Eurocódigo para Estructuras de Acero Desarrollo de Una Propuesta Transnacional


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1 Curso: Eurocódigo 3 Módulo 4 : Eurocódigo para Estructuras de cero Desarrollo de Una Propuesta Transnacional Lección 10: Resumen: La resistencia de una pieza a tracción se obtiene suponiendo que la sección completa ha alcanzado su límite elástico. La resistencia de cálculo de una pieza sometida a tracción se toma habitualmente como el menor valor de entre el que haría alcanzar el límite elástico de la sección bruta o el valor de rotura de la sección neta. Se deberán considerar las excentricidades de las uniones. Los perfiles angulares, en T y los UPs se pueden calcular a tracción centrada siempre y cuando tengamos en cuenta una reducción del área neta para considerar la excentricidad existente. Ciertas consideraciones de servicio para la pieza traccionada pueden limitar su esbeltez. Requisitos previos: Resistencia de materiales Comportamiento de los estados límites. otas: Este material comprende una lección de 30 minutos. Structural Steelwork Eurocodes Development of a Trans-national pproach (SSEDT)

2 Objetivos: Describir las reglas del EC3 para el cálculo de piezas sometidas a tracción. Explicar la importancia de la excentricidad de las uniones en las piezas traccionadas. Definir y obtener el área neta. Calcular áreas eficaces de secciones transversales para piezas unidas excentricamente. Diseñar piezas de perfiles laminados sometidas a tracción. Referencias: EC3: EV : Eurocódigo 3: Proyecto de Estructuras de cero. Parte 1-1: Reglas generales y reglas para edificación. The Behaviour and Design of Steel Structures, S Trahair,.S. and Bradford, M.., E&F Spon 1994 Contenidos: 1. Introducción 2. Conexiones 3. Resistencia de la sección transversal 4. Determinación del área neta 5. ngulares conectados por un ala 6. Situaciones de servicio, corrosión y fatiga 7. Conclusiones 2

3 1. Introducción El diseño básico de una pieza a tracción es muy simple aportar la suficiente sección transversal para resistir el esfuerzo aplicado. Una vez que se ha obtenido la magnitud del esfuerzo a soportar y la resistencia del material ha sido establecida, es posible calcular el área requerida de la sección transversal. Sin embargo, la unión de las piezas traccionadas es, lo mismo que para otros tipos de piezas, una consideración muy importante a tener en cuenta dado que en muchos casos puede gobernar el diseño de la pieza siendo un criterio básico en el diseño y selección de una sección. ormalmente las piezas traccionadas se diseñan utilizando perfiles laminados (ngulares, IPs, HEs, UP), barras o chapas. Esta lección se refiere al diseño de piezas traccionadas constituidas a partir de dichas secciones sometidas a cargas estáticas no se consideran cables. 2. Conexiones Es habitual asumir que la distribución de tensiones de tracción en una pieza traccionada es uniforme. o obstante las conexiones de la pieza pueden afectar la validez de esta suposición de dos modos. En primer lugar, si se emplean tornillos el área de la sección transversal se reduce debido a los agujeros practicados y las tensiones alrededor de los agujeros se incrementan localmente tal y como se muestra en la figura 1. En segundo lugar, cierta excentricidad en las conexiones es a menudo inevitable y por lo tanto aparecen momentos secundarios. Estos problemas pueden ser tenidos en cuenta utilizando para el cálculo de la resistencia plástica de diseño, un área neta efectiva en lugar de la sección bruta. x σ 0 (a) σ T T T T F y (b) Tensiones elásticas (c) Tensiones últimas Figura 1 Distribución de tensiones en una sección con agujeros 3

4 3. Resistencia de la Sección Transversal Para piezas no conectadas mediante tornillos, la resistencia a tracción de cálculo es la resistencia plástica de cálculo de la sección transversal bruta. Dada por: donde pl Rd f M y. = γ 0 es el área bruta de la sección transversal fy es el límite elástico del acero γ M0 es el coeficiente parcial de seguridad del acero. (1) 5.4.3(1) a) Para piezas atornilladas la resistencia de la sección se debilita debido a la reducción del área de la sección transversal por la presencia de agujeros y se requiere una comprobación adicional. pesar de que los agujeros inducen concentraciones de tensiones (figura 1) la ductilidad del acero permite asumir una distribución de tensiones uniforme a través de la sección neta en el estado límite último. De este modo la resistencia última de cálculo de la sección neta se tomará como: donde = 09 γ urd., net f M 2 u net es el área neta de la sección transversal fu es la resistencia última de tracción del acero γ M2 es el coeficiente parcial de seguridad para la resistencia de la sección neta, el cual tendrá probablemente un valor diferente de γ M0 El factor 0,9 es un coeficiente de reducción para tener en cuenta las excentricidades, concentración de tensiones, etc. La resistencia a tracción de cálculo (t.rd) se toma entonces como el menor valor de los proporcionados por las ecuaciones (1) y (2), y se debe comparar con el valor de cálculo del esfuerzo de tracción aplicado (sd). (2) (1) b) Porqué el Eurocódigo permite superar el límite elástico en la sección neta utilizando fu en lugar de f y en la ecuación (2)? Se asume implícitamente que el fallo de una pieza sometida a tracción puede describirse mediante su deformación. Consideremos por ejemplo una pieza traccionada en la cual la zona de la conexión representase un 5% de la longitud total. Si la deformación para la carga última en la región de la conexión la cual provoca que se alcance el límite elástico en la sección bruta lejos de la conexión - es, digamos, 10 veces la deformación correspondiente al límite elástico, entonces el incremento de longitud a lo largo de la pieza sería: en la zona de la conexión 5 l = 10 L = 05 L 100 ε. ε c y tot y tot en el resto de la pieza 95 l = ε L = 095. ε L 100 m y tot y tot La elongación en la zona de conexión es más pequeña que la de la pieza completa. Por ello, "el fallo" se producirá por deformación excesiva de la pieza, por lo que la resistencia a rotura de la sección neta ( u.rd ) no es inferior a la resistencia plástica de la sección bruta ( pl.rd ). 4

5 Sin embargo hay dos casos en los que se considera necesario limitar la tensión en la sección neta. El primero se refiere a conexiones de Categoría C las cuales se diseñan para ser resistentes al deslizamiento en estado límite último. Para estas conexiones, la resistencia plástica de cálculo de la sección neta (net.rd) está limitada por el valor del límite elástico en dicha sección. sí, net f. = γ M0 net Rd y El segundo caso concierne a piezas en las cuales se requiere comportamiento dúctil (p. e. para diseño sísmico). En dichos casos es necesario asegurar que la condición límite es alcanzar el límite elástico en la sección bruta en lugar del fallo en la sección neta. De modo que, (3) (2) (5.14) urd pl.rd (4) (4) (5.15) Esta condición será satisfecha si, f f [ / ][ γ / ] 2 γ 0 09, net y u M M (5). Con Fe430 y Fe510 (espesores menores de 40mm) y empleando los valores del EC3 para γ M2 y γ M0, los valores mínimos de net/ para comportamiento dúctil son 0,81 y 0,88 respectivamente. Si la relación verdadera desciende de dicho valor, los detalles de las conexiones o el tamaño de la sección transversal debería de corregirse convenientemente. Para piezas en las que no se requiere específicamente un comportamiento dúctil, no son necesarias tolerancias para los agujeros de los tornillos a menos que la relación net/ caiga por debajo de 0,81 para el Fe430; 0,88 para el Fe510. La resistencia a tracción de cálculo estará siempre controlada por la resistencia plástica de la sección transversal bruta (ecuación 1). 5

6 4. Determinación del área neta El área neta de la sección transversal se obtiene deduciendo de la sección bruta los agujeros de los tornillos y otras aberturas. (Para angulares conectados por un ala, y secciones en T y en U conectadas por las alas se aplican reglas especiales). Por cada agujero, la deducción es el área de la sección bruta transversal del agujero - véase figura 2. Cuando los tornillos están alineados, el área total a deducir de cualquier sección transversal perpendicular al eje de la pieza es la máxima suma de las áreas seccionales de los agujeros. Cuando los tornillos están colocados al tresbolillo el área total a deducir es la mayor de las áreas obtenida para los agujeros cruzando una sección transversal perpendicular o la suma de las áreas de todos los agujeros en cualquier línea diagonal o en zigzag que cruce la pieza menos s 2 t/4p por cada espacio transversal en la cadena de agujeros ver figura 2. Diámetro agujero, d 1,2 p Dirección de la tracción B Espesor chapa, t s s 2 1 En la sección 1-1, Área neta = B t d t En la sección 2-2, Área neta = B t 2 d t + st 2 4p - El área mínima se toma como net - El área mínima se toma como net donde s: es el paso entre agujeros paralelo al eje de la pieza p: es el espacio entre líneas medido perpendicularmente al eje de la pieza (en piezas con agujeros en más de un plano, p se medirá a lo largo de la línea trazada por la mitad del espesor de la sección) p Figura 2 Área neta 6

7 5. ngulares conectados por un ala En piezas conectadas asimétricamente, o piezas de simetría simple con conexiones no simétricas (L, LD, T, UP, etc.) deberá de considerarse la excentricidad de la conexión. En el caso particular de un angular conectado en uno de sus lados por medio de una sola línea de tornillos, la pieza puede estudiarse como si estuviera axialmente solicitada basando la resistencia última cálculo en una sección neta modificada obtenida como se indica en figura 3. d 0 e 2 e 1 (a) 1 tornillo u.rd ( ) 20. e 05, d tf = γ 2 0 u M2 e 1 p 1 e 1 p 1 p 1 (b) 2 tornillos u.rd = β γ f 2 net u M2 (c) 3 o más tornillos u.rd = β 3 γ f net u M2 donde β 2 = 0,4 si p 1 2,5 d 0 β 2 = 0,7 si p 1 5,0 d 0 β 3 = 0,5 si p 1 2,5 d 0 β 3 = 0,7 si p 1 5,0 d 0 net es el área neta del angular. Para un angular de lados desiguales conectado por su lado más pequeño, net se toma como el área de la sección neta de un angular de lados iguales equivalente i.e. l 2 l 2 > Figura 3 Resistencia última de cálculo de la sección neta para perfiles angulares 7

8 Para angulares soldados conectados por uno de sus lados soldándolo en lugar de atornillarlo, la excentricidad inherente a la conexión puede tenerse en cuenta empleando el área efectiva de la sección transversal y considerando entonces la pieza sometida a tracción centrada. Ejemplos de áreas efectivas de secciones transversales que se pueden adoptar se muestran en la figura 4. Lados iguales Lados desiguales Área efectiva = área bruta Lados desiguales El área efectiva será el área bruta de un angular menor Figura 4 Áreas efectivas de angulares conectados por un solo ala mediante soldadura El EC3 sugiere que las piezas como las secciones en T y en U, se pueden estudiar de modo similar pero sin proporcionar detalles. Una propuesta podría ser calcular el área neta de la sección transversal (net) para una sección en T conectada por sus alas o una sección en U conectada por su alma, como el área neta de la parte conectada de la sección transversal más la mitad del área del (de los) elemento(s) exterior(es). UK D (b) C-EC3 p 109 Este área neta se emplearía entonces para calcular la resistencia última de cálculo de la sección neta (ec 2) la cual, demostrado que resulta inferior a la resistencia plástica de cálculo de la sección bruta (ec 1), sería la resistencia de cálculo a tracción de la pieza. 6. Situaciones de servicio, corrosión y fatiga Dado que las piezas traccionadas transmiten carga de modo muy eficiente, tienden a necesitar áreas relativamente pequeñas en su sección transversal. Esto hace que dichas piezas sean susceptibles de alargamientos excesivos bajo una carga axil lo cual puede conllevar grandes desplazamientos de la estructura si estas piezas forman parte del sistema de arriostramiento y deformación lateral de la propia pieza debida a su propio peso. Las secciones laminadas ligeras también pueden dañarse fácilmente durante su transporte. Por estas razones, la buena práctica constructiva aconseja limitar la esbeltez de las piezas traccionadas a 300 para piezas principales y a 400 para piezas secundarias. Otra cuestión a tener en consideración son las consecuencias de una perdida de material debido a la corrosión, la cual es mayor para piezas sometidas a tracción dado que éstas están relativamente más tensionadas. 8

9 7. Conclusiones La resistencia de una pieza a tracción se obtiene suponiendo que la sección completa ha alcanzado su límite elástico.. La resistencia de cálculo de una pieza sometida a tracción se toma habitualmente como el menor valor de entre el que haría alcanzar el límite elástico de la sección bruta y el valor de rotura de la sección neta. Cuando se requiera un comportamiento dúctil (p.e. para cargas cíclicas) la sección bruta alcanzará el límite elástico antes de que la sección neta llegue a la rotura. Se deberá tener en consideración la excentricidad de las uniones. Los perfiles angulares, en T y los UPs pueden calcularse como solicitados a tracción centrada siempre y cuando tengamos en cuenta una reducción del área neta para considerar la excentricidad existente. Ciertas consideraciones de servicio para la pieza traccionada pueden limitar su esbeltez. 9

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