obtener las fuerzas en los miembros. Como el modelo matemático nunca representa con exactitud la estructura real, otra vez es necesaria la habilidad del ingeniero para evaluar la validez del análisis a fin de poder aplicar las tolerancias apropiadas a la incertidumbre tanto en la deformación como en la estática.

Con base en las propiedades de los materiales, la función estructural, las consideraciones ambientales y estéticas, se efectúan modificaciones geométricas en el análisis del modelo, y se repiten los procesos de resolución hasta obtener una solución que produce un equilibrio satisfactorio entre la selección del material, la economía, las necesidades del cliente, sus posibilidades económicas, y diversas consideraciones arquitectónicas. Rara vez, excepto quizás en las estructuras más elementales, se obtiene una única solución; única en el sentido de que dos compañías de ingeniería estructural obtendrían exactamente la misma solución.

En la práctica de la ingeniería estructural, el diseñador dispone, para su posible uso, de numerosos materiales estructurales, que incluyen acero, concreto, madera, y posiblemente 9

plásticos y/o algunos otros metales, como aluminio y hierro colado. A menudo, el empleo o el uso, el tipo de estructura, la situación u otro parámetro de diseño impone el material estructural. En este texto se supone que el diseño ha llegado al punto en que se ha decidido la forma estructural (es decir, como armadura, trabe, marco, domo, etc.) y que se han eliminado todos los diversos materiales estructurales alternativos posibles, en favor del uso del acero. Se procede entonces a efectuar cualquier análisis estructural requerido, y se hace la selección del miembro y el diseño de la conexión, que sea apropiada al asunto en estudio.

La seguridad, como preocupación de diseño tiene precedencia sobre todas las otras consideraciones de diseño. La "seguridad" de cualquier estructura depende, naturalmente, de las cargas subsiguientes. Como la estructura, después de su construcción, siempre estará sometida a cargas, y no siempre del modo o manera con que fue diseñada, la selección de las cargas de diseño constituye un problema de estadística y probabilidad. Esta parte del problema resultaría bastante subjetiva, y produciría diseños extremadamente dispares, si no fuese por los códigos de construcción que se han desarrollado (y que en una forma u otra se usan casi universalmente); estos códigos establecen límites mínimos requeridos o sugeridos en aquellos casos en que la seguridad pública constituye un factor importante.

1.2. REVISION E INTERPRETACION DE PLANOS ESTRUCTURALES

1.2.1 CÓDIGOS DE DISEÑO ESTRUCTURAL

Las oficinas locales de construcción casi siempre requieren que los diseños estructurales que pertenecen a su jurisdicción se diseñen de acuerdo con algún código. En la Republica Mexicana se utiliza el del Instituto Mexicano de Construcción en Acero (IMCA); el cual se baso en el del Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC).

De modo similar, el diseñador que se ocupe de la ingeniería estructural tiene que apegarse estrictamente a los requerimientos mínimos de diseño del código apropiado de construcción y las especificaciones del cuerpo local de control. Los requisitos especiales del propietario o el cliente puede que requieran un diseño más estricto que el que establecerían los criterios del código de construcción. Sólo en casos contados podrá el diseñador obtener permiso del organismo local de control para desviarse del código de manera menos conservativa. Estas variaciones por lo general requieren mucha 10

documentación y la presentación de consultores adicionales para obtener la aprobación. Hay cosas buenas y malas, asociadas con este aspecto del diseño estructural. Por una parte, a veces lleva tiempo considerable obtener la aprobación de nuevos métodos y materiales; por otra parte, tiene sus ventajas "el no ir demasiado rápido". Si se sigue cuidadosamente el código local de construcción y se cumple con los requerimientos mínimos de diseño, o se sobrepasan, y resultase a pesar de todo una catástrofe, hay siempre la prueba de que se han seguido las buenas prácticas de la ingeniería.

Finalmente, se supone que los códigos de construcción reflejan aquella parte de las prácticas estructurales que resultan ser únicas para dicha localidad, como son las temperaturas, sismos, la cantidad de nieve y lluvia, profundidad a que llegan las heladas, y las velocidades promedio del viento.

Organizaciones como la IMCA y la AISC, así como los productores de acero, proporcionan tablas de datos de diseño para perfiles estructurales, así como datos de otros productos de acero, como placas, barras, alambre, y tornillos.

1.2.2 ESTRUCTURAS DE ACERO

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