Introducción al diseño de estructuras metálicas

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE 
ESTRUCTURAS METÁLICAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN AL 
DISEÑO DE 
ESTRUCTURAS 
METÁLICAS
 
 
 
ANÁLISIS Y DISEÑO DE 
ESTRUCTURAS METÁLICAS 
 
INTRODUCCIÓN AL CURSO 
En el presente curso de Análisis y Diseño de Estructuras Metálicas se estudiarán 
los conceptos necesarios para el desarrollo de diversos proyectos de estructuras 
metálicas, desde el comportamiento aislado de los diferentes miembros de la 
estructura hasta el funcionamiento de la estructura como un todo. Para el análisis 
y diseño de nuestros ejemplos se aplicará el uso del programa SAP2000 en 
conjunto con las hojas de cálculo programadas, manuales de teoría, planos, 
normas vigentes, etc. 
En este curso se iniciará desde “cero”, se estudiará el comportamiento del acero, 
las ventajas con respecto a otros materiales de construcción, se interpretarán las 
normativas vigentes y se explicará el correcto uso de ellas mediante ejemplos 
prácticos desde los cuáles uno podrá referenciarse para resolver situaciones más 
complejas que puedan presentarse en el campo laboral. 
Además, se avanzará de manera secuencial cada uno de los ejemplos de 
estructuras para que pueda ser replicado de manera correcta cuando el alumno 
tenga la oportunidad de realizar un proyecto similar. 
 
 
 
ANÁLISIS Y DISEÑO DE 
ESTRUCTURAS METÁLICAS 
 
COMPORTAMIENTO DEL ACERO ESTRUCTURAL 
Para tener una idea de las características del comportamiento del acero en 
resistencia y deformación es necesario estandarizar un Ensayo Esfuerzo-
Deformación de un espécimen en tracción, y los resultados mostrarlos en un 
diagrama. Se debe advertir que un ensayo similar para un espécimen de ensayo 
en compresión dará resultados muy parecidos. La peculiaridad de estos ensayos 
es que son obtenidos a velocidad lenta y a temperatura ambiente como se espera 
que ocurra en la generalidad de los casos en la práctica. Resultados muy distintos 
se encontrarían si esas condiciones variaran. 
 
Se verán, a continuación, las propiedades más importantes: 
1. Punto de Fluencia: Fy, cuando se termina la proporcionalidad entre 
esfuerzos y deformaciones en un espécimen libre de esfuerzos residuales. 
Los aceros estructurales mantienen un rango definido de esfuerzo 
constante vs. deformación en este nivel de esfuerzo unitario. 
 
 
 
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2. Resistencia a la fluencia: Fy, en ciertos aceros es necesario definir un 
concepto similar al anterior cuando no hay un Punto preciso de fluencia. 
Ocurre con aceros de alta resistencia o con tratamiento en frío. Se acepta, 
entonces como un valor adecuado lo indicado en la siguiente figura. 
 
3. Límite de Proporcionalidad: Fp, en ensayos con aceros no tratados 
térmicamente (recocido) y que son la mayoría, se observa que se pierde la 
proporcionalidad antes de llegar al Punto de Fluencia y ello se debe a la 
presencia de los llamados Esfuerzos Residuales que se generan en el 
elemento cuando éste se enfría luego de su laminado en caliente. 
Los esfuerzos residuales, que pueden ser de compresión o de tracción, se 
suman algebraicamente a los esfuerzos del ensayo y cambian el 
comportamiento esperado en el espécimen. Como hay estructuras que van 
a ser estudiadas en el rango elástico, es conveniente que se conozca el 
Límite de Proporcionalidad, así: 𝐹𝑃 = 𝐹𝑌 − 10𝑘𝑠𝑖 (𝐹𝑦 − 705𝑘𝑔/𝑐𝑚2), para perfiles laminados en caliente. 𝐹𝑃 = 𝐹𝑌 − 16𝑘𝑠𝑖 (𝐹𝑦 − 1130𝑘𝑔/𝑐𝑚2 ), para perfiles soldados. 
 
 
 
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4. Resistencia a la Fractura: Fu, el esfuerzo de falla del espécimen. 𝐹𝑈 = 58𝑘𝑠𝑖 (𝐹𝑈 = 4080𝑘𝑔/𝑐𝑚2), para Acero A36 
5. Ductilidad: Propiedad del acero que permite que se deforme 
grandemente antes de fracturarse. 
6. Módulo de Elasticidad: E, la relación entre el esfuerzo y la deformación 
en el rango elástico. 𝐸 = 29,500𝑘𝑠𝑖 (2100000𝑘𝑔/𝑐𝑚2) para todos los 
aceros, cualquiera sea su Grado o aleación, por lo que se considera que es 
la característica que los agrupa y los diferencia apropiadamente. 
7. Módulo en la zona de endurecimiento por deformación: Es, 
aproximadamente 490000𝑘𝑔/𝑐𝑚2. Este endurecimiento final explica la 
resistencia encontrada en elementos de acero que han sobrepasado la 
zona plástica. 
8. Relación de Poisson μ = et/el, se denomina a la relación entre la 
deformación transversal y la longitudinal del acero para un determinado 
rango de esfuerzos: 𝜇 = 0.3. Se usa para definir el comportamiento de 
planchas cuando son sometidas a fuerzas de borde. 
9. Módulo de Elasticidad en Corte: G, Relación entre el esfuerzo en corte 
aplicado y la deformación correspondiente en el rango elástico. De la 
teoría de elasticidad se conoce la siguiente relación: 𝐺 = 𝐸[2(1+𝜇)] , 𝐺 = 11300𝑘𝑠𝑖 (800000𝑘𝑔/𝑐𝑚2) para los aceros estructurales. 
10. Tenacidad del acero: Capacidad para absorber energía y se mide por el 
área encerrada dentro de la curva Esfuerzo-Deformación. 
11. Densidad específica del acero: 7.85 ton/m3 
 
 
 
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12. Soldabilidad: capacidad del acero a ser soldado y depende de la 
composición química del material y es muy sensitiva al contenido del 
carbono en su masa. Hay aceros que no son soldables o difícilmente 
soldables, por lo que requieren un tratamiento especial. 
Además del ensayo a la tracción que se ha mostrado, hay otros ensayos 
normalizados que permiten discernir la calidad del acero que se piensa usar y que 
brevemente se explican a continuación: 
- Ensayo de Doblado, para averiguar la ductilidad del acero para el plegado de 
las planchas en la formación de perfiles livianos. 
- Ensayo de Entalladura, para conocer la fragilidad del material. 
- Ensayo a la Fatiga, que tiene por objeto conocer el comportamiento que tendrá 
del acero bajo cambios de cargas frecuentes. 
 
 
Diagrama de Wöhler 
 
 
 
 
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Curva Esfuerzo-Deformación típicas de acero ASTM 
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL 
DE CONSTRUCCIÓN 
-VENTAJAS DEL ACERO 
1. Alta resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso implica 
que será relativamente bajo el peso de las estructuras. 
2. Uniformidad: Las propiedades del acero son uniformes a lo largo de todo 
el elemento, no cambian por zonas. 
3. Elasticidad: El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis 
de diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de 
Hooke hasta esfuerzos bastante altos. 
4. Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado 
durarán indefinidamente. Se requiere mantenimiento a base de pintura. 
5. Ductilidad: Es la propiedad que tiene un material para soportar grandes 
deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tracción altos. 
 
 
 
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Cuando se prueba a tracción un acero con bajo contenido de carbono, 
ocurre una reducción considerable de la sección transversal y un gran 
alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. 
En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan 
altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil 
de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos 
puntos, evitándose así fallas prematuras. Una ventaja adicional de las 
estructuras dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones 
ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla. 
6. Tenacidad: La tenacidad es la capacidad de los materiales de absorber 
energía de deformación antes de alcanzar la rotura en condiciones de 
impacto. Los miembros de acero pueden someterse a grandes 
deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo 
posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño. 
7. Ampliaciones de estructuras existentes:Las estructuras de acero se 
adaptan muy bien a posibles ampliaciones. 
8. Propiedades adicionales: 
- Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de conexiones. 
- Posibilidad de prefabricar los miembros. 
- Rapidez en el montaje y desmontaje de las estructuras. 
- Reciclable ya que es posible utilizarlo nuevamente después de 
desmontar una estructura. 
 
 
 
 
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-DESVENTAJAS DEL ACERO 
1. Corrosión: La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al 
estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse 
periódicamente. 
La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse 
apreciablemente cuando los miembros se usan en ambientes químicos 
agresivos y sometidos a cargas cíclicas. 
2. Costo de la protección contra el fuego: Aunque los miembros 
estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen 
considerablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en 
incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. El acero 
es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero 
sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección o 
compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del 
mismo edificio e incendiar el material presente. 
3. Susceptibilidad al pandeo: Cuanto más largos y esbeltos sean los 
miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la 
mayoría de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy económico 
debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en 
forma ocasional, se necesita algún acero adicional para rigidizarlas y que 
no se pandeen. Esto tiende a reducir su economía. 
4. Fatiga: La resistencia del acero se puede reducir si se somete a un gran 
número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran número 
de cambios en la magnitud del esfuerzo de tracción. 
 
 
 
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5. Fractura frágil: Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su 
ductilidad y la fractura frágil puede ocurrir en lugares de concentración de 
esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas 
agravan la situación. 
TIPOS DE ESTRUCTURA METÁLICA 
En general dos son los tipos de estructuras de acero más conocidos: Los Pórticos 
y las Armaduras. Ambas contienen esqueletos formados de miembros de alma 
llena o de alma de celosía. 
 
Armaduras Pórticos 
La principal diferencia entre las estructuras aporticadas y las armaduras es que 
éstas últimas trasmiten sólo acciones axiales a través de sus miembros y se cuida, 
entonces, que sus nudos sean libres de rotar y por lo tanto incapaces de trasmitir 
momentos y que las cargas transversales reposen en los nudos solamente. Los 
pórticos pueden tener nudos rígidos o semirrígidos y sus miembros soportan 
flexiones. 
 
 
 
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Los pórticos, en realidad tienen, en el caso de edificios, un comportamiento 
tridimensional, sin embargo, en muchos casos son estudiados, 
conservadoramente, como estructuras bidimensionales. 
Las armaduras pueden tener comportamiento en un plano, o un comportamiento 
espacial como ocurre en las Torres de Trasmisión o en Torres de Antenas. 
TIPOS DE PERFILES DE ACERO 
Hay varios tipos de elementos de acero que se emplean en las construcciones. 
Los llamados Productos Laminados en Caliente y que pueden ser productos no 
planos (perfiles ángulos, canales, perfiles alas anchas, tubos, varillas lisas, etc.) y 
los productos planos, que son las planchas. 
De las planchas, sean éstas laminadas en caliente o en frío, se obtienen los 
llamados Perfiles Plegados, y los Perfiles Soldados que son un segundo tipo de 
perfiles más empleado en la práctica. 
De las planchas o de los perfiles laminados en caliente o plegados o soldados se 
pueden formar Secciones Combinadas soldándolos o uniéndolos; estas secciones 
integran un tercer tipo. 
Cuando cualquiera de los perfiles mencionados se une con el concreto se dice 
que se forman Secciones Compuestas. Hay vigas compuestas y columnas 
compuestas. Estos elementos integran un cuarto tipo. 
 
 
CURSO DE ESPECIALIZACIÓN: 
 
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Perfiles laminados en caliente Perfiles plegados 
 
Perfiles soldados 
 
 
 
 
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DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA (LRFD) 
Los estados límites se dividen en dos categorías: Resistencia y Servicio. 
El primer estado tiene que ver con el comportamiento para máxima resistencia 
dúctil, pandeos, fatiga, fractura, volteo o deslizamiento. El segundo estado tiene 
que ver con la funcionalidad de la estructura, en situaciones tales como 
deflexiones, vibraciones, deformación permanente y rajaduras. Lo que se 
pretende, entonces, es conseguir que la estructura no sobrepase los estados 
límites mencionados, pero como es imposible conseguir riesgo cero en la 
práctica, el diseñador se debe conformar con una probabilidad adecuada, basada 
ciertamente en métodos estadísticos, que se denominan "Métodos de 
Confiabilidad de momentos de primer orden-segundo orden" para no sobrepasar 
la resistencia de los elementos, que es lo que más preocupa al diseñador. 
 
Conceptos de probabilidades para la determinación del Índice de confiabilidad 
Tales métodos asumen que la Carga Q y la Resistencia R son variables aleatorias. 
Cuando R excede Q se tendrá un margen de seguridad, pero también puede 
darse el caso contrario 𝑅 < 𝑄 que se muestra en el área achurada, y que es el 
caso de Falla. 
 
 
 
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Sería conveniente ahora, explicar el otro gráfico donde se muestra un dominio 𝐿𝑛 (𝑅𝑄) 𝑣𝑠. 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎; se observa que cuando 𝑅 < 𝑄, el área achurada, el caso de 
falla, indica que la relación es menor a la unidad. La distancia de la media del 𝐿𝑛 (𝑅𝑄) es la llamada desviación estándar 𝜎. Sea 𝛽 un índice llamado índice de 
confiabilidad; cuando más grande sea 𝛽, más seguridad habrá que 𝑅 sea mayor 
que 𝑄. Se procura ser consistente con 𝛽, ajustándolo para los casos de resistencia 
de miembros o de sus conexiones y las posibles cargas; se han creído 
convenientes valores de 2 a 4 para este índice. 
Aceptando entonces este criterio de base estadística, se puede expresar el 
requerimiento de seguridad estructural como sigue: 
𝛷𝑅𝑛 ≥ ∑ 𝛾𝑖 × 𝑄𝑖 
donde la parte izquierda de la inecuación representa la Resistencia del 
componente o sistema, y la parte derecha representa la Carga máxima esperada 
o sus máximos efectos. La Resistencia Nominal Rn es reducida por un factor 
menor que la unidad 𝛷 (Factor de Resistencia) para obtener la "Resistencia de 
Diseño" llamada también la "resistencia usable". Al otro lado de la inecuación, las 
cargas son factorizadas por sus respectivos factores de mayoración 𝛾𝑖 para tener 
las "cargas factorizadas" con el objeto de prever cualquier exceso en las mismas. 
Factor de Resistencia: 
En la inecuación que sirve de base para asegurar que los efectos factorizados 
sobre la estructura son menores que la resistencia confiable de sus miembros, la 
resistencia nominal para un tipo de esfuerzo de un elemento estructural puede 
tener una dispersión estadística de su comportamiento comprobado por estudios 
 
 
 
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teóricos y de laboratorio, lo que se toma en cuenta por el llamado Factor de 
Resistencia 𝛷. 
Este factor es menor que la unidad y sus valores para determinado tipo de 
solicitación estarán definidos por el conocimiento que se tenga del 
comportamiento real del miembro o la conexión considerada. 
¿Por qué usar el Método AISC-LRFD? 
1. Es una herramienta adicional para que el diseñador no difiera en su 
concepto de soluciónque emplea en diseño de concreto armado, por 
ejemplo. 
2. LRFD es más racional y por lo tanto se acerca más a la realidad de lo que 
ocurre en la vida útil de la estructura. 
3. El uso de varias combinaciones de cargas conduce a economía de la 
solución, porque se acerca con más exactitud a lo que ocurra. 
4. Facilita el ingreso de las bases de diseño conforme más información esté 
disponible. 
5. Es posible introducir algunos cambios en los factores 𝛾𝑖 o 𝛷 cuando se 
conoce con mayor exactitud la naturaleza de las cargas. Esto tiene 
importancia cuando existen cargas no usuales, o mejor conocimiento de 
la resistencia. 
6. Futuros ajustes y calibraciones serán más fáciles de hacer.