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Héctor Soto Rodríguez Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil INTRODUCCIÓN El acero est ructura l se encuent ra El acero est ructura l se encuent ra disponible en una am plia gam a disponible en una am plia gam a de per f iles lam inados en ca liente, de per f iles lam inados en ca liente, placa, per f iles form ados en frplaca, per f iles form ados en fr íío, o, j oist o vigas de a lm a abier ta , j oist o vigas de a lm a abier ta , lam inas y en form a de paneles lam inas y en form a de paneles prefabr icados para fachadas y prefabr icados para fachadas y cubier tas.cubier tas. CLASIFICACICLASIFICACI ÓÓN DEL ACERO POR SU N DEL ACERO POR SU CONTENIDO DE CARBONOCONTENIDO DE CARBONO BAJO( < 0 .2 5 % )BAJO( < 0 .2 5 % ) MEDI O( 0 .2 5 % a 0 .6 % )MEDI O( 0 .2 5 % a 0 .6 % ) ALTO CARBONO( 0 .6 % y 1 .2 % )ALTO CARBONO( 0 .6 % y 1 .2 % ) INTRODUCCIÓN Todos los per f iles est ructura les lam inados ( LI , LD, CE, I E, I R, OR y OC) , poseen propiedades geom ét r icas que los hacen convenientes para determ inados usos específ icos en est ructuras de acero. Perfil Caracter íst icas Usos convenientes Placa Producto plano lam inado en caliente de sección rectangular, cuyo espesor es m ayor a 3 m m (1/ 8” ) y el ancho es de 450 m m (17.865” ) o m ás. Dim ensiones generales de la placa est ructural 6x20 ft (1 829x6 096 m m ) Secciones arm adas cuando no hay perfiles com erciales lam inados: colum nas en cajón y t rabes fabricadas con t res placas soldadas. Placa base de colum nas placas de conexión horizontales en uniones rígidas t rabe colum na. Cubreplacas en pat ines de vigas placa de cortante placas de unión en diagonales de cont raventeo Placas de nudo en arm aduras At iesadores horizontales o placas de cont inuidad.Em palm es de vigas Nervaduras de placas base Ángulo LI ó LD Perfil const ituido por dos placas perpendiculares ent re si que t ienen el m ism o grueso. Carece de ejes de sim et ría. Tiene las esquinas redondeadas. Se une a ot ro ángulo para form ar una sección arm ada. Barras de arm aduras (cuerdas, diagonales y m ontantes) , puntales y cont raventeos: sencillos, espalda con espalda, o en cajón y en est rella. Cuando se ut ilizan com o m iem bros com prim idos son propensos al pandeo por torsión o por flexotorsión. Las arm aduras fabricadas con ángulos, t ienen gran r igidez en com paración con las vigas de alm a llena de igual resistencia y m enor peralte y rest r ingen los desplazam ientos laterales. Adem ás, perm iten el paso de los ductos y ot ras instalaciones. Sin em bargo, cuando form an parte de un m arco rígido no se les puede asignar un factor de com portam iento dúct il grande. Perfil Caracter íst icas Usos convenientes Canal CE Sección est ructural lam inada cuya sección t ransversal es una C y que t iene un eje de sim et ría (eje horizontal, X-X) .Los pat ines son de espesor variable, con una pendiente de alrededor del 16% .El alm a es gruesa No es conveniente com o viga por tener el alm a m uy gruesa. Cuando se ut iliza en vigas, las cargas se aplican en un plano paralelo al alm a y debe rest r ingirse cont ra la rotación alrededor del eje longitudinal en las secciones en las que están aplicadas las cargas y en los apoyos. Se ut iliza con ot ra canal frente a frente para form ar una sección en cajón. Tam bién se usa en curdas de arm aduras que soportan cargas de m agnitud elevada. Perfiles I E Sección est ructural lam inada cuya sección t ransversal es una I ; consta de dos placas horizontales (pat ines) y ot ra perpendicular (alm a) . Tiene dos ejes de sim et ría. Los pat ines son angostos y de espesor variable, con una pendiente de alrededor del 16% . El alm a es gruesa No es un perfil conveniente para ut ilizar lo com o viga, por tener el acero concent rado en el alm a. Los pat ines de sección variable dificultan las conexiones con el resto de la est ructura. Se ut iliza en Guadalajara com o sistem a de piso en vigueta y bovedilla, rem plazando las viguetas pretensadas de concreto por perfiles de 4 y 6” . Perfil Caracter íst icas Usos convenientes Perfiles I R Perfil con dos ejes de sim et ría El cent ro de torsión coincide con el cent ro de gravedad de la sección. Los pat ines soporten la flexión y el alm a la fuerza cortante. Muy eficiente cuando se usa en vigas o m iembros en flexión, producida por cargas t ransversales o por m om entos flexionantes aplicados en los ext remos de la viga. La carga se aplica en un plano paralelo al alm a que pasa por el cent ro de torsión de la sección. Concent ran el acero en los pat ines que se encuent ran alejados del eje neut ro, por lo que este perfil ut iliza el acero m uy eficientem ente. Resisten la flexión que producen las cargas exter iores por m edio del par interno que se desarrolla por las fuerzas resultantes de equilibr io de tensión y com presión, a cada lado del eje neut ro de la sección; las que t ienen la m ism a m agnitud, pero sent ido cont rar io. El m om ento resistente interno es el producto de una de estas fuerzas por el brazo de palanca. El alm a resiste la fuerza cortante. Son m uy débiles para t rabajar en flexión alrededor de su eje de m enor m om ento de inercia. Cuerdas, m ontantes y diagonales de arm aduras de gran peralte. Perfil Caracter íst icas Usos convenientes Secciones H Perfil del grupo de los I R, que se caracter iza por tener pat ines de ancho sem ejantes a su peralte, con lo que se logra que el radio de giro m ínim o no sea m uy pequeño. Son secciones de 12 y 14 pulg. de peralte. Concent ran el acero en zonas alejadas de su ejes centoidales y pr incipales. Son los que se usan frecuentem ente en colum nas de edificios de m ediana altura. En ocasiones se une a ot ro perfil IR para form ar una sección en cruz. Tam bién se usan en colum nas com puestas acero- concreto. Sección Te Perfil que se obt iene cortando un perfil I R a la m itad de su peralte. Cuerdas de arm adura. Facilitan la unión de las diagonales y m ontantes, soldándolos al alm a. Cuando se ut ilizan com o m iem bros com prim idos son propensos al pandeo por torsión o por flexotorsión. Perfiles OR y OC (HSS) Secciones con dos ejes de sim et ría. El acero está dist r ibuido de m anera uniform e lo m ás alejado de su cent roide, por lo que se consideran las secciones m ás eficaces y aptas para soportar cargas de compresión axial y flexión ( flexocompresión) .Se catalogan com o la elite de los perfiles est ructurales lam inados ya que ofrecen grata apariencia cuando los arquitectos las ut ilizan con talento e imaginación. Los tubos, cuadrados y circulares, t ienen las m ism as característ icas geom étr icas alrededor de sus dos ejes pr incipales y cent roidales. Poseen grandes valores de radios de giro, módulos de sección elást icos y plást icos. Por su grata apariencia se ut ilizan en arquitectura. En est ructuras reales estos perfiles se ut ilizan para t rabajar pr incipalm ente en tensión, com presión y flexocom presión. Colum nas de edificios Est ructuras espaciales Arm aduras planas. Tienen el inconveniente de que las conexiones con el resto de la est ructura son difíciles de realizar por t ratarse de perfiles cerrados, sin em bargo, gracias a nuevas técnicas de fabricación, cortes y soldaduras, hoy en día se ut ilizan cada vez m ás en est ructuras contem poráneas. Perfil Caracter íst icas Usos convenientes Colum na en cajón fabricada con cuat ro placas soldadas Pueden ser de sección cuadrada o rectangular, huecas. Tienen propiedades geom étr icas favorables para soportar fuerzas de com presión y flexión alrededor de cualquiera de sus ejes cent roidales y pr incipales. Tienen las áreas de acero alejadas de los ejes cent roidales y pr incipales y su form a cerrada los hace especialm ente convenientes para t rabajar a torsión. Se ut ilizan con m ucha frecuenciaen est ructuras de acero de edificios de m ediana altura, cuando las secciones est ructurales lam inadas no resultan convenientes.Sust ituyen en algunos casos a las secciones est ructurales huecas (Hollow St ructural Sect ions, HSS) . Perfil CF Perfil en form a de C, con un eje de sim et ría y de paredes delgadas. Tienen una r igidez torsional m uy baja. Su pr incipal uso es en los largueros de techo y de pared de edificios indust r iales. CRITERIOS PARA DETERMINAR LA ELECCIÓN DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES LAMINADOS A la fecha, todavía se siguen ut ilizando profusam ente las colum nas en ca jón, hechas con cuat ro placas soldadas. Esto im plica m ayor m ano de obra, supervisión y t iem po de fabr icación . CRITERIOS PARA DETERMINAR LA ELECCIÓN DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES LAMINADOS Es prefer ible diseEs prefer ible dise ññ ar las colum nas ar las colum nas con per f iles H, que t ienen anchos con per f iles H, que t ienen anchos de pat ines sim ilar a l pera lte . de pat ines sim ilar a l pera lte . CRITERIOS PARA DETERMINAR LA ELECCIÓN DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES LAMINADOS Para lograr una EFI CI ENCI A ESTRUCTURAL de los per f iles est ructura les lam inados, en térm inos de m enor costo de la est ructura, es necesar io considerar los siguientes aspectos: 1. Econom ía. 2. Disponibilidad en e l m ercado 3. Magnitud de cargas. 4. Tipo de solicitación. Tensión ( t irantes, cont raventeos, barras de arm aduras) Com presión (puntales, colum nas aisladas) Flexión (vigas) Cortante (vigas) Flexocom presión (com presión axial y flexión sim ultáneas, colum nas) Flexotensión ( tensión axial y flexión sim ultaneas) Torsión. 5. Longitud o claro del m iem bro est ructura l. 6. Form a y caracter íst icas geom ét r i cas de la sección t ransversa l. 7. Longitud com ercia l de los per f iles: 6 .1 0 m ( 2 0 ft .) o 1 2 .2 0 m ( 4 0 ft .) 8. Apar iencia CRITERIOS PARA DETERMINAR LA ELECCIÓN DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES LAMINADOS VI GAS El e je de f lex ión de las vigas es siem pre e l de m ayor m om ento de inercia ( e je X- X) . Las vigas están sujetas preponderantem ente a f lex ión uniax ia l y cuando se ut ilizan per f iles I R se cargan en e l plano de sim et r ía que corresponde a l de m enor m om ento de inercia . CRITERIOS PARA DETERMINAR LA ELECCIÓN DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES LAMINADOS Las colum nas o “e lem entos f lexocom pr im idos” están som et idos a la acción sim ultánea de com presión ax ia l y f lex ión producida por m om entos f lex ionantes que actúan a lrededor de los dos e jes de sim et r ía de la sección t ransversa l de la colum na, y que t ransm iten las t rabes que recibe ésta en los dos sent idos de la est ructura ( t ransversa l y longitudina l) . CRITERIOS PARA DETERMINAR LA ELECCIÓN DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES LAMINADOS Las colum nas en ca jón, cuadradas o rectangulares, huecas, dif icultan las conex iones con las t rabes, pero t ienen la venta ja de que sus propiedades geom ét r icas son m uy favorables a lrededor de sus dos e jes cent roida les y pr incipa les. PROPI EDADES GEOMETRI CAS DE PROPI EDADES GEOMETRI CAS DE PERFI LES ESTRUCTURALES PERFI LES ESTRUCTURALES LAMI NADOSLAMI NADOS Perfil IR 457x128.1(18x 86) Dimensiones: Peralte: d Ancho de patín: bf Espesor alma: tw Espesor patín: tf K Diseño: K1: rts = = = = = = = Propiedades geométricas de la sección transversal: Ix Sx rx Zx Iy Sy ry Zy = = = = = = = = J Cw = = bf/2tf d/tw = = mm467 mm12.2 282 mm mm19.6 mm29.7 mm27 cm7.75 K Detalle = mm41.3 cm463 683 cm32 720 cm19.7 cm33 048 cm47 284 cm3518 cm6.7 cm3793 cm4171 3 652 088 cm6 7.2 38.3 Propiedades de torsión: f Criterio de sección compacta: 1.12 A Peso:= =cm2163.2 kg / m128.1 ho = 447mm Ix/Iy = 8.7 = Perfil IR 356x178.8(14x120) Dimensiones: Peralte: d Ancho de patín: bf Espesor alma: tw Espesor patín: tf K Diseño: K1: rts = = = = = = = Propiedades geométricas de la sección transversal: Ix Sx rx Zx Iy Sy ry Zy = = = = = = = = J Cw = = bf/2tf d/tw = = mm368 mm15.0 373 mm mm23.9 mm39.1 mm38.1 cm10.7 K Detalle = mm57.2 cm457 440 cm33 114 cm15.8 cm33 474 cm420 603 cm31 106 cm9.5 cm31 671 cm4390 6 095 764cm6 7.8 24.5 Propiedades de torsión: Criterio de sección compacta:f = 1.12 Ix/Iy = 2.8 A Peso:= =cm2227.8 kg / m178.8 ho = 343mm USOS DE LOS PERFILES USOS DE LOS PERFILES ESTRUCTURALES ESTRUCTURALES LAMINADOSLAMINADOS Placa base de colum na BASES DE COLUMNAS ene 05ene 05 feb 05feb 05 mar 05mar 05 1 de noviembre de 2005 oct 04oct 04 nov 04nov 04 dic 04dic 04
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