Elementos Sometidos a Traccion

7/24/2019 Elementos Sometidos a Traccion

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Universidad de Santiago de Chile INGENIERÍA CIVIL EN OBRAS CIVILES

Profesor:Sergio Currilen Cavallari

Ing. Civil en Obras Civiles

Fundamentos de Diseño estructural

Santiago − Chile

2015

“Elementos Sometidos a Tracción”




Fundamentos de Diseño Estructural

“Introducción a la tracción”

Elementos sometidos a tracción

Fundamentos de la estructura:

- Uso más eficiente del material.- El elemento actúa como viga debido a su dimensión.- Entre mayor h, menor la flexión.- Innecesario tener almas llenas.- El corte es resistido por las diagonales.





ACERO EN TRACCIÓN





“Acero en tracción”

Ventajas de trabajar con acero

i) Ligereza en construcción

Las estructuras de acero son más ligeras que otras estructuras como el hormigón.

Importante en puentes de grandes luces, estructuras altas y sísmicamente.

Secciones resistentes necesarias son reducidas







ii) Uniformidad

Propiedades no varían con el paso del tiempo

Material homogéneo e isotrópico, su comportamiento es el más próximo a las hipótesis de diseño que otrosmateriales como el hormigón, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos altos.

F = K*Δ

*Ley de Hooke para resortes

iii) Elasticidad







iv) Durabilidad

Duración permanente.

v) Ductilidad

La ductilidad es la propiedad de los materiales de soportar grandes deformaciones sin fallar alcanzando altosniveles de tensión.

Acero puede fluir localmente. Además, al someterse a cargas, las estructurasde acero demuestran grandes deflexiones que señalan que la falla es inminente.







iv) Tenacidad

Capacidad del acero para absorber energía antes de su fractura en condiciones de cargas de impacto. Firmeza

vii) Ampliaciones

Gran facilidad de conexiones, varios tipos de uniones, gran posibilidad de prefabricación, rapidez demontaje, variedad de formas y tamaños, valor residual alto como chatarra (reciclado o venta).






Desventajas de trabajar con acero

i) Altos costo de mantenimiento

Corrosión por aire y agua.

ii) Costos de protección contra el fuego

Excelente conductor del calor. Ayuda a la transmisión de calor de una sección a otra

iii) Susceptible a inestabilidades.

Si bien el acero tiene una gran resistencia por unidad de peso, si este tiene una gran longitud y seccionesesbeltas, existe peligro de inestabilidad, en especial al utilizarse como columna pudiendo fallar antes de loesperado debido a deformaciones descontroladas.






Desventajas de trabajar con acero

iv) Fractura frágil

El acero puede perder su ductilidad y la falla frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos.

v) Fatiga

Su resistencia se ve disminuida luego de laaplicación de cargas cíclicas.

“Si bien las ventajas del acero como

material estructural son

significativas, es importante también

conocer sus limitaciones, de modo

de poder contrarrestar sus efectos

negativos” .






Curva tensión deformación del acero






Tipología de perfiles y sus usos: Según Geometría

Dependiendo de su sección transversal existen diversas disposiciones y geometrías, asociadas a distintosusos.

Perfil doble ángulo (XL ó TL)

i) Para arriostramientos: Elementos livianos con buen comportamiento a tracción

Perfil doble ángulo (L)







Perfil Z Perfil CA. VigasCostaneras

ii) Para vigas de techo (Costaneras): Elementos livianos con buen comportamiento a flexión.

Perfil U yOmega.







iv) Para columnas: Elementos de mayor dimensión capaces de resistir la compresión o cargas de pesopropio.

Perfiles tubulares (O y ⌷).Perfiles HN de alas anchas.






Tipología de perfiles y sus usos: según formación

i) Perfiles laminados en caliente.

Formación mediante altas temperaturas, en base a deformación por estiramiento y desbaste. Espesoresentre 5 y 50 mm.

Ventajas: eliminación de los defectos de la estructura del lingote y la obtención de la forma, dimensiones ycalidad superficial requerida de un producto. Bordes menos angulosos.







ii) Perfiles laminados en frío y plegados.

Proceso de deformación por debajo del punto de cristalización. Planchas delgadas entre 0,4 y 4 mm.

Proceso de fabricación más sencillo y montaje más rápido.







iii) Perfiles soldados

Unión de planchas de acero de diversos espesores mediante soldadura para la conformación de lassecciones necesarias

No hay en Chile laminadores pesados para producir perfiles estructurales directamente,

por ello, éstos se fabrican por doblado en frío o uniendo planchas mediante soldadura.(*) LEER DOCUMENTO DE TENSIONES INICIALES.






Nomenclatura de perfiles






Concepto de inestabilidad

Compresión: Se produce elfenómeno de pandeo. El

elemento pierde su posiciónrectilínea generando flexiónque lo llevará al colapso.

Tracción: elemento essolicitado de manerauniforme permitiéndolealcanzar su máximaresistencia.





“Diseño de Acero en tracción”

Esbeltez

Es una medida de la buena proporcionalidad que posee un perfil. En general, es la relación existente entre ellargo del elemento y las dimensiones de su sección transversal.






Esbeltez

Específicamente, la esbeltez se define como:

L: Largo del elemento [unidad de longitud].i: Radio de giro de la sección transversal [unidad de longitud].

I: momento de inercia de área [m4].

A: Área de la sección transversal [m2].






Esbeltez: Radio de giro

El radio de giro, en un sentido más práctico, respecto a un eje de referencia que pasa por el CG,se refiere a la distancia desde este eje a un punto en el cuál puede suponerse que se concentra

toda la masa y sección de un elemento, permitiendo mantener la inercia constante.

Sección real Radio de giro en X

Radio de giro en Y






Modelación de conexiones

Existen 3 tipos de unión dependiendo de la restricción que genere.

i) Unión simple o de corte: Transmite momentos de magnitud despreciable, por lo quepermiten la rotación relativa de los miembros que conectan, es por ello que este tipo deunión permite transmitir solamente esfuerzo de corte. Modelación como nudo rotulado.

ii) Unión de momento parcialmente restringida (PR): Transmite momento pero la rotación entrelos miembros conectados no es despreciable. Esta unión entre elementos permite transmitir

tanto esfuerzo de cor te como esfuerzo de momento.

iii) Unión de momento totalmente restringida (FR): Transmite momento con una rotacióndespreciable entre los miembros conectados. Deberá tener una rigidez suficiente paramantener el ángulo entre los miembros conectados. Modelación como nudo rígido. Se debemodelar la conexión y estimar la flexibilidad de esta.







Rigidez de la conexión: La rigidez secante Ks es una medida de la rigidez de la conexión.

Unión de momento

Unión de corte

Método específico.







Método simplificado.

- Si en la conexión contempla la unión de solamente las almas de los elementos, se puedeconsiderar esta unión como simple.

- Si la conexión contempla la unión tanto de las alas del perfil como del alma, se pude considerarque esta unión es de momento.







Placa soldada-apernada

Ángulo apernado-apernado

Doble ángulo apernado

Ángulo soldado apernado

- Conexión simple.

U i id d d S i d Chil







- Conexión de momento.

Viga soldada a placa base. Placaapernada a columna

Unión completamente soldada

Placa apernada en ala, placaapernada soldada en alma.



U i id d d S ti d Chil






Agotamiento de resistencia:

ia) Fluencia del área bruta del perfil

La resistencia de diseño (LRFD) y la resistencia admisible (ASD) ó resistencia nominal debe ser:








ib) Fluencia del área bruta de la placa conectora o placa Gusset

Este análisis se debe realizar tanto para el perfil como para las placas conectoras.








ib) Fluencia del área bruta de la placa conectora

Área deWhitmore

Universidad de Santiago de Chile







ii) Fractura del área neta efectiva

La resistencia nominal de este estado límite se define como:







ii) Fractura del área neta efectiva: Líneas de falla

- abcd- abecd

Para cada línea de falla se tiene:

(para perfiles)

(para placas y gussets)

Donde: s: paso [cm]g: gramil [cm]

tp: espesor del perfil [cm]









tp

Dn







ii) Fractura del área neta efectiva: Factor de Corte Diferido (U)

Cuando existen agujeros en la sección transversal de un elemento, estos generan concentración de tensiones, permitiendo que éstas no se distribuyan uniformemente.









Si existe un miembro conectado sometido a tracción pero no todos elementos están conectados (alasy alma), se producirán zonas de transición con esfuerzos no uniformes que se distribuirán desde elelemento conectado al resto del perfil.









Debido a esta distribución no uniforme de esfuerzos (principalmente de corte) puede fracturarse el perfilanticipadamente. En general, entre más nos alejamos de la unión más uniforme se distribuyen losesfuerzos (Principio de Saint Venant).









U ≤ 1 El código AISC señala la siguiente manera de cálculo para el coeficiente de corte diferido:









En general, estas expresiones mostradashan sido correlacionadas con más de1000 experimentos que entregan unadispersión aproximada de ± 10% (Munse yChesson, 1963).

Si existe un solo perno de unión, puedeconsiderarse U = 1.









En resumen, el factor de cortediferido debe calcularse según elcaso (2) comparándose cuandocorresponda con los casos (7) u(8), permitiéndose usar el mayorvalor entre ambos.



gINGENIERÍA CIVIL EN OBRAS CIVILES












iii) Fluencia del área gruesa en corte/Fractura del área neta en corte y Fractura del área neta en tracción: Bloque de corte

Corresponde a la falla en la conexión que involucra laresistencia de dos tipos de área. Un área perpendicular o

transversal a la fuerza de tracción solicitante (área en tracción) y otra área paralela a la acción de la carga(sección en corte).

La falla se produce por el desprendimiento o desgarro dela zona achurada.

Tracción









Tracción

Tracción




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Tracción








Universidad de Santiago de Chile Í







Tracción








El bloque de corte es un fenómeno de desgarre de la sección conectada no un estado de fluencia. Aunasí, puede ocurrir la fluencia en el área de corte cuando comienza la fractura del área en tracción, si:

Fluencia del área en corte







iii) Bloque de corte: Factor de corrección de tensiones no uniformes (Ubs)







iv) Resistencia de pernos , Capítulo J de la AISC 360-2010








- Fallas en pernos







iii) Resistencia de pernos , Capítulo J de la AISC 360-2010

Tipos de pernos

Se distinguen 2 tipos de perno estructural:

Pernos Grupo A: referentes a pernos de calidad A325Pernos Grupo B: referentes a pernos de calidad A490Pernos corrientes: A307








Tipos de conexión








Planos de falla:








Los valores tabulados anteriormente se obtienen de la relación:

(a) El factor 0,563 toma en cuenta la razón corte/tracción de aprox. 0,625 y un factor de reducción de0,9.

(b) El factor 0,450 considera el 80% del valor 0,563 que considera el efecto del corte en la zonareducida de la rosca del conector.








Los valores tabulados anteriormente se obtienen de la relación:

El valor 0,75 corresponde a la razón aproximada entre el área efectiva de la parte roscada y el área delvástago para tamaños comunes de pernos.

- Resistencia nominal de un número n de pernos








Tipos de perforación

Para dar mayor movilidad durante el montaje de un marco u otro elemento, se permiten tres tipos deagujeros, además del tipo estándar.








Tipos de perforación








- Resistencia combinada de tracción y corte








- Resistencia combinada de tracción y corte

Se ha demostrado experimentalmente que la resistencia deconectores solicitados por combinación de corte y tracciónpuede ser definida apropiadamente por una elipse (Kulak,1987).

Se producen 2 puntos clave:

A: Tracción pura.Solo existe solicitación de los pernos a tracción, por ende la

tensión requerida de corte es nula (fv = 0).B: Corte puro.Solo existen solicitación por corte, así la tensión requerida a

tracción es nula (ft = 0).





MADERA EN TRACCIÓN





“Madera en tracción”

¿Qué es la madera?

• Es el conjunto de tejidos orgánicos que forman la masa de los troncos de los árboles, desprovistos de corteza y hojas.

• Variadas especies: Ej. Pino Radiata







Corte transversal







MFA






Tipo de recurso

ConíferasLatifoliadas






Ventajas de trabajar con madera

i) Ligereza en construcción

Material de bajo peso propio

ii) Excelente aislante térmico y acústico

Estructura tipo panal. Baja transmitancia

iii) Alta resistencia al fuego

Carbonización lenta.

iv) Resistencia similar en compresión y tracción.

Elevada en compresión






Ventajas de trabajar con madera

v) Diversidad de formas y versátil. Importancia estética

Debido a su alta flexibilidad.






Desventajas de trabajar con madera

i) Material biológico

Atacado por agentes orgánicos: bacterias, hongos e insectos.

ii) Higroscópico

Absorción constante de humedad, disminuyendo su densidad y resistencia.

CH>>>30% CH≥28% y CH≤30% CH ͠ 12%







iii) Extremadamente anisotrópico y heterogéneo

Presencia de nudos, fibras, huecos, etc.






v) Alta cantidad de imperfecciones inherentes a su estructura

Nudos, bolsillos de resina, bolsillos de corteza

vi) Alta cantidad de imperfecciones inherentes a la médula

Desviación de fibras, falta de lignina, velocidad de crecimiento







vii) Defectos de elaboración

Canto muerto, escuadría irregular, cepillado ondulado.


F d d Di ñ E l






viii) Defectos de secado, grietas, etc..

Acanaladura, arqueadura, encorvadura, torcedura, etc.


F d t d Di ñ E t t l






ix) Defectos estéticos.

Manchas, astillamientos, quemados de sierra, etc.







Ensayos de tracción







Ensayos de tracción

50x50x63 según NCh 975 Of 86


F ndamentos de Diseño Estr ct ral





Curva tensión – deformación







Tipos de madera

Aserrada

Cepillada







Tipos de madera

Aserrada Cepillada





Elementos en tracción







Tipos de elementos estructurales

i) Tableros contrachapados o terciado estructural (plywood)

NCh 724 Of. 79: Tablero formado por la superposición de capas o chapas previamente encoladas, en que

la premisa es que las fibras de capas sucesivas tengan disposición perpendicular entre sí.





- Al menos 3 capas de tablas de madera de coníferas.

- Capas sucesivas de dirección perpendiculares entre sí.

- Alternancia del sentido de las fibras de madera.

iii) Tableros CLT (Cross Laminated Timber)







Diseño por tensiones admisibles

- Diseño en base a NCh1198 of. 2006: Madera – Construcciones en madera - Cálculo







Grupo estructural: según NCh1989





Grado estructural: según NCh1270 y NCh 1970







Clase estructural: según NCh1270 y

NCh 1970





Tensión de diseño de una pieza estructural en tracción

, = ℎℎ ∗

Donde:

Ki: Factores de modificación de la madera en tracción

Ftp: Tensión admisible de la pieza de madera

Ftp,dis: Tensión de diseño.







Factor por reducción de humedad ()







Factor por reducción por duración de la carga ()

- Para combinaciones de carga se utiliza aquella que tenga menor duración

- El factor por duración de la carga no afecta al módulo de elasticidad ni a la compresión normal a

las fibras.





Factor por reducción por duración de la carga ()

L (Sobrecarga) ó Lr (SC techo)

Nieve (S)







Factor por reducción por temperatura ()

- Cuando las condiciones de servicio de la madera tienen temperaturas por sobre lo normal.

= 1







Factor por reducción por tratamiento químico ()

- Los preservantes derivados del petróleo son prácticamente inertes a la madera.

- Métodos de preservación mediante vacío presión: CCA e Ignífugos son reactivos a la madera.

- Si el método considera incisiones en la madera.







Factor por reducción por concentración de tensiones ()

Kct = 0,8 Kct = 0,7







Factor por reducción por altura (ℎ)

h: ancho o alto del elemento en tracción.

h > 90 mm

h > 50 mm




Nuevos estudios de la madera

Método multi-escala






Nuevos estudios de la madera

Método multi-escala

Y

Z

Z

Y

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