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  Autor: Msc. Ing. Javie r Caballero Flores

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Autor: Msc. Ing. Javier Caballero Flores

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EL OBJETIVO DE LA CLASE -

•Expresar con lenguaje adecuado los términos utilizados en la materiarelativos a las estructuras metálicas.•Conocer el contenido de la materia, forma de evaluación y medios deayuda.•Saber reconocer las propiedades mecánicas y diagramas tensión

deformación del acero estructural.•Identificar las ventajas y desventajas del acero Estructural.•Reconocer los tipos de perfiles de acero estructural, de la norma AISC,y los perfiles usuales que utilizamos en nuestro medio.

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CAP1.- INTRODUCCIÓN

CAP2.-CARGAS SOBRE LAS ESTRUCTURAS METÁLICASCAP3.-TRACCIONCAP4.-COMPRESION AXIALCAP5.- FLEXIÓN Y CORTECAP6.- FLEXO TRACCIÓN Y FLEXOCOMPRESIÓN.

CAP7.-CONEXIONESCAP8.-PROGRAMAS COMPUTACIONALES ***

SE NECESITA, NORMA AISC LRFD (ULTIMA EDICIÓN,13ava)NORMA ASCE 7-10 DE CARGASCALCULADORAS.EVALUACIONES: PRACTICAS, PROYECTOS y EXÁMENES.Se toma además en cuenta la participación de clase

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1. Reglamento para diseño de Estructuras de Acero: “Manual of Steel

construcction AISC – LRFD THIRTEENTH EDITION” y “SPECIFICATIONFOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS”, ULTIMA EDICIÓN IMPRESA ENABRIL DE 2007.2. Diseño de Estructuras de Acero Metodo LRFD, Mccormac (últimaedición).3. Diseño de estructuras de acero con LRFD, Theodore V. Galambos,F.J.Lin, Prentice Hall, 3ra ed. (última edición impresa en español).4. Diseño de estructuras de acero con LRFD, William T. Segui, ThopmsonEditores, 3ra ed. (última edición impresa en español).5. Diseño de Acero Estructural, J. E. Bowles, Editorial Limusa6. Lecturas y diapositivas de clase.

7. TUTORIALES ETABS Y SAP2000.8. TUTORIALES RAM ADVANSE

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2º DISEÑO ESTRUCTURAL

SEGURIDAD ECONOMÍA

E.L.RESISTENCIA

E.L.SERVICIO

ESTADOS LIMITES

•M.P.•M.O.•G.G.

1º ANALISIS ESTRUCTURAL

ESTRUCTURA

SOLICITACIONES IDEALIZACION

MODELO MATEMATICO

SOLUCION MATEMATICA DE LAESTRUCTURA : “OUPUTS”:

RECCIONES, ESFUERZOS,DEFORMACION……….

CARGAS, GEOMETRIA, MATERIALTIPOS DE ANALISIS, RELACIONES

CONSTITUTIVASCONOCER DE LA MANERA MAS

POSIBLE Y PRECISA ELCOMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

PARA PREVER PROBLEMAS,FALENCIAS, MIEMBROS CRÍTICOS,..

PARA IR AL DISEÑOMSC ING JAVIER CABALLERO FLORES - UMSS 2011

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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.•Edificios: Que incluyen estructuras dé marco rígido, marcossimplemente conectados, muros de carga, soportados por

cables, y en voladizo. Se pueden considerar o usar numerososesquemas de soporte lateral, como armaduras, simples yalternadas, y un núcleo central rígido. Además, se puedenclasificar los edificios según su empleo o altura como edificiosde oficinas, industriales, fábricas, viviendas, rascacielos, etc.

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

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La seguridad, como preocupación de diseño tiene

precedencia sobre todas las otras consideraciones dediseño. La "seguridad" de cualquier estructura depende,naturalmente, de las manera de cómo una estructurasoporta las cargas. Como la estructura, después de suconstrucción, siempre estará sometida a cargas, y no

siempre del modo o manera con que fue diseñada, laselección de las cargas de diseño constituye un problemade estadística y probabilidad. Esta parte del problemaresultaría bastante subjetiva, y produciría diseñosextremadamente dispares, si no fuese por los códigos de

construcción que se han desarrollado (y que en una formau otra se usan casi universalmente); estos códigosestablecen límites mínimos requeridos o sugeridos enaquellos casos en que la seguridad pública constituye unfactor importante.

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El acero es uno de los más importantes materiales

estructurales. Entre sus propiedades de particularimportancia en los usos estructurales, están la altaresistencia, comparada con cualquier otro materialdisponible, y la ductilidad.

DUCTILIDAD: es la capacidad que tiene el material dedeformarse sustancialmente ya sea a tensión ocompresión antes de fallar.

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¿Como se produce el Acero?El acero se produce por la refinación del mineral de hierro y metales

de desecho, junto con agentes fundentes apropiados, coke (para elcarbono) y oxígeno, en hornos a alta temperatura, para producirgrandes masas de hierro llamadas arrabio de primera fusión. Elarrabio se refina aún más para remover el exceso de carbono yotras impurezas y/o se alea con otros metales como cobre, níquel,

cromo, manganeso, molibdeno, fósforo, sílice, azufre, titanio,columbio, y vanadio, ETC., para producir las característicasdeseadas de resistencia, ductilidad, soldabilidad y resistencia a lacorrosión. Los lingotes de acero obtenidos de este proceso pasanentre dos rodillos que giran a la misma velocidad y en direcciones

opuestas para producir un producto semiterminado, de largo y deforma rectangular que se llama plancha o lingote, dependiendo desu sección transversal. Desde aquí, se envía el producto a otrosmolinos laminadores para producir el perfil geométrico final.

COMPOSICIÓN: FE≈98%, C ≈98%, OTROS≈1%,

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Los lingotes de acero de la refinación del arrabio se laminan para formarplacas de anchos y espesores variables; diversos perfiles estructurales;barras redondas, cuadradas y rectangulares; y tubos. La mayor parte dellaminado se efectúa sobre el acero en caliente, y el producto se llama"acero laminado en caliente". Algunas de las placas más delgadas selaminan o doblan aún más, después de enfríadas, para hacer productosde acero laminados en frío o "formados en frío" . En las siguientessecciones se describen varios de los perfiles más comunes.

AISC :

AISI :

AMERICAN INSTITUTE OFSTEEL CONSTRUCTION

AMERICAN IRON AND STEELINSTITUTE

PERFILESLAMINADOS ENCALIENTE

PERFILESDOBLADOS OFORMADOS ENFRIO

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PERFILES W .- WIDE FLANGE: ALA ANCHA.- EL MEJOR PERFIL PARA SERUTILIZADO PARA FLEXIÓN (VIGAS)

Este perfil es doblemente simétrico (tanto con respecto al eje de las x como parael eje de las y), que consiste en dos patines de forma rectangular conectados poruna placa de alma también rectangular. Las caras del ala son esencialmenteparalelas con la distancia interior entre alas para la mayoría de los grupos, conuna dimensión constante"

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PERFILES S .- SLOPE: PENDIENTE.- ES SIMILAR AL W, SIN EMBARGO SUSALAS TIENEN PENDIENTE, IDEAL PARA SER UTILIZADO PARA FLEXIÓN

(VIGAS) EN CONDICIONES DE INTEMPERIE, EN LLUVIA O NIEVE.Este perfil es doblemente simétrico y tiene las principales diferencias con elperfil W:1. El ancho del patín del perfil S es menor.

2. La cara interna del ala tiene una pendiente de aproximadamente 16.7º

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PERFILES M .- MISCELLANIUS: MISCELANEO.- ES SIMILAR AL W, SIN EMBARGOSON PERFILES DE GEOMETRÍA RARA O ESPECIAL, FABRICADOS A PEDIDO,

POR ENDE NO SON COMERCIALES.Son perfiles doblemente simétricos que no se clasifican como perfiles W o S.

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PERFILES HP.- HACHE PROFILE: PERFIL H.- ES SIMILAR AL W, SIN EMBARGO ELESPESOR DE SU ALMA ES MUCHO MAYOR AL ESPESOR DEL ALA, Y POR ENDE

TIENE MAYOR ÁREA Y MAYOR PESO POR UNIDAD DE LONGITUD QUE LOS W.Son perfiles doblemente simétricos cuyo mayor uso radica en servir para piloteshincados para fundaciones de edificios, puentes, otros. El mayor espesor del almagenera que el elemento estructural resista los golpes del martillo ejerce en elmomento del Hincado.

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PERFILES C- CHANEL: CANAL.- PERFIL SIMPLEMENTE SIMÉTRICO, CUYAMAYOR APLICACIÓN ES LA CONSTRUCCIÓN DE ARMADURAS DE TECHO,

PUENTES, ETC.Son perfiles simplemente simétricos, siendo la pendiente interna del patín similarque la de los perfiles S.

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PERFILES MC- MISCELLANIUS CHANEL: CANAL MISCELANEO.- PERFIL SIMILARAL CANAL, SIN EMBARGO SON PERFILES DE GEOMETRÍA RARA O ESPECIAL,

FABRICADOS A PEDIDO, POR ENDE NO SON COMERCIALES.Son perfiles simplemente simétricos, que no se clasifican como perfiles C.

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PERFILES L- ANGLES: ANGULAR.- PERFILES CUYOS EJES PRINCIPALES ESTÁNROTADOS, SU PRINCIPAL USO ES COMO ELEMENTO DE ARRIOSTRAMIENTO,TENSORES, COMPONENTES DE ARMADURAS DIVERSAS, ETC.

Estos perfiles pueden ser angulares de lados iguales o desiguales. Todos losangulares tienen paralelas las caras de los lados.

Un perfil L6 x 6 x 3/4 es un angular de lados iguales con dimensión nominal de 6pulg y un espesor de 3/4 pulg.

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PERFILES WT, ST, MT.- TEES: TE.- PERFILES DEOMINADOS “TE ESTRUCTURAL”

QUE SE OBTIENEN DE LOS PERFILES W, S o M, POR EJEMPLO PARA LASDIMENSIONES DE UN PERFIL W DADO, ESTE PERFIL ES LA MITAD EN ALTURA Y

PESO, SIN EMBARGO MANTIENE LAS DIMENSIONES DE ALAS Y ESPESORES.Las tes estructurales son miembros estructurales que se obtienen cortandoperfiles W (para WT), S (para ST), o M (para MT). Por lo general se hace el corte detal modo que se produce un perfil con área equivalente a la mitad del área de lasección original, pero a menudo se puede desplazar el corte cuando se requiereuna sección con mayor peralte. Las tablas publicadas con perfiles T se basan en

cortes simétricos. Su principal uso es en armaduras soldadas.

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PERFILES RECTANGULARES Y CUADRADOS HSS.- HSS : HOLLOW STRUCTURALSTEEL : SECCION ESTRUCTURAL HUECA.- PERFILES RECTANGULARES YCUADRADOS CON UN ESPESOR CONSTANTE QUE TIENEN LA SECCIÓN HUECA.

Perfiles doblemente simétricos, cuyo mayor uso es en elementos a compresión oflexocompresión, como es el caso de columnas. Su uso también responde alaspecto estético. Uno de los perfiles ideales para trabajar en sección compuestacon el hormigón.

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PERFILES CIRCULARES HSS.- HSS : HOLLOW STRUCTURAL STEEL : SECCIÓNESTRUCTURAL HUECA.- PERFILES CIRCULARES CON UN ESPESORCONSTANTE QUE TIENEN LA SECCIÓN HUECA.

Perfiles simétricos, cuyo mayor uso es en elementos a compresión oflexocompresión, como es el caso de columnas. Su uso también responde alaspecto estético. Uno de los perfiles ideales para trabajar en sección compuestacon el hormigón.

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PERFILES 2L.- DOUBLE ANGLES: DOBLE ANGULAR : UNA SECCIÓN QUE SEFORMA A PARTIR DE DOS ANGULARES DISPUESTOS ESPALDA CON ESPALDA.

Los perfiles 2L, se los utiliza para miembros a tracción de armaduras para techos

que consisten en angulares simples, pero un miembro más satisfactorio seconstruye a base de dos angulares, espalda con espalda.El perfil 2L (doble angular) tiene la ventaja de tener una mayor resistencia conrespecto a los perfiles L.

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PERFILES 2C.- DOUBLE CHANEL: DOBLE CANAL : UNA SECCIÓN QUE SEFORMA A PARTIR DE DOS CANALES DISPUESTOS ESPALDA CON ESPALDA.

Los perfiles 2C, se los utiliza para miembros de armaduras, como así tambiénelementos a flexión.

El perfil 2C Tiene la ventaja de tener una mayor resistencia con respecto a losperfiles C.

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PERFILES COMBINADOS WC , MC y SC.- PERFILES QUE SE OBTIENEN DE LOSPERFILES W, S o M COMBINÁNDOLOS CON LA SECCIÓN CANAL

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OTROS PERFILES .-

EXISTEN PERFILES PARA RIELES (RAILS), TUBOS (PIPES), BARRAS Y

PLACAS, ETC.

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PERFILES DOBLADOS EN FRIO .-Los perfiles estructurales doblados en frío, son aquellos perfiles

fabricados a base de planchas, tratados térmicamente (templadosy revenidos) dándoles dureza y resistencia, para luego se procedaal doblado de las mismas mediante equipos sencillos de dobladoen frío, la forma es según los requerimientos del diseñador yconstructor.

Los miembros formados en frío, a diferencia de las seccioneslaminadas en caliente, mas pesadas, se usan esencialmente entres situaciones:1) Cuando cargas y claros moderados hacen antieconómicos a losgruesos perfiles laminados en caliente.

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PERFILES DOBLADOS EN FRIO .-2)Cuando, independientemente del espesor, se requieren

miembros de configuraciones transversales que no puedenproducir en forma económica por laminado en caliente o porsoldado en placas planchas.3) Cuando se busca que los miembros portadores de cargatambién proporcionen superficies útiles, como en paneles de piso

y paredes, tableros de techo y similares.Entre sus aplicaciones tenemos; galpones, porta techos deviviendas, carrocerías, estructuras metálicas, maquinarias yequipos, etc.

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DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACIÓNCARACTERÍSTICO DE UN ACEROESTRUCTURAL CON BAJO CONTENIDO DECARBONO.

DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACIÓNCARACTERÍSTICO DE UN ACERO FRÁGIL

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1. Módulo de elasticidad, E. El rango típico para todos los aceros (relativamente

independiente de la resistencia de fluencia) es de 28 000 a 30 000 ksi ó 193 000 a207 000 MPa. Para efectos de diseño se toma un valor fijo, que es 29 000 ksi.2. Módulo de cortante, G. El módulo de cortante de cualquier material elástico

se calcula como

Donde μ= coeficiente de Poisson que se toma como 0.3 para el acero.3. Coeficiente de expansión térmica, α. El coeficiente de expansión térmicapuede tomarse como α = 11.25 X 10-6 por ºC-1 (muy similar al del concreto).

4. Punto de fluencia y resistencia última. Fy y Fu.

5. Otras propiedades de interés. Estas propiedades incluyen el peso especifico delacero que es 490 lb/ft3 o 7.850 ton/m3 . Para efectos de diseño se recomiendatomar 8 ton/m3

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•ALTA RESISTENCIA POR UNIDAD DE PESO (en comparación conel hormigón, madera u otros materiales), lo que permite la

aplicación en “estructuras grandes”: edificios altos, puentes largos,etc.•UNIFORMIDAD, debido a que las propiedades del acero casi nocambian en el tiempo, como si pasa con el Hº o HºAº.•ELASTICIDAD, debido a que su comportamiento real se asemeja

grandemente a su hipótesis, debido a alta tensión que resistecumpliendo ley de hooke. A su vez la inercia de los elementos secalcula fácilmente no como en HºAº (sección compuesta, fisurada yno fisurada).•DURABILIDAD, si el mantenimiento es adecuado (pinturas

anticorrosivas, etc.), las estructuras de acero podrían durarindefinidamente.•DUCTILIDAD, es la propiedad que tiene el material de soportargrandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión.Ofrecen evidencia visible antes de la falla.

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•TENACIDAD, es decir posee alta resistencia y ductilidad. Unmiembro que presenta grandes deformaciones aún es capaz de

resistir grandes fuerzas.

•FACILIDAD DE AMPLIACIONES, por ejemplo los puentes fácilmentepueden ampliarse, modificarse,etc.

•GRAN FACILIDAD DE UNIÓN, soldaduras, remaches, pernos.

•PREFABRICACIÓN

•RAPIDEZ DE MONTAJE

•REHUSO POSIBLE, por ejemplo luego de desmontar una estructura•POSIBILIDAD DE VENTA COMO CHATARRA AL FINAL DE VIDA ÚTILO AL COLAPSO.

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•COSTO DE MANTENIMIENTO, deben pintarse periódicamente, debido ala alta susceptibilidad a la corrosión, al estar expuestos al aire o alagua, aunque existen aceros intemperizados (**).•COSTO DE LA PROTECCIÓN CONTRA EL FUEGO, debido a que suresistencia se reduce considerablemente ante incendios. Además elacero es un excelente conductos del calor, lo que puede producirpropagación de las llamas. Entonces el acero debe protegerse conmateriales aislantes y/o rociadores. (actualmente se recubre conHormigón).•SUSCEPTIBILIDAD AL PANDEO, Cuanto más largos y esbeltos esténlos miembros a compresión, mayor peligro de pandeo.•FATIGA, debido a que la resistencia del acero puede reducirsesignificativamente ante gran numero de inversiones de sentido, o bien aun gran numero de cambios en la magnitud de esfuerzos a tensión.•FRACTURA FRÁGIL, el acero puede perder su ductilidad y producirsela falla frágil, en sectores donde existe concentración de esfuerzos. Asu vez las cargas que producen fatiga y las bajas temperaturas agravanla situación.

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