Ing. mauricio castro perfiles laminados, armados

NSR-09

ESTRUCTURAS DE ACERO

CON PERFILES LAMINADOS, ARMADOS

Y TUBULARES ESTRUCTURALES

NSR-09TITULO F

ESTRUCTURAS METALICASCapítulos

• F.1: Requisitos Generales• F.2: Estructuras de acero con Perfiles Laminados,

Armados y Tubulares Estructurales• F.3: Provisiones Sísmicas• F.4: Estructuras de Acero con Perfiles en Lámina

Formada en Frío• F.5: Aluminio Estructural

CAPITULO F.2Estructuras de Acero con Perfiles Laminados,

Perfiles Armados y Perfiles Tubulares Estructurales

Antecedentes NSR-98

AISC-ASD 1.989 AISC-LRFD 1.993

RESISTENCIA NOMINAL Rn

Propiedades mecánicas del material.

Dimensiones de la sección transversal.

Esfuerzos residuales.

Desviaciones de rectitud.

Imperfecciones de construcción y montaje.

Deterioro por corrosión. SγQVariaciones en procedimientos de montaje.

Cambio de uso.

Simplificaciones del análisis.

Dimensiones de construcción.

Magnitud de las cargas.

EFECTO DE LAS CARGAS NOMINALES ∑Qi

DIS

EÑ

O P

AR

A E

SFU

ER

ZO

S P

ER

MIS

IBL

ES

(A

SD

)

DIS

EÑ

O P

OR

FA

CT

OR

ES

DE

CA

RG

A

Y D

E R

ES

IST

EN

CIA

(L

RF

D)

Nueva Edición AISC-LRFD 1999(2ª edición Manual)

AISC-ASD 1.989 AISC-LRFD 1.999

ANSI/AISC 360-05LRFD/ASD

Nueva Edición ANSI/AISC 360

Actualmente en discusión Pública

Mantiene formato dual ASD/LRFDde ANSI/AISC 360-05

Problema General de Seguridad Estructural

Distribución de frecuenciaspara los efectos de las cargas (Q) y la Resistencia (R)

Condición “segura”

R ≥ Q

⇒ R/Q ≥ 1

⇒ ln(R/Q) ≥ 0

Distribución de frecuenciaspara pares Resistencia (R) - Carga (Q)

Distribución de frecuenciaspara pares Resistencia (R) - Carga (Q)

β: índice de seguridad

o índice de confiabilidad

Relación entre el valor medio y la desviación estándar

para la distribución de frecuencias de ln(R/Q)

SEGURIDAD ESTRUCTURAL

Concepto de Factor de Seguridad en ASD:

Si se considera que la carga aplicada puede incrementarse en un 40% y la resistencia puede reducirse en un 15%:

R-0.15R ≥ Q+0.40Q => R/Q ≥ 1.65


Concepto de Factor de Seguridad en ASD

• Se aplica el mismo factor a la carga muerta y a la carga viva

• Resulta una considerable variación en los valores de β


Concepto de Factor de Seguridad en ASD

Ejemplo:

Para vigas en perfiles laminados compactos fluencia en miembros a tensión:

• β = 3.1 para L/D = 0.5

• β = 2.4 para L/D = 4.0


La variación en el valor de β inherente a ASDse reduce sustancialmente en LRFD mediante la definición de unos valores objetivo de β y la selección de factores de carga y de resistencia apropiados para lograr dichos valores.

SEGURIDAD ESTRUCTURAL - LRFD

• LRFD calibrado a ASD para L/D = 3.0 para flexión en vigas compactas y fluencia en miembros a tensión

• Factor de resistencia para estos estados límite: φ = 0.90

• Valores de β implícitos:β = 2.6 para miembrosβ = 4.0 para conexiones

Formato ANSI-AISC 360-05

• ASD/LRFD• Los mismos Estados Límite• Se parte de la misma

Resistencia Nominal



• Condición de diseño:

En LRFD: øRn ≥ 1.2D + 1.6L

En ASD: Rn/Ω ≥ D + L

• Para Rn (LRFD) = Rn (ASD):

(1.2D + 1.6L)/ø = (D + L)Ω

Ω.ø = (1.2D + 1.6L)/(D + L)


• LRFD calibrado a ASD para:

L/D = 3.0

• Lo que equivale a:

Ω.ø = 1.5

øRn /(Rn/ Ω) = 1.5


• Esto quiere decir que dos diseños, uno por LRFD y por ASD, requerirán la misma Rn (o sea el mismo elemento) para la combinación 1.2D + 1.6L cuando la carga viva sea 3 veces la carga muerta.

Consideraciones ASD

Diseño de Miembros a Tensión

Estados Límite:

• Fluencia en la sección bruta

• Fractura en la sección neta efectiva


Limitación de esbeltez, sólo una recomendación:

PREFERIBLEMENTE NO SUPERIOR A 300


Fluencia sobre el área neta

RESISTENCIA NOMINAL:

Pn = Fy.Ag

RESISTENCIA DE DISEÑO:

Ø Rn = Øt Pn

Øt = 0.90


Fractura en la sección neta efectiva


Pn = Fu.Ae

Ae = U.An


Ø Rn = Øt Pn

Øt = 0.75

Cálculo del Area Neta

An = Ag–S(d+D)t+ S(s2/(4g))

d: diámetro de la perforación

= diámetro del perno + 1.6 mm para perforaciones estándar

D =1.6 mm para perforaciones estándar

Diseño de Miembros a TensiónFactor “U” por Rezago de Cortante

Diseño de Miembros a TensiónDesgarramiento en Bloque (Shear Lag)

Diseño de Miembros a TensiónDesgarramiento en Bloque (Block Shear)

Antes de ANSI/AISCE 360-05

• Rotura en líneas a tracción y fluencia en líneas a cortante

• Rotura en líneas a cortante y fluencia en líneas a tracción

SE TOMABA EL MAYOR


Ahora:

Rotura en líneas a tracción

más la menor entre:• Rotura en líneas a cortante

• Fluencia en líneas a cortante


0.6Fu.Anv

Rn = UbsFu.Ant + min {

0.6Fy.Agv


Diseño de Miembros a Compresión


Pn = Fcr.Ag


Ø Rn = Øc Pn

Øc = 0.90 (Antes 0.85)


Estados Límite

• Pandeo Flexional• Pandeo Flexotorsional

• Pandeo Local


Limitación de esbeltez, sólo una recomendación:

PREFERIBLEMENTE NO SUPERIOR A 200

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Flexional

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Flexional

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexo-Torsión

Cálculo de Fe a utilizarse en fórmulas de Pandeo Flexional(no incluye secciones en T, ángulos dobles en T)

De simetría doble y perfiles en Z

Con simetría simple, eje de simetría “y”

Asimétrica Mínima raíz de la ecuación:

ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexión o por Flexo-Torsión

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexo-Torsión

Angulos dobles Espalda con Espalda y Secciones en T

• Fcry = Fcr de ecuación E3-2 o E3-3, con KL/r = KL/ry (y: eje de simetría)

Enfrentados• Mayor rigidez en y• Fácil manipulación• Fácil montaje• Menos arriostramiento• Fácil pintura

Espalda con Espalda

• Tradicional en EEUU• Fácil transporte• Permite diagonales en

ángulo sencillo

Angulos Dobles

Diseño de Miembros a CompresiónEsbeltez Modificada para Ángulos Dobles Distanciados

(Ref: Investigación Universidad Nacional – Sede Medellín)

++

+

+

=

bb

i

b

bi

ibm AL

anA

I

aLA

r

a

r

KL

r

KL32.5165.182.0

)1(

2

2

22

0 αα

a = distancia entre conectores, mmri = Radio mínimo de giro de un componente individual, mm

rib = Radio de giro de un componente individual relativo a su eje centroidal

paralelo al eje de pandeo del miembro, mmα = Relación de separación = h/(2rib)

h = Distancia entre los centroides de los componentes individuales, medida perpendicularmente al eje de pandeo del miembro, mmAi: = area de un ángulo, mm2

Lb : = longitud del conector medida entre los centroides de los ángulos, mm

Ib : = inercia del conector asociada a la flexión en el plano de los dos ángulos conectados, mm4

n: = factor de forma para deformaciones por cortante= 3.33 para conectores en perfil angular= 1.2 para conectores de sección rectangular= 1.11 para conectores circulares

Ab : área del conector, mm2



Se introducen provisiones de diseño para ángulos sencillos a compresión.


Diseño de Ángulos Sencillos a Compresión

Usar ecuaciones de Pandeo Flexional bajo las siguientes condiciones:

• La carga es concéntrica, o

• se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones:– Miembros conectados por la misma aleta en ambos

extremos– Miembros conectados por soldadura o mínimo 2 pernos– No se aplican cargas transversales– Usar esbeltez modificada

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Local

El diseño para secciones con elementos esbeltos queda integrado en el numeral F.2.5


Las tablas para los límites de b/t para pandeo local aparecen ahora separadas para compresión y para flexión.

Así en las tablas para compresión sólo aparece ahora el límite λr.


Antes…


Ahora.…

Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexión o por Flexo-TorsiónUsar QFy en lugar de Fy para miembros con elementos esbeltos




Diseño de Miembros a Flexión


Mn = según estado límite


Ø Rn = Øb Mn

Øb = 0.90



Cambios a destacar:• Se unifica tratamiento para vigas en perfiles

laminados y en perfiles ensamblados.• Provisiones para ángulos sencillos a flexión• Provisiones para Perfiles Tubulares Estructurales

(PTE) a flexión• Nuevo tratamiento para aletas a tensión con

perforaciones.

Diseño de Miembros a FlexiónVigas en I de simetría doble y sección compacta

Canales de sección compactaFlexión alrededor del eje mayor





Diseño de Miembros a Cortante

Dos métodos para el cálculo de la resistencia:

• Sin utilizar la acción del campo tensionado

• Utilizando la acción del campo tensionado

Diseño de Miembros a Cortante

Diseño de Miembros a Flexión y Cortante

• Se remueve la distinción para Vigas Ensambladas (Plate Girders)

• Se incluyen ángulos sencillos y Perfiles Tubulares Estructurales

• Se integran las provisiones para almas no compactas y almas esbeltas

• Todas las provisiones para cortante quedan incluidas en el mismo capítulo

Diseño de Secciones Compuestas

• Valores revisados para conectores de cortante

• Øb para vigas aumenta de 0.85 a 0.90

• Nuevas provisiones para tensión y cortante• Nuevo enfoque para columnas compuestas

• Disminuye Øc para columnas

• Nuevo enfoque para la interacción


Diseño de Conexiones

Cambios en especificación ANSI/AISC 360-05

• Se elimina requisito de mínima resistencia de la soldadura• Cálculo de resistencia para soldaduras que forman un ángulo con la carga.• Garganta efectiva para soldaduras acanaladas de penetración parcial.• Cálculo del resistencia al desgarramiento en bloque• Destijeres y perforaciones para acceso de soldadura

Diseño de Conexiones

(antes tamaño mínimo del filete basado en el mayor de los espesores a unir)

Perfiles Tubulares Estructurales (PTE)

• Totalmente reorganizado en ANSI/AISC 360-10, ampliamente ilustrado con esquemas.


Estabilidad

Se deben tener en cuenta los siguientes efectos:

• Deformaciones de los miembros

• Deformaciones de la estructura

• Efectos P – Δ

• Efectos P – δ

• Imperfecciones Geométricas

• Esfuerzos residuales


EstabilidadEfectos P – Δ Efectos P – δ


Estabilidad

El Método de Análisis Directo se convierte en el método básico para el análisis de la estabilidad, sin limitaciones en su aplicación.


Estabilidad

Como métodos alternativos, sujetos a limitaciones en su aplicabilidad, quedan:

• Método de la Longitud Efectiva

• Método del Análisis de Primer Orden

Estabilidad

Método de Análisis Directo

• Aplicable a todo tipo de estructuras

• Para todos los sistemas– Pórticos arriostrados– Pórticos resistentes a momento

– Muros de cortante– Combinaciones de sistemas



El método implica:

• Cálculo de la resistencia requerida.

• Cálculo de la resistencia disponible.



• Requiere ejecutar un análisis de segundo orden que considere los efectos P – Δ y los efectos P – δ.

• Opciones:– Cualquier método general de análisis de segundo orden.– Análisis de segundo orden por amplificación de los

resultados de un análisis de primer orden (B1 – B2).



Para tener en cuenta la influencia del comportamiento inelástico en los efectos de segundo orden:

• Usar rigidez flexional reducida:EI* = 0.8τbEI

• Usar rigidez axial reducida:EA* = 0.8EA



Aplicar cargas virtuales, Ni, donde:

Ni = 0.002Yi

Yi = carga gravitacional total en el piso

(correspondiente a un desplome inicial de 1/500)



Una vez obtenidos los resultados de este análisis:

• Los miembros se diseñan con base en las provisiones para las respectivas solicitaciones.

• Los miembros a compresión se pueden diseñar con K = 1.0.


Aseguramiento y control de Calidad

• Antes conjuntamente con Fabricación y Montaje

• Ahora en numeral separado, con requerimientos específicos.

Fabricación y Montaje



Seis etapas en el desarrollo de un proyecto

….y algunos añaden una séptima etapa:¡Llegaron los planos!

¡Muchas gracias!

MAURICIO J. CASTROIngeniero Civil, Universidad del CaucaM.Sc. Rensselaer Polytechnic Institute

Industrias Ceno S.A.Escuela de Ingeniería de Antioquia

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