CURSO AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARA ESTRUCTURAS DE ACERO
Relator: Sr. Carlos Aguirre A.
Agosto 2006
INSTITUTO CHILENO DEL ACERO INSTITUTO LATINOAMERICANO DEL FIERRO Y EL ACERO
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
1
CURSO “AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARA ESTRUCTURAS DE ACERO” FUNDAMENTOS
La exitosa experiencia de las Especificaciones AISC en el diseño y construcción, desde una primera versión realizada el año 1923, basada en el método en “Tensiones Admisibles” (ASD) ha evolucionado a lo que hoy se denomina el método de diseño en base a “Cargas y Resistencias Factoradas” (LRFD), metodología que fue introducida por primera vez el año 1986. En esta nueva versión, el Comité de Especificaciones del AISC presenta por primera vez un tratamiento unificado, que permite el uso alternativo de ambos métodos de diseño (LRFD y ASD). Además esta nueva norma contiene Disposiciones Sismorresistentes para el Diseño de Estructuras de Acero que se aplican en zonas de actividad sísmica elevada, que es el resultado de la investigación desarrollada con posterioridad a los terremotos de Northridge y Kobe. Esta norma viene a reemplazar las anteriores especificaciones ASD 1989 y LRFD 1999. Históricamente las normas chilenas se basan en sus similares AISC y son complementarias en todos los criterios cuando la norma chilena no contempla un determinado aspecto de diseño. Este curso esta patrocinado por el American Institute of Steel Construction (AISC) y es el primero que se imparte en Sudamérica.
El curso está dirigido a Ingenieros Civiles dedicados al desarrollo de Proyectos Estructurales de toda índole e interesados en en ampliar sus conocimientos conocimientos y conocer los últimos últimos avances en materia del cálculo estructural. estructural. Igualmente, Igualmente, está dirigido a profesores profesores universitarios universitarios y alumnos de las carreras de Ingeniería Civil. agradecen el esfuerzo y dedicación del profesional Sr. Carlos Aguirre A. en la ICHA e ILAFA agradecen preparación de las exposiciones y el presente apunte. El texto ha sido presentado en forma amistosa y esperamos que pase a ser un documento de consulta y apoyo para los ingenieros, docentes universitarios y estudiantes afines durante su práctica profesional. SR. CARLOS AGUIRRE A.
Ingeniero Civil Universidad de Chile, Miembro asesor del Comité de Especificaciones del American Institute of Steel Construction (AISC) y miembro del American Concrete Institute (ACI). Postgrado en Ingeniería Sísmica del Building Research Institute de Japón. Profesor y Director del Departamento de Obras Civiles de la Universidad Técnica Federico Santa María.
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
2
AISC: NUEVAS ESPECIFICACIONES PARA ESTRUCTURAS DE ACERO. ÍNDICE MODULO
CONTENIDO
PÁGINA
I
Criterios de Diseño. Estados Límites. Elementos en Flexión.
4
II
Elementos en Compresión. Pandeo Local. Pandeo Flexo-Torsional.
27
III
Elementos en Flexión. Elementos en Corte.
47
IV
Interacción Flexión - Corte. Flexión Compuesta.
64
V
Seismic Provisions.
76
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
3
§
Criterios de Diseño
§
Estados Límites
§
Elementos en Tensión
§
AISC LRF D, 1999
§
AISC ASD, 1989
Carlos Aguirre E-mail:
[email protected]
OBJETIVOS
§ § §
ORGANIZAN:
Presentar la Especificaci ón AISC 2005 Establecer un Criterio Unificado de Diseñ Dise ño ASD y LRFD Destacar que permanece y que cambia en la normativa
PATROCINAN:
4
AISC 2005 (1/2)
HITOS 1988 AISC - Seismic Provisions 17-01-94 Northridge (M=6,8) 17-01-95 Kobe
(M=7,2)
STRUCTURAL ENGINEER (September-2000) Encuestados: Repuestas : No usan LRFD:
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
600 158 87 (55%)
5
AISC 2005 (2/2) n n
A. B. C. D. E. F. G. H.
ORGANIZAN:
Sí mbolos mbolos Glosario Disposiciones Generales Bases de Diseñ Diseño Aná Análisis de Estabilidad y Diseñ Diseño Elementos en Tensió Tensión Elementos en Compresión Elementos en Flexió Flexión Elementos en Esfuerzo de Corte Interacció Interacción de Solicitaciones, etc.
PATROCINAN:
6
AISC – 2005 1.
Riostras Restringidas Al Pandeo (BRB)
2.
Muros Especiales de Plancha de Corte(SPSW)
3.
Soldaduras de Demanda Crítica.- Soldadura de penetración completa, con requerimientos adicionales de calidad (acabado) y tenacidad (energía medida en ensayo de Charpy a t emperatura especificada).
4.
Zonas Protegidas.- Áreas expuestas a deformaciones inelásticas significativas, que requieren un detallamiento mas prolijo (evitar discontinuidades, eliminar placas de respaldo, reparar defectos de punzonado o corte que causen discontinuidades, no usar conectores de corte, sujeciones no estructurales). En vigas de SMF e IMF, extremos y centro de riostras y links.
AISC – 2005 (4/4)
BRB
ORGANIZAN:
SPSW
PATROCINAN:
7
BASES DEL CRITERIO UNIFICADO La estructura de acero no sabepor que método fue diseñada.
FACTORES UNIFICANTES 1. Los Estados Límites son los mismo cualquiera sea la metodología de diseño que se aplique. 2. La Resistencia Nominal es la misma en todas las Filosofías de Diseño, solo cambian los márgenes de seguridad que se usa. 3. Puede encontrarse una relación directa entre los Factores de Carga y Resistencia y los Factores de Seguridad
ESTADOS LIMITES CONDICION LIMITE A.A.- Estados Lí Lí mites mites Resistentes 1. Fluencia (Tracció (Tracción o Compresió Compresió n) 2. Fractura (Tracció (Tracción o Compresió Compresió n) 3. Pandeo Local 4. Pandeo por Flexió Flexión 5. Pandeo por Flexo Torsió Torsión 6. Volcamiento 7. Fluencia por Corte 8. Inestabilidad por Corte 9. Resistencia Unión (perno, soldadura, aplastamiento, etc.) B.- Estados Lí mites mites de Servicio Deformación, vibraciones, corrosi ón, fuego, etc.
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
Tensió Tensión Resistencia
σn
-------
R n FyAg FuAn ------Fcr Ag ------Fcr S τ yAw τcrAw -------
-------
-------
Fy Fu ------Fcr ------Fcr
τy τcr
8
ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (1/4) No involucran colapso, están asociados a daños locales de la estructura, deterioro o deformación de las componentes y a la comodidad de los ocupantes Si no se las considera en el diseño, pueden dar lugar a costosas reparaciones 1. DEFORMACION EXCESIVA.- Apariencia, drenaje, transferencia de carga a elementos no estructurales. 2. VIBRACIÓN EXCESIVA.- Actividad en el edificio, equipos mecánicos o efecto de viento, comodidad de los ocupantes y fallas de funcionamiento. 3. DAÑO LOCAL EXCESIVO.- Efectos locales de: fluencia, pandeo, deslizamiento de conectores o fracturas o deterioro (corrosión, desgaste)
Los valores límites para verificar la condición de servicio debieran ser determinados por un equipo: dueño usuario arquitecto ingeniero. La verificación bajo cargas de servicio pueden considerar solo una fracción de la carga nominal de diseño (ASCE 7, Minimum Design Loads for Buildings and other Structures)
ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (2/4) 1. DEFECTOS DE FABRICACION (curvatura, excentricidad, etc.).- Indicar en planos si incide en funcionamiento de la estructura. 2. DEFORMACIONES.- Debidas a cargas gravitacionales (peso propio, nieve), efectos térmicos y asentamientos. Límites según uso y funcionamiento, valores usuales son: a. L/240 en techos b. L/360 en pisos c. 3/8” si hay tabiques frágiles (independiente de L) 3. DISTORSION LATERAL.- Bajo cargas de servicio y bajo cargas de diseño para evitar colisión. (1/600 ∆/h 1/400 y 3/8” para elementos no estructurales frágiles) 4. VIBRACIONES (maquinaria, personas, etc.) 5. MOVIMIENTO DEBIDO A VIENTO.- La aceleración Media Cuadrática no debe exceder 21 mili-g (Edificios Comerciales) y 15 mili-g (Edificios Residenciales) para un viento con período de recurrencia de 10 años). 6. DILATACIONES Y CONTRACCIONES 7. DESLIZAMIENTO DE LAS CONEXIONES
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
9
ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (3/4) Nº
DEFORMACIONES ADMISIBLES (Manual ICHA) ∆/L Elemento Notas VERTICALES
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Planchas onduladas de techo. Planchas onduladas de techo. Costaneras. Vigas corrientes de piso. Vigas que soportan cielos es tucados. Porta grúas soldadas o laminadas. Id. remachadas o apernadas. Vigas porta grúas de acero. Cerchas, vigas enrejadas. Vigas de equipo vibratorio. (*) Vigas de piso c olaborante.
1/120 1/240 1/200 1/300 1/350 1/450 1/600 1/1000 1/700 1/800 1/180
Carga total. Sobrecarga únicamente.
Efecto de la sobrecarga. Salvo indicación del fabricante Con hormigón fresco.
HORIZONTALES 12 13 14 15
Planchas onduladas de muro. Costaneras de muro. Columnas de viento. Vigas porta grúa.
1/100 1/100 1/200 1/500
Steel Design Guide N° 3: Serviceability Design Considerations for Steel Buildings (2003)
ESTADOS LIMITES DE SERVICIO (4/4) DEFORMACIONES LATERALES (Manual ICHA)
ORGANIZAN:
∆ 0,002H
§
Cargas Sísmicas en Edificios (NCh 433):
§
Cargas Sísmicas en Est. Industriales (NCh 2369): ∆ 0,015H/R
§
Viento (USA, 10 años de período de retorno):
PATROCINAN:
∆ 0,0025H
10
FORMULACION UNIFICADA Método LRFD Ru
Método ASD
≤ φ ⋅ Rn
Ra
≤ Rn / Ω
R n : Resistencia Nominal definida por Estado Límite (fluencia, pandeo, etc.) R u : Resistencia Requerida (LRFD) φ : Factor de Resistencia φR n : Resistencia de Diseño
R a : Resistencia Requerida (ASD) Ω : Factor de Seguridad R n/Ω: Resistencia Admisible
LRF D calibrado respecto ASD para estado de carga 1,2D+1,6L con L/D=3 En zonas de alta sismicidad deberá aplicarse las AISC Seismic Provisions
ELEMENTO EN TENSION (1/2) R n= Aσy
R n=A σy Tensión Límite
E =200.000 MPa
Resistencia Nominal
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
11
ELEMENTO EN TENSION (2/2) 1) ASD Resistencia Requerida Resistencia Admisible
R Ra = D + L ≤ n
Ωt
F y A g F y A g
=
Ωt
=
1,67
Tensión Admisible
= 0,60 F y A g
2) LRFD Resistencia Requerida Resistencia de Diseño
Ru
= 1,2 D + 1,6 L ≤ φt ⋅ Rn = φt ⋅ F y ⋅ A g = 0,9 ⋅ F y ⋅ A g
FACTOR DE CARGA EFECTIVA CALIBRACIÓN CON ASD EN LRFD 1986 (para L/D=3,0) LRFD: 1,2D+1,6L
γ
ASD: γ (D+L) 1,60 1,50 1,40 1,30
γ =
ORGANIZAN:
L D
1,20 + 1,60 L 1+ D
1,20
= 1,50
1,10
L/D
1,00 0
1
2
3
PATROCINAN:
4
5
6
7
8
9
10 11 12
12
CRITERIOS COMPARATIVOS (1/4) ASD
ASD
A llo wa bl e Str ess D es ign
∑ σ i ≤ σ ad = i
LRFD
A llowabl e Strength D esi gn
σn Ω
è
∑ R ≤ R i
ad
i
= Rn Ω
Load and Resista nce Factor Design
∑ λ * Q ≤ R i
i
d
= Φ * Rn
i
è
R n = Ag Fy
Tracción o Compresión
R n = An Fu Tracción o Compresión R n = AgFcr Pandeo R n = τcr Aw Pandeo Alma Mn = ZxFy Rotulación Plástica, etc.
CRITERIOS COMPARATIVOS (2/4) ASD
LRFD
D+L R a=R n
1,2D+1,6L R d R n
MD+ML Ma=WFy / 1,67 S*σ
1,2MD+1,6ML R d=0,9 R n
S*0,60Fy L
1,2 + 1,6 L D Ω1 + =
ORGANIZAN:
D
Φ
=0,90 è
PATROCINAN:
= 1,67
è
L/D = 3
13
CRITERIOS COMPARATIVOS (3/4)
Si L/D = 3 è
1 , 50 Ω=
φ
Ejemplo: =0,90 è =1,67
CRITERIOS COMPARATIVOS (4/4)
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
14
COMBINACIONES DE CARGAS ASCE 7-02 Secciones 2.3 (LRFD) y 2.4 (ASD)
Nº
LRFD
ASD
1 1,4D 2 1,2D+1,6L+ 0,5(Lr o S o R) 3 1,2D+1,6 (Lr o S o R) +(0,5L o 0,8W)
D D+L D+(Lr o S o R)
4
1,2D+1,6W+0,5L+0,5(Lr o S o R)
D+0,75L+0,75(Lr o S o R)
5
1,2D±1,0E+0,5L+0,2S
D ± (W o 0,7E)
6
0,9D ± 1,6W
D+0,75(W o 0,7E)+0,75L+0,75(Lr o S o R)
7
0,9D ± 1,0E
0,6D ± (W o 0,7E)
Si dos o mas cargas eventuales actúan simultáneamente, solo una de ellas desarrolla su valor máximo y las restantes un valor arbitrario en el tiempo. Los factores de cargas permiten usar solo cargas nominales, ajustando las diferencias. D: Carga Muerta - L: Carga Viva - W: Carga de viento - E : Carga Sísmica Lr: Carga Viva en Techo - S : Sobrecarga de Nieve- R: Carga inicial de lluvia o hielo
SEGURIDAD
γ =
1,20 + 1,60
L
D
1+
L D
γ
• ASD Ø
Ø
Mediante el Factor de seguridad Factor de Seguridad no depende del tipo de carga
• LRFD Ø
Ø
Mediante los factores de resistencia y de carga Factores dependientes del tipo de carga y la combinación
1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10
L/D
1,00 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Factor de Carga Efectiva - Estado de Carga (2)
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
15
B.- REQUERIMIENTOS DE DISEÑO CONEXIONES M
K s
= 20 EI L
TIPOS DE CONEXIONES
FR Mpv PR K s
0,20Mpv
Ø
Conexiones Simples (SA)
Ø
Conexiones a Momento §
Completamente Restringidas (F R)
§
Parcialmente Restringidas (PR)
= 2 EI L
SA 0,02
0,03
θ
D.-ELEMENTOS EN TENSION RESISTENCIA NOMINAL ESTADO LI MITE DE FLUENCIA
P n = F y A g
φt=0,90
(LRFD)
Ω t=1,67 (ASD)
ESTADO LIMI TE DE RUPTURA (FRACTURA)
P n = F u Ae
φt=0,75
(LRFD)
Ωt=2,00 (ASD)
Las disposiciones expresadas en Tensiones Admisibles son las mismas de las disposiciones ASD-1989 y en términos de Resistencias Nominales son las mismas de las disposiciones LRF D-1999
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
16
ESTADO LIMITE DE ROTURA Área Neta Efectiva (P n = Fr Ae - Φ=0,75) § §
Área Bruta. Elementos sin perforaciones Área Neta. Elementos c / perforaciones (D=d+1/8) 2 si An = e B − ∑ Di − ≤ 0,85 A g 4 g i i
§
(Cochrane,V. H. - 1922)
Área Neta Efectiva. Vínculos y geometría de la sección (Shear Lag) L
x
U=L /L=(L-x)/L)=1-x/L x
(Munse y Chesson - 1963) Sección Crítica
SHEAR LAG (1/2)
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
17
SHEAR LAG (2/2)
SHEAR LAG D3.1
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
18
SHEAR LAG D3.1 (CONT.)
BLOQUE DE CORTE
Pbs e t r o C
Tensión
Usar menor valor entre:
Rn
=φ(U bs F u Ant + 0.6 F u Anv )
(
Rn =φ U bs F u Ant + 0.6 F y A gv Falla en Tensión y Corte Munse y Chesson, 1963
ORGANIZAN:
)
(φ =0,75 Ω =2,00)
PATROCINAN:
19
EJEMPLO 1 01 - Datos x=0,932
3 a 3 =9
2L3x3x1/2
a) Acero A36 è Fy=36 ksi Fu=58 ksi b) 2L3x3x1/2 è A g =5,5 pulg2 e=0,5 pulg L=11 c) Pernos A325N è d=7/8=0,88 pulg x=0,932 pulg
EJEMPLO 1 02 - Verificación Sección D=d+1/8=7/8+1/8=1 U=1-x/L=0,90 A n=A g-2De=4,50 in2 A e=U A n=4,05 in2 E. LIMITE
R. NOMINAL
R n (kips)
R a=R n/Ω
R d=Φ R n
(ASD - kips)
(LRFD - kips)
1) Fluencia
P n=F y A g
198
119
(Ω=1,67)
178
(Φ=0,9)
2) Rotura
P n=F u A e
235
117
(Ω=2,00)
176
(Φ=0,75)
En ambos casos controla el Estado Límite de Rotura
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
20
EJEMPLO 1 03 Bloque de Corte Resistencia Nominal a) ROTURA EN TENSION b) ROTURA EN CORTE
A n t=A g-De (in2)
A n v=A g-3,5De (in2)
Ag
c) FLUENCIA EN CORTE
(in2)
F u A nt=
58
0,6 F u A nt=
113
0,6 F y A gv=
119
Controla (a) Rotura en Tensión+(b) Rotura en Corte
R n= F u A n t + 0,6 F u A n t =58+113=171 kips Un ángulo
EJEMPLO – 1 04 - Bloque de Corte Admisible y de Diseño
METODO ASD LRFD
Ω−Φ
2R n 342 342
2,00 0,75
R a R d 171 257
Dos ángulos
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
21
EJEMPLO 1 05 Resumen
METODO
TENSION
BL. CORTE
ASD
117
171
LRFD
176
257
En ambos caso el Bloque de Corte no Controla
EJEMPLO 2 01 - Datos
ASTM A992 TD=30 kips TL=90 kips L=25 ft
02.- Resistencia Requerida y Admisible
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
22
EJEMPLO 2 03.- Propiedades del Acero y Sección W8x21 ASTM A992
Fy=50 ksi
Fu=65 ksi
Ag = 6,16 in2
b f = 5,27 in
t f = 0,40 in
d = 8,28 in
r y = 1,26 in
y = 0,831 in (para WT4 x 10,5)
Pn= F y Ag=(50ksi)(6,16 in2)=308 kips
04.- Área Neta Efectiva.1) Conservador U=0,85 para b f = 5,27 d = 8,28 b f < 2d/3 2) Según Expresión: U=1-y/L=1-0,831/9=0,908 è Usar U=0,908 A n=Ag- 4(D+1/16)=Ag-4(3/4+1/16+1/16)=6,16 in2-(14/16)=4,76 in2 Ae=A n U=0,908x4,76=4,32 in2 è Pn= F u Ae=(65ksi)(4,32in2)=281 kips
EJEMPLO 2 05.- Verificación de Resistencia y Esbeltez.LRFD
ASD
Φt=0,90 Ω=1,67 Fluencia: Fluencia: Φt Pn=0,90(308kips)=277 kips > 180 kips Pn/Ω=(308kips)/1,67=184 kips > 120 kips Rotura: Φt=0,75 Rotura: Ω=2,00 Φt Pn=0,75(281kips)=211 kips > 180 kips Pn/Ω=(281kips)/2,00=141 kips > 120 kips L/r = (25,0ft/1,26)(12in/ft) = 23 8 < 300 OK
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
23
EJEMPLO 3 01 - Datos
ASTM A36 TD=20 kips TL=60 kips L=25 ft
¿A partir de que largo el elemento no satisface el límite de esbeltez? 02.- Resistencia Requerida y Admisible LRFD
ASD
P u=1,2(20kips)+1,6(60kips) = 120kips
P a= 20kips+60kips = 80,0kips
EJEMPLO 3 03.- Propiedades del Acero y Sección L4x4x1/2 ASTM A36
Fy=36 ksi
Ag = 3,75 in2 r x = 0,776 in
Fu=58 ksi
x = y = 1,18 in
Pn= F y Ag=(36ksi)(3,75 in2)=135 kips
04.- Área Neta Efectiva.1) Conservador U=0,80 para 4 o mas conectores por línea en dirección esfuerzo 2) Según Expresión: U=1-y/L=1-1,18/9=0,869 è Usar U=0,869 A n=Ag- (D+1/16)t=Ag-(3/4+1/16+1/16)t=3,75 in2-(14/16)(1/2)=3,31 in2 Ae=A n U=0,869x3,31=2,88 in2 è Pn= F u Ae=(58ksi)(2,88in2 )=167 kips
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
24
EJEMPLO 3 05.- Verificación de Resistencia y Esbeltez.LRFD
ASD
Φt=0,90 Fluencia: Φt Pn=0,90(135 kips)=122 kips > 120 kips
Ω =1,67 Fluencia: Pn/Ω=(135 kips)/1,67=81 kips > 80 kips
Rotura: Φt=0,75 Φt Pn=0,75(167 kips)=125 kips > 120 kips
Rotura: Ω=2,00 Pn/Ω=(167 kips)/2,00=84 kips > 80 kips
Largo máximo recomendado: L max = 300rx = (300)(0,776in)(1ft/12in) = 19,4 ft
EJEMPLO 4 01 - Datos Verifique el elemento suponiendo que la placa gusset cumple satisfactoriamente
ASTM A992 TD=40 kips TL=120 kips L=30 ft - L soldad=16
02.- Resistencia Requerida y Admisible
ORGANIZAN:
LRFD
ASD
P u=1,2(40kips)+1,6(120kips) = 240kips
P a= 40kips+120kips = 160kips
PATROCINAN:
25
EJEMPLO 4 03.- Propiedades del Acero y Sección WT6x20 ASTM A992 Ag = 5,84 in2 r x = 1,57 in
Fy=50 ksi
Fu=65 ksi
x = y = 1,09 in
Pn= F y Ag=(50ksi)(5,84 in2)=292 kips
04.- Área Neta Efectiva.Solo Expresión: U=1-y/L=1-1,09/16=0,932 (pues la tabla es muy conservadora) A n=Ag = 5,84 in2 Ae=A n U=0,932x5,84=5,44 in2 è Pn= F u Ae=(65ksi)(5,44in2 )=354 kips
EJEMPLO 4 05.- Verificación de Resistencia y Esbeltez.LRFD
ASD
Fluencia: Fluencia: Φt=0,90 Ω=1,67 Φt Pn=0,90(292 kips)=263 kips > 240 kips Pn/Ω =(292 kips)/1,67=175 kips > 160 kips Rotura: Φt=0,75 Rotura: Ω=2,00 Φt Pn=0,75(354 kips)=266 kips > 240 kips Pn/Ω =(354 kips)/2,00=177 kips > 160 kips L/r = (30,0ft/1,57)(12in/ft) = 229 < 300 OK
ORGANIZAN:
PATROCINAN:
26
