Introducción al diseño estructural en acero

• Generalidades y conceptos • Historia • Características de la construcción • Ventajas y desventajas

• El acero es un producto refinado del mineral de hierro. • El hierro como elemento químicamente puro no tiene aplicación en la construcción civil. • El metal que comúnmente llamamos hierro se obtiene técnicamente mediante la reducción del mineral de hierro en altos hornos y se encuentra en combinación con un elevado contenido de carbono y otros aditivos. • Se denomina acero a todas aquellas aleaciones del hierro con un porcentaje de carbono menor a 1,7% en peso. • El acero estructural tiene un contenido de carbono que oscila entre 0,1% y 0,3% • El carbono es el elemento de mayor influencia en las propiedades mecánicas del acero. A mayor porcentaje aumenta la dureza y la resistencia, pero el acero resultante es más frágil y se reduce su soldabilidad.

Historia Hierro Colado y Forjado: Se utilizó básicamente para la confección de herramientas (Año 4000 A.C.) En 1779 se construyó el puente de Coalbrookdale. (Hierro Fundido) En 1783 se inicia la producción comercial de perfiles de Hierro Forjado Placas planas que pueden doblarse y unirse mediante remaches

Locomotora de Vapor

Puentes metálicos de gran claro

Historia Hierro Colado y Forjado: En 1850 se culmina el Brittania Bridge (Hierro Forjado) 1856  Convertidor Bessemer

1867  Horno Abierto

Acero Estructural

En 1874 se terminó de construir el puente Eads sobre el río Mississippi construido completamente en acero estructural.

Historia Puente de Coalbrookdale:

Puente de Coalbrookdale:

Historia

Historia Brittania Bridge :

Historia Brittania Bridge (Sección en cajón):

Planchas y perfiles unidos mediante remaches

Puente Eads :

Historia

Puente Eads :

Historia

Puente Eads :

Historia

Viaducto Millau :

Torre Eiffel :

WORLD TRADE CENTER, New York

Gelserkirschen Stadio 2006 :

Jin Mao Tower, en Shangaï, 88 pisos, 421 m:

Bremen Stadium, 2005

Sears Tower, en Chicago, 443 m

Estación de trenes en Sidney, Australia: 2000

BOEING TOWER, Seattle

El Taipei 10, en Taïwan, culminado en el 2004, 508 m.

Características de la construcción en acero La construcción en acero abarca un amplio campo de aplicación en puentes, edificios, galpones industriales, torres, grúas, tanques de almacenamiento, obras hidráulicas y portuarias, antenas, estructura de barcos, entre otras.

Aplicación

Desarrollo tecnológico

Construcción de puentes

Avance del cálculo estructural: teoría de la elasticidad y técnica de las soldaduras

Construcción de puentes ferrocarrileros y grúas

Investigación de la resistencia del material a la fatiga

Chimeneas de acero, torres de alta tensión y antenas

Estudio de la dinámica de las construcciones

Construcción de tanques de almacenamiento y reactores

Estudio de las propiedades de los materiales. Desarrollo de aceros inoxidables y aceros a prueba de altas temperaturas

Construcción de edificios

Desarrollo de las técnicas de construcción en serie, ingeniería de detalle, seguridad contra-incendio y cálculo de estructuras según los estados límites

• Estructuras Aporticadas: edificios, torres, puentes, galpones.

• Cáscaras y membranas: estanques, silos, calderas, cascos de barco.

Los adelantos desarrollados en alguna aplicación se reflejaron en otras. El campo de utilización del acero está determinado por sus características específicas, economía, tiempo de construcción, pero también por razones arquitectónicas y de tradición.

El acero es un material prácticamente isotrópico y homogéneo, de calidad constante. Así, es posible reducir los factores de seguridad que están condicionados con una fabricación deficiente del material de construcción. El acero posee un índice de eficiencia (relación: capacidad de carga útil / peso propio) muy favorable, ya que tiene una alta resistencia de grado constante y un elevado Módulo de Elasticidad y Ductilidad. Esto hace al acero especialmente apropiado para estructuras de grandes luces y bajo peso propio. Las estructuras de acero permiten predecir con mucha exactitud el estado de sus esfuerzos internos, con lo cual se cumplen las premisas del cálculo estructural, pudiéndose ajustar las secciones de los elementos estructurales a los requerimientos previsibles, lo cual redunda favorablemente en la economía de la obra.

Comparación de Resistencia en kgf por cm2

Concreto Armado: (sólo compresión)

180 kgf/cm2 – 250 kgf/cm2 (normal) 350 kgf/cm2 (Alta Resistencia) 600 kgf/cm2 (Concreto especial) Acero Estructural:

2530 kgf/cm2 (perfiles laminados) 3515 kgf/cm2 (ángulos - perfiles CONDUVEN) 10.000 kgf/cm2 (Guayas – Cables (Tensores))

Ventajas: Mayor resistencia unitaria Miembros más esbeltos

Desventajas: Mayor peso por m3 - mayor costo por m3

Menor Peso Global

Sensible a la corrosión (costo de revestimiento y protección)

Fundaciones más pequeñas

Alto nivel de detalles en proyecto

Amplia gama de secciones disponibles en el mercado

Mano de obra especializada

Rapidez de montaje (menor costo por financiamiento – rapidez de entrega)

Perfiles en tamaños estándar (problemas con el transporte y los porcentajes de desperdicio)

Puede llegar a tener menor precio total

Requiere mayor planificación de obra.

Diseño estructural en acero

• Propiedades • Perfiles normalizados • Métodos de diseño y cálculo • Factores de Carga y Resistencia

Propiedades físicas

• Estructura cristalina

Cristal cúbico de malla centrada

Cristal cúbico de cara centrada

Propiedades físicas

Propiedades metálicas características: • buena ductilidad (o maleabilidad). • conductividad térmica elevada. • conductividad eléctrica elevada. • brillo metálico.

Propiedades físicas Resistencia a la Corrosión • Corrosión: pérdida de sección debido a reacciones químicas o electroquímicas con el medioambiente. • La resistencia depende de la composición química

Propiedades físicas

Ensayo a tracción

Propiedades físicas Curva idealizada del Acero estructural (ensayo de tracción) s (esfuerzo)

Acero Dúctil

Meseta de Fluencia Estrición y Falla

Fu

Fy Endurecimiento Zona elástica E=m

Ley de Hooke

e (deformación unitaria)

Propiedades físicas Curva del Acero de alta resistencia (ensayo de tracción) s (esfuerzo) Resistencia a la Tensión, Fu Resistencia a la Fluencia, Fy Límite Elástico

E

Zona elástica Ley de Hooke e (deformación unitaria) Deformación Unitaria residual (0,002)

Propiedades físicas

• Módulo de Young (Elasticidad) E = 200000 Mpa (2x106 kg/cm2) • Modulo de Poisson – Elástico n = 0.3 (aumento de volumen) – Plástico n = 0.5 (volumen constante)

Propiedades físicas Factores influyentes en las propiedades del acero • Composición química • Envejecimiento • Temperatura

Tipos de acero por composición química • Aceros al carbono Contienen diversas cantidades de C y menos del 1,65% de Mn, el 0,60% de Si y el 0,60% de Cu. Ejemplo: A36

• Aceros aleados Contienen Ni, Mo y otros, además de cantidades mayores de Mn, Si y Cu que los aceros al carbono. Ejemplo: A514

• Aceros de baja aleación y alta resistencia Contienen cantidades menores de aleación. Tratados para obtener resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Ejemplo: A572.

• Aceros inoxidables Contienen Cr, Ni y otros para resistir oxidación.

Clasificación de los aceros según la ASTM (American Society for Testing and Materials) Designación

Mínimo punto de fluencia kpsi (kgf/cm2)

Resistencia última kpsi (kgf/cm2)

A36

Acero Estructural

36 (2530)

58-80 (4081-5630)

A501

Tubos estructurales de acero al carbono, laminados

36 (2530)

58 (4081) min

A242 y A588

Aceros Estructurales de baja aleación y alta resistencia con punto de fluencia mínimo de 50 ksi en piezas de hasta 4” de espesor

42 (2956) 46 (3237) 50 (3519)

63 (4433) min 67 (4715) min 70 (4926) min

A618

Tubos estructurales de baja aleación y alta resistencia, laminados en caliente, soldados y sin costura

50 (3519) 50 (3519)

65 (4574) min 70 (4926) min

A572

Aceros de calidad estructural al columbio-vanadio de baja aleación y alta resistencia

42 (2956) 50 (3519) 60 (4222) 65 (4574)

60 (4222) min 65 (4574) min 75 (5278) min 80 (5630) min

A514

Placa de acero de aleación de alta resistencia a la fluencia, templado y tratado, apropiado para soldarse.

90 (6333) 100 (7037)

110-130 (7741-9148) 110-130 (7741-9148)

Factor: Envejecimiento s “Strain aging”

A

C

Endurecimiento por deformación

B

Ductilidad después de endurecimiento por deformación y “strain aging”

e

Factor: Temperatura

Perfiles Estructurales Normalizados Perfiles Laminados

I

Angulo

Placas Barras

U

Posibles Combinaciones

Perfiles plegados y soldados

Tubo circular

Tubo rectangular

Perfiles plegados (en frío)

ACCIONES Y CARGAS Se entiende como carga a cualquier acción o conjunto de acciones capaz de producir estados tensionales (esfuerzos) en una estructura. La determinación precisa de las cargas sobre una estructura durante su vida útil es la tarea más importante y difícil que enfrenta un calculista al elaborar un proyecto. Después que se determinan las cargas es necesario investigar la combinación más desfavorable de ellas que puedan ocurrir en un momento dado.

•Clasificación de las cargas: Accidentales : Son acciones que tienen una pequeña probabilidad de ocurrencia, sólo en lapsos breves de tiempo. (sismos, huracanes) Extraordinarias : No se consideran que puedan ocurrir. Pueden presentarse en casos excepcionales. (explosiones, incendios) Permanentes : Actúan continuamente y su magnitud es invariable. (peso de los materiales estructurales y no estructurales, empuje estático de líquidos y suelos de carácter estático) Reológicas : Son producidas por la deformación de los materiales en el transcurso del tiempo por retracción, fluencia y otras causas. Térmicas : Son producidas por las deformaciones originadas en cambios de temperatura. Variables : Son las que actúan sobre una estructura con una magnitud variable en el tiempo y que se deben a su ocupación y uso habitual. (personas, objetos, vehículos, ascensores, grúas móviles, empujes de líquidos y suelos de carácter periódico) De agotamiento : Cargas que conducen al estado límite de agotamiento resistente. De servicio : Carga que probabilísticamente se espera que ocurra durante la vida útil de la estructura debido a su ocupación y uso habitual. Mayorada : Carga de servicio multiplicada por los factores de mayoración previstos en las normas correspondientes.

Factores de Resistencia La resistencia minorada de los miembros y conexiones estructurales de acero y la de los sistemas resistentes a sismos para las hipótesis de solicitaciones en las cuales el sismo actúa solo o en combinación con las solicitaciones permanentes y variables, se determinará convirtiendo los tensiones admisibles calculadas según la Norma venezolana COVENIN – MINDUR 1618-82 en resistencias teóricas, multiplicando dichas resistencias teóricas por los factores de minoración de la resistencia teórica Ø, dados a continuación:

Tracción: Cedencia, 0.9 Ruptura, 0.75

Corte: Cedencia, 0.9 Ruptura, 0.75

Compresión: Pandeo, 0.85

Torsión: Cedencia, 0.9 Pandeo, 0.9

Flexión: Cedencia, 0.9 Ruptura, 0.75

Soldaduras de filete: 0,75 Pernos: 0.75

Soldaduras de penetración: 0.9 para el metal base 0.8 para el metal de soldadura

Aplastamiento: Sobre el acero, 0.75 Sobre el concreto, 0.6