Miembros en Tensión 2012 1

Tension

ContenidoMiembros en Tensión

1. Definición

2. Características

3. Complicaciones

4. Usos de miembros en tensión

5. Comportamiento

6. Modos de falla

7. Propiedades geométricas

8. Diseño

Miembrosen Tensión

1. Definición

• Secciones laminadas o formadas por placas, o barras (redondas, cuadradas o planas), de eje longitudinal recto o sección transversal constante (miembros prismáticos), sujetos a cargas que actúan a lo largo de sus ejes centroidales, que producen en cualquier sección perpendicular a su eje longitudinal, esfuerzos axiales de tensión.

PP

Eficiencia2. Características

• Un miembro en tensión es el elemento más simple y eficiente de un sistema estructural.

• La fuerza axial produce esfuerzos constantes en todo el material que lo compone, sin generar flexión, cortante ni torsión

Dificultad enlas uniones

3. Complicaciones

• Las conexiones de los miembros en tensión con el resto de la estructura introducen excentricidades en las cargas, que deben tomarse en cuenta en el diseño

3. Complicaciones

• Las imperfecciones de los perfiles estructurales laminados utilizados como miembros en tensión, deben ser reconocidas por el diseñador y fabricante de estructuras

Toleranciasde laminación

3. Complicaciones

• Los esfuerzos residuales provenientes del enfriamiento irregular de los perfiles estructurales se toman en cuenta en las normas de diseño

Esfuerzosresiduales

Distribuciónde esfuerzos

3. Complicaciones

• Agujeros en placas y perfiles estructurales utilizados como miembros en tensión, ocasionan concentraciones de esfuerzo, de manera que estos no se distribuyen uniformemente en las secciones transversales.

Estructuras4. Usos de miembros en tensión

• Bodegas y estructuras industriales.

• Edificios urbanos

• Armaduras de puentes

• Armaduras de techo en bodegas y fábricas

• Vigas de alma abierta en edificio urbanos

• Torres de transmisión de energía eléctrica

• Puentes colgantes y atirantados (cables)

• Cubiertos colgantes (Estructuras de grandes claros)

• Arcos

Estructurasindustriales


• Uso: Contraventeo (arriostre) de vigas y columnas en cubierta y paredes

• Funciones:– Proporcionar soporte lateral

– Resistir las fuerzas horizontales (viento y sismo)

(1)

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(4)

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(2)

(3)

(5)

Ejemplos de contraventeos

verticales en edificios de varios pisos

Sistemas decontraventeo


Funciones delcontraventeo


• Evitar problemas de pandeo de un entrepiso o de la estructura completa

• Resistir fuerzas horizontales sismo o viento

• Reducir los desplazamientos laterales de la estructura

Armadura típica de sistemas de piso

Armaduras4. Usos de miembros en tensión

montante

diagonal

cuerda

= compresión

= tensión

= sin carga

Estructuras

Torre autosoportante


Navesindustriales

Estructura típica a base de armadura a dos aguas con tirante

como elemento en tensión


Contraventeos simples

Contraventeo a base de barras redondas macizas como

elementos de contraventeo en estructuras ligeras.


Cubiertascolgantes

Las estructuras ligeras que salvan claros grandes, con mucha

frecuencia se resuelven con miembros en tensión


Estructurasespaciales

Las estructuras tridimensionales modernas tienen una gran

cantidad de barras trabajando a tensión


5. Comportamiento

1. Comportamiento elástico (respuesta lineal de la estructura )

2. Comportamiento parcialmente plástico (flujo plástico restringido).

3. Flujo plástico ilimitado (no restringido)

6. Modos de falla

1. Fluencia del área total

2. Fractura de la sección neta

PP

Ánguloen tensión

Fluencia en la sección total

(yielding of gross section)

PP

Fractura en la sección neta

(Fracture of Net sección)

Ánguloen tensión

Ruptura por cortante y tensión combinados

(Block shear rupture)

6. Modos de falla

3. Ruptura por cortante y tensión combinados

PP

Area total

Ag = b·t


• Area total, Ag: Area total de la sección transversal de un miembro

Ag = Σ b · t

Ag = b1· t1 + b2 · t2 + b3 · t3

Area neta7. Propiedades geométricas

• Área neta An: Área reducida por la presencia de agujeros para conectores (tornillos o remaches).

An = Ag - Aperf

Ancho neto7. Propiedades geométricas

• Ancho neto, bn:– Para una placa perforada con agujeros en una trayectoria

normal al eje de la pieza

– Para un elemento compuesto por placas perforadas

∑ ⋅=

placas

tbAnn

tbAnn⋅=

agnN-bb φ⋅=

Ancho neto7. Propiedades geométricas

– Para una placa perforada con agujeros colocados en una línea

diagonal o en zigzag

s = paso, g = gramil

Trayectoriasde falla

Placa con agujeros dispuestos en diagonal o en zig zag


Diámetro deagujeros

Durante el proceso de punzonado el material alrededor del

agujero puede dañarse; por ello las normas de diseño

consideran un ancho de agujeros mayor


Diámetro deagujeros


• Para perforaciones estándar se considera que los agujeros tienen un diámetro de 3 mm (1/8”) mayor que el de los tornillos.

φag = Diámetro de agujero para remache o tornillos

Perforacionesen ángulos


Cuando se conecta un ángulo en tensión a una placa mediante

tornillos o soldaduras la superficie de falla corresponde a la

interfase de los dos perfiles

Area netaefectiva


Area netaefectiva

Definición de la excentricidad x usada para calcular la porción del área neta que

contribuye a la resistencia de la sección


Referenciasprincipales

8. Diseño

• Especificaciones AISC (2005)

– Capítulo D. Miembros en tensión

– Capítulo D. Sección D3. Reglas para calcular el área total, área

neta y área neta efectiva.

– Capítulo J. Sección J4.3 (Reglas para ruptura por cortante y

tensión combinadas, “Block shear rupture”).

• Recomendación:

L / r ≤ 300

donde

L: longitud del miembro

r: radio de giro de la sección transversal del miembro

Límite deesbeltez

8. Diseño

• El diseño de miembros en tensión consiste en comparar la resistencia con la acción de diseño

Pu

≤ φtPn

(LRFD) ó P ≤ Pn/Ω

t(ASD)

donde:P = Carga de diseñoPu = Carga de diseño mayoradaPn = Resistencia nominalφt = Factor de reducción de resistencia (adimensional)Ωt = Factor de seguridad (adimensional)

Requisitosde resistencia

8. Diseño

Estados límite8. Diseño

1. Fluencia en área brutaPn = Fy · Ag

φt = 0.9 (LRFD) Ωt = 1.67 (ASD)Fy: esfuerzo de fluencia nominalAg: área total

2. Fractura en área netaPn = Fu · Ae

φt = 0.75 (LRFD) Ωt = 2 (ASD)Fu: esfuerzo de ruptura nominalAe: área neta efectiva

• Sección D3, especificaciones AISC (2005)

donde:

Ae = Área neta efectiva

An = Área neta

U = Coeficiente de reducción del área que toma en cuenta el “rezago” por cortante “Shear lag” (U<1.0)

Área netaefectiva

8. Diseño

neAUA ⋅=

Área netaefectiva

Distribución de esfuerzos en un perfil W conectado al resto

de la estructura a través de los patines

8. Diseño

• Si la carga se transmite directamente a todos los elementos de la

sección transversal

• Si la carga no se transmite directamente a uno o más elementos de

la sección transversal

donde:

x = excentricidad de la interfaz de conexión al centro de gravedad

de la parte de la sección transversal tributaria a la placa de

conexión

L = longitud de la junta.

Factor dereducción U

8. Diseño8. Diseño

1.0U =

Lx-1U =

8. Diseño Factor dereducción U

Definiciónde x y L

8. Diseño

Conexión atornillada

Conexión soldada

8. Diseño

3. Ruptura por cortante y tensión combinadas (“Block shear rupture”):

El miembro estructural en tensión falla por arrancamiento o desprendimiento de material en la conexión atornillada extrema.

Bloque decortante

8. Diseño

Hipótesis del modo de falla ruptura por cortante y tensión combinadas en AISC (2005):

1. Las superficies de tensión y cortante no siempre se fracturan al mismo tiempo.

2. Cuando ocurre la ruptura por cortante y tensión combinados, puede ocurrir uno de los dos posibles modos de falla siguientes:a) La superficie de tensión se fracturará y la superficie por

cortante fluirá

b) Las superficies de tensión y de cortante se fracturarán

Bloque decortante

8. Diseño Bloque decortante

Fractura en el plano en tensión

Fractura en el plano en cortante

Fractura en el plano en tensión

Fluencia en el plano en cortante

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