NSR-09
ESTRUCTURAS DE ACERO
CON PERFILES LAMINADOS, ARMADOS
Y TUBULARES ESTRUCTURALES
NSR-09TITULO F
ESTRUCTURAS METALICASCapítulos
• F.1: Requisitos Generales• F.2: Estructuras de acero con Perfiles Laminados,
Armados y Tubulares Estructurales• F.3: Provisiones Sísmicas• F.4: Estructuras de Acero con Perfiles en Lámina
Formada en Frío• F.5: Aluminio Estructural
CAPITULO F.2Estructuras de Acero con Perfiles Laminados,
Perfiles Armados y Perfiles Tubulares Estructurales
Antecedentes NSR-98
AISC-ASD 1.989 AISC-LRFD 1.993
RESISTENCIA NOMINAL Rn
Propiedades mecánicas del material.
Dimensiones de la sección transversal.
Esfuerzos residuales.
Desviaciones de rectitud.
Imperfecciones de construcción y montaje.
Deterioro por corrosión. SγQVariaciones en procedimientos de montaje.
Cambio de uso.
Simplificaciones del análisis.
Dimensiones de construcción.
Magnitud de las cargas.
EFECTO DE LAS CARGAS NOMINALES ∑Qi
DIS
EÑ
O P
AR
A E
SFU
ER
ZO
S P
ER
MIS
IBL
ES
(A
SD
)
DIS
EÑ
O P
OR
FA
CT
OR
ES
DE
CA
RG
A
Y D
E R
ES
IST
EN
CIA
(L
RF
D)
Nueva Edición AISC-LRFD 1999(2ª edición Manual)
AISC-ASD 1.989 AISC-LRFD 1.999
ANSI/AISC 360-05LRFD/ASD
Nueva Edición ANSI/AISC 360
Actualmente en discusión Pública
Mantiene formato dual ASD/LRFDde ANSI/AISC 360-05
Problema General de Seguridad Estructural
Distribución de frecuenciaspara los efectos de las cargas (Q) y la Resistencia (R)
Condición “segura”
R ≥ Q
⇒ R/Q ≥ 1
⇒ ln(R/Q) ≥ 0
Distribución de frecuenciaspara pares Resistencia (R) - Carga (Q)
Distribución de frecuenciaspara pares Resistencia (R) - Carga (Q)
β: índice de seguridad
o índice de confiabilidad
Relación entre el valor medio y la desviación estándar
para la distribución de frecuencias de ln(R/Q)
SEGURIDAD ESTRUCTURAL
Concepto de Factor de Seguridad en ASD:
Si se considera que la carga aplicada puede incrementarse en un 40% y la resistencia puede reducirse en un 15%:
R-0.15R ≥ Q+0.40Q => R/Q ≥ 1.65
SEGURIDAD ESTRUCTURAL
Concepto de Factor de Seguridad en ASD
• Se aplica el mismo factor a la carga muerta y a la carga viva
• Resulta una considerable variación en los valores de β
SEGURIDAD ESTRUCTURAL
Concepto de Factor de Seguridad en ASD
Ejemplo:
Para vigas en perfiles laminados compactos fluencia en miembros a tensión:
• β = 3.1 para L/D = 0.5
• β = 2.4 para L/D = 4.0
SEGURIDAD ESTRUCTURAL
La variación en el valor de β inherente a ASDse reduce sustancialmente en LRFD mediante la definición de unos valores objetivo de β y la selección de factores de carga y de resistencia apropiados para lograr dichos valores.
SEGURIDAD ESTRUCTURAL - LRFD
• LRFD calibrado a ASD para L/D = 3.0 para flexión en vigas compactas y fluencia en miembros a tensión
• Factor de resistencia para estos estados límite: φ = 0.90
• Valores de β implícitos:β = 2.6 para miembrosβ = 4.0 para conexiones
Formato ANSI-AISC 360-05
• ASD/LRFD• Los mismos Estados Límite• Se parte de la misma
Resistencia Nominal
Formato ANSI-AISC 360-05
Formato ANSI-AISC 360-05
• Condición de diseño:
En LRFD: øRn ≥ 1.2D + 1.6L
En ASD: Rn/Ω ≥ D + L
• Para Rn (LRFD) = Rn (ASD):
(1.2D + 1.6L)/ø = (D + L)Ω
Ω.ø = (1.2D + 1.6L)/(D + L)
Formato ANSI-AISC 360-05
• LRFD calibrado a ASD para:
L/D = 3.0
• Lo que equivale a:
Ω.ø = 1.5
øRn /(Rn/ Ω) = 1.5
Formato ANSI-AISC 360-05
• Esto quiere decir que dos diseños, uno por LRFD y por ASD, requerirán la misma Rn (o sea el mismo elemento) para la combinación 1.2D + 1.6L cuando la carga viva sea 3 veces la carga muerta.
Consideraciones ASD
Diseño de Miembros a Tensión
Estados Límite:
• Fluencia en la sección bruta
• Fractura en la sección neta efectiva
Diseño de Miembros a Tensión
Limitación de esbeltez, sólo una recomendación:
PREFERIBLEMENTE NO SUPERIOR A 300
Diseño de Miembros a Tensión
Fluencia sobre el área neta
RESISTENCIA NOMINAL:
Pn = Fy.Ag
RESISTENCIA DE DISEÑO:
Ø Rn = Øt Pn
Øt = 0.90
Diseño de Miembros a Tensión
Fractura en la sección neta efectiva
RESISTENCIA NOMINAL:
Pn = Fu.Ae
Ae = U.An
RESISTENCIA DE DISEÑO:
Ø Rn = Øt Pn
Øt = 0.75
Cálculo del Area Neta
An = Ag–S(d+D)t+ S(s2/(4g))
d: diámetro de la perforación
= diámetro del perno + 1.6 mm para perforaciones estándar
D =1.6 mm para perforaciones estándar
Diseño de Miembros a TensiónFactor “U” por Rezago de Cortante
Diseño de Miembros a TensiónDesgarramiento en Bloque (Shear Lag)
Diseño de Miembros a TensiónDesgarramiento en Bloque (Block Shear)
Antes de ANSI/AISCE 360-05
• Rotura en líneas a tracción y fluencia en líneas a cortante
• Rotura en líneas a cortante y fluencia en líneas a tracción
SE TOMABA EL MAYOR
Diseño de Miembros a TensiónDesgarramiento en Bloque (Block Shear)
Ahora:
Rotura en líneas a tracción
más la menor entre:• Rotura en líneas a cortante
• Fluencia en líneas a cortante
RESISTENCIA NOMINAL:
0.6Fu.Anv
Rn = UbsFu.Ant + min {
0.6Fy.Agv
Diseño de Miembros a TensiónDesgarramiento en Bloque (Block Shear)
Diseño de Miembros a Compresión
RESISTENCIA NOMINAL:
Pn = Fcr.Ag
RESISTENCIA DE DISEÑO:
Ø Rn = Øc Pn
Øc = 0.90 (Antes 0.85)
Diseño de Miembros a Compresión
Estados Límite
• Pandeo Flexional• Pandeo Flexotorsional
• Pandeo Local
Diseño de Miembros a Compresión
Limitación de esbeltez, sólo una recomendación:
PREFERIBLEMENTE NO SUPERIOR A 200
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Flexional
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Flexional
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexo-Torsión
Cálculo de Fe a utilizarse en fórmulas de Pandeo Flexional(no incluye secciones en T, ángulos dobles en T)
De simetría doble y perfiles en Z
Con simetría simple, eje de simetría “y”
Asimétrica Mínima raíz de la ecuación:
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexión o por Flexo-Torsión
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexo-Torsión
Angulos dobles Espalda con Espalda y Secciones en T
• Fcry = Fcr de ecuación E3-2 o E3-3, con KL/r = KL/ry (y: eje de simetría)
Enfrentados• Mayor rigidez en y• Fácil manipulación• Fácil montaje• Menos arriostramiento• Fácil pintura
Espalda con Espalda
• Tradicional en EEUU• Fácil transporte• Permite diagonales en
ángulo sencillo
Angulos Dobles
Diseño de Miembros a CompresiónEsbeltez Modificada para Ángulos Dobles Distanciados
(Ref: Investigación Universidad Nacional – Sede Medellín)
++
+
+
=
bb
i
b
bi
ibm AL
anA
I
aLA
r
a
r
KL
r
KL32.5165.182.0
)1(
2
2
22
0 αα
a = distancia entre conectores, mmri = Radio mínimo de giro de un componente individual, mm
rib = Radio de giro de un componente individual relativo a su eje centroidal
paralelo al eje de pandeo del miembro, mmα = Relación de separación = h/(2rib)
h = Distancia entre los centroides de los componentes individuales, medida perpendicularmente al eje de pandeo del miembro, mmAi: = area de un ángulo, mm2
Lb : = longitud del conector medida entre los centroides de los ángulos, mm
Ib : = inercia del conector asociada a la flexión en el plano de los dos ángulos conectados, mm4
n: = factor de forma para deformaciones por cortante= 3.33 para conectores en perfil angular= 1.2 para conectores de sección rectangular= 1.11 para conectores circulares
Ab : área del conector, mm2
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Miembros a Compresión
Se introducen provisiones de diseño para ángulos sencillos a compresión.
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Ángulos Sencillos a Compresión
Usar ecuaciones de Pandeo Flexional bajo las siguientes condiciones:
• La carga es concéntrica, o
• se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones:– Miembros conectados por la misma aleta en ambos
extremos– Miembros conectados por soldadura o mínimo 2 pernos– No se aplican cargas transversales– Usar esbeltez modificada
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Local
El diseño para secciones con elementos esbeltos queda integrado en el numeral F.2.5
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Local
Las tablas para los límites de b/t para pandeo local aparecen ahora separadas para compresión y para flexión.
Así en las tablas para compresión sólo aparece ahora el límite λr.
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Local
Antes…
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo Local
Ahora.…
Diseño de Miembros a CompresiónPandeo por Flexión o por Flexo-TorsiónUsar QFy en lugar de Fy para miembros con elementos esbeltos
Diseño de Miembros a Compresión
Diseño de Miembros a Compresión
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Miembros a Flexión
RESISTENCIA NOMINAL:
Mn = según estado límite
RESISTENCIA DE DISEÑO:
Ø Rn = Øb Mn
Øb = 0.90
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Miembros a Flexión
Cambios a destacar:• Se unifica tratamiento para vigas en perfiles
laminados y en perfiles ensamblados.• Provisiones para ángulos sencillos a flexión• Provisiones para Perfiles Tubulares Estructurales
(PTE) a flexión• Nuevo tratamiento para aletas a tensión con
perforaciones.
Diseño de Miembros a FlexiónVigas en I de simetría doble y sección compacta
Canales de sección compactaFlexión alrededor del eje mayor
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Miembros a Flexión
Diseño de Miembros a Flexión
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Miembros a Cortante
Dos métodos para el cálculo de la resistencia:
• Sin utilizar la acción del campo tensionado
• Utilizando la acción del campo tensionado
Diseño de Miembros a Cortante
Diseño de Miembros a Flexión y Cortante
• Se remueve la distinción para Vigas Ensambladas (Plate Girders)
• Se incluyen ángulos sencillos y Perfiles Tubulares Estructurales
• Se integran las provisiones para almas no compactas y almas esbeltas
• Todas las provisiones para cortante quedan incluidas en el mismo capítulo
Diseño de Secciones Compuestas
• Valores revisados para conectores de cortante
• Øb para vigas aumenta de 0.85 a 0.90
• Nuevas provisiones para tensión y cortante• Nuevo enfoque para columnas compuestas
• Disminuye Øc para columnas
• Nuevo enfoque para la interacción
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Diseño de Conexiones
Cambios en especificación ANSI/AISC 360-05
• Se elimina requisito de mínima resistencia de la soldadura• Cálculo de resistencia para soldaduras que forman un ángulo con la carga.• Garganta efectiva para soldaduras acanaladas de penetración parcial.• Cálculo del resistencia al desgarramiento en bloque• Destijeres y perforaciones para acceso de soldadura
Diseño de Conexiones
(antes tamaño mínimo del filete basado en el mayor de los espesores a unir)
Perfiles Tubulares Estructurales (PTE)
• Totalmente reorganizado en ANSI/AISC 360-10, ampliamente ilustrado con esquemas.
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Estabilidad
Se deben tener en cuenta los siguientes efectos:
• Deformaciones de los miembros
• Deformaciones de la estructura
• Efectos P – Δ
• Efectos P – δ
• Imperfecciones Geométricas
• Esfuerzos residuales
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
EstabilidadEfectos P – Δ Efectos P – δ
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Estabilidad
El Método de Análisis Directo se convierte en el método básico para el análisis de la estabilidad, sin limitaciones en su aplicación.
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Estabilidad
Como métodos alternativos, sujetos a limitaciones en su aplicabilidad, quedan:
• Método de la Longitud Efectiva
• Método del Análisis de Primer Orden
Estabilidad
Método de Análisis Directo
• Aplicable a todo tipo de estructuras
• Para todos los sistemas– Pórticos arriostrados– Pórticos resistentes a momento
– Muros de cortante– Combinaciones de sistemas
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Método de Análisis Directo
El método implica:
• Cálculo de la resistencia requerida.
• Cálculo de la resistencia disponible.
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Método de Análisis Directo
• Requiere ejecutar un análisis de segundo orden que considere los efectos P – Δ y los efectos P – δ.
• Opciones:– Cualquier método general de análisis de segundo orden.– Análisis de segundo orden por amplificación de los
resultados de un análisis de primer orden (B1 – B2).
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Método de Análisis Directo
Para tener en cuenta la influencia del comportamiento inelástico en los efectos de segundo orden:
• Usar rigidez flexional reducida:EI* = 0.8τbEI
• Usar rigidez axial reducida:EA* = 0.8EA
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Método de Análisis Directo
Aplicar cargas virtuales, Ni, donde:
Ni = 0.002Yi
Yi = carga gravitacional total en el piso
(correspondiente a un desplome inicial de 1/500)
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Método de Análisis Directo
Una vez obtenidos los resultados de este análisis:
• Los miembros se diseñan con base en las provisiones para las respectivas solicitaciones.
• Los miembros a compresión se pueden diseñar con K = 1.0.
ASOCIACION COLOMBIANA DE INGENIERIA SISMICA
Aseguramiento y control de Calidad
• Antes conjuntamente con Fabricación y Montaje
• Ahora en numeral separado, con requerimientos específicos.
Fabricación y Montaje
Fabricación y Montaje
Fabricación y Montaje
Seis etapas en el desarrollo de un proyecto
….y algunos añaden una séptima etapa:¡Llegaron los planos!
¡Muchas gracias!
MAURICIO J. CASTROIngeniero Civil, Universidad del CaucaM.Sc. Rensselaer Polytechnic Institute
Industrias Ceno S.A.Escuela de Ingeniería de Antioquia