Acero - Ing Zapata Baglietto
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EST ESTRUCTURA RUCTURAS S DE ACERO AC ERO ESTRUCTU RAS ACE RO Luis F. Zapata Zapata Bagliet Bagliet t o
1999
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONTENIDO INTRODUCCIÓN ü MATERIAL ACERO ü TIPOS DE PERFILES DE ACERO ü ESTRUCTURAS DE ACERO TÍPICAS ü ESPECIFICACIONES AISC COMO REGLAMENTO DE DISEÑO ü EJEMPLOS DE ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL ü ACCION DEL VIENTO Y SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO ü
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ESTRUCTURAS DE ACERO
INTRODUCCIÓN La industria de la construcción es vital para el desarrollo de nuestro país, se dice que cuando la construcción camina el país camina. La aplicación del acero en la construcción es enorme. l La Ingeniería Estructural es una ciencia y un arte para diseñar y realizar, con economía y elegancia, edificaciones, puentes, armazones y otras estructuras similares de tal modo que ellas resistan las fuerzas a las cuales pueden estar sujetas. l
ESTRUCTURAS DE ACERO
INTRODUCCIÓN El acero es la base de construcciones livianas, grandes o pequeñas, bellas y esculturales, que permite un trabajo limpio, planificado y de una rapidez sorprendente. l El acero mejora la destreza del operario y ayuda a la imaginación de los promotores de las construcciones a presentar interesantes propuestas. l Es el único material que disminuye su precio con los años y que mejora en su resistencia y formas. l
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ESTRUCTURAS DE ACERO
INTRODUCCIÓN l
Los puentes vehiculares y peatonales pueden edificarse con acero, las construcciones de establecimientos de industrias, las de minas, las de petróleo, las torres de electricidad, de comunicaciones, hangares, coliseos, etc.
A continuación algunos ejemplos de estructuras de acero
3
4
5
6
7
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9
Alicorp, Lima 10000 m2
Alicorp, Lima en construcción
1
Alicorp, Lima en construcción
Sandoval, Lima 14000 m2
1
Tele2000, Lima torre de antena
Puente peatonal, Piura 109 m, tendido de cables
1
Puente peatonal, Piura colocación de plataforma
Puente peatonal, Piura detalles de los cables
1
Puente peatonal, Piura 109 m de luz
Puente peatonal, Piura detalle de anclaje
1
Puente peatonal, Piura piezas de conexión de cables
Puente peatonal, Piura más detalles
1
Puente peatonal, Piura plataforma, detalles
ESTRUCTURAS DE ACERO
MATERIAL ACERO El material acero es de relativa reciente invención, tal como se conoce ahora es de fines del siglo XIX. Es la fusión del mineral de hierro, carbono y otras aleaciones y que ahora se trabaja en las siderúrgicas con un proceso industrial cada vez más exacto. l La industria del acero es muy grande. l
1
ESTRUCTURAS DE ACERO
MATERIAL ACERO El acero se puede obtener de la materias primas por desoxidación del hierro y la mezcla con otros minerales, o por tratamiento del acero de reciclaje. El material puede tener muchas variedades y formas al finalizar su manufactura. l Los ingenieros y arquitectos apreciamos su resistencia y su facilidad de trabajo para la construcción de nuestras obras. l
ESTRUCTURAS DE ACERO
MATERIAL ACERO Hay una frase que define muy bien la importancia del acero en nuestras vidas: "Pa r a s u b ie n o p a r a s u m a l , e l m a t e r ia l a c e ro es u n o d e l os m a t e r ia l es q u e m a s h a i n f l u id o en l a h i s t o ri a d e l a h u m a n i d a d ; e s a g e n t e d e a d e l a n t o y ci vi li z a c ió n , d e d e s t r u c c ió n y m i s e ri a , d e b ie n e s t a r y l i be r t a d , d e p o d e r y o p r e s i ón . E l a r a d o y l a e s p a d a q u e ca r a c t er iz a n a l a h u m a n i d a d , s o n d e a c e r o"
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ESTRUCTURAS DE ACERO
MATERIAL ACERO
F
P
Fy Fp
dF = E dε
0.05
Es
Fu
PROPIEDADES FÍSICO MECÁNICAS DEL ACERO
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
P
0.35 ε
1. Fy : Punto de Fluencia 2. Fp : Límite de Proporcionalidad Fp = Fy - 705 kg/cm2 perfiles laminados en caliente, Fp = Fy - 1130 kg/cm2 perfiles soldados 3. Fu : Resistencia a la Fractura
ESTRUCTURAS DE ACERO
MATERIAL ACERO
F
P
Fy Fp
dF dε = E
0.05
4. 5. 6. 7. 8.
0.10
Es
Fu
PROPIEDADES FÍSICO MECÁNICAS DEL ACERO 0.15
0.20
0.25
0.30
P
0.35 ε
Ductilidad Módulo de Elasticidad: E Tenacidad del acero Densidad específica del acero: 7.85 Soldabilidad
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ESTRUCTURAS DE ACERO
F (kg/cm2) A572
7000
ACEROS ESTRUCTURALES ASTM
A242 3500
A36
2500
ε 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
A36 Para propósitos generales en estructuras: edificaciones soldadas o empernadas. A242 Para puentes empernados o soldados, resistente a la oxidación. A572 Para perfiles estructurales, planchas, y barras para edificaciones empernadas o soldadas; puentes soldados sólo en los Grados 42 y 50.
ESTRUCTURAS DE ACERO
Porcentaje de Pérdida de Espesor
A
10 8 6
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DEL ACERO
B
4
C
2
2
4
6
A: Acero estructural al Carbono B: Acero estructural al Carbono mas cobre C: Acero Aleado ( Cr-Si-Cu-P )
8
10
t (años)
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ESTRUCTURAS DE ACERO
TIPOS DE PERFILES DE ACERO
PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE • PERFILES PLEGADOS • PERFILES SOLDADOS •
ESTRUCTURAS DE ACERO
PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE SECCIÓN T
ÁNGULO
CANAL
TUBULAR SECCIÓN W SECCIÓN S
Nomenclatura y tipos definidos por el AISC
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ESTRUCTURAS DE ACERO
PERFILES PLEGADOS CANALES
ZETAS
SECCIÓN I ÁNGULO
SOMBRERO
Comportamiento normado por el AISI
ESTRUCTURAS DE ACERO
PERFILES SOLDADOS
CS
CVS
VS
Nomenclatura por ITINTEC -UNI
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE ACERO TÍPICAS • • • • • •
ESTRUCTURAS PARA PROCESOS INDUSTRIALES ESTRUCTURAS PARA TELECOMUNICACIONES ESTRUCTURAS PARA LÍNEAS DE TRASMISIÓN CUBIERTAS EDIFICIOS PUENTES PEATONALES Y VEHICULARES
ESTRUCTURAS DE ACERO
V I G AS
ESTRUCTURAS PARA PROCESOS INDUSTRIALES
COLUMNA SILO A R R I O S T R E
SILO
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
TORRES PARA ANTENAS
CUADRADA 100m
ESTRUCTURAS PARA TELECOMUNICACIONES
CUADRADA 60m
TRIANGULAR 15m
ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS PARA LÍNEAS DE TRASMISIÓN
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
PLs
2Ls
CUBIERTAS
450 ANILLO CENTRAL
450 ARCOS 2Ls 150
150
ESTRUCTURA ESPACIAL
DIÁMETRO 105m PESO EST. METÁLICA METÁLICA = 13 Kg/ m2
ESTRUCTURAS DE ACERO
CUBIERTAS
PÓRTICOS DE ALMA LLENA
SISTEMA DE ARRIOSTRAMIENTO
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
CUBIERTAS
PÓRTICOS DE ALMA LLENA
PÓRTICOS DE CELOSÍA y
USA
y
PERÚ
ESTRUCTURAS DE ACERO
CUBIERTAS
SECCIÓN: BRIDA SUPERIOR
SECCIÓN: BRIDA INFERIOR
ARMADURAS DE GRAN LUZ L=60m h=6m
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS
PÓRTICOS ARRIOSTRADOS
PÓRTICOS TUBULARES
ESTRUCTURAS DE ACERO
PUENTES PEATONALES
L=36m
PUENTE PEATONAL
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
LAS ESPECIFICACIONES A I S C COMO REGLAMENTO DE DISEÑO INSTITUTO AMERICANO DE LA CONSTRUCCION EN ACERO (AISC) . FUNDADO EN 1912.
AISC ESTÁ INTEGRADO POR LOS PRODUCTORES DE PERFILES, POR LOS USUARIOS Y POR INDIVIDUOS INTERESADOS EN EL DESARROLLO DEL ACERO COMO MATERIAL PARA LA CONSTRUCCIÓN. DESDE 1921 HA PRESENTADO 11 EDICIONES DE LAS "ESPECIFICACIONES PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCION Y MONTAJE DE ESTRUCTURAS DE ACERO PARA EDIFICACIONES".
ESTRUCTURAS DE ACERO
LAS ESPECIFICACIONES A I S C COMO REGLAMENTO DE DISEÑO DOS SON LOS ENFOQUES DEL DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO: • "DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES", conocido por sus siglas ASD ( A LLOWABLE STRESS D ESIGN) 1989 - Novena Edición. • "DISEÑO POR ESTADOS LÍMITES", conocido por sus siglas LRFD ( LOAD AND R ESISTANCE F ACTOR D ESIGN) 1993 - Segunda Edición.
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR EL MÉTODO ASD SE BASA:
AISC 89
Fa ≥ f a Fa f a
: ESFUERZO ADMISIBLE : ESFUERZO APLICADO
SE APLICAN CARGAS DE SERVICIO COMBINACIÓN DE CARGAS: • CARGAS DE GRAVEDAD = D + L • CARGAS DE GRAVEDAD CON VIENTO O SISMO = 0.75 (D + L + W o E)
ESTRUCTURAS DE ACERO
LA FILOSOFÍA DEL DISEÑO POR EL MÉTODO LRFD SE BASA:
AISC 93
φ R n ≥ Σ γ . Q i φ R n : RESISTENCIA DE
Rn φ
γ Qi .
Qi γ
DISEÑO : RESISTENCIA NOMINAL : FACTOR DE RESISTENCIA : CARGAS FACTORIZADAS : CARGAS APLICADAS : FACTOR DE MAYORACIÓN DE CARGAS
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ESTRUCTURAS DE ACERO
FACTORES DE RESISTENCIA φ MENOR QUE LA UNIDAD, DEPENDEN DEL CONOCIMIENTO QUE SE TENGA DEL COMPORTAMIENTO DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL Valor de φ 0.90 0.90 0.85 0.75
Elemento Sección total en tracción Sección en flexión Sección en compresión axial Sección neta de conexión en tracción
ESTRUCTURAS DE ACERO
FACTORES DE CARGA Fórmula AISCLRFD
Combinación de Carga
(A4.1) (A4.2) (A4.3) (A4.4) (A4.5) (A4.6)
1.4 D 1.2 D + 1.6 L + 0.5( S ó Lr ó R ) 1.2 D + 1.6 ( Lr ó S ó R ) + ( 0.8 W ó 0.5 L ) 1.2 D + 1.3 W + 0.5L + 0.5( Lr ó S ó R ) 1.2 D + 1.5 E + ( 0.5 L ó0.2 S ) 0.9 D - (1.3W ó 1.5 E )
Σ γ . Q i
D : Carga muerta L : Carga viva interior Lr : Carga viva sobre el techo
Máxima posibilidad de carga en la vida útil de 50 años Carga muerta D durante la construcción Carga viva L Carga en el techo Carga de viento W más carga muerta Carga de sismo más carga muerta W ó E opuesta a la carga muerta
S E W R
: : : :
Carga de nieve Carga debida a sismo Carga debida al viento Lluvia retenida
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
P
EJEMPLO:Carga Factorizada axial en la columna de un edificio sobre la que actúan las siguientes cargas de servicio: D = 100 t, L = 150 t, Lr =30 t, W = 60 t, E = 50 t
P 400 350 300
375 t
250 200 150 100 50 0
A4.1
A4.2
A4.3a
A4.3b
A4.4
A4.5a
A4.5b
A4.6a
A4.6b
EJEMPLOS DE ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL PUENTE PEATONAL METÁLICO EN ARCO DE 36 m DE LUZ
3
CONTENIDO CONCEPTO ESTRUCTURAL ü MATERIALES ü CARGAS Y ANÁLISIS ü DISEÑO ESTRUCTURAL ü PRESENTACIÓN DE PLANOS ü METRADOS ü PRESUPUESTO ü CONCLUSIONES ü
SUPERESTRUCTURA: ARCO
C
ESCALER A H G
A
TORRE DE APOYO
F E
D
B
1
2
3
4
PUENTE PEATONAL METÁLICO
3
CONCEPTO ESTRUCTURAL Las estructuras metálicas está conformada por tres componentes: •La superestructura con dos arcos de circunferencia,
tubulares, de sección cuadrada, con una luz de 36 m y una flecha de 4.5 m. El tablero del puente peatonal estará colgado del arco mediante tirantes y estará conformado por travesaños sobre los que descansará la superficie del tablero con tablas de madera empernadas a dichos travesaños. El ancho del tablero será de 2.1 m para tener un ancho libre de 1.9 m aproximadamente. El tablero estará conformado por largueros sobre los que se apoyan los travesaños cada 1.5 m. Los travesaños soportarán el entablado. Las barandas tendrán una altura de 0.9 m y serán metálicas.
CONCEPTO ESTRUCTURAL •Dos torres de estructura de acero que servirán de
apoyo a la superestructura, y asimismo, de apoyo a las escaleras metálicas. •Dos escaleras que tendrán el mismo ancho del tablero
de la superestructura. Las dimensiones de los pasos y descansos de las escaleras son idénticas a las de otros puentes peatonales y estarán constituidos por marcos metálicos de perfiles angulares y con superficies de tablas de madera.
3
MATERIALES •
Estructura metálica Perfiles laminados en caliente fabricados de acero A36 o similar. Soldaduras con electrodos E70XX. Pernos A325-X.
•
Entablado de madera Madera Grupo A: Estoraque o Pumaquiro
CARGAS Y ANÁLISIS cm : Carga muerta cv : Carga viva plena (375 kgf/m2) cvi : Carga viva en mitad izquierda del arco (225 kgf/m2) cvd : Carga viva en mitad derecha del arco (225 kgf/m2) ct+ : Carga incremento de temperatura (10ºC) ct- : Carga decremento de temperatura (10ºC) cwn : Carga de viento norte-sur (veloc. 55KPH) cws : Carga de viento sur-norte (veloc. 55KPH) cs : Carga de sismo (RNC)
3
COMBINACIONES DE CARGAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1.00cm 1.00cm 1.00cm 1.00cm 1.00cm 1.00cm 1.00cm 1.00cm 1.00cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm
+ + + + + + + + + + + +
1.00cv 1.00cvi 1.00cvd 1.00cv 1.00cv 1.00cvi 1.00cvi 1.00cvd 1.00cvd 0.75cwn 0.75cws 0.75cv
+ + + + + +
1.00ct+ 1.00ct1.00ct+ 1.00ct1.00ct+ 1.00ct-
0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm 0.75cm
+ + + + + + + + + + +
0.75cv 0.75cvi 0.75cvi 0.75cvd 0.75cvd 0.75cv 0.75cv 0.75cvi 0.75cvi 0.75cvd 0.75cvd
+ + + + + + + + -
0.75cws 0.75cwn 0.75cws 0.75cwn 0.75cws 0.75cs 0.75cs 0.75cs 0.75cs 0.75cs 0.75cs
ct+ ctcwn cws cs
: Carga incremento de temperatura : Carga decremento de temperatura : Carga de viento norte-sur : Carga de viento sur-norte : Carga de sismo
+ 0.75cwn
CONDICIONES DE CARGA: cm cv cvi cvd
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
: Carga muerta : Carga viva plena : Carga viva en mitad izq. del arco : Carga viva en mitad der. del arco
Para el Análisis Estructural, se ha empleado el programa de computo SAP90, A Series of
Computer Programs for the Finite Element Analysis of Structures para la determinación de los desplazamientos y esfuerzos a que está sometida la estructura según cada condición de carga y las 23 combinaciones consideradas.
3
Carga viva = 375 kgf/m
Carga muerta = 250 kgf/m
carga muerta + carga viva plena
DIAGRAMAS DE MOMENTOS FLECTORES
Carga viva = 225 kgf/m
Carga muerta = 250 kgf/m
carga muerta + carga viva en mitad izq. del arco
DIAGRAMAS DE MOMENTOS FLECTORES
3
Cambio de temperatura: incremento de 10ºC Diagrama de esfuerzos axiales en los elementos
Deformaciones de la estructura
Carga viva = 375 kgf/m
Carga muerta = 250 kgf/m
ANALISIS PARA MOMENTOS DE SEGUNDO ORDEN
Carga Crítica: w cr = 2700 kgf/m factor de seguridad = 4.37
3
DISEÑO ESTRUCTURAL • El diseño estructural se ha efectuado para el
máximo efecto de las cargas sobre cada uno de los elementos empleando las combinaciones y los esfuerzos permisibles de las Especificaciones del Instituto Americano de la Construcción en Acero, AISC versión ASD89.
DISEÑO ESTRUCTURAL • Las conexiones se han diseñado para los
máximos efectos cortantes en el caso de vigas, considerando un mínimo del 50% de la capacidad de la viga en carga uniformemente repartida y, para el caso de los arriostramientos, para los máximos efectos axiales considerando un mínimo del 50% de la capacidad del miembro.
3
PRESENTACIÓN DE PLANOS SUPERESTRUCTURA: ARCO
C
ESCALERA
B A
H G
TORRE DE APOYO
F E
D
1
3
4
PUENTE PEATONAL METÁLICO
2
ESTRUCTURA DEL PUENTE
3
DETALLES DE CONEXIONES
ESTRUCTURA DEL PUENTE
3
DETALLE DE PLANCHA DE BASE
ESCALERAS
4
CIMENTACIÓN
DETALLE DE LA CIMENTACIÓN
4
METRADOS 1. CONSTRUCCIÓN METÁLICA a) Puente, torres de apoyo y escaleras PERFIL L3x3x1/2 L3x3x3/8 L3x3x5/16 L2.5x2.5x5/ 16 L3x3x1/4 L2.5x2.5x1/ 4 L2x2x1/4 L2x2x3/16 L1.5x1.5x3/ 16 C4x5.8 Varios
LONG. (m)
kgf/m
kgf
115.0 412.5 103.2 166.9
14.10 10.80 9.15 7.50
1622 4455 944 1252
538.2 104.0
7.35 6.15
3956 640
46.2 120.0 256.0
4.78 3.66 3.18
221 439 814
7.0
8.70
61 1152
total =
15555
b Barandas metálicas PERFIL L3x3x1/4 L2.5x2.5x3/16 Varilla 5/8"
LONG. (m) 254.2 404.0 303.0
kgf/m 7.35 4.57 1.56 total =
kgf 1868 1846 473
4187
2. ENTABLADO DE MADERA pie2 Madera ti o A 2047 .0
4
3. BASES DE CONCRETO a) Excavación
b) Concreto
3
44.1
m
13 2.5 59.6 50
m 3 m 3 m 3 m
3
c) Varillas de refuerzo φ = 3/8" φ = 1/2" φ = 5/8" φ = 3/4"
Long.-m 92.6 10 149 264
Kgf/m 0.56 1 1.6 2.24
Kgf 51.9 10.0 238.4 591.4 891.6
φ = 1" φ = 5/8"
43.2 33.2
5.08 1.6
219.5 53.1 273.0
d) Pernos de anclaje
PRESUPUESTO ITEM
DESCRIPCION
UNID.
CANT CU (S/.)
TOTAL
1.00.00 ESTRUCTURAS DE ACERO 1.00.01 Materiales, Fabricación, Pintura y Montaje de la estructura 1.00.02 Materiales, Fabricación, Pintura y Montaje de las barandas
2.00.00 ESTRUCTURAS DE MADERA 2.00.01 Pisos de Madera Grupo A de 1½”
3.00.00 ESTRUCTURAS DE CONCRETO (Cimentaciones) 3.00.01 3.00.02 3.00.03 3.00.04
Excavaciones 2 Concreto f’c = 210 Kgf/cm Acero de Refuerzo Pernos de Anclaje varilla lisa de Acero A36 o similar
Kg
15555
6. 7
104218
Kg
4187
5. 4
22609
pie
2047.0
4.9
10030
3
59.6 50.0 892.0 273.0
38.7 170.0 2.5 5.4
2306 8500 2230 1474
2
m 3 m Kg Kg
SubTotal: S/. 151367 + IGV 27246
Fecha: 30 de julio de1997
TOTAL S/. 178613
4
CONCLUSIONES • EL ACERO ES EL MATERIAL ADECUADO PARA PUENTES PEATONALES CON LÍNEAS ARMONIOSAS Y MODERNAS PARA EL EMBELLECIMIENTO DE LA CIUDAD. • SE POSEE LA TECNOLOGÍA PARA SU DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN.
CONCLUSIONES • LOS PUENTES PEATONALES PUEDEN SER CONSTRUIDOS CON PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE PARA CUBRIR LUCES GRANDES EN FORMA ECONÓMICA APROVECHANDO EL MATERIAL Y LA FORMA. • PUEDEN REEMPLAZAR A LOS PUENTES PEATONALES DE CONCRETO ARMADO Y DE VIGAS METÁLICAS DE ALMA LLENA PESADAS.
4
ESTRUCTURAS DE ACERO
EJEMPLOS DE ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL ESTRUCTURA PARA PROCESOS INDUSTRIALES IND. QUIMICA DEL PACIFICO
ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS Descripción de elementos: Angulos y tees para los sistemas de arriostramiento con resistencia en tracción y compresión. Vigas y columnas de perfiles de alma llena. Descripción de las cargas: Las cargas debidas al sismo pueden ser apreciables. La masa de los silos es considerada en los elementos sólidos.
4
ESTRUCTURAS DE ACERO
Modelo de Presentación de Proyecto
Z
Y
1
4
3
2
ESTRUCTURAS DE ACERO
PLANTA niveles +5650 y +6650
Z
Y
1
2
3
4
4
ESTRUCTURAS DE ACERO
PLANTA nivel +10900
Z
Y
4
3
2
1
ESTRUCTURAS DE ACERO
Z
Y
1
2
3
4
ELEVACIÓN eje Y
4
ESTRUCTURAS DE ACERO
Z
Y
1
2
3
4
ELEVACIÓN ejes 1 y 2
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONEXIÓN DE APOYO
4
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONEXIÓN DE VIGA COLUMNA
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONEXIÓN DE EMPALME DE ARRIOSTRES
4
ESTRUCTURAS DE ACERO
CONEXIÓN DE VIGA TRABE
ACCION DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
5
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
• • • •
•
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO EL VIENTO TIENE UN PAPEL IMPORTANTE EN LAS CONSTRUCCIONES SUS ASPECTOS SON POCO FAMILIARES A LOS INGENIEROS ES TEMA MULTIDISCIPLINARIO DEBE TRATARSE CON LA DEBIDA IMPORTANCIA EN LA CURRÍCULA DE ESTUDIOS ES NECESARIO CONOCER LAS FUERZAS DEL VIENTO EN LAS ZONAS URBANAS Y RURALES DEL PAIS
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
VELOCIDAD DEL VIENTO EL MOVIMIENTO DEL AIRE SE DESCRIBE POR SU VECTOR VELOCIDAD. HAY VARIAS DEFINICIONES PARA LA VELOCIDAD DEL VIENTO: •VELOCIDAD PICO •VELOCIDAD MEDIA •LA MAYOR VELOCIDAD DE UNA “MILLA DE VIENTO”, USADA POR EL U.S. NATIONAL WEATHER SERVICE Y ADOPTADA POR EL AMERICAN NATIONAL STANDARD ASCE 7-88, Cap. 6. SE MIDE A UNA ALTURA DE 10m EN TERRENO PLANO LIBRE DE OBSTÁCULOS
5
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
VARIACIÓN DEL VIENTO CON LA ALTURA EL TERRENO Y LAS CONSTRUCCIONES RETARDAN EL AIRE CERCA DE LA SUPERFICIE. A CIERTA ALTURA LA VELOCIDAD YA NO SE ALTERA. DAVENPORT PROPUSO LAS CURVAS MOSTRADAS EN LA FIGURA.
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EFECTOS DE LA TOPOGRAFÍA LA TOPOGRAFÍA LOCAL INFLUYE SOBRE EL VIENTO. SUS EFECTOS PRINCIPALES SON: AMPLIFICACIONES SOBRE LA CIMA DE CERROS O COLINAS Y “TUNELIZACIÓN” EN LOS VALLES. SE REQUIERE INVESTIGACIÓN LOCAL. LOS REGLAMENTOS NO PARTICULARIZAN PARA ESTOS CASOS.
5
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
MAPA EÓLICO DE LA DISTRIBUCIÓN DE VIENTOS EXTREMOS EN EL PERÚ (UNI, 1966)
Isotacas quantiles de 0.02 K.P.H. a 10 m del suelo Periodo de recurrencia :50 años
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EFECTOS DEL VIENTO
ACCIONES EXTERNAS DEL VIENTO
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ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EFECTOS DEL VIENTO
ABERTURAS Y PRESIÓN INTERNA DEL VIENTO
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EFECTOS DEL VIENTO EL VIENTO EJERCE PRESIONES SOBRE LAS SUPERFICIES DE LA CONSTRUCCIÓN. PRESIÓN POSITIVA: HACIA LA SUPERFICIE PRESIÓN NEGATIVA: DESDE LA SUPERFICIE HAY EFECTOS GLOBALES Y LOCALES.
5
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
NORMAS PARA CONSIDERAR EL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS ACCIONES DEL VIENTO PARA EL DISEÑO: •
PROCEDIMIENTO ANALÍTICO: RESULTADO DE ESTUDIOS EN MODELOS.
•
TÚNELES DE VIENTO: INVESTIGACIÓN EN LABORATORIOS
ESTA CONFERENCIA TRATA SOBRE EL PROCEDIMIENTO ANALÍTICO PROPUESTO POR LAS NORMAS ASCE 7-88 MINIMUM DESIGN LOADS FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES , CAP. 6
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUS CORRESPONDIENTES PRESIONES Presión del viento estimada
p
=
Presión por la velocidad del viento en la zona
·
Factor aerodiná mico de forma
=
q
·
C
·
Factor de respuesta dinámica de ráfaga
· GRF 5
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUS CORRESPONDIENTES PRESIONES q : PRESIÓN QUE GENERA LA VELOCIDAD DEL VIENTO (N/m2)
q = 0.05 K ( I.V)2 K :COEFICIENTE DE EXPOSICIÓN DE LA ZONA Y DE LA ALTURA I : FACTOR DE IMPORTANCIA DE LA CONSTRUCCIÓN V :VELOCIDAD BÁSICA DE DISEÑO DEL VIENTO (km/h)
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUS CORRESPONDIENTES PRESIONES (Continuación) C : FACTOR DE FORMA AERODINÁMICA (OBTENIDOS EN TÚNELES DE VIENTO). GRF : FACTOR DE RESPUESTA DE RÁFAGA (GUST RESPONSE FACTOR) , AMPLIFICA LOS EFECTOS DE LAS RÁFAGAS. Ga : GRF APLICABLE A ESTRUCTURAS FLEXIBLES.
5
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTE DE EXPOSICIÓN K Z VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA. •EXPOSICIÓN A : CENTRO DE CIUDAD O TERRENOS RUGOSOS •EXPOSICIÓN B : ÁREAS SUBURBANAS O TERRENOS BOSCOSOS •EXPOSICIÓN C : CAMPO ABIERTO, SEMBRÍOS, ARBUSTOS •EXPOSICIÓN D : ÁREAS COSTERAS EXPUESTAS AL MAR
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTE DE PRESIÓN C LOS COEFICIENTES DE PRESIÓN AERODINÁMICOS, QUE SE DAN EN LAS NORMAS DE VIENTO, SE BASAN EN RESULTADOS DE PRUEBAS DE MODELOS EN TÚNELES DE VIENTO. ESTAS PRUEBAS CON FLUJOS TURBULENTOS SE HAN HECHO PARA EDIFICIOS CERRADOS. LOS VALORES DE LOS COEFICIENTES DE PRESIÓN SE DAN EN LAS TABLAS 4 A 19 Y FIG. 2 A 4 DE LAS NORMAS DE VIENTO DEL ASCE 7-88, CAP. 6. SÓLO TRATAREMOS LAS FIG. 2, 3 Y 4, Y LAS TABLA 9 Y 10 DE LAS NORMAS, CON EL OBJETO DE DESARROLLAR, MÁS ADELANTE, UN EJEMPLO DE APLICACIÓN.
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ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA (Cp) SOBRE PAREDES Superficie
L/B
Cp
pared de barlovento
todos los valores
0. 8
pared de sotavento
0-1 2 ≥ 4
-0.5 -0.3 -0.2
qh
todos los valores
-0.7
qh
paredes laterales
Para usar con qz
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA (Cp) (CONTINUACIÓN) SOBRE TECHOS
barlovento ángulo θ en grados
dirección del viento normal a la cumbre
paralelo a la cumbre
h/L ≤0.3 0.5 1.0 ≥1.5 h/B o h/L ≤2. 5 h/B o h/L>2.5
0 10-15 -0.7 0.2* -0.9* -0.7 -0.9 -0.7 -0.9 -0.7 -0.9
20 0.2
30 0.3
40 0.4
50 0.5
≥ 60 0.01 θ
-0.75 -0.2 -0.75 -0.2 -0.9 -0.9
0.3 0.3 -0.35
0.5 0.5 0.2
0.01 θ 0.01 θ 0.01 θ
sotavento -0.7 ara todos los valores de h /L y θ
-0.7
-0.7
-0.8
-0.8
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ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTES DE PRESIÓN INTERNA (GC pi )
Condición I Condición II
Condi cione s T o da s la s co n di c i o ne s ex c e t o la s u e se i nd i c an ba o l a Condición II.
GC i +0.25 -0.25
Edificios en los cuales se cumple simultáneamente lo s i u ie n t e: 1 . E l o r c e n t a e d e l a s a b e r t u ra s e n u n a a r e d e x c e d e l a suma de los orcenta es de las aberturas en las superficies de las paredes y techos restantes por 5% o más. 2 . E l o r c en t a e de l as ab e r tu r a s e n c u a l u i e r a d e l o s m u r os techo restantes no excede 20%.
+0.75 -0.25
ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA PARA COMPONENTES Y CERRAMIENTOS
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ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EJEMPLO DE APLICACIÓN 2
Áreas tributarias (en m ): Techos: correas 11.2 planchas 2.4 tirafones 0.6 Paredes: largueros 15.0 planchas 2.4 tirafones 0.6
a = 0.1x60 = 6 m ó = 0.4x6 = 2.4 m EL MENOR
Ver Zonas en Fig. 3 a = 2.4 m
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SOLUCIÓN - PASO 4 (Continuación) PRESIONES DEL VIENTO SOBRE LOS PÓRTICOS A DOS AGUAS p = qGhCp - qh(GCpi)
(a) Vientonormal normal a a la la cumbre (a) Viento cumbre
(b) Vientonormal normal aalala cumbre (b) Viento cumbre
(c) Viento paralelo a la cumbre
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ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
SOLUCIÓN - PASO 5 (Continuación) COMPONENTES Y CERRAMIENTOS Las presiones mostradas son para valores de envolvente para áreas tributarias de 1 m2 o menos
RESULTADOS (a)Áreas tributarias de 1 m 2 o menos, ver este esquema. (b)Áreas tributarias de 10 m 2 o más: Zona 1 p = -191 N/m2 Zonas 2 y 3 p = -231 N/m2 Áreas tributarias de 50 m 2 o más: Zonas 4 y 5 p = +177 N/m2 -210 N/m2
Nota: Las presiones de diseño por viento interpoladas para otras áreas tributarias son conservadoras
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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CONEXIONES DE PÓRTICOS AISC DEFINE TRES TIPOS DE CONEXIONES:
Conexiones “articuladas”
Conexiones semi-rígidas
Conexiones rígidas
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CONEXIONES DE PÓRTICOS
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TIPOS MAS COMUNES DE ESTRUCTURAS DE ACERO ESTRUCTURAS DE CUBIERTA: Cargas livianas Ej. galpones, depósitos, industria liviana, auditorios, hangares, etc. • ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS: Cargas livianas en el piso superior y cargas pesadas en los pisos inferiores. Ej. Oficinas, depósitos de almacenamiento, industrias • EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES: Cargas significativas •
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
TIPOS MAS COMUNES DE ESTRUCTURAS DE ACERO ESTRUCTURAS DE CUBIERTA
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ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
TIPOS MAS COMUNES DE ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
TIPOS MAS COMUNES DE ESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
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ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
SISTEMAS SISMORRESISTENTES •
ESTRUCTURAS DE CUBIERTA: Arriostramiento para resistencia sólo en tracción
•
ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS: Arriostramiento para resistencia en tracción y compresión
•
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES: Arriostramiento para resistencia en tracción y compresión Conexiones rígidas como una reserva de ductilidad para zonas sísmicas Soluciones Tubulares
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE CUBIERTA
tijeral
columna de concreto
Diseño de columna como volado empotrado en el suelo
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ESTRUCTURAS DE CUBIERTA Se emplean planchas de cubierta de peso ligero. Las cargas de viento pueden ser más importantes que las cargas de sismo. tijeral
“pata de gallo” columna de acero
FUNCIÓN: rigidizar el nudo de esquina
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ESTRUCTURAS DE CUBIERTA
nudos rígidos
b
pórtico de alma llena
a
c tirante protegido
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ESTRUCTURAS DE CUBIERTA arriostres en X
t o e e a d i n m m a t e r s t i s s i o r r a
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ESTRUCTURAS DE CUBIERTA ∆
H
α
N
A
∆1
h L
α
α
Para una crujía: resistencia sólo en tracción N
=
H
cos α
∆=
H h EA cos
2
α sen α
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ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS Las cargas debidas al sismo pueden ser apreciables y conviene emplear ángulos, Tees para los sistemas de arriostramiento con resistencia en tracción y compresión. Cuando se cruzan se conectan en el centro y la diagonal en tracción contribuye a la resistencia de la diagonal en compresión como un apoyo elástico.
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
ESTRUCTURAS DE DOS O TRES PISOS Resistencia en tracción y compresión γ
γ =0 γ =∞
Si γ = 0:
K =
C ce
1.0
=
Si γ = ∞:
π 2 EI c 2
L
=
Pe
K =
Cce
0.5
=
4P
e
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ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES Tienen pisos de losas de concreto (diafragma rígido). Se debe conseguir que el centro de gravedad coincida con el centro de rigidez del piso. Se debe controlar la deformación lateral con una rigidez lateral mediante el índice: ∆ / h ≤ 1/200
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EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES
Edificios sin arriostramientos verticales
Estos dependen íntegramente de la rigidez de los nudos para su estabilidad lateral. Se emplean conexiones con nudos rígidos. Se debe procurar ubicar crujías con arriostramientos en los planos de los ejes débiles de las columnas para mejorar la seguridad y la economía de la edificación.
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ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES Pórticos con arriostramientos verticales
Para edificios de mayor altura es necesario usar arriostramientos verticales para seguridad contra las acciones laterales y controlar las deflexiones laterales. • P.A. resisten cargas de gravedad y cargas laterales
P.S.
P.A.
• P.S. resisten cargas verticales
En P.S. usar conexiones rígidas como una reserva de ductilidad para zonas sísmicas.
Pórticos arriostrados (P.A.) Pórticos soportados (P.S.)
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EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES Tipos de enrejados para arriostramientos verticales: 1 Arriostramiento en X 2 Arriostramiento en K 3 Arriostramiento en V 4 Arriostramiento excéntrico, patrocinado por Popov (Univ. de California, Berkeley) con el objeto de producir rótulas plásticas localizadas y disipar energía a través de ellas.
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ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
EDIFICIOS DE PISOS MÚLTIPLES Para edificios de gran altura (más de 40 pisos) Se recomiendan las llamadas Soluciones Tubulares que han probado ser muy apropiadas para edificios de gran altura, ya que abarca todo el edificio y reparten mejor las cargas sobre el terreno. En este caso no es necesario arriostrar internamente los pórticos, propiciando grandes espacios libres.
ACCION DE LOS SISMOS SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO
CONCLUSIONES
• Se ha presentado el estado del conocimiento de la forma de arriostrar las estructuras de acero para enfrentar las acciones de los sismos controlando los desplazamientos laterales y la resistencia de los elementos estructurales, en especial, de los arriostramientos, las conexiones y sus detalles.
• Se debe evitar la formación de rótulas plásticas en los nudos de las vigas con las columnas, desplazando las rótulas hacia las vigas.
• Para edificios de gran altura es preferible la solución de
pórticos arriostrados, controlando mejor la rigidez lateral de las edificaciones.
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