Diseño de Elementos Estructurales con LRFD

Vista previa del material en texto

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA 
 
 UNIDAD ZACATENCO 
 
 
 
 
 
 “ DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES 
 DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD “ 
 ( Load and Resistance Factor Design ) 
 
 
 
 MEMORIA DE LA TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE 
 “ I N G E N I E R O C I V I L “ 
 
 P R E S E N T A 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 
 
 
 ASESOR y COORDINADOR: 
 
ING. JOSE LUIS FLORES RUIZ 
 
ASESORES: 
 
 ING. GUADALUPE PONCE DE LEÓN ROMERO 
ING. JOSE LUIS PEREA PÉREZ 
 
 
 
MÉXICO, D.F. JUNIO DE 2005 
AGRADECIMIENTO...... 
 
...... el presente trabajo es resultado no solo de esta última 
etapa dedicada a realizar una tesis con la finalidad de obtener 
un titulo profesional, es más un producto de los últimos ocho 
años; en el se encuentran incluidos de manera implícita un 
sin fin de desvelos y preocupaciones por alcanzar una meta, 
la que me llevara a un grado profesional, del cual me siento 
orgulloso y por demás ansioso de hacerlo parte de mi vida 
diaria.... 
 
 
A MI FAMILIA...... 
 
....... esta es la forma, quizás la única, que tengo de demostrar 
mi agradecimiento por todo el apoyo recibido de mis padres, 
de mis hermanas y amigos, de todas las personas que en 
distintos tiempos me han acompañado, que se han hecho 
cómplices de este sueño y que en los momentos más 
complicados me tendieron una mano de la cual tomarme 
para soportar las adversidades....... 
 
 
 
AL IPN...... 
 
....... porque como institución me preparo en los niveles 
medio superior y superior; haciendo de mí una persona con 
hambre de éxitos profesionales; que en mi recorrido me 
reconoceré orgulloso como egresado de sus aulas, y 
agradecido siempre llevaré en el corazón los colores guinda y 
blanco...... por el orgullo de ser Politécnico. 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
I 
 
PREFACIO .......................................................................................................................... X 
 
 I INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS DE ELEMENTOS DE SECCIÓN COMPUESTA ........................ 1 
 
 1.1 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO ............................. 2 
 
• 1.1.1 CONCRETO RECIEN MEZCLADO ........................................................... 3 
• 1.1.2 MEZCLADO ............................................................................................... 4 
• 1.1.3 REVENIMIENTO ...................................................................................... 4 
• 1.1.4 EFECTO DE LA EDAD ............................................................................. 5 
• 1.1.5 EFECTO DE LA RELACIÓN AGUA / CEMENTO .................................... 5 
 
1.2 RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y RESISTENCIA A 
 TENSIÓN DEL CONCRETO .................................................................... 6 
 
• 1.2.1 COMPRESIÓN ......................................................................................... 6 
• 1.2.2 TENSIÓN .................................................................................................. 7 
 
1.3 MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO .......................................... 8 
 
• 1.3.1 MODULO ELÁSTICO ............................................................................. . 8 
 
1.4 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL ......... 9 
 
• 1.4.1 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN DEL 
 ACERO ESTRUCTURAL. ......................................................................10 
• 1.4.2 ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS ..........................................13 
 
1.5 TIPOS DE ACERO ESTRUCTURAL ......................................................... 15 
 
1.6 PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS PRINCIPALES 
 DEL ACERO ESTRUCTURAL ................................................................17 
 
• 1.6.1 ANISOTROPÍA .........................................................................................17 
• 1.6.2 RESISTENCIA ..........................................................................................17 
• 1.6.3 RIGIDEZ . .................................................................................................17 
• 1.6.4 ESFUERZO DE FLUENCIA, Fy .. ............................................................17 
• 1.6.5 MÓDULO DE ELASTICIDAD, Es .............................................................17 
• 1.6.6 DUCTILIDAD ........................................................................................... 18 
• 1.6.7 FRAGILIDAD ...................................................................................... .....18 
• 1.6.8 RESILIENCIA . ........................................................................................ 18 
• 1.6.9 TENACIDAD ............................................................................................ 18 
• 1.6.10 RESISTENCIA ÚLTIMA . .........................................................................18 
• 1.6.11 COMPOSICIÓN QUÍMICA ..................................................................... 18 
• 1.6.12 SOLDABlLIDAD .......................................................................................18 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
II 
1.7 TRATAMIENTOS TÉRMICOS, TRABAJO EN FRIO ..................................19 
 
• 1.7.1 TEMPERATURAS ALTAS ....................................................................... 19 
• 1.7.2 BAJAS TEMPERATURAS y FALLA FRÁGIL .......................................... 20 
• 1.7.3 FATIGA .....................................................................................................21 
 
1.8 DISEÑO ESTRUCTURAL ...........................................................................22 
 
• 1.8.1 LOCAL ......................................................................................................22 
• 1.8.2 DE MIEMBRO .......................................................................................... 22 
• 1.8.3 DE CONJUNTO ........................................................................................22 
• 1.8.4 MODOS DE DISEÑO ...............................................................................23 
 
1.9 MÉTODOS DE ANÁLISIS y DISEÑO ..........................................................23 
 
• 1.9.1 MÉTODO ELÁSTICO (DEP) .....................................................................23 
• 1.9.2 MÉTODO PLASTICO ( O DE DISEÑO AL LIMITE ) ............................... 24 
• 1.9.3 DISEÑO BASADO EN ESTADOS LÍMITE (O DISEÑO POR 
 MEDIO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA). LRFD .............25 
 
 
 II DEFINICIÓN Y MÉTODO DE DISEÑO DE UN ELEMENTO DE SECCIÓN COMPUESTA ..........26 
 
2.1 DEFINICIÓN DE UN ELEMENTO DE SECCIÓN COMPUESTA.................27 
 
• 2.1.1 ANTECEDENTES.....................................................................................27 
 
2.2 MÉTODO DE DISEÑO CON LRFD 
 (DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA.).......................27 
 
• 2.2.1 FACTORES DE CARGA. ........................................................................29 
• 2.2.2 FACTORES DE RESISTENCIA............................................................... 30 
• 2.2.3 FACTORES DE RESISTENCIA CARACTERÍSTICOS............................ 30 
• 2.2.4 MAGNITUD DE LOS FACTORES DE CARGA y RESISTENCIA............ 31 
• 2.2.5 CONFIABILIDAD y LAS ESPECIFICACIONES LRFD............................ 31 
• 2.2.6 VENTAJAS DEL MÉTODO LRFD............................................................ 33 
 
2.3 CARACTERÍSTICAS QUE DEBE REUNIR UN ELEMENTO DE 
 SECCIÓN COMPUESTA...................................................................... 34 
 
• 2.3.1 CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE 
 ELEMENTOS COMPUESTOS................................................................ 34 
• 2.3.2 MATERIALES........................................................................................... 34 
• 2.3.3 CONEXIÓN DE INTERFASE....................................................................34 
• 2.3.4 INTERACCIÓN CONCRETO-ACERO.................................................... 35 
• 2.3.5 VENTAJAS............................................................................................... 36 
• 2.3.6 DESVENTAJAS........................................................................................ 36 
• 2.3.7 PERFILES DE SECCIÓN TRANSVERSAL ESTÁNDAR......................... 36 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
III 
III DISEÑO DE VIGAS DE SECCIÓN COMPUESTA ......................................................................... 38 
 
3.1 VIGAS DE SECCIÓN COMPUESTA........................................................... 39 
 
• 3.1.1 ESFUERZOS ELÁSTICOS....................................................................... 39 
• 3.1.2 ÁREA TRANSFORMADA: SECCIÓN HOMOGÉNEA............................. 40 
• 3.1.3 PROBLEMAS DE REVISIÓN................................................................... 42 
 
 
3.2 CONSTRUCCIÓN APUNTALADA Y NO APUNTALADA........................... 48 
 
3.3 CAPACIDAD POR MOMENTO DE LAS 
 SECCIONES TOTALMENTE COMPUESTAS ......................................... 50 
 
• 3.3.1 EJE NEUTRO EN LA LOSA DE CONCRETO......................................... 52 
• 3.3.2 EJE NEUTRO EN EL PATÍN SUPERIOR DE LA VIGA DE ACERO....... 53 
• 3.3.3 EJE NEUTRO EN EL ALMA DE LA SECCIÓN DE ACERO.....................54 
• 3.3.4 EJEMPLOS DE REVISIÓN...................................................................... 55 
 
3.4 AYUDAS DE DISEÑO................................................................................. 56 
 
• 3.4.1 EJEMPLOS DE REVISIÓN...................................................................... 58 
 
3.5 ANCHOS EFECTIVOS DE PATINES.......................................................... 61 
 
3.6 TRANSMISIÓN DE LA FUERZA CORTANTE............................................ 63 
 
3.7 RESISTENCIA DE LOS CONECTORES POR CORTANTE....................... 65 
 
• 3.7.1 PERNOS DE CONEXIÓN POR CORTANTE (ESPÁRRAGOS).............. 65 
• 3.7.2 CANALES DE CONEXIÓN POR CORTANTE......................................... 67 
• 3.7.3 OTROS CONECTORES.......................................................................... 67 
• 3.7.4 PERNOS DE CONEXIÓN EN LAS COSTILLAS DE 
 CUBIERTAS DE ACERO.......................................................................... 67 
 
3.8 NÚMERO, ESPACIAMIENTO Y RECUBRIMIENTO DE 
LOS CONECTORES DE CORTANTE........................................................ 68 
 
• 3.8.1 ESPACIAMIENTO DE LOS CONECTORES ........................................... 69 
• 3.8.2 ESPACIAMIENTO MÁXIMO Y MÍNIMO .................................................. 69 
• 3.8.3 REQUISITOS PARA EL RECUBRIMIENTO. .......................................... 70 
• 3.8.4 EJEMPLOS DE REVISIÓN..................................................................... 71 
 
3.9 VIGAS PARCIALMENTE COMPUESTAS.................................................... 75 
 
• 3.9.1 EJE NEUTRO EN EL PATÍN SUPERIOR DE LA VIGA DE ACERO; 
 SECCIÓN PARCIALMENTE COMPUESTA............................................. 76 
• 3.9.2 EJE NEUTRO EN EL ALMA DE LA SECCIÓN DE ACERO ; 
 SECCIÓN PARCIALMENTE COMPUESTA............................................. 77 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
IV 
3.10 DEFLEXIONES.......................................................................................... 78 
 
• 3.10.1 EJEMPLOS DE REVISIÓN................................................................ ... 79 
 
3.11 DISEÑO DE SECCIONES COMPUESTAS............................................... 82 
 
• 3.11.1 SOPORTE LATERAL............................................................................ 82 
• 3.11.2 VIGAS APUNTALADAS........................................................................ 82 
• 3.11.3 VIGAS SIN APUNTALAMIENTO........................................................... 82 
• 3.11.4 PESO ESTIMADO DE LA VIGA DE ACERO................................... .... 83 
• 3.11.5 LÍMITE INFERIOR DEL MOMENTO DE INERCIA................................ 83 
 
3.12 SECCIONES COMPUESTAS CONTINUAS............................................. 84 
 
3.13 DISEÑO DE SECCIONES AHOGADAS EN CONCRETO........................ 86 
 
• 3.13.1 EJEMPLO DE REVISIÓN....................................................................... 88 
 
 
IV DISEÑO DE COLUMNAS DE SECCIÓN COMPUESTA .............................................................. 90 
 
4.1 INTRODUCCIÓN...................................................................................... .. 91 
• 4.1.1 VENTAJAS DE LAS COLUMNAS COMPUESTAS................................. 92 
• 4.1.2 DESVENTAJAS DE LAS COLUMNAS COMPUESTAS......................... 94 
• 4.1.3 SOPORTE LATERAL............................................................................ . 94 
 
4.2 ESPECIFICACIONES PARA COLUMNAS COMPUESTAS....................... 95 
 
4.3 RESISTENCIAS DE DISEÑO DE COLUMNAS 
 COMPUESTAS, CARGADAS AXIALMENTE........................................... 97 
 
• 4.3.1 EJEMPLO DE REVISIÓN........................................................................ 99 
 
4.4 AYUDAS DE DISEÑO: TABLAS DEL MANUAL LRFD............................. 101 
 
• 4.4.1 EJEMPLO DE REVISIÓN..................................................................... 102 
 
4.5 RESISTENCIAS DE DISEÑO POR FLEXIÓN 
 DE COLUMNAS COMPUESTAS............................................................ 105 
 
• 4.5.1 ECUACIÓN DE FLEXIÓN CON CARGA AXIAL................................... 105 
 
4.6 DISEÑO DE COLUMNAS COMPUESTAS SUJETAS 
 A CARGA AXIAL Y FLEXIÓN................................................................ 106 
 
• 4.6.1 EJEMPLO DE REVISIÓN..................................................................... 107 
 
• 4.6.2 EJEMPLO DE DISEÑO.......................................................................... 109 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
V 
 
4.7 TRANSMISIÓN DE LA CARGA A LA CIMENTACIÓN 
 Y OTRAS CONEXIONES........................................................................ 112 
 
 
 V DISEÑO DE SISTEMAS DE PISO................................................................................................. 113 
 
5.1 SISTEMAS DE PISO CON SECCIÓN COMPUESTA...............................114 
 
• 5.1.1 VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE PISO O CUBIERTA..................... 115 
• 5.1.2 DISEÑO ................................................................................................ 116 
 
5.2 VIGAS COMPUESTAS CON CUBIERTAS DE 
 ACERO TROQUELADAS......................................................................... 117 
• 5.2.1 EJE NEUTRO EN LA LOSA ..................................................................118 
• 5.2.2 EJE NEUTRO EN EL PATÍN SUPERIOR DE LA VIGA ........................119 
• 5.2.3 EJE NEUTRO EN EL ALMA DE LA SECCIÓN DE ACERO,.................120 
• 5.2.4 EJE NEUTRO EN EL PATÍN SUPERIOR DE LA VIGA 
 SECCIÓN PARCIALMENTE COMPUESTA. .........................................121 
• 5.2.5 EJE NEUTRO EN EL ALMA DE LA SECCIÓN DE ACERO ; 
 SECCIÓN PARCIALMENTE COMPUESTA...........................................122 
• 5.2.6 CAPACIDAD REDUCIDA DE LOS CONECTORES DE CORTANTE.... 123 
• 5.2.7 REQUISITOS DIVERSOS...................................................................... 125 
• 5.2.8 PESO DE LA LOSA Y DE LA CUBIERTA ........................................ 125 
• 5.2.9 EJEMPLO DE DISEÑO.......................................................................... 126 
 
5.3 INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE PISO : LOSACERO......................... 135 
 
• 5.3.1 DEFINICIÓN.......................................................................................... 135 
• 5.3.2 ANTECEDENTES.................................................................................. 135 
• 5.3.3 VENTAJAS............................................................................................ 136 
• 5.3.4 PLATAFORMA DE TRABAJO.............................................................. 136 
• 5.3.5 CONSIDERACIONES ........................................................................... 136 
• 5.3.6 VIGA COMPUESTA CON LOSACERO................................................. 136 
 
5.4 DISTRIBUCION DE ESFUERZOS EN UNA VIGA COMPUESTA: 
 SISTEMA LOSACERO.............................................................................. 137 
 
• 5.4.1 ACCIÓN COMPUESTA.......................................................................... 137 
• 5.4.2 LOSACERO, ( SECCION 3, SECCION 4 Y SECCION QL-99 )............. 137 
• 5.4.3 ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES...................................... 137 
 
5.5 PROPIEDADES DE LA SECCIÓN 4........................................................ 138 
 
• 5.5.1 PROPIEDADES GEOMÉTRICAS......................................................... 138 
• 5.5.2 S4 5, LOSACERO SECCIÓN 4, CLAROS MÁXIMOS 
 SIN APUNTALAMIENTO....................................................................... 138 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
VI 
• 5.5.3 S4-3, INERCIA PROMEDIO DE SECCIÓN COMPUESTA 
 "LAV" (cm4/m)………………………………………………………………. 138 
 
• 5.5.4 S4-4 MÓDULO DE SECCIÓN INF. SECCIÓN COMPUESTA 
 "SC" (cm3/m)………………………………………………………………. 139 
 
• 5.5.5 S4-7, LOSACERO SECCIÓN 4 SOBRECARGA ADMISIBLE 
( Kg/m²) (CON CONECTORES)........................................................... 139 
 
• 5.5.6 S4-6, LOSACERO SECCIÓN 4 SOBRECARGAS ADMISIBLES 
(Kg/m²) (SIN CONECTORES) .............................................................. 140 
 
• 5.5.7 VOLUMEN DE HORMIGÓN - LOSACERO SECCIÓN 4 (m³/m²)....... 140 
 
• 5.5.8 ESPECIFICACIÓN DE ARMADO POR TEMPERATURA PARA 
 DIFERENTES ESPESORES DE HORMIGÓN..................................... 141 
 
• 5.5.9 TIPOS DE MOLDURAS.........................................................................141 
 
• 5.5.10 SELECCIÓN DE CALIBRE PARA MOLDURA FRONTERA.................142 
 
 
5.6 RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN............................................... 143 
 
• 5.6.1 INSTALACIÓN DE LA LOSACERO SOBRE 
 ESTRUCTURAS DE ACERO................................................................. 143 
 
5.7 RECOMENDACIONES DE MANEJO Y ALMACENAJE........................... 149 
 
• 5.7.1 INSTALACIÓN........................................................................................ 152 
• 5.7.2 MANTENIMIENTO...................................................................................152 
 
 
 VI NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS............................................................................ 153 
 
6.1 CONSIDERACIONES GENERALES.......................................................... 154 
 
6.2 ALCANCE.................................................................................................. 154 
 
6.3 UNIDADES................................................................................................ 154 
 
6.4 MATERIALES............................................................................................ 155 
 
6.5 ACERO ESTRUCTURAL.......................................................................... 155 
 
• 6.5.1 REMACHES........................................................................................... 157 
• 6.5.2 TORNILLOS........................................................................................... 157 
• 6.5.3 METALES DE APORTACIÓN Y FUNDENTES PARA SOLDADURA.... 157 
• 6.5.4 CONECTORES DE CORTANTE DE BARRA CON 
 CABEZA PARA CONSTRUCCIÓN COMPUESTA................................. 157 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
VII 
• 6.5.5 IDENTIFICACIÓN................................................................................... 158 
• 6.5.6 ACERO ESTRUCTURAL NO IDENTIFICADO....................................... 158 
 
6.6 CONSTRUCCIÓN COMPUESTA.............................................................. 159 
 
6.7 MIEMBROS COMPRIMIDOS.................................................................... 159 
 
• 6.7.1 LIMITACIONES...................................................................................... 159 
• 6.7.2 RESISTENCIA DE DISEÑO................................................................... 160 
• 6.7.3 COLUMNAS CON VARIOS PERFILES DE ACERO.............................. 161 
• 6.7.4 TRANSMISIÓN DE CARGAS................................................................ 161 
 
6.8 MIEMBROS EN FLEXIÓN......................................................................... 162 
 
• 6.8.1 HIPÓTESIS DE DISEÑO Y MÉTODOS DE ANÁLISIS.......................... 162 
• 6.8.2 ANCHO EFECTIVO................................................................................ 164 
• 6.8.3 DISEÑO DE VIGAS COMPUESTAS CON CONECTORES 
 DE CORTANTE....................................................................................... 164 
• 6.8.4 LOSA CON LÁMINA DE ACERO ACANALADA.................................... 166 
• 6.8.5 RESISTENCIA DE DISEÑO DE VIGAS 
 AHOGADAS EN CONCRETO................................................................ 168 
• 6.8.6 RESISTENCIA DURANTE LA CONSTRUCCIÓN...................................168 
 
6.9 RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE......................................... 168 
 
6.10 FLEXOCOMPRESIÓN............................................................................ 169 
 
6.11 CONECTORES DE CORTANTE............................................................. 169 
 
• 6.11.1 MATERIALES....................................................................................... 169 
• 6.11.2 FUERZA CORTANTE HORIZONTAL.................................................. 170 
• 6.11.3 RESISTENCIADE CONECTORES DE BARRA DE 
ACERO CON CABEZA......................................................................... 170 
• 6.11.4 RESISTENCIA DE CONECTORES DE CANAL.................................. 171 
• 6.11.5 NÚMERO DE CONECTORES............................................................. 171 
• 6.11.6 COLOCACIÓN Y ESPACIAMIENTO DE LOS CONECTORES.......... 172 
• 6.11.7 CASOS ESPECIALES......................................................................... 172 
 
6.12 REFUERZO DE LA LOSA....................................................................... 173 
 
6.13 REFUERZO PARALELO......................................................................... 173 
 
6.14 REFUERZO TRANSVERSAL...................................................................173 
 
• 6.14.1 a) LOSAS MACIZAS............................................................................. 173 
• 6.14.2 b) LOSAS SOBRE LÁMINA ACANALADA.......................................... 173 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
VIII 
6.15 PROPIEDADES ELÁSTICAS APROXIMADAS DE VIGAS 
 EN CONSTRUCCIÓN COMPUESTA PARCIAL......................................173 
 
6.16 DEFLEXIONES........................................................................................ 174 
 
• 6.16.1 VIGAS DE ACERO DE ALMA LLENA.................................................. 174 
• 6.16.2 ARMADURAS Y LARGUEROS DE ALMA ABIERTA........................... 175 
• 6.16.3 ESTRUCTURAS COMPUESTAS QUE TRABAJAN 
 EN DOS DIRECCIONES...................................................................... 175 
 
 
VII COMENTARIOS GENERALES..................................................................................................... 176 
 
7.1 EL CONCEPTO DE SEGURIDAD............................................................ 177 
 
7.2 TABLAS DE CONVERSIONES................................................................. 179 
 
• 7.2.1 UNIDADES DEL “ SI “ PARA EL DISEÑO DE 
 ESTRUCTURAS DE ACERO. .........................................................179 
 
7.3 PERFILES DE ACERO ESTRUCTURAL................................................... 182 
 
7.4 VIGAS CONTRAALABEADAS................................................................. 183 
 
7.5 ESTRUCTURACIÓN CON ACERO y CONCRETO.................................. 183 
 
7.6 SISTEMAS DE ENTREPISOS y TECHO.................................................. 184 
 
• 7.6.1 FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO DE ENTREPISOS............... 184 
• 7.6.2 ENTREPISOS CON VIGUETAS DE ALMA ABIERTA........................... 186 
• 7.6.3 PISOS CELULARES DE ACERO.......................................................... 186 
• 7.6.4 VIGAS MIXTAS DE ACERO y CONCRETO. ........................................ 188 
• 7.6.5 EFECTO DE LAS VIGAS INTERMEDIAS EN LOS COSTOS............... 189 
• 7.6.6 OTROS SISTEMAS DE ENTREPISOS.................................................. 189 
• 7.6.7 SISTEMAS DE TECHO.......................................................................... 189 
 
 
7.7 ACERO EN CONTACTO CON CONCRETO............................................ 190 
 
7.8 PROTECCIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL CONTRA EL FUEGO...... 191 
 
• 7.8.1 NECESIDAD DE PROTEGER EL ACERO CONTRA EL FUEGO......... 191 
• 7.8.2 EFECTO DEL CALOR EN EL ACERO............................................... 192 
 
7.9 CONSTRUCCIÓN COMPUESTA. ( DISEÑO ELÁSTICO ).................... 193 
 
• 7.9.1 DEFINICIÓN........................................................................................... 193 
• 7.9.2 HIPÓTESIS DE DISEÑO........................................................................ 193 
• 7.9.3 CORTANTE EN EL APOYO................................................................... 195 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
IX 
• 7.9.4 CONECTORES DE CORTANTE............................................................ 195 
 
7.10 VIGAS COMPUESTAS CON CIMBRAS DE LÁMINA DE 
 ACERO ACANALADA............................................................................. 198 
 
• 7.10.1 GENERALIDADES............................................................................... 198 
 
• 7.10.2 LÁMINAS DE ACERO ACANALADAS CON NERVADURAS 
 ORIENTADAS PERPENDICULARMENTE A LA VIGA DE ACERO.... 198 
 
• 7.10.3 LÁMINAS DE ACERO ACANALADAS CON NERVADURAS 
 ORIENTADAS PARALELAMENTE A LA VIGA DE ACERO............... 199 
 
• 7.10.4 CASOS ESPECIALES.......................................................................... 199 
 
7.11 COMENTARIOS SOBRE LAS ESPECIFICACIONES. 
( CONSTRUCCIÓN COMPUESTA ) ................................................. 201 
 
• 7.11.1 DEFINICIÓN......................................................................................... 201 
• 7.11.2 HIPÓTESIS DE DISEÑO...................................................................... 201 
• 7.11.3 CONECTORES DE CORTANTE.......................................................... 202 
• 7.11.4 VIGAS COMPUESTAS CON CIMBRAS DE LÁMINA 
 DE ACERO ACANALADA.................................................................. 204 
 
 
CONCLUSIONES ............................................................................................. 205 
 
 
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 208 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
X 
 
PREFACIO 
 
 
 
Este trabajo surge gracias a la inquietud de comprender el funcionamiento de las estructuras 
de sección compuesta; partiendo de un gusto especial por el área de estructuras me di a la 
tarea de indagar sobre este tema que me resulta por demás interesante y que se da un día en 
que observaba el dilema de que “esta viga de concreto -con suficiente peralte- soportara 
adecuadamente la carga a la que esta sometida y en un claro de más de seis metros! ; aunque 
no sea muy estética” ; pero en ese tiempo mis conocimientos de estructuras solo me 
permitieron pensar en la posibilidad de que una viga de acero recubierta de concreto resolvería 
tal situación. Con el paso del tiempo esta inquietud siguió creciendo a forma tal que me condujo 
a realizar mi tesis profesional a cerca de este tema. 
 
 
Dentro de este campo, existen distintos y variados métodos de calculo, que pese a las 
diferencias entre ellos todos fueron ideados con la intención de encontrar estructuras que 
cumplieran con las demandas de funcionalidad y capacidad de carga para las que son 
proyectadas. 
 
El LRFD es un método de diseño, con el cual se buscan secciones de acero que cumplan con los 
requisitos que las hagan satisfactorias ante las demandas a las que están sometidas; quiere decir 
por sus siglas en inglés Load and Resistance Factor Design (Diseño por Factores de Carga y 
Resistencia ). 
 
 
La utilidad de este método radica en la alta efectividad de sus consideraciones teóricas como el 
uso de distintos factores de carga, tratándose de cargas muertas, vivas, o accidentales. Así como 
el manejo de coeficientes de reducción de capacidad de las secciones de acero, que con algunas 
variantes son muy útiles para las secciones compuestas; lo anterior se refleja en la economía no 
solo monetaria sino además también de espacios y tiempos. 
 
Siempre cumpliendo con la normatividad vigente, con el uso del LRFD se cumplencon las 
condiciones de diseño de las Normas Técnicas Complementarías de Estructuras Metálicas, dado 
que buena parte de sus consideraciones emanan de dicho método. 
 
Finalmente extiendo mi profundo agradecimiento a mis asesores, dada la revisión de este trabajo 
y por la confianza que en mi ponen para exponer este tema. 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO I 
 
“ INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS DE 
ELEMENTOS DE SECCIÓN 
COMPUESTA “. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
2 
1.1 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO. 
 
El concreto es un material pétreo, artificial, obtenido de la mezcla, en proporciones 
determinadas, de cemento, agregados y agua. El cemento y el agua forman una pasta que 
rodea a los agregados, constituyendo un material heterogéneo. Algunas veces se incorporan 
algunas sustancias, llamadas aditivos que mejoran o modifican algunas propiedades del 
concreto. 
 
La pasta, compuesta de Cemento Portland y agua, une a los agregados (arena y grava o piedra 
triturada) para formar una masa semejante a una roca pues la pasta endurece debido a la 
reacción química entre el Cemento y el agua. Los agregados generalmente se dividen en dos 
grupos: finos y gruesos. 
 
Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula 
que pueden llegar hasta 10mm; los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se 
retienen en la malla No. 16 y pueden variar hasta 152 mm. El tamaño máximo de agregado que 
se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm. 
 
La pasta esta compuesta de Cemento Portland, agua y aire atrapado o aire incluido 
intencionalmente. Ordinariamente, la pasta constituye del 25 al 40% del volumen total del 
concreto. El volumen absoluto del Cemento esta comprendido usualmente entre el 7 y el 15% y 
el agua entre el 14 y el 21 %. El contenido de aire en concretos con aire incluido puede llegar 
hasta el 8% del volumen del concreto, dependiendo del tamaño máximo del agregado grueso. 
 
Como los agregados constituyen aproximadamente el 60 al 75% del volumen total del concreto, 
su elección es importante. Los agregados deben consistir en partículas con resistencia 
adecuada así como resistencias a condiciones de exposición a la intemperie y no deben 
contener materiales que pudieran causar deterioro del concreto. Para tener un uso eficiente de 
la pasta de cemento y agua, es deseable contar con una granulometría continua del tamaño de 
las partículas. 
 
La calidad del concreto depende en gran medida de la calidad de la pasta. En un concreto 
elaborado adecuadamente, cada partícula de agregado debe quedar completamente cubierta 
con pasta y también todos los espacios entre partículas de los agregados. 
 
Las propiedades del concreto en estado fresco ( plástico) y endurecido, se pueden modificar 
agregando aditivos al concreto, usualmente en forma liquida, durante su dosificación. Los 
aditivos se usan comúnmente para (1) ajustar el tiempo de fraguado o endurecimiento, (2) 
reducir la demanda de agua, (3) aumentar la trabajabilidad, (4) incluir intencionalmente aire, y 
(5) ajustar otras propiedades del concreto. 
 
Después de un proporcionamiento adecuado, así como, dosificación, mezclado, colocación, 
consolidación, acabado, y curado, el concreto endurecido se transforma en un material de 
construcción resistente, no combustible, durable, resistencia al desgaste y prácticamente 
impermeable que requiere poco o nulo mantenimiento. El concreto también es un excelente 
material de construcción porque puede moldearse en una gran variedad de formas, colores y 
texturizados para ser usado en un número ilimitado de aplicaciones. 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
3 
El peso volumétrico del concreto es elevado en comparación con el de otros materiales 
utilizados en construcción, y como los elementos estructurales de concreto son generalmente 
voluminosos, el peso es una característica que debe de tomarse en cuenta. Su valor oscila 
entre 1.9 y 2.5 t/m³ dependiendo principalmente de los agregados pétreos que se utilicen en su 
elaboración. 
 
El concreto de resistencia normal empleado para fines estructurales puede ser de dos clases: 
clase 1, con peso volumétrico en estado fresco superior a 22 KN/m³ (2.2 t/m³) y clase 2 con 
peso volumétrico en estado fresco comprendido entre 19 y 22 KN/m³ (1.9 y 2.2 t/m³). 
 
El valor de la resistencia a la tensión del concreto es aproximadamente de 8% a 12% de su 
resistencia a compresión y a menudo se estima como 1.33 a 1.99 veces la raíz cuadrada de la 
resistencia a compresión. 
 
La resistencia a la torsión para el concreto esta relacionada con el módulo de ruptura y con las 
dimensiones del elemento de concreto. 
 
La resistencia al cortante del concreto puede variar desde el 35% al 80% de la resistencia a 
compresión. La correlación existe entre la resistencia a la compresión y resistencia a flexión, 
tensión, torsión, y cortante, de acuerdo a los componentes del concreto y al medio ambiente en 
que se encuentre. 
 
El módulo de elasticidad, denotando por medio del símbolo Ec, se puede definir como la 
relación del esfuerzo normal y la deformación correspondiente para esfuerzos de tensión o de 
compresión por debajo del limite de proporcionalidad de un material. 
 
Los principales factores que afectan a la resistencia son la relación Agua – Cemento y la edad, 
o el grado a que haya progresado la hidratación. Estos factores también afectan a la resistencia 
a flexión y a tensión, así como a la adherencia del concreto con el acero. 
 
Las relaciones Edad – Resistencia a compresión. Cuando se requiera de valores mas precisos 
para el concreto se deberán desarrollar curvas para los materiales específicos y para las 
proporciones de mezclado que se utilicen en el trabajo. 
 
Para una trabajabilidad y una cantidad de cemento dadas, el concreto con aire incluido necesita 
menos agua de mezclado que el concreto sin aire incluido. La menor relación Agua – Cemento 
que es posible lograr en un concreto con aire incluido tiende a compensar las resistencias 
mínimas inferiores del concreto con aire incluido, particularmente en mezclas con contenidos de 
cemento pobres e intermedios. 
 
 
 
1.1.1 CONCRETO RECIEN MEZCLADO 
El concreto recién mezclado debe ser plástico o semifluído y capaz de ser moldeado a mano. 
Una mezcla muy húmeda de concreto se puede moldear en el sentido de que puede colocarse 
en una cimbra, pero esto no entra en la definición de " plástico " aquel material que es plegable 
y capaz de ser moldeado o formado como un terrón de arcilla para moldar. 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
4 
En una mezcla de concreto plástico todos los granos de arena y las piezas de grava o de piedra 
quedan encajonados y sostenidos en suspensión. Los agregados no están predispuestos a 
segregarse durante el transporte; y cuando el concreto endurece, se transforma en una mezcla 
homogénea de todos los componentes. El concreto de consistencia plástica no se desmorona si 
no que fluye como liquido viscoso sin segregarse. 
 
1.1.2 MEZCLADO. 
La secuencia de carga de los agregados en la mezcladora representa un papel importante en la 
uniformidad del producto terminado. Sin embargo, se puede variar esa secuencia y aun así 
producir concreto de calidad. Las diferentessecuencias requieren ajustes en el tiempo de 
adicionamiento de agua, en el número total de revoluciones del tambor de la mezcladora, y en 
la velocidad de revolución. 
 
Otros factores importantes en el mezclado son el tamaño de la revoltura en la relación al 
tamaño del tambor de la mezcladora, el tiempo transcurrido entre la dosificación y el mezclado, 
el diseño, la configuración y el estado del tambor mezclador y las paletas. Las mezcladoras 
aprobadas, con operación y mantenimiento correcto, aseguran un intercambio de materiales de 
extremo a extremo por medio de una acción de rolado, plegado y amasado de la revoltura sobre 
si misma a medida que se mezcla el concreto. 
 
1.1.3 REVENIMIENTO 
El revenimiento se utiliza como una medida de la consistencia del concreto. Un concreto de 
bajo revenimiento tiene una consistencia dura. En la práctica de la construcción, los elementos 
delgados de concreto y los elementos de concreto fuertemente reforzados requieren de 
mezclas trabajables, pero jamás de mezclas similares a una sopa, para tener facilidad en su 
colocación. Se necesita una mezcla plástica para tener resistencia y para mantener su 
homogeneidad durante el manejo y la colocación. Mientras que una mezcla plástica es 
adecuada para la mayoría de los trabajos con concreto, se puede utilizar aditivos 
superfluidificantes para adicionar fluidez al concreto en elementos delgados o muy reforzados. 
 
En México, esta prueba se realiza con un molde de forma troncocónica, de 30 cm de altura, que 
se coloca en una superficie lisa con la abertura más pequeña hacia arriba. El molde se llena 
con tres capas de concreto y cada capa se apisona 25 veces con una varilla lisa de acero, de 
16 mm de diámetro y de punta redondeada. La superficie se nivela con movimientos laterales y 
en circulo con la varilla de apisonamiento. 
 
En la figura 1.1 se muestran los diferentes tipos de revenimiento que se pueden obtener. 
NORMAL DE CORTANTE COLAPSO 
(a) (b) (c) 
Fig. 1.1 Diferentes tipos de Revenimiento. 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
5 
1.1.4 EFECTO DE LA EDAD. 
Debido al proceso continuo de hidratación del cemento, el concreto aumenta su capacidad de 
carga con la edad. Dicho proceso de hidratación puede ser más o menos efectivo, según 
varíen las condiciones de humedad después del colado. El aumento de resistencia con la edad 
depende también del tipo de cemento, sobre todo a edades tempranas. Cuando la humedad 
relativa dentro del concreto cae aproximadamente al 80% o la temperatura del concreto 
desciende por debajo del punto de congelación, la hidratación y el aumento de resistencia 
virtualmente se detiene. 
 
Si se vuelve a saturar el concreto luego de un periodo de secado, la hidratación se reanuda y la 
resistencia vuelve a aumentar. Sin embargo lo mejor es aplicar el curado al concreto de 
manera continua desde el momento en que se ha colocado hasta cuando haya alcanzado la 
calidad deseada, esto debido a que el concreto es difícil de volver a saturar. 
 
1.1.5 EFECTO DE LA RELACIÓN AGUA / CEMENTO. 
La resistencia del concreto depende de la relación agua /cemento: a mayor relación menor 
resistencia, y viceversa. 
 
Para cualquier conjunto especifico de materiales y de condiciones de curado, la cantidad de 
concreto endurecido esta determinada por la cantidad de agua utilizada en la relación con la 
cantidad de Cemento. A continuación se presentan algunas ventajas que se obtienen al reducir 
el contenido de agua : 
 
Se incrementa la resistencia a la compresión y a la flexión. 
Se tiene menor permeabilidad, y por ende mayor hermeticidad y menor absorción. 
Se incrementa la resistencia al intemperismo. 
Se logra una mejor unión entre capas sucesivas, y entre el concreto y el refuerzo. 
Se reducen las tendencias de agrietamientos por contracción. 
 
Entre menos agua se utilice, se tendrá una mejor calidad de concreto – a condición que se 
pueda consolidar adecuadamente --. Menores cantidades de agua de mezclado resultan en 
mezclas mas rígidas; pero con vibración, a un las mezclas mas rígidas pueden ser empleadas 
(Fig.1.2). Para una calidad dada de concreto, las mezclas mas rígidas son las mas económicas. 
Por lo tanto, la consolidación del concreto por vibración permite una mejora en la calidad del 
concreto y en la economía. 
Relación A/C
Resistencia 
 a la 
compresión
 (kg/cm²)
Concreto vibrado
Concreto con 
compactación manual
 
Fig. 1.2 Gráfica: relación agua-cemento 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
6 
1.2 RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y RESISTENCIA A TENSIÓN DEL 
CONCRETO. 
 
 
1.2.1 COMPRESIÓN. 
La resistencia a la compresión se puede definir como la máxima resistencia medida de un 
espécimen de concreto a carga axial. Generalmente se expresa en kilogramos por centímetro 
cuadrado (Kg / cm²) a una edad de 28 días, se le designa con el símbolo f’ c. Para determinar la 
resistencia a la compresión, se realizan pruebas especimenes de concreto (Fig. 1.3) ; los 
ensayes a compresión del concreto se efectúan sobre cilindros que miden 15 cm de diámetro y 
30 cm de altura. 
Falla Típica
P
P
Placa de Apoyo
cilindro
h = 2b
b = h2 
b
h = 30 cm
b = 15 cm
 
Fig. 1.3 Ensaye de Compresión 
 
La resistencia del concreto a la compresión es una propiedad física fundamental, y es empleada 
en los cálculos para diseño de puentes, de edificios y otras estructuras. 
 
De acuerdo con Las NTC (Normas Técnicas Complementarias) vigentes en México, los 
concretos clase 1 tendrán una resistencia especificada, f’c, igual o mayor que 25 MPa (250 
kg/cm²). La resistencia especificada de los concretos clase 2 será inferior a 25 MPa (250 
kg/cm²) pero no menor que 20 MPa (200 kg/cm²). En ambas clases deberá comprobarse que el 
nivel de resistencia del concreto estructural de toda construcción cumpla con la resistencia 
especificada. 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
7 
Todo concreto estructural debe mezclarse por medios mecánicos. El de clase 1 debe 
proporcionarse por peso; el de clase 2 puede proporcionarse por volumen. Para diseñar se 
usará el valor nominal, f*c , determinado con la expresión siguiente. f*c =0.8 f’c 
Se hace hincapié en que el proporcionamiento de un concreto debe hacerse para una 
resistencia media, fc , mayor que la especificada, f’c , y que dicha resistencia media es función 
del grado de control que se tenga al fabricar el concreto. 
 
 
1.2.2 TENSIÓN. 
Se considera como resistencia media a tensión, ft , de un concreto el promedio de los 
esfuerzos resistentes obtenidos a partir de no menos de cinco ensayes en cilindros de 150 x 
300 mm cargados diametralmente (FIG. 1.4), ensayados de acuerdo con la norma NMX-C 163. 
 
D
P
P
Plano de falla
por Tensión.
Triplay 
ó corcho.
 
Fig. 1.4 Ensaye de Tensión 
 
A falta de información experimental, ft , se puede estimar igual a: 
 
a) concreto clase 1 = 0.47 cf ' , en MPa (1.5 cf ' , en kg/cm²) 
b) concreto clase 2 = 0.38 cf ' , en MPa (1.2 cf ' , en kg/cm²) 
 
La resistencia media a tensión por flexión o módulo de rotura, Ff se puede suponer igual a: 
a) concreto clase 1 = 0.63 cf ' , en MPa (2 cf ' , en kg/cm²) 
b) concreto clase 2 = 0.44 cf ' , en MPa (1.4 cf ' , en kg/cm²) 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURAUNIDAD ZACATENCO 
 
8 
Para diseñar se usará un valor nominal, ft* , igual a 0.75 ft . 
También puede tomarse: 
 
a) concreto clase 1 = 0.41 cf * , en MPa (1.3 cf * , en kg/cm²) 
b) concreto clase 2 = 0.31 cf * , en MPa (1.0 cf * , en kg/cm²) 
 
y el módulo de rotura, ff *, se puede tomar igual a 
a) concreto clase 1 = 0.53 cf * , en MPa (1.7 cf * , en kg/cm²) 
b) concreto clase 2 = 0.38 , cf * en MPa (1.2 cf * , en kg/cm²) 
 
 
 
 
1.3 MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO. 
 
1.3.1 MÓDULO ELÁSTICO. 
El módulo de elasticidad, denotando por medio del símbolo Ec, se puedes definir como la 
relación del esfuerzo normal y la deformación correspondiente para esfuerzos de tensión o de 
compresión por debajo del limite de proporcionalidad de un material. Para concretos de peso 
normal. Dicho módulo elástico sirve para estimar deformaciones debidas a cargas de corta 
duración, donde se puede admitir un comportamiento elástico sin errores importantes. 
De acuerdo con lo establecido en las NTC, para concretos clase 1, el módulo de elasticidad, Ec, 
se supondrá igual a: 
 
4 400 cf ' , en MPa (14 000 cf ' ,en kg/cm²) para concretos con agregado grueso calizo, y 
3 500 cf ' , en MPa (11 000 cf ' , en kg/cm²) para concretos con agregado grueso basáltico. 
 
Para concretos clase 2 se supondrán igual a 2 500 cf ' , en MPa (8 000 cf ' , en kg/cm²) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
9 
1.4 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL. 
 
El acero resulta de la aleación de hierro que contiene entre un 0,04 y un 2,25% de carbono y a 
la que se añaden elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o vanadio, entre otros. 
 
El acero es el metal más importante utilizado con fines estructurales porque combina una alta 
resistencia, tanto en tensión como en compresión, con gran rigidez debido a su alto módulo 
elástico, y facilidad de fabricación. El acero por naturaleza es un material dúctil, de 
comportamiento estable bajo inversiones de carga y con una relación resistencia / peso que 
resulta favorable. 
 
El acero absorbe una cantidad significativa de energía cuando está sometido a cargas cíclicas 
en el rango inelástico. La curva Esfuerzo-Deformación cíclica de la figura 1.5 , y en especifico el 
área delimitada por los puntos ABCD describe la energía absorbida durante un ciclo de 
deformación fuera del comportamiento elástico igual a 4ευ Fy. 
 
 
0
Fy
-Fy
-Deformación
Esfuerzo
C B
AD
ευ
EEE
εy
Comportamiento elástico idealizado Comportamiento perfectamente plástico
Comportamiento histerético idealizado de un espécimen de acero.
 
( Fig. 1.5 ) 
 
En la figura 1.6, se esquematiza como el acero puede soportar cargas de tensión y luego por 
inversión de las mismas soporta cargas de compresión, deformándose de manera dúctil en uno 
y otro sentido sin fallar. 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
10 
AlargamientoAcortamiento
Carga de 
Tensión
Carga de 
Compresión
 
( Fig. 1.6 ) 
 
 
Otros materiales estructurales como el aluminio principalmente, se emplean en casos en que se 
requieren aprovechar las características que los hacen diferentes del acero, como bajo peso 
volumétrico o la elevada resistencia a la corrosión. 
 
1.4.1 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL. 
Para poder comprender el comportamiento de las estructuras metálicas, es necesario que el 
ingeniero proyectista conozca las propiedades del acero. 
 
Para esto los diagramas esfuerzo-deformación (Fig. 1.7), ofrecen una parte de la información 
técnica necesaria para observar el comportamiento del acero ante las solicitaciones de carga a 
las que se pueda someter al acero. 
 
Si una pieza de acero estructural dúctil se somete a una fuerza de tensión, esta comenzará a 
alargarse, si esta fuerza se incrementa a razón constante, la magnitud de alargamiento 
aumentará constantemente dentro de ciertos límites. Cuando el esfuerzo de tensión alcance un 
valor aproximado de la mitad de la resistencia última del acero, dicho alargamiento comenzará a 
aumentar más y rápidamente sin un incremento correspondiente del esfuerzo. 
 
El mayor esfuerzo para el que todavía es válida la Ley de Hooke o el punto más alto de la 
porción recta del diagrama esfuerzo-deformación se denomina Límite Proporcional. El mayor 
esfuerzo que un material puede resistir sin deformarse permanentemente se llama límite 
elástico. 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
11 
El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o deformación sin 
un incremento en el esfuerzo se denomina esfuerzo de fluencia; correspondiente al primer 
punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual la tangente a la curva es horizontal. La 
deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia se denomina deformación elástica. 
La deformación que ocurre después del esfuerzo de fluencia se denomina deformación plástica. 
Esta última deformación es generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformación 
elástica. 
 
Después de la región plástica se tiene una zona llamada endurecimiento por deformación en la 
que se requieren esfuerzos adicionales para producir deformaciones mayores. 
 
(20)
1407
703
(10)
2110
(30)
2810
(40)
3515
(50)
(ksi)
kg/cm²
σ
Gráfica esfuerzo-Deformación e intervalos de distintos Aceros Estructurales
ε, %
ε =0.005
α1
ε ed
α2
Comportamiento 
elástico.
Comportamiento 
plástico.
Endurecimiento
por deformación.
σys σy
 
( Fig. 1.7 ) 
 
La curva esfuerzo-deformación es típica de los aceros estructurales dúctiles y se supone que es 
la misma para miembros a tensión o compresión. La forma del diagrama varía con la velocidad 
de carga, el tipo de acero y con la temperatura. 
 
Una propiedad muy importante de una estructura que no se ha esforzado más allá de su punto 
de fluencia, es que ésta recuperará su longitud original cuando se supriman las cargas. Si se 
esfuerza más allá de ese punto recuperará sólo parte de su longitud inicial. Este hecho ofrece la 
posibilidad de probar una estructura existente cargándola y descargándola. Si después de que 
las cargas se retiran la estructura no recupera sus dimensiones originales, significa que se ha 
esforzado más allá de su punto de fluencia. 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
12 
El acero es una aleación que está compuesta principalmente de hierro (más del 98%). Contiene 
también pequeñas cantidades de carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo y otros 
elementos. El carbono es el elemento que tiene la mayor influencia en las propiedades del 
acero. La dureza y la resistencia aumentan con el porcentaje de carbono (Fig. 1.8), pero 
desafortunadamente el acero resultante es más frágil y su soldabilidad se ve afectada. Una 
menor cantidad de carbono hará más suave y dúctil al acero, pero también más débil. La 
adición de cromo, silicio y níquel dan como resultado aceros con resistencias mucho mayores. 
Esos aceros son apreciablemente más costosos y más difíciles de fabricar. 
 
 
 
25
0
50
75
100
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
Efecto del contenido de carbono en la 
resistencia de los aceros estructurales.
CARBONO %
R
E
S
IS
T
E
N
C
IA
 
kg
/m
m
²
 
( Fig. 1.8 ) 
 
 
Desafortunadamente, la baja ductilidad o fragilidad es una propiedad asociada con la alta 
resistencia del acero (no necesariamenteasociada a los aceros de alta resistencia). Como es 
conveniente tener a la vez alta resistencia y gran ductilidad (Fig. 1.9), el proyectista tendrá que 
decidir entre los dos extremos o buscar un término medio entre ellos. Un acero frágil puede 
fallar repentinamente, sin dar aviso; cuando se sobrecargue y durante el montaje puede fallar 
debido a los impactos propios de los procedimientos de construcción. 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
13 
Efecto del contenido de carbono en la 
dudtilidad de los aceros estructurales.
0
1.501.251.000.750.500.25
10
20
40
30
50
D
U
C
T
IL
ID
A
D
 %
CARBONO %
 
( Fig. 1.9 ) 
 
Los aceros con comportamiento frágil tienen un intervalo considerable donde el esfuerzo es 
proporcional a la deformación unitaria, pero no tienen esfuerzos de fluencia claramente 
definidos. Sin embargo, para aplicar muchas de las fórmulas dadas en las especificaciones de 
diseño para el acero estructural, es necesario contar con valores definidos del esfuerzo de 
fluencia, independientes de si los aceros son dúctiles o frágiles. 
 
 
1.4.2 ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS 
 
Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades 
presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un 
acero que tenga cantidades considerables de estos últimos elementos se denominará acero 
aleado. Aunque esos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las 
cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeñas. Por ejemplo, el 
contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy 
frecuente que sea de 0.2 a 0.3%. 
 
La composición química del acero es de suma importancia en sus efectos sobre sus 
propiedades tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura, 
etc. 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
14 
En décadas recientes los ingenieros y arquitectos han requerido aceros más fuertes, aceros con 
mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas 
características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera durante este periodo han 
proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas, de 
manera que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e 
incluidos en las especificaciones LRFD. 
 
Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de 
la ASTM: los aceros de propósitos generales (A36), los aceros estructurales de carbono (A529), 
los aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A572), los aceros estructurales de 
alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y la placa 
de acero templada y revenida (A514 y A852). Véase la Fig. 1.10 
 
Los aceros estructurales pueden agruparse de acuerdo con su composición, como sigue: 
 
1) Aceros simples al carbono: principalmente hierro y carbono, con menos de 1 % de 
carbono. 
2) Aceros de baja aleación: hierro y carbono y otras componentes (usualmente menos del 
5% ). Los componentes adicionales son principalmente para incrementar la resistencia, 
que se logra a costa de una reducción en la ductilidad. 
3) Aceros especiales o de alta resistencia: similares en composición a los aceros de baja 
aleación pero con un mayor porcentaje de componentes agregados al hierro y al 
carbono. Esos aceros son de resistencia superior a la de los aceros simples al carbono y 
tienen también alguna cualidad especial como la resistencia a la corrosión. 
 
Los diferentes grados de aceros estructurales son identificados por la designación asignada a 
ellos por la American Society for Testing and Materials (ASTM). Esta organización elabora 
normas para definir los materiales en términos de sus composiciones, propiedades y 
desempeño, y prescribe pruebas específicas para medir esos atributos (ASTM, 1996a). El acero 
estructural más comúnmente usado en la actualidad es un acero dulce designado como ASTM 
A36 o brevemente A36. Éste tiene una curva esfuerzo-deformación unitaria del tipo mostrado 
en las gráficas anteriores, y tiene las siguientes propiedades en esfuerzo de tensión; 
 
Esfuerzo de fluencia; Fy = 36,000 psi (36 ksi) 
Resistencia en tensión: Fu = 58,000 psi a 80,000 psi (58 ksi a 80 ksi) 
 
El acero A36 es clasificado como un acero simple al carbono y tiene las siguientes 
componentes (aparte del hierro): 
 
Carbono: 0.26% (máximo) 
Fósforo: 0.04% (máximo) 
Azufre: 0.05% (máximo) 
 
Estos porcentajes son aproximados; los valores exactos dependen de la forma del producto de 
acero terminado. 
 
Un acero con un esfuerzo de fluencia de más de 36 ksi se considera usualmente como un acero 
de alta resistencia. Los aceros de alta resistencia más frecuentemente usados son aquellos con 
un esfuerzo de fluencia de 50 ksi y una resistencia en tensión de 65 ksi o 70 ksi, aunque se 
dispone de un acero con un esfuerzo de fluencia de 100 ksi. 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
15 
 
Gráfica esfuerzo-Deformación de distintos Aceros Estructurales
0
0
0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24
ε
σ
1407
(20)
(40)
2810
(60)
4218
(80)
5625
(100)
7030
(120)
8437
kg/cm²
(ksi)
ACERO AL CARBONO A-36 (NOM-B-254)
Acero de alta resistencia
y baja aleación A-441 
(NOM-B-284)
Acero de aleación tratado
térmicamente A-514
 
( Fig. 1.10 ) 
 
1.5 TIPOS DE ACERO ESTRUCTURAL. 
 
PROPIEDADES DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES UTILIZADOS EN MÉXICO. 
 
B-254 (ASTM A36) Acero estructural. 
B-99 (ASTM A529) Acero estructural con límite de 
fluencia mínimo de 290 MPa (2 950 kg/cm²). 
B-282 (ASTM A242) Acero estructural de baja aleación y alta resistencia. 
B-284 (ASTM A572) Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de 
manganeso–vanadio. 
(ASTM A588) Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de 
hasta 100 mm de grueso, con límite de fluencia mínimo de 
345 MPa (3 515 kg/cm²). 
(ASTM A913) Perfiles de acero de alta resistencia y baja aleación, de 
calidad estructural, producidos por un proceso de 
tratamiento térmico especial. 
(ASTM A992) Acero estructural para perfiles H laminados para uso en 
edificios. 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
16 
B-177 (ASTM A53, grado B) Tubos de acero, con o sin costura. 
B-199 (ASTM A500) Tubos de acero al carbono para usos estructurales, 
formados en frío, con o sin costura, de sección circular o de 
otras formas. 
 
B-200 (ASTM A501) Tubos de acero al carbono para usos estructurales, 
formados en caliente, con o sin costura. 
 
En la Tabla 1, se indican los valores de los esfuerzos Fy y Fu de los aceros listados arriba. 
 
 
Nomenclatura Fy (3) Fu (4) 
NMX 1 ASTM 2 MPa kg/cm² MPa kg/cm² 
B-254 A36 250 2530 400 4080 
 a 550 a 5620 
B-99 A529 290 2950 414 a 4220 a 
 585 5975 
B-282 A242 290 2950 435 4430 
 320 3235 460 4710 
 345 3515 485 4920 
B-284 A572 290 2950 414 4220 
 345 3515 450 4570 
 414 4220 515 5270 
 450 4570 550 5620 
 A992 345 3515 450 4570 a 
 a 620 6330 
B-177 A53 240 2460 414 4220 
B-199 A500 (5) 320 3235 430 4360 
B-200 A501 250 2530 400 4080 
 A588 345 (6) 3515 (6) 483 (6) 4920 (6) 
 A913 345 a 3515 a 448 a 4570 a 
 483 (7) 4920 (7) 620 (7) 6330 (7)( Tabla 1 ) 
 
1 Norma Mexicana 
2 American Society for Testing and Materials. 
3 Valor mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente al límite inferior de fluencia del 
material. 
4 Esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión. Cuando se indican dos valores, el 
segundo es el máximo admisible. 
5 ASTM especifica varios grados de acero A500, para tubos circulares y rectangulares. 
6 Para perfiles estructurales; para placas y barras, ASTM especifica varios valores, que 
dependen del grueso del material. 
7 Depende del grado; ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70. 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
17 
La dirección en que se laminan los perfiles y placas es la de mayor interés en el diseño de las 
estructuras, por lo que el esfuerzo de fluencia en esa dirección, determinado por medio de 
ensayes estándar de tensión, es la propiedad mecánica que decide, en la mayoría de los casos, 
el tipo de acero que ha de emplearse. 
 
1.6 PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS PRINCIPALES DEL ACERO 
ESTRUCTURAL. 
 
Otras propiedades mecánicas, tales como anisotropía, ductilidad, tenacidad, facilidad de 
formado en frío, resistencia a la corrosión, pueden ser también importantes para el 
comportamiento correcto de algunas estructuras, ya que en ciertas estructuras expuestas a la 
intemperie será recomendable el uso de aceros de alta resistencia a la corrosión, mientras que 
en otras, como en climas fríos extremos sometidas a cargas de servicio dinámicas, es preferible 
emplear aceros con alta tenacidad. 
 
1.6.1 ANISOTROPÍA. 
Propiedad que presentan ciertos cuerpos consistente en la dependencia de sus propiedades de 
la dirección que en ellos se considere. El fenómeno de la anisotropía es debido a la ordenación 
espacial de los átomos en la red cristalina y afecta a las propiedades mecánicas, eléctricas y 
ópticas de los materiales. 
 
En la mayoría de las aplicaciones de las aleaciones no es preciso tener en cuenta el hecho de 
que tanto las propiedades elásticas como las plásticas están determinadas por el 
comportamiento de muchos granos individuales, cada uno de los cuales es anisótropo. Las 
aleaciones corrientes están constituidas por millones de pequeños cristales y, si están 
orientados al azar, las propiedades medias son las mismas en todas las direcciones. Sin 
embargo, como resultado de los procesos de colada, laminado o tratamientos térmicos, es 
posible que los granos de una barra policristalina adopten una orientación casi idéntica en cuyo 
caso la barra presentará un comportamiento anisótropo que, por ejemplo, puede hacer 
aumentar en gran medida su rigidez en una dirección. 
 
1.6.2 RESISTENCIA. 
Característica de un material o elemento Estructural que le permite soportar las cargas que 
actúan sobre él. 
 
1.6.3 RIGIDEZ. 
Propiedad que le permite al acero soportar esfuerzos elevados con deformaciones 
relativamente pequeñas. 
 
1.6.4 ESFUERZO DE FLUENCIA, Fy. 
En aceros que no tienen punto de fluencia, se define como el esfuerzo correspondiente a una 
deformación específica de 0.2%. En los que tienen flujo plástico definido es el correspondiente 
a ε = 0.5%. 
 
1.6.5 MÓDULO DE ELASTICIDAD, Es. 
Pendiente de la gráfica esfuerzo-deformación, en la zona de comportamiento elástico. Define la 
rigidez del material, gobierna las deformaciones e influye en la resistencia al pandeo. Es 
prácticamente constante para todos los aceros estructurales a temperatura ambiente. 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
18 
1.6.6 DUCTILIDAD. 
Propiedad de un material de experimentar deformaciones plásticas grandes sin romperse. De 
ella depende la energía que puede absorber el material y las redistribuciones de esfuerzos que 
preceden la falla. 
 
1.6.7 FRAGILIDAD. 
Característica de un material que permite la propagación de grietas sin deformación plástica. Es 
una propiedad opuesta a la ductilidad. 
 
1.6.8 RESILIENCIA. 
Capacidad de un material para absorber energía en el intervalo elástico. Número que expresa la 
resistencia de un material a choques o a impacto. 
 
1.6.9 TENACIDAD. 
Propiedad que describe con la resiliencia la capacidad del material para absorber energía, y se 
opone a la rotura. 
 
1.6.10 RESISTENCIA ÚLTIMA. 
Cociente de la fuerza máxima observada en el ensaye de tensión entre el área original del 
espécimen. 
 
 
1.6.11 COMPOSICIÓN QUÍMICA. 
El acero es, básicamente, una aleación de hierro y carbono, esté ultimo en cantidades muy 
pequeñas (0.32%, máximo, en acero NOM-B-254 ó ASTM A-36). Al aumentar el contenido de 
carbono aumenta la resistencia, pero disminuye la ductilidad y la soldabilidad. 
 
1.6.12 SOLDABlLIDAD. 
Conjunto de propiedades que debe tener un acero para permitir fabricar juntas, uniones o 
conexiones que presenten características adecuadas de continuidad metalúrgica, seguridad e 
integridad, tomando en cuenta que esta propiedad debe ser definida respecto a un proceso de 
soldadura determinado. La composición química de un acero estructural es el aspecto más 
importante relacionado con su soldabilidad. Otros elementos, en el acero NOM-B-254 
(ASTIM A-36) son, P(0.05%, máx.) y S( 0.06%, máximo) , en otros aceros, cobre (Cu ), cromo 
(Cr), níquel (Ni ), manganeso (Mn); el oxigeno y el nitrógeno aparecen como impurezas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
19 
1.7 TRATAMIENTOS TÉRMICOS, TRABAJO EN FRIO. 
 
Los aceros (particularmente aquellos con contenido de carbono más bien alto) pueden 
incrementar un poco su resistencia al ser calentados a una temperatura de aproximadamente 
700 °F (370 °C). Para temperaturas entre 800 °F (425 °C) y 1000 °F (535 °C), las resistencias 
del acero se reducen drásticamente, y a 1200 °F (650 °C), (Fig. 1.11) tienen ya muy poca 
resistencia. 
 
 
Las relaciones características de los esfuerzos de fluencia a altas temperaturas con los 
esfuerzos de fluencia a temperatura ambiente son aproximadamente 0.77 a 800 °F, 0.63 a 1000 
°F y 0.37 a 1200 °F. Las temperaturas en esos intervalos pueden ser alcanzadas fácilmente en 
miembros de acero durante incendios, en zonas de contacto entre miembros durante el proceso 
de soldado, en miembros en fundiciones sobre flamas abiertas, etc. 
 
Cuando las secciones de acero son enfriadas a menos de 32 °F (0 °C), sus resistencias se 
incrementan un poco, pero tendrán reducciones considerables en ductilidad y tenacidad. 
 
TEMPERATURA
E
LO
N
G
A
C
IÓ
N
 %
30
20
10
0
0-500 -400 -300 -200 -100
-275 -200 -150 -100 -50 0
(150)
10500
7030
(100)
(50)
3500
0
E
S
FU
E
R
Z
O
 D
E
 T
E
N
S
IÓ
N
k
g
/c
m
² 
 (
k
si
)
ELO
NG
AC
IÓN
+70
°C
°F
 
( Fig. 1.11 ) 
 
1.7.1 TEMPERATURAS ALTAS. 
Las propiedades físicas y químicas de la mayor parte de los aceros estructurales usuales se 
conservan sin cambio solo en un intervalo de temperaturas relativamente pequeño. Esas 
propiedades y, por consiguiente, el comportamiento del acero, cambian sustancialmente 
cuando está expuesto a temperaturas elevadas durante un tiempo largo, lo que puede suceder, 
por ejemplo, durante un incendio. 
 
En la figura 1.12, se muestran los efectos de las temperaturas elevadas en la resistencia a la 
tensión y en el esfuerzo correspondiente a la iniciación del flujo plástico en el acero 
NOM-B-254 (ASTM A-36). 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURAUNIDAD ZACATENCO 
 
20 
 
TEMPERATURA °F (°C)
σ
kg/cm²
(ksi)
1405
(20)
(10)
(30)
(50)
(40)
2810
4220
(60)
(80)
5625
(70)
7030
(100)
(90)
(91)
2000 600
(315)
1000
(535)
1400
(758)
16001200800400
Resistencia 
a la ruptura
INICIACIÓN DEL 
FLUJO PLÁSTICO
 
( Fig. 1.12 ) 
 
En casos especiales, las altas temperaturas que se alcanzan durante un incendio pueden ser 
de larga duración y pueden afectar el comportamiento de la estructura. Por esta razón, suele 
ser necesario proteger las estructuras de acero contra el fuego, lo que se logra recubriendo con 
materiales aislantes de diversos tipos (fibras minerales, tablarroca, concreto, pintura 
intumescente, etc,). 
 
 
1.7.2 BAJAS TEMPERATURAS y FALLA FRÁGIL. 
La falla frágil, que consiste esencialmente en ruptura sin deformaciones plásticas previas, suele 
estar asociada con temperaturas bajas. También influye en ella el estado de esfuerzos a que 
está sometida la pieza, la existencia de muescas y la velocidad de aplicación de la carga. 
 
Pueden deberse a fallas en tensión en las áreas netas de conexiones atornilladas o 
remachadas, fracturas de soladuras en zonas de concentración de esfuerzos, desgarramiento 
laminar en placas que no admiten las deformaciones a través del grueso, ocasionadas por 
contracciones del metal de soldadura; fractura de placas debida deformaciones grandes, 
producidas por pandeo local o por flexión, y fatiga con pocos ciclos de carga y deformaciones 
inelásticas importantes. 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
21 
Pueden evitarse de alguna de las maneras siguientes (o por combinación de varias): 
 
1. Detallando los miembros y sus conexiones y utilizando procesos de fabricación y secuencias 
. de armado que minimicen los esfuerzos residuales de tensión. 
2. Empleando aceros de aleación diseñados para trabajar a bajas temperaturas. 
3. Reduciendo la velocidad de aplicación de las cargas. 
 
1.7.3 FATIGA. 
La falla por fatiga consiste en la fractura del material, bajo esfuerzos relativamente reducidos, 
después de un número suficientemente grande de aplicaciones de la carga, que pueden o no 
incluir cambios de signo en los esfuerzos. 
 
La fractura se inicia en un lugar donde hay una pequeña imperfección que puede ser de tamaño 
microscópico, y se propaga en forma de una grieta, que suele crecer lentamente, hasta que la 
pieza se rompe. 
 
La curva de la figura 1.13, describe, de manera cualitativa, el comportamiento de la mayor 
parte de los metales, ensayados en un laboratorio bajo cargas cíclicas o repetidas. 
 
 
A
m
p
lit
u
d
 d
e 
va
ri
ac
ió
n
 
 
d
e 
es
fu
er
zo
s
0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10
N x 106 
( Fig. 1.13 ) 
 
La amplitud de variación de los esfuerzos se define: FSR =FMAX -FMIN. Pocos son los miembros o 
conexiones de edificios convencionales que necesitan diseñarse por fatiga, ya que las 
variaciones de carga en estas estructuras, ocurren, en general, un número pequeño de veces, o 
producen únicamente pequeñas fluctuaciones en los valores de los esfuerzos. Las cargas de 
diseño totales de viento o de sismo se presentan con tan poca frecuencia que no ameritan 
consideración alguna para diseñar por fatiga. Sin embargo, las trabes que soportan grúas 
viajeras y algunos elementos de apoyo de maquinaria y equipo, a menudo están sujetas a 
condiciones de carga por fatiga. 
 
 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
22 
1.8 DISEÑO ESTRUCTURAL. 
 
El diseño estructural es básicamente un proceso iterativo excepto en algunos casos en que las 
estructuras son isostáticas. 
 
Se hace un diseño preliminar y se revisa después que la estructura compuesta por los 
miembros obtenidos en él tengan un comportamiento satisfactorio, tanto bajo cargas de servicio 
o de trabajo (deformaciones no excesivas;, vibraciones que no resulten molestas para los 
usuarios del inmueble) como cerca del colapso (para conocer el coeficiente de seguridad real 
respecto a la falla). 
 
Para hacer los dos análisis, preliminar y definitivo se sustituye la estructura real por un modelo 
que la represente con suficiente precisión y sea, al mismo tiempo, sencillo. Posteriormente la 
estructura debe construirse de manera que coincida con el modelo supuesto de una manera 
aceptable, para que la respuesta teórica prevista sea una buena representación de la real. 
 
En teoría se necesitan hacer dos análisis de cada estructura, uno bajo cargas de trabajo, 
elástico, y otro plástico en la cercanía del colapso. Esto se pone de manifiesto cuando se 
emplean métodos de diseño basados en estados límite. Sin embargo. la práctica usual es 
realizar uno solo de los análisis, y tomar medidas que hagan indirectamente que se satisfagan 
las condiciones que se revisarían con el otro. 
 
En estructuras de acero hay dos aspectos primordiales que pueden hacer que el 
comportamiento real no sea el previsto, y que pueden llevar a comportamientos inadecuados o 
aún a la falla: LAS CONEXIONES Y LA lNESTABlLIDAD. 
 
La inestabilidad puede ser de alguno de los tres tipos siguientes: 
 
1.8.1 LOCAL. 
(Se evita limitando las relaciones ancho / grueso de los elementos planos que forman los 
perfiles estructurales). 
 
1.8.2 DE MIEMBRO. 
Viga (pandeo lateral por flexotorsión), Columna (inestabilidad de elementos flexocomprimidos). 
Una buena parte de las especificaciones AISC, IMCA y NTC-RCDF tienen por objetivo evitar 
esta posible forma de falla. 
 
1.8.3 DE CONJUNTO. 
(Se controla tomando relaciones de esbeltez de las columnas mayores que las reales y 
amplificando los momentos calculados con un análisis de primer orden). El efecto P-∆ se 
presenta en marcos esbeltos con cargas verticales importantes. 
 
Las conexiones diseñadas inadecuadamente pueden llevar indirectamente a la falla de 
miembros o aún de la estructura completa, ya sea porque tengan resistencia insuficiente al 
transmitir las cargas de unos miembros a otros o porque sus características de rigidez difieran 
mucho de las supuestas en el análisis estructural, lo que haga que el comportamiento real de 
miembros aislados, o de la estructura completa, se separe mucho de lo considerado en el 
diseño. 
 
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE SECCIÓN COMPUESTA CON LRFD 
 
 
 MIGUEL ANGEL PINEDA LÓPEZ 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO 
 
23 
1.8.4 MODOS DE DISEÑO. 
El diseño estructural es un arte en el que se utilizan la experiencia obtenida en construcciones 
anteriores, realizadas con o sin éxito, las leyes de la física y las matemáticas y los resultados de 
investigaciones de laboratorio, para obtener la geometría y las dimensiones de estructuras que 
se comporten de una manera segura y eficiente, que sean económicas en construcción y 
mantenimiento y que sean estéticamente agradables. 
 
El diseño de una estructura sigue un proceso iterativo: 
 
1) Se suponen las dimensiones de las secciones transversales de los miembros, para lo 
que se utiliza la experiencia de diseños anteriores o la información obtenida con 
métodos aproximados de análisis o diseño. 
 
2) Se determinan los efectos ocasionados por las solicitaciones en una estructura con las 
características escogidas en el predimensionamiento. 
 
3) Se revisa el comportamiento de los miembros y conexiones supuestos, así como el de la 
estructura completa sometidos a los efectos producidos por las solicitaciones de carga. 
Sí el comportamiento es satisfactorio, el problema ha sido resuelto; en caso contrario se 
repite el ciclo, partiendo de un conjunto modificado de dimensiones. 
 
Para conocer adecuadamente el comportamiento de un elemento estructural debe estudiarse