Diseño de miembros de Acero a Flexión y Corte

1. Diseño de miembros de Acero a Flexión y Corte • Esfuerzos de flexión • Teoría del análisis plástico • Método del trabajo Virtual • Localización de la articulación plástica por cargas uniformes

2. Esfuerzos elásticos de flexión st1 st2 sadt Si estudiamos el diagrama de esfuerzos internos en una viga rectangular: sc1 sc2 sadc Como el acero es material homogéneo e isotrópico, los esfuerzos admisibles a tracción y compresión son iguales: sadt = sadc

3. Esfuerzos plásticos de flexión Fy Fy Fy Fy Fy (4) (5) (1) (2) (3) Fy Fy Fy Fy Fy Si continuamos incrementando los esfuerzos hasta el esfuerzo de fluencia Fy condición(1), el diagrama de esfuerzos internos ingresa en la zona plástica: En primera instancia las fibras extremas y posteriormente las fibras internas van llegando al esfuerzo de fluencia. En la condición (5) todas las fibras de la sección transversal alcanzan la fluencia en ese punto específico de la viga.

4. Cuando la distribución de esfuerzos alcanza la condición (5), se dice que se ha formado una articulación (rótula) plástica, porque en esa sección la viga no puede resistir ningún momento adicional. Cualquier momento adicional en ese punto causará una rotación de la viga ya que no hay esfuerzo interno resistente adicional. Fy Fy d Fy b Fy Diagramas elástico y plástico de esfuerzos Area seccional Módulo de sección: Módulo Elástico y Módulo Plástico

5. d/6 2d / 3 d/3 Fy bd2 My = 6 Fy d/2 Fy Como C = T : el momento resistente My es el par que se forma entre C y T:

6. Fy bd2 Mn = 4 Fy d/2 d/2 Fy Como C = T : el momento resistente Mn es el par que se forma entre C y T:

7. En una sección rectangular, Z = bd2 4 Se define el momento resistente Mn como el producto del esfuerzo de fluencia por el Módulo Plástico Z. Se define el Módulo Plástico Z como el momento estático de las áreas a tracción y compresión con respecto al eje neutro. Se define como factor de forma a: Mn / My = FyZ / FyS = Z/S En una sección rectangular, Z/S = 1,5 En la condición de momento resistente plástico, todas las fibras a tracción y compresión están sometidas al mismo esfuerzo Fy. Como consecuencia, las áreas arriba y abajo del eje neutro deben ser iguales, independientemente de la forma del área seccional.

8. 8´´ Wn = klb/pie 1,5´´ A B 12 pies 2´´ 6´´ c1= 4,875 pul c2= 2,625 pul 122,625 pul4 4,875 pul [8 (1,5)](6 + 0,75) + [6 (2)](3) yc= 24 My= (36000 lb / pul2) (25,154)pul3 S= EJEMPLO 1.- Determine My, Mn y Z para la viga mostrada. Calcule el Factor de forma y la carga uniforme wn que formaría una rótula plástica. Fy = 36 ksi. Análisis elástico: A= 8 (1,5) + 6 (2) = 24 pul2 yc= 4,875 pul Ix= (2)(6)3 / 12 + (8)(1,5)3 / 12 + (2)(6)(4,875 – 3)2 + (8)(1,5)(6,75 – 4,875)2 Ix= 122,625 pul4 S= 25,154 pul3 My= 75.462 lb.pie

9. 8 (135.000) Mn= (36000 lb / pul2) (45)pul3 (12)2 Factor de forma: 45 pul3 25,154 pul3 wnl2 8 wn = Análisis plástico: Como las áreas a tracción y compresión deben ser iguales, el eje neutro estará en la base del ala Z= (12)(0,75) + (12)(3) = 45 pul3 Mn= 135.000 lb.pie Factor de forma = 1,79 Momento máximo de una viga simplemente apoyada = wn = 7500 lb/pie

10. Análisis plástico La teoría plástica establece que después que ciertos puntos en una estructura alcanzan el esfuerzo de fluencia y generan articulaciones plásticas, estos puntos no pueden soportar momentos adicionales. Así, la fluencia permite que los momentos adicionales se transfieran a otras partes de la estructura donde los esfuerzos están por debajo de la fluencia y son capaces de soportar momentos adicionales. En otras palabras, la teoría plástica tiende a igualar los esfuerzos en una estructura en caso de sobrecarga. Esto es posible por la ductilidad del acero estructural que permite una redistribución de esfuerzos cuado se producen sobrecargas en estructuras estáticamente indeterminadas. Este es el origen de los métodos de cálculo de Estados Límites. La teoría plástica supone que el límite de proporcionalidad del acero es el esfuerzo de fluencia.

11. Las articulaciones plásticas como mecanismo de falla Las articulaciones o rótulas plásticas reciben esa denominación por el hecho que si un punto de un elemento no admite momentos adicionales, funciona en la práctica como una articulación real. Así, en el elemento se crea un punto de rotación adicional sin nuevas reacciones. Por lo tanto el elemento falla. El fallo es inmediato en vigas estáticamente determinadas. En sistemas hiperestáticos la Teoría Plástica indica que hasta cierto punto las rótulas plásticas permiten una redistribución de momentos, tal como una articulación real, pero eso significa que progresivamente se va sobrecargando el resto de la estructura, generando teóricamente un mayor número de articulaciones plásticas. Sistema isostático: Falla inmediata con una rótula plástica. Sistemas hiperestáticos: Es necesario que se forme más de una rótula plástica. Este número varía de acuerdo a la estructura.

12. El Método del Trabajo Virtual en la Teoría Plástica El principio del Trabajo Virtual asume que si un elemento está cargado a su capacidad nominal Mn y soporta un momento adicional, se produce un desplazamiento diferencial (virtual) después que se produce la carga última. Según las hipótesis básicas de este principio los desplazamientos angulares son tan pequeños que se puede hacer la aproximación: senq = tanq = q. Además el trabajo externo producido por las cargas debe ser igual al trabajo interno angular producido en las articulaciones.

13. L/2 L/2 q q d 2q Caso 1: Establecer la relación entre el momento resistente nominal y la carga distribuida en el sistema mostrado mostrando el mecanismo de falla. wn klb/pie L = 18 pies - Por simetría, la primera rótula debe producirse en el centro del claro. - Al ser la viga hiperestática no se produce falla inmediata. - Se podría incrementar la carga hasta que se generen rótulas en los apoyos empotrados. En ese momento ocurre el desplazamiento.

14. SU : Mn(q + 2q + q ) = wnL 4qMn = wn q L2 Mn = wn 16 Mn 16 L2 d wn = 2 L2 4 q L d d = 2 L/2 Según el principio de Trabajo Virtual: tan q = q = Como la carga es distribuida uniforme el trabajo realizado por la carga externa total (wnL) es igual al producto de la carga por la deformación angular promedio. La deformación angular promedio es la mitad de la deformación de la articulación plástica del centro del claro. Si el claro es de 18 pies: Mn = 20,25 wn

15. L/2 L/2 q q d 2q Caso 2: Establecer la relación entre el momento resistente nominal y la carga distribuida en el sistema mostrado mostrando el mecanismo de falla. Pn 10 pies L = 20 pies - A pesar de no haber simetría, la primera rótula se produce en el centro del claro. - Al ser la viga hiperestática no se produce falla inmediata. - Se podría incrementar la carga hasta que se genera otra rótula en el empotramiento. En ese momento ocurre el desplazamiento.

16. 3qMn = Pn q 6 Mn Pn = L L 2 Pn L Mn = q L 6 d d = 2 L/2 Según el principio de Trabajo Virtual: tan q = q = El trabajo realizado por la carga externa total Pn al desplazarse d es igual al trabajo interno realizado por los momentos plásticos en las articulaciones. En el apoyo derecho no hay trabajo virtual ya que es una articulación real y no soporta momento. SU : Mn(q + 2q ) = Pnd Si el claro es de 20 pies, Mn = 3,33 Pn

17. L/3 2L/3 q 2q d q + 2q Caso 3: Establecer la relación entre el momento resistente nominal y la carga distribuida en el sistema mostrado mostrando el mecanismo de falla. Pn 10 pies L = 30 pies - No hay simetría, la primera rótula se produce en el punto de aplicación de la carga. - Al ser la viga hiperestática no se produce falla inmediata. - Se podría incrementar la carga hasta que se generen rótulas en los apoyos empotrados. En ese momento ocurre el desplazamiento.

18. d 2q L d = 2L/3 3 2L 6qMn = Pn q 3 9 Mn Pn = L Pn L Mn = 9 Según el principio de Trabajo Virtual: tan q = q = El trabajo realizado por la carga externa total Pn al desplazarse d es igual al trabajo interno realizado por los momentos plásticos en las rótulas plásticas. SU : Mn(q + 2q + q + 2q) = Pnd Si el claro es de 30 pies, Mn = 3,33 Pn

19. Caso 4: Establecer la relación entre el momento resistente nominal y la carga distribuida en el sistema mostrado mostrando el mecanismo de falla. x Mn Diagrama de momentos: -Mn L - x x q a d q + a wn klb/pie L - No hay simetría en los apoyos; la primera rótula se produce en el punto de momento máximo actuante . - Al ser la viga hiperestática no se produce falla inmediata. - Se podría incrementar la carga hasta que se genere otra rótula en el empotramiento. En ese momento ocurre el desplazamiento.

20. d L - x d = q ( L – x) d Por trigonometría: tan a = a = x ( L – x) SU : Mn(q + q + ) = q d Mn(q )( 1 + ) = x 2 ( L – x) q a = x wnL q ( L – x) wnL 0,586L 2 wnL Mn( 3,414) = 2 L x Según el principio de Trabajo Virtual: tan q = q = Como la carga es distribuida uniforme el trabajo realizado por la carga externa total (wnL) es igual al producto de la carga por la deformación angular promedio. La deformación angular promedio es la mitad de la deformación de la articulación plástica del centro del claro. En el apoyo derecho no hay trabajo virtual ya que es una articulación real y no soporta momento. Despejando Mn y haciendo dM/d x = 0: x = (√2 – 1)L ≈ 0,414 L Así, Mn está localizado a 0,414 L del apoyo derecho. Mn = 0,0858 wnL2

21. x L - x L/2 a q q q d d q + a 2q Para la viga continua que se muestra, se ha seleccionado un perfil W 18 x 55 (Zx = 112 pul3) de acero A 36. Determine el valor de wn. Ejemplo 2: wn klb/pie 24 pies 30 pies Determinamos Mn : Mn = Fy Z Mn = 36 klb/pul2x 112 pul3 Mn = 336 klbx pie Estudiamos el mecanismo de falla analizando la viga continua con cualquier método estructural hiperestático: - El tramo derecho corresponde al Caso 1. (Viga doblemente empotrada con carga distribuida uniforme). - El tramo izquierdo corresponde al Caso 4. (Viga con carga distribuida uniforme con apoyos art-emp.).

22. Introduciendo los valores numéricos en el sistema: 9,94 ´ 14,06 ´ 15´ 15´ q 14,06q 16 Mn 15q 1,414 q L2 2,414 q 2q 16x336 wn = wn = 900 Mn x L - x L/2 wn = 336 0,0858 L2 wn = 0,0858 (24)2 a q q q q q d d q + a 2q Claro izquierdo: Claro derecho: wn = 6,8 klb/pie wn = 5,973 klb/pie La máxima carga con la que debe cargarse la viga es 5,973 klb/pie