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
4. Usos de miembros en tensión
• Uso: Contraventeo (arriostre) de vigas y columnas en cubierta y paredes
• Funciones:– Proporcionar soporte lateral
– Resistir las fuerzas horizontales (viento y sismo)
(1)
(1)
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(4)
(4)
(4)
(2)
(3)
(5)
Ejemplos de contraventeos
verticales en edificios de varios pisos
Sistemas decontraventeo
4. Usos de miembros en tensión
Funciones delcontraventeo
4. Usos de miembros en tensión
• 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
4. Usos de miembros en tensión
Navesindustriales
Estructura típica a base de armadura a dos aguas con tirante
como elemento en tensión
4. Usos de miembros en tensión
Contraventeos simples
Contraventeo a base de barras redondas macizas como
elementos de contraventeo en estructuras ligeras.
4. Usos de miembros en tensión
Cubiertascolgantes
Las estructuras ligeras que salvan claros grandes, con mucha
frecuencia se resuelven con miembros en tensión
4. Usos de miembros en tensión
Estructurasespaciales
Las estructuras tridimensionales modernas tienen una gran
cantidad de barras trabajando a tensión
4. Usos de miembros en 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
7. Propiedades geométricas
• 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
7. Propiedades geométricas
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
7. Propiedades geométricas
Diámetro deagujeros
7. Propiedades geométricas
• 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
7. Propiedades geométricas
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
7. Propiedades geométricas
Area netaefectiva
Definición de la excentricidad x usada para calcular la porción del área neta que
contribuye a la resistencia de la sección
7. Propiedades geométricas
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
Definiciónde x y L
8. Diseño
Conexión atornillada
Conexión soldada
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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