Diseño en acero

NOTAS DE CLASE
CURSO DE TITULACION
DISEÑO EN ACERO
a) REVISION NTE-090
b) INTRODUCCION AL DISEÑO CON
PERFILES PLEGADOS
Dr. Ing. Carlos Zavala
Profesor Asociado FIC/UNI

Dr. Carlos Zavala CISMID/FIC/UNI

Estructuras Metalicas de mayor uso
a) Campamentos

Fuente: Precor


b) Edificios & Viviendas

Fuente: Precor


c) Galpones

Fuente: Precor


d) Centros Comerciales

Fuente: Precor


Viviendas con sistema
de muros con entramado
de perfiles plegados


Campamento con sistema
de muros con entramado


Tijerales con sistema
reticulado


REVISION DE LA NORMA
LRFD – 1999
Norma Tecnica NTE-090


Capitulo-1: Cargas & Combinaciones
Cargas

D : Carga muerta debida al peso propio de los elementos y los efectos
permanentes sobre la estructura.
L

: Carga viva debida al mobiliario y ocupantes.

Lr : Carga viva en las azoteas.
W

: Carga de viento.

S

: Carga de nieve.

E
R

: Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismorresistente.
: Carga por lluvia o granizo.

Combinaciones
La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la
adecuada combinación crítica de cargas factorizadas. El efecto crítico puede ocurrir
cuando una o más cargas no estén actuando. Para la aplicación del método LRFD, las
siguientes combinaciones deben ser investigadas:

1.4 D
1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr ó S ó R)
1.2 D + 1.6 (Lr ó S ó R) + (0.5 L ó 0.8W)
1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 (Lr ó S ó R)
1.2 D + 1.0 E + 0.5 L + 0.2 S
0.9 D + (1.3 W ó 1.0 E)

1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.4.5
1.4.6

Impacto
(a)

Para apoyos de ascensores

:100%.

(b)

Para apoyos de maquinaria liviana accionada por ejes o motores

: 20%.

(c)

Para apoyos de máquinas reciprocantes

: 50%.

(d)

Para tirantes que soportan pisos y voladizos

: 33%.

(e)

Para vigas de puentes grúas con cabina de operador y sus conexiones

: 25%.

(f)

Para vigas de puentes grúas con control colgante y sus conexiones

: 10%.


Equivalencias
P=
Mx=
My=

1000
1000
1000

Kg
Kg-m
Kg-m

Sistema Internacional - SI P=
Mx=
My=
Fy=
Fu=
E=
G=

9.81
9.81
9.81
250
400
200000
77200


KN-m
KN-m
KN-m
Mpa
Mpa
Mpa
Mpa

Capitulo-2: Requisitos de diseño
Areas
Ag: área de la seccion = S(b.t)
An: área neta = S(bn .t) tal que bn se calcula
- corte y tracción: ancho agujero =Fperno + 2 mm
bn = b – ancho agujero
- cadena de agujeros en diagonal o zigzag
bn = b - Sancho agujero + s2/4g
b

F
t

ÁREA NETA EFECTIVA PARA MIEMBROS EN TRACCIÓN
1) Cuando la tracción es transmitida directamente a cada elemento de la
sección por medio de conectores o soldadura, el área neta efectiva es
igual al área neta, .

2) Cuando la tracción es transmitida por conectores o soldadura a través
de algunos pero no todos los elementos de la sección, el área neta efectiva
debe de calcularse como:
(2.3-1)
A
AU
e

Donde A = el área como se define a continuación.
U = coeficiente de reducción = 1

x L

0,9

Significado de X & L


(a)

Cuando la tracción es transmitida sólo por pernos

(b)

Cuando la tracción es transmitida sólo por soldaduras longitudinales a
elementos que no son una plancha, ó por soldaduras longitudinales combinadas
con transversales.
A = Ag

(c)

Cuando la tracción es transmitida sólo por soldaduras transversales.
A= área de los elementos directamente conectados
U= 1,0

(d)

Cuando la tracción es transmitida a una plancha a través de soldaduras
longitudinales a lo largo de los bordes de ésta, la longitud de la soldadura
no debe ser menor que el ancho de la plancha.
A= área de la plancha.
Cuando l 2w :
U = 1,00
Cuando 2w > l 1,5w : U = 0,87
l
w
Cuando 1,5w >l w :
U = 0,75
donde
l = longitud de la soldadura.
w = ancho de la plancha (distancia entre soldaduras).

A = An

[Cap. 2

TABLA 2.5.1
RELACIONES LÍMITE ANCHO/ESPESOR PARA ELEMENTOS EN
COMPRESIÓN (Fy en MPa)
Relación Límites ancho/espesor para elementos en compresión
Descripción del elemento

Relación
ancho/espesor

p

r

(no compacto)

(compacto)
Alas de vigas laminadas en forma de I, y canales
en flexión

bt

170

Fy

[c]

370

Fy

70

425

[e]

Elementos no Rigidizados

Alas de vigas soldadas o híbridas en forma de I,
en flexión

bt

Alas que se proyectan de elementos armados en
compresión

bt

ND

bt

ND

250

Fy

ND

200

Fy

ND

335

Fy

625

Fy

Lados que se proyectan de pares de ángulos en
compresión en contacto continuo, alas de perfiles
en forma de I y canales en compresión axial;
ángulos y planchas que se proyectan de vigas o de
elementos en compresión
Lados de puntales de un solo ángulo en
compresión; lados de puntales en compresión
formados por dos ángulos con separadores;
elementos no rigidizados o sea apoyados a lo
largo de un borde.

bt

170

Fyf

Almas de secciones T

d t

Alas de secciones estructurales, huecas, cuadradas
y rectangulares, y de sección cajón y de espesor
uniforme, sometidas a flexión o compresión;

Dr. Carlos Zavala 500
b tCISMID/FIC/UNI Fy

F yf

115 / k c

285

Fy kc

[e]

Alas de secciones estructurales, huecas, cuadradas
y rectangulares, y de sección cajón y de espesor
uniforme, sometidas a flexión o compresión;
platabandas y planchas de diafragmas entre líneas
de conectores o soldaduras.

bt

Ancho no soportado de platabandas perforadas
con una sucesión de huecos de acceso. [b]

bt

1680
Para Pu
1680
Fy

h tw

Almas en flexo-compresión

Fy

Py

Fy

830

Fy

2550

Fy [c]

b

2,33

Py

0,125 [c]

Pu
b

2550
Fy

1 0,74

Pu
b Py

665

Py

Fy

ND

665

ND

Dt

[f]

[f]

Py

b

Fy

0,125 [c]

2,7 5Pu

bt
h tw

Secciones circulares huecas en compresión axial
en flexión

[a]Para vigas híbridas usar el esfuerzo de fluencia del ala

1

b

Para Pu
500

Cualquier otro elemento rigidizado
uniformenenre comprendido

625

Fy

ND

h tw

Almas en compresión por flexión. [a]

Elementos Rigidizados

500

14 000 Fy

[d]

Fy

22 000 Fy
62 000 Fy

Fyf

F

en lugar dey

.

[b]Se asume el área neta de la plancha en el agujero más ancho
[c]Asume una capacidad de rotación inelástica de 3. Para estructuras en zonas de alta sismicidad, puede ser necesaria una mayor capacidad de rotación.

F
[d]Para diseño plástico emplear 9000/ y
[e] kc

4
k
, con 0,35 c
h tw

.

0,763

[f]Para elementos con alas desiguales, ver el Apéndice 2.5.1. y
F

es el esfuerzo de fluencia mínimo especificado del tipo de acero que está siendo usado.


Capitulo-3: Porticos y otras estructuras
a) elementos en compresión NO sujetos a
cargas transversales entre sus apoyos

Efecto de Segundo Orden

Cm
B1

M u = B1M nt

Cm
1 Pu Pe1

0,6 0,4 M 1 / M 2
M1

1

M2

b) elementos en compresión SUJETOS a
cargas transversales entre sus apoyos
-Extremos restringidos contra rotación en
el plano de flexión

B2 M lt

Cm = 0,85
- Extremos no están restringidos contra
rotación en el plano de flexión

Cm = 1,00.
B2
1

1
PU
H


ó

1

B2

oh

Pu

1

L

Pe 2

Ag Fy /

2
c

Pe 2
c

Kl
r

Fy
E

Capitulo-4: Elementos en tracción
Carga Limite

Pu < F Pn
a) Para fluencia en el área total:

= 0,90

t

Pn = Fy Ag
b) Para rotura en el área neta:
t

Esbeltez Limite
L < 300
r

= 0,75

Pn = Fu Ae


Capitulo-5: Elementos en compresión
Carga Limite

donde

si
si


Problema de la Esbeltez

Columna
Corta

Columna
Intermedia

Columna Larga

Pandeo Inelastico

Pandeo Elastico (Euler)

200 valor limite


Ejemplo: Determine la resistencia limite de la seccion W 14x90
arriostrada como se muestra
Area=
rx=
ry=
Lx=
Ly=

Arriostres

Kx=
Ky=
KLx/rx=
KLy/ry=
KLy/ry=

26.5
6.14
3.7
32
10
12
0.8
1
50.0
32.4
38.9

in2
in
in
ft
ft
ft

Fy=
E=

0.56 <

Fcr=
Fcr=

mm2
mm
mm
mm
mm
mm

50.0
32.4
38.9

36 ksi
29000 ksi

l=

17096.7
156.0
94.0
9753.6
3048.0
3657.6

< 200

31.53 ksi
218.93 Mpa

F Fcr=

1.5

Pandeo Inelastico

26.80 ksi

F Fcr=

250 Mpa
200000 Mpa

186.09 Mpa

F Pn=
F Pn=


3181578.17 N
710.13 Kip

3181.58 kN

Capitulo-6: Elementos en flexión

Comportamiento Pandeo
Plastico –Mp
Inelastico

Pandeo
Elastico

(Longitud no arriostrada del ala en compresión)

Gradiente de Momentos

Estados Limites a verificar
• Fluencia
•Pandeo Local de ala y alma
•Pandeo Lateral Torsional
•Corte
•Deflexion


Zona -1

Mn= Mp = Z Fy

Zona -2

Zona -3


Capitulo 9: Elementos Compuestos


Capitulo 10 : Conexiones
Conexiones Simples

Conexiones de Momento


10.1.6 RESISTENCIA MINIMA DE CONEXIONES

En conexiones que transmiten esfuerzos de diseño
Rn Pu > 45 kN en LRFD
En conexiones de armaduras por cargas de diseño
Rn

Pu > 0.5 Pn en LRFD


10.1.9 LIMITACIONES EN LAS CONEXIONES EMPERNADAS
Y SOLDADAS
Se emplearan soldaduras o pernos de alta resistencia en:
• Empalmes de columnas (estructuras de varios pisos de 60m o +)
• Empalmes de columnas (estructuras de 30 a 60 m. si dimensión
horizontal mas pequeña es menor a 40% de la altura)
• Empalmes de columnas (estructuras menores a 30 m.si dimensión
horizontal mas pequeña es menor a 25% de la altura)
• Conexiones en vigas y columnas que dependa del arriostre en las
columnas (estructuras de mas de 38 m. de altura)
• Todas las estructuras con grúas con levante mayor a 45 kN (empalmes de techos, conexiones de armaduras a columnas, empalmes de
columnas, arriostres de columnas y soportes de grúas).
• Conexiones para soporte de maquinaria en funcionamiento o carga
viva que produce impacto o inversión de esfuerzos.

10.2 SOLDADURAS
10.2.1 Soldaduras Acanaladas

Bisel en V

Sin bisel

Bisel en U

le

t1

t2
te = (t1 t2)min
Ver tabla 10.2.1,
Dr. Carlos 10.2.3 10.2.2 y Zavala
CISMID/FIC/UNI

Bisel
simple

Bisel en V

Sin bisel

Bisel en U

le

t1

t2
te = (t1 t2)min
Ver tabla 10.2.1,
10.2.2 y 10.2.3


Bisel
simple

10.2.2 Soldaduras de Filete

te

Sw
> tw
[Cap 10

Sw

TABLA 10.2.4

Espesor de la parte unida más gruesa
(en mm)

3
5
6
8

te
m
te in

Tamaño mínimo de la soldadura
de filete [a] (en mm)

Hasta 6 inclusive
Sobre 6 a 13
Sobre 13 a 19
Sobre 19

m
ax

Lmin Mínimo de
Tamaño= 1.5 tw Soldaduras de Filete [b]

· te = 0.707 Sw

[a] Dimensión del lado de la soldadura de filete. Debe emplearse soldaduras en sólo
una pasada.
[b] Ver la Sección 10.2.2b para el tamaño máximo de soldaduras de filete.

· Sw mín

Sw

Sw máx

· Sw mínimo: ver tabla 10.2.4
t

, t < 6mm

· Swmax =
t-2 , t > 6mm

10.1.5 RECORTES DE VIGAS Y HUECOS DE ACCESO(soldaduras)

te

Sw
> tw
Sw
m
a

te
m
te in

Lmin = 1.5 tw

· te = 0.707 Sw
· Sw mín

Sw

S

· Sw mínimo: ver t

Limitaciones de Soldadura de Filete

Lw min = 4 Sw

Lmin = 2 Sw

u

u
Lmin = 2 Sw

Lw max

70 Sw

L T 5 tmin > 25mm
t1
Q

Q

t2
CORTE
Q-Q

L > 4 Sw
Lmin = 40 mm


10.2.3 Soldaduras de Tapón
u

d
t

R

R
d

em

in

=

4d

CORTE
R-R
t + 8 mm < d

2.25 Sw

2

Ae

d *
4

t

, t < 16mm

Sw
> t/2 > 16mm , t > 16mm

u


10.2.3 Soldaduras de Ranura
u

d
2 LR

t
LR

S

10 Sw

t + 8 mm < a < 2.25 Sw

S

4a

CORTE
S-S
t + 8 mm < d

2.25 Sw

2

t

, t < 16mm

Sw
> t/2 > 16mm , t > 16mm

u


10.2.4 Resistencia de Diseño
Usando el Método LRFD
Rn = { FBM A BM , Fw Aw } min.

Los valores , FBM , Fw se obtienen de Tabla 10.2.5.1
donde:
FBM = Resistencia nominal de material base
Fw = Resistencia nominal del electrodo
A BM = área de la sección recta del material base
A w = área efectiva de la sección recta de soldadura
= factor de resistencia

Acciones Típicas en Conexiones

Referencia: L.Zapata


Metal Base y Soldadura Compatible


Ejemplo: Diseño de Soldadura de Filete

Perfil y Plancha Fy=250 Mpa Fu=400 Mpa
Electrodo E70XX Fexx=490 Mpa.
Plancha 3/8”

P3
L 2.5”x2”x5/16”

P1

Pu = 377.6 kN

P2

A) Tamaño mínimo de Soldadura
Plancha 3/8” t= 9.52 mm.
Angulo 5/16” t= 7.94 mm. tmax= 9.52 mm. TABLA 10.2.4
Swmin= 5 mm.
B) Tamaño máximo de Soldadura (10.2.2b)
material con espesor 9.52 > 6 mm. Swmax= t - 2 =9.52 - 2 = 7.52 mm.
Swmin< Sw< Swmax
Plancha 3/8”

5 mm< Sw < 7.52 mm.
Tomamos Sw = 6.35 mm. = 1/4”

L3
L1

L2.5”x2”x5/16”

L2

C) Resistencia de la Soldadura de Filete
5 mm< Sw < 7.52 mm.
Tomamos Sw = 6.35 mm. = 1/4”

Rn = { FBM A BM , Fw Aw } min.
, FBM , Fw de la Tabla 10.2.5.1 tal que

P3

Corte

Pu

P1
P2

Pu

Tracción
Corte

FBM = Resistencia nominal de material base
Fw = Resistencia nominal del electrodo
A BM = área de la sección recta del material base =Sw.Lw
A w = área efectiva de la sección recta de soldadura = (0.707 Sw).Lw
= factor de resistencia

Soldaduras L2 y L3 ( en CORTE) para Lw=1 mm
* Base (nota [f] use apéndice 10): Rn = 0.75 Fw Aw = 0.75 (0.60 FEXX {1.0 +0.5 sen 1.5 })(Lw te)
= 0.75(0.60x490x{1.0 + 0.5 sen 1.5
Lw x 0.707x 6.35) = 989.9 N/mm
* Electrodo: Rn = 0.75 Fw Aw = 0.75 (0.60 FEXX Lw te )= 0.75 x 0.6 x 490 x 1 x 0.707 x 6.35 = 989.9 N/mm

Soldadura L1 (en TRACCION)
* Base : Rn = 0.90 Fw Aw = 0.90 Fy Lw Sw = 0.90 x 250 x 1 x 6.35 = 1428.7 N/mm

Rn = 989.9 N/mm = 0.9899 kN/mm


d) Arreglo Balanceado

Por equilibrio:
Rn x (63.5 + L2 + L3) = 377.6 kN
0.9899 x (63.5+L2+L3) = 377.6 kN
L2+L3 = 317.95

Por Momentos en L3:
63.5 P2 +31.75 P1 = 42.95 x 377.6
63.5x Rn L2+ 31.75x Rn L1 =42.95 x 377.6
63.5x Rn L2+ 31.75x Rn 63.5 =42.95 x 377.6
63.5x 0.989 L2 + 31.75x 0.989x63.5=16217.92
L2= 226.2 mm
228 mm = 9”
L3= 91.75 mm
100 mm = 4”
Lmin= 4Sw = 4x 6.35= 25.4 mm.

Plancha 3/8”

L3
31.75 mm

L1

P3

2Ls 2.5”x2”x5/16”

42.95 mm

P1

20.55 mm

L2

P2


Pu

10.3 PERNOS Y PIEZAS ROSCADAS

F

H Longitud del perno

H

W

A-307

Elementos secundarios

A-325
A-490

Pernos de alta resistencia
para estructuras principales


10.3 PERNOS Y PIEZAS ROSCADAS

• Todos los pernos A325 y A490 deben ajustarse hasta conseguir
una tracción no menor a la indicada en la Tabla 10.3.1
• El ajuste será por: - Método de giro de la tuerca
- Indicador directo de tracción
- Llave de torque calibrada
• Los valores de resistencia nominal en la Tabla 10.3.2.1 y la
Tabla 10.3.2.2 para conexiones de aplastamiento se usaran
para pernos ajustados sin requintar ( pernos no sometidos a
carga de tracción).
• En las conexiones de deslizamiento critico con dirección de carga
hacia el borde de la parte conectada, debe existir una adecuada
resistencia al aplastamiento( Sección 10.3.10)

Transmisión de Fuerzas en Conexiones

Junta de contacto

Junta sin deslizamiento

Modos de Falla Típicas en Uniones con Pernos



Esfuerzos en Conexiones de aplastamiento


10.3.2 Tamaño y uso de Huecos (Tabla 10.3.3)

d max (tabla 10.3.3)

Sm

in

=3
d
L

Smax = 24 tmin ó 300 mm, cuando el
elemento no está sujeto a corrosión.
Smax = 14 t ó 180 mm, cuando el elemento
está sujeto a corrosión.
L min (tabla 10.3.4 ó 10.3.6 y 10.3.7)
L max = 12t < 150mm


10.3.3 Espaciamiento Mínimo
10.3.4 Distancia Mínima al borde
10.3.5 Máximo Espaciamiento y Distancia al Borde

d max (tabla 10.3.3)

Sm

in

=3
d
L

Smax = 24 tmin ó 300 mm, cuando el
elemento no está sujeto a corrosión.
Smax = 14 t ó 180 mm, cuando el elemento
está sujeto a corrosión.
L min (tabla 10.3.4 ó 10.3.6 y 10.3.7)
L max = 12t < 150mm


10.9 BASES DE COLUMNAS Y APLASTAMIENTO EN EL CONCRETO
Usando el método LRFD

Pp = 0.60 (0.85 fc’ A1 ) > Pu
A2
A1

Pp = 0.60 (0.85 fc’ A1(

A1
A2

(A2/A1) ) ) > Pu

Conclusiones

•La norma NT-E90 representa un gran avance para la normalización
en la construcción de estructuras metalicas.
•Existe una comisión permanente de la norma se encuentra trabajando
incorporando los avances que se realizan en el campo de la ingeniería
local y los cambios en metodologías.


REVISION DE LA NORMA
AISI – 1996 aplicable a
Perfiles plegados


Que es un perfil plegado?
Son perfiles doblados en frio cuya
relacion ancho espesor no satsface
la tabla B5.1 del AISC-LRFD99
Se disenan usando la norma AISI
bajo cargas de servicio ASD


Consideraciones de Cargas & Combinaciones
Cargas

D : Carga muerta debida al peso propio de los elementos y los efectos
permanentes sobre la estructura.
L

: Carga viva debida al mobiliario y ocupantes.

Lr : Carga viva en las azoteas.
W

: Carga de viento.

S

: Carga de nieve.

E
R

: Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismorresistente.
: Carga por lluvia o granizo.

Combinaciones
La verificacion del perfil se realiza usando el criterio de los esfuerzos permisibles
versus la demanda de las cargas de servicio. El metodo de diseño por servicio es
conocido con las siglas ASD (Allowable Stress Design). Las siguientes combinaciones
deben ser investigadas:

D
D + L + (Lr ó S ó Rr)
D + ( W ó E)
D + L + (Lr ó S ó Rr) + (W ó E)


1.
2.
3.
4.

Propiedades de las secciones: Metodo de la linea


Metodo de la linea: Ejemplo

C al e elM odul de secci Sx para elperfi m ostrado
cul
o
on
l
En l Fi
a gura (a) se m uestra l secci recta
a
on
En l Fi
a gura (b) se m uestra l lnea alcentro de l secci
a i
a
on
En l Fi
a gura (c) se m uestra l esqui curva
a
na
Se di de elel ento en secci
vi
em
ones: 3-> al a
m
2-> curva
1-> al
a
1) Zona pl de al (el ento 1)
ana
as em
Lf =

1. - 0.
5
292 =

1.
208 i
n

2) D i
stanci desde ej X-X alcentro de l lnea delal
a
e
a i
a
3- 0.
105/2 =

2.
948 i
n

3) C al o de propi
cul
edades de l esqui curva (Fi
a
na
gura c - El ento 2)
em
R '= 0.
1875 +0.
105/2=

0.
240 i
n

Lc = 1. (0.
57 240) =

0.
377 i
n

c = 0.
637 (0.
240) =

0.
153 i
n

4) A ncho pl delel ento al as (el ento 3) Dr. Carlos Zavala ano
em
m
em
Lw = 6. - 2 (0.
0
292) =

5.
416 i CISMID/FIC/UNI
n

Lc = 1. (0.
57 240) =

0.
377 i
n

c = 0.
637 (0.
240) =

0.
153 i
n

4) A ncho pl delel ento al as (el ento 3)
ano
em
m
em
Lw = 6. - 2 (0.
0
292) =

5.
416 i
n

5) D i
stanci desde ej X- X alcentro de gravedad de l esqui curva
a
e
a
na
y = 5.
416 /2 + 0.
153=

2.
861 i
n

6) M om ento de i
nerci de l lnea m edi de l pl
a
a i
a
a ancha m etalca (I )
i
x'
Al
as:
Esqui
nas:
A l a:
m

2(1.
208)(2.
948)2 =
2(0.
377)(2.
861)2 =
1/12 (5.
416) 3 =
Total=

21.
00
6.
17
13.
24
40.
41

i
n
i
n
i
n
i3
n

7) M om ento de I
nerci actual
a
I =I t
x x'

4. i 4
24 n

8) M odul de Secci (Sx)
o
on
Sx = I (d/2)= 4.
x/
243/3 =

1. i 3
41 n


Errores del metodo de la linea


Efecto de los esfuerzos residuales


Esfuerzos residuales


Pandeo local en elementos

Vigas

Columnas


Tipos de elementos en el perfil

-Atiesados

-No Atiesados

Ancho efectivo para flexion y compresion


Factor de longitud
efectiva por esbeltez
de plancha


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