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El diseño de una cercha de acero conformado en frío, siguiendo los lineamientos de la american iron and steel institute (aisi). Se abordan aspectos como las generalidades, las cargas de diseño, el procedimiento de cálculo y el diseño de los diferentes elementos que componen la cercha, como la cuerda superior, la cuerda inferior, las diagonales y los montantes. Se utilizan los métodos de tensiones admisibles (asd) y de los factores de carga y resistencia (lrfd) para el diseño. El documento también incluye consideraciones especiales para el diseño de elementos de acero conformado en frío, como los fenómenos de pandeo y post pandeo, la rigidez torsional, la disposición de atiesadores, las propiedades de sección variables y las conexiones en planchas delgadas, entre otros aspectos. El documento podría ser útil para estudiantes y profesionales interesados en el diseño de estructuras de acero conformado en frío.
Tipo: Ejercicios
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“DISEÑO Y ENSAYO DE CERCHAS CON
PERFILES DE ACERO GALVANIZADO DE BAJO ESPESOR”
El objetivo de este trabajo es realizar el diseño de un módulo cerchas con perfiles de acero galvanizado de bajo espesor, poniendo énfasis en los fenómenos de inestabilidad y realizar un ensayo a la estructura para validar los resultados obtenidos en el diseño. El diseño de perfiles conformados en frío no ha sido un tema tratado en forma especifica y ya que en el ultimo tiempo se han introducido al mercado nuevas familias de perfiles mas livianos y esbeltos en nuestro país, como los perfiles galvanizados de bajo espesor, es necesario tener un manejo adecuado de las especificaciones de diseño y comprender los fenómenos de inestabilidad. En este trabajo se realizo un detallado diseño de un módulo de cerchas fabricadas con estos perfiles, el cual se desarrollo bajo el prisma de la AISI (American Iron and Steel Institute), además se recopilaron algunas de sus principales especificaciones. Luego del trabajo teórico se realizo un ensayo de verificación de diseño con el cual se pretende validar los resultados teóricos y observar el comportamiento de este tipo de material. Como conclusión se puede decir que es necesario contar con una normativa oficial en Chile, referente al diseño con perfiles galvanizados livianos. Por otro lado los resultados obtenidos en laboratorio fueron relativamente aceptables comparados con los teóricos, además teniendo en cuenta la relación resistencia-peso de este material podemos decir que es una gran alternativa para sistemas de techumbre.
En los últimos años el mercado del acero ha introducido nuevas familias de productos livianos y esbeltos conformados en frío, cuyo tratamiento de diseño requiere el manejo de los fenómenos de pandeo, además de un claro conocimiento de las especificaciones existentes siendo la mas importante la del AISI.
Los elementos de acero estructural conformados en frío son perfiles fabricados por doblado en plegadora a partir de tiras cortadas de planchas, o por conformado en rodillos a partir de bobinas de acero o planchas laminadas en frío o en caliente, siendo ambas operaciones realizadas a temperatura ambiente, esto es sin el agregado intencional de calor, tal como se requiere en el conformado en caliente.
Tradicionalmente los perfiles conformados en frío han sido de espesores entre 2 y 6 milímetros, no obstante se han acogido en forma muy exitosa los perfiles galvanizados ultra delgados que en espesores menores a 1 milímetro están siendo utilizados en aplicaciones semi industrializadas de muros, paneles y techumbres. Estos perfiles galvanizados de bajo espesor se utilizan principalmente como elementos resistentes primarios en construcciones menores y como elementos secundarios en edificios mayores, cordones y almas de vigas enrejadas también en estructuras estereométricas, pero su aplicación fundamental esta orientada a la construcción de viviendas en forma industrializada formando parte de la estructura completa de la vivienda o en forma parcial, siendo esto cerchas, techumbres, segundos pisos, mansardas, entrepisos, muros exteriores e interiores.
La construcción en base a perfiles galvanizados de bajo espesor tiene un desarrollo de más de 20 años en el mundo, en Chile se comenzó a introducir su uso a partir del año 1997 aproximadamente, pero no en forma masiva. Cintac S.A. como la empresa mas importante del mercado en la fabricación de productos de acero conformados en frío, fue la primera en introducir el sistema “Steel Framing” a Chile, que luego de llevarlo a la realidad nacional derivó en Metalcon ®, sistema constructivo que utiliza como base los perfiles de acero galvanizado de bajo espesor. Solo a comienzos
del año 2000 este sistema constructivo toma una parte del mercado de la construcción, siendo esta aun muy pequeña pero con grandes expectativas de desarrollo en Chile.
Los elementos conformados en frío en general son delgados, y presentan relaciones ancho espesor altas por lo cual se ocasionan fallas de inestabilidad o pandeo local a tensiones inferiores a las de fluencia. Existe un fenómeno llamado de post- pandeo, producto de la redistribución de las tensiones después del pandeo local y en general el diseño queda limitado a la falla del elemento estructural, pero el cálculo preciso de la capacidad debería considerar esta resistencia.
En este trabajo se pretende realizar el diseño y ensayo de un módulo cerchas estándar con perfiles de acero galvanizados de bajo espesor, el diseño con estos tipos de perfiles livianos esta gobernado por los fenómenos de inestabilidad que merece un tratamiento particular el cual se dará en este trabajo, esto según la perspectiva del código AISI. Posteriormente se realizara un ensayo del tipo verificación de diseño con el objetivo de validar los resultados obtenidos a través de los métodos de diseño y observar el comportamiento de los perfiles galvanizados de bajo espesor.
El diseño se desarrollo bajo el prisma de la American Iron and Steel Institute (AISI), institución que lidera las especificaciones para el diseño con elementos de acero conformado en frío, el cual en sus ultimas ediciones plantea un tratamiento integrado de los métodos de diseño, estos son Método de Tensiones Admisibles (ASD) y Método de los Factores de Carga y Resistencia (LRFD).
En una primera etapa se realizo un diseño riguroso y detallado del módulo de cerchas, siguiendo las especificaciones del código AISI, para esto se realizó una rutina de cálculo en el programa computacional Mathcad y luego de revisiones del diseño se procedió al dibujo de planos y detalles para su posterior fabricación en taller.
Se fabricó en taller un módulo de dos cerchas con perfiles galvanizados de bajo espesor que fue construidos según los métodos dados por el fabricante de estos perfiles estructurales, es decir mediante el Manual de Construcción con Acero Galvanizado Liviano de Metalcon[7], el cual es un sistema constructivo desarrollado por Cintac S.A., esta empresa es la mas importante de productos de acero conformados en frío de Chile y fue la primera en introducir el sistema “Steel Framing” que luego de llevarlo a la realidad nacional derivó en Metalcon.
Este modulo consiste en dos cerchas paralelas separadas a 60 centímetros y arriostradas en sentido transversal (cruces de San Andrés) para evitar pandeos en el eje débil de la cercha, ya que lo que nos interesa analizar son los elementos estructurales componentes de la cercha que trabajan bajo distintos tipos de esfuerzos, tanto como el comportamiento de la cercha en forma integral. Estas cerchas tienen una luz de 5.5 metros y fueron construidas con perfiles ultra delgados, los cuales tienen un espesor de 0.85 milímetros fabricados en acero ASTM A 653-97 grado 40[6], con una fluencia mínima de 2812 Kgf/cm^2 y un limite de ruptura de 3867 Kgf/cm^2 , el galvanizado es G90 esto es 275 gr/m^2 de zinc por ambos lados de la plancha. Las uniones se materializaron mediante tornillos auto perforantes.
Se realizaron ensayos de laboratorio del tipo verificación destructivos y mediante estos se analizaron sus capacidades de resistencia máximas, midiéndose deformaciones para incrementos de carga.
La totalidad de la experiencia se llevó a cabo en el “Laboratorio de Ensayo de Materiales de Construcción, L.E.M.C.O.”, dependiente del Instituto de Obras Civiles de la Universidad Austral de Chile, ubicado en el Campus Miraflores de esta institución.
El acero, a pesar de haber contribuido a la historia de la construcción durante más de 40 siglos, toma una influencia decisiva sólo a partir de 1872, momento en que se logra producirlo económica y controladamente. Luego el desarrollo vertiginoso de procedimientos científicos y tecnológicos en el área, han permitido que la industria siderúrgica llegue a constituir uno de los pilares fundamentales del desarrollo del mundo moderno.
Es así como la producción mundial de acero aumenta a un ritmo siempre creciente, adecuándose a las necesidades del hombre. Sin embargo, ya no se están construyendo plantas de gran capacidad en los centros siderúrgicos tradicionales como los de Alemania, Inglaterra y Estados Unidos, sino en lugares tan distantes como Arabia Saudita, Irán, República Sudafricana, Brasil, Venezuela y Chile..
Este desplazamiento geográfico en la producción mundial de acero que comenzó hace algunos años, no sólo se debe a razones económicas, como reducción de costos por transporte o instalación en áreas que dispongan a la vez de materia prima, energía y mano de obra, sino al creciente interés de los países emergentes por participar en la elaboración de sus materias primas, con el fin de satisfacer la demanda de acero para la instalación de sus nuevas industrias.
El aumento del consumo de Acero a lo largo del siglo XX es un fiel reflejo de la evolución en la utilización de nuevas tecnologías y materiales. Desde 1900 a 1999 el consumo aumentó de 28 millones de toneladas anuales a 780 millones de toneladas anuales. Esto determina un crecimiento promedio de 3,4 % anual a lo largo de 100 años. Así podemos decir que este fue el siglo del Acero, si tomamos en cuenta la evolución del Acero hacia el Acero Liviano Galvanizado y otras aleaciones, bien podríamos decir que el siglo XXI será el siglo del “Acero Inteligente”.
De esto se desprende que, en buena medida, la responsabilidad sobre el correcto uso del acero recae sobre los Ingenieros Civiles y Proyectistas Estructurales en la etapa de diseño, sobre las maestranzas y su personal en la etapa de fabricación y sobre los constructores en la etapa de construcción de una obra. Y para cumplir este compromiso, debemos esmerarnos en saber cada día más sobre este material tan útil cuando se aprovechan sus ventajas y controlan sus defectos.
Las propiedades mecánicas que nos interesan desde el punto de vista estructural son principalmente la tensión de fluencia, características tensión-deformación, módulo de elasticidad, módulo tangente y módulo de corte, ductilidad, soldabilidad, resistencia a la fatiga y resiliencia.
Tensión de fluencia: La tensión de fluencia varia en rangos desde Fy=24 KSI (1690 kg/cm^2 ) y Fy=80 KSI (5625 kg/cm^2 ).
Comportamiento Tensión-Deformación:
Ductilidad: Capacidad de la pieza y ensamble estructural para permitir trabajo inelástico sin ruptura, este concepto se aplica a las uniones y no a los elementos conformados.
Fatiga: Se entiende por fatiga al daño que puede producir ruptura de la estructura ó unión, debido a la frecuencia de fluctuaciones de tensiones a que esté sometida. La fatiga de material es importante en elementos sometidos a cargas cíclicas, repetitivas y vibraciones, el AISI no incorpora la fatiga en su especificación pero el fenómeno puede ser analizado por ensayos o por curvas de tensión versus ciclos del acero.
Resiliencia: Capacidad del acero para absorber energía sin fractura, se mide mediante el ensayo de Charpi, provisiones sísmicas del AISC exigen una resiliencia mínima para el acero.
Efecto de la Temperatura: Las propiedades mecánicas se obtienen en temperaturas normales de trabajo, para condiciones extremas se debe considerar la modificación de las propiedades, estas condiciones extremas son temperaturas menores a –30ºC y temperaturas mayores a 93ºC
2.2.1.- Influencia del Trabajo de deformaciones en frío.
El proceso de plegado en frío induce en las proximidades de las curvas un aumento de la tensión de fluencia y tensión de ruptura, y una disminución de la ductilidad.
Figura (2,1)
Utilización del Trabajo de Formado en frío:
Esto se permite únicamente en elementos compactos. Se debe cumplir Fu/Fy < 1.2 y R/t > 7 donde “R” es el radio interno de curvatura y “t” es el espesor de la placa, otra condición es que θ <= 120º [3]
Fya = CFyc+( 1 −C) Fyf ; Fyc =(BcR/·Fyt )m
m 0. (^192) FyFu 0. 068
Bc 3. (^69) FyFu 0. (^819) FyFu 1. 79
2
Donde: Fya = Tensión de fluencia sección total. Fyc =Tensión de fluencia media en las esquinas. Fyf = Tensión de fluencia media en zonas planas. C = Relación entre área esquina y área total.
admisibles, calculadas como las tensiones nominales divididas por el factor de seguridad. En el formato actual de las especificación para el método ASD se refiere a resistencias requeridas y admisibles, eliminándose las tensiones[14].
Esto se puede resumir en lo siguiente;
R Ra Ra Rn
Donde; R = Resistencia requerida. Ra = Resistencia admisible. Rn = Resistencia nominal. Ω =?Factor de seguridad.
Combinaciones de Cargas para el método ASD:
Donde ; D : Carga muerta. ( Dead Load) L : Carga viva. ( Live Load) Lr : Carga de techo. Rr : Carga de lluvia, excepto apozamiento. S : Carga de nieve. W : Carga de viento. E : Efecto sísmico.
2.3.2.- Método LRFD, Factores de Carga y Resistencia.
Método basado en factores probabilísticos para determinar las acciones que actúan en la estructura, y la resistencia o capacidad de sus elementos. Las incertezas y variabilidad de las cargas son consideradas mediante distintos factores de amplificación de cargas, al considerar la teoría de probabilidades, el diseño logra una mayor fiabilidad[10].
La especificación AISI se basa en estudios de la Universidad de Missouri-Rolla, dirigidos por el profesor Wei Wen-Yu, y con el apoyo de los creadores del método LRFD, T.V. Galambos y M.K. Ravindra como consultores externos[11].
El método de Factores de Carga y Resistencia dimensiona las estructuras de modo tal que no se sobrepase ningún estado límite aplicable cuando la estructura queda sujeta a las combinaciones de carga mayoradas. Los estados límites pueden ser de resistencia o de servicio, y aunque el método pone acento en los primeros también los segundos son importantes. Los valores que se establecen para las distintas cargas individuales que intervienen en las combinaciones son los especificados por las normas chilenas correspondientes o en las especificaciones especiales que se hayan desarrollado para un proyecto en particular[11].
Los factores de resistencia que se especifican en el método están basados en investigaciones sobre un gran universo de muestras de aceros norteamericanos, pero se ha considerado apropiado hacerlos extensivos a los aceros que se producen o se producirán en Chile y a los que se importan, para los cuales se especifica satisfacer las normas ASTM correspondientes[11]. Los valores de los factores de resistencia son los siguientes:
φt = 0.9 para fluencia en tracción. φt = 0.75 para rotura por tracción. φc = 0.85 para compresión. φb = 0.90 para flexión. φv = 0.90 para cizalle.
2.3.2.1.- Formato de Diseño para el método LRFD:
Es necesario verificar los estados límites de servicio, para el cuál la estructura o sus elementos fallarán o perderán la capacidad de cumplir su función. Los elementos límites de servicio a considerar en el diseño de elementos formados en frío son:
Donde : a = Factor que toma en cuenta la probabilidad de ocurrencia simultánea de Lc y E. D = Peso propio de los elementos estructurales y otras cargas permanentes. E = Carga de sismo, definida de acuerdo a la norma NCh 433. Eh = Carga sísmica horizontal, definida de acuerdo a NCh 2369. Ev = Carga sísmica vertical, definida de acuerdo a NCh 2369. L = Sobrecarga de uso debida a equipos móviles. La = Sobrecarga accidental de operación en estructuras industriales. Lc = Sobrecarga normal de operación en estructuras industriales. Lo = Sobrecarga especial de operación en estructuras industriales. Lr = Sobrecarga de techo. R = Carga inicial de lluvia o granizo, sin incluir apozamiento. S = Carga de nieve. W = Carga de viento.
2.4.1.- Generalidades.
Los elementos conformados en frío en general son delgados, y presentan relaciones ancho espesor altas y fallas de inestabilidad o pandeo local a tensiones inferiores a las de fluencia. Existe resistencia de post-pandeo producto de la redistribución de tensiones después del pandeo local. En general el diseño queda limitado a la falla, pero un cálculo preciso de la capacidad debería considerar esta resistencia.
2.4.2.- Definiciones.
Elementos atiesados o parcialmente atiesados en compresión: Elementos planos uniformemente comprimidos cuyos bordes paralelos a la dirección del esfuerzo se encuentran rigidizados por un alma, ala, pestaña atiesadora, atiesadores intermedios o equivalentes[11].
Elementos NO atiesados en compresión: Elementos planos uniformemente comprimidos rigidizados por un alma, ala pestaña atiesadora, atiesadores intermedios o equivalentes en un solo borde[11].
Elemento atiesado múltiple: Es un elemento que se encuentra atiesado entre almas, o entre alma y atiesador extremo, o atiesadores intermedios[11].
Ancho plano, w: En el diseño de elementos conformados, corresponde a la porción plana de un elemento que no incluye la porción curva del pliegue[11].
Relación ancho plano – espesor: Es la relación entre el ancho plano de una porción de elemento al espesor de este. (w/e)[11].
Ancho efectivo de diseño, b: Corresponde a un ancho reducido, para determinar las propiedades de diseño del elemento cuando la relación ancho espesor excede cierto límite[11].
Espesor, t: Corresponde al espesor del metal base del elemento conformado[11].
2.4.3.- Inestabilidad de Elementos Planos.
La estabilidad de estos “Elementos Planos” corresponde a un problema de inestabilidad de placas, cuya tensión crítica no necesariamente es mayor que la tensión crítica que define la estabilidad global del perfil. Ello dependerá de la esbeltez de las placas que conforman el perfil y de sus condiciones de borde.
Es necesario conocer y cuantificar este fenómeno a fin de controlarlo en el diseño ya sea por razones estéticas funcionales o bien porque puede comprometer la resistencia de la estructura.
Desde el punto de vista teórico, la ecuación que gobierna el fenómeno de inestabilidad en placas es:
