PROYECTOS

Manual de Diseño para la Construcción con Acero · www.ahmsa.com

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Definición

Son secciones laminadas o formadas por placas, o barras (redondas, cuadradas o planas), de eje longitudinal recto y 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 fuerzas axiales de tensión.

Un miembro sometido a tensión representa el elemento más simple de un arreglo estructural, por lo que su diseño es muy sencillo pues no involucra problemas de pandeo o inestabilidad. La magnitud del esfuerzo de tensión en cualquier sección es uniforme y en miembros perfectos no hay flexión, cortante ni torsión.

Son elementos muy eficientes, de tal manera que sería ideal tener en una estructura de acero muchos miembros sometidos a tensión. Esto es lo que ha favorecido la práctica actual de emplear cubiertas colgantes cuya característica es salvar grandes claros en forma económica.

Modos de falla y estados limite de miembros en tensión

Los estados límite que deberán investigarse son los siguientes:

1. Flujo plástico en el área total

2. Fractura en la sección neta

3. Ruptura por cortante y tensión combinadas (block shear)

1. Flujo plástico en el área total

En este modo de falla, se presenta la fluencia en el área total, el material se plastifica y la falla es por deformación permanente.

PP

II.2.4 MIEMBROS EN TENSIÓN

Ángulo en tensión.

Flujo plástico en la sección total.

(Yield of gross section)

PP

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2. Fractura en la sección neta

El miembro falla en una trayectoria normal a la fuerza de tensión que atraviesa los agujeros para tornillos.

3. Ruptura por cortante y tensión combinadas

El miembro en tensión falla por arrancamiento o desprendimiento de material en la conexión atornillada extrema. La ruptura ocurre en dos superficies de falla como se muestra en la figura: superficie de falla por tensión y por cortante.

PPPP

Especificaciones AISC 2005

Referencias

• Capítulo D. Miembros en tensión

• Capítulo D. Sección D3

(Reglas para calcular el área total, área neta y el área neta efectiva).

• Capítulo J Sección J4.3

(Reglas para revisar el estado límite de ruptura por cortante y tensión combinadas

(“Block shear strenght”).

Las Especificaciones 2005 definen la resistencia de diseño con base a dos posibles estados límites: flujo plástico en la sección total y fractura en el área neta efectiva. En el método LRFD se define la resistencia de diseño multiplicando la resistencia nominal por un factor, normalmente de reducción de la resistencia de tensión (φt). En el método ASD se define la resistencia admisible en tensión dividiendo la resistencia nominal entre un factor de seguridad Ωt. Las resistencias correspondientes están dadas por las ecuaciones (D2-1) y (D2-2) de las especificaciones AISC-2005.

Estado límite flujo plástico en la sección total Estado Límite fractura sección neta

Pn= FyAg Pn= FuAe

φt= 0.90 (LRFD) Ωt= 1.67 (ASD) Ωt= 0.75 (LRFD) Ωt= 2.00 (ASD)

Fractura en la sección neta.

(Fracture of Net Section)

Ruptura por cortante y tensión combinadas.

(Block shear rupture)

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En ambos métodos, la resistencia del elemento es el menor valor obtenido al considerar los dos estados límites.

Se puede comprobar que el formato de resistencias permisibles es absolutamente coherente con el formato anterior de diseño basado en esfuerzos permisibles. En efecto, al asociar el factor de seguridad Ωt con el término de resistencia en las ecuaciones anteriores, resulta para el estado límite de flujo plástico en la sección total, el esfuerzo permisible Ft= Fy/Ωt = 0.6 Fy, lo cual resulta en una resistencia admisible a tensión Pa= 0.6 FyAg. Para el estado límite de fractura en la sección neta el esfuerzo permisible que debe aplicarse es Ft= Fu/Ωt = 0.5 Fu, lo cual resulta en la siguiente resistencia admisible a tensión Pa= 0.5 FuAe. Estas disposiciones corresponden a las mismas que están en las especificaciones AISC- ASD 1989. Las resistencias nominales son las mismas de las especificaciones LRFD 1999.

Determinación del área neta efectiva

Sección D3, especificaciones AISC-LRFD-2005

Ae= An U (D3-1)

donde:

Ae área neta efectiva, en cm2

An área neta, en cm2

U coeficiente de reducción del área que toma en cuenta el “rezago por cortante”

“shear lag” (U ≤ 1.0).

Rezago por cortante (“shear lag”)

El perfil IPR, o W está conectado al resto de la estructura a través de los patines.

En el área neta crítica del perfil (zona donde puede ocurrir la fractura del área neta), una porción del alma no es efectiva para soportar esfuerzos.

Los esfuerzos se transmiten en la sección a través de los patines y posteriormente se

Materialque notrabajaL = longitud de la conexiónPlaca de conexiónPlaca de conexiónGGxx

Distribución de esfuerzos en un perfil IPR o W conectado por los patines.

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transmiten gradualmente al alma del perfil. Sin embargo, en la sección neta crítica, los esfuerzos todavía no se extienden totalmente en el alma. Esta distribución no uniforme de esfuerzos puede ocasionar una disminución en la eficiencia de la sección neta, ya que algunas partes que componen el elemento (las conectadas directamente) tienden a alcanzar su resistencia última antes de que se desarrolle la de la sección completa.

Como una porción de la sección transversal no es efectiva para soportar esfuerzos, debe deducirse cierta área. El factor “U” toma en cuenta esta reducción de área.

La importancia de este fenómeno depende de la geometría de la conexión y de las características del material.

Cálculo de “U”

• Si la fuerza de tensión se transmite por medio de tornillos o soldaduras directamente a todos los elementos de la sección transversal:

U= 1.0

Si la fuerza de tensión se transmite por medio de tornillos o soldaduras directamente a uno o a más elementos de la sección transversal

U= 1 - x/l ≤ 0.9

donde:

x distancia de la cara de la placa de conexión al centro de gravedad de la parte de la sección transversal tributaria a la placa de conexión (excentricidad de

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