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Flexión Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

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Flexión

Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile

Santiago, ChileOctubre de 2006

Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

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CONTENIDOFlexión

1. Definición

2. Usos de miembros en flexión

3. Tipos de vigas

4. Modos de falla

5. Clasificación de las secciones de acero

6. Diseño

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MIEMBRO ENFLEXION

1. Definición

• Miembro estructural sobre el que actúan cargas perpendiculares a su eje que producen flexión y corte.

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2. Usos de miembros en flexión

Secciones típicas de miembros en flexión

Canal Viga W Viga I armada Secciones armadas

Secciones abiertas

SECCIONES

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2. Usos de miembros en flexión

• Vigas sólidas

PUENTES

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2. Usos de miembros en flexión

• Vigas sólidas

EDIFICIOSURBANOS

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2. Usos de miembros en flexión

• Vigas enrejadas

EDIFICIOSINDUSTRIALES

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2. Usos de miembros en flexión

• Costaneras

EDIFICIOSINDUSTRIALES

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CLASIFICACION3. Tipos de vigas

De acuerdo a su soporte lateral:

• Vigas con soporte lateral adecuado– Arriostramientos poco espaciados– Inestabilidad global no controla capacidad

• Vigas sin soporte lateral– Arriostramientos a espaciamiento mayor– Inestabilidad global puede controlar la

capacidad

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CLASIFICACION3. Tipos de vigas

De acuerdo a la geometría de la sección:• Vigas de sección compacta

– Relaciones ancho/espesor pequeñas– Capacidad de la sección dada por plastificación

• Vigas de sección no compacta– Relaciones ancho/espesor intermedias– Capacidad dada por inestabilidad local inelástica

• Vigas de sección esbelta– Relaciones ancho/espesor grandes– Capacidad dada por inestabilidad local elástica

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4. Modos de falla

• Plastificación de la sección

• Volcamiento

• Pandeo local

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4. Modos de falla

• Material elástico-perfectamente plástico

• No hay inestabilidad

• No hay fractura

• No hay fatiga

PLASTIFICACION

y

E

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4. Modos de falla

• Comportamiento de la sección

PLASTIFICACION

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4. Modos de falla

• Momento plástico

PLASTIFICACION

xy

ttccy

ttyccyp

ZF

yAyAF

yAFyAFM

ct

ycyt

AA

FAFAN

0

x x

Eje neutro plástico

ttccx yAyAZ Módulo plástico

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4. Modos de falla

• Factor de forma

PLASTIFICACION

x

x

yx

yx

y

p

S

Z

FS

FZ

M

M

= 1.27 = 1. 70

Secciones laminadas

= 1.09 ~ 1.20moda = 1.12

= 1. 50

≈ 1.50

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4. Modos de falla

• Viga en flexión

PLASTIFICACION

M

M p

M y

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4. Modos de falla

• Viga bajo momento uniforme

VOLCAMIENTO

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4. Modos de falla

• Arriostramiento lateral– Continuo

– Puntual

VOLCAMIENTO

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4. Modos de falla VOLCAMIENTOELASTICO

M0sen

M0cosM0sen

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4. Modos de falla VOLCAMIENTOELASTICO

dz

duMMMMMM zyx 000 ,,

2

2

2

2

2

2

dz

dEC

dz

dGJM

dz

udEIM

dz

vdEIM

wz

yy

xx

0

0

0

02

2

02

2

02

2

dz

duM

dz

dEC

dz

dGJ

Mdz

udEI

Mdz

vdEI

w

y

x

GJ

EC

LGJEI

LM w

ycr 2

2

1

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4. Modos de falla

Factores que afectan Mcr

• Condiciones de apoyo

• Arriostramientos intermedios

• Relación de inercias

• Cargas aplicadas

• Punto de aplicación de la carga

VOLCAMIENTOELASTICO

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4. Modos de falla

• Cargas aplicadas

VOLCAMIENTOELASTICO

Mn

Mp

Lp L

plastificaciónvolcamiento

elástico

Cb = 1,0

Cb > 1,0

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4. Modos de falla

• Punto de aplicación de la carga

VOLCAMIENTOELASTICO

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4. Modos de falla

Causas:

• Plastificación parcial de la sección

• Tensiones residuales

• Imperfecciones iniciales

VOLCAMIENTOINELASTICO

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4. Modos de falla

• Tensiones residuales

VOLCAMIENTOINELASTICO

Fluencia en compresión

Fluencia en tracciónM

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4. Modos de falla

• Imperfección inicial

VOLCAMIENTOINELASTICO

M

v

Viga con imperfecciones

v0

Viga ideal

GJ

EC

LEIGJ

I

I

MM

w

xx

y

crcr

2

2

111

'

Mcr

M’cr

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4. Modos de falla

• Lp

• Lr

LONGITUDES DEARRIOSTRAMIENTO

wwycrxyp EC

GJLECEI

LMZFM

2

22

1

GJ

EC

LGJEI

LCMSFM w

ybcrxyr 2

2

17.0

0, para Lb cortos

5.172.22

2

xy

yxy

yp Z

hAsi

F

Er

Z

hA

F

ErL

AISCF

ErL

yyp 76.1

27.04

1127.0

GJ

SF

I

CGJEA

SF

rL xy

y

w

xy

yr

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Clasificación de las vigas de acero

4. Modos de falla TIPOS DE VIGASRESUMEN

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4. Modos de falla

• Afecta a miembros de sección no compacta o esbelta.

PANDEOLOCAL

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4. Modos de falla

• Tensión crítica de pandeo

PANDEO LOCALELASTICO

22

22

112 b

tEkcr

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4. Modos de falla

compacta no compacta esbelta

EFECTO DE LAESBELTEZ

elástico

p r

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Secciones tipo 1 o sísmicamente compactas

• Secciones tipo 2 o compactas

• Secciones tipo 3 o no compactas

• Secciones tipo 4 o esbeltas

INTRODUCCION

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Secciones para diseño sísmico

• Alcanzan Mp

• Capacidad de rotación inelástica de 8 a 10 veces la rotación de fluencia

SECCIONES TIPO 1CARACTERÍSTICAS

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Alas conectadas al alma o almas en forma continua.

SECCIONES TIPO 1REQUISITOS

Perfiles armados Perfiles laminados

Soldadura de filete

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Sección tiene un eje de simetría

• ≤ ps para todos los elementos

SECCIONES TIPO 1REQUISITOS

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Secciones para diseño plástico

• Alcanzan Mp

• Capacidad de rotación inelástica de 3 veces la rotación de fluencia

• Utilizadas en:a) estructuras diseñadas plásticamente,

b) bajo cargas predominantemente estáticas, y

c) en zonas sísmicas, con factores de comportamiento sísmico reducidos.

SECCIONES TIPO 2CARACTERÍSTICAS

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Alas conectadas al alma o almas en forma continua.

SECCIONES TIPO 2REQUISITOS

Perfiles armados Perfiles laminados

Soldadura de filete

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Deben tener un eje de simetría en el plano de la carga, si análisis no incluye efectos de la asimetría.

• ≤ p para todos los elementos

SECCIONES TIPO 2REQUISITOS

Plano de carga

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Secciones para diseño elástico

• Pueden o no alcanzar Mp

• Sin capacidad de rotación inelástica.

• Utilizadas en:a) estructuras diseñadas elásticamente,

b) bajo cargas predominantemente estáticas

SECCIONES TIPO 3CARACTERÍSTICAS

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Secciones para diseño elástico

• Falla por pandeo local elástico de alguno de los elementos planos que las componen.

• No alcanzan Mp

• Sin capacidad de rotación inelástica.

SECCIONES TIPO 4CARACTERÍSTICAS

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5. Clasificación de lassecciones de acero

• Tipo 3: p ≤ ≤ r para algunos elementos

• Tipo 4: r ≤ para algunos elementos

SECCIONES TIPO 3 y 4REQUISITOS

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Clasificación de las secciones de acero

5. Clasificación de lassecciones de acero

TIPOS DE SECCIONESRESUMEN

MMp

My

12

3

4

3y

6-8y

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5. Clasificación de lassecciones de acero

LIMITES ESBELTEZ AISCNO ATIESADOS

Tabla B4.1 especificaciones AISC 2005 0,76th

4k0,35

w

c

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5. Clasificación de lassecciones de acero

LIMITES ESBELTEZ AISCATIESADOS

Tabla B4.1 especificaciones AISC 2005

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6. Diseño

• AISC es especificación más usada en Latinoamérica.

• Disposiciones desarrolladas en base a lo ya visto.

INTRODUCCION

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6. Diseño

• Secciones I con doble simetría y canales con elementos compactos

donde

LONGITUDES DE ARRIOSTRAMIENTOAISC

Especificaciones AISC 2005

yyp F

ErL 76,1

27,0

76,6117,0

95,1

cJ

hS

E

F

hS

cJ

F

ErL oxy

oxytsr

x

wy

ts S

CIr 2

canalC

Ih

Iperfil

c

w

yo

2

1

ho

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6. Diseño

• Secciones I con doble simetría y alma no compacta, secciones I con simetría simple y alma no esbelta

LONGITUDES DE ARRIOSTRAMIENTOAISC

Especificaciones AISC 2005

ytp F

ErL 1,1

2

76,61195,1

J

hS

E

F

hS

J

F

ErL oxcL

oxcLtr

dhh

adh

br

ow

o

fct

2

2

61

12 fcfc

wcw tb

tha

hc/2

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6. Diseño

• Secciones I con doble simetría y simetría simple con alma esbelta (vigas altas)

LONGITUDES DE ARRIOSTRAMIENTOAISC

Especificaciones AISC 2005

ytp F

ErL 1,1

ytr F

ErL

7,0

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6. Diseño

Mn

Mp

Mr

Lp Lr L

plastificación volcamientoinelástico

volcamientoelástico

LONGITUDES DE ARRIOSTRAMIENTOAISC

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6. Diseño LONGITUDES DE ARRIOSTRAMIENTOAISC

Especificaciones AISC 2005

Rm

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6. Diseño

• Resistencia a la flexión

b = 0.9 (LRFD) b = 1.67 (ASD)

Mn será el menor valor entre la capacidad por fluencia y por volcamiento del miembro

• Perfiles I y C– Fluencia (plastificación) de la sección

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

xypn ZFMM

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6. Diseño

– Volcamiento• Lp < Lb ≤ Lr

• Lb ≥ Lr

ppr

pbxyppbn M

LL

LLSFMMCM

7,0

pxcrn MSFM 2

2

2

078,01

ts

b

ox

ts

b

bcr r

L

hS

cJ

r

L

ECF

x

wy

ts S

CIr 2

canalC

Ih

Iperfil

c

w

yo

2

1ho

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

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6. Diseño

• Secciones tubulares ([], O, etc.)– Fluencia (plastificación) de la sección

Z : módulo plástico con respecto al eje de flexión

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

ZFMM ypn

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6. Diseño

• Perfiles T y TL cargados en el plano de simetría– Fluencia (plastificación) de la sección

(alma en tracción)

(alma en compresión)

yypn MZFMM 6.1

yn MM

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

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– Volcamiento

21 BBL

GJEIM

b

y

n

J

I

L

dB y

b

3,2 Signo – se aplica si alma

está en compresión

6. Diseño MIEMBROS DESECCION COMPACTA

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• Perfiles L– Fluencia (plastificación) de la sección

My: Momento de fluencia en torno al eje de flexión

6. Diseño MIEMBROS DESECCION COMPACTA

yn MM 5.1

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– Volcamiento• L sin restricción continua al volcamiento

– Me ≤ My

– Me > My

donde Me es el momento de volcamiento elástico

ey

en M

M

MM

17,092,0

yye

yn MM

M

MM 5,117,192,1

6. Diseño MIEMBROS DESECCION COMPACTA

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• Flexión en torno a un eje geométrico– Sin restricción al volcamiento

– Volcamiento restringido en el punto de máximo momento

178,01

66,02

222

3

b

Lt

bLt

CEtM b

e

Signo – se aplicasi punta del alaestá en compresión

6. Diseño MIEMBROS DESECCION COMPACTA

geomyy MM ,8.0

geomyy

ee

MM

MM

,

25.1

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6. Diseño

– L de alas iguales• Flexión en torno a eje principal mayor

– L de alas desiguales• Flexión en torno a eje principal mayor

2

346,0

bLt

CEtM b

e

w

zw

bze r

Lt

L

CEIM

2

22

052,09,4

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

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6. Diseño

– L de alas desiguales• Flexión en torno a eje principal mayor

o

Aww zdAzwz

I2

1 22

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

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6. Diseño

• Secciones asimétricas– Fluencia (primera fluencia) de la sección

– Volcamiento elástico de la sección

MIEMBROS DESECCION COMPACTA

SFM yn

SFM crn

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6. Diseño

r ≥ b/t ≥ p

• Resistencia a la flexión

b = 0.9 (LRFD) b = 1.67 (ASD)

– Mn será el menor valor entre la capacidad por fluencia, por volcamiento, y por pandeo local del miembro

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

• Perfiles I– Alas no compactas

• Pandeo local del ala en compresión (doble simetría)

• Pandeo local del ala en compresión (monosimetría)

ppfrf

pfxyppn MSFMMM

7,0

pfrf

pfxcLycpcycpcn SFMRMRM

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

• Perfiles I– Alma no compacta

• Volcamiento– Lp < Lb ≤ Lr

– Lb ≥ Lr

– –

ycpcpr

pbxcLycpcycpcbn MR

LL

LLSFMRMRCM

ycpcxccrn MRSFM 2

2

2

078,01

t

b

oxc

t

b

bcr r

L

hS

cJ

rL

ECF

023,0 JI

ISi

y

yc

dhh

adh

br

ow

o

fct

2

2

61

12 fcfc

wcw tb

tha

hc/2

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

• Perfiles I– Alma no compacta

• Fluencia del ala en compresión

Factor de plastificación del alma

xcypcycpcn SFRMRM

pww

c

yc

p

pwrw

pw

yc

p

yc

p

pww

c

yc

p

pc

t

hsi

M

M

M

M

M

M

t

hsi

M

M

R

1

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

– Alma no compacta• Fluencia del ala en tracción (aplica solo si Sxt < Sxc)

Factor de plastificación del alma

xtyptytptn SFRMRM

pww

c

yt

p

pwrw

pw

yt

p

yt

p

pww

c

yt

p

pt

t

hsi

M

M

M

M

M

M

t

hsi

M

M

R

1

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

• Secciones tubulares ([])– Alas no compactas

• Pandeo local del ala

– Almas no compactas• Pandeo local del alma

py

yppn ME

F

t

bSFMMM

0,457,3

py

wxyppn M

E

F

t

hSFMMM

738,0305,0

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

• Secciones tubulares (O)– Pandeo local

SF

tD

EM yn

021,0

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

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6. Diseño

• Perfiles T y TL cargados en el plano de simetría– Pandeo local de alas de perfil T

• Perfiles L– Pandeo local de alas de perfil L

xccrn SFM

E

F

t

bFF y

f

fycr 2

50,019,1

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

E

F

t

bSFM ycyn 72,143,2

Page 72: Flexión Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a.

6. Diseño

• Secciones asimétricas– Pandeo local

donde Fcr se determina de análisis

MIEMBROS DESECCION NO COMPACTA

SFM crn

Page 73: Flexión Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a.

6. Diseño

b/t > r

• Resistencia a la flexión

b = 0.9 (LRFD) b = 1.67 (ASD)

– Mn será el menor valor entre la capacidad por fluencia, por volcamiento, y por pandeo local elástico del miembro

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

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6. Diseño

• Perfiles I– Alas esbeltas

• Pandeo local del ala en compresión

– Alma esbelta (vigas altas)• Volcamiento

2

9,0

xcc

n

SEkM

xccrpgn SFRM

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

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6. Diseño

• Perfiles I– Alma esbelta

• Volcamiento– Lp (F4) < Lb ≤ Lr

– Lb ≥ Lr

ypr

pbyybcr F

LL

LLFFCF

3,0

y

t

b

bcr F

rL

ECF

2

2

dhh

adh

br

ow

o

fct

2

2

61

12 fcfc

wcw tb

tha

hc/2

ytr F

ErL

7,0

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

Page 76: Flexión Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a.

6. Diseño

• Perfiles I– Alma esbelta (vigas altas)

• Pandeo local del ala en compresión

– Alas no compactas

– Alas esbeltas

pfrf

pfyycr FFF

3,0

xccrpgn SFRM

2

2

9,0

f

f

ccr

tb

EkF

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

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6. Diseño

• Perfiles I– Alma esbelta (vigas altas)

• Pandeo local del ala en compresión– Factor de reducción de la capacidad de flexión

• Fluencia del ala en tracción (aplica solo si Sxt < Sxc)

0,17,53001200

1

yw

c

w

wpg F

E

t

h

a

aR aw ≤ 10

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

xtyytn SFMM

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6. Diseño

• Secciones tubulares ([])– Alas esbeltas

• Pandeo local del ala

Seff módulo efectivo, calculado usando be del ala en compresión

effyn SFM

bF

E

tbF

Etb

yye

38,0192,1

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

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6. Diseño

• Secciones tubulares (O)– Pandeo local

tDE

Fcr

33,0

SFM crn

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

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6. Diseño

• Perfiles T y TL cargados en el plano de simetría– Pandeo local de alas de perfil T

• Perfiles L– Pandeo local de alas de perfil L

xccrn SFM 2

2

69,0

f

f

cr

t

b

EF

ccrn SFM 2

71,0

tb

EFcr geomcc SS _8,0

Si flexión es en torno a eje geométrico

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

Page 81: Flexión Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a.

6. Diseño

• Secciones asimétricas– Pandeo local

donde Fcr se determina de análisis

ccrn SFM

MIEMBROS DESECCION ESBELTA

Page 82: Flexión Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a.

6. Diseño

• Resistencia a la flexión

b = 0.9 (LRFD) b = 1.67 (ASD)

– Mn será el menor valor entre la capacidad por fluencia y por pandeo local de las alas

• Perfiles I y C– Fluencia (plastificación) de la sección

PERFILES I Y CFLEXION EJE DEBIL

yyyypn SFZFMM 6.1

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6. Diseño

– Pandeo de las alas• Alas no compactas

• Alas esbeltas

pfrf

pfyyppn SFMMM

7,0

yf

n SE

M

2

69,0

PERFILES I Y CFLEXION EJE DEBIL