estructuras de acero

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FA.C::LJLTA.D DE INGENIERIA. LJ_N_A._I\II_
DIV!SIC>N DE EDUC:::A.C:::IC>N CONTINUA.
CURSO_ CA APLICACIONES
029
DE NORMAS Y
ESPECIFICACIONES DE USO
E!~
MÉXICO PARA EL DISEÑO DE·
ESTRUCTURAS DE ACERO
Del 23 de junio al 4 de julio del 2003
Tema
INTRODUCCIÓN
EXPOSITOR: M. en l. Ismael Vázquerz Martínez.
PALACIO DE MINERÍA
JUNIO DEL 2003
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Palas1o dt: Mtnería Catle dé Tacuoa 3 Prtmer ptso Deleg Cuauhtémoc 06000 MP.ttco F APDO Postal M-2285 ·•
T~lefonos. 5512-895:3 551::!-512" 55:'1--;'335 5521-1987 Fa)l 5510-0573 . '5521-4021 AL25 ...
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"APLICACIÓN DE NORMAS Y ESPECIFICACIONES DE USO EN MÉXICO
'·
PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO"
por M. en I. Ismael V ázquez Martínez
l. Introducción:
En el pasado la práctica del diseño de estructuras metálicas en México se limitaba
básicamente a cre:rr edificios que satlsfacieran los Reglamentos de Construcción vigentes
sin tener en cuenta sustantivamente muchas consideraciones que simplifican la
fabricaci-ón y montaje de las propias estructuras. Así , ·el estado actual del arte, en cuanto
al ~ de estructuras metálicas se refiere debe ser regido por criterios que asocien la
segundad de las mismas con la facilidad de fabricación y montaje. y en consecuencia con
la economia del proyect-;;-.- -··---··
En la actualidad, el tiempo para la fabricación y montaje de estructuras metálicas
se ha reducido de manera muy importante gracias a los siguientes factores:
a) El uso de pro~ramas de cómputo que permiten la el:lboración de un análisis y
diseño en forma tndimensional de manera racional v eficiente.
b) La utilización de programas que permiten e_l_~odelado de la estructura en
forma tridimensional para la elaboración de los planos de fabricación y
~)
montaje de manera automatizada.
e) La ·iatiñ.cación de estructuras metálicas con técnicas C.N.C.(Computerized
Numeric Control) con procesos automatizados de fabricación como corte en
frío con sierra, taladrado. marcado. y corte térmico. Cabe señalar que para el
total aprovechamiento de las máquinas C.N.C. se requiere de un congruente
dis~ñ()_ de conexiones de los diversos elementos_que componen la estructura.
Para tal efecto. es práctica común el diseño de conexiones totalmente
atornilladas ·en campo logrando además una eticiente solución de montaje.
Aunado a lo anterior, el costo del acero estructural se ha visto reducido en los
últimos años, factor que lo hace aún más competitivo frente a las estructuras de concreto.
A pesar de todo lo antenor en nuestro país la estructura metálica no es tan frecuentemente
utilizada como en ()tras naciones. Tal vez esto se deba a una falta de informac10n tanto de
los dueños de los inmuebles como de los constructores de los mismos. Es labor del
Ingeniero Estructurista convencer tanto a los inversionistas como a los arquitectos de las
ventajas que ofrece la estructura metálica y entre otras podemos mencionar las siguientes:
l. Claros más grandes: Las estructuras de acero estructural permiten construir
fácilmente espacios de hasta 12 m x 12 m y aún más grandes, lo cual le
proporciona flexibilidad al propietario para la disposición de oficinas. ,,
2 ..C olumnas más pequeñas: Las columnas de acero son más pequeñas que las de
concreto. Esto posibilita el uso más eficiente del espácio disponible y obstmye
menos la visibilidad.
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3. Requerimientos m mimos para muros de carga o amstramientos diagona!.es:
Las estructuras de marcos resistentes a momento eliminan la necesidad de
arriostramiento por un costo mínimo en edificios de baJa a mediana altura.
Esto trae como consecuencia mayor t1exibilidad para el uso del espacio y
menos limitaciones para la colocación de ventanas y puertas.
4. Flexibilidad de diseño económico: claros grandes, vigas voladizas, paredes
oblicuas, aberturas en el p1so. características estéticas especiales y cargas
in usuales pueden acomodarse sin inconveniente utilizando acero.
5. Facilidad para la modificación v renovación: Si en el futuro se añaden cargas
. adicionales a la estructura. el acero puede reforzarse fácilmente para que
soporte el peso adicional. De la misma manera se puede construir nuevas
aberturas en el piso para elevadores, escaleras y otros requerimientos
mecánicos y arquirectómcos.
6. Tiempo reducido de construcción: Las estructuras de acero pueden adquirirse,
fabricarse y levantarse rápidamente. La facilidad con la que se puede diseñar y
's e
construir con perfiles de acero ptesta para la construcción acelerada.
7. R_e_ducción de los costos de los cimientos: El menor peso de acero requiere de
cimientos más pequeños y menos costosos.
8. Reducción de los costos de financiamiento: En vista de que las ·estructuras de
acero pueden erigirse más rápidamente, él edilicio podrá ser ocupado más
pronto lo cual reduce los costos generados por el pago de intereses. Además si
existen oficinas de alquiler en el proyecto, el flujo de ingresos por tal concepto
empezara más pronto.
9. Desempeño supenor durante movimientos sísmicos: La ductilidad que
caractenza el acero lo convierte en el material más adecuado y económico
para resistir terremotos. Ei propietario debe tomar en cuenta cuán segura es la
estructura y que porcentaje de ella es recuperable después de un terremoto.
Las estructuras de acero maximizan estos dos factores.
lO. Completo reciclaje: La mayor parte del acero que se vende hoy en día ha sido
reciclado, y prácticamente todo el acero obtenido de demoliciones es
reciclable en un l 00%.
II. Criterio de Diseño:
El Reglamento de Construcciones del Distrito Federal de agosto de 1993-'
(RCDF'93) y sus Normas Técmcas ·complementarias para Diseno y Construcción de J
Estructuras Metálicas (NTC-EM) consideran como criterio de diseño el de "Estados
Limite" tal y como se seiiala en el Art. 182 que especifica que: "Toda estructura y cada
una de sus partes deberán diseiiarse para cumplir con los requisitos básicos siguientes:
i) Tener seguridad adecuada contra la aparición de todo estado límite de
falla posible· ante las combinaciones de acciones más desfavorables que
que puedan presentarse durante su vida esperada, y
i i) No rebasar ningún estado limite -de servicio ante combinaciones de
acciones que corresponden a condiciones normales de operación.
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___ ,......_,_, ......... --.- --.1
).
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Se define como estado límite de falla al agotamiento de la capacidad de carga de
la estructura. Para venficar que no se llegue al estado límite de falla en algún elemento
estructural se debe cump !ir con la siguiente expresión:
Donde:
F R = Factor de Reducción de la Resistencia < 1.0
R., = Resistencia de Diseño
F, = Factor de Carga 1. o
~
F," = Fuerza o Momento actuante.
Se define como estado límite de serviciQ a la ocurrencia de desplazamientos,
agrietamientos, vibraciones o daños que afecten el correcto funcionamienJQ....d.~la
edificación. pero que no perjudiquen su capacidad para soportar cargas.
El Art. 134 del RCDF'93 señala que para efectos de deformaciones no se deberán
exceder los valores siguientes:
a) Para tlecha vertical (fracción l del Art 134 ): "Ur ía !lecha vertical. incluyendo
los efectos a largo plazo, igual al claro entre 240, más 0.5 cm."
b) Para deflexión horizontal (fracción li del Art. 134): "para diseño sísmico se
)
observará lo dispuesto en los articulas 209 a 211 de este Reglamento."
A su vez el Art. 209 del RCDF'93 especitica que los desplazamientos laterales
"no excederán de 0.006 veces la diferencia de elevaciones correspondientes, salvo que los
elementos incapaces de soportar deformaciones aprecmbles, como los muros de
mampostería, estén separados de la estructura principal de manera que no sufran daños
por las deformaciones de ésta. En tal caso el límite en cuestión será de 0.0 12."
Además las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo en su
sección 4.1 señala que: "Las deformaciones se calcularán multiplicando por Q las
cuasadas por las fuerzas sísmicas reduc1das cuando se emplee el método estáttco· de
análisis ... "
El RCDF'93 permite el uso de otros criterios de diseño como se sú..:¡.la en su Art.
195 en donde se especifica lo siguiente: "Se podrán emplear cnterios de diseño diferentes
de los especificados en este capitulo y en las Normas Tecmcas Complementanas ~
justifica, a satisfacción del Departamento, que los procedimientos de diseño empleados
dan lugar a niveles de seg!o!rid"-<;1. no menores gue los que se obtengan em¡?Tean_d9_ios
previstos en este Ordenamiento, tal justificación deberá realizarse previamente a la
solicitud de la licencia.
En Estados Unidos de Norteamérica exiten dos Reglamentos que son los más
usados para el diseño de estructuras metálicas; estos son los siguientes:
3
a) "Load and Resistance F:lctor Desim" (LR.F.D.): que podría traducirse como
diseño con carga v resistencia factorízada que sigue el mismo cmerio de
diseño del RCDF"93 aunque con diferentes factores. Para este Reglamento
también es aplicable la siguiente expresión para la revisión de los estados
límite de falla:
b) "Allowable Stress Design" (A.S.D.): que podría traducirse como diseño por
esfuerzos admisrbles que se podría explicar con la sigmente expresión:
f,dm>f,ct
Donde:
faom = Esfuerzo admisible
f,c, = Esfuerzo actuante
Cabe mencionar que este Reglamento A.S.D. da un diseño más conservador que
con el L.R.F.D. En la actualidad. de los dos Reglamentos antes mencronados el que se
utiliza con más frecuencia en Estados Unidos es el L.R.F.D. ·
III. Clasificación de las Construcciones:
El Art. 174 del RCDF'93 hace distinción entre los diferentes grupos de
construcciones de acuerdo a su imponancia:
i) Grupo A: "Edificaciones cuya falla estructural podría causar la pérdida de
un número elevado de VIdas o pérdidas económicas o culturales
excepcionalmente altas o que constituyan un peligro significativo por
contener sustancias tóxicas o explosivas, así como edificaciones cuyo·
funcionamiento es esencial a raiz de una emergencia urbana ... "
ii) Grupo B: "Edificaciones comunes destmadas a vivrenda. oficinas y locales
comerciales. hoteles y construcciones comerciales e industriales no
incluidas en el Gmpo A. las que se subdividen en:"
a) Sub grupo B l: Edificaciones con altura h >=30m. y área A >=60..~0 m2,
para zonal y li o con altura h >= 15m, y área A >=3000 m2, para zor¡a III.
}
b) Subgrupo B2: Las demás de este grupo.
A su vez las NTC-EM hace una categorización de las edificaciones en el capítulo
1.3 de acuerdo a su tipo de estmcturación:
i) Estmcturas tipo 1: Marcos rígidos o estructuras continuas con
conexiones rígidas.
4
ii) Estructuras tipo 2: Estructuras con conexiones que permiten rotacwnes
relativas.
IV. Acciones:
a) Permanentes
b) Variables
a) Accidentales
Tipos de Carga:
C.M. = Carga Muerta
C.V. =Carga Viva Máxima
C.V.R. =Carga Viva Reducida
SIS =Sismo
VIE =Viento
GRA = Granizo
NlE =Nieve
Factores de Carga:
1.4 Carga Gravitacional lA (C. M .... C V.)
1.5 Grupo A
1.! Cargas Sísmicas !.1 (C.M. + C.V.R. + S!S)
0.9 Viento
V. Cargas por sismo:
Artículo 203: .A.nál1sis bajo la acción de dos componentes horizontales
ortogonales no simultáneas.
Artículo 205: Zonas Sísmtcas.
Tipo 1: Terreno Firme
Tipo ll: Suelo de baja rigidez
Tipo Ill: Arcillas blandas
VI. Análisis del Edificio Protottpo:
Análisis estructural con el programa ET ABS (Extended Three Dimensional
Analysis ofBuilding Systems) .
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Comparación de Precios entre 1982 y 1995
100%
Madera
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Concreto
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Material
Información obtenida de "Myths and Realities of
Steel Buildings" publicado por et AISC
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