CAPÍTULO 1 GENERALIDADES DEL ACERO 1.1INTRODUCCIÓN 1.1.1Diseño Estructural.- Es el proceso requerido para producir un sistema estructural (estructura) seguro, funcional y económico. Comprende los siguientes pasos:  Arreglo Estructural: Se define Sistema estructural Vertical: pórticos, muros, etc. Sistema estructural Horizontal: tipo de losa. M ateriales: Acero, Concreto Reforzado, Concreto Pres-forzado. Figura No. 1: Estructura de Acero Que es el diseño estructural? Cual es su procedimiento?

 Determinación de Cargas: Códigos.  Pre dimensionamiento : Dimensiones preliminares de elementos.  Análisis Estructural: Fuerzas internas, reacciones y deformaciones. Diseño Estructural: Resistencia, Servicio y Economía  Resistencia SEGURO: Resistencia ≥ Carga  Servicio FUNCIONAL: Deformaciones ≤ deformaciones permisibles (Códigos)  Economía ECONÓMICO: Minimizando el peso de la estructura metálica  Preparación de Planos Estructurales: Dibujo y Supervisión.

El Diseño Estructural debe ser óptimo ¿Cómo? Debe combinar al menos uno de los siguientes criterios:  Costo  Peso  Tiempo de construcción  Trabajo  Eficiencia Operativa para el propietario Lo más importante para estructuras de acero es: Peso mínimo Costo mínimo 1.1.2Primeros usos del hierro y el acero I.Hierro (metal)  5000 años A.C. (primeros vestigios de uso del hierro).  1000 A.C. comienza la “Edad de hierro” (guerras).  se construyeron varios puentes con hierro fundido o colado (hierro calentado + muy bajo contenido de carbono).  1840 comienza a ser usado el hierro forjado (hierro calentado + alto contenido de carbono). Mínimo Máximo

II.Acero Estructural  Primer acero: hierro calentado + % carbono (entre hierro fundido y hierro forjado).  Acero modernos: aleación de hierro (98%) + carbono (0.15% al 1.7%) + otros elementos.  Procesos de Fabricación: Bessemer en 1885 y el de corazón abierto permitió la fabricación de acero a precios competitivos, lo que impulsó el desarrollo del acero estructural a partir de Chatarra de acero (autos viejos). Fundición de chatarra en hornos eléctricos. Colocación de acero fundido en moldes (forma del elemento). Rodillado (rolado) para darle forma final.  1884: Edificio de 10 pisos en Chicago (Home Insurance Company con Columnas de hierro colado recubiertas por ladrillos y Vigas I: 6 pisos de hierro forjado y los 4 últimos de acero estructural).  1890: Segundo Edificio en Chicago (Rand-McNally completamente de acero estructural)  1889: Torre Eiffel en París con 985 pies = 300 m. de altura (hierro forjado) y ascensores. 120 años después: Miles de edificios altos y puentes en todo el mundo.

1.1.3Perfiles Estructurales Hay cuatro tipos:  Perfiles rolados (laminados) en caliente  Perfiles doblados (laminados) en frío  Perfiles Soldados  Perfiles con Secciones Compuestas (Acero + Concreto) Nota: En Ecuador se encuentran en stock perfiles doblados en frío hasta espesores de 10 mm.

Figura No. 2: Perfiles laminados en caliente y en frío

Figura No. 3: Perfiles Soldados Figura No. 4: Perfiles con Secciones Compuestas

1.1.4Nomenclatura de Perfiles Letra + Números Perfil Dimensiones Pulgadas Peso lb/pie  Perfiles americanos a.Perfiles H o I : W, S, HP y M  W 27 x 114 Alas sin pendiente  S 12 x 35 Alas con pendiente  HP 12 x 74 ( Pilotes; almas + gruesas que W) SecciónPeralte de 27” aproximadamente Peso en lb/pie Sección Peralte de 12” aproximadamente Peso en lb/pie Peralte de 12” aproximadamente Peso en lb/pie

 M 8 x 6,5 b.Canales: C y MC  C 10 x 30  MC 18 x 58 Peralte de 18” aproximadamente Peralte de 10” aproximadamente Peso en lb/pie Peralte de 8” aproximadamente Peso en lb/pie Pendiente en alas  16 2/3 % Similar a un Perfil W pero con Dimensiones Pequeñas Pendiente en alas  16 2/3 %

Lado mayor Lado menor Espesor Lado mayor Lado menor Espesor Diámetro interior de 10” Espesor W W 36 X 280 T se obtiene cortando una W por la mitad c.Ângulos  L 6 x 6 x 1/2 d.Te estrutural (WT-MT o ST)  WT 18 x 140 e.Tubos: retangulares o redondos  HSS 20 x 12 x 1/2  HSS x 0.5

 Perfiles europeos a.IPE: Vigas I de ala estrecha: d varía de 80 a 770 mm; alas sin pendiente. IPE – 500 b.HE: Columnas de ala ancha: d varía de 100 a 900 mm; HE 400x468 c.HL: Columnas de ala muy ancha: d varía de 970 a 1120 mm; HL 1000x477 d.HD: Columnas de ala ancha: d aproximadamente igual a b. HD 360x162 e. IPN: Vigas estándares (ala estrecha):d varía de 80 a 550 mm; alas con pendiente = 14%. IPN f.UPN: Canales de ala ancha con pendiente. Varían de 80 a 400 mm. UPN-200  Perfiles Distribuidos en Ecuador a.Canales b.Correas “C” c.Correas “Z” d.Ángulos “L” 1 C 50 x 25 x 3 1 G 80 x 40 x 15 x 2 1 Z 100 x 40 x 30 x 4 1 L 75 x 75 x 4

1.2TIPOS DE ESTRUCTURAS DE ACERO Los perfiles de acero son usados en: edificios, puentes, torres de transmisión, torres de comunicación, torres de observación, aviones, barcos, tanques de almacenamiento, etc. Estas estructuras pueden ser agrupadas en tres grupos (Gay lord 1992).  Estructuras aporticadas (axial, cortante, flexión y torsión)  Estructuras laminares o cascarones (axial)  Estructuras Suspendidas (tensión axial) Figura No. 5: Estructura Aporticada. Anillo de tensión aporticada Anillo de compresión aporticada Nervios metálicos Columnas Figura No. 6 : Estructura Laminar (Brown University Auditorium).

Figura No. 7: Estructuras Suspendidas. Cubierta Madison Square Garden y Puente colgante Golden Gate Torre Cables Tensores Tablero Figura No. 8 : Puente Peatonal.

Figura No. 9 : Armadura para cubiertas de edificios Figura No. 10 : Armaduras para Puentes

Estructuras Monumentales Figura No. 12: Taipéi 101 Figura No. 11 : Centro Financiero de Taipei Ciudad: Taipéi País: Taiwán No. de Pisos: 101 Altura: 508 m (1667 ft) Superficie: m2 Costo: $ millones Constructora: Hong Kong Construction Holdings Ltd., Kumagai Gumi Co. Ingeniería Estructural: Thornton-Tomasetti Engineers, Evergreen Consulting Engineering, Inc.

 Superestructura del edificio: Columnas con tubos cuadrados reforzados con concreto.  Superestructura de la torre: Elementos de acero (perfiles W).  f’c = psi (69 MPa).  Sistema TMD (Tuned Mass Damper). Esfera de acero de 800 Ton suspendida de un cable. Figura No. 14: Sistema de Protección Estructural Figura No. 13: Superestructura

Puente Golden Gate  Ciudad: San Francisco  País: USA  Longitud de la estructura suspendida: 1966 ft. (600 m)  Longitud total: 8981 ft. ( m)  Costo: $ 33 millones  Material: Acero  Altura de la Torre: 750 ft (229 m)  Tráfico Promedio Diario: Vehículos  Ingeniero Estructural: Joseph B. Strauss Figura No. 16: Puente suspendido Figura No. 15: Puente Golden Gate

1.3PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL 1.3.1Diagrama Esfuerzo-Deformación Unitaria Figura No. 17: Ensayo a tensión para A36 Figura No. 18: Diagrama Esfuerzo Deformación del acero.  Velocidad lenta  Temperatura ambiente

Zapata 1997

1.3.2Otras Propiedades Tenacidad: Es la capacidad de absorber energía en grandes cantidades. Se la mide mediante la prueba llamada Charpy de muesca en V. Ejemplo 1: El Titanic en 1912 estaba hecho de un acero poco tenaz Ejemplo 2: Sismo de Northrigde en California: soldadura en uniones poco tenaz. Figura No. 19: Prueba Charpy para medir tenacidad Fatiga: es el proceso de iniciación y propagación de grietas bajo la acción de cargas cíclicas. Puede ocurrir a niveles de esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia. El tipo de estructuras que son susceptibles al agrietamiento debido a fatiga, incluye puentes, estructuras que soportan grúas viajeras y plataformas marinas. ¿Cómo evitar la fatiga? Evitar detalles que son susceptibles a agrietarse Inspección de las estructuras durante la construcción y fabricación (ver Capítulo 2)

1.4ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS La ASTM (Sociedad Americana de Ensayos y Materiales) agrupa los aceros estructurales en los siguientes grupos: 1.4.1Aceros de Carbono  Carbono y manganeso son los principales elementos de resistencia  C ≤ 1.7%, Mn ≤ 1.65%; Si ≤ 0.60% y Cu ≤ 0.6%  4 Tipos: Acero de Bajo contenido de Carbono: C < 0.15% Acero dulce al Carbono: 0.15% ≤ C ≤ 0.29% Acero medio al Carbono: 0.30% ≤ C ≤ 0.59% Acero con alto contenido de Carbono: 0.6% ≤ C ≤ 1.70%  El Acero estructural A36 es un acero dulce al carbono  El acero A36 ha sido unos de los aceros más utilizados para puentes, edificios y muchos otros usos estructurales.

1.4.2Acero de Alta Resistencia y Baja Aleación (HSLA)  Altas resistencias debido a la adición de uno o más agentes aleantes (Nb, V, Cr, Si, Cu, Ni, P y otros) al C y al Mn.  40 ksi ≤ Fy ≤ 70 ksi (275 a 480 MPa)  Baja aleación porque el total de elementos aleantes ≤ 5%.  Mayor Resistencia a la corrosión atmosférica (debido al Cu) que los aceros al carbono (4 a 8 veces). Superficie se oxida. Se forma una película adhesiva comprimida (pátina). Pátina se forma siempre y cuando haya ciclos de humedad o resequedad. La oxidación de detiene y no hay necesidad de pintarlos. Después de 18 meses a 3 años, el acero adquiere un color que va del rojo oscuro al café y el negro. El tiempo depende del tipo de exposición Útiles para puentes y torres de transmisión.

1.4.4Aceros de Ultra Alta Resistencia  160 ≤ Fy ≤ 300 ksi (1100 a 2050 MPa)  Actualmente se investiga el uso de estos aceros  En unos cuantos años es probable que se use acero con Fy = 500 ksi. Dependiendo de los espesores de las alas y de las almas, los perfiles están designados por la ASTM en grupos del 1 al Aceros Templados y Revenidos (aleados térmicamente)  Agentes aleados en exceso  Son tratados térmicamente para obtener Fy entre 80 ksi y 110 ksi (550 y 750 MPa)  “Revenido”= enfriamiento rápido del acero con agua o aceite (1650 ºF a 300 ó 400 ºF)  “Templado”= recalentamiento del acero por los menos a 1150 ºF y luego se deja enfriar.  Fy no está bien definido.  Menor ductilidad a la de los de carbono y HSLA

1.4.5Diagramas Esfuerzo-Deformación Figura No. 20: Diagramas Esfuerzo-Deformación

Figura No. 21: Curvas de Corrosión en un ambiente industrial

Tabla de Aceros estructurales según la especificación ASTM

1.5 FILOSOFÍAS DE DISEÑO AISC (Instituto Americano de la Construcción en Acero) fue fundado en Reconoce dos filosofías: 1.5.1Método de los esfuerzos de trabajo (ASD) ó Método de los esfuerzos permisibles o admisibles. En donde: FS = factor de seguridad Fa = esfuerzo admisible (permisible o de trabajo)  Método usado en el siglo XX. Se utilizan cargas de trabajo o de servicio (sin factores) y se asume que la distribución de esfuerzos es elástica lineal.  Otra forma de expresar la ec. (1.1)

1.5.2Método de Diseño con factores de carga y resistencia (LRFD)  Método que ha empezado a usarse en las últimas dos décadas  Similar al método empleado para diseñar estructuras de concreto reforzado  Diseño económico si las cargas vivas son pequeñas comparadas con las muertas. Si L ≤ 3D se obtienen ahorros del 17% en columnas y del 10% en vigas.  Futuros ajustes y calibraciones serán más fáciles de hacer  Método racional basado en conceptos de probabilidades y en los estados “límite” de la estructura (más cercano a la realidad)  “Estado Límite” es aquella condición en la cual la estructura cesa de cumplir su función. ESTADO LÍMITE  Matemáticamente :

1.5.3Factores de Carga γ (AISC-LRFD 2010) U = Carga Última D = Carga Muerta L = Carga Viva Lr = Carga Viva para cubiertas S = Carga de Nieve R = Carga Inicial de agua de Lluvia o hielo (no encharcamiento) U = 1.4 D (1.4 a) U = 1.2 D L +0.5 (Lr ó S ó R) (1.4 b) Incluyendo W = viento ó E = sismo U = 1.2 D (Lr ó S ó R) + (0.5 L ó 0.8 W)(1.5 a) U = 1.2 D W L (Lr ó S ó R)(1.5 b) U = 1.2 D E L S (1.5 c) U = 0.9 D - (1.6 W ó 1.0 E) (1.5 d)  Las magnitudes de las cargas (D, L, Lr, etc) se las obtiene de las especificaciones ASCE  Para efectos de diseño, se debe considerar la combinación de cargas que origine los efectos más críticos en la estructura.

1.5.4Factores de Resistencia  (AISC-LRFD 2005) Φ = 0.90 para estado límite de fluencia Φ = 0.75 para estado límite de ruptura Φ = 0.90 para estado límite de pandeo (0.85 en la versión previa) Ejemplo 1.1: Determinar la carga factorada 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 Gran variación entre las combinaciones.

1.6RESUMEN  Diseño Estructural : Resistencia ≥ Carga (Fuerza interna) Deformaciones ≤ Deformaciones (código) Económico  4 Tipos de Perfiles Rolados en caliente Doblados en frío Soldados Secciones compuestas  Propiedades más importantes: Fy, Fu, E, µ.  Tipos de Acero de carbono HSLA Templados y revenidos Ultra Alta Resistencia  Filosofías de Diseño ASD LRFD este curso