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Ensayo - Construcción de Estructuras de Acero
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Ensayo - Construcción de Estructuras de Acero

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  • 1. 2065020-42418075565-6032504239895-659130INSTITUTO TECNOLÓGICODe VillahermosaCarrera: AUTOTEXT " En blanco" * MERGEFORMAT Ingeniería CivilAsignatura:Construcción de Estructuras de AceroCatedrático:Ing. Noemí Méndez de los SantosGrupo Escolar:MCI0702A Semestre:VIIINo. De Control:06300935Nombre del Alumno:Hernández Pérez Edgar LorenzoEquipo:2Ensayo:Diseño de edificios de acero Villahermosa, Tabasco, a TIME @ " dd' de 'MMMM' de 'yyyy" 03 de junio de 2010.<br />DISEÑO DE EDIFICIOS DE ACERO<br />Los edificios considerados de poca altura incluyen casas habitacionales, edificios de oficinas, almacenes, escuelas y edificios de instituciones que no son muy altos con respecto a sus dimensiones laterales menores. La división entre edificios de poca altura y edificios con gran número de pisos, se establece no en función de la altura real de los edificios, sino tomando en cuenta el efecto de las fuerzas del viento. La regla empírica común es que si la altura del edificio no es mayor de dos veces su dimensión lateral menor, son innecesarias las medidas contra las fuerzas de viento. Para construcciones con la relación indicada, las paredes y divisiones probablemente proporcionan suficiente resistencia contra las fuerzas del viento, excepto en circunstancias especiales. Sin embargo, dicha regla puede ser peligrosa. Todo estructura debe considerarse con base en sus dimensiones, ubicación, estructuras aledañas, etc. Sólo entonces debe tomarse la decisión respecto al uso de soportes laterales o arriostramientos.<br />Los edificios de oficinas, los hoteles, los condominios, y otros edificios de muchos pisos son bastante comunes en México, y la tendencia es hacia un número mayor de edificios altos en el futuro. El terreno para edificación en nuestras ciudades altamente pobladas se está haciendo cada vez más escaso y los costos se están haciendo cada vez más elevados. Los edificios altos requieren de una superficie menor de estos terrenos caros para suministrar el espacio de piso requerido. Otros factores que contribuyen al creciente número de edificios de muchos pisos son nuevos y mejores materiales y técnicas de construcción.<br />Ya sea que un edificio de varios pisos se utilice para oficinas, hospitales, escuelas, departamentos, etc., sus problemas de diseño son generalmente los mismos. La construcción será del tipo de entramado, en el cual las cargas se transmiten a la cimentación por medio de un sistema de vigas y columnas de acero. Las losas de piso, divisiones y muros exteriores, quedan apoyados en el entramado. Este tipo de entramado, que se puede llevar a grandes alturas, puede también nombrarse “ construcción de vigas y columnas”. En los edificios de muchos pisos generalmente es necesario tener protección contra el fuego, recubriendo los miembros de la estructura con concreto, yeso o algún otro material. Para edificios altos y pesados, las zapatas de cimentación comunes pueden resultar insuficientes para transmitir las cargas. Si la capacidad de carga del terreno es alta, pueden ser suficientes zapatas a base de emparrillado de acero; pero, para terrenos deficientes es probable que se necesitan pilotes o dados de cimentación.<br />(McCormac, 2002)Las estructuras de acero para edificios se clasifican de acuerdo con su tipo de construcción en uno de los cuatro grupos siguientes: apoyada en muros de carga, reticular, estructuras para grandes claros y combinada de acero y concreto. En un mismo edificio pueden utilizarse más de uno de estos tipos de construcción. Cada uno de ellos se estudia brevemente en los siguientes párrafos.<br />Estructura apoyada en muros de carga<br />La construcción a base de muros de carga es el tipo más común de construcciones comerciales ligeras de una planta. Los extremos de las vigas, viguetas o armaduras ligeras se apoyan sobre los muros, que a su vez transmiten las cargas a los cimientos. La práctica antigua engrosaba los muros al aumentar la altura de los edificios. Por ejemplo, el muro en el piso superior de un edificio podría ser de uno o dos ladrillos de espesor, en tanto que en los muros interiores podrían incrementarse en su espesor a razón de un ladrillo por piso. Se pensaba que este tipo de construcción tenía un límite comercial de dos o tres pisos. Se han llevado a cabo un gran número de investigaciones en las décadas recientes relativas a la construcción con muros de carga y se ha descubierto que los muros de carga delgados pueden ser bastante económicos en edificios de hasta diez o 20 niveles o aún mayores.<br />(McCormac, 2002)El ingeniero medio no es persona muy conocedora del tipo de construcción con muros de carga y a menudo desea que se estructure a base de marcos de acero o de concreto, ahí en donde la construcción de muros de carga puede ser la solución económica y satisfactoria. La construcción de muros de carga no es muy resistente a cargas sísmicas y tiene desventajas de montaje para edificios de más de un piso; en tales casos es necesario colocar los miembros estructurales de acero piso por piso, y alternar el trabajo de albañiles y montadores.<br />Debido a que la resistencia de los muros al aplastamiento es relativamente baja, con frecuencia se necesitan placas de apoyo en los extremos de las vigas o armaduras ligeras que descansen en los muros de mampostería. Aunque teóricamente los patines de la viga ofrecen en muchas ocasiones apoyo suficiente sin necesidad de placas de carga, a menudo se utilizan las placas de apoyo, en particular donde los miembros son de tamaño y peso tales, que debe colocarlos un montador de estructuras de acero. Generalmente las placas se embarcan sueltas, y las colocan en los muros los albañiles. La colocación en posición y elevación correctas es una parte muy crítica de la construcción. Si no se colocan apropiadamente habrá cierta demora para corregir su posición. Si se utiliza un montador, tendrá que hacer un viaje extra al lugar de la obra.<br />Cuando los extremos de una viga se empotran en un muro de mampostería, es conveniente algún tipo de ancla para evitar que la viga se mueva longitudinalmente con respecto al muro. Las anclas comunes son barras de acero dobladas que pasan a través de las almas de las vigas; éstas se llaman anclas de pared. Ocasionalmente se usan ángulos de sujeción añadidos al alma, en lugar de las anclas de pared. Si se previeran cargas longitudinales de magnitud considerable, pueden utilizarse pernos normales de anclaje vertical en los extremos de la viga.<br />Para construcciones pequeñas, ya sean comerciales o industriales y cuando los claros no son mayores de diez metros, la construcción con muros de carga es bastante económica. Si los claros son más grandes, se hacen necesarios muros más gruesos y utilizar castillos para asegurar la estabilidad. En estos casos, y de ser posible, suele ser más económico usar columnas intermedias.<br />Construcción reticular<br />En la construcción reticular las cargas se transmiten a los cimientos mediante una retícula de vigas y columnas de acero. Las losas de piso, divisiones, muros exteriores, etc., descansan en su totalidad sobre la retícula. A este tipo de estructura que puede montarse a grandes alturas, a menudo se le llama construcción de vigas y columnas.<br />(McCormac, 2002)En la construcción de vigas y columnas, la estructura consta usualmente de columnas espaciadas entre seis y nueve metros, y de trabes principales y vigas secundarias conectadas entre sí, y a las columnas en ambas direcciones, en cada nivel de piso. Las trabes se colocan entre las columnas en la dirección de su espaciamiento mayor, en tanto que las vigas secundarias se conectan a las columnas o trabes en la dirección de menor espaciamiento entre columnas. Con diversos sistemas de piso, pueden utilizarse otros arreglos de vigas y trabes.<br />En la construcción reticular, las paredes descansan sobre la estructura de acero y generalmente se les menciona como muros de relleno o muros ciegos. Las vigas que soportan las paredes exteriores se llaman vigas de fachada. Estas vigas pueden colocarse de manera que sirvan de dinteles para las ventanas.<br />Estructuras de acero de claros grandes<br />(McCormac, 2002)Cuando se hace necesario el uso de claros muy grandes entre las columnas, como en tribunas, auditorios, teatros, hangares o salas de baile, la construcción usual reticular puede no ser suficiente. Si las secciones laminadas W ordinarias fueran insuficientes, podría ser necesario usar vigas con cubreplacas, trabes armadas, vigas de caja, armaduras grandes, arcos, marcos rígidos y otras semejantes. Cuando el peralte está limitado, las vigas con cubreplacas, las trabes armadas o las de caja pueden realizar el trabajo. Si el peralte no fuera crítico, las armaduras serían satisfactorias. Para claros muy grandes, a menudo se usan los arcos y los marcos rígidos. A estos tipos de estructuras se les llama estructuras de gran claro.<br />Estructuras combinadas de acero y concreto<br />En un gran porcentaje de construcciones actuales, se ha utilizado la combinación de concreto reforzado y acero estructural. Si se utilizaran columnas de concreto reforzado en edificios muy altos, tendrían que ser extremadamente gruesas en los pisos bajos y ocuparían demasiado espacio. Generalmente se usan columnas de acero embebidas y ligadas a concreto reforzado y se conocen como columnas compuestas.<br />Tipos de cubiertas para techos<br />Los tipos de cubiertas para la construcción de techos, comúnmente utilizados en los edificios con estructura de acero, incluyen losas de concreto sobre viguetas de alma abierta, techos de cubiertas de acero y diversos tipos de losas de concreto precolado. Para los edificios industriales el tipo de cubierta que predomina actualmente es el sistema a base de tableros de acero rolados en frio. Los otros tipos se utilizan ocasionalmente, pero en general no son capaces de competir económicamente. Entre los factores por considerar en la selección del tipo específico de techo, están: la resistencia, peso, claro, aislamiento, acústica, apariencia inferior y tipo de acabado por utilizarse.<br />(McCormac, 2002)Las diferencias principales entre la selección de losas de piso y losas de techo, probablemente ocurren al considerar resistencia y aislamiento. Las cargas en techos son, en general, mucho menores que las cargas de entrepiso permitiendo, en consecuencia, el uso de muchos tipos de concreto con agregados ligeros, que son mucho menos resistentes. Las losas de techo deberán tener buenas propiedades de aislamiento o deberán tener materiales aislantes sobre ellas y cubiertos por el techado. Entre los muchos tipos de agregados ligeros utilizados se encuentran: las fibras de madera, zonolita, espumas, aserrín, yeso, esquisto expandido, etc. Aunque algunos de estos materiales reducen decididamente la resistencia del concreto, se fabrican con ellos cubiertas de techo muy livianas con propiedades aislantes excelentes.<br />Protección del acero estructural contra el fuego<br />(McCormac, 2002)Aunque los miembros de acero estructural son incombustibles, sus resistencias se reducen bastante cuando quedan expuestos a las temperaturas alcanzadas normalmente durante los incendios. Muchos incendios han ocurrido en edificios vacíos en los que el único combustible para el fuego eran los mismos edificios. Es un hecho que el acero es un excelente conductor de calor y que los miembros de acero no protegidos contra fuego pueden transmitir suficiente calor, de una zona incendiada, para inflamar los materiales con los que está en contacto en zonas adyacentes del mismo edificio.<br />La resistencia al fuego de los miembros de acero estructural puede incrementarse considerablemente aplicándoles cubiertos protectoras de concreto, yeso, fibras minerales por aspersión, pinturas especiales y algunos otros materiales. El espesor y material de protección por usarse depende del tipo de estructura, la probabilidad de que se presente un incendio y de factores económicos.<br />(McCormac, 2002)Los materiales protectores rociados constan usualmente de fibras minerales o compuestos cementantes. Las fibras minerales usadas hasta hace pocos años eran básicamente a base de asbesto. Actualmente el uso de este material se ha descontinuado debido a sus efectos nocivos para la salud y se ha sustituido por otras fibras. Los materiales cementantes protectores contra el fuego están compuestos de yeso, perredista, vermiculita, etc. En ocasiones, cuando se requieren en un edificio de cielos rasos enyesados, es posible colgar a éstos junto con los listones de soporte por medio de alambres anclados en el sistema de piso superior y usar el enyesado como protección contra el fuego.<br />El costo de proteger contra el fuego los edificios estructurados con acero es alta y dañan la competitividad económica del acero frente a otros materiales estructurales. Como consecuencia de esto la industria del acero ha llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones en busca de nuevos métodos de protección. Entre éstos se cuentan el recubrimiento de los miembros de acero con pinturas aislantes y expansivas. Al calentarse a ciertas temperaturas, estas pinturas se carbonizan formando una espuma expansiva alrededor de los miembros. Estas pinturas hinchables turgentes son muy caras. <br />(W. A. Rains, 1976)Otras técnicas consisten en situar algunos de los miembros de acero fuera del edificio, donde no queden expuestos al fuego; en la circulación de líquidos refrigerantes dentro de miembros en forma de caja o tubo. Es probable que se efectuarán en el futuro próximo mayores progresos con éstas y otras ideas para la protección contra el fuego. <br />Estudio de fuerzas laterales<br />Para edificios altos, las fuerzas laterales deben considerarse al igual que las fuerzas verticales. Las fuertes presiones del viento sobre los lados de los edificios altos producen momentos de volteo. Estos momentos lo resisten axialmente sin dificultad las columnas, pero los cortantes horizontales producidos en cada nivel pueden ser de tal magnitud, que sea necesario usar arriostramiento o contraventeo especial, o conexiones resistentes a momentos.<br />Si no se fracturan, los pisos y muros de los edificios altos proporcionan gran parte de la rigidez lateral. Aunque la magnitud de tal resistencia puede ser varias veces la suministrada por el contraventeo lateral, es difícil de estimar y no es digna de confianza. Actualmente hay tantos edificios modernos que tienen divisiones internas movibles y ligeras, muros exteriores de cristal y pisos tan ligeros, que debe considerarse que toda la rigidez lateral la proporcional estructura metálica.<br />Un edificio no sólo debe estar suficientemente contraventeado lateralmente para evitar fallas, sino también para evitar deformaciones que dañan sus partes componentes. Otro detalle de importancia es el suministro de contraventeo suficiente para dar a los ocupantes una sensación de seguridad, pues no se sentirán seguros en los edificios altos que tienen mucho movimiento lateral cuando los azotan vientos de consideración. En la realidad, se ha hablado de ocupantes de pisos superiores en edificios altos, que se quejan de mareos en días de mucho viento.<br />La deflexión horizontal de un edificio debida al viento o a sismo se le llama ladeo. El ladeo se mide con el índice de ladeo, Δ/h, en donde h es la altura o distancia al suelo.<br />Diseño de miembros <br />Cada uno de los miembros de una estructura debe diseñarse para todas las cargas muertos que soporta, pero es posible diseñar algunos miembros para cargas vivas menores que sus valores teóricos totales. Por ejemplo, parece poco probable que en un edificio de múltiples niveles se presente al mismo tiempo y en todos los pisos la carga viva máxima de diseño. Las columnas interiores de un edificio se diseñan para toda la carga muerta encima de ellas, pero quizás sólo para una parte mucho menor del 100% de la carga viva. Algunas especificaciones requieren que las vigas que soportan losas de pisos se diseñen para cargas muerta y viva totales, pero permiten que las trabes se diseñen, bajo ciertas condiciones, para una carga viva reducida.<br />Parte principal en el diseño de un edificio con gran número de pisos, es una tabulación que muestre las cargas que soportarán las diversas columnas, piso por piso. Las fuerzas verticales por gravedad pueden determinarse sin dificultad, en tanto que las fuerzas cortantes, fuerzas axiales y momentos ocasionados por fuerzas laterales, sólo pueden ser aproximados para un diseño preliminar a partir de algún método aproximado. Después de fijar en forma aproximada las dimensiones de las trabes y columnas para una altura de dos pisos, puede hacerse un análisis “exacto” y rediseñar los miembros.<br />Bibliografía<br />Jack C. McCormac, “Diseño de Estructuras de Acero, Método LRFD”, Alfaomega, México DF, 2002, pp. 612-652<br />W. A. Rains, “A New Era in Fire Protective Coatings for Steel”, ASCE, Nueva York, 1976, pp. 80-83<br />

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