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1 Universidad Autónoma de Chiapas Facultad de Ingeniería Diseño de Estructuras de Acero M. I. José Filiberto Santos Hernández

2. Elementos cargados axialmente 2.1 Miembros en tensión comportamiento y diseño La forma más efectiva de usar el acero estructural es en un miembro a tensión, Si bajo ciertas condiciones de carga el esfuerzo se invierte en el miembro se vuelve de compresión, deberá diseñarse como miembro a tensión y como columna, perdiéndose la eficacia. Para que todo el material en el miembro a tensión sea totalmente efectivo, las conexiones de extremo deben diseñarse más fuerte que el cuerpo del miembro. Las vigas y columnas no utilizan el material con una eficiencia plena por dos razones: 1. La falla del metal se concentra en posiciones de altos esfuerzos 2. Algún tipo de falla por pandeo siempre ocurre o por debajo del esfuerzo de fluencia y la resistencia última a tensión del material nunca puede alcanzarse. En la siguiente figura se muestran algunos tipos de miembros a tensión que pueden alcanzar una alta eficiencia. a) Cuerda o cable de alambre (torón) con extremos encasquillados en donde el uso de alambres de acero estirado en frío con resistencia a la tensión de hasta 10500 kg/cm2 o más con en aplicaciones especiales, proporciona la máxima relación de resistencia a peso de que se dispone en el uso del acero.

Un cable se define como un elemento flexible a tensión que consisten en uno o más grupos de alambres, torones o cuerda, Un torón se forma por alambres dispuestos helicoidalmente respecto a un alambre central para producir una sección simétrica; una cuerda de alambre es una pluralidad de torones dispuestos helicoidalmente alrededor de un núcleo central compuesto de un núcleo de tela u otro torón de alambre.

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Tipos de cables

Tipo de torón b) Barra redonda con extremo de rosca sobrepuesta

Las barras redondas o cuadradas se utilizan para tensores, o a menudo insertadas con lechada en perforaciones en formaciones rocosas para estabilizar túneles o muros de contención. c) Barra de ojo con extremos forjados para conexiones de pasador que son más fuertes que el cuerpo de la barra

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d) Placa conectada por pasador con placas soldadas de refuerzo en los extremos

Las barras de ojo y las placas conectadas con pasadores se usa en una gra cantidad de situaciones especiales, para transferencia de una carga de tensión en una cuerda de alambre o cable a un miembro o ancla de acero estructural,como en el caso de un puente colgante, El uso de barras de ojo com miembro a tensión en los pueentes colgantes. Estados límites de servicio y área neta efectiva Los miembros a tensión axialmente cargados son proporcionados de manera que la fuerza de diseño requerida sea menor que o igual a la resistencia del estado límite multiplicada por el factor de resistencia .

Se debe revisar las dos condiciones de estado límite: 1. El estado límite de fluencia del área total de la sección transversal

2. El estado límite de fractura del área neta efectiva

, en los extremos del miembro a tensión

Donde es la resistencia a tensión mínima especificada del acero. El menor factor de resistencia de 0.75 para la fractura se usa debido a las consecuencias de este tipo de falla de la conexión. El área neta efectiva de un miembro es:

Es el área igual al área de la sección transversal total cuando la carga de tensión se tramite por soldaduras longitudinales, sólo o en combinación con soldaduras transversales y es igual al área neta si se trasmite por pernos o remaches.

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Coeficiente de reducción por retraso del cortante que debe usarse cuando sólo parte de la sección transversal está conectada, como por ejemplo, un lado de un perfil angular a tensión. La determinación de está definida en el manual AISC para diferentes tipo de juntas soldadas, remachadas o unidas por pernos. El área neta real en el caso de una serie de agujeros, perforaciones o barrenos que se extienden a través de un elemento, se determina por medio de una regla empírica: “el ancho neto de la parte se obtendrá deduciendo de ancho total la suma de los diámetros de todos agujeros o barrenos en la cadena y sumando, para cada espacio de gramil en la cadena, la cantidad”:

Donde ( ) es la separación longitudinal (paso) de dos barrenos o agujeros, consecutivos cualesquiera, en unidades de longitud y ( ) es la separación transversal (gramil) de los mismos dos agujeros o barrenos en unidades longitud”. Diseño por carga repetida Cuando la carga se aplica y se quita en forma repetida, con un número de repeticiones del orden de muchos miles o hasta millones, el metal puede desarrollar grietas que a la larga se extienden al grado que causan fatiga o falla del miembro es más fácil que las grietas de fatiga ocurran cuando la carga repetida es principalmente de tensión. Las concentraciones pueden ser debidas a soldaduras mal hechas, a pequeños agujeros y a bordes ásperos dañados, como resultado de los procesos de fabricación de cortante, punzonado o corte de baja calidad con oxígeno La resistencia la fatiga de los aceros de alta resistencia no es apreciablemente mayor que la del acero estructural A36 comúnmente utilizado. En 1969, las AISCS introdujeron un método simplificado para el diseño por carga repetida, las características del método proporcionado es el uso del rango de esfuerzo esperado como el criterio de control en el diseño. El rango de esfuerzo es la diferencia algebraica entre el esfuerzo máximo y mínimo esperado en cualquier ciclo de la carga. El rango permisible de esfuerzos es una función de: 1. La condición de carga 2. La categoría o rango de esfuerzos. Las condiciones de carga se definen y tabular en las normas AISC y son determinadas de acuerdo con el número predeterminado de ciclos de carga a usar como base para el diseño. Para menos de 20 000 ciclos, no tienen que considerarse la carga repetida pero para límites sucesivos inferiores de 20 000, 100 000, 500 000 y 2 000 0000 ciclos, respectivamente se establecen las condiciones de carga 1, 2, 3, y 4.

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Los esfuerzos que varían de A a F con valores creciente del incremento local de esfuerzo, están tabuladas y definidas en la AISC. Después de establecer la condición de carga y la categoría del esfuerzo, se determina el rango permisible de esfuerzo en el Manual AISC. Los miembros en edificios comunes no necesita diseñarse por carga repetida por que el número de repeticiones de carga máxima es usualmente menor que 20 000 Sin embargo, las trabes de grúas y las estructuras de soporte para maquinaria y equipo, sí requieren la consideración de fatiga. La fatiga es una consideración principal del diseño de puentes. 2.2 Miembros en compresión comportamiento y diseño Los miembros en compresión son elementos estructurales sometidos sólo a fuerzas axiales de compresión; es decir, las cargas son aplicadas a lo largo de un eje longitudinal que pasa por el centroide de la sección transversal del miembro y el esfuerzo puede calcularse con la siguiente ecuación:

Donde se considera uniforme sobre toda la sección transversal. En realidad, este estado ideal nunca se alcanza y alguna excentricidad de la carga es inevitable. Se tendrá entonces flexión que puede considerase como secundaria y ser despreciada si la condición de carga teórica puede aproximarse en buena media. La flexión no pude despreciarse si existe un momento flexionante calculable. El tipo más común de miembro en compresión que ocurre en edificios y puentes es la columna, miembro vertical cuya función principal es soportar cargas verticales. En muchos casos esos miembros se usa también para resistir flexión y en esos casos el miembro es una viga- columna. Los miembros en compresión se usan también en armaduras y como componentes de sistemas de contraventeo. Los miembros en compresión más pequeños no clasificados como columna se denominan puntales. 2.3 Miembros compuestos Se usan perfiles estructurales y miembros compuestos cuando se requiere rigidez en un miembro a tensión, para resistir pequeñas cargas laterales o cuando la inversión de la carga puede someter al miembro a compresión y tensión alternada, como en la diagonal de una armadura cerca del centro del claro.

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Los perfiles más comunmente utilzados son los que se muestrane la siguiente figura.

y

x

Perfil compuesto de placas y ángulos en armaduras de doble plano

Los perfiles W (IR), M o S, son especialmente adecuados para la construcción de armaduras soldadas en doble plano. Aunque las conexiones de extremo son de importancia primordial en el diseños completo de un miembro a tensión, una clausula no obligatoria de las especificaciones AISCS, recomienda una relación de esbeltez máxima ( ) de 300, las barras y los cables no se incluyen en esta categoría.