estructuras metalicas #3

A C I S ESTRUCTURAS METALICAS DISEO DE MIEMBROS A TENSION

Estructuras Metlicas

R. Alex Quispe Choquechambi

Ingeniero Civil

Universidad Andina N.C.V.

Juliaca, Peru

Abril de 2015

Diseo de miembros en Tensin


AREA NETA EFECTIVA

Si las fuerzas no se transfieren uniformemente a travs de la

seccin transversal de un miembro, habr una regin de transicin

de esfuerzo no uniforme que ir de la conexin al miembro a lo

largo de cierta distancia (L). En la figura vemos un ngulo individual

conectado solo por un ala sometido a tensin. En esta conexin la

mayor parte de la carga es soportada por el ala conectada y se

requiere una distancia de transicin para que el esfuerzo se reparta

uniformemente a travs de todo el ngulo.

Se refiere a la parte del miembro que est comprometida en

desarrollar esfuerzos en las conexiones de extremo,


AREA NETA EFECTIVA

Entre ms nos alejamos de la conexin, ms uniforme se

vuelve el esfuerzo. En la regin de transicin, el esfuerzo

cortante se ha retrasado y el fenmeno se conoce como retraso del cortante SHEAR LAG, entonces el flujo del

esfuerzo de tensin entre la seccin transversal del miembro

principal y la del miembro ms pequeo conectado a ste, no

es 100% efectivo

Es as que el rea neta efectiva (Ae) ser el rea neta el

rea bruta afectado por un coeficiente de reduccin por

retraso de cortante (U).

El valor de U, est afectado por la seccin transversal del

miembro y por la longitud de su conexin .


COEFICIENTE DE REDUCCION POR RETRASO

DE CORTANTE SHEAR LAG ( U )

Se calcula empricamente como sigue:

Donde: X es la excentricidad del miembro

L es la longitud de la conexin

Para calcular U para una seccin W conectada slo por sus

alas (patines), supondremos que la seccin est dividida en

dos tees estructurales. Entonces, el valor de X usado ser la

distancia desde el borde exterior del patn al centro de

gravedad de la tee estructural.


COEFICIENTE DE REDUCCION POR RETRASO

DE CORTANTE SHEAR LAG ( U )


EXCENTRICIDAD DEL MIEMBRO ( )

Una medida de la efectividad de un miembro, como un ngulo

conectado por slo uno de sus lados, es la distancia entre el plano de la conexin y el centroide del rea de la seccin

total.

Entre menor sea el valor de , mayor ser el rea efectiva del miembro, y por lo tanto mayor ser la resistencia de diseo

del miembro.


EXCENTRICIDAD DEL MIEMBRO ( )

El AISC proporciona valores de x sugeridos para usarse en la

ecuacin para U para varias situaciones. Se incluyen valores

para secciones W y C atornilladas slo a travs de sus almas,

tambin se consideran ngulos individuales con dos lneas de

tornillos en zig zag en una de sus alas.


AREA NETA EFECTIVA


LONGITUD DE LA CONEXIN ( L )

Otra medida de la efectividad de un miembro es la longitud de

su conexin. Entre mayor sea esta longitud, ms uniforme

ser la transferencia del esfuerzo a las partes sin conectar del

miembro.

Para miembros atornillados L es igual a la distancia entre el

primer y el ltimo tornillo en la lnea.

Cuando hay dos o ms lneas de tornillos, L es la longitud de

la lnea con el nmero mximo de tornillos.

Si los pernos estn en zig zag, L es la dimensin fuera a fuera

entre los tornillos extremos en una lnea.


EJEMPLO


ELEMENTOS DE CONEXIN PARA MIEMBROS

A TENSIN

Cuando se usan placas de empalme como elementos de

conexin cargados estticamente a tensin, su resistencia se

calcular:

Por fluencia de elementos de conexin a tensin:

Por fractura de elementos de conexin a tensin:

El rea neta usada en la segunda de estas expresiones no

debe exceder del 85% de Ag, pues los elementos de conexin

a tensin atornillados pocas veces tienen una eficiencia

mayor del 85%, aun cuando los agujeros representen un

porcentaje muy pequeo del rea total de los elementos.


RUPTURA EN BLOQUE POR CORTANTE Y TENSIN

COMBINADAS (BLOQUE DE CORTANTE)

Las resistencias de diseo de los miembros a tensin no

siempre estn controladas por la fluencia a la tensin, la

fractura a la tensin, o por la resistencia de los tornillos con

que se conectan. En lugar de ello, pueden estar controladas

por la resistencia de su bloque de cortante.

La falla de un miembro puede ocurrir a lo largo de una

trayectoria que implique tensin en un plano y cortante en otro

plano perpendicular. Para estas situaciones, es posible que

un bloque de acero se desgarre.




La resistencia total de la conexin ser = la resistencia por

fractura del plano ms fuerte + la resistencia por fluencia del

plano ms dbil.

El miembro que se muestra tiene un rea grande de cortante

y un rea pequea a tensin; entonces, la resistencia principal

a una falla del bloque de cortante es el cortante y no la

tensin


PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR EL

BLOQUE DE CORTANTE

1) Calcular la resistencia por fractura a tensin en la seccin

neta en una direccin y sumar a ese valor la resistencia de

fluencia por cortante en el rea total del segmento

perpendicular.

2) Calcular la resistencia a la fractura por cortante en el rea

total sujeta a tensin y sumar a este valor la resistencia a

la fluencia por tensin en el rea neta sujeta a cortante en

el segmento perpendicular. La expresin que debe

aplicarse es aquella con el mayor trmino de fractura.


FACTOR DE REDUCCIN Ubs

El factor de reduccin Ubs de la ecuacin se considera para

prever el hecho de que tal vez la distribucin de esfuerzos no

sea uniforme en el plano a tensin para algunas conexiones.

Si la distribucin de esfuerzos a tensin es uniforme, Ubs ser

tomado igual a 1.0. (ngulos, placas de empalme (o

conexiones), y para vigas recortadas con una lnea de

tornillos).

Si el esfuerzo de tensin es no uniforme, Ubs debe hacerse

igual a 0.5. Esta situacin ocurre en vigas recortadas con dos

lneas de tornillos ah el esfuerzo es no uniforme porque la fila

de tornillos ms cercana al extremo de la viga absorbe la

proporcin mayor de la carga de cortante.


FACTOR DE REDUCCIN Ubs

Si fuera insuficiente

la resistencia por

bloque de

cortante, sta puede

incrementarse al

aumentar la

distancia hasta el

borde y/o la

separacin

de los tornillos.


EJEMPLO


SELECCIN DE PERFILES

Deben tener las siguientes propiedades:

Debern ser compactos,

Tener dimensiones que se ajusten en la estructura con una relacin razonable a las dimensiones de los otros miembros

de la estructura.

Tener conexiones con tantas partes de las secciones como sea posible para minimizar el retraso del cortante.

Los miembros a tensin formados por ngulos, canales o

perfiles W o bien S probablemente se usarn cuando las

conexiones sean atornilladas, en tanto que placas, canales y

tees estructurales se usarn en estructuras soldadas.


RELACION DE ESBELTEZ

La relacin de esbeltez de un miembro es el cociente de

longitud no soportada y su radio de giro mnimo.

El AISC recomienda una limitacin de la relacin de esbeltez

mxima de 300, para miembros a tensin con el propsito de

garantizar que posean suficiente rigidez para prevenir

deflexiones laterales o vibraciones indeseables.

El objetivo del proceso de diseo es dimensionar los

miembros de modo que sean seguros satisfaciendo las

condiciones de falla, esto es un proceso es iterativo y de que

habr algn redondeo hacia arriba o hacia abajo en el proceso

de seleccionar la seccin final.



1. Para satisfacer el estado limite de falla por fluencia en la

seccin bruta, el rea total mnima debe ser por lo menos

igual a:

2. Para satisfacer el estado limite de falla por fractura en la

seccin neta efectiva, el rea total mnima debe ser por lo

menos igual a:

Pero como Ae= An.U, entonces:

3. Resistencia por bloque de cortante (luego de seleccionado

el perfil).

Se escogera el menor valor de estos tres criterios.



Adems de los criterios ya vistos, la relacin de esbeltez no

deber exceder de 300, o sea el radio de giro mnimo ser:

No conviene considerar una seccin cuyo radio de giro mnimo

r sea menor que este valor, porque entonces su relacin de

esbeltez exceder el valor mximo preferible de 300.

Si las ecuaciones no se satisfacen, se estimarn y se

revisarn nuevas dimensiones de los miembros.

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