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VIDEO: DISEÑO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS DE ACERO

A continuación, se presenta el video explicado por el ingeniero Eliud Hernandez ZIGURAT GLOBAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY acerca del diseño Sismorresistente de Estructuras de Acero de acuerdo a las normas ANSI 360-341-358.

Ciento diez minutos de información valiosa sobre conexiones y arriostramientos en Estructuras Metálicas!

EL MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES EN EL CÁLCULO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS

El enfoque del método de los Estados Limites, E.L, sustituyó, después de la Segunda Guerra, al método “clásico” de las tensiones admisibles usado hasta entonces, propio de un primer estadio en el desarrollo de la propia ingeniería.

Hoy en día, las dos grandes familias de normativas basadas en los E.L, en el ámbito europeo los Euro códigos, siendo el EC3 específico para las estructuras metálicas, y las normas AISC del American Institut of Steel Construction, en el ámbito americano, se nutren de su filosofía. Las normas para América Latina (incluyendo la NSR-10 aplicable para Colombia), se fundamentan en gran parte en dichas normas internacionales.

Las prestaciones de los materiales, en este caso el acero estructural, en sus diferentes calidades y acabados, pueden verse sometidos a una serie de situaciones de carga que, durante la vida útil de la estructura, los coloquen en una situación comprometida por arriesgada, que pueda llegar a inutilizarla total o parcialmente, o incluso colapsarla.

Haciendo un estudio pormenorizado de los estados en los cuales pueda darse esta situación indeseable e insegura, conviene cuantificar, mediante parámetros objetivos dicha situación, de manera que podamos asegurar un margen de seguridad razonable que la respuesta máxima de la estructura frente a estos Estados Límites, supere la exigencia real que actúa sobre la estructura.

En este enfoque, prima la seguridad estructural en el diseño y el cálculo de la estructura, que se ajusta a los estándares de la sociedad a la cual sirve. ¿Qué quiere decir razonable?, porque aquí está el “quid” de la cuestión.

Sabemos que la seguridad total no existe, y si ésta fuera posible, tendría un costo infinito. Por tanto hemos de llegar a un pacto objetivo de cuánto está dispuesta la sociedad a pagar, para poder asegurar la integridad de las personas, la seguridad en caso de incendio o el correcto uso de las instalaciones.

Por tanto, mientras la seguridad aumenta, también lo hace el costo de implantarla. Por ende, hemos de empezar por fijar, en términos de probabilidad, la posibilidad de errores que puedan ser fatales. 

Por medios estadísticos, podemos definir cuantificadores que nos ajusten estas decisiones que, por su importancia, tienen una repercusión importantísima en términos económicos y de vidas humanas sobre nuestras estructuras.

Del párrafo anterior, deducimos que lo que caracteriza un determinado Estado Límite, es que fijamos un valor concreto para cada situación, tal que si se rebasa, la estructura sufrirá algún tipo de fallo estructural o resistente, que la invalidará para su uso normal, esto es para lo cual se había diseñado.

Como que necesariamente estamos hablando en términos estadísticos, ello supondrá que la probabilidad de que esto ocurra, ha de ser siempre menor que el caso de alcanzar los valores críticos o últimos.

Bajo este punto de vista, las normas adoptan una doble estrategia para introducir la seguridad en el diseño estructural. Si bien el EC, y la norma AISC, utilizan la misma estrategia, su implantación no es exactamente igual, lo cual no deja de ser curioso ya que comparten la misma filosofía.

Prueba de carga de rotura en el acero. Verificación de estados límites

Cuando hablamos de Estados Límites, distinguimos dos grandes familias: los E.L.U y los E.L.S. 

Los E.L.U, Estados Límites Últimos, son aquellos que de ser rebasados, ponen en peligro la estructura volviéndola insegura. Para ello lo que se hace es utilizar coeficientes de seguridad, por dos vías diferentes:

Una vía es sobre las cargas que actuarán sobre la estructura, aumentándolas, ésto es mayorándolas por un coeficiente multiplicador. Ésto implica que, cuando “calculamos” una estructura, precisamente para hacerla “más segura”, no consideramos las acciones que realmente actuarán, sino que aplicamos unas acciones mayores (ficticias), es decir multiplicadas por un cierto coeficiente de seguridad, que a su vez será variable en función de su naturaleza.

Cuanto más improbable es que ocurra, menor será el valor del coeficiente de seguridad, y también éste coeficiente será mayor o menor, en función de la certeza estadística que tengamos al evaluar su magnitud.

Si bien es difícil por ejemplo, saber cuándo lloverá o hará viento, sí sabemos que serán magnitudes variables en el tiempo y en intensidad, de ahí que podamos estimar como más impreciso su valor que frente a cargas muy definidas como la presión de agua en un depósito de 2 metros de altura. Una vez lleno el agua rebosará y por tanto la máxima presión que deberá soportar es la correspondiente a una columna de agua de 2 m., de altura, sin ninguna duda.

Pero además, también introducimos un coeficiente de seguridad, ésta vez de minoración sobre la propia resistencia de los materiales.

De acuerdo con las características del acero, perfectamente conocidas de la rotura de probetas, podemos conocer, con mucha fiabilidad el valor de su tensión última fu, de acuerdo con su curva tensión/deformación.

Pues bien, siendo éste valor fu. la máxima tensión REAL que puede soportar, cuando “calculamos” una estructura, precisamente para hacerla “más segura”, rebajamos las expectativas resistentes del material, dividiendo, ésto es “minorando”, dicha resistencia por un coeficiente de seguridad, con lo cual en las estructuras “calculadas”, nuestro acero trabajará siempre por debajo de sus prestaciones reales.

Por tanto, con cargas mayores, sobre un material menos resistente, es obvio que, operando de esta forma, siempre tendremos un margen de seguridad suficiente, incluso, para situaciones no previstas, aún en los peores presagios de uso en su vida útil.

En ningún caso la estructura está en una situación comprometida pero sí que, su uso puede llegar a ser molesto

Pandeo del tablero del puente de Tacoma por efecto del viento

BIBLIOGRAFÍA Y/O INFOGRAFÍA

1. Youtube: Puente de Tacoma (efecto de resonancia)

2. Artículos de Zigurat Global Institute of Technology. Estados Límites en las Estructuras Metálicas

Uso de los Perfiles Tubulares en las Estructuras Metálicas

POR QUÉ EL USO DE LOS PERFILES TUBULARES EN LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS?

La naturaleza ha adoptado la forma tubular como la expresión más eficiente del transporte, tanto del flujo de líquidos, como de la conducción de las fuerzas externas e internas que se imponen a cualquier elemento. 

Ejemplos hidrodinámicos: el torrente circulatorio y el sistema de abastecimiento de nutrientes en las plantas.

Ejemplos estructurales: la guadua esbelta y nuestra misma columna vertebral.  Un principio fundamental respalda las excelentes propiedades elástico-mecánicas de los elementos tubulares, y es la óptima distribución de la materia alrededor de su eje longitudinal.  En tanto la materia se distancie de su centro gravitacional, el comportamiento a flexión se hace dramáticamente superior. Si, sumada a esta propiedad, se añade el hecho de ser cerrado el perfil, las propiedades torsionales se mejoran sustancialmente, eliminando de paso el riesgo de inestabilidad lateral.

La resistencia torsional de los perfiles tubulares, es en efecto, 200 a 300 veces mayor que la de los perfiles abiertos de sección comparable (masa y espesor).  Su deformación angular puede ser hasta 1000 veces mayor (figura 1).

Lo anterior hace posible incrementar las luces de las estructuras, minimizando el número de elementos de arriostramiento y de componentes secundarios, reduciendo apreciablemente el número de uniones, facilitando la producción en planta y/o en obra y disminuyendo tiempos y costos.

Teniendo en cuenta que los perfiles de acero poseen propiedades muy eficientes para el manejo de solicitaciones de flexo-compresión y particularmente de alta compresión axial, aparece jugando una función decisiva la forma de la sección transversal, al considerar los problemas de pandeo o de inestabilidad elástica. 

Un perfil tubular de igual área que uno abierto, bien puede tener una carga crítica de pandeo superior al doble de éste, incrementándose la diferencia en la medida en que el espesor de pared se reduce.

En la figura 2 se compara la relación Ñ (Esfuerzo último de pandeo / Esfuerzo de cedencia para el material) vs la longitud L, para perfiles cerrados y abiertos. 

Se observa la gran diferencia de los perfiles tubulares

Para estructuras que deben soportar cargas significativas de viento, tales como torres de transmisión, cubiertas con fuertes pendientes, mástiles, estructuras de señalización, antenas de telecomunicación, etc., juega un papel decisivo la forma geométrica de la sección con respecto a su comportamiento aerodinámico. Un perfil tubular evita las turbulencias de flujo, en tanto uno abierto, las causa.

Como consecuencia, el coeficiente de arrastre por viento y por tanto las fuerzas externas asociadas, son mucho mayores para las estructuras hechas con base en perfiles abiertos.  Cuantitativamente hablando, este incremento de las fuerzas dinámicas causadas por el viento en estructuras de perfiles abiertos, puede llegar a ser del orden del 40%.

Los perfiles cerrados, con respecto a los perfiles abiertos de igual área, presentan superficies laterales de un 30 o 40% menores.  Esto implica menores costos de protección contra la corrosión o contra la acción de cualquier otro tipo de agentes ambientales agresivos.

La protección contra la corrosión interna se garantiza si el perfil se sella herméticamente en sus extremos.  De esta forma, cualquier proceso de oxidación que haya podido iniciarse, cesa al consumirse el oxígeno existente previo al sellado de los extremos. 

Los perfiles tubulares ofrecen una superficie mínima para que se depositen sobre ellos sustancias fácilmente inflamables, con la consiguiente disminución del riesgo de incendios accidentales o de su propagación en caso de que éstos ocurran.  Esta propiedad es particularmente relevante en estructuras de cubierta de fábricas textiles, bodegas de espumas plásticas, hilanderías, almacenes de materias primas inflamables, entre otros.

La resistencia al fuego de los perfiles tubulares, es sustancialmente mayor que la de los correspondientes perfiles abiertos, los cuales bajo una reducida carga de fuego fallan por alabeo excesivo.

Adicionalmente, los perfiles tubulares se prestan para ser protegidos mediante procedimientos tan sencillos como el llenado con agua, concreto u otro material, sin que deteriore el aspecto estético de la construcción.

BIBLIOGRAFÍA

Specificacion for Structural Steel Building AISC 

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Cómo influye el sector de la construcción en el cambio climático?

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El mayor riesgo para los negocios durante la próxima década será el fracaso de la política de cambio climático, esto de acuerdo al último Informe sobre Riesgos Mundiales del Foro Económico Mundial.

El sector constructor se encuentra en el centro del debate. Se prevé que la demanda energética a nivel mundial en los edificios aumentará cerca del 50% entre el 2018 y 2050. Además, las construcciones que ya están en uso respresentan el 12% del uso mundial del agua.

Anualmente se utilizan cerca de 3.000 millones de toneladas primas naturales en la fabricación de productos y componentes de construcción y es poca la cantidad de elementos desechados que se intentan recuperar o reciclar.

¿Qué puede hacer la industria para mejorar en cuanto a sostenibilidad? 

Algunas soluciones son innovaciones tecnológicas para reducir la producción de energía basada en carbono; la altura de los edificios deberá ser mayor para responder al aumento de la densidad urbana y las construcciones necesitan generar energía en lugar de solo consumirla.

La reutilización de materias primas, así como el aprovechamiento de desechos orgánicos en procesos constructivos, forestales y demás, es sin duda un gran aporte para reducir niveles de contaminación de las fuentes hídricas y perdurabilidad de la vida útil de rellenos sanitarios.  

Fuente: ecoinventos.com

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