406_SECCIONES COMPUESTAS DE ACERO-CONCRETO

156 Pages·2008·1.69 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA 
UNIDAD ZACATENCO 
SECCIONES COMPUESTAS DE ACERO­CONCRETO 
(MÉTODO LRFD) 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: 
INGENIERO CIVIL 
PRESENTA: 
JUAN CARLOS NAVARRETE BAUTISTA 
ASESOR: ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ 
MÉXICO, D. F.  2003
GRACIAS A MI ASESOR DE TESIS: 
ING. JOSÉ LUIS FLORES RUIZ, SIN CUYA 
AYUDA, ESTE TRABAJO NO SE HUBIERA 
REALIZADO.
A TODOS  LOS QUE CREEN EN MÍ. 
A LA MEMORIA DE MI ABUELO 
ALEJANDRO NAVARRETE HERNANDEZ. 
A MI MADRE  QUE SIEMPRE ME HA 
APOYADO CON SU GRAN ESFUERZO Y 
SACRIFICIO. 
A MI  PADRE QUE ME HA ENSEÑADO A 
VER LA VIDA DE DIFERENTES MANERAS. 
A TODOS MIS HERMANOS,  QUIENES  ME 
AYUDAN CONSTANTEMENTE A SER 
CADA DIA MEJOR. 
A MI ABUELA Y MI TIA QUE SABEN 
AYUDARME CUANDO  MAS LO 
NECESITO.
SECCIONES COMPUESTAS DE ACERO­CONCRETO (MÉTODO LRFD) 
CONTENIDO 
PROLOGO....................................................................................................................I
1.­ GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL................................................. 1 
1.1.­Diseño estructural............................................................................................. 1 
1.2.­Acero estructural............................................................................................... 1 
1.3.­Productos de acero........................................................................................... 3 
1.4.­Resistencia del acero........................................................................................ 5 
1.5.­Influencia de la temperatura en el acero........................................................... 8 
1.6.­Solicitaciones de cargas................................................................................... 9 
2.­REGLAMENTOS, MÉTODOS Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO................... 12 
2.1.­Reglamentos de construcción......................................................................... 12 
2.2.­ Métodos de diseño......................................................................................... 12 
2.3.­Especificaciones de diseño............................................................................. 15 
2.4.­Especificaciones del Instituto Americano de la Construcciòn en Acero 
(AISC).................................................................................................................... 16 
2.5.­Factores de carga y resistencia usados en las Especificaciones AISC.......... 17 
2.6.­Manual de la Construcción en Acero.............................................................. 19 
3.­SECCIONES COMPUESTAS................................................................................ 21 
3.1.­Introducción.................................................................................................... 21 
3.2­Desarrollo histórico.......................................................................................... 21 
3.3.­Ventajas de la construcción compuesta.......................................................... 22 
3.4.­Construcción compuesta................................................................................. 23 
3.5.­Vigas compuestas........................................................................................... 25 
3.6.­Procedimientos de construcción..................................................................... 28 
3.7.­Dimensionamiento.......................................................................................... 30 
3.8.­Conectores de cortante................................................................................... 32 
3.8.1.­Introducción............................................................................................... 32 
3.8.2.­Desarrollo de los conectores de cortante.................................................. 33 
3.8.3.­Tipos de conectores de cortante............................................................... 33 
3.8.4.­Conexión de cortante................................................................................ 34 
3.8.5.­Resistencia de conectores de cortante...................................................... 39 
3.9.­Resistencia por flexión.................................................................................... 45 
3.10.­Resistencia por cortante............................................................................... 52 
3.11.­Deflexiones................................................................................................... 54 
3.11.1.­Deflexiones a largo plazo por flujo plástico............................................. 54 
3.11.2.­Deflexiones de vigas compuestas........................................................... 55 
3.11.3.­Deflexiones de vigas embebidas............................................................. 57 
3.11.4.­Deflexiones segun las Especificaciones de la AASHTO......................... 57 
3.12.­Vigas  compuestas con cubiertas de acero troqueladas............................... 57 
3.13.­Vigas parcialmente compuestas................................................................... 61 
3.14.­Vigas embebidas........................................................................................... 62
3.15.­Vigas continuas............................................................................................. 62 
3.16.­Diseño de secciones compuestas................................................................. 63 
3.17.­Diseño de secciones embebidas.................................................................. 65 
3.18.­Columnas compuestas.................................................................................. 67 
3.18.1.­Introducción............................................................................................. 67 
3.18.2.­Especificaciones...................................................................................... 68 
3.18.3.­Resistencia de diseño para columnas compuestas cargadas 
axialmente........................................................................................................... 70 
3.18.4.­Diseño de columnas compuestas  sujetas a carga axial y flexión........... 73 
4.­APLICACIONES.................................................................................................... 80 
5.­DIAGRAMAS DE FLUJO.................................................................................... 135 
CONCLUSIONES .................................................................................................... 144 
NOMENCLATURA................................................................................................... 145 
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 150
I 
PROLOGO 
Aparte  del método de  Diseño por Esfuerzos Permisibles y el método de Diseño Plastico, 
el  método  de  Diseño  por  Factores  de  Carga  y  Resistencia  (LRFD)  es  una  nueva 
alternativa para los edificios de acero estructural.  En 1986, el AISC edito las primeras 
especificaciones para el diseño de factores de carga y resistencia de edificios de acero 
estructural  y  en  1988  un  manual  de  construcción  en  acero,  denominado  (LRFD).  La 
segunda edición del manual LRFD publicada en 1994, contiene las especificaciones AISC 
de 1993. 
Debido a la importancia en la resistencia, economía y estética, ingenieros y arquitectos 
recurren  actualmente  al  diseño  compuesto.  El  presente  trabajo  esta  basado  en  las 
Especificaciones del Instituto Americano de la Construccion en Acero (AISC) y el manual 
LRFD ; lo cual se enfoca principalmente al diseño de vigas y columnas compuestas. 
Las diversas ecuaciones indicadas y  empleadas  en los respectivos problemas ilustrativos 
de los diferentes temas, se han traducido al sistema métrico decimal. Las dimensiones y 
valores de resistencia se tomaron de acuerdo  a  las empleadas en nuestro país; a fin de 
facilitar su aplicación y entendimiento. Se incluye suficiente teoría y diferentes problemas 
ilustrativos  para una mayor información y comprensión, a si como también diagramas de 
flujo para que se pueda entender  aun más el proceso del diseño compuesto.
1 
1.­ GENERALIDADES DE DISEÑO ESTRUCTURAL 
1.1.­DISEÑO ESTRUCTURAL 
La palabra diseño se refiere al dimensionamiento de los miembros de una estructura 
después  de  que  se  han  calculado  los  elementos  mecanicos,  ya  sea  esta  de  acero 
estructural,  de  concreto  reforzado  y/o  compuesto  de  acero­concreto,  para  lo  cual  se 
selecionan las secciones transversales adecuadas para que  resistan las cargas a que va 
estar sometida, por lo que el estructurista debe distribuir y proporcionar adecuadamente 
los miembros estructurales para que puedan montarse facilmente, y tengan la resistencia 
sufuciente,  al  igual    que  sean  econòmicas.  En  consecuencia  el  estructurista  debe 
garantizar que no se va a caer la estructura diseñada, por lo cual una de las prioridades 
màs imporatntes del estructurista es la seguridad ya que la estructura debe soportar no 
solo las cargas a que va estar sometida, si no tambièn debe de soportar los estados limite 
de servicio, es decir debe considerar que los desplazamientos, agrietamientos, vibraciones 
o daños no sean excesivos, para que no puedan perjudicar su capacidad para soportar las 
cargas de la estructura. Para hacer un buen diseño se requiere la evaluaciòn de varias 
alternativas de estructuraciòn de los miembros y de sus conexiones, por lo que se deven 
hacer varios diseños  para poder abatir costos, tanto en la estructuraciòn como en la 
construciòn sin sacrificar la resistencia de la misma. Otra prioridad del estructurista es la 
factibilidad, ya que en el diseño de los miembros se debe ver que se puedan fabricarse y 
montarse sin que haya problemas, por lo que el estructurista debe adaptar sus diseños a 
los mètodos de fabricaciòn y a los materiales e instalaciones disponibles. 
Para poder selecionar y evaluar el sistema estructural en una forma global, el estructurista 
debe de tener un conocimiento suficiente en el diseño de miembros individuales de la 
estructura para poder diseñar de una forma eficiente y econòmica. 
1.2.­ ACERO  ESTRUCTURAL 
El acero resulta de la combinaciòn de hierro y pequeñas cantidades de carbono,  que 
generalmente es menor al 1% y pequeños porcentajes de otros elementos, siendo uno de 
los  materiales  estructurales  màs  importantes,  ya  que  es  de  alta  resistencia  en 
comparaciòn  con  otros  materiales  estructurales,  otras  de  sus  propiedades  es  la 
uniformidad  ya  que  no  cambia  apreciablemente  con  el  paso  del  tiempo,  como  las 
estructuras de concreto reforzado, que se da por el efecto del flujo plàstico. La elasticidad 
del acero es otra caracteristica importante,  ya que es capaz de recuperar su estado 
primitivo despues de que se le ha aplicado una fuerza que lo deforma, esto se da si la 
deformaciòn no ha pasado un limite (limite de elasticidad), este comportamiento sigue la 
ley de Hooke. La durabilidad; si el mantenimiento de la estructura es adecuado, esta 
tiende a tener un ciclo de vida màs largo. La ductibilidad es la propiedad que tiene un 
material de soportar grandes deformaciones antes de fallar bajo esfuerzos de tensiòn muy 
grandes. En el acero con bajo contenido de carbono, en la prueba de tensiòn sufre una 
reducciòn considerable en su secciòn transversal y un gran alargamiento en el punto de 
falla, antes de que se fracture. La tenacidad es otra propiedad; el acero cuando se le 
aplica  una  fuerza  considerable  que  provoca  una  gran  deformaciòn    en  su  seccion 
transversal, serà  a un capaz de resistir mayores fuerzas.
2 
Otra ventaja es la soldabilidad que consiste en la union de dos metales por presión y 
fusión, esto se realiza a altas temperaturas (soplete, etc.). La facilidad de corte es otra 
propiedad ya que se puede cortar facilmente. 
El acero se produce por la refinaciòn del mineral de hierro y metales de desecho, junto con 
agentes  fundentes  apropiados;  Coke  (para  el  carbono)  y  oxìgeno,  en  hornos  a  alta 
temperatura, para producir grandes masas de hierro llamadas arrabio de primera fusiòn. El 
arrabio se refina aùn mas para mover el exceso de carbono y otras impuresas y/o se 
combina (aleación) con otros metales como cobre, nìquel, cromo, manganeso, molibdeno, 
fosforo,  sìlice,  azufre,  titanio,  columbio,  y  vanadio,  para  producir  las  caracteristicas 
deseadas de resistencia, ductibilidad, soldabilidad y resistencia  a la corrosiòn. 
Los lingotes de acero obtenidos de este proceso pasan entre rodillos que giran a la misma 
velocidad y en direcciones opuestas para producir un producto semiterminado, largo y de 
forma rectangular que se llama plancha o lingote, dependiendo de su secciòn transversal. 
Desde aquì, se envìa el producto a otros molinos laminadores para producir el perfil 
geomètrico  final  de  la  secciòn,  incluyendo  perfiles  estructurales  asì  como  barras, 
alambres, tiras, placas y tubos. El proceso de laminado, ademàs de producir  el perfil 
deseado,  tiende  a  mejorar  las  propiedades  materiales  de  tenacidad,  resistencia  y 
maleabilidad. Desde estos molinos laminadores, los perfiles estructurales se embarcan a 
los fabricantes de acero o a los depòsitos, segùn se soliciten. 
Algunas  propiedades  de  las  mas  importantes  del  acero  estructural  es  el  modulo  de 
elasticidad (Es), relativamente independiente de la resistencia de fluencia; el modulo de 
alasticidad para todos los aceros es de 1968400 kg/cm2  (28000 Ksi) a 2109000 kg/cm2  
(30000 Ksi), pero el que generalmente se toma para el diseño es de 2040000 kg/cm²  o 
29 000 Ksi. La densidad del acero estructural es de 7.85 ton/m³ o 490 lbs/pie³.
• El modulo cortante (G) es otra propiedad y se puede calcular como: 
G = E / 2(1 +μ  ) 
Donde 
μ= coeficiente de Poisson, igual a 0.3 para el acero. 
Usando μ=3; G=784615 kg/cm2  .
• El coeficiente de expansiòn termica del acero (ά). 
ά = 11.25  X 10 ­6 por ºCelsius 
Δ L = ά( Tf – Ti)L
• El punto de fluencia (Fy) y resistencia ùltima a tensiòn (Fu). En la tabla 1.1 se dan los 
puntos de fluencia de los varios grados de acero que interesan al ingeniero estructural.
3 
Tabla 1.1.­ Propiedades de los aceros estructurales 
Designación  Acero  Formas  Usos  Fy min  Fu min 
ASTM  Ksi  tensión ksi 
A­36  Al carbono  Perfiles,  Puentes, edificios  36 e < 8"  58 – 80 
barras y  estructurales en gral. 
32 e > 8" 
placas  Atornillados, remachados y 
soldados 
A­529  Al carbono  Perfiles y  Igual al A­36  42  60­85 
placas 
e< ½" 
A­441  Al  Perfiles,  Igual al A­36  40­50  60­70 
magnesio,  placas y 
Tanques 
vanadio de  barras 
alta 
e < 8" 
resistencia y 
baja 
aleación 
A­572  Alta  Perfiles,  Construcciones atornilladas,  42­65  60­80 
resistencia y  placas y  remaches. No en puentes 
baja  barras  soldados cuando Fy> 55 ksi 
aleación 
e< 6" 
A­242  Alta  Perfiles,  Construcciones soldadas,  42­50  63­70 
resistencia,  placas y  atornillada, técnica especial 
baja  barras  de soldadura 
aleación y 
e< 4" 
resistente a 
la corrosión 
atmosférica 
A­588  Alta  Placas y  Construcciones atornilladas  42­50  63­70 
resistencia,  barras  y remachadas 
baja 
aleación y 
resistente a 
la corrosión 
atmosférica 
A­514  Templados  Placas  Construcciones soldada  90­100  100­150 
y revenidos  especialmente. No se usa si 
e< 4" 
se requiere gran ductilidad 
1.3.­ PRODUCTOS DE ACERO 
Los lingotes de acero de la refinaciòn del arrabio se laminan para formar placas de anchos 
y  espesores  variables;  diversos  perfiles  estructurales;  barras  redondas,  cuadradas  y 
retangulares; tubos. La mayor parte del laminado se efectùa sobre el acero en caliente, y 
el producto se laama “ acero laminado en caliente”. Despues de que se enfrian, algunas 
de las placas màs delgadas se laminan o doblan aùn màs, para hacer productos de acero 
laminados en frìo o “formados en frìo”.
4 
Perfiles W 
Este tipo de perfil es el que  generalmente se usa para el diseño, ya que es un perfil de 
patìnes anchos, es doblemente simetrico. 
Un W16 X 40 tiene un  peralte nominal total de 16 pulg y  un peso de 40 Lb/pie. 
Tambièn se indica como  W410 X 59.5 con un peralte nominal 410 mm ( este valor es el 
promedio de varios peraltes de todas las secciones con un redondeo de 5 mm) y con una 
masa de 59.5 kg/m. 
Perfiles S 
Estos perfiles se conocian anteriormente como vigas I (vigas American Standard), siendo 
doblemente simetricos.Estos se diferencian con los perfiles W por tener el patìn mas chico, 
con una pendiente aproximada de 16.7 º, su peralte nominal y el teorico son iguales  a 
diferencia de los perfiles W que varian. 
Perfiles M. 
Son perfiles ligeros y simètricos. Existen 20 perfiles de este tipo. Un perfil M360 X 25.6 es 
el mayor de la clasificaciòn M, y es una secciòn de peralte nominal de 360 mmy una masa 
de 25.6 kg/m (M14 X 17.2). 
Perfiles C 
Son perfiles de canal, con la misma inclinaciòn  de los patines que los perfiles S, llamados 
anteriormente canales standard o American Standard, siendo el peralte nominal igual al 
peralte teorico. 
Un C150 X 19.3 es un perfil estàndar de canal que tiene un peralte nominal de 150 mm y 
una masa de 19.3 kg/m (C6 X 13). 
Perfiles MC 
Estos son perfiles en canal que no se clasifican como perfiles C. Se conocian como 
canales diversos o para construciòn de barcos. 
Perfiles L 
Estos perfiles son de lados iguales o desiguales. 
Un perfil L6 X 6 X ¾ es un angulo de lados iguales con una dimensiòn nominal de 6 pulg y 
con un espesor de 3/4 pulg. 
Un perfil L89 X 76 X 12.7 es un angulo de lados desiguales con una  dimension nominal 
de cada uno de sus lados de 89 y 76 mm recpectivamente, y  con un espesor de 12.7 mm 
en sus lados (L3  ½ X 3 ½ ). 
Perfiles T 
Son tes estructurales que se obtienen cortando los perfiles W , S, M. Para  la obtenciòn de 
una WT, ST, MT respectivamente, generalmente el corte se hace a la mitad, pero tambièn