ESTRUCTURAS METALICAS Prof. Alberto Moya Arredondo v.2013 Metalicas-uv.weebly.com 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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OBJETIVOS DEL CURSO: • Asignatura está relacionada con la ejecución de obras en las q quee se emplean estr estructuras ct ras metálicas, y capacita al estudiante en la comprensión de sistemas constructivos y los esfuerzos involucrados en ellas, las propiedades y características del Acero y sus formas de presentación, y piezas utilizadas, aplicando las normas de diseño y ejecución pertinentes. 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Al concluir la asignatura g el estudiante será capaz de: • Identificar, comprender y aplicar especificaciones técnicas relativas a obras de Estructuras Metálicas • Ejecutar, Ejecutar controlar y supervisar obras en las que se utilicen elementos de este tipo. • Planificar y dar soluciones constructivas de dichas estructuras, así como de sus conexiones

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Diseñar elementos y sistemas de estructuras metálicas sencillas en concordancia con NCh427.Of76, Método ASD. •

En este Curso se verifican elementos de Acero, aplicando un Manual específico que contiene las normas respectivas, tablas de perfiles de diversos fabricantes nacionales y extranjeros, y recomendaciones y especificaciones constructivas.

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Metodología • Desarrollo del curso secuencial y acumulativo. • Exposición de conceptos y normas aplicadas ; ejercitación. • Utilización de apuntes especiales para el curso. • Evaluación l ió por unidades id d temáticas ái • Realización de un portafolio de conexiones

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Evaluaciones • Tracción y conectores • Compresión axial (simple y compuesta) • Flexión, interacciones, placas de anclaje • Portafolio • Examen E final fi l ( Sumativa S ti extraordinaria) t di i ) 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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BIBLIOGRAFIA • W. Nash, Shaum 1992. “Resistencia de Materiales”. • J. Tuma, McGraw-Hill 1970. “Análisis Estructural”. • C CINTAC, N C, 1993. 993. “Manual a ua de Diseño se o Estructural”. st uctu a . • Oscar de Buen, Limusa 1994.”Estructuras de Acero”. • J J.M.García, M García McGraw-Hill,1997. McGraw Hill 1997 ”Fundamentos Fundamentos para el Cálculo y Diseño de Estructuras de Acero”. • McCormac McCormac, Alfa Omega, Omega 1999. 1999 “Diseño Diseño de Estructuras Metálicas, Metálicas Método ASD”. • CEAC,, 1993. 993 “Manual de Soldadura Eléctrica”. • P. Beer & E. Russel, Mcgraw-Hill, 1998. “Mecánica de Materiales”. 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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RECOMENDACIONES • Período de Ajuste.... – Existirán clases y/o pruebas en días extras. – No posponer ni faltar a pruebas.

• Grado de Dificultad.... – Estudiar mucho. – Asistir a clases siempre. siempre

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PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS El acero como material estructural CAP. 1 Elementos e e tos de u una a co construcción st ucc ó e en ace acero o EL ACERO Cargas de diseño según norma Nch 427 cR 1977 Propiedades estructrurales del acero Especificaciones, cargas y métodos de diseño Momentos estáticos estáticos, Momentos de inercia CAP. 2 Momento resistente o módulo de sección BREVE Radio de giro REPASO Ecuación de la elástica, deformaciones

Momentos flectores, esfuerzos de corte Tensión base CAP. 3 Tensión admisible DISEÑO A Restricciones TRACCIÓN Uso y tipo de conectores CAP. 4 Tracción y compresión UNIONES Y Pernos, pasadores y Aplastamiento CONECTO -RES elementos con hilo Desgarramiento Excentricidad Soldaduras Tipos Tensión admisible y electrodos

FECHAS PROGRAMADAS

PERIODOS

12 MARZO 2013

2

POR CUENTA DE LOS ESTUDIANTES CON GUÍAS PREPARADAS AL EFECTO

19 MARZO 2013

2

26 MARZO 2013

2 ABRIL 2013

8

9 ABRIL 2013 16 ABRIL 2013

Nomenclatura y simbología CONTROL

CERTAMEN Nº 1

23 ABRIL 2013

2 04/03/2013

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PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS(2)

FECHAS

PERIODOS

Clasificación de elementos según sección CAP. 5

DISEÑO A COMPRESIÓN

Ancho plano, esbeltez compacta, pandeo local

Pandeo General G

30 ABRIL 2013

longitud efectiva, f coeficientes f pandeo por flexión

7 MAYO 2013

6

pandeo flexo-torsional Secciones compuestas por perfiles. (Perfiles compuestos)

CONTROL

CERTAMEN Nº 2

14 MAYO 2013

28 MAYO 2013

2

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PROGRAMA CATEDRA ESTRUCTURAS METÁLICAS

FECHAS

PERIODOS

Clasificación de secciones esbeltez límite longitud entre arriostramientos

CAP. 6 DISEÑO A

Tensión admisible

Vigas no afectas a PLT Vi Vigas afectas f t a PLT

FLEXIÓN Ó

4 JUNIO 2013

11 JUNIO 2013

6

Verificación al corte Deformación vertical

18 JUNIO 2013

Interacciones Distribución de tensiones bajo la placa 25 JUNIO 2013 placa rígida

CAP. 7

placa flexible

PLACAS DE ANCLAJE

Cartelas de rigidización

2

p simple p Placa sometida a compresión Placa sometida a flexo-compresión Tensiones admisibles en el hormigón Pernos de anclaje CONTROL

CERTAMEN Nº 3 (SUMATIVO)

2 JULIO 2013

2

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Capítulo I: “El Acero” 1.- Introducción al Diseño Estructural en Acero. 1.1.- Ventajas V j del d l Acero A como M Material i l Estructural. E l  Alta

Resistencia.

 Uniformidad.  Elasticidad.  Durabilidad. D bilid d  Ductilidad.  Tenacidad. 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural. 

Ampliaciones de Estructuras Existentes.

Gran Facilidad para unir miembros a través de varios tipos de conectores. Gran Adaptabilidad a la Prefabricación. Rapidez de Montaje.

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Capítulo I: “El Acero”

1.1.- Ventajas del Acero como Material Estructural. Gran Capacidad para Laminación (Maleabilidad) y plegado en frío frío. Reutilización después de desmontaje en otra localización. Valor Residual como chatarra chatarra.

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Capítulo I: “El Acero”

1.2.- Desventajas del Acero como Material Estructural.  Costo de Mantenimiento.  Costo de Protección contra Fuego.  Susceptibilidad al Pandeo.  Fractura Frágil.

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1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural. Capítulo I: “El Acero”

Endurecimiento por Deformación

Fluencia Elástica Fluencia Plástica

Esfue erzo ( f = P / A)

Pto Superior de Fluencia Pto.

Pto. Inferior de Fluencia

Caso: Acero Dúctil

Deformación unitaria



L L 04/03/2013

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Capítulo I: El Acero

1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural. (Cont ) (Cont...)

Esfuerzo ( f = P / A A)

Fu

Fy

Caso: Acero Frágil

Fractura

Fu = Resistencia mínima última tensión. Fy = Esfuerzo mínimo de Fluencia.

Deformación residual en la descarga cuando el esfuerzo es superior al límite elástico.

Deformación unitaria



L L

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Capítulo I: “El Acero”

1.3.- Relación Esfuerzo-Deformación del Acero Estructural (Cont...)

r f p

p

f

e10 f

r

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Capítulo I: “El Acero”

1.4.- Relación Ductilidad - Tenacidad B

Acero B es más Resistente que C. Acero C es más Ductil que B.

C

Si A(B) = A (C)  Acero B es tan tenaz como Acero C 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

1.4.- Relación Ductilidad – Tenacidad (cont.)

u4 u3 u2 u1

4

3

2

1 04/03/2013

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Capítulo I: “El Acero”

1.5.- Aceros Estructurales Modernos. • Aceros al Carbono Cr

C

1 7% 1,7%

S

Si 0,6%

Fe P

Ni Cu 0,6%

Mn 1,65% 04/03/2013

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Capítulo I: “El Acero”

• Aceros al Carbono (Cont...) La composición Química influye en propiedades como: Soldabilidad. Resistencia a la corrosión. Resistencia a la Fractura.

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Capítulo I: “El Acero”

• Aceros al Carbono (Cont...) Propiedades de los Aceros Estructurales (Según ASTM) Tipo ASTM

Formas

Al Carbono A-36 A529 Alta resistencia y baja aleación A441 A572 A242 A588 Templados y revenidos A514

Perfiles, barras y placas. Perfiles y p placas hasta ½”

Resistente a la corrosión. Baja Aleación Columbio-Vanadio. Muy resistente a la corrosión. Muy resistente a la corrosión.

Perfiles, placas y barras hasta 8 plg. Perfiles, placas y barras hasta 6 plg. Perfiles, placas y barras hasta 4 plg. Placas y barras.

Placas sólo hasta 4 plg. 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

Propiedades de los Aceros Estructurales (Según ASTM) Ti ASTM Tipo

U Usos

A-36 A529

Puentes, Edificios y Estructuras remachadas, atornilladas o soldadas.

A441

Puentes, Edificios y Estructuras preferentemente soldadas.

A572

Estructuras remachadas, atornilladas o soldadas. No se emplea en puentes soldados si el grado es superior a 50.

A242

Puentes, edificios y estructuras remachadas, Puentes remachadas atornilladas o soldadas siendo muy importante la técnica de soldeo.

A588

Enfocado principalmente a Puentes y Edificios soldados.

A514

Enfocado principalmente a puentes soldados. Requiere mucha atención a la técnica de soldeo, no se usa si la ductilidad es importante.

remachadas,

atornilladas

pero

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Capítulo I: “El Acero”

1.6.- Propiedades en Ley de Hooke. • Módulo de Elasticidad de Young: E = 200.000 Mpa= 2.040.000 kg/cm2 • Coeficiente de Poisson: =

= 0,3.

• Módulo Elástico transversal:

E G  77.200 MPa MP  787.440 787 440 kg/cm k / 2 21   04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

1.7.- Calidades Comerciales en Chile. Designación de aceros (según NCh 427)

A 37 – 24 ES

A-240 A 240 ES Estructural S ld bl Soldable

Acero

Límite de R pt ra Ruptura (kg/mm2)

Límite de Fl encia Fluencia (kg/mm2)

Otros: A 42-27 ES A 52-34 ES 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile • Armados: (soldados) – IN doble T (serie normal de vigas) – IB doble T (serie híbrida de vigas) – HN doble T (serie normal de columnas)

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Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile •Laminados (Tren de laminación) – W doble T (serie Americana) – IPE doble T (serie Alemana)

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Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.)

• Plegado en frío C canal CA canal atiesada IC doble T (2 canales espalda espalda) ICA doble T (2 canales atiesadas espalda espalda)

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Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.)

• Plegado en frío –L

ángulo g

– TL T formada por dos ángulos espalda espalda – XL X formada por dos ángulos vértice vértice

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Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.)

• Plegado en frío (cont.) – – –

cajón j cuadrado cajón rectangular. L cajón j formado p por 2 ángulos g de frente.

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Capítulo I: “El Acero”

1.8.- Productos Estructurales más usados en Chile (Cont.)

• Plegado en frío (cont.) – –

C cajón j formado por 2 canales de frente. CA cajón formado por 2 canales atiesadas frente.

• Tubos –

sección tubular redonda

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Capítulo I: “El Acero”

2.- Propiedades P i d d d de A Areas Pl Planas 2.1.- Momento Estático x

Q  S b  I

τ 

dA A

S

x





y dA



x dA

A

S y

y



A

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Capítulo I: “El Acero”

2.2.-Ejes de Gravedad Y CG  xCG

CG X CG 

 y dA A

A

x

dA

A

A

Sx  A

Sy  A

yCG

Sx = A yCG Sy = A xCG 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

2.3.- Momento de Inercia

Ix  x

dA



y

2



x

2

dA

dA

A

A

Iy  y

A

C.G.

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Capítulo I: “El Acero”

2.4.- Momento Polar de Inercia

Ip   r dA 2

A

Ip   (x 2  y 2 )dA A

x y

Ip   x dA  y dA 2

A

2

A

Ip  Iy  Ix 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

2.5.- Teorema de Steiner (Ejes Paralelos) A CG

y

b

CG

XCG

a y X1

Ix11= (ab3)/12 + aby2

Ix11= IxCG + Ay2 04/03/2013

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Capítulo I: “El Acero”

2.6.- Módulo de Sección (Momento Resistente: W).

M

 σW

W

M  σ

W

I y



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Capítulo I: “El Acero”

2.7.- Radio de Giro.

i x, y 

I x, y A

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Capítulo I: “El Acero”

3.- Cargas de Diseño. Cargas Normales

Cargas Eventuales

Peso Propio (P.P)

Viento (V) NCh 432

Sobrecarga (S (S.C) C)

Sismo (S) NCh 433

Impacto (I)

Otras Fuerzas (Ej: Huracán)

Fuerza Horizontal en los rieles de una grúa (H)

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Capítulo I: “El Acero”

•Combinación de Cargas g ((NCh 427 cR 77)) • P.P + S S.C. C  Coe Coeficiente c e te de Ca Cargas gas = 1 • P.P + S.C. + N • P.P + S.C. + S

Con 1 eventualidad: Coef. de Cargas = 0.75

• P.P P P + S.C. SC +V • P.P + S.C. + N + V

Con 2 eventualidades:

• P.P P P + S.C. SC +S+N

Coef. de Cargas = 0.67

• P.P + S.C. + V + S 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

4.- Métodos de Diseño Estructural.

4.1.- El Proyectista Estructural.

Distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de ella para soportar satisfactoriamente las cargas a que quedaran sometidas.

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Capítulo I: “El Acero”

4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.)

Funciones: Funciones u c o es: •Trazo general de la estructura. estructura •Estudio de las formas estructurales posibles. •Consideración de las condiciones de carga. •Análisis de esfuerzos, deflexiones, etc. •Diseño de elementos. •Preparación de los Planos. Planos 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.)

•Objetivos Obje os de del Proyecto oyec o Estructural Estructural: s uc u a :

•Seguridad. S id d Costo. •Costo •Factibilidad.

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Capítulo I: “El Acero”

4.1.- El Proyectista Estructural. (Cont.)

Diseño Económico de Miembros de Acero Acero:: •Debe seleccionar perfiles según existencias. existencias •Uniformar el mayor número posible de perfiles. •Considerar en edificios altos (muchos pisos) la posible reducción de la altura total. 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

Diseño Económico de Miembros de Acero: Acero: (Cont..) (Cont •Considerar Considerar los costos de transporte en elementos muy grandes. •Escoger E secciones i fá il fáciles d montar de t y mantener. •Considerar posibles interferencias con instalaciones. •Considerar la apariencia (Efecto estético). 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

Exactitud de los Cálculos. Cálculos. • El diseño Estructural no es una ciencia exacta. • Métodos Mét d d de análisis áli i b basados d en suposiciones i i parcialmente ciertas. • Las resistencias de los materiales varían apreciablemente. apreciablemente • Cargas g máximas pueden determinarse sólo aproximadamente. 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

Exactitud de los Cálculos. Cálculos.(Cont (Cont..) • Entonces: A pesar de la Precisión de las calculadoras y computadores, el uso de más de 2 ó 3 cifras significativas, son de poco valor y pueden darle al estudiante una falsa idea de seguridad.

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Capítulo I: “El Acero”

4.2.- Diseño Elástico y Diseño Plástico.

Diseño Elástico

Diseño Plástico

Esfuerzos Admisibles

Diseño al colapso

Esfuerzos de Trabajo

σ trabajo  σ admisible admisibles d i ibl

Ptrabajo* F F.C. C  Pcolapso

=f/C C.S. S 04/03/2013 ESC.ING.CONSTRUCCION- U.VALPO

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Capítulo I: “El Acero”

4.2.1.- Diseño Elástico.

Método é odo A.S.D. S (Allowable Stress Design) Distribución de Esfuerzos en el Colapso  Di t ib ió d Distribución de E Esfuerzos f en ell Ré Régimen i Elá Elástico ti

La Estructura falla provocada por un aumento proporcional p opo c o a de todas odas las as so solicitaciones. c ac o es

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Capítulo I: “El Acero”

4.2.1.- Diseño Elástico.

DISTORSIÓN S O SÓ • Es falsa, no considera la redistribución de esfuerzos antes de la falla.

• No es Real (Ej.: La carga muerta no varía)

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Capítulo I: “El Acero”

4.2.2.- Diseño Plástico.

Método L L.R.F.D. R FD (Load and Resistance Factor Design) • Considera la condición de falla o de resistencia última. últi • Combina el cálculo de estados límites de resistencia y servicio con un enfoque probabilístico de la seguridad. p g

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Capítulo I: “El Acero”

4.2.2.- Diseño Plástico.

Cargas x FC

Diseño de Elementos

y

FC > 1 FR < 1

Cap Nominal x FR Cap.Nominal

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