Elementos Sometidos a Tracci n

7/21/2019 Elementos Sometidos a Tracci n

1/81

Universidad de Santiago de ChileINGENIERA CIVIL EN OBRAS CIVILES

Profesor:Sergio Currilen Cavallari

Ing. Civil en Obras Civiles

Fundamentos de Diseo estructural

Santiago Chile

2015

Elementos Sometidos a Traccin


2/81


Fundamentos de Diseo Estructural

Contenido

Introduccin a la traccin

Acero en traccin

Madera en traccin

Hormign en traccin


3/81




Traccin

Tipo de esfuerzo al que se somete un elemento de una estructura cuando las fuerzas que actantienden a estirarloreduciendo con esto su seccin transversal

Traccin corresponde al uso ms eficiente del acero:

- Seccin trabaja contensin uniforme (a menos que existan tensiones residuales).- No existen inestabilidades. Perfil alcanza mxima resistencia.


4/81




Elementos sometidos a traccin

Fundamentos de la estructura:

- Uso ms eficiente del material.- El elemento acta como viga debido a su dimensin.- Entre mayor h, menor la flexin.- Innecesario tener almas llenas.- El corte es resistido por las diagonales.


5/81






6/81






7/81






8/81






9/81






10/81



ACERO EN TRACCIN


11/81



Acero en traccin

Qu es el acero?

El Acero es una aleacin de hierro y carbono(0.05-2%) o hierro altamente refinado.Aceros estructurales < 0,25% de C

Otros elementos con propsitos determinados, como Mn, Ni, Nb, Cr, V, P, S, Si, Cu, etc.Aceros estructurales < 1,5% de Mn

Carbono Equivalente

(CE%) = C% + Mn%/6 + (Cr%+Mo%+V%)/5 + (Ni%+Cu%)/15

Aceros estructurales < 0,48% de CE


12/81



Acero en traccin

Ventajas de trabajar con acero

i) Ligereza en construccin

= 7,85

= 2,5

Las estructuras de acero son ms ligeras que otras estructuras como el hormign.

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

Secciones resistentes necesarias son reducidas


13/81



Acero en traccin


ii) Uniformidad

Propiedades no varan con el paso del tiempo

Material homogneo e isotrpico, su comportamiento es el ms prximo a las hiptesis de diseo que otrosmateriales como el hormign, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos altos.

F = K*

*Ley de Hooke para resortes

iii) Elasticidad


14/81



Acero en traccin


iv) Durabilidad

Duracin permanente.

v) Ductilidad

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

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


15/81



Acero en traccin


iv) Tenacidad

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

vii) Ampliaciones

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


16/81



Acero en traccin

Desventajas de trabajar con acero

i) Altos costo de mantenimiento

Corrosin por aire y agua.

ii) Costos de proteccin contra el fuego

Excelente conductor del calor. Ayuda a la transmisin de calor de una seccin 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.


17/81



Acero en traccin

Desventajas de trabajar con acero

iv) Fractura frgil

El acero puede perder su ductilidad y la falla frgil puede ocurrir en lugares de concentracin de esfuerzos.

v) Fatiga

Su resistencia se ve disminuida luego de laaplicacin de cargas cclicas.

Sibien las ventajas del acero comomaterial estructural son

significativas, es importante tambin

conocer sus limitaciones, de modo

de poder contrarrestar sus efectos

negativos.


18/81


19/81



Acero en traccin

Curva tensin deformacin del acero


20/81



Acero en traccin

Tipologa de perfiles y sus usos: Segn Geometra

Dependiendo de su seccin transversal existen diversas disposiciones y geometras, asociadas a distintosusos.

Perfil doble ngulo (XL TL)

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

Perfil doble ngulo (L)


21/81



Acero en traccin


Perfil Z Perfil CA. VigasCostaneras

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

Perfil U yOmega.


22/81



Acero en traccin


iii) Para vigas: Elementos con excelente comportamiento a flexin en su eje fuerte.

Perfil C Perfil IN Perfil IC.


23/81



Acero en traccin


iv) Para columnas: Elementos de mayor dimensin capaces de resistir la compresin o cargas de pesopropio.

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


24/81



Acero en traccin

Tipologa de perfiles y sus usos: segn formacin

i) Perfiles laminados en caliente.

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

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


25/81



Acero en traccin


ii) Perfiles laminados en fro y plegados.

Proceso de deformacin por debajo del punto de cristalizacin. Planchas delgadas entre 0,4 y 4 mm.

Proceso de fabricacin ms sencillo y montaje ms rpido.


26/81



Acero en traccin


iii) Perfiles soldados

Unin de planchas de acero de diversos espesores mediante soldadura para la conformacin de lassecciones necesarias

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

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


27/81



Acero en traccin

Nomenclatura de perfiles


28/81



Acero en traccin



29/81



Acero en traccin



30/81



Acero en traccin



31/81



Acero en traccin

Concepto de inestabilidad

Compresin: Se produce elfenmeno de pandeo. El

elemento pierde su posicinrectilnea generando flexinque lo llevar al colapso.

Traccin: elemento essolicitado de manerauniforme permitindolealcanzar su mximaresistencia.


32/81



Diseo de Acero en traccin

Diseo segn Norma Americana AISC 360-2010 (American Institute of Steel Construction): Captulo D

i) Condicin Serviciabilidad: esbeltez mxima:

Si bien los elementos en traccin no sufren los efectos de inestabilidad se debe verificar que:

300 ( )

La variable se define como la esbeltez del miembro o elemento.

Normalmente asociamos la palabra esbeltez a una condicin de altura, delgadez, y proporcionalidad.


33/81




Esbeltez

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


34/81




Esbeltez

Especficamente, la esbeltez se define como:

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

=

I: momento de inercia de rea [m4].

A: rea de la seccin transversal [m2].


35/81




Esbeltez:Radio de giro

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

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

Seccin real Radio de giro enX

Radio de giro en Y


36/81




Modelacin de conexiones

Existen 3 tipos de unin dependiendo de la restriccin que genere.

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

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

tanto esfuerzo de cor te como esfuerzo de momento.

iii) Unin de momento totalmente restringida (FR): Transmite momento con una rotacindespreciable entre los miembros conectados. Deber tener una rigidez suficiente paramantener el ngulo entre los miembros conectados. Modelacin como nudo rgido. Se debemodelar la conexin y estimar la flexibilidad de esta.


37/81





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

Unin de momento

Unin de corte

Mtodo especfico.


38/81





Mtodo simplificado.

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

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


39/81

U i id d d S i d Chil


40/81





- Conexin de momento.

Viga soldada a placa base. Placaapernada a columna

Unin completamente soldada

Placa apernada en ala, placaapernada soldada en alma.

U i id d d S ti d Chil


41/81




ii) Condicin de Agotamiento de resistencia: Uniones apernadas

Diseo segn Norma Americana AISC 360-2010 (American Institute of Steel Construction): Captulo D-J

El diseo de elementos apernados queda definido por a lo menos estos 5 estados lmite:

1) Fluencia del rea bruta en traccin2) Fractura del rea neta efectiva3) Fluencia o fractura en corte y fractura del rea neta efectiva en

traccin (Bloque de corte)

4) Resistencia de pernos5) Aplastamiento de pernos y placa6) Deslizamiento crtico



42/81




Agotamiento de resistencia:

ia) Fluencia del rea bruta del perfil

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

/ (ASD)

(LRFD)



43/81





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

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

= (Placa)

= + 2 t a n (30)

= (rea efectiva placa)



44/81





ib) Fluencia del rea bruta de la placa conectora

rea deWhitmore

Universidad de Santiago de Chile


45/81





ii) Fractura del rea neta efectiva

La resistencia nominal de este estado lmite se define como:



46/81





ii) Fractura del rea neta efectiva

Ae: Es el rea resistente real que participa en la transmisin de esfuerzos y tensiones.

= (Perfiles)

= = 0,85 (Placas conectoras y Gussets)

: rea neta del perfil. rea resistente total menos el rea de las perforaciones

An



47/81





ii) Fractura del rea neta efectiva: Lneas de falla

- abcd- abecd

Para cada lnea de falla se tiene:

(para perfiles)

(para placas y gussets)

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

tp: espesor del perfil [cm]



48/81








49/81






tp

Dn



50/81






Traccin



51/81





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

Cuando existen agujeros en la seccin transversal de un elemento, estos generan concentracin detensiones, permitiendo que stas no se distribuyan uniformemente.

= (Perfiles)



52/81






Si existe un miembro conectado sometido a traccin pero no todos sus elementos estn conectados(alas y alma), se producirn zonas de transicin con esfuerzos no uniformes que se distribuirn desdeel elemento conectado al resto del perfil.



53/81






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



54/81






U 1El cdigo AISC seala la siguiente manera de clculo para el coeficiente de corte diferido:



55/81






En general, estas expresiones mostradashan sido correlacionadas con ms de1000 experimentos que entregan unadispersin aproximada de 10% (Munsey Chesson, 1963).

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

U = 1- 0,9



56/81






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



57/81

U ve s dad de Sa t ago de C eINGENIERA CIVIL EN OBRAS CIVILES





U = 1- 0,9

Se defineL : Distancia entre la primera y ltima fila de pernos o la longitud de la soldadura. Para pernosalternados se considera la distancia entre pernos extremos.



58/81

gINGENIERA CIVIL EN OBRAS CIVILES





U = 1- 0,9

Se define

X: Distancia perpendicular desde el plano de conexin o cara del miembro conectado hasta elcentroide de la seccin del miembro que resiste la fuerza de conexin.



59/81






U = 1- 0,9



60/81






U = 1- 0,9



61/81





iii) Fluencia del rea gruesa en corte/Fractura del rea neta en corte y Fractura del rea neta en traccin:Bloque de corte

Corresponde a la falla en la conexin que involucra laresistencia de dos tipos de rea. Un rea perpendicular o

transversal a la fuerza de traccin solicitante (rea entraccin) y otra rea paralela a la accin de la carga(seccin en corte).

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

Traccin



62/81






Traccin

Traccin



63/81

INGENIERA CIVIL EN OBRAS CIVILESFundamentos de Diseo Estructural




Traccin



64/81







65/81





Traccin



66/81





El bloque de corte es un fenmeno de desgarre de la seccin conectada no un estado de fluencia. Aunas, puede ocurrir la fluencia en el rea de corte cuando comienza la fractura del rea en traccin, si:

0,6 > 0,6 Fluencia del rea en corte

Donde:Agv: rea gruesa en corte Anv: rea neta en corte Ant: rea neta en traccin Ubs: Factor de distribucin de tensiones



67/81




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



68/81







69/81







70/81




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

La resistencia de diseo de traccin y de corte , y la resistencia admisible a traccin y corte /debe ser determinada como sigue:



71/81





- Fallas en pernos



72/81





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



73/81





Tipos de conexin



74/81





Planos de falla:



75/81







76/81





Los valores tabulados anteriormente se obtienen de la relacin:

(a) El factor 0,563 toma en cuenta la razn corte/traccin de aprox. 0,625 y un factor de reduccin 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.



77/81





Los valores tabulados anteriormente se obtienen de la relacin:

El valor 0,75 corresponde a la razn aproximada entre el rea efectiva de la parte roscada y el rea delvstago para tamaos comunes de pernos.

- Resistencia nominal de un nmero n de pernos

=



78/81





Tipos de perforacin

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



79/81





Tipos de perforacin



80/81





- Resistencia combinada de traccin y corte



81/81





- Resistencia combinada de traccin y corteSe ha demostrado experimentalmente que la resistencia deconectores solicitados por combinacin de corte y traccinpuede ser definida apropiadamente por una elipse (Kulak,1987).

Se producen 2 puntos clave:

A: Traccin pura.Solo existe solicitacin de los pernos a traccin, por ende la

tensin requerida de corte es nula (fv = 0).B: Corte puro.Solo existen solicitacin por corte, as la tensin requerida atraccin es nula (ft = 0)

Elementos Sometidos a Tracci n

Documents

Transcript of Elementos Sometidos a Tracci n