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5/10/2018 DISEÑO DE ELEMENTOS A TENSION POR AISC 2005 - slidepdf.com
Por William T. Segui, Traducción no oficial de Pablo Cruz Uriarte, UNI‐Norte.
3.1 Introducción
Los elementos a tensión son miembros estructurales que están sujetos a fuerzas de tensión axiales. Son
empleadas en muchos tipos de estructuras tales como los que forman parte de cerchas, arriostres de
edificios y puentes, cables de sistemas de techo suspendidos, y cables de puentes colgantes y puentes
en suspensión. Cualquier tipo de configuración en la sección transversal puede ser empleado, para
cualquier material dado, el único punto determinante para calcular la resistencia a tensión de un
miembro es el área de la sección transversal. Frecuentemente se usan varillas de sección circular y
angulares laminados en caliente. Secciones fabricadas, ya sean de platinas o de secciones laminadas en
caliente, o una combinación de placas y secciones laminadas en caliente, son empleadas algunas veces,
cuando las fuerzas a resistir son de magnitud considerable. El tipo más común de configuración es
probablemente en el que se emplean angulares dobles, mostradas en la figura 3.1 junto con otro tipo de
configuraciones comunes. Dado que el uso de este tipo de secciones es una práctica común, ya existen
tablas de propiedades de varias combinaciones de angulares incluidas en el Manual de Construcción del
Acero del AISC 1.
El esfuerzo en un miembro axialmente cargado a tensión está dado por la ecuación:
Donde P es la magnitud de la carga y A es el área de la sección transversal (el área normal a la carga). El
esfuerzo calculado por esta ecuación es exacto, y supone que la sección transversal en consideración no es adyacente al punto de aplicación de la carga, dado que ahí la ubicación del esfuerzo no es uniforme.
Si la sección transversal de un miembro a tensión varía en toda su longitud, el esfuerzo es una función
de la sección transversal particular que se esté considerando. La presencia de agujeros en un elemento
tiene influencia en el esfuerzo de una sección transversal a través de ese hueco o esos huecos. En esos
puntos, la sección transversal será reducida en una cantidad igual a la cantidad de área que fue
eliminada por los huecos existentes. Los miembros a tensión frecuentemente están conectados en sus
extremos finales con pernos, como se muestra en la figura 3.2. El miembro a tensión mostrado, una
placa de 1/2”x8” está conectada a una Placa de unión, la que funciona como elemento de unión y cuyo
propósito es transferir la carga de un miembro o elemento hacia un apoyo o hacia otro elemento o miembro de la estructura. El área de la barra en la sección a‐a es (1/2)*(8)=4 pulg2, pero el área de la
sección b‐b es solamente 4‐(2)*(1/2)*(7/8)=3.13 pulg2, y esta sección estará bajo mayor esfuerzo. Esta
área reducida es llamada comúnmente área neta o sección neta, y al área no reducida se le llama área gruesa.
1 Manual of Steel Construction, AISC. 2005.
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El típico problema de diseño consiste en seleccionar un miembro con suficiente área en su sección
transversal para resistir las cargas. Un problema relacionado es el de revisar la capacidad de un
miembro, es decir, se revisa la resistencia del elemento es calculada y luego se compara con la carga. En
general, el análisis es un procedimiento directo, pero el diseño consiste en un proceso iterativo y puede requerir de un proceso de prueba y error.
Los miembros a tensión están cubiertos en el Capítulo D de la Especificación del AISC. Los
requerimientos que son comunes con otros tipos de miembros son cubiertos en el capítulo B,
“Requerimientos de diseño”.
3.2 Cálculo de la Resistencia a la tensión
Un miembro sometido a tensión puede fallar alcanzando uno de dos estados límites: deformación
excesiva o fractura. Para prevenir una deformación excesiva, iniciada por la fluencia, la carga en la
sección gruesa debe ser lo suficientemente pequeña como para que el esfuerzo en la sección gruesa sea
menor que el esfuerzo a la tensión Fy. Para prevenir la fractura, el esfuerzo en la sección neta debe ser
menor que la resistencia a la tensión Fu. En cada uno de los casos, el esfuerzo P/A debe ser menor que
el esfuerzo límite F, o sea
Aquí entonces se puede observar que la carga P debe ser menor que F*A, o
La resistencia nominal en fluencia es
Y la resistencia nominal a la fractura es
Donde Ae es el área efectiva neta, la cual puede ser igual al área neta, o, en algunos casos menor. Este
asunto lo discutiremos en la sección 3.2.
Aunque la fluencia ocurrirá primero en la sección del área neta, la deformación en toda la longitud de la conexión generalmente será menor que la deformación en la parte restante del miembro sometido a
tensión. La razón de esto es que la sección neta existe en una porción relativamente pequeña del
miembro, y la elongación total es un producto de la longitud y la deformación (es decir, función del
esfuerzo). La mayoría de los miembros tendrán una sección transversal no reducida, de tal forma que
tratar de lograr el esfuerzo de fluencia en el área neta resultará en una elongación total mayor. Es esta
deformación mayor, no la fluencia que ocurre primero, lo que llamamos el estado límite.
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Alternativamente, el esfuerzo debido a las cargas de servicio puede ser comparado con el esfuerzo
disponible. Esto puede ser expresado como
f t ≤ Ft
donde f t es el esfuerzo aplicado y F t es el esfuerzo permisible. Para fluencia de la sección gruesa,
, y
Ω
.
0.6
Por fractura en la sección neta,
, y
Ω
.
0.5
Se pueden encontrar valores de Fu y Fy para varios tipos de aceros estructurales en la tabla 2‐3 del Manual. Aquí reproducimos algunos de los más empleados2.
La cantidad exacta de área que se deducirá del área gruesa que cuenta con agujeros debido a la
presencia de huecos para pernos depende del proceso de fabricación. La práctica usual consiste en
perforar por medio de taladros los agujeros del tamaño estándar (sin sobretamaño) con un diámetro de 1/16” mayor que el diámetro del pasador. Para tomar en cuenta la posible falta de precisión a la hora de
hacer este agujero, la sección D3 de la Especificación del AISC, requiere la adición de 1/16” al diámetro
del hueco existente. Esto significa que se suma 1/8” al diámetro del pasador. En el capítulo J, sección
J3.2, “Tamaño y uso de agujeros” el lector puede ampliar su conocimiento del tema.
2 Reproducción del libro Estructuras de Acero: Comportamiento y LRFD, Sriramulu Vinnakota, Mc Graw Hill , Página 282.
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