Estructuras de Acero

Estructuras de acero20 / Agosto / 2014

Jesús Edgar Flores Morales

ESTRUCTURAS DE ACERO

Unidad I Consideraciones generales del diseño

18 - Agosto1.1 Propiedades mecánicas de los aceros

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- Aceros dulce: Cuando el porcentaje de carbono es del 0,25% máximo. Estos aceros tienen una resistencia última de rotura en el rango de 48-55 kg/mm2 y una dureza Brinell en el entorno de 135-160 HB. Son aceros que presentan una buena soldabilidad aplicando la técnica adecuada.Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.

- Aceros semidulce: El porcentaje de carbono está en el entorno del 0,35%. Tiene una resistencia última a la rotura de 55-62 kg/mm2 y una dureza Brinell de 150-170 HB. Estos aceros bajo un tratamiento térmico por templado pueden alcanzar una resistencia mecánica de hasta 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB.Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.

- Aceros semiduro: Si el porcentaje de carbono es del 0,45%. Tienen una resistencia a la rotura de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Después de someterlos a un tratamiento de templado su resistencia mecánica puede aumentar hasta alcanzar los 90 kg/mm2.Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

- Aceros duro: El porcentaje de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza Brinell de 200-220 HB. Bajo un tratamiento de templado estos aceros pueden alcanzar un valor de resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB.Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

18 - Agosto1.2 Tipos de estructuras de acero

Marcos rígidos

Marcos Arriostrados

Marcos con muros de concreto o de mampostería

Armaduras

Armaduras tridimensionales

20 - Agosto

Proceso del Diseño Estructural.

Etapa 1 - Estructuración: En esta etapa se define principalmente el sistema estructural a utilizar. Se elabora un esquema preliminar con dimensiones, distancias, materiales, tipos de elementos y secciones.

Etapa 2 – Estimación de Acciones: En esta etapa se identifican las acciones que van a actuar sobre el sistema estructural durante su vida útil. Entre estas acciones se encuentra, por ejemplo, las acciones permanentes como la carga muerta, acciones variables como la carga viva, acciones accidentales como el viento y el sismo.

Etapa 3 – Predimensionado: En esta etapa se realiza un predimensionado de los elementos que conforman la estructura tomando en cuenta el sistema estructural adoptado y las acciones que inciden sobre la misma. En esta etapa es fundamental la experiencia del ingeniero ya que un predimensionado optimo reduce el tiempo de análisis.

Etapa 4 – Idealización de la Estructura: Consiste en seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponibles. Esto incluye:a)  Definir materiales y secciones a utilizar. b)  Elaboración de un modelo plano o tridimensional que representa las principales características geométricas de la estructura, incorporando los elementos que la conforman con sus respectivas secciones y materiales asociados tomando en cuenta el predimensionado realizado.c) Establecer las condiciones de unión entre los elementos y los vínculos de apoyo de la estructura.d) Aplicar las acciones permanentes, variables y accidentales

Etapa 5 – Análisis Estructural: Se define como el procedimiento que lleva la determinación del sistema estructural ante la solicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La respuesta de una estructura o de un elemento bajo una acción determinada; está en función de sus propias características y puede expresarse en términos de deformaciones, desplazamientos, esfuerzos, fuerzas, reacciones, vibraciones, agrietamiento, etc.

Etapa 6 – Diseño Estructural: En esta etapa se definen los elementos que cumplen bajo los criterios de resistencia y de servicio, tomando en cuenta las máximas solicitaciones provenientes del análisis y los aspectos normativos que apliquen.

25 – Agosto Factores de seguridad y de carga

La resistencia de una estructura es la capacidad de ésta de soportar y transmitir cargas sin fallar. Debido a las incertidumbres existentes en el diseño de una estructura, ésta se diseña con una resistencia mayor que la requerida. La relación entre la resistencia de diseño y la requerida se conoce como factor de seguridad.A continuación, se enumeran algunos de los criterios que deben tenerse en cuenta para la determinación del factor de seguridad de una estructura:-El tipo (estáticas, dinámicas, cíclicas) y magnitud de las cargas que está previsto actúen sobre la estructura a lo largo de su vida útil.-La calidad prevista de la construcción.-La calidad de los materiales empleados en la construcción de la estructura.-Los efectos producidos por las condiciones medioambientales.-La naturaleza del fallo previsto. El fallo gradual permite reforzar la estructura antes de su colapso.-Las consecuencias del fallo. Si las consecuencias son catastróficas es necesario incrementar el factor de seguridad.-El coste del incremento del factor de seguridad.-Los efectos de las simplificaciones utilizadas en el cálculo de la estructura.

27 – AgostoMétodo elástico

Los elementos mecánicos producidos en los distintos elementos por las solicitaciones de servicio o de trabajo se calculan por medio de un análisis elástico. Se determinan después los esfuerzos en las distintas secciones debido a los elementos mecánicos, por métodos también basados en hipótesis elásticas. Los esfuerzos de trabajo así calculados, deben mantenerse por debajo de ciertos esfuerzos permisibles que se consideran aceptables, el método es razonable en estructuras de materiales con un comportamiento esencialmente elástico.

1 – Septiembre Método Plástico

Los elementos mecánicos se determinan por medio de un análisis elástico-lineal. Las secciones se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sean igual a dichas acciones multiplicadas por factores de carga, de acuerdo con el grado de seguridad deseado o especificado. La resistencia de la sección se determina prácticamente en la falla o en su plastificación completa.

3 – septiembreIntroducción a los estados permisibles

El objetivo del diseño por el Método de los Estados Límites es mantener una baja probabilidad de alcanzar un estado límite preestablecido para una dada tipología estructural. Para lograr este objetivo la demanda de rigidez, resistencia, estabilidad y de absorción y disipación de energía sobre la estructura, sus miembros y juntas no debe exceder la capacidad de los mismos.Se alcanza este objetivo multiplicando las solicitaciones por sus factores de mayoración para cuantificar la demanda y multiplicando las resistencias teóricas por sus factores de minoración para calcular la capacidad. La confiabilidad final de la estructura estará dada entonces por el cabal cumplimiento de la Norma incluyendo un correcto detallado, fabricación, montaje, inspección y mantenimiento.Se tienen dos (2) Estados Límites: Agotamiento Resistente y de Servicio.Estado Límite de Agotamiento Resistente: Se encuentra relacionado con la seguridad y la capacidad donde se incluyen las verificaciones por resistencia, estabilidad, volcamiento, colapso y cualquier otra falla estructural que comprometa la seguridad y la vida.Estado Límite de Servicio: Está relacionado con la durabilidad y funcionamiento bajo condiciones normales de servicio que puedan afectar el confort de los usuarios, como flechas o deformaciones y contraflechas, vibraciones, fatiga, efectos de temperatura, deslizamiento en las juntas y conexiones, y corrosión.En una estructura flexible es inaceptable despreciar las condiciones de servicio.Hay esencialmente tres tipos de comportamiento estructural que puede llevar al estado límite de servicio: *Excesivo daño local por cedencia, pandeo, deslizamiento, o agrietamiento que puede requerir un excesivo mantenimiento u ocasionar corrosión.

*Excesiva flecha o rotación que puede afectar la apariencia, función, o drenaje de la estructura, o que puede causar daños a componentes no estructurales y sus conexiones.*Vibración excesiva producida por viento o cargas variables que afectan el bienestar de los ocupantes de la estructura o la operación de equipos mecánicos.

UNIDAD II Miembros sujetos a tensión

8 – septiembre Tipos de miembros a tensión

Son secciones laminadas o formadas por placas, o barras (redondas, cuadradas o pla- nas), de eje longitudinal recto y sección transversal constante (miembros prismáticos), sujetos a cargas que actúan a lo largo de sus ejes centroidales, que producen en cual- quier sección, perpendicular a su eje longitudinal fuerzas axiales de tensión.Un miembro sometido a tensión representa el elemento más simple de un arreglo es- tructural, por lo que su diseño es muy sencillo pues no involucra problemas de pandeo o inestabilidad. La magnitud del esfuerzo de tensión en cualquier sección es uniforme y en miembros perfectos no hay flexión, cortante ni torsión.Son elementos muy eficientes, de tal manera que sería ideal tener en una estructura de acero muchos miembros sometidos a tensión. Esto es lo que ha favorecido la práctica actual de emplear cubiertas colgantes cuya característica es salvar grandes claros en forma económica.

10 – Septiembre Esfuerzos permisibles

Es menor que el esfuerzo de influencia FY, encontrándose en el rango elástico del material, el esfuerzo permisible será igual al esfuerzo de influencia Fy ó la resistencia última de tensión Fu entre un factor de seguridad. Lo cual un miembro deberá soportar las cargas aplicadas que son las cargas de trabajo quedando sometido a esfuerzos no mayores que el esfuerzo permisible.

15 – Septiembre Área neta

15 – SeptiembreDiseño para área neta

17 – SeptiembreRelaciones esbeltez

La relación de esbeltez K L /r de los miembros comprimidos axialmente o flexocomprimidos se determina con la longitud efectiva K L y el radio de giro r correspondiente. L es la longitud libre de la columna, entre secciones soportadas lateralmente, y K es el factor de longitud efectiva, que se calcula como se indica más adelante. Debe tenerse cuidado, en todos los casos, de utilizar la relación de esbeltez máxima del miembro, ya que K, L, y r, o cualquiera de esas cantidades, pueden tener varios valores diferentes en un mismo elemento, dependiendo del eje de las secciones transversales alrededor del que se presente el pandeo, de las condiciones en sus extremos y de la manera en que esté soportado lateralmente.

La relación de esbeltez L/r de miembros en tensión se determina con su longitud libre

22 – Septiembre Ejemplos de aplicación

Bibliografía:

*Diseño de miembros de acero en tensión, Dr. Perea Olvera Tiziano, universidad Metropolitana de México. http://materiales.azc.uam.mx/tperea/114333/Tension.pdf consultado el día 19/08/14

*EJEMPLO DEL CA ́�LCULO DE LOS ESFUERZOS PERMISIBLES POR COMPRESIO �N AXIAL Y POR FLEXIO ́�N ALREDEDOR DEL EJE DE MAYOR MOMENTO DE

INERCIA DE LA SECCIO ́�N TRANSVERSAL, UNIVERSIDAD TECNOLO ́�GICA DE

ME ́�XICO, México DF, Abril 2007, Gómez González Dr. Bernardo, Consultado 19/08/14

* INTRODUCCION AL DISEÑO ESTRUCTURAL (Ing. Eliud Hernández), http://www.inesa-adiestramiento.com/documents/01-introduccion%20al%20diseno%20estructural.pdf. Consultado el día 19/08/14