Diseño De Acero Estructural

621 Pages·6.872 MB·Spanish

by  Bowles Joseph E

Lapresenteobraabordalossiguientes
temas:
-Consideracionesgenerales dediseño
- Elementos dediseño demarcos, armadurasy,
puentes.
-Comportamientoelástico, plástico yporpandeo
del acero estructural
-Diseño devigas aflexión -
-Diseño de miembros atensión
-Columnasypuntalesaxialmente cargados
-Diseño devigas-columnas
-Conexiones atornilladasyremachadas
-Conexionessoldadas
•Trabesarmadas
-Apéndice. Selección deprogramasde
computadoras

DISEÑO DE ACERO
ESTRUCTURAL
JOSEPH E. BOWLES
Catedrático de Ingeniería Civil
en Bradley University
~
LlMUSA
GR~~~E~~~~~~~'a.
•
lB Argentina
Colombia.PuertoRico
Versiónautorizadaenespañol
delaobra publicada en inglés
por McGraw-HillBook Company, coneltitulo:
STRUCTURALSTEEL DESIGN,
©1980byMcGraw-Hill, Inc.
ISBN0-07-006765-1
Versiónespañola:
CARLOS ALBERTO GARCIAFERRER
Ingeniero Quimicoe Ingeniero Civil
de la Universidad deLa Habana, Cuba.
Revisión:
JOSE DELACERA ALONSO
Ingeniero Civildela FacultaddeIngeniería
dela Universidad Nacional AutónomadeMéxico,UNAM.
Diplom-Ingenieur dela Universidad Técnicade
Munich, Alemania Federal. ProfesordeTiempo
Completo e Investigador delDepartamentodeMa-
teriales delaUniversidad Autónoma Metropolitana.
Con lacolaboraciónde:
ENRIQu'EMARTINEZ ROMERO
Ingeniero CivildelaFacultaddeIngeniería
delaUniversidad Nacional AutónomadeMéxico,UNAM.
Maestría enCienciasdelaUniversidad de
Comel!, Estados Unidos. ProfesordelArea de
EstructurasdelaFacultadde Ingenieríadela
UNAM yProfesordeEstructurasMetálicasenla
Escuelade IngenieríadelaUniversidad Anáhuac.
ConsultorenIngeniería Estructural.
Lap"'sentaci6nydisposici6nenconjuntode
OIsERoDEACEROESTRUCTURAL
sonpropiedaddeleditor.Ningunapartedeestaobta
puedeserreproch.¡cif,Moptmsmiticla.medianteningtJnsistema
ométodo.electrónico'omecánico(INCLUYENDOEL FOTOCOPIADO.
lagtabaciónocualquiersistemadefflCUp9ff1Ci6nyalmacenamiento
deinformación).sinconsentimientoporescritodeleditor.
Derechosreservados:
©1993,EDITORIALL1MUSA,S.A.deC.V.
GRUPONORIEGAEDITORES
Balderas95,C.P.06040,México.Q.F.
Teléfono521-21-05
Fax512·29-03
MiembrodelaCámaraNacionaldelaIncJustña
EditoñalMexicana.Registronúmero121
Primeraedición:1984
Pñmerareimpresión:1989
Segundareimpresión:1991
Tercerareimpresión:1992
Cuartareimpresión:1993
ImpresoenMéxico
(11996)
ISBN 968-18-1623-4'
PROLOGO
El propósitoprincipal deestelibro detexto esexponer lostemas básicos paraun
primer curso endiseño deacero estructural.Eltextocontiene elementosdediseño
tanto de edificios como de puentes, para usarlo en la secuencia de ingeniería
estructuraldelosprogramasdeingenieria civil.Sielinstructorquisiera hacer én
fasisehlasestructurasdeedificios, eltexto tambiénesapropiadocomo introduc
ción al diseño de acero estructural en los programas de arquitectura.
Seleda aproximadamenteigual importanciaa las unidades pie-lb-sySI. Se
utilizanenla exposición delostemas ambossistemasdeunidades; los problemas
presentadoscomo ejemplo ylosque sedan paraque losresuelvaelalumnoestán
10mismo en un sistema de unidades que en elotro. Seadoptó este formato des
pués de entrevistar yconsultar a algunos miembros de la facultad yespecialistas
de distintas industrias afines, que seinteresan en este tema. Seacordó que en el
texto sedebíanseguir usando ambos sistemasdeunidades, ya quelatransicióna
las unidades métricas no ocurre en la industria de la construcción con la misma
rapidez que en otras áreas de la ingeniería. Parece que esnecesario esteuso dual
paraproporcionartantoalestudiantecomo alinstructorconlacomprensión nece
saria de10que representan tanto paraelestudiante como paraelprofesor, elta
maño razonabledeun miembro (número), deflexión, ocualquierotro parámetro
de diseño, en ambas sistemas de unidades.
La instrucciónprácticaen elusodelas unidades SIrequiere utilizar datos de
diseño, ycornoningunodeellosera defácilobtención, seha reunidoun juego de
5
ti PROLOGO
tablascon datosde seccionesdeacero laminado, comosuplemento del texto; es
tos datos secalcularonusando computadoras. Estas tablas porlogeneral seajus
tan a las especificaciones de la AISC yla A-6 de la ASTM. Este grupo de datos
también incluye material elaborado con base en las especificaciones de la AISC,
AASHTO, yAREA. Seespera que estetexto, juntocon elmanualsuplementario
Structura/Stee/DesignData(SSDD),seanlosinstrumentosnecesariosparauncur
sodediseño deacero, sinnecesidad deningunaotraobradeconsulta.Elmaterial
presentado en elcurso debe ser suficiente para permitir a los estudiantes diseñar
miembros estructuralesderutina(yalgunosno tan derutina), yaseaenlasunida
des p, lb, s o SI, y usando cualesquiera de las tres especificaciones de diseño de
acero que esmás probablequecontroleneldiseño-almenos enla práctica enlos
E.V.A.- Losproblemas especializadosporlogeneral nosepresentanenelaula, y
paraestoscasos(asícomo laprácticadediseño enlasoficinasdeingenieríaypara
otros trabajos no académicos), el lector debe obtener, de la agencia correspon
diente, una copia de las últimas especificaciones.
Seha usado lacomputadoradigitalcomo auxiliareneldiseño, demodoalgo
interactivo(por medio delprocesamientoenlotes) paralapartedediseño delcur
so de diseño deacero. Seha visto que eluso de la computadoraen los cursos de
diseño deacero esuna de lasmejores experiencias académicas paraelestudiante,
porquelosayuda a adquirir rápidamenteexperienciaenelárea delcomportamien
toestructural. Estopuede serporaccidente (alperforardemaneraequivocadalos
datossobre elmódulodeelasticidad, área transversaldelasección, oelmomento
deinercia de unmiembro) o porlarepeticióndeun problemadediseño enelque
secambianlasdimensionesdelosmiembrossegúnloindiquenlosresultadosdela
computadora. Encualesquieradeloscasos, losestudiantespercibencon facilidad
losefectos delaseccióndelmiembrosobre elcomportamientoestructural. Eluso
delosprogramasdecomputadorapermiteobteneresteresultadocon sólounape
queña cantidad de trabajo por parte del estudiante, y sin necesidad de escribir
programas.
En elApéndice deltexto seda una listadealgunosprogramasdecomputado
ra, para eluso de quienes no usen ya la computadora como auxiliar del diseño.
Estos programas son relativamente simples, pero eficaces, y se pueden perforar
fácilmente en tarjetas para ser usadas en un sistema localde computadoras. Se
usa elmétodode reduccióndelancho de bandaa fin deque sean mínimoslosre
querimientos de capacidad de la computadora. El autor puedesuministrar estos
programas en cintas, al costo de lamisma, la reproducción ylosgastosdeenvío,
para cualquier persona que use actualmente este texto en las aulas.
Noseha tratado decitar, o promover eluso decalculadorasprogramablesde
mesa, parasimplestareas,comosoneldiseñodevigasocolumnas, debidoaladi
versidad de dispositivos disponibles (por ejemplo, HP, TI, Sharp, Casio, etc.),
cadauno deloscuales requiere un métododiferentedeprogramaciónyademás a
causa deloscontinuosyrápidoscambios en lastécnicas. Paradar una lista delos
múltiples programasnecesariosparaelempleo delasdiversascalculadoras, sehu
biesenecesitadodemasiado espacio deesta obra, en detrimento delestudiodete
mas más importantes.
PROLOGO 7
El texto tratade establecer un equilibrioentre la teoríayla "maneradepro
ceder". El tratamientodelostemas noeslosuficientementecomplejocomo para
oscurecer lasbases, pero tienela suficiente profundidadparaqueellector conoz
caelorigen delasecuaciones dediseño queaparecenenlasvarias ecuaciones. Al
gunas deestas ecuaciones sededucen total o parcialmente, demodo que ellector
sedécuenta de suslimitaciones. También seda una explicación razonablemente
detallada de los problemas básicos del diseño ylos ejemplos ilustrativos seefec
túanpor logeneral paso por paso. Con esteformato, losestudiantesdebenserca
paces de resolver los problemas de diseño más complejos a nivelprofesional, y
obtener soluciones de diseño para los problemas asignados para resolverlos por
su cuenta.
Se cita directamente en el texto la bibliografía apropiada para aquellos te
mas cuyo tratamiento sealimitado pero que sean lo suficientemente importantes
como para que ellector deseeestudiar elasunto con mayor profundidad. Por lo
general, la inclusión de referencias seacostumbra más en la prácticaprofesional
queanivelescolar. La experienciaadquiridapor elautordurantelaenseñanzade
varios años de diseño de acero, indica que la mayoría de los estudiantes del pri
mer curso de diseño seinteresa principalmente en aprender cómo diseñar losdi
versos tipos de miembros estructurales que se les asignarán para su trabajo en
casaoenellaboratorio.Enestepuntodesudesarrolloprofesionalnoestándema-
siado interesadosen lasconsideracionesteóricas nienlosextensostrabajosdela
boratorio de los investigadores y teóricos, que han producido las ecuaciones
actuales de diseño.
Lacomplejidaddelasecuaciones dediseño semiteóricas yempíricas, además
de la naturaleza del diseño estructural y su íntima relación con las especifica
ciones ycódigos de diseño, hace necesario adoptar una actitud definida sobre el
enfoqueque sedebe utilizar alenseñareldiseñodeacero. Esesencialpresentaral
que los va a usar un juego dedatos hipotéticos(oreales) yrealizar un diseño co
mo ilustración. Se presume que los estudiantes tienen preparación suficiente en
las secuencias básicas deingeniería ymatemáticas, para poderapreciarlo que se
ha ilustrado, yluego selesenseña a aplicar los pasos en un problema semejante
paraasíadquirirconfianzay, basándoseenlosproblemasilustrativosextrapolar,
con un mínimo de supervisión, a un problema donde los parámetros de diseño
sean considerablemente diferentes.
En los problemasdeejemploseintroducencomo apropiados, factores prác
ticosyde fabricación. Seconsideran, envarias secciones,laseparacióndelossu
jetadores, la distancia al borde, los espacios libres para el montaje, distancias
normales depaso, paso derosca, ymantenimiento. Esto da alusuarioun panora
ma delosproblemasdefabricaciónyotrasconsideracionesprácticas. Además de
todo esto, el texto tiene numerosas fotografías, complementadas con croquis
deloselementos yconexiones estructurales, loquedebeserdeayuda particularal
principiante. Ellector debecomplementardichasilustracionesconlaobservación
de armaduras de acero en proceso de construcción. Las fotografías se tomaron
especialmente para estelibro, paramostrar las características individuales de las
estructuras según se vayan estudiando a lo largo de la obra.
8 PROLOGO
En elcapítulo 3sedescribe brevementeeldiseño plástico, juntocon loscon
ceptos básicos de lateoríadeplacas. Seprocede deestemodo a fin dereferirefi
cazmente al capítulo 3lasecuaciones que tienen su origen eneldiseño plástico o
la teoríadeplacas, lo que representaun ahorro deespacio eneltexto. No sehace
hincapié en losmétodos dediseño plástico por dos razones básicas: no hay sufi
ciente tiempo en un primer curso paracubrir apropiadamente eltema, yademás
parece ser que, en la práctica profesional se prefiere el diseño elástico.
El autor seha apartado de la tendenciaactual enestos libros parareflejarel
formato que seincorporó en algunos de los textos sobre acero publicados en los
años cincuenta. Este formatoincluyeeluso desimplesejemplos ilustrativos, don
de se enuncian sencillamente los datos de diseño, así como ejemplos de diseño
más realistas. Estos ejemplos seanalizanenelcapítulo2usandolacomputadora,
y sedejan algunos miembros para ser diseñados en capítulos posteriores. El uso
deejemplos sencillosledaallector una rápidacomprensióndelosobjetivosgene
ralesdelaexposición. Seusan ejemplos dediseño más detalladosparadar un sen
tido derealismo eindicarclaramenteque el diseño delacero no essólo asuntode
manipularnúmeros. En cada ejemplosecomentarazonablementeelanálisis utili
zado.
Considerandolas restricciones detiempoenlasclases,un diseño de-acerode
be ser tan realistacomo seaposible. Poresta razón sealientaal alumno a proce
sarcualesquieradelosproblemasdediseño estructural,asignadosenelcapítulo2,
enloscapítulosposteriores, rediseñando losmiembrossegún fuere necesario yre
calculando una y otra vez el problema para determinar el tamaño de los
miembrosantes dellegaradiseñarlasconexiones, enloscapítulos8y9. Sepuede
crear un falso sentidodeseguridadenlo querespectaalacomplejidadreal deldi
señoestructural,yhastadelamaneracomosellegaalascargas dediseño, sisele
dan simplementeal alumnolas cargas paracadaproblemade diseño. Sedebere
conocer que los problemas de diseño más realistas requieren mayor esfuerzo
físicoymentaldepartedel alumno yun mayoresfuerzodeclasificacióndeparte
del instructor. Se puede compensar un poco este esfuerzo asignando menos
problemastotales, peroincluyendo algunosenque sesuministranlascargas, para
aumentar laconfianza, yalgunos con problemasde diseño, paraaumentarlape
ricia en el diseño.
El siguiente programa podría ser apropiado para el sistema de semestres:
3horas semestre. Tratamiento rápidodeloscapítulos 1y3,con elcapítulo3
asignado como lectura. Un tratamiento razonablede loscapítulos4a 10.Tal vez
dos semanas en cada uno de los capítulos 4, 7, y 10.
4 horas semestre. Tratamiento rápido dé los capítulos 1 y 3. Dos semanas
paraloscapítulos2,4,7,y10,seguidosporeldiseñorealdelaestructuradeunedifi-
.cioyunpuentedearmaduraparacarreteras,ounedificioindustrial,basándoseen
losanálisisdel-capítulo2.Una delasestructuras sedebecalcularenunidadesp,lb, s
y la otra en unidades SI. Sedebe llevar una libretade notas del diseño, dondese
muestrenloscálculosylasentradasysalidasdelacomputadora.Tambiénseacon
sejaque selaboreengrupos, conun máximo decuatroestudiantesencadagrupo.
AGRADECIMIENTOS
Muchas personas y organizaciones proporcionaron considerable apoyo yayuda
en la preparación de estelibro. Primeramente quisiera expresar mi más sincera
gratitud al Dr. Peter Z. Bulkeley, Decano de Ingeniería yTecnología de la Uni
versidad de Bradley, que meconcedió la licencianecesariaen mislabores docen
tes.
También quisiera dar gracias a Mr. Andrew Lally yMr. Franck Stockwell,
Jr., delaAISC, quienesmesuministraron una copia preliminar delasnuevases
pecificacionesdelaAISCyquienesmededicaroneltiemponecesariopararevisar
junto conmigo las modificaciones más importantes. Mr. Lally también sumi
nistró provechosa información sobre cómo realizar las conversiones a unidades
SI. Mr. Robert Lorenz, de la Oficina Regional de la AISC en Chicago, tuvo la
gentilezadeproporcionarmelascorreccionesmásrecientesparaloscambiospreli
minares en las especificaciones.
Las corporaciones Bethlehem y la US Steel fueron muy amables al sumi
nistrar copiasdelosnuevosperfilesdesusseccionesdeacero, casiunaño antesde
que tuvieran carácter oficial; esto permitió adelantar el trabajo de cálculo por
computadora de las tablas del Structura/ Stee/ Design. Doy particularmente las
gracias a Mr. Roland Graham de la US Steel, quién revisó cuidadosamente sec
cionesescogidasdel manuscrito ytodo elmanual dedatos de acero, e hizo muy
útiles sugerencias e indicaciones.
Doymismásexpresivasgracias alDr. Eugen Chesson, delDepartamentode
Ingeniería Civildela Universidad deDelaware, por sugran ayuda alrevisarcon
gran cuidado los manuscritos tanto preliminares como finales dellibro. Gracias
también al Dr. T. V. Galambos, delDepartamento deIngeniería CivildelaUni
versidad deWashington, SanLuis, quien revisóelmaterial dediseñoparaelfac
tor de resistencia de carga.
El autor también desea expresar su agradecimiento a Mr. Gary Zika, inge
niero de construcción de la Pittsburg-Des Moines Steel Company, un antiguo
alumno enBradley, quienayudó aconseguirmuchas delasfotografías usadas en
eltexto.
Finalmente, doygraciasamiesposa Faye,queayudó amecanografiarelma
nuscrito, verificólascifrasylasordenóy, lo queesmásimportante, fuepaciente
conmigo durante esos difícilesmomentos.
Joseph E. Bow/es
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