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DISEÑODEESTRUCTURASDEACERO
QUINTA EDICIÓN
JACK C. McCORMAC
STEPHEN F
. CSERNAK
Al cuidado de la edición:
Luz Ángeles Lomelí Díaz
lalomeli@alfaomega.com.mx
Gerente Editorial:
Marcelo Grillo Giannetto
mgrillo@alfaomega.com.mx
Datos catalográficos
McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F.
Diseño de Estructuras de Acero.
Quinta Edición
Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México
ISBN: 978 607 707 559 2
Formato: 17 ⫻ 23 cm Páginas: 736
Diseño de Estructuras de Acero.
Jack C. McCormac, Stephen F. Csernak.
ISBN: 978- 0-13- 607948-4 edición original en inglés “Structural Steel Design”, Fifth Edition, publicada
por Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey, USA.
Derechos reservados © Pearson Education, Inc.
Quinta edición:Alfaomega Grupo Editor, México, Diciembre 2012
© 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.
Pitágoras No. 1139, Col. Del Valle, 03100, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana
Registro No. 2317
Página Web: http://www.alfaomega.com.mx
E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx
ISBN: 978 607 707 559 2
Derechos reservados:
Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han
sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin
permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright.
NOTA IMPORTANTE:
La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está
previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas
incluidos han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de
control.ALFAOMEGA GRUPO EDITOR S.A de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores
u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este
libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele.
Impreso en México. Printed in Mexico.
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Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – General del Canto 370, Providencia, Santiago, Chile
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Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. Of.11, C.P. 1057,
Buenos Aires,Argentina,Tel/Fax.: (54-11) 4811-0887/ 7183, E-mail: ventas@alfaomegaeditor.com.ar
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
Prefacio
Este libro de texto se ha preparado con la esperanza de que los lectores, al igual que muchos
ingenieros en el pasado, se interesen en el diseño de las estructuras de acero y tengan la in-
tención de mantener e incrementar su conocimiento de la materia a lo largo de sus carreras
en la ingeniería y en las industrias de la construcción. El material se preparó primordialmen-
te para un curso introductorio en el primero y segundo años de la carrera, pero los últimos
capítulos se pueden usar para un curso de posgrado. Los autores esperan que el estudiante
haya tomado cursos introductorios previos de mecánica de materiales y de análisis estruc-
tural.
El principal objetivo de los autores en la preparación de esta nueva edición fue actua-
lizar el texto conforme a la Specification for Structural Steel Buildings de 2010 (Especifica-
ción para edificios de acero estructural de 2010) delAmerican Institute of Steel Construction
(AISC) y conforme a la 14a. edición del AISC Steel Construction Manual (Manual de cons-
trucción en acero del AISC) que se publicó en 2011.
LO QUE ES NUEVO EN ESTA EDICIÓN
En esta edición se hicieron varios cambios en el texto del libro:
1. Al final del Capítulo 1 se ha agregado una sección de Problemas para resolver.
2. Los factores de carga y las combinaciones de carga que se definen en el Capítulo 2
del libro de texto y que se usan a lo largo del mismo en los problemas de ejemplo
y en los problemas para resolver al final de los capítulos, se han revisado para que
concuerden con aquellos dados en el Apartado 7-10 de ASCE y en la Parte 2 del
Manual de construcción de acero del AISC.
3. La clasificación de las secciones en compresión para el pandeo local que se definen
en el Capítulo 5 del libro de texto se ha revisado conforme a la nueva definición
dada en la Sección B4.1 de la Especificación delAISC.Para la compresión,ahora las
secciones se clasifican como secciones de elemento no esbelto y elemento esbelto.
4. La Especificación del AISC proporciona varios métodos para tratar el análisis de
estabilidad y el diseño de las vigas-columnas. En el Capítulo 7 del libro de texto,
todavía se usa el Método de la longitud efectiva (MLE), aun cuando se ha añadido
una breve introducción al Método del análisis directo (MD). Se presenta un estudio
más detallado del MD en el Capítulo 11 del libro.
5. En el Capítulo 11 del libro de texto, se presentan tanto el Método del análisis directo
como el Método de la longitud efectiva para el análisis y el diseño de las vigas-colum-
nas. Esto es para solventar el hecho de que la presentación del Método del análisis
directo se pasó de un apéndice al Capítulo C de la nueva Especificación el AISC,
mientras que el Método de la longitud efectiva se pasó del Capítulo C al Apéndice 7.
6. Se ha revisado la mayoría de los Problemas para resolver al final de los capítulos en
los Capítulos 2 al 11. Para los Capítulos 12 al 18 se ha revisado aproximadamente
la mitad de los problemas.
7. Se han actualizado diversas fotografías a lo largo del libro de texto.
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
iv Prefacio
RECURSOS DEL PROFESOR
• Manual de soluciones. Aquí se encuentran las soluciones de problemas propues-
tos en 18 capítulos de la obra.
• Figuras en formato PowerPoint. Se encuentran las figuras de todos los capítulos
y apéndices del texto, para la creación de diapositivas para clases y conferencias.
Este material sólo podrá ser descargado por los profesores que hayan adoptado el
libro como texto para sus cursos y para lo cual deberán ponerse en contacto con un repre-
sentante de Alfaomega Grupo Editor.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar su agradecimiento al Dr. Bryant G. Nielson de la Universidad
Clemson por su ayuda para plantear los cambios de este manuscrito y a Sara Elise Roberts,
quien fue estudiante de posgrado de la Universidad Clemson por su ayuda en la revisión
de los problemas al final de los capítulos y sus soluciones. Además, el American Institute
of Steel Construction prestó una ayuda muy valiosa al proveer ejemplares inéditos de las
revisiones de la Especificación del AISC y del Manual de construcción en acero del AISC.
Finalmente, nos gustaría agradecer a nuestras familias por su aliento y apoyo en la revisión
del manuscrito de este libro de texto.
También agradecemos a los revisores y a los lectores de las ediciones anteriores de
este libro por sus sugerencias, correcciones y observaciones. Damos la bienvenida a cual-
quier comentario acerca de esta edición.
Jack C. McCormac, P. E.
Stephen F. Csernak, P. E.
El libro contiene los siguientes recursos en la web:
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
Contenido
Prefacio iii
CAPÍTULO 1 Introducción al diseño estructural en acero 1
1.1 Ventajas del acero como material estructural 1
1.2 Desventajas del acero como material estructural 3
1.3 Primeros usos del hierro y el acero 4
1.4 Perfiles de acero 7
1.5 Unidades métricas 12
1.6 Perfiles de lámina delgada de acero doblados en frío 12
1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 13
1.8 Aceros estructurales modernos 19
1.9 Uso de los aceros de alta resistencia 22
1.10 Medición de la tenacidad 24
1.11 Secciones jumbo 26
1.12 Desgarramiento laminar 26
1.13 Suministro de estructuras de acero 27
1.14 El trabajo del diseñador estructural 30
1.15 Responsabilidades del ingeniero estructurista 31
1.16 Diseño económico de miembros de acero 31
1.17 Fallas en estructuras 34
1.18 Manejo y embarque del acero estructural 37
1.19 Exactitud de los cálculos 37
1.20 Las computadoras y el diseño del acero estructural 37
1.21 Problemas para resolver 39
CAPÍTULO 2 Especificaciones, cargas y métodos de diseño 39
2.1 Especificaciones y códigos de construcción 39
2.2 Cargas 41
2.3 Cargas muertas 41
2.4 Cargas vivas 42
vi Contenido
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
2.5 Cargas ambientales 45
2.6 Diseño con factores de carga y resistencia (LRFD)
y diseño por esfuerzos permisibles (ASD) 51
2.7 Resistencia nominal 52
2.8 Sombreado 52
2.9 Cálculo de las cargas para los métodos LRFD y ASD 52
2.10 Cálculo de las cargas combinadas con las expresiones
de LRFD 53
2.11 Cálculo de cargas combinadas con expresiones ASD 57
2.12 Dos métodos para obtener un nivel aceptable de seguridad 59
2.13 Estudio de la magnitud de los factores de carga y de seguridad 59
2.14 Un comentario del autor 60
2.15 Problemas para resolver 60
CAPÍTULO 3 Análisis de miembros a tensión 62
3.1 Introducción 62
3.2 Resistencia nominal de los miembros a tensión 65
3.3 Áreas netas 67
3.4 Efecto de agujeros alternados 69
3.5 Áreas netas efectivas 74
3.6 Elementos de conexión para miembros a tensión 84
3.7 Bloque de cortante 85
3.8 Problemas para resolver 94
CAPÍTULO 4 Diseño de miembros a tensión 103
4.1 Selección de perfiles 103
4.2 Miembros compuestos sometidos a tensión 111
4.3 Varillas y barras 115
4.4 Miembros conectados por pasadores 120
4.5 Diseño por cargas de fatiga 122
4.6 Problemas para resolver 125
CAPÍTULO 5 Introducción a los miembros cargados axialmente a compresión 129
5.1 Consideraciones generales 129
5.2 Esfuerzos residuales 132
5.3 Perfiles usados para columnas 133
5.4 Desarrollo de las fórmulas para columnas 137
5.5 La fórmula de Euler 139
5.6 Restricciones en los extremos y longitud efectiva
de una columna 141
5.7 Elementos rigidizados y no rigidizados 144
5.8 Columnas largas, cortas e intermedias 145
5.9 Fórmulas para columnas 148
Contenido vii
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
5.10 Relaciones de esbeltez máximas 150
5.11 Problemas de ejemplo 150
5.12 Problemas para resolver 158
CAPÍTULO 6 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión 163
6.1 Introducción 163
6.2 Tablas de diseño según el AISC 166
6.3 Empalmes de columnas 171
6.4 Columnas compuestas 174
6.5 Columnas compuestas con componentes
en contacto entre sí 175
6.6 Requisitos de conexión en columnas armadas
cuyas componentes están en contacto 176
6.7 Columnas compuestas con componentes
sin contacto entre sí 182
6.8 Miembros en compresión de un solo ángulo 187
6.9 Secciones que contienen elementos esbeltos 189
6.10 Pandeo flexotorsional de miembros a compresión 191
6.11 Problemas para resolver 196
CAPÍTULO 7 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión (continuación)
y placas de base para columnas 200
7.1 Introducción 200
7.2 Una exposición más amplia de las longitudes efectivas 201
7.3 Marcos que cumplen con las hipótesis de los nomogramas 205
7.4 Marcos que no cumplen con las hipótesis de los nomogramas
con respecto a los giros de los nudos 208
7.5 Factores de reducción de la rigidez 211
7.6 Diseño en un plano de columnas apoyadas entre sí 215
7.7 Placas base para columnas cargadas concéntricamente 218
7.8 Problemas para resolver 232
CAPÍTULO 8 Introducción al estudio de vigas 237
8.1 Tipos de vigas 237
8.2 Perfiles usados como vigas 237
8.3 Esfuerzos de flexión 238
8.4 Articulaciones plásticas 239
8.5 Diseño elástico 240
8.6 El módulo plástico 240
8.7 Teoría del análisis plástico 243
8.8 El mecanismo de falla 244
8.9 El método del trabajo virtual 245
viii Contenido
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
8.10 Localización de la articulación plástica para cargas uniformes 249
8.11 Vigas continuas 250
8.12 Marcos de edificios 252
8.13 Problemas para resolver 254
CAPÍTULO 9 Diseño de vigas por momentos 263
9.1 Introducción 263
9.2 Comportamiento plástico – momento plástico total, zona 1 266
9.3 Diseño de vigas, zona 1 267
9.4 Soporte lateral de vigas 275
9.5 Introducción al pandeo inelástico, zona 2 277
9.6 Capacidad por momento, zona 2 281
9.7 Pandeo elástico, zona 3 283
9.8 Gráficas de diseño 285
9.9 Secciones no compactas 290
9.10 Problemas para resolver 295
CAPÍTULO 10 Diseño de vigas: temas diversos (cortante, deflexión, etcétera) 302
10.1 Diseño de vigas continuas 302
10.2 Fuerza y esfuerzo cortante 304
10.3 Deflexiones 310
10.4 Almas y patines con cargas concentradas 316
10.5 Flexión asimétrica 324
10.6 Diseño de largueros 327
10.7 El centro de cortante 330
10.8 Placas de asiento para vigas 335
10.9 Arriostramiento lateral de los extremos de miembros
soportados sobre placas de asiento 339
10.10 Problemas para resolver 340
CAPÍTULO 11 Flexión y fuerza axial 346
11.1 Sitio de incidencia 346
11.2 Miembros sujetos a flexión y tensión axial 347
11.3 Momentos de primer y segundo orden para miembros
sometidos a compresión axial y flexión 350
11.4 Método del análisis directo (DM) 352
11.5 Método de la longitud efectiva (ELM) 353
11.6 Análisis aproximado de segundo orden 354
11.7 Vigas–columnas en marcos arriostrados 359
11.8 Vigas–columnas en marcos no arriostrados 371
11.9 Diseño de vigas–columnas; arriostradas y sin arriostrar 378
11.10 Problemas para resolver 386
Contenido ix
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
CAPÍTULO 12 Conexiones atornilladas 390
12.1 Introducción 390
12.2 Tipos de tornillos 390
12.3 Historia de los tornillos de alta resistencia 391
12.4 Ventajas de los tornillos de alta resistencia 392
12.5 Tornillos apretados sin holgura, pretensionados y de fricción 392
12.6 Métodos para tensar completamente los tornillos
de alta resistencia 396
12.7 Conexiones tipo fricción y tipo aplastamiento 398
12.8 Juntas mixtas 399
12.9 Tamaños de los agujeros para tornillos 400
12.10 Transmisión de carga y tipos de juntas 401
12.11 Fallas en juntas atornilladas 404
12.12 Separación y distancias a bordes de tornillos 405
12.13 Conexiones tipo aplastamiento: cargas que pasan
por el centro de gravedad de las conexiones 408
12.14 Conexiones tipo fricción: cargas que pasan
por el centro de gravedad de las conexiones 419
12.15 Problemas para resolver 423
CAPÍTULO 13 Conexiones atornilladas cargadas excéntricamente y notas
históricas sobre los remaches 430
13.1 Tornillos sujetos a corte excéntrico 430
13.2 Tornillos sujetos a corte y tensión
(conexiones tipo aplastamiento) 444
13.3 Tornillos sujetos a corte y tensión
(conexiones de fricción) 447
13.4 Cargas de tensión en juntas atornilladas 448
13.5 Acción separadora 451
13.6 Notas históricas sobre los remaches 454
13.7 Tipos de remaches 455
13.8 Resistencia de conexiones remachadas: remaches
en cortante y aplastamiento 457
13.9 Problemas para resolver 461
CAPÍTULO 14 Conexiones soldadas 469
14.1 Generalidades 469
14.2 Ventajas de la soldadura 470
14.3 Sociedad Americana de Soldadura 471
14.4 Tipos de soldadura 471
14.5 Soldadura precalificada 475
14.6 Inspección de la soldadura 475
x Contenido
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
14.7 Clasificación de las soldaduras 478
14.8 Símbolos para soldadura 480
14.9 Soldaduras de ranura 482
14.10 Soldaduras de filete 484
14.11 Resistencia de las soldaduras 485
14.12 Requisitos del AISC 486
14.13 Diseño de soldaduras de filete simples 491
14.14 Diseño de conexiones para miembros con soldaduras
de filete longitudinal y transversal 497
14.15 Algunos comentarios diversos 498
14.16 Diseño de soldaduras de filete para miembros de armaduras 499
14.17 Soldaduras de tapón y de muesca 503
14.18 Cortante y torsión 506
14.19 Cortante y flexión 513
14.20 Soldaduras de ranura de penetración completa
y de penetración parcial 515
14.21 Problemas para resolver 519
CAPÍTULO 15 Conexiones en edificios 528
15.1 Selección del tipo de sujetador 528
15.2 Tipos de conexiones para vigas 529
15.3 Conexiones estándar de vigas atornilladas 536
15.4 Tablas de conexiones estándar del manual AISC 539
15.5 Diseño de conexiones estándar atornilladas a base de ángulos 539
15.6 Diseño de conexiones estándar soldadas 542
15.7 Conexiones a base de una sola placa o de placa de cortante 544
15.8 Conexiones con placa de extremo de cortante 547
15.9 Diseño de conexiones soldadas de asiento para vigas 548
15.10 Diseño de conexiones para viga de asiento atiesado 550
15.11 Diseño de conexiones resistentes a momento totalmente
restringido 551
15.12 Atiesadores de almas de columnas 555
15.13 Problemas para resolver 558
CAPÍTULO 16 Vigas compuestas 562
16.1 Construcción compuesta 562
16.2 Ventajas de la construcción compuesta 563
16.3 Estudio del apuntalamiento 565
16.4 Anchos efectivos de patines 566
16.5 Transmisión de la fuerza cortante 567
16.6 Vigas parcialmente compuestas 570
16.7 Resistencia de los conectores de cortante 570
Contenido xi
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
16.8 Número, espaciamiento y requerimientos de recubrimiento
de los conectores de cortante 571
16.9 Capacidad por momento de las secciones compuestas 573
16.10 Deflexiones 578
16.11 Diseño de secciones compuestas 579
16.12 Secciones compuestas continuas 588
16.13 Diseño de secciones ahogadas en concreto 589
16.14 Problemas para resolver 592
CAPÍTULO 17 Columnas compuestas 596
17.1 Introducción 596
17.2 Ventajas de las columnas compuestas 597
17.3 Desventajas de las columnas compuestas 599
17.4 Soporte lateral 599
17.5 Especificaciones para columnas compuestas 600
17.6 Resistencias de diseño de columnas compuestas
cargadas axialmente 602
17.7 Resistencia al cortante de las columnas compuestas 607
17.8 Tablas de los métodos LRFD y ASD 608
17.9 Transmisión de la carga a la cimentación y otras conexiones 609
17.10 Resistencia a la tensión de las columnas compuestas 610
17.11 Carga axial y flexión 610
17.12 Problemas para resolver 610
CAPÍTULO 18 Vigas con cubreplacas y trabes armadas 613
18.1 Vigas con cubreplacas 613
18.2 Trabes armadas 616
18.3 Proporciones de las trabes armadas 618
18.4 Resistencia a la flexión 624
18.5 Acción de tensión diagonal 629
18.6 Diseño de atiesadores 634
18.7 Problemas para resolver 640
CAPÍTULO 19 Diseño de edificios de acero 642
19.1 Introducción a edificios de poca altura 642
19.2 Tipos de estructuras de acero utilizadas para edificios 642
19.3 Diferentes sistemas de piso 646
19.4 Losas de concreto sobre viguetas de acero de alma abierta 647
19.5 Losas de concreto reforzadas en una y en dos direcciones 650
19.6 Pisos compuestos 651
19.7 Pisos de losa reticular 652
19.8 Pisos con tableros de acero 653
19.9 Losas planas 655
xii Contenido
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
19.10 Pisos de losas precoladas 656
19.11 Tipos de cubiertas para techos 658
19.12 Muros exteriores y muros interiores divisorios 659
19.13 Protección del acero estructural contra el fuego 659
19.14 Introducción a edificios de gran altura 660
19.15 Estudio de fuerzas laterales 662
19.16 Tipos de contraventeo lateral 663
19.17 Análisis de edificios con contraventeo diagonal
para fuerzas laterales 669
19.18 Juntas resistentes a momento 671
19.19 Diseño de edificios por cargas gravitacionales 672
19.20 Diseño de miembros 676
APÉNDICE A Deducción de la fórmula de Euler 677
APÉNDICE B Elementos esbeltos a compresión 679
APÉNDICE C Pandeo flexotorsional de miembros a compresión 682
APÉNDICE D Placas de base resistentes a momento de columnas 688
APÉNDICE E Encharcamiento 697
GLOSARIO 702
ÍNDICE 708
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1
C A P Í T U L O 1
Introducción al diseño
estructural en acero
1.1 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Una persona que viaje por Estados Unidos podría concluir que el acero es el material estruc-
tural perfecto; vería un sinfín de puentes, edificios, torres y otras estructuras de este material.
Después de ver estas numerosas estructuras metálicas, se sorprendería al saber que el acero
no se fabricó económicamente en Estados Unidos sino hasta finales del siglo xix, y que las
primeras vigas de patín ancho no se laminaron sino hasta 1908.
La supuesta perfección de este metal, tal vez el más versátil de todos los materiales
estructurales, parece más razonable cuando se considera su gran resistencia, poco peso, fa-
cilidad de fabricación y otras propiedades convenientes. Éstas y otras ventajas del acero
estructural se analizarán con más detalle en los párrafos siguientes.
1.1.1 Alta resistencia
La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso
de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos
y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación.
1.1.2 Uniformidad
Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como es el caso de las
estructuras de concreto reforzado.
1.1.3 Elasticidad
El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría
de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los
momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tan-
to que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente
imprecisos.
2 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
1.1.4 Durabilidad
Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. In-
vestigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se
requiere ningún mantenimiento a base de pintura.
1.1.5 Ductilidad
La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar grandes deformaciones sin
fallar bajo esfuerzos de tensión altos. Cuando se prueba a tensión un acero dulce o con bajo
contenido de carbono, ocurre una reducción considerable de la sección transversal y un gran
alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no
tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y probablemente será duro y frágil y se
romperá al someterlo a un golpe repentino.
En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concen-
traciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales co-
munes les permite fluir localmente en esos puntos, evitándose así fallas prematuras. Una
ventaja adicional de las estructuras dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones
ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla (algunas veces denominada en son de
broma como “cuenta regresiva”).
1.1.6 Tenacidad
Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro
de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aun capaz de resistir
grandes fuerzas. Ésta es una característica muy importante porque implica que los miembros
Montaje de viguetas de acero. (Cortesía de Vulcraft.)
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.2 Desventajas del acero como material estructural 3
de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin
fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparen-
te. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina
tenacidad.
1.1.7 Ampliaciones de estructuras existentes
Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden añadir
nuevas crujías e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se
pueden ampliar los puentes de acero.
1.1.8 Propiedades diversas
Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir
diversos miembros por medio de varios tipos de conexión simple, como son la soldadura y
los pernos; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) capacidad
para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas, como se describe en la Sección 1.4
de este capítulo; e) es posible utilizarlo nuevamente después de desmontar una estructura; y
f) posibilidad de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente.
El acero es el material reciclable por excelencia.
1.2 DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
En general, el acero tiene las siguientes desventajas:
1.2.1 Corrosión
La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al
agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros in-
temperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo.
Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones
para limitar la corrosión, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas
situaciones, la corrosión puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosión-
fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cíclicos y a ambientes
corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciable-
mente cuando los miembros se usan en ambientes químicos agresivos y sometidos a cargas
cíclicas.
El lector debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un
componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabri-
cación del acero.
1.2.2 Costo de la protección contra el fuego
Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen consi-
derablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros
materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en in-
muebles vacíos en los que el único material combustible es el mismo inmueble. Además, el
acero es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin pro-
tección pueden transmitir suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de
un edificio a secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En
consecuencia, la estructura de acero de un edificio debe protegerse mediante materiales
4 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
con ciertas características aislantes, y el edificio deberá acondicionarse con un sistema de
rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del código de construcciones de la
localidad en que se halle.
1.2.3 Susceptibilidad al pandeo
Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de
pandeo. En la mayoría de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy económico
debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional, se
necesita algún acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto tiende a reducir
su economía.
1.2.4 Fatiga
Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si se so-
mete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran número de
cambios en la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se tienen problemas de fatiga sólo cuando
se presentan tensiones.) En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales
miembros, si se sabe de antemano que estarán sometidos a un número mayor de ciclos de
esfuerzo variable, que cierto número límite.
1.2.5 Fractura frágil
Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frágil puede ocu-
rrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas
temperaturas agravan la situación. Las condiciones de esfuerzo triaxial también pueden con-
ducir a la fractura frágil.
1.3 PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y EL ACERO
Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algún tipo de
aleación de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estaño y algunos otros aditi-
vos), los avances más importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fabrica-
ción y uso del hierro y de su famosa aleación llamada acero.Actualmente el hierro y el acero
comprenden casi el 95% en tonelaje de todos los metales producidos en el mundo.1
A pesar de los esfuerzos de los arqueólogos durante muchas décadas, no ha sido po-
sible descubrir cuándo se usó el hierro por primera vez. Los arqueólogos encontraron una
daga y un brazalete de hierro en la Gran Pirámide de Egipto y afirman que la edad de éstos
era por lo menos de 5 000 años. El uso del hierro ha tenido una gran influencia en el avance
de la civilización desde los tiempos más remotos y probablemente la seguirá teniendo en los
siglos venideros. Desde el principio de la Edad de Hierro, alrededor del año 1 000 a.C., el
progreso de la civilización en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre
ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de
enfrentamientos militares. Por ejemplo, durante la Batalla de Maratón en Grecia, en el año
490 a.C., los atenienses, con una inferioridad numérica, mataron a 6 400 persas y perdieron
sólo a 192 de sus hombres. Cada uno de los soldados victoriosos llevaba 57 libras de arma-
dura de hierro durante la batalla. (Fue en ésta en la que Feidípides corrió aproximadamente
40 km hasta Atenas, muriendo al llegar después de anunciar la victoria.) Esta batalla supues-
tamente salvó a la civilización griega durante muchos años.
1
American Iron and Steel Institute, The Making of Steel (Washington, DC, sin fecha), p. 6.
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.3 Primeros usos del hierro y el acero 5
Según la teoría clásica sobre la primera producción de hierro en el mundo, hubo una
vez un gran incendio forestal en el Monte Ida en la antigua Troya (la actual Turquía) cerca
del Mar Egeo. Supuestamente, el terreno era muy rico en depósitos ferrosos y el calor del
fuego produjo una forma primitiva de hierro a la que se le pudo dar diversas formas, al mar-
tillarla. Sin embargo, muchos historiadores creen que el hombre aprendió a usar primero el
hierro que cayó a la Tierra en forma de meteoritos. Con frecuencia, el hierro de los meteo-
ritos está combinado con níquel, resultando entonces un metal más duro. Posiblemente los
primeros pobladores del planeta forjaron este material para convertirlo en armas y herra-
mientas primitivas.
El acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de carbo-
no, generalmente menos del 1%. También contiene pequeños porcentajes de algunos otros
elementos.Aunque se ha fabricado acero desde hace 2 000 o 3 000 años, no existió realmente
un método de producción económico sino hasta la mitad del siglo xix.
El mástil de amarre del edificio Empire State, ciudad de Nueva York. (Cortesía
de Getty Images/Hulton Archive Photos.)
6 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
El primer acero seguramente se obtuvo cuando los otros elementos necesarios para
producirlo se encontraron presentes por accidente cuando se calentaba el hierro. Con el paso
de los años, el acero se fabricó muy probablemente calentando hierro en contacto con carbón
vegetal. La superficie del hierro absorbió algo de carbono del carbón vegetal que luego se
martilló en el hierro caliente.Al repetir este proceso varias veces, se obtuvo una capa exterior
endurecida de acero.De esta manera se produjeron las famosas espadas deToledo y Damasco.
El primer proceso para producir acero en grandes cantidades fue bautizado en honor
de Sir Henry Bessemer de Inglaterra. Recibió una patente inglesa para su proceso en 1855,
pero sus esfuerzos para conseguir una patente en Estados Unidos en 1856 no tuvieron éxito,
ya que se demostró que William Kelly de Eddyville, Kentucky, había producido acero me-
diante el mismo proceso siete años antes de que Bessemer solicitara su patente inglesa. Kelly
recibió la patente, pero se usó el nombre de Bessemer para el proceso.2
Kelly y Bessemer se percataron de que un chorro de aire a través del hierro fundi-
do quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente, también el
chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el carbono y el manganeso.
Después se aprendió que esos elementos podían restituirse añadiendo hierro especular, que
es una aleación de hierro, carbono y manganeso. Se aprendió además que al agregar piedra
caliza en el convertidor, podía removerse el fósforo y la mayor parte del azufre.
Antes de que fuese desarrollado el proceso Bessemer, el acero era una aleación costo-
sa usada principalmente para fabricar cuchillos, tenedores, cucharas y ciertos tipos de herra-
mientas de corte. El proceso Bessemer redujo los costos de producción por lo menos en un
80% y permitió por primera vez la producción de grandes cantidades de acero.
El convertidor Bessemer se uso en Estados Unidos hasta principios de este siglo, pero
desde entonces se ha reemplazado con mejores métodos como el proceso de solera abierta y
el de oxígeno básico.
Gracias al proceso Bessemer, en 1870 ya se podía producir en grandes cantidades ace-
ro estructural al carbono, y por 1890 el acero era el principal metal estructural usado en
Estados Unidos.
Actualmente, la mayor parte de los perfiles y las placas de acero estructural que se
producen en Estados Unidos se hacen fundiendo la chatarra de acero. Ésta se obtiene de
automóviles viejos y de la chatarra de los perfiles estructurales, así como de refrigeradores,
motores, máquinas de escribir, resortes de camas y otros artículos similares de desecho. El
acero fundido se vierte en moldes que tienen aproximadamente las formas finales de los
miembros. Las secciones resultantes, que se hacen pasar por una serie de rodillos para com-
primirlos hasta su forma final, tienen mejor superficie y menores esfuerzos residuales que el
acero recién hecho.
Los perfiles se pueden procesar más mediante el rolado en frío, la aplicación de di-
versos recubrimientos, y tal vez mediante el proceso de recocido. Mediante este proceso,
el acero se calienta a un rango intermedio de temperatura (por ejemplo, 1 300-1 400 °F), se
le mantiene a esta temperatura por varias horas, y luego se le deja enfriar lentamente a la
temperatura ambiente. El recocido conduce a un acero que tiene menor dureza y fragilidad,
pero mayor ductilidad.
El término hierro dulce se refiere al hierro con un contenido muy bajo de carbono
(ⱕ 0.15%), mientras que al hierro con un contenido muy alto de carbono (ⱖ 2%) se le llama
hierro colado. Los aceros se encuentran entre el hierro colado y el hierro dulce y tienen un
contenido de carbón en el rango de 0.15% al 1.7% (como se verá en la Sección 1.8 de este
capítulo).
2
American Iron and Steel Institute, Steel 76 (Washington, DC, 1976), pp. 5-11.
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.4 Perfiles de acero 7
El primer uso del metal para una estructura grande tuvo lugar en Shropshire, Ingla-
terra (aproximadamente a 140 millas al noroeste de Londres) en 1779, ahí se construyó con
hierro colado el puente Coalbrookdale en forma de arco de 100 pies de claro sobre el Río
Severn. Se dice que este puente (que aún está en pie) fue un hito en la historia de la ingenie-
ría porque cambió el curso de la Revolución Industrial al introducir al hierro como material
estructural. Supuestamente este hierro era cuatro veces más fuerte que la piedra y treinta
veces más que la madera.3
Muchos otros puentes de hierro colado se construyeron en las décadas siguientes, pero
después de 1840 el hierro dulce (más maleable) comenzó a reemplazar al hierro colado.El de-
sarrollo del proceso Bessemer y los avances subsecuentes, como el proceso de solera abierta,
permitió la fabricación de acero a precios competitivos, lo que estimuló el casi increíble
desarrollo del acero estructural que ha tenido lugar en los últimos 120 años.
1.4 PERFILES DE ACERO
Los primeros perfiles estructurales hechos en Estados Unidos, en 1819, fueron ángulos de
hierro laminados. Las vigas I de acero se laminaron por primera vez en ese país en 1884 y
la primera estructura reticular (el edificio de la Home Insurance Company de Chicago) fue
montada ese mismo año. El crédito por inventar el “rascacielos” se le otorga generalmente
al ingeniero William LeBaron Jenny, que ideó esta estructura, aparentemente durante una
huelga de albañiles. Hasta ese momento los edificios altos en Estados Unidos se construían
con muros de carga de ladrillos de varios pies de espesor.
Para los muros exteriores de este edificio de 10 niveles, Jenny usó columnas de hie-
rro colado recubiertas por ladrillos. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabricaron con
hierro dulce, en tanto que se usaron vigas de acero estructural para los pisos superiores. El
primer edificio totalmente armado con acero estructural fue el segundo edificio de la Rand-
McNally, terminado en 1890 en Chicago.
Un aspecto importante de la torre Eiffel, de 985 pies de altura y construida con hie-
rro dulce en 1889, fue el uso de elevadores para pasajeros accionados mecánicamente. La
disponibilidad de estas máquinas, junto con la idea de Jenny relativa a la estructuración
reticulada, condujeron a la construcción de miles de edificios altos en todo el mundo en el
siglo pasado.
Durante esos primeros años, diversas laminadoras fabricaron sus propios perfiles y
publicaron catálogos con las dimensiones, pesos y otras propiedades de esas secciones. En
1896, La Association of American Steel Manufacturers (Asociación Estadounidense de Fa-
bricantes de Acero) (ahora el American Iron and Steel Institute, o AISI) (Instituto Estado-
unidense del Hierro y el Acero) hizo los primeros esfuerzos para estandarizar los perfiles.
En la actualidad casi todos lo perfiles estructurales se encuentran estandarizados, aunque sus
dimensiones exactas pueden variar un poco de laminadora a laminadora.4
El acero estructural puede laminarse en forma económica en una gran variedad de
formas y tamaños sin cambios apreciables en sus propiedades físicas. Generalmente los
miembros estructurales más convenientes son aquellos con grandes momentos de inercia
en relación con sus áreas. Los perfiles I, T, y C, que son de uso tan común, se sitúan en esta
clase.
3
M. H. Sawyer, “World’s First Iron Bridge”, Civil Engineering (Nueva York: ASCE, diciembre, 1979),
pp. 46-49.
4
W. McGuire, Steel Structures (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1968), pp. 19-21.
8 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
Por lo general los perfiles de acero se designan por la forma de sus secciones transver-
sales. Por ejemplo, se tienen perfiles en ángulo, tes, zetas y placas. Sn embargo, es necesario
hacer una distinción clara entre las vigas estándar americanas (llamadas vigas S) y las vigas
de patín ancho (llamadas vigas W), ya que ambas tienen la forma de I. La superficie interna
del patín de una sección W es paralela a la superficie externa o bien, casi paralela con una
pendiente máxima de 1 a 20 en el interior, dependiendo del fabricante.
Las vigas S, que fueron los primeros perfiles de vigas laminadas en Estados Unidos,
tienen una pendiente de 1 a 6 en la superficie interior de sus patines. Debe notarse que los
espesores constantes (o casi constantes) de los patines de las vigas W, a diferencia de los pa-
tines ahusados de las vigas S, facilitan las conexiones. Las vigas de patín ancho representan
hoy en día casi el 50% de todos los perfiles estructurales laminados. Los perfiles W y S se
muestran en la Figura 1.1 junto con otros perfiles comunes de acero. Los usos de los diversos
perfiles se expondrán en los siguientes capítulos.
En este libro se hace referencia constante a la 14ª edición del Steel Construction Ma-
nual (Manual de Construcción en Acero), publicado por el AISC (American Institute of
Steel Construction: Instituto Estadounidense de la Construcción en Acero). A este manual,
que proporciona información detallada sobre los perfiles estructurales de acero, se le llamará
aquí “el Manual del AISC”, el “Manual del acero”, o simplemente, el “Manual”. Se basa en la
Specification for Structural Steel Buildings de 2010 (Especificación para los Edificios enAcero
Estructural) (ANSI/AISC 360-10) (en lo sucesivo,“la Especificación AISC”), publicada por
el AISC el 22 de junio de 2010.
Puente peatonal para el Hospital del Cáncer en Carolina del Norte, Chapel Hill, NC. (Cortesía
de CMC South Carolina Steel.)
1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 9
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
Los perfiles estructurales se identifican mediante un cierto sistema descrito en el Ma-
nual para usarse en planos, especificaciones y diseños. Este sistema está estandarizado de
modo que todos los molinos de acero puedan usar la misma nomenclatura para propósitos
de órdenes, facturación, etc.Además, actualmente se procesa tanto trabajo en computadoras
y otros equipos automatizados que es necesario tener un sistema a base de números y letras
que pueda imprimirse por medio de un teclado estándar (a diferencia del viejo sistema en
donde ciertos símbolos se usaban para ángulos, canales, etc.). Ejemplos de este sistema de
identificación son los siguientes:
1. Una W27 * 114 es una sección W con 27 plg aproximadamente de peralte y peso de
114 lb/pie.
2. Una S12 * 35 es una sección S con 12 plg de peralte y peso de 35 lb/pie.
3. Una HP12 * 74 es una sección usada como pilote de carga con 12 plg aproximadamen-
te de peralte y peso de 74 lb/pie. Los pilotes de carga se hacen con laminados regulares
W, pero con almas más gruesas para resistir mejor el impacto del hincado del pilote.
El ancho y el peralte de estas secciones son aproximadamente iguales, y sus patines y
almas tienen espesores iguales o casi iguales.
4. Una M8 * 6.5 es una sección diversa con 8 plg de peralte y peso de 6.5 lb/pie. Forma
parte de un grupo de miembros estructurales tipo H con doble simetría que no puede
clasificarse por sus dimensiones como sección W, S o bien HP, ya que la pendiente de
sus patines interiores es diferente de 16 2/3 por ciento.
5. Una C10 * 30 es una canal con 10 plg de peralte y peso de 30 lb/pie.
6. Una MC18 * 58 es una canal diversa con 18 plg de peralte y peso de 58 lb/pie que no
se puede clasificar por sus dimensiones como C.
7. Una HSS14 * 10 * 5/8 es una sección estructural rectangular hueca de 14 plg de peral-
te, 10 plg de ancho, con un espesor de pared de 5/8 plg. Pesa 93.10 lb/pie. También se
dispone de secciones HSS cuadradas y redondas.
8. Un L6 * 6 * 1/2 es un ángulo de lados iguales, cada uno de 6 plg de longitud y 1/2 plg
de espesor.
Figura 1.1
Perfiles laminados
de acero.
Sección WT
Filete
Ángulo de lados
desiguales
Filete
Ángulo de
lados iguales
Filete
Viga S
(Viga estándar americana)
Filete
16 %
2
3
Sección C
(Canal estándar americano)
Filete
Sección W
Alma
Filete
Pendiente: 0 a 5%
Patín
Pendiente:
16 %
2
3
Pendiente:
10 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
9. Una WT18 * 151 es una te que se obtiene al cortar en dos una W36 * 302. Este tipo de
sección se conoce como te estructural.
10. Las secciones rectangulares de acero se clasifican como placas anchas o barras estrechas.
Las únicas diferencias entre las barras y las placas son el tamaño y el procedimiento
de producción. Históricamente, a las piezas planas se les ha denominado barras si tienen
8 plg o menos de ancho. Son placas si tienen un ancho mayor a 8 plg. Las tablas 1-29, 2-3 y
2-5 en el Manual AISC suministran información sobre las barras y las placas. Generalmente,
el espesor de una barra o de una placa se especifica aproximando al 1/16 más cercano para
espesores menores a 3/8 plg, aproximando al 1/8 más cercano para espesores entre 3/8 y
1 plg, y al 1/4 más cercano para espesores mayores a 1 plg. Una placa generalmente se de-
signa por su espesor, su ancho y su longitud, en ese orden; por ejemplo, una PL1/2 * 10 *
1 pie 4 plg tiene un espesor de 1/2 plg, 10 plg de ancho y 16 plg de longitud. En realidad, en
la actualidad el término placa se usa casi universalmente, ya sea que el miembro se fabrique
a partir de una placa o de una barra. La hoja y la tira generalmente son más delgadas que las
barras y las placas.
El estudiante debe consultar el Manual del Acero para obtener información sobre
otros perfiles.Aquí se presentará información detallada sobre éstas y otras secciones cuando
sea necesario.
En la Parte 1 del Manual, se tabulan las dimensiones y las propiedades de los perfiles
W, S, C y otros. Las dimensiones de los miembros se dan en forma decimal (para uso de
los diseñadores) y en fracciones al dieciseisavo de pulgada más próximo (para uso de los
Marcos del techo de la escuela Glen Oaks, Bellerose, NY. (Cortesía de CMC South Carolina
Steel.)
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.5 Unidades métricas 11
técnicos, dibujantes y detallistas del acero). Se proporcionan también, para el uso de los di-
señadores, elementos tales como los momentos de inercia, los módulos de sección, los radios
de giro y otras propiedades de la sección transversal que se analizarán más adelante en este
texto.
Se presentan variaciones en cualquier proceso de manufactura, y la industria del acero
no es una excepción. En consecuencia, las dimisiones de las secciones transversales de los
miembros de acero pueden variar un poco, respecto a los indicados en el Manual. Las tole-
rancias máximas para el rolado de los perfiles de acero las establece la Especificación A6 de
la American Society for Testing and Materials (ASTM) y se presentan en las Tablas 1-22 a
1-28 en el Manual. Entonces los cálculos se pueden hacer con base en las propiedades dadas
en el Manual, independientemente del fabricante.
Algunas de las secciones de acero listadas en el Manual se consiguen en Estados Uni-
dos de solamente uno o dos productores de acero y entonces, ocasionalmente, puede ser di-
fícil obtenerlas inmediatamente. Por tanto, al especificar las secciones, el diseñador deberá
tener la precaución de ponerse en contacto con un fabricante de acero para obtener una lista
de las secciones en existencia.
A través de los años han existido cambios en las dimensiones de los perfiles de acero.
Por ejemplo, puede haber poca demanda que justifique seguir laminando un cierto perfil;
un perfil puede descontinuarse porque se desarrolla un perfil de tamaño similar, pero más
eficiente en su forma, etc. Ocasionalmente el proyectista puede necesitar conocer las pro-
piedades de un perfil descontinuado que no aparece ya en las listas de la última edición del
Manual o en otras tablas que normalmente tiene a su disposición.
Por ejemplo, puede requerirse añadir un piso extra a un edifico existente que fue cons-
truido con perfiles que ya no se fabrican. En 1953, el AISC publicó un libro titulado Iron
and Steel Beams 1873 to 1952 (Vigas de hierro y acero, de 1873 a 1952) que presenta una
lista completa de las vigas de hierro y acero y sus propiedades, laminadas en Estados Unidos
durante ese periodo. Actualmente está disponible una edición actualizada de este libro. Es
el AISC Design Guide 15 y cubre las propiedades de los perfiles de acero producidos de
1887 a 2000.5
Indudablemente que habrá muchos cambios más en los perfiles en el futuro.
Por esta razón, el diseñador estructural prudente deberá conservar cuidadosamente las edi-
ciones anteriores del Manual para tenerlas a su disposición cuando se necesite información
anterior.
1.5 UNIDADES MÉTRICAS
Casi todos los ejemplos y problemas de tarea presentados en este libro emplean las unidades
usadas en Estados Unidos. Sin embargo, el autor piensa que el diseñador contemporáneo
debe tener la capacidad de realizar su trabajo ya sea en unidades inglesas o métricas.
El AISC en Estados Unidos ha eliminado casi por completo el problema de trabajar
con unidades métricas al realizar el diseño de acero estructural. Casi todas sus ecuaciones
están escritas en una forma aplicable a ambos sistemas. Además, los equivalentes métricos
de los perfiles americanos estándar se suministran en la Sección 17 del Manual. Por ejemplo,
una sección W36 * 302 se muestra como W920 × 449, donde el 920 está en mm y el 449 está
en kg/m.
5
R. L. Brockenbrough, AISC Rehabilitation and Retrofit Guide: A Reference for Historic Shapes and
Specifications (Chicago,AISC, 2002).
12 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
1.6 PERFILES DE LÁMINA DELGADA DE ACERO DOBLADOS EN FRÍO
Además de los perfiles de acero laminados en caliente analizados en la sección previa, exis-
ten algunos perfiles de acero rolados en frío. Éstos se fabrican doblando láminas delgadas
de acero de bajo carbono o baja aleación en prácticamente cualquier sección transversal
deseada, como las mostradas en la Figura 1.2.6
Estos perfiles, que pueden utilizarse para los
miembros más ligeros suelen usarse en algunos tipos de techos, pisos y muros y varían en
espesores entre 0.01 hasta aproximadamente 0.25 plg. Los perfiles más delgados se usan con
mucha frecuencia para algunos paneles estructurales.
Si bien el trabajado en frío reduce algo la ductilidad, también incrementa en alguna
medida la resistencia. Bajo ciertas condiciones, las especificaciones de diseño permitirán el
uso de tales resistencias superiores.
Las losas de concreto para piso frecuentemente se cuelan sobre cubiertas de acero
doblado que sirven como cimbras económicas para el concreto húmedo y que se dejan en el
sitio después de que el concreto fragua. Se dispone de varios tipos de estas cubiertas, algunas
de las cuales se muestran en la Figura 1.3. Las secciones con las celdas más profundas tienen
Mariners, Ballpark, Seattle,WA. (Cortesía de Trade ARBED.)
6
Cold-Formed Steel Design Manual (Washington, DC:American Iron and Steel Institute, 2002).
Sigma
Sombrero Ángulo
Canal Canal
atiesada
Zeta Zeta
atiesada
Figura 1.2
Perfiles doblados en frío.
1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 13
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
la útil característica de que los conductos eléctricos y mecánicos pueden alojarse en ellas. El
uso de las cubiertas de acero para losas de pisos se analiza en el Capítulo 16 de este texto.Ahí
se presenta la construcción compuesta. En este tipo de construcción, las vigas de acero se
convierten en compuestas con las losas de concreto suministrando transferencia al cortante
entre las dos para que actúen conjuntamente como una unidad.
1.7 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL
Para entender el comportamiento de las estructuras de acero, el ingeniero debe estar fa-
miliarizado con las propiedades de éste. Los diagramas esfuerzo-deformación presentan
información valiosa necesaria para entender cómo se comporta el acero en una situación
dada. No pueden desarrollarse métodos satisfactorios de diseño, a menos que se disponga
de información completa relativa a las relaciones esfuerzo-deformación del material que
se usa.
Si una pieza de acero estructural dúctil se somete a una fuerza de tensión, ésta co-
menzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza de tensión a razón constante, la magnitud
del alargamiento aumentará en forma lineal dentro de ciertos límites. En otras palabras, el
alargamiento se duplicará cuando el esfuerzo pase de 6 000 a 12 000 psi (pounds per square
inch; se usará lb/plg2
). Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valor aproximadamente
igual a tres cuartos de la resistencia última del acero, el alargamiento comenzará a aumentar
más y más 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
Concreto Concreto
Concreto
12 plg
2 plg
3 plg
2 plg
3 plg
3
6 plg
6 plg
Cubierta
de acero
Concreto
Aislante rígido
Sistema de piso de cubierta compuesta
Sistema de piso de cubierta doblada
Sistema de cubierta de techo
1
2
1 plg
5
16
1 plg
3
4
1 plg
1
2
9
16
2 plg plg
plg
1
2
Cubierta
de acero
Varía con
el fabricante
Varía con
el fabricante
Cubierta
de acero
Cubierta de acero
(costilla intermedia)
Cubierta
de acero
Figura 1.3
Algunos tipos de
cubiertas de acero.
14 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
límite elástico. Este valor rara vez se mide realmente y para la mayoría de los materiales de
ingeniería, incluido el acero estructural, es sinónimo del límite proporcional. Por esta razón,
se usa a veces el término límite proporcional elástico.
El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o defor-
mación sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de fluencia. Es el primer
punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual la tangente a la curva es horizontal.
El esfuerzo de fluencia es para el proyectista la propiedad más importante del acero, ya que
muchos procedimientos de diseño se basan en este valor. Más allá del esfuerzo de fluencia
hay un intervalo en el que ocurre un incremento considerable de la deformación sin in-
cremento del esfuerzo. La deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia se
denomina deformación elástica; la deformación que ocurre después del esfuerzo de fluencia,
sin incremento de esfuerzo, se denomina deformación plástica. Esta última deformación es
generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformación elástica.
La fluencia del acero sin esfuerzo puede parecer una seria desventaja, pero en realidad
es una característica muy útil. Con frecuencia ha prestado el maravilloso servicio de prevenir
la falla de una estructura debida a omisiones o errores del proyectista. Si el esfuerzo en un
punto de una estructura de acero dúctil alcanza el punto de fluencia, esa parte de la estructu-
ra cederá localmente sin incremento en el esfuerzo, impidiendo así una falla prematura. Esta
ductilidad permite que se redistribuyan los esfuerzos en una estructura de acero. Otra mane-
ra de describir este fenómeno es afirmar que los altos esfuerzos causados por la fabricación,
el montaje o la carga tienden a igualarse entre sí.También puede decirse que una estructura
de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas e im-
Montaje de una armadura de techo, North Charleston, SC. (Cortesía de CMC South Carolina
Steel.)
1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 15
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
pactos repentinos. Si no tuviera esta capacidad, se podría fracturar repentinamente como el
vidrio u otros materiales análogos.
Después de la deformación plástica,existe un rango en el cual es necesario un esfuerzo
adicional para producir deformación adicional, a esto se le denomina endurecimiento por
deformación. Esta porción del diagrama esfuerzo-deformación no resulta muy importante
para los proyectistas actuales porque las deformaciones son muy grandes. En la Figura 1.4
se muestra un diagrama típico de esfuerzo-deformación de un acero estructural dulce o de
bajo contenido de carbono. Sólo se presenta aquí la parte inicial de la curva, debido a la
gran deformación que ocurre antes de la falla. En el punto de falla los aceros dulces tienen
deformaciones unitarias que equivalen a valores que oscilan entre 150 y 200 veces los co-
rrespondientes a la deformación elástica. En realidad, la curva alcanza su esfuerzo máximo
y luego disminuye poco a poco antes de la falla. Se presenta una marcada reducción de la
sección transversal del miembro (que se denomina estricción del elemento) justo antes de
que el miembro se fracture.
La curva esfuerzo-deformación en la Figura 1.4 es típica de los aceros estructurales dúc-
tiles y se supone que es la misma para miembros a tensión o a compresión. (Los miembros
estructurales a compresión deben ser robustos, ya que los miembros a compresión esbeltos
sujetos a cargas de compresión tienden a pandearse lateralmente y sus propiedades se ven
muy afectadas por los momentos que se generan.) La forma del diagrama varía con la ve-
locidad de carga, el tipo de acero y la temperatura. En la figura se muestra dicha variación
mediante la línea punteada marcada como fluencia superior.
Esta forma de la curva esfuerzo-deformación resulta cuando un acero dulce se carga
rápidamente, en tanto que la curva con la fluencia inferior se obtiene con una carga lenta.
La Figura 1.5 muestra curvas de esfuerzo-deformación características para algunos
aceros con diferente esfuerzo de fluencia.
Debe percatarse de que los diagramas de esfuerzo-deformación de las Figuras 1.4 y
1.5 se prepararon para un acero dulce a temperatura ambiente. Durante las operaciones
de soldadura y durante los incendios, los miembros de acero estructural pueden someterse
a temperaturas muy altas. Los diagramas de esfuerzo-deformación preparados para aceros
con temperaturas superiores a 200 °F serán más redondeados y no lineales y no presentan
Deformación elástica
Deformación plástica Endurecimiento
por deformación
Punto superior de fluencia
Punto inferior de fluencia
Deformación ⫽
⌬l
l
Esfuerzo
f
⫽
P
A
⑀
Figura 1.4
Diagrama de
esfuerzo-deformación
característico de un acero
estructural dulce o con bajo
contenido de carbono
a temperatura ambiente.
16 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
puntos de fluencia bien definidos. Los aceros (particularmente aquellos con contenido de
carbono más bien alto) en realidad pueden incrementar un poco su resistencia a la tensión
al ser calentados a una temperatura de aproximadamente 700 °F. A medida que las tempe-
raturas se elevan al rango de 800 °F a 1 000 °F, las resistencias se reducen drásticamente, y a
1 200 °F tienen ya muy poca resistencia.
La Figura 1.6 muestra la variación de las resistencias de fluencia para varios grados
de acero cuando sus temperaturas se elevan desde la temperatura ambiente hasta 1 800 °F
y 1 900 °F. Las temperaturas con las magnitudes mostradas pueden alcanzarse fácilmente en
miembros de acero durante incendios, en zonas localizadas de miembros durante el proceso
de soldado, en miembros en fundiciones sobre flamas abiertas, etcétera.
Cuando las secciones de acero se enfrían a menos de 32 °F, sus resistencias se incre-
mentan un poco, pero tendrán reducciones considerables en ductilidad y tenacidad.
Una propiedad muy importante de una estructura que ha sido sometida a esfuerzos,
pero no 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 lon-
gitud 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 dimen-
siones originales, significa que se ha esforzado más allá de su punto de fluencia.
Puerta Europa, Madrid, España.
(Cortesía de Trade ARBED.)
1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 17
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
Resistencia a la tensión, Fu
Aceros aleados de construcción
con tratamiento térmico; acero
aleado templado y revenido A514
Resistencia mínima
a la fluencia
Fy = 100 klb/plg2
Esfuerzo,
kilolibras
por
pulgada
cuadrada
Aceros al carbono, de alta
resistencia, de baja aleación;
A572
Aceros al carbono;
A36
Fy = 36 klb/plg2
Deformación unitaria, pulgadas por pulgada
Fy = 50 klb/plg2
Corrimiento de 0.2%
de deformación
1.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Temperatura, F
Cociente
característico
de
las
resistencias
a
la
fluencia
para
temperaturas
elevadas
y
temperatura
ambiente
A514
A588
A992,A572
A36
Figura 1.5
Curvas características de
esfuerzo-deformación.
(Basado en una figura
tomada de Salmon C.
G. y J. E. Johnson, Steel
Structures: Design and
Behavior, cuarta edición.
Upper Saddle River, NJ:
Prentice Hall, 1996.)
Figura 1.6
El efecto de la temperatura sobre el esfuerzo de fluencia.
18 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
El acero es una aleación que está compuesta casi por completo de hierro (general-
mente 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 del acero aumentan con el porcentaje
de carbono. Un incremento del 0.01 por ciento del contenido de carbono causará que la
resistencia de fluencia del acero se eleve aproximadamente 0.5 klb/plg2
(ksi). Desafortuna-
damente, sin embargo, una mayor cantidad de carbono hará que el acero sea más frágil y
afectará adversamente su soldabilidad. Si se reduce el contenido de carbono, el acero se hará
más suave y más dúctil, pero también más débil. La adición de elementos tales como cromo,
silicio y níquel produce aceros con resistencias considerablemente más altas. Aunque con
frecuencia son muy útiles, estos aceros son considerablemente más caros y con frecuencia no
son tan fáciles de fabricar.
En la Figura 1.7 se muestra un diagrama común de esfuerzo-deformación para un
acero frágil. Desafortunadamente, la baja ductilidad o fragilidad es una propiedad que por
lo general se asocia con la alta resistencia del acero (aunque no necesariamente asociada
con los aceros de alta resistencia). Como es conveniente tener a la vez alta resistencia y gran
ductilidad, el proyectista tendrá que decidir entre los dos extremos o buscar un término
medio entre ellos. Un acero frágil puede fallar repentinamente, sin previo aviso, cuando se
sobrecargue y durante el montaje puede fallar debido a los impactos propios de los procedi-
mientos de construcción.
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 especi-
ficaciones 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.
Si un miembro de acero se deforma más allá de su límite elástico y luego se descarga,
éste no retornará a una condición de deformación cero. Al descargarlo, su diagrama de es-
fuerzo-deformación unitaria seguirá una nueva trayectoria (mostrada por la línea punteada
en la Figura 1.7 paralela a la línea recta inicial). El resultado es una deformación permanente
o residual.
La línea que representa la relación de esfuerzo-deformación para aceros templados
y revenidos gradualmente se aparta de una línea recta, de modo que no existe un punto de
fluencia bien definido. Para estos aceros el esfuerzo de fluencia se define por lo general como
el esfuerzo en el punto de descarga que corresponda a alguna deformación unitaria residual
arbitrariamente definida (0.002 es el valor común). En otras palabras, incrementamos la de-
formación unitaria mediante una cantidad designada y dibujamos una línea desde ese punto,
Fractura
Fu
Fy ⫽ esfuerzo mínimo de fluencia
Fy
Deformación residual si se
descarga cuando el esfuerzo
es mayor que el límite elástico
P
A
⫽
Esfuerzo
f
⫽
Deformación ⌬L
L
Fu ⫽ esfuerzo de tensión mínimo
último
⑀
Figura 1.7
Diagrama esfuerzo-
deformación
característico de un
acero frágil.
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.8 Aceros estructurales modernos 19
paralela a la porción de línea recta del diagrama de esfuerzo-deformación unitaria, hasta que
la nueva línea corte a la anterior. Esta intersección es el esfuerzo de fluencia en esa deforma-
ción unitaria particular. Si se usa 0.002, a la intersección se le llama usualmente el esfuerzo
de fluencia para 0.2 por ciento de deformación unitaria paralela.
1.8 ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS
Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades pre-
sentes 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 estos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las can-
tidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeños. Por ejemplo, el conte-
nido 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 por ciento.
Mitad de una armadura de techo con 170 pies de claro libre para el Centro de Atletismo
y Convenciones de la Universidad Lehigh en Bethlehem, Pa. (Cortesía de la Bethlehem
Steel Corporation.)
20 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
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 fractu-
ra frágil, etc. La ASTM especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso,
silicio, etc., que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades físicas y
mecánicas de los perfiles de acero las determina principalmente su composición química,
también influye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de laminado, la historia de sus esfuer-
zos y el tratamiento térmico aplicado.
En las décadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con
un esfuerzo mínimo de fluencia Fy = 36 klb/plg2
, era el acero estructural comúnmente usado.
Sin embargo, más recientemente, la mayoría del acero estructural usado en Estados Unidos
se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos eléctricos. Con este proceso puede producirse
un acero de 50 klb/plg2
,A992, y venderse a casi el mismo precio que el acero A36.
Los aceros de 50 klb/plg2
son los que predominan en uso actualmente. De hecho, al-
gunas de las laminadoras de acero hacen un cargo extra por las secciones W si van a con-
sistir de acero A36. Por otro lado, ocasionalmente ha sido difícil obtener los ángulos de
50 klb/plg2
sin pedidos especiales a las laminadoras de acero. Como resultado, todavía se
usan con frecuencia los ángulos A36. Además, las placas de 50 klb/plg2
pueden costar más
que el acero A36.
En décadas recientes los ingenieros y arquitectos continuamente requieren aceros
más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de solda-
bilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera du-
rante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas
de las demandas. Actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM
e incluidos en la especificación AISC.
Domo de acero. (Cortesía
de Trade ARBED.)
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.8 Aceros estructurales modernos 21
Los aceros estructurales generalmente se agrupan en varias clasificaciones principales
de la ASTM: los aceros al carbono A36,A53,A500,A501 y A529; los aceros de baja aleación
y de alta resistencia A572,A618,A913 y A992, y los aceros de baja aleación y alta resistencia
y resistentes a la corrosión A242,A588 y A847. En la Parte 2 del Manual se presenta bastante
información para cada uno de estos aceros. Las siguientes secciones incluyen algunas obser-
vaciones generales acerca de estas clasificaciones del acero.
1.8.1 Aceros al carbono
Estos aceros tienen como principales elementos de resistencias al carbono y al manganeso
en cantidades cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono tienen sus contenidos limi-
tados a los siguientes porcentajes máximos: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60%
de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías, dependiendo del
porcentaje de carbono:
1. Acero de bajo contenido de carbono: 6 0.15%.
2. Acero dulce: 0.15 a 0.29%. (Los aceros estructurales al carbono quedan dentro de esta
categoría.)
3. Acero medio al carbono: 0.30 a 0.59%.
4. Acero con alto contenido de carbono: 0.60 a 1.70%.
1.8.2 Aceros de alta resistencia y baja aleación
Existe un gran número de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Estos aceros ob-
tienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, aparte del carbono y man-
ganeso, de uno a más agentes de aleación como el columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre
y níquel. Se incluyen aceros con esfuerzos de fluencia comprendidos entre 40 klb/plg2
y
70 klb/plg2
. Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosión atmos-
férica que los aceros al carbono.
El término baja aleación se usa arbitrariamente para describir aceros en los que el
total de elementos de aleación no excede el 5% de la composición total del acero.
1.8.3 Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación
y resistentes a la corrosión atmosférica
Cuando los aceros se alean con pequeños porcentaje de cobre, se vuelven más resistentes a
la corrosión. Cuando se exponen a la atmósfera, las superficies de estos aceros se oxidan y
se les forma una película adhesiva muy comprimida (conocida también como “pátina bien
adherida” o “capa de óxido”), que impide una mayor oxidación y se elimina así la necesidad
de pintarlos. Después de que ocurre este fenómeno (en un periodo de 18 meses a 3 años, de-
pende del tipo de exposición, por ejemplo rural, industrial, luz solar directa o indirecta, etc.),
el acero adquiere un color que va del rojo oscuro al café y al negro.
Supuestamente, el primer acero de este tipo lo desarrolló en 1933 la U. S. Steel Cor-
poration para darle resistencia a los carros de ferrocarril, que transportaban carbón y en los
que la corrosión era muy intensa.
Estos aceros tienen gran aplicación, particularmente en estructuras con miembros ex-
puestos y difíciles de pintar como puentes, torres de transmisión eléctrica, etc., sin embargo,
no son apropiados para usarse en lugares donde queden expuestos a brisas marinas, nieblas
o que estén continuamente sumergidos en agua (dulce o salada) o el suelo, o donde existan
22 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
humos industriales muy corrosivos. Tampoco son adecuados en áreas muy secas, como en
algunas partes del oeste de Estados Unidos. Para que a estos aceros se les forme la pátina,
deben estar sujetos a ciclos de humedad y resequedad, de otra manera seguirán teniendo la
apariencia de acero sin pintar.
La Tabla 1.1 que se presenta aquí, que corresponde a la Tabla 2-4 en el Manual del
Acero, enlista los 12 aceros de ASTM mencionados anteriormente en esta sección, junto
con sus resistencias a la fluencia mínimas especificadas (Fy) y sus resistencias a la tensión
mínimas especificadas (Fu).Además, las columnas a la derecha de la tabla suministran infor-
mación con respecto a la disponibilidad de los perfiles en los diversos grados de aceros, así
como el grado recomendado para usarse para cada uno. En cada caso, se muestra el acero
recomendado con un cuadro negro.
Mediante los cuadros negros, observará en la tabla que se recomienda el acero A36
que se debe usar para las secciones M, S, HP, C, MC y L, mientras que el A992 es el material
recomendado para los perfiles más comunes, los W. Los cuadros grises en la tabla se refieren a
los perfiles disponibles en grados de acero que no sean los recomendados.Antes de seleccionar
perfiles de esos grados, el proyectista deberá verificar si están disponibles con los proveedores
de acero. Finalmente, los cuadros vacíos, o de color blanco, indican los grados de acero que no
están disponibles para ciertos perfiles. En la Tabla 2-5 del Manual del Acero se proporciona
información similar para placas y barras.
Como se mencionó anteriormente, los aceros pueden fortalecerse mediante la adición
de aleaciones especiales. Otro factor que afecta la resistencia del acero es el espesor. Entre
más se rola el acero para hacerlo más delgado, adquiere mayor resistencia. Los miembros
más gruesos tienden a ser más frágiles, y sus tasas de enfriamiento más lentas hacen que el
acero tenga una microestructura más áspera.
Haciendo referencia nuevamente a la Tabla 1.1, usted puede ver que varios de los ace-
ros listados están disponibles con esfuerzos de fluencia y de tensión diferentes con el mismo
número ASTM. Por ejemplo, los perfiles A572 están disponibles con resistencias a la fluencia
de 42, 50, 55, 60 y 65 klb/plg2
. En seguida, leyendo los pies de página de la Tabla 1.1, observa-
mos que los aceros de grados 60 y 65 tienen asignada la letra“e”como pie de página.Este pie
de página indica que los únicos perfiles A572 disponibles con estas resistencias son los más
delgados que tienen un espesor de patín ⱕ 2 pulgadas. En la tabla se muestran situaciones
similares para algunos otros aceros, incluyendo el A992 y el A242.
1.9 USO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA
Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los de ultra-alta-resistencia que tie-
nen fluencias de entre 160 klb/plg2
y 300 klb/plg2
. Estos aceros no se han incluido en el Ma-
nual del Acero porque la ASTM no les ha asignado un número de clasificación.
Actualmente existen en el mercado más de 200 aceros con esfuerzos de fluencia ma-
yores de 36 klb/plg2
. La industria del acero está experimentando ahora con aceros cuyos es-
fuerzos de fluencia varían entre 200 klb/plg2
y 300 klb/plg2
, y esto es sólo el principio. Mucha
gente de esta industria cree que en unos cuantos años se dispondrá de aceros con fluencias
de 500 klb/plg2
. La fuerza teórica de unión entre los átomos de hierro se ha estimado en más
de 4 000 klb/plg2
.7
7
L. S. Beedle et al., Structural Steel Design (Nueva York: Ronald Press, 1964), p. 44.
1.9 Uso de los aceros de alta resistencia 23
Esfuerzo
mínimo de
fluencia Fy
(klb/plg2
)
Esfuerzoa
de tensión
Fu
(klb/plg2
)
Tipo
de acero
Designación
de la ASTM W M S HP C MC L Rect. Tubo
A36 36 58−80b
A53 Gr. B 35 60
Gr. B
42 58
A500
46 58
Gr. C
46 62
50 62
A501
Gr. A 36 58
Gr. B 50 70
A529c Gr. 50 50 65−100
Gr. 55 55 70−100
Gr. 42 42 60
Gr. 50 50 65d
A572 Gr. 55 55 55
Gr. 60e
60 60
Gr. 65e
65 65
A618f
Gr.I&II 50g
70g
Gr. III 50 50
50 50h
60h
A913
60 60 75
65 65 80
70 70 90
A992 50 65i
42j
63j
A242 46k
67k
50l
70l
A588 50 70
A847 50 70
= Especificación recomendada para el material
= Otra especificación de material aplicable, cuya disponibilidad deberá confirmarse antes de la especificación
= La especificación de material no aplica
Al carbono
Baja
aleación
alta
resistencia
Baja
aleación
alta
resistencia
resistente a la
corrosión
Serie de perfiles aplicables
HSS
Redondo
a
Mínimo a menos que se muestre un rango.
b
Para perfiles arriba de 426 lb/pie, sólo aplica el mínimo de 58 klb/plg2
.
c
Para perfiles con un espesor de patín menor que o igual a 11
⁄2 plg solamente. Para mejorar la soldabilidad, puede especificarse un
máximo de carbono (de acuerdo con el Requisito suplementario S78 de la ASTM). Si se desea, puede especificarse el esfuerzo máximo
de tensión de 90 klb/plg2
(de acuerdo con el Requisito suplementario S79 de la ASTM).
d
Si se desea, puede especificarse el esfuerzo máximo de tensión de 70 klb/plg2
(de acuerdo con el Requisito suplementario S91 de la
ASTM).
e
Para perfiles con un espesor de patín menor que o igual a 2 plg solamente.
f
A618 de la ASTM también puede especificarse como resistente a la corrosión; véase A618 de la ASTM.
g
El mínimo aplica a muros de un espesor nominal de 3
⁄4 plg y menor. Para espesores de muro mayores que 3
⁄4 plg, Fy = 46 klb/plg2
y
Fu = 67 klb/plg2
.
h
Si se desea, puede especificarse un esfuerzo máximo de fluencia de 65 klb/plg2
y una relación de resistencia máxima a la fluencia entre
la de tensión de 0.85 (de acuerdo con el Requisito suplementario S75 de la ASTM).
i
Se incluyen como obligatorias en A992 de la ASTM una relación de resistencia máxima a la fluencia entre la de tensión de 0.85 y una
fórmula equivalente para el carbono.
j
Para perfiles con un espesor de patín mayor que 2 plg solamente.
k
Para perfiles con un espesor de patín mayor que 11
⁄2 plg y menor que o igual a 2 plg solamente.
l
Para perfiles con un espesor de patín menor que o igual a 11
⁄2 plg solamente.
Fuente: Manual de la AISC,Tabla 2-4, p. 2-48, 14ava. Ed., 2011. Derechos reservados © American Institute of Steel
Construction. Reproducido con autorización.Todos los derechos reservados.
TABLA 1.1 Especificaciones aplicables de la ASTM a diversos perfiles estructurales.
24 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
Aunque los precios de los aceros aumentan con el incremento de los esfuerzos de fluen-
cia, el porcentaje de incremento en los precios no es mayor que el porcentaje de incremento de
los esfuerzos de fluencia. En consecuencia, el uso de aceros más resistentes resultará económi-
co en miembros a tensión, vigas y columnas. Tal vez la mayor economía se obtendrá con los
miembros a tensión (sobre todo en aquellos sin agujeros para tornillos y remaches). Pueden
producir ahorros considerables en vigas si las deflexiones no son de importancia o si éstas
pueden controlarse (con los métodos descritos en capítulos posteriores). Además, pueden
lograrse ahorros sustanciales con los aceros de alta resistencia en columnas robustas de lon-
gitudes corta y mediana. Otra fuente de ahorro lo proporciona la construcción híbrida. En
este tipo de construcción se usan dos o más aceros de diferentes resistencias, empleando los
aceros más débiles en donde los esfuerzos son menores,y los aceros más resistentes en donde
los esfuerzos son mayores.
Entre los factores adicionales que pueden conducir al uso de los aceros de alta resis-
tencia se cuentan los siguientes:
1. Alta resistencia a la corrosión.
2. Posibles ahorros en los costos de transporte, montaje y cimentaciones debido al menor
peso.
3. Uso de vigas de menor peralte, que permite reducir el espesor de los pisos.
4. Posibles ahorros en la protección contra el fuego porque pueden usarse elementos
más pequeños.
La primera consideración que toman en cuenta muchos ingenieros al escoger un tipo
de acero, es el costo directo de los miembros. Dicha comparación puede hacerse fácilmente,
pero la consideración económica respecto a qué acero se debe usar, no puede hacerse, a
menos que se tomen en cuenta otros factores como pesos, dimensiones, deflexiones, mante-
nimiento y fabricación. Hacer una comparación general exacta de los aceros probablemente
resulte imposible, por lo que debe limitarse a considerar el caso particular en estudio.
1.10 MEDICIÓN DE LA TENACIDAD
La tenacidad a la fractura del acero se usa como una medida general de su resistencia al
impacto o de su capacidad para absorber incrementos repentinos en los esfuerzos de mues-
ca. Entre más dúctil es el acero, mayor es su tenacidad. Por otra parte, entre más baja es la
temperatura, mayor es su fragilidad.
Se dispone de varios procedimientos para estimar la tenacidad de muesca, pero la
prueba Charpy de muesca V es la más ampliamente usada. Si bien esta prueba (descrita en
la especificación A6 del ASTM) es algo inexacta, ayuda a identificar los aceros frágiles. Con
esta prueba se mide la energía requerida para fracturar una pequeña barra de sección trans-
versal rectangular con una muesca específica (véase la Figura 1.8).
La barra se fractura con un péndulo liberado desde cierta altura. La cantidad de ener-
gía requerida para fracturar la barra se determina a partir de la altura a la que el péndulo se
eleva después del golpe. La prueba puede repetirse para diferentes temperaturas y graficarse
como se muestra en la Figura 1.9.Tal gráfica muestra claramente la relación entre temperatura,
ductilidad y fragilidad. La temperatura en el punto de mayor pendiente es la temperatura de
transición.
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.10 Medición de la tenacidad 25
Aunque la prueba Charpy es bien conocida, en realidad proporciona una medición
muy mala. En los artículos de Barsom y Rolfe 8,9
se consideran otros métodos para medir la
tenacidad del acero.
Varios aceros estructurales tiene especificaciones diferentes para los niveles de ener-
gía absorbida requerida (por ejemplo, 20 pie-lb a 20°F), dependiendo de la temperatura, es-
fuerzo y condiciones de carga bajo los cuales se usarán. El tema de la fragilidad se continuará
viendo en la siguiente sección.
8
J. M. Barsom, “Material Considerations in Structural Steel Design”, Engineering Journal, AISC, 24, 3
(3er. trimestre 1987), pp. 127-139.
9
S. T. Rolfe, “Fracture and Fatigue Control in Steel Structures”, Engineering Journal, AISC, 14, 1 (1er.
trimestre 1977), pp. 2-15.
10 mm
10 mm
Golpe de impacto
Muesca
45
20 mm
2 mm
20 mm
10
⫺10 0 10 20
Temperatura, F
30 40
20
Energía
absorbida,
pie-lb
Frágil
(ductilidad despreciable)
Transición de
frágil a dúctil
Temperatura de transición
(en la pendiente máxima)
Dúctil
30
40
50
Figura 1.9
Resultados de la prueba de
Charpy de muesca en V.
Figura 1.8
Probeta para la prueba Charpy
de muesca en V.
26 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
1.11 SECCIONES JUMBO
Ciertos perfiles W pesados con espesores de patín mayores de 2 pulgadas suelen denominar-
se secciones jumbo. Se les identifica con notas de pie de página para el perfil W,Tabla 1.1 del
Manual del Acero.
Las secciones jumbo se desarrollaron originalmente para usarse como miembros a
compresión, y como tales tienen un comportamiento satisfactorio. Sin embargo, los inge-
nieros los han usado con frecuencia como miembros a tensión o flexión. En tales casos, sus
patines y almas han presentado serios problemas de agrietamiento cuando se ha utilizado
soldadura o corte térmico.Estos agrietamientos tienen como resultado menores capacidades
de carga y problemas relacionados con la fatiga.10
Las piezas gruesas de acero tienden a ser más frágiles que las delgadas. Algunas de
las razones de esto son que los núcleos de perfiles gruesos (mostrados en la Figura 1.10)
están sometidos a un menor laminado, poseen mayor contenido de carbono (necesario para
producir los esfuerzos de fluencia requeridos) y tienen mayores esfuerzos de tensión por el
enfriamiento (esfuerzos residuales). Estos temas se analizarán en capítulos posteriores.
Las secciones jumbo empalmadas con soldadura pueden usarse satisfactoriamente
en casos de tensión axial o de flexión si los procedimientos dados en la EspecificaciónA3.1c
de la Especificación AISC se siguen cuidadosamente. Algunos de los requisitos son los
siguientes:
1. El acero usado debe tener ciertos niveles de absorción de energía, determinados por
la prueba Charpy de la muesca en V (20 pies-lb a una temperatura máxima de 70 °F).
Es absolutamente necesario que las pruebas se hagan sobre especímenes tomados de
áreas del núcleo (mostrado en la Figura 1.10), donde la fractura frágil se ha evidencia-
do como problemática.
2. La temperatura debe controlarse durante el soldado y el trabajo debe seguir una cier-
ta secuencia.
3. Se requieren detalles especiales para los empalmes.
1.12 DESGARRAMIENTO LAMINAR
Los especímenes de acero usados para pruebas y desarrollo de curvas esfuerzo-deformación
unitaria usualmente tienen sus ejes longitudinales en la dirección en la que el acero fue lami-
nado.Si los especímenes se toman con sus ejes longitudinales transversalmente a la dirección
del laminado “a través del espesor” del acero, el resultado será una menor ductilidad y tena-
10
R. Bjorhovde,“Solutions for the Use of Jumbo Shapes”, Proceedings 1988 National Steel Construction
Conference,AISC, Chicago, junio 8-11, pp. 2-1 a 2-20.
Placa
Los núcleos de áreas se
muestran rayados
Perfil W
Figura 1.10
Núcleos de las áreas donde una falla frágil puede
presentar problemas en miembros gruesos
pesados.
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.13 Suministro de estructuras de acero 27
cidad.Afortunadamente, esto es de poca importancia para casi todos los casos. Sin embargo,
puede ser de gran importancia cuando se usan placas gruesas y perfiles estructurales pesados
en juntas soldadas fuertemente restringidas. (Puede ser también problemático en miembros
delgados, pero es mucho más importante en los elementos gruesos.)
Si una junta está fuertemente restringida, la contracción de las soldaduras en la direc-
ción del espesor no puede redistribuirse adecuadamente y el resultado puede ser un des-
garramiento del acero llamado desgarramiento laminar. (Laminar significa que consiste en
capas delgadas.) La situación se agrava por la aplicación de una tensión externa. El desga-
rramiento laminar puede presentarse como un agrietamiento por fatiga después de la apli-
cación de un número de ciclos de carga.
El problema del desgarramiento laminar se puede eliminar o minimizar considerable-
mente con detalles y procedimientos de soldadura apropiados. Por ejemplo, las soldaduras
deben detallarse de manera que la contracción ocurra tanto como sea posible en la dirección
en que el acero fue rolado. Algunas compañías fabricantes de acero producen aceros con
propiedades mejoradas en la dirección del espesor, lo que proporciona una resistencia ma-
yor al desgarramiento laminar.Aun si en tales aceros se usan juntas fuertemente restringidas,
serán necesarios los detalles especiales mencionados anteriormente.11
Las Figuras 8-16 y 8-17 en el Manual del Acero muestran los arreglos preferidos de
juntas soldadas que reducen la posibilidad del desgarramiento laminar. Se proporciona in-
formación adicional sobre el tema en la especificación ASTM A770.
1.13 SUMINISTRO DE ESTRUCTURAS DE ACERO
El suministro de estructuras de acero consiste en el laminado de los perfiles, la fabricación
de los elementos para un trabajo específico (incluido el corte a las dimensiones requeridas y
el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y su montaje. Muy
rara vez una compañía ejecuta estas tres funciones y la compañía promedio realiza sólo una
o dos de ellas. Por ejemplo, muchas compañías fabrican estructuras de acero y las montan,
en tanto que otras sólo las montan o sólo las fabrican. Existen aproximadamente entre 400
y 500 compañías en Estados Unidos que fabrican estructuras de acero. La mayoría se dedica
tanto a la fabricación como al montaje.
Los fabricantes de acero normalmente tienen pocos perfiles en bodega debido a los altos
intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, ordenan los perfiles
cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a sus proveedores.
Los distribuidores, que son un factor cada vez más importante en el suministro del acero es-
tructural, compran y almacenan grandes cantidades de perfiles que adquieren a los mejores
precios posibles en cualquier parte del mundo.
El diseño de las estructuras generalmente lo hace un ingeniero en colaboración con
una empresa de arquitectos.El proyectista hace los dibujos del diseño que muestran las cotas
de los miembros estructurales, las dimensiones generales y las conexiones fuera de lo común.
La compañía encargada de fabricar la estructura elabora los planos detallados y los somete
a la aprobación del ingeniero. Esos planos contienen toda la información necesaria para
fabricar la estructura correctamente. En ellos se muestran las dimensiones de cada miembro,
la posición de los orificios, la posición y el tamaño de las conexiones, etc. En la Figura 1.11
se muestra una parte de un dibujo para un detalle típico de una viga de acero atornillada.
11
“Commentary on Highly Restrained Welded Connections”, Engineering Journal, AISC, vol. 10, no. 3
(3er . trimestre, 1973), pp. 61-73.
28 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
Podría haber algunos detalles incluidos en este dibujo que no entienda, ya que ha leído sólo
unas cuantas páginas de este libro. Sin embargo, tales detalles se aclararán conforme avance
en el estudio de los capítulos siguientes.
En dibujos reales los detalles se mostrarán probablemente para varios miembros.
Aquí, el autor ha mostrado sólo un miembro para indicar la información necesaria para fa-
bricar correctamente el miembro en el taller. Los círculos y rectángulos sombreados indican
que los tornillos deben instalarse en el campo, mientras que los no sombreados muestran las
conexiones que deben hacerse en el taller.
El montaje de los edificios de acero es más que en cualquier otro aspecto del trabajo
de construcción, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en el taller con letras y
números para distinguirlo de los demás. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de
planos de montaje. Estos planos no son dibujos detallados, son simples diagramas lineales
que muestran la posición de cada elemento en la estructura. Los planos muestran a cada pie-
za individual o subensamblaje de piezas junto con las marcas de asignación de transporte o
de montaje, de modo que los trabajadores del acero puedan identificar y ubicar rápidamente
a los miembros en su posición correcta en la estructura. (Frecuentemente, a las personas que
realizan el montaje del acero se les llama herreros de obra, que es un nombre que se conserva
desde los días anteriores al acero estructural.) Generalmente se pintan indicaciones respecto
a la dirección en las caras de las columnas (norte, sur, este y oeste).
Algunas veces los planos de montaje dan las dimensiones de los miembros, pero esto
no es necesario. Esto puede o no mostrarse, dependiendo del fabricante en particular.
Figura 1.11
Parte de un dibujo de detalles.
1
2
1
2
1
4
1
1
2
1
1
4
2
Corte 5
7
8
15'–9
7
8
15'–9
1
4
32'–1
1
2
5
1
4
2
3
3
3
3
Viga B4 F6
W16 ⫻ 40 ⫻ 32'⫺0
1
4
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.13 Suministro de estructuras de acero 29
Las vigas, trabes y columnas se indicarán en los planos por las letras B, G o C seguidas
por el número de miembro particular como B5, G12, etc.A menudo, habrá varios miembros
con esas mismas designaciones cuando los miembros se repiten en el edificio.
Los marcos de acero de múltiples pisos suelen tener varios niveles con sistemas de
estructuración idénticos o casi idénticos. De esta manera, puede usarse un plano de montaje
para varios pisos. Para tales situaciones, las designaciones de los miembros de las columnas,
vigas y trabes tendrán los números de nivel incorporados en ellos. Por ejemplo, la columna
C15 (3-5) es la columna 15, tercero a quinto pisos, mientras que B4F6 o sólo B4 (6), repre-
sentan la viga B4 para el sexto piso. En la Figura 1.12 se muestra una porción de un dibujo
de montaje de un edificio.
Enseguida describimos brevemente el montaje de los miembros de acero estructural
de un edificio.Inicialmente,un grupo de herreros de obra,algunas veces llamado la“pandilla de
levantamiento”, monta los miembros de acero, instalando solamente un número suficiente
El Vestíbulo del Arco
Redondo en el centro de
exhibición en Leipzig,
Alemania. (© Klaws
Hackenberg/Zefa/Corbis.
Usado con autorización.)
30 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
de pernos para mantener a los miembros en su lugar. Además, colocan tirantes donde sea
necesario para la estabilidad y el aplomo del marco de acero.
Otro grupo de herreros de obra, a quienes algunas veces se les llama la “pandilla del
detalle”,instala los pernos restantes,realiza cualquier soldadura de campo que sea necesaria,
y termina el aplomo de la estructura. Después de haber terminado los dos últimos pasos, otra
brigada instala la cubierta de metal para el piso y para las losas del techo. Éstas a su vez son
seguidas por la brigada que coloca el refuerzo de concreto y el concreto necesarios para estas
losas.12
1.14 EL TRABAJO DEL DISEÑADOR ESTRUCTURAL
El diseñador estructural distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de éstas para
que soporten satisfactoriamente las cargas a las que quedarán sometidas. Sus funciones son:
el trazo general de la estructura, el estudio de las formas estructurales posibles que puedan
usarse, la consideración de las condiciones de carga, el análisis de esfuerzos, deflexiones, etc.,
el diseño de los elementos y la preparación de los planos de diseño. Con más exactitud, la
palabra diseño se refiere al dimensionamiento de las partes de una estructura después de que
12
A. R. Tamboli, editor, Steel Design Handbook LRFD Method (Nueva York: McGraw-Hill, 1997),
pp. 12-37.
24'–0
20'–0
48'–0
28'–0
24'–0
96'–0
B9 B10
B5
G1
B6
B1 B2
G3
G5
G2
G4
G6
Planta del sexto piso
Elevación de piso terminado ⫽ 74'-3"
Parte superior del acero, 6” debajo
del piso terminado.
Figura 1.12
Parte de un dibujo de montaje que muestra dónde debe localizarse cada miembro.
Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak
1.16 Diseño económico de miembros de acero 31
se han calculado las fuerzas, éste será el proceso que se enfatizará a lo largo del texto, usando
como material de construcción el acero estructural.
1.15 RESPONSABILIDADES DEL INGENIERIO ESTRUCTURISTA
El ingeniero estructurista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las es-
tructuras de manera que puedan montarse prácticamente, que tengan resistencia suficiente
y que sean razonablemente económicas. Estos conceptos se analizan brevemente a conti-
nuación.
1.15.1 Seguridad
Una estructura no sólo debe soportar con seguridad las cargas impuestas, sino soportarlas
en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas ni alarmen a los
ocupantes o causen grietas de aspecto desagradable en ella.
1.15.2 Costo
El proyectista siempre debe tener en mente la posibilidad de abatir los costos de la cons-
trucción sin sacrificar la resistencia. A lo largo de este texto se analizan algunos aspectos de
construcción que incluyen el uso de elementos de tamaño estándar, conexiones y detalles
simples, y miembros y materiales que no requieran un mantenimiento excesivo a través de
los años.
1.15.3 Factibilidad
Otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin mayores pro-
blemas. Los proyectistas necesitan conocer lo relativo a los métodos de fabricación y deben
adaptar sus diseños a las instalaciones disponibles.
También deben aprender todo lo relativo al detallado, la fabricación y el montaje
de campo de las estructuras. Entre más sepan sobre los problemas, tolerancias y holguras de
taller y campo, mayor será la posibilidad de que sus diseños resulten razonables, prácticos
y económicos. Este conocimiento debe incluir información relativa al transporte de los ele-
mentos estructurales a la obra (por ejemplo, el tamaño máximo de las partes que pueden
transportarse por camión o ferrocarril en forma práctica), así como la disponibilidad de
mano de obra y el equipo disponible para el montaje. Quizá el proyectista debe hacerse la
pregunta:“¿Podría yo montar esta estructura si me enviaran a montarla?”
Por último, debe dimensionar las partes de la estructura de manera que éstas no inter-
fieran con las partes mecánicas (tuberías, ductos, etc.), o arquitectónicas.
1.16 DISEÑO ECONÓMICO DE MIEMBROS DE ACERO
El diseño de un miembro de acero implica mucho más que el cálculo de las propiedades
requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero que tenga tales propie-
dades.Aunque a primera vista parece que este procedimiento ofrece los diseños más econó-
micos, deben considerarse muchos otros factores.
32 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero
Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega
Actualmente, se considera que los costos de mano de obra implicados en la fabricación
y montaje del acero estructural son cercanos al 60% de los costos totales de las estructuras de
acero. Por otro lado, los costos de materiales representan sólo aproximadamente el 25% de los
costos totales. Así, podemos ver que cualquier esfuerzo que hagamos para mejorar la econo-
mía de nuestro trabajo en el acero estructural debe concentrarse principalmente en el área de
la mano de obra.
Cuando los diseñadores consideran los costos, tienen la tendencia a pensar solamente
en las cantidades de los materiales. Como resultado, algunas veces diseñan cuidadosamente
una estructura con los miembros más ligeros posibles y terminan con algunas situaciones
de mano de obra muy cara con solamente ahorros menores en los materiales. Entre los
múltiples factores que deben considerarse para suministrar estructuras de acero que sean
económicas están los siguientes:
1. Una de las mejores maneras de obtener la economía es contar con una comunicación
abierta entre los proyectistas, fabricantes, montadores y otros que intervienen en un
proyecto específico. Si esto se hace durante el proceso de diseño, pueden emplearse
Montaje de la estructura de acero
del edificio Transamerica Pyramid
en San Francisco, CA. (Cortesía
de Kaiser Steel Corporation.)
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  • 3. Al cuidado de la edición: Luz Ángeles Lomelí Díaz lalomeli@alfaomega.com.mx Gerente Editorial: Marcelo Grillo Giannetto mgrillo@alfaomega.com.mx Datos catalográficos McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. Diseño de Estructuras de Acero. Quinta Edición Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México ISBN: 978 607 707 559 2 Formato: 17 ⫻ 23 cm Páginas: 736 Diseño de Estructuras de Acero. Jack C. McCormac, Stephen F. Csernak. ISBN: 978- 0-13- 607948-4 edición original en inglés “Structural Steel Design”, Fifth Edition, publicada por Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey, USA. Derechos reservados © Pearson Education, Inc. Quinta edición:Alfaomega Grupo Editor, México, Diciembre 2012 © 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras No. 1139, Col. Del Valle, 03100, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Página Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx ISBN: 978 607 707 559 2 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. NOTA IMPORTANTE: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control.ALFAOMEGA GRUPO EDITOR S.A de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Impreso en México. Printed in Mexico. Empresas del grupo: México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. – Pitágoras 1139, Col. Del Valle, México, D.F. C.P. 03100,Tel.: (52-55) 55 75 50 22 – Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. – Carrera 15 No. 64 A 29, Bogotá, Colombia, Tel.: (57-1) 2100122 – Fax: (57-1) 6068648, E-mail: scliente@alfaomega.com.co Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – General del Canto 370, Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 947-9351 – Fax: (56-2) 235-5786, E-mail: agechile@alfaomega.cl Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. Of.11, C.P. 1057, Buenos Aires,Argentina,Tel/Fax.: (54-11) 4811-0887/ 7183, E-mail: ventas@alfaomegaeditor.com.ar
  • 4. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Prefacio Este libro de texto se ha preparado con la esperanza de que los lectores, al igual que muchos ingenieros en el pasado, se interesen en el diseño de las estructuras de acero y tengan la in- tención de mantener e incrementar su conocimiento de la materia a lo largo de sus carreras en la ingeniería y en las industrias de la construcción. El material se preparó primordialmen- te para un curso introductorio en el primero y segundo años de la carrera, pero los últimos capítulos se pueden usar para un curso de posgrado. Los autores esperan que el estudiante haya tomado cursos introductorios previos de mecánica de materiales y de análisis estruc- tural. El principal objetivo de los autores en la preparación de esta nueva edición fue actua- lizar el texto conforme a la Specification for Structural Steel Buildings de 2010 (Especifica- ción para edificios de acero estructural de 2010) delAmerican Institute of Steel Construction (AISC) y conforme a la 14a. edición del AISC Steel Construction Manual (Manual de cons- trucción en acero del AISC) que se publicó en 2011. LO QUE ES NUEVO EN ESTA EDICIÓN En esta edición se hicieron varios cambios en el texto del libro: 1. Al final del Capítulo 1 se ha agregado una sección de Problemas para resolver. 2. Los factores de carga y las combinaciones de carga que se definen en el Capítulo 2 del libro de texto y que se usan a lo largo del mismo en los problemas de ejemplo y en los problemas para resolver al final de los capítulos, se han revisado para que concuerden con aquellos dados en el Apartado 7-10 de ASCE y en la Parte 2 del Manual de construcción de acero del AISC. 3. La clasificación de las secciones en compresión para el pandeo local que se definen en el Capítulo 5 del libro de texto se ha revisado conforme a la nueva definición dada en la Sección B4.1 de la Especificación delAISC.Para la compresión,ahora las secciones se clasifican como secciones de elemento no esbelto y elemento esbelto. 4. La Especificación del AISC proporciona varios métodos para tratar el análisis de estabilidad y el diseño de las vigas-columnas. En el Capítulo 7 del libro de texto, todavía se usa el Método de la longitud efectiva (MLE), aun cuando se ha añadido una breve introducción al Método del análisis directo (MD). Se presenta un estudio más detallado del MD en el Capítulo 11 del libro. 5. En el Capítulo 11 del libro de texto, se presentan tanto el Método del análisis directo como el Método de la longitud efectiva para el análisis y el diseño de las vigas-colum- nas. Esto es para solventar el hecho de que la presentación del Método del análisis directo se pasó de un apéndice al Capítulo C de la nueva Especificación el AISC, mientras que el Método de la longitud efectiva se pasó del Capítulo C al Apéndice 7. 6. Se ha revisado la mayoría de los Problemas para resolver al final de los capítulos en los Capítulos 2 al 11. Para los Capítulos 12 al 18 se ha revisado aproximadamente la mitad de los problemas. 7. Se han actualizado diversas fotografías a lo largo del libro de texto.
  • 5. Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega iv Prefacio RECURSOS DEL PROFESOR • Manual de soluciones. Aquí se encuentran las soluciones de problemas propues- tos en 18 capítulos de la obra. • Figuras en formato PowerPoint. Se encuentran las figuras de todos los capítulos y apéndices del texto, para la creación de diapositivas para clases y conferencias. Este material sólo podrá ser descargado por los profesores que hayan adoptado el libro como texto para sus cursos y para lo cual deberán ponerse en contacto con un repre- sentante de Alfaomega Grupo Editor. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al Dr. Bryant G. Nielson de la Universidad Clemson por su ayuda para plantear los cambios de este manuscrito y a Sara Elise Roberts, quien fue estudiante de posgrado de la Universidad Clemson por su ayuda en la revisión de los problemas al final de los capítulos y sus soluciones. Además, el American Institute of Steel Construction prestó una ayuda muy valiosa al proveer ejemplares inéditos de las revisiones de la Especificación del AISC y del Manual de construcción en acero del AISC. Finalmente, nos gustaría agradecer a nuestras familias por su aliento y apoyo en la revisión del manuscrito de este libro de texto. También agradecemos a los revisores y a los lectores de las ediciones anteriores de este libro por sus sugerencias, correcciones y observaciones. Damos la bienvenida a cual- quier comentario acerca de esta edición. Jack C. McCormac, P. E. Stephen F. Csernak, P. E. El libro contiene los siguientes recursos en la web:
  • 6. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Contenido Prefacio iii CAPÍTULO 1 Introducción al diseño estructural en acero 1 1.1 Ventajas del acero como material estructural 1 1.2 Desventajas del acero como material estructural 3 1.3 Primeros usos del hierro y el acero 4 1.4 Perfiles de acero 7 1.5 Unidades métricas 12 1.6 Perfiles de lámina delgada de acero doblados en frío 12 1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 13 1.8 Aceros estructurales modernos 19 1.9 Uso de los aceros de alta resistencia 22 1.10 Medición de la tenacidad 24 1.11 Secciones jumbo 26 1.12 Desgarramiento laminar 26 1.13 Suministro de estructuras de acero 27 1.14 El trabajo del diseñador estructural 30 1.15 Responsabilidades del ingeniero estructurista 31 1.16 Diseño económico de miembros de acero 31 1.17 Fallas en estructuras 34 1.18 Manejo y embarque del acero estructural 37 1.19 Exactitud de los cálculos 37 1.20 Las computadoras y el diseño del acero estructural 37 1.21 Problemas para resolver 39 CAPÍTULO 2 Especificaciones, cargas y métodos de diseño 39 2.1 Especificaciones y códigos de construcción 39 2.2 Cargas 41 2.3 Cargas muertas 41 2.4 Cargas vivas 42
  • 7. vi Contenido Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 2.5 Cargas ambientales 45 2.6 Diseño con factores de carga y resistencia (LRFD) y diseño por esfuerzos permisibles (ASD) 51 2.7 Resistencia nominal 52 2.8 Sombreado 52 2.9 Cálculo de las cargas para los métodos LRFD y ASD 52 2.10 Cálculo de las cargas combinadas con las expresiones de LRFD 53 2.11 Cálculo de cargas combinadas con expresiones ASD 57 2.12 Dos métodos para obtener un nivel aceptable de seguridad 59 2.13 Estudio de la magnitud de los factores de carga y de seguridad 59 2.14 Un comentario del autor 60 2.15 Problemas para resolver 60 CAPÍTULO 3 Análisis de miembros a tensión 62 3.1 Introducción 62 3.2 Resistencia nominal de los miembros a tensión 65 3.3 Áreas netas 67 3.4 Efecto de agujeros alternados 69 3.5 Áreas netas efectivas 74 3.6 Elementos de conexión para miembros a tensión 84 3.7 Bloque de cortante 85 3.8 Problemas para resolver 94 CAPÍTULO 4 Diseño de miembros a tensión 103 4.1 Selección de perfiles 103 4.2 Miembros compuestos sometidos a tensión 111 4.3 Varillas y barras 115 4.4 Miembros conectados por pasadores 120 4.5 Diseño por cargas de fatiga 122 4.6 Problemas para resolver 125 CAPÍTULO 5 Introducción a los miembros cargados axialmente a compresión 129 5.1 Consideraciones generales 129 5.2 Esfuerzos residuales 132 5.3 Perfiles usados para columnas 133 5.4 Desarrollo de las fórmulas para columnas 137 5.5 La fórmula de Euler 139 5.6 Restricciones en los extremos y longitud efectiva de una columna 141 5.7 Elementos rigidizados y no rigidizados 144 5.8 Columnas largas, cortas e intermedias 145 5.9 Fórmulas para columnas 148
  • 8. Contenido vii Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 5.10 Relaciones de esbeltez máximas 150 5.11 Problemas de ejemplo 150 5.12 Problemas para resolver 158 CAPÍTULO 6 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión 163 6.1 Introducción 163 6.2 Tablas de diseño según el AISC 166 6.3 Empalmes de columnas 171 6.4 Columnas compuestas 174 6.5 Columnas compuestas con componentes en contacto entre sí 175 6.6 Requisitos de conexión en columnas armadas cuyas componentes están en contacto 176 6.7 Columnas compuestas con componentes sin contacto entre sí 182 6.8 Miembros en compresión de un solo ángulo 187 6.9 Secciones que contienen elementos esbeltos 189 6.10 Pandeo flexotorsional de miembros a compresión 191 6.11 Problemas para resolver 196 CAPÍTULO 7 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión (continuación) y placas de base para columnas 200 7.1 Introducción 200 7.2 Una exposición más amplia de las longitudes efectivas 201 7.3 Marcos que cumplen con las hipótesis de los nomogramas 205 7.4 Marcos que no cumplen con las hipótesis de los nomogramas con respecto a los giros de los nudos 208 7.5 Factores de reducción de la rigidez 211 7.6 Diseño en un plano de columnas apoyadas entre sí 215 7.7 Placas base para columnas cargadas concéntricamente 218 7.8 Problemas para resolver 232 CAPÍTULO 8 Introducción al estudio de vigas 237 8.1 Tipos de vigas 237 8.2 Perfiles usados como vigas 237 8.3 Esfuerzos de flexión 238 8.4 Articulaciones plásticas 239 8.5 Diseño elástico 240 8.6 El módulo plástico 240 8.7 Teoría del análisis plástico 243 8.8 El mecanismo de falla 244 8.9 El método del trabajo virtual 245
  • 9. viii Contenido Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 8.10 Localización de la articulación plástica para cargas uniformes 249 8.11 Vigas continuas 250 8.12 Marcos de edificios 252 8.13 Problemas para resolver 254 CAPÍTULO 9 Diseño de vigas por momentos 263 9.1 Introducción 263 9.2 Comportamiento plástico – momento plástico total, zona 1 266 9.3 Diseño de vigas, zona 1 267 9.4 Soporte lateral de vigas 275 9.5 Introducción al pandeo inelástico, zona 2 277 9.6 Capacidad por momento, zona 2 281 9.7 Pandeo elástico, zona 3 283 9.8 Gráficas de diseño 285 9.9 Secciones no compactas 290 9.10 Problemas para resolver 295 CAPÍTULO 10 Diseño de vigas: temas diversos (cortante, deflexión, etcétera) 302 10.1 Diseño de vigas continuas 302 10.2 Fuerza y esfuerzo cortante 304 10.3 Deflexiones 310 10.4 Almas y patines con cargas concentradas 316 10.5 Flexión asimétrica 324 10.6 Diseño de largueros 327 10.7 El centro de cortante 330 10.8 Placas de asiento para vigas 335 10.9 Arriostramiento lateral de los extremos de miembros soportados sobre placas de asiento 339 10.10 Problemas para resolver 340 CAPÍTULO 11 Flexión y fuerza axial 346 11.1 Sitio de incidencia 346 11.2 Miembros sujetos a flexión y tensión axial 347 11.3 Momentos de primer y segundo orden para miembros sometidos a compresión axial y flexión 350 11.4 Método del análisis directo (DM) 352 11.5 Método de la longitud efectiva (ELM) 353 11.6 Análisis aproximado de segundo orden 354 11.7 Vigas–columnas en marcos arriostrados 359 11.8 Vigas–columnas en marcos no arriostrados 371 11.9 Diseño de vigas–columnas; arriostradas y sin arriostrar 378 11.10 Problemas para resolver 386
  • 10. Contenido ix Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak CAPÍTULO 12 Conexiones atornilladas 390 12.1 Introducción 390 12.2 Tipos de tornillos 390 12.3 Historia de los tornillos de alta resistencia 391 12.4 Ventajas de los tornillos de alta resistencia 392 12.5 Tornillos apretados sin holgura, pretensionados y de fricción 392 12.6 Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia 396 12.7 Conexiones tipo fricción y tipo aplastamiento 398 12.8 Juntas mixtas 399 12.9 Tamaños de los agujeros para tornillos 400 12.10 Transmisión de carga y tipos de juntas 401 12.11 Fallas en juntas atornilladas 404 12.12 Separación y distancias a bordes de tornillos 405 12.13 Conexiones tipo aplastamiento: cargas que pasan por el centro de gravedad de las conexiones 408 12.14 Conexiones tipo fricción: cargas que pasan por el centro de gravedad de las conexiones 419 12.15 Problemas para resolver 423 CAPÍTULO 13 Conexiones atornilladas cargadas excéntricamente y notas históricas sobre los remaches 430 13.1 Tornillos sujetos a corte excéntrico 430 13.2 Tornillos sujetos a corte y tensión (conexiones tipo aplastamiento) 444 13.3 Tornillos sujetos a corte y tensión (conexiones de fricción) 447 13.4 Cargas de tensión en juntas atornilladas 448 13.5 Acción separadora 451 13.6 Notas históricas sobre los remaches 454 13.7 Tipos de remaches 455 13.8 Resistencia de conexiones remachadas: remaches en cortante y aplastamiento 457 13.9 Problemas para resolver 461 CAPÍTULO 14 Conexiones soldadas 469 14.1 Generalidades 469 14.2 Ventajas de la soldadura 470 14.3 Sociedad Americana de Soldadura 471 14.4 Tipos de soldadura 471 14.5 Soldadura precalificada 475 14.6 Inspección de la soldadura 475
  • 11. x Contenido Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 14.7 Clasificación de las soldaduras 478 14.8 Símbolos para soldadura 480 14.9 Soldaduras de ranura 482 14.10 Soldaduras de filete 484 14.11 Resistencia de las soldaduras 485 14.12 Requisitos del AISC 486 14.13 Diseño de soldaduras de filete simples 491 14.14 Diseño de conexiones para miembros con soldaduras de filete longitudinal y transversal 497 14.15 Algunos comentarios diversos 498 14.16 Diseño de soldaduras de filete para miembros de armaduras 499 14.17 Soldaduras de tapón y de muesca 503 14.18 Cortante y torsión 506 14.19 Cortante y flexión 513 14.20 Soldaduras de ranura de penetración completa y de penetración parcial 515 14.21 Problemas para resolver 519 CAPÍTULO 15 Conexiones en edificios 528 15.1 Selección del tipo de sujetador 528 15.2 Tipos de conexiones para vigas 529 15.3 Conexiones estándar de vigas atornilladas 536 15.4 Tablas de conexiones estándar del manual AISC 539 15.5 Diseño de conexiones estándar atornilladas a base de ángulos 539 15.6 Diseño de conexiones estándar soldadas 542 15.7 Conexiones a base de una sola placa o de placa de cortante 544 15.8 Conexiones con placa de extremo de cortante 547 15.9 Diseño de conexiones soldadas de asiento para vigas 548 15.10 Diseño de conexiones para viga de asiento atiesado 550 15.11 Diseño de conexiones resistentes a momento totalmente restringido 551 15.12 Atiesadores de almas de columnas 555 15.13 Problemas para resolver 558 CAPÍTULO 16 Vigas compuestas 562 16.1 Construcción compuesta 562 16.2 Ventajas de la construcción compuesta 563 16.3 Estudio del apuntalamiento 565 16.4 Anchos efectivos de patines 566 16.5 Transmisión de la fuerza cortante 567 16.6 Vigas parcialmente compuestas 570 16.7 Resistencia de los conectores de cortante 570
  • 12. Contenido xi Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 16.8 Número, espaciamiento y requerimientos de recubrimiento de los conectores de cortante 571 16.9 Capacidad por momento de las secciones compuestas 573 16.10 Deflexiones 578 16.11 Diseño de secciones compuestas 579 16.12 Secciones compuestas continuas 588 16.13 Diseño de secciones ahogadas en concreto 589 16.14 Problemas para resolver 592 CAPÍTULO 17 Columnas compuestas 596 17.1 Introducción 596 17.2 Ventajas de las columnas compuestas 597 17.3 Desventajas de las columnas compuestas 599 17.4 Soporte lateral 599 17.5 Especificaciones para columnas compuestas 600 17.6 Resistencias de diseño de columnas compuestas cargadas axialmente 602 17.7 Resistencia al cortante de las columnas compuestas 607 17.8 Tablas de los métodos LRFD y ASD 608 17.9 Transmisión de la carga a la cimentación y otras conexiones 609 17.10 Resistencia a la tensión de las columnas compuestas 610 17.11 Carga axial y flexión 610 17.12 Problemas para resolver 610 CAPÍTULO 18 Vigas con cubreplacas y trabes armadas 613 18.1 Vigas con cubreplacas 613 18.2 Trabes armadas 616 18.3 Proporciones de las trabes armadas 618 18.4 Resistencia a la flexión 624 18.5 Acción de tensión diagonal 629 18.6 Diseño de atiesadores 634 18.7 Problemas para resolver 640 CAPÍTULO 19 Diseño de edificios de acero 642 19.1 Introducción a edificios de poca altura 642 19.2 Tipos de estructuras de acero utilizadas para edificios 642 19.3 Diferentes sistemas de piso 646 19.4 Losas de concreto sobre viguetas de acero de alma abierta 647 19.5 Losas de concreto reforzadas en una y en dos direcciones 650 19.6 Pisos compuestos 651 19.7 Pisos de losa reticular 652 19.8 Pisos con tableros de acero 653 19.9 Losas planas 655
  • 13. xii Contenido Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 19.10 Pisos de losas precoladas 656 19.11 Tipos de cubiertas para techos 658 19.12 Muros exteriores y muros interiores divisorios 659 19.13 Protección del acero estructural contra el fuego 659 19.14 Introducción a edificios de gran altura 660 19.15 Estudio de fuerzas laterales 662 19.16 Tipos de contraventeo lateral 663 19.17 Análisis de edificios con contraventeo diagonal para fuerzas laterales 669 19.18 Juntas resistentes a momento 671 19.19 Diseño de edificios por cargas gravitacionales 672 19.20 Diseño de miembros 676 APÉNDICE A Deducción de la fórmula de Euler 677 APÉNDICE B Elementos esbeltos a compresión 679 APÉNDICE C Pandeo flexotorsional de miembros a compresión 682 APÉNDICE D Placas de base resistentes a momento de columnas 688 APÉNDICE E Encharcamiento 697 GLOSARIO 702 ÍNDICE 708
  • 14. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1 C A P Í T U L O 1 Introducción al diseño estructural en acero 1.1 VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL Una persona que viaje por Estados Unidos podría concluir que el acero es el material estruc- tural perfecto; vería un sinfín de puentes, edificios, torres y otras estructuras de este material. Después de ver estas numerosas estructuras metálicas, se sorprendería al saber que el acero no se fabricó económicamente en Estados Unidos sino hasta finales del siglo xix, y que las primeras vigas de patín ancho no se laminaron sino hasta 1908. La supuesta perfección de este metal, tal vez el más versátil de todos los materiales estructurales, parece más razonable cuando se considera su gran resistencia, poco peso, fa- cilidad de fabricación y otras propiedades convenientes. Éstas y otras ventajas del acero estructural se analizarán con más detalle en los párrafos siguientes. 1.1.1 Alta resistencia La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones deficientes en la cimentación. 1.1.2 Uniformidad Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. 1.1.3 Elasticidad El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tan- to que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.
  • 15. 2 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 1.1.4 Durabilidad Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. In- vestigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura. 1.1.5 Ductilidad La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensión altos. Cuando se prueba a tensión un acero dulce o con bajo contenido de carbono, ocurre una reducción considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino. En miembros estructurales sometidos a cargas normales se desarrollan altas concen- traciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales co- munes les permite fluir localmente en esos puntos, evitándose así fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla (algunas veces denominada en son de broma como “cuenta regresiva”). 1.1.6 Tenacidad Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Ésta es una característica muy importante porque implica que los miembros Montaje de viguetas de acero. (Cortesía de Vulcraft.)
  • 16. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.2 Desventajas del acero como material estructural 3 de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparen- te. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad. 1.1.7 Ampliaciones de estructuras existentes Las estructuras de acero se adaptan muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso alas enteras a estructuras de acero ya existentes, y con frecuencia se pueden ampliar los puentes de acero. 1.1.8 Propiedades diversas Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conexión simple, como son la soldadura y los pernos; b) posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) capacidad para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas, como se describe en la Sección 1.4 de este capítulo; e) es posible utilizarlo nuevamente después de desmontar una estructura; y f) posibilidad de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente. El acero es el material reciclable por excelencia. 1.2 DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL En general, el acero tiene las siguientes desventajas: 1.2.1 Corrosión La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros in- temperizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros intemperizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosión, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosión puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas por corrosión- fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a esfuerzos cíclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los miembros de acero puede reducirse apreciable- mente cuando los miembros se usan en ambientes químicos agresivos y sometidos a cargas cíclicas. El lector debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el proceso de fabri- cación del acero. 1.2.2 Costo de la protección contra el fuego Aunque los miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen consi- derablemente en temperaturas que comúnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios devastadores en in- muebles vacíos en los que el único material combustible es el mismo inmueble. Además, el acero es un excelente conductor del calor, de manera que los miembros de acero sin pro- tección pueden transmitir suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero de un edificio debe protegerse mediante materiales
  • 17. 4 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega con ciertas características aislantes, y el edificio deberá acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los requisitos de seguridad del código de construcciones de la localidad en que se halle. 1.2.3 Susceptibilidad al pandeo Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la mayoría de las estructuras, el uso de columnas de acero es muy económico debido a sus relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional, se necesita algún acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto tiende a reducir su economía. 1.2.4 Fatiga Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia se puede reducir si se so- mete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien, a un gran número de cambios en la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se tienen problemas de fatiga sólo cuando se presentan tensiones.) En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de antemano que estarán sometidos a un número mayor de ciclos de esfuerzo variable, que cierto número límite. 1.2.5 Fractura frágil Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la fractura frágil puede ocu- rrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación. Las condiciones de esfuerzo triaxial también pueden con- ducir a la fractura frágil. 1.3 PRIMEROS USOS DEL HIERRO Y EL ACERO Aunque el primer metal que usaron los seres humanos probablemente fue algún tipo de aleación de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estaño y algunos otros aditi- vos), los avances más importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fabrica- ción y uso del hierro y de su famosa aleación llamada acero.Actualmente el hierro y el acero comprenden casi el 95% en tonelaje de todos los metales producidos en el mundo.1 A pesar de los esfuerzos de los arqueólogos durante muchas décadas, no ha sido po- sible descubrir cuándo se usó el hierro por primera vez. Los arqueólogos encontraron una daga y un brazalete de hierro en la Gran Pirámide de Egipto y afirman que la edad de éstos era por lo menos de 5 000 años. El uso del hierro ha tenido una gran influencia en el avance de la civilización desde los tiempos más remotos y probablemente la seguirá teniendo en los siglos venideros. Desde el principio de la Edad de Hierro, alrededor del año 1 000 a.C., el progreso de la civilización en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de enfrentamientos militares. Por ejemplo, durante la Batalla de Maratón en Grecia, en el año 490 a.C., los atenienses, con una inferioridad numérica, mataron a 6 400 persas y perdieron sólo a 192 de sus hombres. Cada uno de los soldados victoriosos llevaba 57 libras de arma- dura de hierro durante la batalla. (Fue en ésta en la que Feidípides corrió aproximadamente 40 km hasta Atenas, muriendo al llegar después de anunciar la victoria.) Esta batalla supues- tamente salvó a la civilización griega durante muchos años. 1 American Iron and Steel Institute, The Making of Steel (Washington, DC, sin fecha), p. 6.
  • 18. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.3 Primeros usos del hierro y el acero 5 Según la teoría clásica sobre la primera producción de hierro en el mundo, hubo una vez un gran incendio forestal en el Monte Ida en la antigua Troya (la actual Turquía) cerca del Mar Egeo. Supuestamente, el terreno era muy rico en depósitos ferrosos y el calor del fuego produjo una forma primitiva de hierro a la que se le pudo dar diversas formas, al mar- tillarla. Sin embargo, muchos historiadores creen que el hombre aprendió a usar primero el hierro que cayó a la Tierra en forma de meteoritos. Con frecuencia, el hierro de los meteo- ritos está combinado con níquel, resultando entonces un metal más duro. Posiblemente los primeros pobladores del planeta forjaron este material para convertirlo en armas y herra- mientas primitivas. El acero se define como una combinación de hierro y pequeñas cantidades de carbo- no, generalmente menos del 1%. También contiene pequeños porcentajes de algunos otros elementos.Aunque se ha fabricado acero desde hace 2 000 o 3 000 años, no existió realmente un método de producción económico sino hasta la mitad del siglo xix. El mástil de amarre del edificio Empire State, ciudad de Nueva York. (Cortesía de Getty Images/Hulton Archive Photos.)
  • 19. 6 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega El primer acero seguramente se obtuvo cuando los otros elementos necesarios para producirlo se encontraron presentes por accidente cuando se calentaba el hierro. Con el paso de los años, el acero se fabricó muy probablemente calentando hierro en contacto con carbón vegetal. La superficie del hierro absorbió algo de carbono del carbón vegetal que luego se martilló en el hierro caliente.Al repetir este proceso varias veces, se obtuvo una capa exterior endurecida de acero.De esta manera se produjeron las famosas espadas deToledo y Damasco. El primer proceso para producir acero en grandes cantidades fue bautizado en honor de Sir Henry Bessemer de Inglaterra. Recibió una patente inglesa para su proceso en 1855, pero sus esfuerzos para conseguir una patente en Estados Unidos en 1856 no tuvieron éxito, ya que se demostró que William Kelly de Eddyville, Kentucky, había producido acero me- diante el mismo proceso siete años antes de que Bessemer solicitara su patente inglesa. Kelly recibió la patente, pero se usó el nombre de Bessemer para el proceso.2 Kelly y Bessemer se percataron de que un chorro de aire a través del hierro fundi- do quemaba la mayor parte de las impurezas en el metal. Desafortunadamente, también el chorro de aire eliminaba algunos elementos provechosos como el carbono y el manganeso. Después se aprendió que esos elementos podían restituirse añadiendo hierro especular, que es una aleación de hierro, carbono y manganeso. Se aprendió además que al agregar piedra caliza en el convertidor, podía removerse el fósforo y la mayor parte del azufre. Antes de que fuese desarrollado el proceso Bessemer, el acero era una aleación costo- sa usada principalmente para fabricar cuchillos, tenedores, cucharas y ciertos tipos de herra- mientas de corte. El proceso Bessemer redujo los costos de producción por lo menos en un 80% y permitió por primera vez la producción de grandes cantidades de acero. El convertidor Bessemer se uso en Estados Unidos hasta principios de este siglo, pero desde entonces se ha reemplazado con mejores métodos como el proceso de solera abierta y el de oxígeno básico. Gracias al proceso Bessemer, en 1870 ya se podía producir en grandes cantidades ace- ro estructural al carbono, y por 1890 el acero era el principal metal estructural usado en Estados Unidos. Actualmente, la mayor parte de los perfiles y las placas de acero estructural que se producen en Estados Unidos se hacen fundiendo la chatarra de acero. Ésta se obtiene de automóviles viejos y de la chatarra de los perfiles estructurales, así como de refrigeradores, motores, máquinas de escribir, resortes de camas y otros artículos similares de desecho. El acero fundido se vierte en moldes que tienen aproximadamente las formas finales de los miembros. Las secciones resultantes, que se hacen pasar por una serie de rodillos para com- primirlos hasta su forma final, tienen mejor superficie y menores esfuerzos residuales que el acero recién hecho. Los perfiles se pueden procesar más mediante el rolado en frío, la aplicación de di- versos recubrimientos, y tal vez mediante el proceso de recocido. Mediante este proceso, el acero se calienta a un rango intermedio de temperatura (por ejemplo, 1 300-1 400 °F), se le mantiene a esta temperatura por varias horas, y luego se le deja enfriar lentamente a la temperatura ambiente. El recocido conduce a un acero que tiene menor dureza y fragilidad, pero mayor ductilidad. El término hierro dulce se refiere al hierro con un contenido muy bajo de carbono (ⱕ 0.15%), mientras que al hierro con un contenido muy alto de carbono (ⱖ 2%) se le llama hierro colado. Los aceros se encuentran entre el hierro colado y el hierro dulce y tienen un contenido de carbón en el rango de 0.15% al 1.7% (como se verá en la Sección 1.8 de este capítulo). 2 American Iron and Steel Institute, Steel 76 (Washington, DC, 1976), pp. 5-11.
  • 20. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.4 Perfiles de acero 7 El primer uso del metal para una estructura grande tuvo lugar en Shropshire, Ingla- terra (aproximadamente a 140 millas al noroeste de Londres) en 1779, ahí se construyó con hierro colado el puente Coalbrookdale en forma de arco de 100 pies de claro sobre el Río Severn. Se dice que este puente (que aún está en pie) fue un hito en la historia de la ingenie- ría porque cambió el curso de la Revolución Industrial al introducir al hierro como material estructural. Supuestamente este hierro era cuatro veces más fuerte que la piedra y treinta veces más que la madera.3 Muchos otros puentes de hierro colado se construyeron en las décadas siguientes, pero después de 1840 el hierro dulce (más maleable) comenzó a reemplazar al hierro colado.El de- sarrollo del proceso Bessemer y los avances subsecuentes, como el proceso de solera abierta, permitió la fabricación de acero a precios competitivos, lo que estimuló el casi increíble desarrollo del acero estructural que ha tenido lugar en los últimos 120 años. 1.4 PERFILES DE ACERO Los primeros perfiles estructurales hechos en Estados Unidos, en 1819, fueron ángulos de hierro laminados. Las vigas I de acero se laminaron por primera vez en ese país en 1884 y la primera estructura reticular (el edificio de la Home Insurance Company de Chicago) fue montada ese mismo año. El crédito por inventar el “rascacielos” se le otorga generalmente al ingeniero William LeBaron Jenny, que ideó esta estructura, aparentemente durante una huelga de albañiles. Hasta ese momento los edificios altos en Estados Unidos se construían con muros de carga de ladrillos de varios pies de espesor. Para los muros exteriores de este edificio de 10 niveles, Jenny usó columnas de hie- rro colado recubiertas por ladrillos. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabricaron con hierro dulce, en tanto que se usaron vigas de acero estructural para los pisos superiores. El primer edificio totalmente armado con acero estructural fue el segundo edificio de la Rand- McNally, terminado en 1890 en Chicago. Un aspecto importante de la torre Eiffel, de 985 pies de altura y construida con hie- rro dulce en 1889, fue el uso de elevadores para pasajeros accionados mecánicamente. La disponibilidad de estas máquinas, junto con la idea de Jenny relativa a la estructuración reticulada, condujeron a la construcción de miles de edificios altos en todo el mundo en el siglo pasado. Durante esos primeros años, diversas laminadoras fabricaron sus propios perfiles y publicaron catálogos con las dimensiones, pesos y otras propiedades de esas secciones. En 1896, La Association of American Steel Manufacturers (Asociación Estadounidense de Fa- bricantes de Acero) (ahora el American Iron and Steel Institute, o AISI) (Instituto Estado- unidense del Hierro y el Acero) hizo los primeros esfuerzos para estandarizar los perfiles. En la actualidad casi todos lo perfiles estructurales se encuentran estandarizados, aunque sus dimensiones exactas pueden variar un poco de laminadora a laminadora.4 El acero estructural puede laminarse en forma económica en una gran variedad de formas y tamaños sin cambios apreciables en sus propiedades físicas. Generalmente los miembros estructurales más convenientes son aquellos con grandes momentos de inercia en relación con sus áreas. Los perfiles I, T, y C, que son de uso tan común, se sitúan en esta clase. 3 M. H. Sawyer, “World’s First Iron Bridge”, Civil Engineering (Nueva York: ASCE, diciembre, 1979), pp. 46-49. 4 W. McGuire, Steel Structures (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1968), pp. 19-21.
  • 21. 8 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega Por lo general los perfiles de acero se designan por la forma de sus secciones transver- sales. Por ejemplo, se tienen perfiles en ángulo, tes, zetas y placas. Sn embargo, es necesario hacer una distinción clara entre las vigas estándar americanas (llamadas vigas S) y las vigas de patín ancho (llamadas vigas W), ya que ambas tienen la forma de I. La superficie interna del patín de una sección W es paralela a la superficie externa o bien, casi paralela con una pendiente máxima de 1 a 20 en el interior, dependiendo del fabricante. Las vigas S, que fueron los primeros perfiles de vigas laminadas en Estados Unidos, tienen una pendiente de 1 a 6 en la superficie interior de sus patines. Debe notarse que los espesores constantes (o casi constantes) de los patines de las vigas W, a diferencia de los pa- tines ahusados de las vigas S, facilitan las conexiones. Las vigas de patín ancho representan hoy en día casi el 50% de todos los perfiles estructurales laminados. Los perfiles W y S se muestran en la Figura 1.1 junto con otros perfiles comunes de acero. Los usos de los diversos perfiles se expondrán en los siguientes capítulos. En este libro se hace referencia constante a la 14ª edición del Steel Construction Ma- nual (Manual de Construcción en Acero), publicado por el AISC (American Institute of Steel Construction: Instituto Estadounidense de la Construcción en Acero). A este manual, que proporciona información detallada sobre los perfiles estructurales de acero, se le llamará aquí “el Manual del AISC”, el “Manual del acero”, o simplemente, el “Manual”. Se basa en la Specification for Structural Steel Buildings de 2010 (Especificación para los Edificios enAcero Estructural) (ANSI/AISC 360-10) (en lo sucesivo,“la Especificación AISC”), publicada por el AISC el 22 de junio de 2010. Puente peatonal para el Hospital del Cáncer en Carolina del Norte, Chapel Hill, NC. (Cortesía de CMC South Carolina Steel.)
  • 22. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 9 Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Los perfiles estructurales se identifican mediante un cierto sistema descrito en el Ma- nual para usarse en planos, especificaciones y diseños. Este sistema está estandarizado de modo que todos los molinos de acero puedan usar la misma nomenclatura para propósitos de órdenes, facturación, etc.Además, actualmente se procesa tanto trabajo en computadoras y otros equipos automatizados que es necesario tener un sistema a base de números y letras que pueda imprimirse por medio de un teclado estándar (a diferencia del viejo sistema en donde ciertos símbolos se usaban para ángulos, canales, etc.). Ejemplos de este sistema de identificación son los siguientes: 1. Una W27 * 114 es una sección W con 27 plg aproximadamente de peralte y peso de 114 lb/pie. 2. Una S12 * 35 es una sección S con 12 plg de peralte y peso de 35 lb/pie. 3. Una HP12 * 74 es una sección usada como pilote de carga con 12 plg aproximadamen- te de peralte y peso de 74 lb/pie. Los pilotes de carga se hacen con laminados regulares W, pero con almas más gruesas para resistir mejor el impacto del hincado del pilote. El ancho y el peralte de estas secciones son aproximadamente iguales, y sus patines y almas tienen espesores iguales o casi iguales. 4. Una M8 * 6.5 es una sección diversa con 8 plg de peralte y peso de 6.5 lb/pie. Forma parte de un grupo de miembros estructurales tipo H con doble simetría que no puede clasificarse por sus dimensiones como sección W, S o bien HP, ya que la pendiente de sus patines interiores es diferente de 16 2/3 por ciento. 5. Una C10 * 30 es una canal con 10 plg de peralte y peso de 30 lb/pie. 6. Una MC18 * 58 es una canal diversa con 18 plg de peralte y peso de 58 lb/pie que no se puede clasificar por sus dimensiones como C. 7. Una HSS14 * 10 * 5/8 es una sección estructural rectangular hueca de 14 plg de peral- te, 10 plg de ancho, con un espesor de pared de 5/8 plg. Pesa 93.10 lb/pie. También se dispone de secciones HSS cuadradas y redondas. 8. Un L6 * 6 * 1/2 es un ángulo de lados iguales, cada uno de 6 plg de longitud y 1/2 plg de espesor. Figura 1.1 Perfiles laminados de acero. Sección WT Filete Ángulo de lados desiguales Filete Ángulo de lados iguales Filete Viga S (Viga estándar americana) Filete 16 % 2 3 Sección C (Canal estándar americano) Filete Sección W Alma Filete Pendiente: 0 a 5% Patín Pendiente: 16 % 2 3 Pendiente:
  • 23. 10 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 9. Una WT18 * 151 es una te que se obtiene al cortar en dos una W36 * 302. Este tipo de sección se conoce como te estructural. 10. Las secciones rectangulares de acero se clasifican como placas anchas o barras estrechas. Las únicas diferencias entre las barras y las placas son el tamaño y el procedimiento de producción. Históricamente, a las piezas planas se les ha denominado barras si tienen 8 plg o menos de ancho. Son placas si tienen un ancho mayor a 8 plg. Las tablas 1-29, 2-3 y 2-5 en el Manual AISC suministran información sobre las barras y las placas. Generalmente, el espesor de una barra o de una placa se especifica aproximando al 1/16 más cercano para espesores menores a 3/8 plg, aproximando al 1/8 más cercano para espesores entre 3/8 y 1 plg, y al 1/4 más cercano para espesores mayores a 1 plg. Una placa generalmente se de- signa por su espesor, su ancho y su longitud, en ese orden; por ejemplo, una PL1/2 * 10 * 1 pie 4 plg tiene un espesor de 1/2 plg, 10 plg de ancho y 16 plg de longitud. En realidad, en la actualidad el término placa se usa casi universalmente, ya sea que el miembro se fabrique a partir de una placa o de una barra. La hoja y la tira generalmente son más delgadas que las barras y las placas. El estudiante debe consultar el Manual del Acero para obtener información sobre otros perfiles.Aquí se presentará información detallada sobre éstas y otras secciones cuando sea necesario. En la Parte 1 del Manual, se tabulan las dimensiones y las propiedades de los perfiles W, S, C y otros. Las dimensiones de los miembros se dan en forma decimal (para uso de los diseñadores) y en fracciones al dieciseisavo de pulgada más próximo (para uso de los Marcos del techo de la escuela Glen Oaks, Bellerose, NY. (Cortesía de CMC South Carolina Steel.)
  • 24. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.5 Unidades métricas 11 técnicos, dibujantes y detallistas del acero). Se proporcionan también, para el uso de los di- señadores, elementos tales como los momentos de inercia, los módulos de sección, los radios de giro y otras propiedades de la sección transversal que se analizarán más adelante en este texto. Se presentan variaciones en cualquier proceso de manufactura, y la industria del acero no es una excepción. En consecuencia, las dimisiones de las secciones transversales de los miembros de acero pueden variar un poco, respecto a los indicados en el Manual. Las tole- rancias máximas para el rolado de los perfiles de acero las establece la Especificación A6 de la American Society for Testing and Materials (ASTM) y se presentan en las Tablas 1-22 a 1-28 en el Manual. Entonces los cálculos se pueden hacer con base en las propiedades dadas en el Manual, independientemente del fabricante. Algunas de las secciones de acero listadas en el Manual se consiguen en Estados Uni- dos de solamente uno o dos productores de acero y entonces, ocasionalmente, puede ser di- fícil obtenerlas inmediatamente. Por tanto, al especificar las secciones, el diseñador deberá tener la precaución de ponerse en contacto con un fabricante de acero para obtener una lista de las secciones en existencia. A través de los años han existido cambios en las dimensiones de los perfiles de acero. Por ejemplo, puede haber poca demanda que justifique seguir laminando un cierto perfil; un perfil puede descontinuarse porque se desarrolla un perfil de tamaño similar, pero más eficiente en su forma, etc. Ocasionalmente el proyectista puede necesitar conocer las pro- piedades de un perfil descontinuado que no aparece ya en las listas de la última edición del Manual o en otras tablas que normalmente tiene a su disposición. Por ejemplo, puede requerirse añadir un piso extra a un edifico existente que fue cons- truido con perfiles que ya no se fabrican. En 1953, el AISC publicó un libro titulado Iron and Steel Beams 1873 to 1952 (Vigas de hierro y acero, de 1873 a 1952) que presenta una lista completa de las vigas de hierro y acero y sus propiedades, laminadas en Estados Unidos durante ese periodo. Actualmente está disponible una edición actualizada de este libro. Es el AISC Design Guide 15 y cubre las propiedades de los perfiles de acero producidos de 1887 a 2000.5 Indudablemente que habrá muchos cambios más en los perfiles en el futuro. Por esta razón, el diseñador estructural prudente deberá conservar cuidadosamente las edi- ciones anteriores del Manual para tenerlas a su disposición cuando se necesite información anterior. 1.5 UNIDADES MÉTRICAS Casi todos los ejemplos y problemas de tarea presentados en este libro emplean las unidades usadas en Estados Unidos. Sin embargo, el autor piensa que el diseñador contemporáneo debe tener la capacidad de realizar su trabajo ya sea en unidades inglesas o métricas. El AISC en Estados Unidos ha eliminado casi por completo el problema de trabajar con unidades métricas al realizar el diseño de acero estructural. Casi todas sus ecuaciones están escritas en una forma aplicable a ambos sistemas. Además, los equivalentes métricos de los perfiles americanos estándar se suministran en la Sección 17 del Manual. Por ejemplo, una sección W36 * 302 se muestra como W920 × 449, donde el 920 está en mm y el 449 está en kg/m. 5 R. L. Brockenbrough, AISC Rehabilitation and Retrofit Guide: A Reference for Historic Shapes and Specifications (Chicago,AISC, 2002).
  • 25. 12 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 1.6 PERFILES DE LÁMINA DELGADA DE ACERO DOBLADOS EN FRÍO Además de los perfiles de acero laminados en caliente analizados en la sección previa, exis- ten algunos perfiles de acero rolados en frío. Éstos se fabrican doblando láminas delgadas de acero de bajo carbono o baja aleación en prácticamente cualquier sección transversal deseada, como las mostradas en la Figura 1.2.6 Estos perfiles, que pueden utilizarse para los miembros más ligeros suelen usarse en algunos tipos de techos, pisos y muros y varían en espesores entre 0.01 hasta aproximadamente 0.25 plg. Los perfiles más delgados se usan con mucha frecuencia para algunos paneles estructurales. Si bien el trabajado en frío reduce algo la ductilidad, también incrementa en alguna medida la resistencia. Bajo ciertas condiciones, las especificaciones de diseño permitirán el uso de tales resistencias superiores. Las losas de concreto para piso frecuentemente se cuelan sobre cubiertas de acero doblado que sirven como cimbras económicas para el concreto húmedo y que se dejan en el sitio después de que el concreto fragua. Se dispone de varios tipos de estas cubiertas, algunas de las cuales se muestran en la Figura 1.3. Las secciones con las celdas más profundas tienen Mariners, Ballpark, Seattle,WA. (Cortesía de Trade ARBED.) 6 Cold-Formed Steel Design Manual (Washington, DC:American Iron and Steel Institute, 2002). Sigma Sombrero Ángulo Canal Canal atiesada Zeta Zeta atiesada Figura 1.2 Perfiles doblados en frío.
  • 26. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 13 Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak la útil característica de que los conductos eléctricos y mecánicos pueden alojarse en ellas. El uso de las cubiertas de acero para losas de pisos se analiza en el Capítulo 16 de este texto.Ahí se presenta la construcción compuesta. En este tipo de construcción, las vigas de acero se convierten en compuestas con las losas de concreto suministrando transferencia al cortante entre las dos para que actúen conjuntamente como una unidad. 1.7 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL Para entender el comportamiento de las estructuras de acero, el ingeniero debe estar fa- miliarizado con las propiedades de éste. Los diagramas esfuerzo-deformación presentan información valiosa necesaria para entender cómo se comporta el acero en una situación dada. No pueden desarrollarse métodos satisfactorios de diseño, a menos que se disponga de información completa relativa a las relaciones esfuerzo-deformación del material que se usa. Si una pieza de acero estructural dúctil se somete a una fuerza de tensión, ésta co- menzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza de tensión a razón constante, la magnitud del alargamiento aumentará en forma lineal dentro de ciertos límites. En otras palabras, el alargamiento se duplicará cuando el esfuerzo pase de 6 000 a 12 000 psi (pounds per square inch; se usará lb/plg2 ). Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valor aproximadamente igual a tres cuartos de la resistencia última del acero, el alargamiento comenzará a aumentar más y más 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 Concreto Concreto Concreto 12 plg 2 plg 3 plg 2 plg 3 plg 3 6 plg 6 plg Cubierta de acero Concreto Aislante rígido Sistema de piso de cubierta compuesta Sistema de piso de cubierta doblada Sistema de cubierta de techo 1 2 1 plg 5 16 1 plg 3 4 1 plg 1 2 9 16 2 plg plg plg 1 2 Cubierta de acero Varía con el fabricante Varía con el fabricante Cubierta de acero Cubierta de acero (costilla intermedia) Cubierta de acero Figura 1.3 Algunos tipos de cubiertas de acero.
  • 27. 14 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega límite elástico. Este valor rara vez se mide realmente y para la mayoría de los materiales de ingeniería, incluido el acero estructural, es sinónimo del límite proporcional. Por esta razón, se usa a veces el término límite proporcional elástico. El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o defor- mación sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de fluencia. Es el primer punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual la tangente a la curva es horizontal. El esfuerzo de fluencia es para el proyectista la propiedad más importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseño se basan en este valor. Más allá del esfuerzo de fluencia hay un intervalo en el que ocurre un incremento considerable de la deformación sin in- cremento del esfuerzo. La deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia se denomina deformación elástica; la deformación que ocurre después del esfuerzo de fluencia, sin incremento de esfuerzo, se denomina deformación plástica. Esta última deformación es generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformación elástica. La fluencia del acero sin esfuerzo puede parecer una seria desventaja, pero en realidad es una característica muy útil. Con frecuencia ha prestado el maravilloso servicio de prevenir la falla de una estructura debida a omisiones o errores del proyectista. Si el esfuerzo en un punto de una estructura de acero dúctil alcanza el punto de fluencia, esa parte de la estructu- ra cederá localmente sin incremento en el esfuerzo, impidiendo así una falla prematura. Esta ductilidad permite que se redistribuyan los esfuerzos en una estructura de acero. Otra mane- ra de describir este fenómeno es afirmar que los altos esfuerzos causados por la fabricación, el montaje o la carga tienden a igualarse entre sí.También puede decirse que una estructura de acero tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas e im- Montaje de una armadura de techo, North Charleston, SC. (Cortesía de CMC South Carolina Steel.)
  • 28. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 15 Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak pactos repentinos. Si no tuviera esta capacidad, se podría fracturar repentinamente como el vidrio u otros materiales análogos. Después de la deformación plástica,existe un rango en el cual es necesario un esfuerzo adicional para producir deformación adicional, a esto se le denomina endurecimiento por deformación. Esta porción del diagrama esfuerzo-deformación no resulta muy importante para los proyectistas actuales porque las deformaciones son muy grandes. En la Figura 1.4 se muestra un diagrama típico de esfuerzo-deformación de un acero estructural dulce o de bajo contenido de carbono. Sólo se presenta aquí la parte inicial de la curva, debido a la gran deformación que ocurre antes de la falla. En el punto de falla los aceros dulces tienen deformaciones unitarias que equivalen a valores que oscilan entre 150 y 200 veces los co- rrespondientes a la deformación elástica. En realidad, la curva alcanza su esfuerzo máximo y luego disminuye poco a poco antes de la falla. Se presenta una marcada reducción de la sección transversal del miembro (que se denomina estricción del elemento) justo antes de que el miembro se fracture. La curva esfuerzo-deformación en la Figura 1.4 es típica de los aceros estructurales dúc- tiles y se supone que es la misma para miembros a tensión o a compresión. (Los miembros estructurales a compresión deben ser robustos, ya que los miembros a compresión esbeltos sujetos a cargas de compresión tienden a pandearse lateralmente y sus propiedades se ven muy afectadas por los momentos que se generan.) La forma del diagrama varía con la ve- locidad de carga, el tipo de acero y la temperatura. En la figura se muestra dicha variación mediante la línea punteada marcada como fluencia superior. Esta forma de la curva esfuerzo-deformación resulta cuando un acero dulce se carga rápidamente, en tanto que la curva con la fluencia inferior se obtiene con una carga lenta. La Figura 1.5 muestra curvas de esfuerzo-deformación características para algunos aceros con diferente esfuerzo de fluencia. Debe percatarse de que los diagramas de esfuerzo-deformación de las Figuras 1.4 y 1.5 se prepararon para un acero dulce a temperatura ambiente. Durante las operaciones de soldadura y durante los incendios, los miembros de acero estructural pueden someterse a temperaturas muy altas. Los diagramas de esfuerzo-deformación preparados para aceros con temperaturas superiores a 200 °F serán más redondeados y no lineales y no presentan Deformación elástica Deformación plástica Endurecimiento por deformación Punto superior de fluencia Punto inferior de fluencia Deformación ⫽ ⌬l l Esfuerzo f ⫽ P A ⑀ Figura 1.4 Diagrama de esfuerzo-deformación característico de un acero estructural dulce o con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente.
  • 29. 16 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega puntos de fluencia bien definidos. Los aceros (particularmente aquellos con contenido de carbono más bien alto) en realidad pueden incrementar un poco su resistencia a la tensión al ser calentados a una temperatura de aproximadamente 700 °F. A medida que las tempe- raturas se elevan al rango de 800 °F a 1 000 °F, las resistencias se reducen drásticamente, y a 1 200 °F tienen ya muy poca resistencia. La Figura 1.6 muestra la variación de las resistencias de fluencia para varios grados de acero cuando sus temperaturas se elevan desde la temperatura ambiente hasta 1 800 °F y 1 900 °F. Las temperaturas con las magnitudes mostradas pueden alcanzarse fácilmente en miembros de acero durante incendios, en zonas localizadas de miembros durante el proceso de soldado, en miembros en fundiciones sobre flamas abiertas, etcétera. Cuando las secciones de acero se enfrían a menos de 32 °F, sus resistencias se incre- mentan un poco, pero tendrán reducciones considerables en ductilidad y tenacidad. Una propiedad muy importante de una estructura que ha sido sometida a esfuerzos, pero no 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 lon- gitud 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 dimen- siones originales, significa que se ha esforzado más allá de su punto de fluencia. Puerta Europa, Madrid, España. (Cortesía de Trade ARBED.)
  • 30. 1.7 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural 17 Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Resistencia a la tensión, Fu Aceros aleados de construcción con tratamiento térmico; acero aleado templado y revenido A514 Resistencia mínima a la fluencia Fy = 100 klb/plg2 Esfuerzo, kilolibras por pulgada cuadrada Aceros al carbono, de alta resistencia, de baja aleación; A572 Aceros al carbono; A36 Fy = 36 klb/plg2 Deformación unitaria, pulgadas por pulgada Fy = 50 klb/plg2 Corrimiento de 0.2% de deformación 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Temperatura, F Cociente característico de las resistencias a la fluencia para temperaturas elevadas y temperatura ambiente A514 A588 A992,A572 A36 Figura 1.5 Curvas características de esfuerzo-deformación. (Basado en una figura tomada de Salmon C. G. y J. E. Johnson, Steel Structures: Design and Behavior, cuarta edición. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1996.) Figura 1.6 El efecto de la temperatura sobre el esfuerzo de fluencia.
  • 31. 18 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega El acero es una aleación que está compuesta casi por completo de hierro (general- mente 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 del acero aumentan con el porcentaje de carbono. Un incremento del 0.01 por ciento del contenido de carbono causará que la resistencia de fluencia del acero se eleve aproximadamente 0.5 klb/plg2 (ksi). Desafortuna- damente, sin embargo, una mayor cantidad de carbono hará que el acero sea más frágil y afectará adversamente su soldabilidad. Si se reduce el contenido de carbono, el acero se hará más suave y más dúctil, pero también más débil. La adición de elementos tales como cromo, silicio y níquel produce aceros con resistencias considerablemente más altas. Aunque con frecuencia son muy útiles, estos aceros son considerablemente más caros y con frecuencia no son tan fáciles de fabricar. En la Figura 1.7 se muestra un diagrama común de esfuerzo-deformación para un acero frágil. Desafortunadamente, la baja ductilidad o fragilidad es una propiedad que por lo general se asocia con la alta resistencia del acero (aunque no necesariamente asociada con los aceros de alta resistencia). Como es conveniente tener a la vez alta resistencia y gran ductilidad, el proyectista tendrá que decidir entre los dos extremos o buscar un término medio entre ellos. Un acero frágil puede fallar repentinamente, sin previo aviso, cuando se sobrecargue y durante el montaje puede fallar debido a los impactos propios de los procedi- mientos de construcción. 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 especi- ficaciones 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. Si un miembro de acero se deforma más allá de su límite elástico y luego se descarga, éste no retornará a una condición de deformación cero. Al descargarlo, su diagrama de es- fuerzo-deformación unitaria seguirá una nueva trayectoria (mostrada por la línea punteada en la Figura 1.7 paralela a la línea recta inicial). El resultado es una deformación permanente o residual. La línea que representa la relación de esfuerzo-deformación para aceros templados y revenidos gradualmente se aparta de una línea recta, de modo que no existe un punto de fluencia bien definido. Para estos aceros el esfuerzo de fluencia se define por lo general como el esfuerzo en el punto de descarga que corresponda a alguna deformación unitaria residual arbitrariamente definida (0.002 es el valor común). En otras palabras, incrementamos la de- formación unitaria mediante una cantidad designada y dibujamos una línea desde ese punto, Fractura Fu Fy ⫽ esfuerzo mínimo de fluencia Fy Deformación residual si se descarga cuando el esfuerzo es mayor que el límite elástico P A ⫽ Esfuerzo f ⫽ Deformación ⌬L L Fu ⫽ esfuerzo de tensión mínimo último ⑀ Figura 1.7 Diagrama esfuerzo- deformación característico de un acero frágil.
  • 32. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.8 Aceros estructurales modernos 19 paralela a la porción de línea recta del diagrama de esfuerzo-deformación unitaria, hasta que la nueva línea corte a la anterior. Esta intersección es el esfuerzo de fluencia en esa deforma- ción unitaria particular. Si se usa 0.002, a la intersección se le llama usualmente el esfuerzo de fluencia para 0.2 por ciento de deformación unitaria paralela. 1.8 ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades pre- sentes 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 estos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las can- tidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeños. Por ejemplo, el conte- nido 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 por ciento. Mitad de una armadura de techo con 170 pies de claro libre para el Centro de Atletismo y Convenciones de la Universidad Lehigh en Bethlehem, Pa. (Cortesía de la Bethlehem Steel Corporation.)
  • 33. 20 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 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 fractu- ra frágil, etc. La ASTM especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso, silicio, etc., que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades físicas y mecánicas de los perfiles de acero las determina principalmente su composición química, también influye en ellas, hasta cierto punto, el proceso de laminado, la historia de sus esfuer- zos y el tratamiento térmico aplicado. En las décadas pasadas, un acero estructural al carbono designado como A36 y con un esfuerzo mínimo de fluencia Fy = 36 klb/plg2 , era el acero estructural comúnmente usado. Sin embargo, más recientemente, la mayoría del acero estructural usado en Estados Unidos se fabrica fundiendo acero chatarra en hornos eléctricos. Con este proceso puede producirse un acero de 50 klb/plg2 ,A992, y venderse a casi el mismo precio que el acero A36. Los aceros de 50 klb/plg2 son los que predominan en uso actualmente. De hecho, al- gunas de las laminadoras de acero hacen un cargo extra por las secciones W si van a con- sistir de acero A36. Por otro lado, ocasionalmente ha sido difícil obtener los ángulos de 50 klb/plg2 sin pedidos especiales a las laminadoras de acero. Como resultado, todavía se usan con frecuencia los ángulos A36. Además, las placas de 50 klb/plg2 pueden costar más que el acero A36. En décadas recientes los ingenieros y arquitectos continuamente requieren aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de solda- bilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera du- rante este periodo han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las demandas. Actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en la especificación AISC. Domo de acero. (Cortesía de Trade ARBED.)
  • 34. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.8 Aceros estructurales modernos 21 Los aceros estructurales generalmente se agrupan en varias clasificaciones principales de la ASTM: los aceros al carbono A36,A53,A500,A501 y A529; los aceros de baja aleación y de alta resistencia A572,A618,A913 y A992, y los aceros de baja aleación y alta resistencia y resistentes a la corrosión A242,A588 y A847. En la Parte 2 del Manual se presenta bastante información para cada uno de estos aceros. Las siguientes secciones incluyen algunas obser- vaciones generales acerca de estas clasificaciones del acero. 1.8.1 Aceros al carbono Estos aceros tienen como principales elementos de resistencias al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono tienen sus contenidos limi- tados a los siguientes porcentajes máximos: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías, dependiendo del porcentaje de carbono: 1. Acero de bajo contenido de carbono: 6 0.15%. 2. Acero dulce: 0.15 a 0.29%. (Los aceros estructurales al carbono quedan dentro de esta categoría.) 3. Acero medio al carbono: 0.30 a 0.59%. 4. Acero con alto contenido de carbono: 0.60 a 1.70%. 1.8.2 Aceros de alta resistencia y baja aleación Existe un gran número de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Estos aceros ob- tienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, aparte del carbono y man- ganeso, de uno a más agentes de aleación como el columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre y níquel. Se incluyen aceros con esfuerzos de fluencia comprendidos entre 40 klb/plg2 y 70 klb/plg2 . Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosión atmos- férica que los aceros al carbono. El término baja aleación se usa arbitrariamente para describir aceros en los que el total de elementos de aleación no excede el 5% de la composición total del acero. 1.8.3 Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica Cuando los aceros se alean con pequeños porcentaje de cobre, se vuelven más resistentes a la corrosión. Cuando se exponen a la atmósfera, las superficies de estos aceros se oxidan y se les forma una película adhesiva muy comprimida (conocida también como “pátina bien adherida” o “capa de óxido”), que impide una mayor oxidación y se elimina así la necesidad de pintarlos. Después de que ocurre este fenómeno (en un periodo de 18 meses a 3 años, de- pende del tipo de exposición, por ejemplo rural, industrial, luz solar directa o indirecta, etc.), el acero adquiere un color que va del rojo oscuro al café y al negro. Supuestamente, el primer acero de este tipo lo desarrolló en 1933 la U. S. Steel Cor- poration para darle resistencia a los carros de ferrocarril, que transportaban carbón y en los que la corrosión era muy intensa. Estos aceros tienen gran aplicación, particularmente en estructuras con miembros ex- puestos y difíciles de pintar como puentes, torres de transmisión eléctrica, etc., sin embargo, no son apropiados para usarse en lugares donde queden expuestos a brisas marinas, nieblas o que estén continuamente sumergidos en agua (dulce o salada) o el suelo, o donde existan
  • 35. 22 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega humos industriales muy corrosivos. Tampoco son adecuados en áreas muy secas, como en algunas partes del oeste de Estados Unidos. Para que a estos aceros se les forme la pátina, deben estar sujetos a ciclos de humedad y resequedad, de otra manera seguirán teniendo la apariencia de acero sin pintar. La Tabla 1.1 que se presenta aquí, que corresponde a la Tabla 2-4 en el Manual del Acero, enlista los 12 aceros de ASTM mencionados anteriormente en esta sección, junto con sus resistencias a la fluencia mínimas especificadas (Fy) y sus resistencias a la tensión mínimas especificadas (Fu).Además, las columnas a la derecha de la tabla suministran infor- mación con respecto a la disponibilidad de los perfiles en los diversos grados de aceros, así como el grado recomendado para usarse para cada uno. En cada caso, se muestra el acero recomendado con un cuadro negro. Mediante los cuadros negros, observará en la tabla que se recomienda el acero A36 que se debe usar para las secciones M, S, HP, C, MC y L, mientras que el A992 es el material recomendado para los perfiles más comunes, los W. Los cuadros grises en la tabla se refieren a los perfiles disponibles en grados de acero que no sean los recomendados.Antes de seleccionar perfiles de esos grados, el proyectista deberá verificar si están disponibles con los proveedores de acero. Finalmente, los cuadros vacíos, o de color blanco, indican los grados de acero que no están disponibles para ciertos perfiles. En la Tabla 2-5 del Manual del Acero se proporciona información similar para placas y barras. Como se mencionó anteriormente, los aceros pueden fortalecerse mediante la adición de aleaciones especiales. Otro factor que afecta la resistencia del acero es el espesor. Entre más se rola el acero para hacerlo más delgado, adquiere mayor resistencia. Los miembros más gruesos tienden a ser más frágiles, y sus tasas de enfriamiento más lentas hacen que el acero tenga una microestructura más áspera. Haciendo referencia nuevamente a la Tabla 1.1, usted puede ver que varios de los ace- ros listados están disponibles con esfuerzos de fluencia y de tensión diferentes con el mismo número ASTM. Por ejemplo, los perfiles A572 están disponibles con resistencias a la fluencia de 42, 50, 55, 60 y 65 klb/plg2 . En seguida, leyendo los pies de página de la Tabla 1.1, observa- mos que los aceros de grados 60 y 65 tienen asignada la letra“e”como pie de página.Este pie de página indica que los únicos perfiles A572 disponibles con estas resistencias son los más delgados que tienen un espesor de patín ⱕ 2 pulgadas. En la tabla se muestran situaciones similares para algunos otros aceros, incluyendo el A992 y el A242. 1.9 USO DE LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Existen otros grupos de aceros de alta resistencia como los de ultra-alta-resistencia que tie- nen fluencias de entre 160 klb/plg2 y 300 klb/plg2 . Estos aceros no se han incluido en el Ma- nual del Acero porque la ASTM no les ha asignado un número de clasificación. Actualmente existen en el mercado más de 200 aceros con esfuerzos de fluencia ma- yores de 36 klb/plg2 . La industria del acero está experimentando ahora con aceros cuyos es- fuerzos de fluencia varían entre 200 klb/plg2 y 300 klb/plg2 , y esto es sólo el principio. Mucha gente de esta industria cree que en unos cuantos años se dispondrá de aceros con fluencias de 500 klb/plg2 . La fuerza teórica de unión entre los átomos de hierro se ha estimado en más de 4 000 klb/plg2 .7 7 L. S. Beedle et al., Structural Steel Design (Nueva York: Ronald Press, 1964), p. 44.
  • 36. 1.9 Uso de los aceros de alta resistencia 23 Esfuerzo mínimo de fluencia Fy (klb/plg2 ) Esfuerzoa de tensión Fu (klb/plg2 ) Tipo de acero Designación de la ASTM W M S HP C MC L Rect. Tubo A36 36 58−80b A53 Gr. B 35 60 Gr. B 42 58 A500 46 58 Gr. C 46 62 50 62 A501 Gr. A 36 58 Gr. B 50 70 A529c Gr. 50 50 65−100 Gr. 55 55 70−100 Gr. 42 42 60 Gr. 50 50 65d A572 Gr. 55 55 55 Gr. 60e 60 60 Gr. 65e 65 65 A618f Gr.I&II 50g 70g Gr. III 50 50 50 50h 60h A913 60 60 75 65 65 80 70 70 90 A992 50 65i 42j 63j A242 46k 67k 50l 70l A588 50 70 A847 50 70 = Especificación recomendada para el material = Otra especificación de material aplicable, cuya disponibilidad deberá confirmarse antes de la especificación = La especificación de material no aplica Al carbono Baja aleación alta resistencia Baja aleación alta resistencia resistente a la corrosión Serie de perfiles aplicables HSS Redondo a Mínimo a menos que se muestre un rango. b Para perfiles arriba de 426 lb/pie, sólo aplica el mínimo de 58 klb/plg2 . c Para perfiles con un espesor de patín menor que o igual a 11 ⁄2 plg solamente. Para mejorar la soldabilidad, puede especificarse un máximo de carbono (de acuerdo con el Requisito suplementario S78 de la ASTM). Si se desea, puede especificarse el esfuerzo máximo de tensión de 90 klb/plg2 (de acuerdo con el Requisito suplementario S79 de la ASTM). d Si se desea, puede especificarse el esfuerzo máximo de tensión de 70 klb/plg2 (de acuerdo con el Requisito suplementario S91 de la ASTM). e Para perfiles con un espesor de patín menor que o igual a 2 plg solamente. f A618 de la ASTM también puede especificarse como resistente a la corrosión; véase A618 de la ASTM. g El mínimo aplica a muros de un espesor nominal de 3 ⁄4 plg y menor. Para espesores de muro mayores que 3 ⁄4 plg, Fy = 46 klb/plg2 y Fu = 67 klb/plg2 . h Si se desea, puede especificarse un esfuerzo máximo de fluencia de 65 klb/plg2 y una relación de resistencia máxima a la fluencia entre la de tensión de 0.85 (de acuerdo con el Requisito suplementario S75 de la ASTM). i Se incluyen como obligatorias en A992 de la ASTM una relación de resistencia máxima a la fluencia entre la de tensión de 0.85 y una fórmula equivalente para el carbono. j Para perfiles con un espesor de patín mayor que 2 plg solamente. k Para perfiles con un espesor de patín mayor que 11 ⁄2 plg y menor que o igual a 2 plg solamente. l Para perfiles con un espesor de patín menor que o igual a 11 ⁄2 plg solamente. Fuente: Manual de la AISC,Tabla 2-4, p. 2-48, 14ava. Ed., 2011. Derechos reservados © American Institute of Steel Construction. Reproducido con autorización.Todos los derechos reservados. TABLA 1.1 Especificaciones aplicables de la ASTM a diversos perfiles estructurales.
  • 37. 24 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega Aunque los precios de los aceros aumentan con el incremento de los esfuerzos de fluen- cia, el porcentaje de incremento en los precios no es mayor que el porcentaje de incremento de los esfuerzos de fluencia. En consecuencia, el uso de aceros más resistentes resultará económi- co en miembros a tensión, vigas y columnas. Tal vez la mayor economía se obtendrá con los miembros a tensión (sobre todo en aquellos sin agujeros para tornillos y remaches). Pueden producir ahorros considerables en vigas si las deflexiones no son de importancia o si éstas pueden controlarse (con los métodos descritos en capítulos posteriores). Además, pueden lograrse ahorros sustanciales con los aceros de alta resistencia en columnas robustas de lon- gitudes corta y mediana. Otra fuente de ahorro lo proporciona la construcción híbrida. En este tipo de construcción se usan dos o más aceros de diferentes resistencias, empleando los aceros más débiles en donde los esfuerzos son menores,y los aceros más resistentes en donde los esfuerzos son mayores. Entre los factores adicionales que pueden conducir al uso de los aceros de alta resis- tencia se cuentan los siguientes: 1. Alta resistencia a la corrosión. 2. Posibles ahorros en los costos de transporte, montaje y cimentaciones debido al menor peso. 3. Uso de vigas de menor peralte, que permite reducir el espesor de los pisos. 4. Posibles ahorros en la protección contra el fuego porque pueden usarse elementos más pequeños. La primera consideración que toman en cuenta muchos ingenieros al escoger un tipo de acero, es el costo directo de los miembros. Dicha comparación puede hacerse fácilmente, pero la consideración económica respecto a qué acero se debe usar, no puede hacerse, a menos que se tomen en cuenta otros factores como pesos, dimensiones, deflexiones, mante- nimiento y fabricación. Hacer una comparación general exacta de los aceros probablemente resulte imposible, por lo que debe limitarse a considerar el caso particular en estudio. 1.10 MEDICIÓN DE LA TENACIDAD La tenacidad a la fractura del acero se usa como una medida general de su resistencia al impacto o de su capacidad para absorber incrementos repentinos en los esfuerzos de mues- ca. Entre más dúctil es el acero, mayor es su tenacidad. Por otra parte, entre más baja es la temperatura, mayor es su fragilidad. Se dispone de varios procedimientos para estimar la tenacidad de muesca, pero la prueba Charpy de muesca V es la más ampliamente usada. Si bien esta prueba (descrita en la especificación A6 del ASTM) es algo inexacta, ayuda a identificar los aceros frágiles. Con esta prueba se mide la energía requerida para fracturar una pequeña barra de sección trans- versal rectangular con una muesca específica (véase la Figura 1.8). La barra se fractura con un péndulo liberado desde cierta altura. La cantidad de ener- gía requerida para fracturar la barra se determina a partir de la altura a la que el péndulo se eleva después del golpe. La prueba puede repetirse para diferentes temperaturas y graficarse como se muestra en la Figura 1.9.Tal gráfica muestra claramente la relación entre temperatura, ductilidad y fragilidad. La temperatura en el punto de mayor pendiente es la temperatura de transición.
  • 38. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.10 Medición de la tenacidad 25 Aunque la prueba Charpy es bien conocida, en realidad proporciona una medición muy mala. En los artículos de Barsom y Rolfe 8,9 se consideran otros métodos para medir la tenacidad del acero. Varios aceros estructurales tiene especificaciones diferentes para los niveles de ener- gía absorbida requerida (por ejemplo, 20 pie-lb a 20°F), dependiendo de la temperatura, es- fuerzo y condiciones de carga bajo los cuales se usarán. El tema de la fragilidad se continuará viendo en la siguiente sección. 8 J. M. Barsom, “Material Considerations in Structural Steel Design”, Engineering Journal, AISC, 24, 3 (3er. trimestre 1987), pp. 127-139. 9 S. T. Rolfe, “Fracture and Fatigue Control in Steel Structures”, Engineering Journal, AISC, 14, 1 (1er. trimestre 1977), pp. 2-15. 10 mm 10 mm Golpe de impacto Muesca 45 20 mm 2 mm 20 mm 10 ⫺10 0 10 20 Temperatura, F 30 40 20 Energía absorbida, pie-lb Frágil (ductilidad despreciable) Transición de frágil a dúctil Temperatura de transición (en la pendiente máxima) Dúctil 30 40 50 Figura 1.9 Resultados de la prueba de Charpy de muesca en V. Figura 1.8 Probeta para la prueba Charpy de muesca en V.
  • 39. 26 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega 1.11 SECCIONES JUMBO Ciertos perfiles W pesados con espesores de patín mayores de 2 pulgadas suelen denominar- se secciones jumbo. Se les identifica con notas de pie de página para el perfil W,Tabla 1.1 del Manual del Acero. Las secciones jumbo se desarrollaron originalmente para usarse como miembros a compresión, y como tales tienen un comportamiento satisfactorio. Sin embargo, los inge- nieros los han usado con frecuencia como miembros a tensión o flexión. En tales casos, sus patines y almas han presentado serios problemas de agrietamiento cuando se ha utilizado soldadura o corte térmico.Estos agrietamientos tienen como resultado menores capacidades de carga y problemas relacionados con la fatiga.10 Las piezas gruesas de acero tienden a ser más frágiles que las delgadas. Algunas de las razones de esto son que los núcleos de perfiles gruesos (mostrados en la Figura 1.10) están sometidos a un menor laminado, poseen mayor contenido de carbono (necesario para producir los esfuerzos de fluencia requeridos) y tienen mayores esfuerzos de tensión por el enfriamiento (esfuerzos residuales). Estos temas se analizarán en capítulos posteriores. Las secciones jumbo empalmadas con soldadura pueden usarse satisfactoriamente en casos de tensión axial o de flexión si los procedimientos dados en la EspecificaciónA3.1c de la Especificación AISC se siguen cuidadosamente. Algunos de los requisitos son los siguientes: 1. El acero usado debe tener ciertos niveles de absorción de energía, determinados por la prueba Charpy de la muesca en V (20 pies-lb a una temperatura máxima de 70 °F). Es absolutamente necesario que las pruebas se hagan sobre especímenes tomados de áreas del núcleo (mostrado en la Figura 1.10), donde la fractura frágil se ha evidencia- do como problemática. 2. La temperatura debe controlarse durante el soldado y el trabajo debe seguir una cier- ta secuencia. 3. Se requieren detalles especiales para los empalmes. 1.12 DESGARRAMIENTO LAMINAR Los especímenes de acero usados para pruebas y desarrollo de curvas esfuerzo-deformación unitaria usualmente tienen sus ejes longitudinales en la dirección en la que el acero fue lami- nado.Si los especímenes se toman con sus ejes longitudinales transversalmente a la dirección del laminado “a través del espesor” del acero, el resultado será una menor ductilidad y tena- 10 R. Bjorhovde,“Solutions for the Use of Jumbo Shapes”, Proceedings 1988 National Steel Construction Conference,AISC, Chicago, junio 8-11, pp. 2-1 a 2-20. Placa Los núcleos de áreas se muestran rayados Perfil W Figura 1.10 Núcleos de las áreas donde una falla frágil puede presentar problemas en miembros gruesos pesados.
  • 40. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.13 Suministro de estructuras de acero 27 cidad.Afortunadamente, esto es de poca importancia para casi todos los casos. Sin embargo, puede ser de gran importancia cuando se usan placas gruesas y perfiles estructurales pesados en juntas soldadas fuertemente restringidas. (Puede ser también problemático en miembros delgados, pero es mucho más importante en los elementos gruesos.) Si una junta está fuertemente restringida, la contracción de las soldaduras en la direc- ción del espesor no puede redistribuirse adecuadamente y el resultado puede ser un des- garramiento del acero llamado desgarramiento laminar. (Laminar significa que consiste en capas delgadas.) La situación se agrava por la aplicación de una tensión externa. El desga- rramiento laminar puede presentarse como un agrietamiento por fatiga después de la apli- cación de un número de ciclos de carga. El problema del desgarramiento laminar se puede eliminar o minimizar considerable- mente con detalles y procedimientos de soldadura apropiados. Por ejemplo, las soldaduras deben detallarse de manera que la contracción ocurra tanto como sea posible en la dirección en que el acero fue rolado. Algunas compañías fabricantes de acero producen aceros con propiedades mejoradas en la dirección del espesor, lo que proporciona una resistencia ma- yor al desgarramiento laminar.Aun si en tales aceros se usan juntas fuertemente restringidas, serán necesarios los detalles especiales mencionados anteriormente.11 Las Figuras 8-16 y 8-17 en el Manual del Acero muestran los arreglos preferidos de juntas soldadas que reducen la posibilidad del desgarramiento laminar. Se proporciona in- formación adicional sobre el tema en la especificación ASTM A770. 1.13 SUMINISTRO DE ESTRUCTURAS DE ACERO El suministro de estructuras de acero consiste en el laminado de los perfiles, la fabricación de los elementos para un trabajo específico (incluido el corte a las dimensiones requeridas y el punzonado de los agujeros necesarios para las conexiones de campo) y su montaje. Muy rara vez una compañía ejecuta estas tres funciones y la compañía promedio realiza sólo una o dos de ellas. Por ejemplo, muchas compañías fabrican estructuras de acero y las montan, en tanto que otras sólo las montan o sólo las fabrican. Existen aproximadamente entre 400 y 500 compañías en Estados Unidos que fabrican estructuras de acero. La mayoría se dedica tanto a la fabricación como al montaje. Los fabricantes de acero normalmente tienen pocos perfiles en bodega debido a los altos intereses y costos de almacenaje. Cuando deben fabricar una estructura, ordenan los perfiles cortados a determinadas longitudes directamente a las laminadoras o a sus proveedores. Los distribuidores, que son un factor cada vez más importante en el suministro del acero es- tructural, compran y almacenan grandes cantidades de perfiles que adquieren a los mejores precios posibles en cualquier parte del mundo. El diseño de las estructuras generalmente lo hace un ingeniero en colaboración con una empresa de arquitectos.El proyectista hace los dibujos del diseño que muestran las cotas de los miembros estructurales, las dimensiones generales y las conexiones fuera de lo común. La compañía encargada de fabricar la estructura elabora los planos detallados y los somete a la aprobación del ingeniero. Esos planos contienen toda la información necesaria para fabricar la estructura correctamente. En ellos se muestran las dimensiones de cada miembro, la posición de los orificios, la posición y el tamaño de las conexiones, etc. En la Figura 1.11 se muestra una parte de un dibujo para un detalle típico de una viga de acero atornillada. 11 “Commentary on Highly Restrained Welded Connections”, Engineering Journal, AISC, vol. 10, no. 3 (3er . trimestre, 1973), pp. 61-73.
  • 41. 28 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega Podría haber algunos detalles incluidos en este dibujo que no entienda, ya que ha leído sólo unas cuantas páginas de este libro. Sin embargo, tales detalles se aclararán conforme avance en el estudio de los capítulos siguientes. En dibujos reales los detalles se mostrarán probablemente para varios miembros. Aquí, el autor ha mostrado sólo un miembro para indicar la información necesaria para fa- bricar correctamente el miembro en el taller. Los círculos y rectángulos sombreados indican que los tornillos deben instalarse en el campo, mientras que los no sombreados muestran las conexiones que deben hacerse en el taller. El montaje de los edificios de acero es más que en cualquier otro aspecto del trabajo de construcción, un asunto de ensamblaje. Cada elemento se marca en el taller con letras y números para distinguirlo de los demás. El montaje se ejecuta de acuerdo con una serie de planos de montaje. Estos planos no son dibujos detallados, son simples diagramas lineales que muestran la posición de cada elemento en la estructura. Los planos muestran a cada pie- za individual o subensamblaje de piezas junto con las marcas de asignación de transporte o de montaje, de modo que los trabajadores del acero puedan identificar y ubicar rápidamente a los miembros en su posición correcta en la estructura. (Frecuentemente, a las personas que realizan el montaje del acero se les llama herreros de obra, que es un nombre que se conserva desde los días anteriores al acero estructural.) Generalmente se pintan indicaciones respecto a la dirección en las caras de las columnas (norte, sur, este y oeste). Algunas veces los planos de montaje dan las dimensiones de los miembros, pero esto no es necesario. Esto puede o no mostrarse, dependiendo del fabricante en particular. Figura 1.11 Parte de un dibujo de detalles. 1 2 1 2 1 4 1 1 2 1 1 4 2 Corte 5 7 8 15'–9 7 8 15'–9 1 4 32'–1 1 2 5 1 4 2 3 3 3 3 Viga B4 F6 W16 ⫻ 40 ⫻ 32'⫺0 1 4
  • 42. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.13 Suministro de estructuras de acero 29 Las vigas, trabes y columnas se indicarán en los planos por las letras B, G o C seguidas por el número de miembro particular como B5, G12, etc.A menudo, habrá varios miembros con esas mismas designaciones cuando los miembros se repiten en el edificio. Los marcos de acero de múltiples pisos suelen tener varios niveles con sistemas de estructuración idénticos o casi idénticos. De esta manera, puede usarse un plano de montaje para varios pisos. Para tales situaciones, las designaciones de los miembros de las columnas, vigas y trabes tendrán los números de nivel incorporados en ellos. Por ejemplo, la columna C15 (3-5) es la columna 15, tercero a quinto pisos, mientras que B4F6 o sólo B4 (6), repre- sentan la viga B4 para el sexto piso. En la Figura 1.12 se muestra una porción de un dibujo de montaje de un edificio. Enseguida describimos brevemente el montaje de los miembros de acero estructural de un edificio.Inicialmente,un grupo de herreros de obra,algunas veces llamado la“pandilla de levantamiento”, monta los miembros de acero, instalando solamente un número suficiente El Vestíbulo del Arco Redondo en el centro de exhibición en Leipzig, Alemania. (© Klaws Hackenberg/Zefa/Corbis. Usado con autorización.)
  • 43. 30 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega de pernos para mantener a los miembros en su lugar. Además, colocan tirantes donde sea necesario para la estabilidad y el aplomo del marco de acero. Otro grupo de herreros de obra, a quienes algunas veces se les llama la “pandilla del detalle”,instala los pernos restantes,realiza cualquier soldadura de campo que sea necesaria, y termina el aplomo de la estructura. Después de haber terminado los dos últimos pasos, otra brigada instala la cubierta de metal para el piso y para las losas del techo. Éstas a su vez son seguidas por la brigada que coloca el refuerzo de concreto y el concreto necesarios para estas losas.12 1.14 EL TRABAJO DEL DISEÑADOR ESTRUCTURAL El diseñador estructural distribuye y dimensiona las estructuras y las partes de éstas para que soporten satisfactoriamente las cargas a las que quedarán sometidas. Sus funciones son: el trazo general de la estructura, el estudio de las formas estructurales posibles que puedan usarse, la consideración de las condiciones de carga, el análisis de esfuerzos, deflexiones, etc., el diseño de los elementos y la preparación de los planos de diseño. Con más exactitud, la palabra diseño se refiere al dimensionamiento de las partes de una estructura después de que 12 A. R. Tamboli, editor, Steel Design Handbook LRFD Method (Nueva York: McGraw-Hill, 1997), pp. 12-37. 24'–0 20'–0 48'–0 28'–0 24'–0 96'–0 B9 B10 B5 G1 B6 B1 B2 G3 G5 G2 G4 G6 Planta del sexto piso Elevación de piso terminado ⫽ 74'-3" Parte superior del acero, 6” debajo del piso terminado. Figura 1.12 Parte de un dibujo de montaje que muestra dónde debe localizarse cada miembro.
  • 44. Alfaomega Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak 1.16 Diseño económico de miembros de acero 31 se han calculado las fuerzas, éste será el proceso que se enfatizará a lo largo del texto, usando como material de construcción el acero estructural. 1.15 RESPONSABILIDADES DEL INGENIERIO ESTRUCTURISTA El ingeniero estructurista debe aprender a distribuir y a proporcionar las partes de las es- tructuras de manera que puedan montarse prácticamente, que tengan resistencia suficiente y que sean razonablemente económicas. Estos conceptos se analizan brevemente a conti- nuación. 1.15.1 Seguridad Una estructura no sólo debe soportar con seguridad las cargas impuestas, sino soportarlas en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas ni alarmen a los ocupantes o causen grietas de aspecto desagradable en ella. 1.15.2 Costo El proyectista siempre debe tener en mente la posibilidad de abatir los costos de la cons- trucción sin sacrificar la resistencia. A lo largo de este texto se analizan algunos aspectos de construcción que incluyen el uso de elementos de tamaño estándar, conexiones y detalles simples, y miembros y materiales que no requieran un mantenimiento excesivo a través de los años. 1.15.3 Factibilidad Otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin mayores pro- blemas. Los proyectistas necesitan conocer lo relativo a los métodos de fabricación y deben adaptar sus diseños a las instalaciones disponibles. También deben aprender todo lo relativo al detallado, la fabricación y el montaje de campo de las estructuras. Entre más sepan sobre los problemas, tolerancias y holguras de taller y campo, mayor será la posibilidad de que sus diseños resulten razonables, prácticos y económicos. Este conocimiento debe incluir información relativa al transporte de los ele- mentos estructurales a la obra (por ejemplo, el tamaño máximo de las partes que pueden transportarse por camión o ferrocarril en forma práctica), así como la disponibilidad de mano de obra y el equipo disponible para el montaje. Quizá el proyectista debe hacerse la pregunta:“¿Podría yo montar esta estructura si me enviaran a montarla?” Por último, debe dimensionar las partes de la estructura de manera que éstas no inter- fieran con las partes mecánicas (tuberías, ductos, etc.), o arquitectónicas. 1.16 DISEÑO ECONÓMICO DE MIEMBROS DE ACERO El diseño de un miembro de acero implica mucho más que el cálculo de las propiedades requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero que tenga tales propie- dades.Aunque a primera vista parece que este procedimiento ofrece los diseños más econó- micos, deben considerarse muchos otros factores.
  • 45. 32 Capítulo 1 Introducción al diseño estructural en acero Diseño de Estructuras de Acero – McCormac/Csernak Alfaomega Actualmente, se considera que los costos de mano de obra implicados en la fabricación y montaje del acero estructural son cercanos al 60% de los costos totales de las estructuras de acero. Por otro lado, los costos de materiales representan sólo aproximadamente el 25% de los costos totales. Así, podemos ver que cualquier esfuerzo que hagamos para mejorar la econo- mía de nuestro trabajo en el acero estructural debe concentrarse principalmente en el área de la mano de obra. Cuando los diseñadores consideran los costos, tienen la tendencia a pensar solamente en las cantidades de los materiales. Como resultado, algunas veces diseñan cuidadosamente una estructura con los miembros más ligeros posibles y terminan con algunas situaciones de mano de obra muy cara con solamente ahorros menores en los materiales. Entre los múltiples factores que deben considerarse para suministrar estructuras de acero que sean económicas están los siguientes: 1. Una de las mejores maneras de obtener la economía es contar con una comunicación abierta entre los proyectistas, fabricantes, montadores y otros que intervienen en un proyecto específico. Si esto se hace durante el proceso de diseño, pueden emplearse Montaje de la estructura de acero del edificio Transamerica Pyramid en San Francisco, CA. (Cortesía de Kaiser Steel Corporation.)