Consideraciones generales - Estructuras Metálicas

CAPÍTULO 1 - CONSIDERACIONES
GENERALES

1.1. ALCANCE
Esta Norma de diseño, fabricación y montaje de estructuras metálicas para edificaciones acepta los criterios del método de Factores de Carga y Resistencia (LRFD) y el método por Esfuerzos Permisibles (ASD).
Su obligatoriedad se reglamenta en esta misma Norma y su ámbito de aplicación comprende todo el territorio nacional.
Las exigencias de esta Norma se consideran mínimas.

1.2. LÍMITES DE APLICABILIDAD

1.2.1. Definición de Acero Estructural
En la presente Norma, el término acero estructural se referirá a aquellos elementos de acero de sistemas estructurales de pórticos y reticulados que sean parte esencial para soportar las cargas de diseño. Se entiende como este tipo de elementos a: vigas, columnas, puntales, bridas, montantes y otros que intervienen en el sistema estructural de los edificios de acero. Para el diseño de secciones dobladas en frío o perfiles plegados se recomienda utilizar las Normas del American Iron and Steel Institute (AISI).

1.2.2. Tipos de Construcción
Tres son los tipos de construcciones aceptables bajo los alcances de esta Norma:
Tipo 1, comúnmente denominado pórtico rígido (pórtico continuo), el cual asume que las conexiones entre vigas y columnas son suficientemente rígidas para mantener sin cambios los ángulos entre elementos que se interceptan.
Tipo 2, conocido como pórtico simple (no restringido), que asume una condición de apoyo simple en sus extremos mediante conexiones sólo por corte y que se encuentran libres de rotar por cargas de gravedad.
Tipo 3, denominado pórtico semirrígido (parcialmente restringido) que asume que las conexiones entre elementos poseen cierta capacidad conocida de rotación, que se encuentra entre la conexión rígida del Tipo1 y la conexión simple del Tipo 2.
El diseño de las conexiones debe ser consistente con lo asumido en cada tipo de sistema estructural, y debe plasmarse en los planos de diseño.
Las construcciones de edificios del Tipo 2 deben cumplir que:
(1) Las conexiones y los elementos conectados serán adecuados para resistir las cargas de gravedad como vigas simplemente apoyadas.
(2) Las conexiones y elementos conectados serán adecuados para resistir las cargas laterales.
(3) Las conexiones tendrán una adecuada capacidad de rotación inelástica que evite sobrecargar a los conectores o soldaduras frente a la acción combinada de fuerzas horizontales y de gravedad.
Las construcciones semirrígidas del Tipo 3 pueden necesitar una deformación inelástica, pero autolimitada, de alguna zona de acero estructural.

1.3. MATERIAL

1.3.1. Acero Estructural
1.3.1a. Designaciones ASTM
Bajo esta Norma se aprobará el uso del material que cumpla algunas de las siguientes especificaciones:

• Acero estructural, ASTM A36 ( AASHTO M270 Grado 36)
• Tubos redondos de acero negro y galvanizado, soldados y sin costura, ASTM A53, Gr. B.
• Acero de alta resistencia y baja aleación, ASTM A242 - Tubos estructurales de acero al carbono, doblados en frío, soldados y sin costura, ASTM A500.
• Tubos estructurales de acero al carbono, doblados en caliente, solados y sin costura, ASTM A501.
• Planchas de acero aleado, templado y revenido, de alta resistencia, adecuadas para soldadura, ASTM A514 (AASHTO M270 Grado 100 y 100W)
• Acero al Carbono – Manganeso, de alta resistencia, de calidad estructural, ASTM A529.
• Planchas y flejes de acero al carbono, laminadas en caliente, de calidad estructural, ASTM A570, Gr. 275, 310 y 345
• Acero de alta resistencia y baja aleación al niobio - vanadio, de calidad estructural, ASTM A572 (AASHTO M270 Grado 50)
• Acero estructural de alta resistencia y baja aleación, con un límite de fluencia mínimo de 345 MPa, de hasta 100 mm de espesor, ASTM A588 (AASHTO M270 Grado 50W)
• Planchas y flejes de acero de alta resistencia y baja aleación, laminadas en caliente y laminadas en frío, con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica, ASTM A606.
• Planchas y flejes de acero de alta resistencia y baja aleación, con Niobio o Vanadio o ambos, laminadas en caliente y laminadas en frío, ASTM A607.
• Tubos estructurales de alta resistencia y baja aleación, soldados y sin costura, formados en caliente, ASTM A618.
• Planchas de acero estructural de baja aleación, templado y revenido, con límite de fluencia mínimo de 485 MPa, de hasta 100 mm de espesor, ASTM A852 (AASHTO M270 Grado 70W)
• Acero estructural para puentes, ASTM A709 Grado 36, 50, 50W, 70W, 100 y 100W Reportes de ensayos certificados de planta o reportes
  de ensayos certificados realizados por el fabricante o por un laboratorio de ensayos de acuerdo con la Norma ASTM A6 o A568, la que sea aplicable, constituirán suficiente evidencia de conformidad con uno de los estándares indicados anteriormente. Si es requerido, el fabricante proveerá
  una declaración jurada declarando que el acero estructural suministrado cumple los requerimientos de los grados especificados.

1.3.1b. Acero no Identificado
Se permite el uso de acero no identificado, si su superficie se encuentra libre de imperfecciones de acuerdo con los criterios establecidos en la Norma ASTM A6, en elementos o detalles de menor importancia, donde las propiedades físicas precisas y su soldabilidad no afecten la resistencia de la estructura.

1.3.1c. Perfiles Pesados
Para las secciones laminadas de los Grupos 4 y 5 de la Norma ASTM A6 a ser usadas como elementos sujetos a esfuerzos primarios de tracción debido a tracción o flexión, no se necesita especificar la tenacidad si los empalmes son empernados. Si tales elementos son empalmados con soldadura de penetración total, el acero especificado será suministrado con ensayos de impacto Charpy de entalle en V de acuerdo con la Norma ASTM A6, Requisito Suplementario S5. El ensayo de impacto deberá alcanzar un valor promedio mínimo de 27 J de energía absorbida a +20°C y será realizado de acuerdo con la Norma ASTM A673, con las siguientes excepciones:
(1) El eje longitudinal central de la probeta estará situado tan cerca como sea práctico a la mitad entre la superficie interna del ala y el centro del espesor del ala en la intersección con la mitad del espesor del alma.
(2) Los ensayos serán realizados por el fabricante en material seleccionado de la parte superior de cada lingote o parte de lingote usado para fabricar el producto representado por estos ensayos.
Para las planchas con espesores mayores de 50 mm, que se usen para construir secciones armadas con empalmes empernados y sujetas a esfuerzos primarios de tracción debido a tracción o flexión, no se necesita especificar la tenacidad del material. Si tales secciones son empalmadas usando soldadura de penetración total, el acero especificado será suministrado con ensayos de impacto Charpy de entalle en V de acuerdo con la Norma ASTM A6, Requisito
Suplementario S5. El ensayo de impacto será realizado por el fabricante de acuerdo a la Norma ASTM A673, Frecuencia P, y deberá alcanzar un valor promedio mínimo de 27 J de energía absorbida a +20ºC.
Los requisitos suplementarios indicados anteriormente también se aplican cuando se usan juntas soldadas de penetración total en todo el espesor de perfiles de los Grupos 4 y 5 del ASTM A6 y secciones armadas con espesores mayores de 50 mm en conexiones sujetas a esfuerzos primarios de tracción debido a tracción o flexión de tales elementos. Los requisitos no necesitan aplicarse a perfiles de los Grupos 4 y 5 del ASTM A6 y secciones armadas con espesores mayores de 50 mm a los cuales se conectan elementos diferentes que los perfiles de los Grupos 4 y 5 del ASTM A6 y secciones armadas por medio de juntas soldadas de penetración total en todo el espesor del material más delgado a la cara del material más grueso.

1.3.2. Fundiciones y Piezas Forjadas de Acero
El acero fundido cumplirá una de las siguientes especificaciones estándar:

• Fundiciones de acero al carbono de baja a media resistencia para aplicaciones generales, ASTM A27, Gr. 450 - 240.
• Fundiciones de acero de alta resistencia para uso estructural, ASTM A418, Gr. 550 - 345. z Las piezas forjadas de acero deberán estar de acuerdo
  a la siguiente especificación estándar:
• Piezas forjadas de acero al carbono y de aleación para uso industrial general, ASTM A668.
  Reportes de ensayos certificados constituirán suficiente evidencia de conformidad con los estándares.

1.3.3. Pernos, Arandelas y Tuercas
Los pernos, arandelas y tuercas de acero cumplirán una de las siguientes especificaciones estándar:

• Tuercas de acero al carbono y de aleación para pernos para servicio de alta presión y alta temperatura, ASTM A194.
• Pernos y pernos de cortante de acero al carbono, de resistencia a la tracción 414 MPa, ASTM A307.
• Pernos estructurales, de acero, tratados térmicamente, de resistencia mínima a la tracción 830/725 MPa, ASTM A325.
• Pernos y pernos de cortante de acero templado y revenido, ASTM A449.
• Pernos estructurales de acero tratado térmicamente, de resistencia mínima a la tracción 1040 MPa, ASTM A490.
• Tuercas de acero al carbono y de aleación, ASTM A563.
• Arandelas de acero endurecido, ASTM F436.

Los pernos A449 son permitidos solamente en conexiones con diámetros de pernos mayores de 33 mm, y no deben usarse en conexiones críticas de deslizamiento.
La certificación del fabricante constituirá suficiente evidencia de conformidad con los estándares.

1.3.4. Pernos de Anclaje y Varillas Roscadas
Los pernos de anclaje y varillas roscadas cumplirán una de las siguientes especificaciones estándar:

• Acero estructural, ASTM A36.
• Materiales para pernos de acero de aleación e inoxidable para servicio de alta temperatura, ASTM A193.
• Pernos, pernos de cortante y otros conectores roscados externamente, de acero de aleación, templado y revenido, ASTM A354.
• Acero de alta resistencia, de baja aleación, de niobio- vanadio, de calidad estructural, ASTM A572.
• Acero estructural de alta resistencia, de baja aleación, con un límite de fluencia mínimo de 345 MPa y hasta 100 mm de espesor, ASTM A588.
• Pernos y pernos de cortante de acero de alta resistencia, sin recalcar, ASTM A687.

Las roscas en pernos y varillas cumplirán las series estándar unificadas de ANSI B18.1 y tendrán tolerancias de la clase 2A.
Se permite el uso como pernos de anclaje de los pernos de acero que estén de acuerdo a otras provisiones de la Sección A3.3. El acero de calidad A449 es aceptable para pernos de anclaje de alta resistencia y varillas roscadas de cualquier diámetro.
La certificación del fabricante constituirá suficiente evidencia de conformidad con los estándares.

1.3.5. Metal de Aporte y Fundente para el Proceso de Soldadura
Los electrodos y fundentes para soldadura cumplirán con algunas de las siguientes especificaciones de la American Welding Society (AWS):

• Especificación para electrodos de acero al carbono para soldadura de arco protegido, AWS A5.1.
• Especificación para electrodos de baja aleación para soldadura de arco con cubierta, AWS A5.5.
• Especificación para electrodos y fundentes de acero al carbono para soldadura de arco sumergido, AWS A5.17.
• Especificación para metales de aporte de acero al carbono para soldadura de arco con atmósfera protegida, AWS A5.18.
• Especificación para electrodos de acero al carbono para soldadura de arco con alambre tubular, AWS A5.20.
• Especificación para electrodos y fundentes de acero de baja aleación para soldadura de arco sumergido, AWS A5.23.
• Especificación para metales de aporte de aceros de baja aleación para soldadura de arco con atmósfera protegida, AWS A5.28.
• Especificación para electrodos de acero de baja aleación para soldadura de arco con alambre tubular, AWS A5.29.

La Certificación del fabricante constituirá suficiente evidencia de conformidad con los estándares. Deben seleccionarse electrodos (metal de aporte) adecuados para el uso propuesto. La tenacidad en entalles del metal de la soldadura generalmente no es crítica para la construcción de edificios.

1.3.6. Conectores de Pernos de Cortante
Los conectores de pernos de cortante de acero cumplirán los requisitos de la Norma Structural Welding Code - Steel, AWS D1.1.
La certificación del fabricante constituirá suficiente evidencia de conformidad con la Norma.

1.4. CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGA
Las cargas nominales serán las cargas mínimas de diseño establecidas en la Norma E.020 Cargas.

1.4.1. Cargas, Factores de Carga y Combinación de Cargas
Las siguientes cargas nominales deben ser consideradas:
D : Carga muerta debida al peso propio de los elementos y los efectos permanentes sobre la estructura.
L : Carga viva debida al mobiliario y ocupantes.
L_r : Carga viva en las azoteas.
W : Carga de viento.
S : Carga de nieve.
E : Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismorresistente.
R : Carga por lluvia o granizo.
La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la adecuada combinación crítica de cargas factorizadas. El efecto crítico puede ocurrir cuando una o más cargas no estén actuando. Para la aplicación del método LRFD, las siguientes combinaciones deben ser investigadas:

1,4D	(1.4 -1)
1,2D+1,6L+0,5(Lr ó S ó R)	(1.4 -2)
1,2D+1,6(Lr ó S ó R)+(0,5L ó 0,8W)	(1.4 -3)
1,2D+1,3W+0,5L+0,5(Lr ó S ó R)	(1.4 -4)
1,2D  1,0E+0,5L+0,2S	(1.4 -5)
0,9D  (1,3W ó 1,0E)	(1.4 -6)

En las combinaciones 1.4-3, 1.4-4 y 1.4-5 el factor de cargas para L debe ser considerado como 1,0 en el caso de estacionamientos, auditorios y todo lugar donde la carga viva sea mayor a 4800 Pa.
Para la aplicación del método ASD las cargas se combinarán con factores iguales a 1,0, la solicitación sísmica se debe considerar dividida entre 1,4 y no se considerará que el viento y sismo actúan simultáneamente.

1.4.2. Impacto
En el caso de estructuras que soporten carga viva que produce impacto, deberá considerarse un incremento en la carga viva nominal debido a este efecto. En el caso del método LRFD, este incremento se aplica en las Combinaciones 1.4-2 y 1.4-3.
Si no hay indicación en contrario, los incrementos serán los siguientes:
(a) Para apoyos de ascensores: 100%.
(b) Para apoyos de maquinaria liviana accionada por ejes o motores: 20%.
(c) Para apoyos de máquinas reciprocantes: 50%.
(d) Para tirantes que soportan pisos y voladizos: 33%.
(e) Para vigas de puentes grúas con cabina de operador y sus conexiones: 25%.
(f) Para vigas de puentes grúas con control colgante y sus conexiones: 10%.

1.4.3. Fuerzas Horizontales en Puentes Grúa
La fuerza lateral nominal en la vía del puente grúa que se genera por el movimiento del polipasto no debe ser menor al 20% de la suma del peso izado y del peso del polipasto, no debe incluirse el peso de otras partes de la grúa. Esta fuerza debe aplicarse en la parte superior de los rieles actuando en la dirección normal al desplazamiento del puente grúa, y debe ser distribuida considerando la rigidez lateral de la estructura que soporta los rieles.
La fuerza longitudinal nominal tendrá un valor mínimo de 10% de las máximas cargas de rueda de la grúa aplicada en la parte alta del riel, a menos que se especifique otra cosa.

1.5. BASES DE DISEÑO

1.5.1. Resistencia Requerida
La resistencia requerida de los elementos estructurales y sus conexiones debe ser determinada mediante un análisis estructural para las cargas que actúan sobre la estructura, combinadas como indica en la Sección 1. 4.
Se permite que el diseño se haga empleando análisis elástico o plástico, excepto que el diseño para análisis plástico se permite sólo para aceros con un esfuerzo de fluencia especificado que no exceda de 450 MPa y cumpliendo lo indicado en las Secciones 2.5.2, 3.2, 5.1.2, 6.1.1.2d, 8.1 y 9.1.
Las vigas con secciones compactas, como se define en la Sección 2.5.1, que tengan longitudes entre puntos arriostrados que cumplan con la Sección 6.1.1.2d (incluyendo elementos compuestos), y que sean continuas sobre sus apoyos o rígidamente unidas a las columnas, podrán ser diseñadas para el 90% del momento negativo por carga de gravedad en sus apoyos. En este caso el máximo momento positivo deberá incrementarse en el 10% del promedio de los momentos negativos. Esta reducción no se permite en voladizos ni en vigas híbridas ni en las que empleen aceros A514. Esta reducción de momentos
puede emplearse para el diseño en flexo-compresión de las columnas si la fuerza axial no excede a 0,15 c A_g F_y si se emplea el método LRFD o si el esfuerzo f_a no excede de 0,15 F_a si se emplea el método ASD.

1.5.2. Estados Límites
El diseño de una estructura debe asegurar que ningún estado límite pertinente sea excedido por la aplicación de las combinaciones de cargas externas.
Los estados límites de resistencia están relacionados con la seguridad y tratan de la capacidad de carga máxima.
Los estados límites de servicio están relacionados con el comportamiento frente a cargas normales de servicio.

1.5.3. Diseño por Condiciones de Resistencia
Para el método LRFD la resistencia de diseño de cada sistema o componente estructural deberá ser igual o mayor a la resistencia requerida por las cargas factorizadas.
La resistencia de diseño R_n para cada estado límite se calculará multiplicando la resistencia nominal R_n por el factor de resistencia .
La resistencia requerida se determinará para cada combinación de carga aplicable como se indica en la Sección 1.4. Las resistencias nominales n R y factores de resistencia  se presentan en los Capítulos 4 a 11.
Para el método ASD los esfuerzos debidos a las cargas externas en cada sistema o componente o componente estructural no deberán exceder los esfuerzos admisibles que se presentan en los Capítulos 4 a 11. Los esfuerzos admisibles pueden incrementarse en 1/3 cuando actúan cargas de sismo o viento solas o en combinación con cargas vivas o de gravedad, de manera que la sección calculada bajo este criterio no sea menor que la requerida cuando no se hace el incremento de 1/3 de los esfuerzo admisibles.

1.5.4. Diseño por Condiciones de Servicio
La estructura como un todo y sus elementos individuales, conexiones y conectores deben ser verificados por condiciones de servicio de acuerdo con las recomendaciones del Capitulo 12.

1.6. REFERENCIA A CÓDIGOS Y NORMAS
Esta Norma hace referencia a los siguientes documentos:

American National Standards Institute
ANSI B18.1-72

American Society of Civil Engineers
ASCE 7-88

American Society for Testing and Materials

American Welding Society

Research Council on Structural Connections Especificaciones LRFD para juntas estructurales usando pernos ASTM A325 ó A490, 1988.
American Iron and Steel Institute Especificación LRFD para elementos de acero formados en frío, 1991
American Institute of Steel Construction Código de Práctica Estándar para edificios y puentes de acero, 1992
Requisitos sísmicos para edificios de acero estructural, 1992.
Especificación para el diseño por el método LRFD de elementos de un sólo ángulo, 1993

1.7. DOCUMENTOS DE DISEÑO

1.7.1. Planos
Los planos deben mostrar los detalles completos del diseño con secciones y la ubicación relativa de los diferentes elementos. Deben indicarse los niveles de entrepiso y los centros de columna. Los planos deben dibujarse en una escala lo suficientemente grande como para mostrar claramente toda la información.
Deben indicar el tipo o tipos de construcción definida en la Sección 1.2.2 y los detalles de todas las conexiones típicas. Donde las conexiones sean empernadas se indicará su tipo (aplastamiento, de deslizamiento crítico o de tracción).
Se indicarán las contraflechas de armaduras y vigas cuando sea necesario.

1.7.2. Simbología y Nomenclatura
Los símbolos para soldadura e inspección que se empleen en los planos del proyecto y en los de taller serán los de American Welding Society. Para condiciones especiales no cubiertas por los símbolos de AWS es permitido el empleo de otros símbolos, siempre que figure en los planos una explicación completa de ellos.

1.7.3. Notas para la Soldadura
Las longitudes de soldadura que figuren en los planos deben ser las longitudes netas.