Fallas En Las Estructuras Metalicas 3e4h1r
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ESTRUCTURAS METALICAS
PRESENTACIÓN En el presente trabajo se pone en manifiesto las características principales que se tienen que tener en cuenta en Falla estructural en las construcciones de acero fundamentalmente en el empalme de dos elementos de acero, que sea capaz de resistir y absorber los esfuerzos a los que va ha ser sometido la estructura.
Lo anteriormente dicho se refiere a que la estructura disponga principalmente de una alta resistencia lateral (capacidad resistente horizontal que es capaz de desarrollar una estructura antes de colapsar), y un comportamiento dúctil (capacidad de absorción y disipación de energía que una estructura puede ofrecer antes de colapsar.). En la medida que la estructura se diseña con mayor resistencia lateral, menor es la necesidad de ductilidad, y viceversa. Ambas características que intervienen en el diseño están relacionadas, y los colapsos que se producen están generalmente asociados a una deficiente provisión de ductilidad para la resistencia lateral que se ha considerado en el diseño.
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ESTRUCTURAS METALICAS
1. FALLAS ESTRUCTURALES EN CONSTRUCCIONES DE ACERO Una falla estructural se refiere a un colapso en el cual la estructura se rompe en pedazos. Sin embargo, en la mayoría de los casos el término incluye otras condiciones aparte del colapso, que pueden ser no tan drásticas y aun así llevar a pérdidas grandes. El fundamento técnico de esta presentación está basado en el Análisis de Fallas Estructurales que repercuten en la Construcción del Elemento. Se dará una breve presentación sobre los Mecanismo, Modos, Parámetros Críticos y Criterios de Falla frecuentes en elementos estructurales, así como también las Fallas bajo Cargas Estáticas referidas a las Fallas de Materiales Dúctiles y a las Fallas de Materiales Frágiles, siguiendo las Teorías, del Esfuerzo Cortante Máximo (Teoría de Tresca), de la Energía de Distorsión (Teoría de Von Misses) y de la Fricción Interna (Teoría de Coulomb-Mohr Dúctil) para las fallas dúctiles y las Teorías del Máximo Esfuerzo Normal (Teoría de Rankine) y de Coulomb-Mohr Frágil para las fallas frágiles. Otra acciones, de la cuales se hablarán en esta presentación son las “Fallas por Corte y Tensión Diagonal”. Además de incluir en esta presentación
de Análisis de Fallas Estructurales, el
variable tiempo en los métodos de diseño mecánico de estructuras de concreto, presentando un ejemplo de diseño por durabilidad de estructuras de concreto. El propósito de esta presentación es básicamente el reunir los conocimientos de investigaciones en fallas frecuentes en las estructuras bajo diferentes criterios incluyendo el tema de Diseño por durabilidad de materiales publicado a la fecha y
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ESTRUCTURAS METALICAS transferirlos para desarrollar un „modelo de durabilidad‟ al diseño estructural de concreto.
2. FALLA EN LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES EN CONSTRUCCION 2.1 FALLA EN LOS CONECTORES 2.1.1 Falla por Tracción en los pernos (Acción en palancas) El aprieto de las tuercas de los pernos, así como el enfriamiento de los remaches luego de su colocación origina fuerzas de pre tracción en estos medios de unión. Si a estos esfuerzos iniciales se suman los debidos a las fuerzas exteriores de tracción sobre los conectores y se supera su resistencia al agotamiento a tracción, sobreviene la falla indicada.
Sin embargo, los esfuerzos adicionales debido
alas fuerzas exteriores
aplicadas, son generalmente reducidos y no se llega a exceder el límite de resistencia. Esto es debido a que las normas limitan los esfuerzos de tracción
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ESTRUCTURAS METALICAS a valores relativamente bajos y con ello ser protege también su capacidad para resistir corte.
Por lo tanto, las pre tracciones en los pernos no reducen su resistencia a tracción, si bien en algunos casos es necesario tomar en cuenta la acción de palanca que incrementa la magnitud de las fuerzas de tracción en los conectores. A este efecto se le conoce también por acción separadora.
La
acción de palanca se origina porque las fuerzas P no se aplican
directamente sobre los pernos, sino a través de ángulos de conexión o alas de perfiles T y doble T, los cuales pueden sufrir deformaciones por flexión que modifican la distribución de los esfuerzos de aplastamiento entre las cabezas del conector y las planchas. Por ello, parecen fuerzas de palanca Q que se suman a las fuerzas F de tracción en cada conector, dando por resultado las fuerzas T. T=F+Q Si existe simetría: F=P/Ƞ Siendo Ƞ el número de pernos solicitados a tracción. Las rigideces de las alas y de los pernos son los factores de mayor importancia en la magnitud que alcanza la fuerza de palanca Q. cuando Q es pequeña, puede despreciarse, pero en algunos casos representa una parte importante se la tracción en los conectores, reduciendo la resistencia de la conexión.
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ESTRUCTURAS METALICAS Luego de numerosos ensayos de laboratorio, se han propuesto las siguientes relaciones empíricas para valorar la magnitud Q: Para pernos A-325:
[
]
[
]
Para pernos A-490:
Las distancias a y b se muestran en la figura. L' es la longitud tributaria del ala por cada perno y
es el espesor del ala.
resulta negativa se adopta Q = 0.
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Es el diámetro del perno, si Q
ESTRUCTURAS METALICAS
La figura muestra como los bordes externos dela conexión se comportan como volados de longitud a, en cuyo extremo se haya aplicado la fuerza Q. por lo tanto, el ala de la T flexa según un diagrama de momentos donde
Y
son los momentos máximos de signos opuestos, el mayor de los cuales controla el diseño.
El diagrama de momentos en el ala de la T de la figura es lineal y debe verificarse que los momentos críticos no superen la capacidad flexional del ala que se analiza. La distancia a debe cumplir:
{
Y se adopta generalmente:
b: es la distancia entre los ejes del perno y la cara interna del ángulo de conexión o alma de la T, dejando una luz de ⁄ toma el momento
. Sobre ese eje se
, por ser la línea de carga. La fuerza de palanca obtenida
mediante las ecuaciones: [
]
[
]
y
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ESTRUCTURAS METALICAS
Supone que las ecuaciones se hallan aplicadas a un medio rígido, como muestra la figura.
Si el medio se considera flexible, el valor de Q se incrementa notablemente. Algunos autores aplican Q en la mitad del volado a, disminuyendo con ello la magnitud del momento
. Aquí se ha tomado su punto de aplicación en el
extremo del volado, en una solución más conservadora.
Al tomar en consideración la acción de palanca se ha supuesto la fuerza F igual en todos los pernos. Pero si además de la fuerza de tracción P se aplica un momento exterior. La fuerza F debe incrementarse por efecto dela flexión. Al mayor delos momentos
mayorados, se le designa por
. Para
soportar la flexión impuesta en el ala del perfil conectado, el espesor de esta ala debe cumplir:
√
Cuando los pernos de alta resistencia están solicitados por fuerzas de tracción repetidas, o en régimen de fatiga, las fuerzas de palanca Q que se originan producen un alargamiento de los pernos y una pérdida de la acción de apriete de tuercas, que favorece la fractura de la conexión en un tiempo breve.
Cuando se tienen dos líneas de conectores en cada lado de la conexión, los exteriores no son muy efectivos, pues casi no colaboran en la resistencia a la
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ESTRUCTURAS METALICAS tracción, si no solamente al corte, pues los ensayos indican que la fuerza de palanca Q aliviana el trabajo de los pernos exteriores, aplastando la plancha contra la unión.
Al flexionar el ala de la conexión, se trata de almacenar primero los pernos más cercanos al eje de acción de la fuerza P, y estos protegen a los exteriores. De esta manera, manera no fallan los cuatro simultáneamente. Este tipo de conexión resulta poco eficiente, excepto que se le rigidice con planchas intermedias o rigidizadores laterales como muestran los esquemas.
2.1.1.1 Capacidad resistente para la Falla en los Conectores La capacidad resistente a tracción en cada uno de los pernos de una conexión se obtiene:
Para:
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ESTRUCTURAS METALICAS Es la capacidad teórica a tracción de los conectores dad en la tabla 1 y es el área nominal de la parte del vástago no roscado.
Son las cargas de
tracción factorizados que resultan de sumar las cargas de tracción aplicadas, más las debidas al efecto de palanca según se detalla en la sección. Producido por la deformación de las partes conectadas.
2.1.1.2 Ejemplo de Aplicación La conexión traccionada indicada en la figura de 4 pernos a 325 de
⁄ ”,
corresponde a la de un perfil T cortado de un HEA 360 de acero AE25, unido a un medio suficiente rígido. Las cargas de servicio que solicitan la conexión son: CM = 8.8 Tn, CV = 10 Tn. Verifique si la unión es resistente.
Para los pernos: Para el perfil: Se adopta: a = 7.3cm
L' = 15cm b = 7cm
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ESTRUCTURAS METALICAS Las cargas factorizadas son:
en cada
perno: ⁄ ⁄
De la tabla 1 se lee: En
cada
perno:
correcto ¡¡ Se calcula a continuación la fuerza Q debida al efecto de palanca, según ecuaciones:
[
]
Resulta en consecuencia una fuerza total factorizada
actuando en cada
perno, igual a: Bien… Los pernos de la conexión son resistentes. También se debe controlar si el espesor del ala del perfil T es suficiente para soportar la flexión impuesta.
Controla
. Por lo tanto
y el espesor mínimo del ala del perfil
conectada será:
10
ESTRUCTURAS METALICAS √
√
Insuficiente.
Por lo tanto para rigidez la conexión se colocara una plancha intermedia de refuerzo de 5mm como muestra la figura
2.1.2
Falla por corte en los pernos
Se produce cuando el desplazamiento entre las planchas origina elevados esfuerzos de corte en uno o más planos del conector. La figura esquematiza este tipo de falla.
2.1.2.1 Capacidad resistente para la Falla por Corte La condición de deslizamiento crítico implica que el deslizamiento está impedido, es decir que no puede existir ningún tipo de corrimiento relativo entre las planchas conectadas, debido a la gran fricción producida por el estricto ajuste de los pernos con las llaves calibradas. La capacidad resistente de los pernos en conexiones tipo deslizamiento crítico se verificara para:
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ESTRUCTURAS METALICAS
El estado limite bajo cargas de servicio.
El estado limite en agotamiento resistente.
Caso I) Deslizamiento critico bajo carga de servicio y
P= ∑
. Se debe cumplir:
Donde: P = Es la carga de servicio actuante en la conexiones. = El número de pernos. N = Numero de planos de corte. = Es el esfuerzo isible a corte en régimen de servicio. Para los pernos de alta resistencia, que se indica en la última columna de la tabla 1. En forma similar, para:
Se obtiene:
Caso II) Deslizamiento critico en agotamiento resistente La resistencia teórica a deslizamiento critico en agotamiento resistente referida a las cargas mayoradas, debe cumplir:
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ESTRUCTURAS METALICAS En agujeros standard :
y la capacidad resistente nominal resulta :
Donde: = Es la tracción mínima en el conector, dada en la tabla 3. Y representa la fuerza normal aplicada entre las partes conectadas. = El número de pernos. n = Numero de planos de corte de la conexión. = Es el coeficiente de fricción estática, o factor medio de deslizamiento para superficie A, B y C, cuya clasificación se detalla a continuación.
en superficies clase A.
Son las superficies libres de cascarilla de laminación, no pintadas o superficies a limpias, sometidas a tratamientos con chorros de arena y alas que se ha aplicado un protector clase A.
en superficies clase B.
Son las superficies limpias, sometidas a tratamientos con chorros de arena y no pintadas, o superficies limpias sometidas a tratamiento de chorros de arena y a las que se ha aplicado un protector clase B.
en superficies clase C.
Son las superficies galvanizadas en caliente y las superficies rugosas. En la generalidad de los casos se considera que las superficies son de clase A, lo cual da mayor margen de seguridad a la conexión. Sin embargo, el
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ESTRUCTURAS METALICAS proyectista puede determinar la clase de superficie que considere conveniente, si bien las de clase B o C exigen una inspección cuidadosa de la terminación de las superficies de o.
2.1.2.2 Ejemplo de Aplicación La conexión indicada de tres planchas que soportan tracción, consiste en 4 pernos A 325 trabajando a corte por deslizamiento crítico. Verifique el diámetro necesario de los pernos bajo las cargas de servicio y las cargas factorizadas, para superficies clase B. las cargas de servicio son: CM = 22 t
, CV = 14.8 t
Caso I) Comportamiento bajo cargas de servicio P = 22 + 14.8 P = 36.8 tn De la ecuación se despeja el valor de 1.195
* 4 * 2 ≥ 36.800 Kg
Resulta: ≥ 3.85 Por tanto, de la tabla 2, se escogen los pernos: 7/8” (con 3.879
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).
ESTRUCTURAS METALICAS
Caso II ) Comportamiento bajo cargas factorizadas
= 50 tn De ecuación
y Por ser superficie clase B. La capacidad resistente nominal
se obtiene
Debe cumplirse:
En consecuencia, se selecciona de tabla 3, el perno a 325 cuyo
sea igual o
superior al requerido, y resulta el ¾” con De las dimensiones de pernos obtenidos se deduce que controla el diseño el estado límite bajo cargas de servicio, por lo cual los pernos a colocar serán los de 7/8” 2.1.3
Falla por Aplastamiento de los pernos
En la práctica este tipo de falla tiene una sola remota posibilidad de ocurrencia, debido a que el acero de los pernos o remaches es de calidad superior al del
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ESTRUCTURAS METALICAS as planchas que conectan y el confinamiento dentro de las perforaciones incrementa su ductilidad. Pero en el caso que por error se materializara unja conexión con pernos a A307 y planchas y perfiles de acero de alta resistencia, trabajando al aplastamiento podría ocurrir este tipo de falla. Ejemplo: En la figura se muestra los pernos en conexiones por aplastamiento
2.1.3.1 Capacidad resistente para falla por aplastamiento de los pernos La capacidad resistente a corte por aplastamiento, para cargas factorizadas y , se obtiene:
Donde: : es la capacidad teórica a corte dada en tabla 1 : es el área nominal del perno, es decir el área de la sección transversal del vástago no roscado, indica en tabla 2. : es el número de pernos de la conexión. n: es el número de planos de corte adoptado:
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ESTRUCTURAS METALICAS
Se obtiene:
Los valores de
se leen en la tabla 2
2.1.3.2 Ejemplo de Aplicación Verifique si los 6 pernos A490 de 1” trabajando a corte por aplastamiento CR (con rosca incluida en los planos de corte) son suficientes para resistir las siguientes cargas de servicio: CM = 50 Tn y CV = 80 Tn. Solución Las cargas factorizadas resultan:
Reemplazando en la ecuación:
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ESTRUCTURAS METALICAS 2.2 FALLA EN LOS CONECTADOS 2.2.1
Falla por aplastamiento de las planchas
En las conexiones tipo aplastamiento, esta falla es el resultado de la compresión del vástago del conector contra las paredes de la perforación. Debido al desplazamiento de las planchas, comienza gradualmente a aumentar el tamaño del agujero, incrementando su diámetro en la dirección de la fuerza aplicada. Esta falla se muestra en la figura y es usual en en estado de agotamiento resistente (AR) dado que el acero delas planchas o perfiles laminados es generalmente de calidad inferior al de los pernos.
2.2.1.1 capacidad resistente para falla por aplastamiento de las planchas La capacidad resistente al aplastamiento en los agujeros de las planchas se debe verificar tanto en las conexiones tipo deslizamiento crítico, como en las de tipo aplastamiento. La capacidad resistente al aplastamiento será . La capacidad resistente teórica
se obtiene para 2 casos diferentes:
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para
ESTRUCTURAS METALICAS
CASO I Cuando
o
con 2 o más pernos en la línea de acción de la
fuerza. Dentro de este caso se deben considerar a su vez dos condiciones diferentes: a) Cuando la deformación alrededor de los pernos sea una consideración de diseño.
b) Cuando la deformación alrededor de los pernos no sea una consideración de diseño. Para los pernos cercanos al borde:
Para el resto de los pernos:
CASO II Cuando
o
para una sola fila de pernos en la línea de acción
de la fuerza. Dentro de este caso se deben considerar 2 condiciones diferentes:
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ESTRUCTURAS METALICAS a) Para el agujero de un perno o para el agujero más cercano al borde cuando 2 o mas pernos están en la línea de la fuerza:
b) Para los agujeros restantes:
Dónde: : es el diámetro nominal del perno (de la parte no roscada del vástago). : es el paso o distancia entre centros de agujeros medida en la dirección de la fuerza. : es la resistencia mínima de agotamiento en tracción especificada para el acero de las planchas o , como se muestra en la figura.
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ESTRUCTURAS METALICAS 2.2.1.2 Ejemplo de Aplicación Verifique si la unión de las planchas solapadas de la figura en acero AE35 con bordes contados a la flama y 6 pernos de ⁄
es resistente al aplastamiento,
bajo la acción de una carga factorizada: Resistencia mínima de agotamiento en tracción del acero AE 35 ⁄
(ver tabla 4)
Diámetro delos pernos: Distancia al borde: Paso:
hay más de dos pernos en la dirección de las fuerzas.
Corresponde en consecuencia al (caso I ). Se analizarán las consideraciones A y B.
a)
La deformación de las perforaciones alrededor de los pernos es una
consideración de diseño.
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ESTRUCTURAS METALICAS En cualquiera de los pernos se debe cumplir la ecuación
. Como
amabas planchas son de la misma calidad de acero basta solo con verificar en la más delgada. En cada perno:
b)
La deformación en las perforaciones alrededor de los pernos no es una
consideración de diseño. Paraca perno cercano al borde, según ecuación
.
Para los demás pernos según ecuación
Por lo tanto
2.2.2
Falla por desgarramiento del material
Este tipo de falla ocurre cuando la distancia de la perforación al borde cargado es insuficiente. Para evitar este efecto, deben respetarse las distancias mínimas especificadas en las normas para los bordes cizallados o sopleteados (cortados a la flama), que se indican en la figura.
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ESTRUCTURAS METALICAS
2.2.2.1 Capacidad de resistencia para Falla por desgarramiento del material La capacidad resistente a desgarramiento de las planchas a lo largo de un plano de corte, será igual a:
Por lo tanto, se debe cumplir, para las cargas factorizadas:
Es el área neta sometida a corte, donde puede desgarrar el material. Esta capacidad resistente se usara para determinar la resistencia del bloque de corte.
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ESTRUCTURAS METALICAS 2.2.3
Falla por tracción en el área gruesa
Generalmente las estructuras metálicas fallan en sus condiciones. Por lo tanto, el diseño de las mismas debe prever que su resistencia sea igual o mayor que la de los que conectan. Cuando la falla se produce por tracción en el área total o el área gruesa, la cendencia será como la indicación en la FIGURA. Si bien este tipo de falla no es muy usual, ocurre con mayor frecuencia cuando el ancho de las planchas disminuye cuando se muestra en el esquema b).
Falla por tracción en área gruesa.
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ESTRUCTURAS METALICAS La capacidad resistente para el área gruesa del perfil resulta: 0.9*22.7*4200=85.806kg
2.2.4
Falla por tracción en el área neta
Esfuerzo es la sección transversal de un miembro traccionado aumenta por la presencia de una perforación, aun cuando es ella se haya colocado un conector ajustado. Esto se debe a la reducción del área sobre el cual se debe distribuir la carga, y a la concentración de tensiones en los bordes de la perforación. Se designación por área neta resultante de la sección transversal definida por una trayectoria recta o quebrada que atraviesa una o más perforaciones, y de la cual se resta el área de los caos agujeros. La fractura por área neta se muestra en la FIGURA.
2.2.4.1 Capacidad resistente para Falla por tracción
25
ESTRUCTURAS METALICAS La capacidad resistente a tracción en el área neta se debe verificar para , siendo el área total gruesa del miembro conectado. Cuando se coloca pernos en todos los elementos del miembro,
y en
este caso, el área neta coincide con el área neta efectiva es:
En este caso, para hallar la capacidad resistente a tracción de debe usar el área neta efectiva:
Siendo
2.2.4.2 Ejemplo de Aplicación Hallar la capacidad resistente tracción en el área neta de la conexión del ejemplo anterior, con pernos de 5/8”. Para el acero del canal: y para el acero de la plancha:
.
El diámetro del agujero es:
26
ESTRUCTURAS METALICAS El área neta para el canal en la trayectoria 1 es:
No cumple Por lo tanto, se adopta:
De la figura se obtiene Por lo tanto
Controla
El área neta para la plancha en la trayectoria dos resulta:
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ESTRUCTURAS METALICAS
No cumple Se adopta: En este caso: Por lo tanto
2.2.5
Falla por Bloque de Corte
La falla por bloque de corte, o bloque de cortante, se produce a lo largo de una trayectoria que implique tracción en un plano y corte en otro plano perpendicular, como muestra la figura sin embargo, es poco probable que la fractura ocurra en ambos planos simultáneamente. En la figura, los bloques de cortante mostrados son los sombreados, para los cuales la falla por cortante se produce a lo largo de la sección longitudinal paralela a la fuerza de tracción aplicada, y la falla por tracción se evidencia en la sección transversal, normal a la dirección de la carga. El procedimiento se basa en la hipótesis de que una de las dos superficies de falla se fractura y la otra cede. Por lo tanto, la fractura sobre la superficie de
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ESTRUCTURAS METALICAS corte es acompañada por cedencia en la superficie de tracción, o bien la fractura sobre la superficie de tracción es acompañada por cedencia sobre la superficie de corte. Ambas superficies constituyen a la resistencia total, de modo que la resistencia final del bloque de cortante será la suma de las resistencias de las dos superficies.
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ESTRUCTURAS METALICAS
2.2.5.1 Capacidad Resistente para Falla por Bloque de Corte La capacidad resistente por bloque de corte en los traccionados está determinado por el mecanismo que controla el modo de falla. Estos mecanismos pueden ser: a. Cedencia por corte y fractura por tracción.
Cuando:
En este caso: (
)
b. Cedencia por tracción y fractura por corte Cuando :
En este caso :
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ESTRUCTURAS METALICAS (
)
Donde :
= Área total sometida a corte.
= Área neta sometida a corte.
= Área total sometida a tracción
= Área neta sometida a tracción
En cada caso :
[
[
]t
2.2.5.2 Ejemplo de Aplicación
31
]
ESTRUCTURAS METALICAS Determine la capacidad resistente del bloque de corte para la conexión de un ángulo 100*100*8 de acero A25 con una plancha de nodo, usando pernos de 5/8” como muestra la figura. Para los pernos:
Para el Angulo: A = 15.5 cm
m
Reemplazando datos.
= 11.4
[
]t =
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ESTRUCTURAS METALICAS
Por lo tanto, se aplicará la ecuación:
(
) (
)
La máxima carga que puede resistir la conexión por bloque de corte es de 18.054 Kg, para el caso de cedencia por tracción y fractura por desgarramiento en corte. 3. MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES
Los modos de falla más frecuentes son:
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ESTRUCTURAS METALICAS
Plasticidad,
Fractura,
Fatiga,
Desplazamientos,
Creep y Corrosión.
A. Plasticidad
Manifestación: mecanismos, grandes deformaciones son posibles.
Origen: estructura microscópica (i.e. deslizamiento de cristales).
Plasticidad local: redistribución de tensiones a zonas con menores
tensiones.
Materiales
dúctiles:
capaces
de
desarrollar
deformaciones
grandes.
Propagación de plasticidad: Fluencia de una parte considerable del
objeto estructural.
Caracterización: Límite de fluencia, superficies de fluencia, strain
hardening.
Factores que influyen: Procesos de carga/descarga, ritmo de
carga, estados
Mult iaxiales, temperaturas altas.
Modelos: constitutivas no lineales, cinemáticas lineales.
B. Fractura
34
ESTRUCTURAS METALICAS
Manifestación: Se rompe el material antes de tener deformaciones
grandes.
Origen: Defectos locales en el material a nivel micro estructural.
Fractura repentina en materiales “frágiles”: rocas, fundición, etc.
Fractura de materiales: "dúctiles" con defectos (fisuras, concentración
de tensiones, ranuras, etc.). En materiales dúctiles puede haber rotura frágil.
Propagación de fisuras: extensión de una fisura de manera continuada.
Inestabilidad de fisuras.
Modo de falla: Iniciación de superficies interiores. Separación de la
estructura en partes.
Factores que influyen: bajas temperaturas, cargas dinámicas, habilidad
del material para absorber energía.
Caracterización: Resistencia a fractura (fracture toughness), longitud
critica.
Modelos: deformaciones plásticas pequeñas.
C. Fatiga
Manifestación: Fractura progresiva.
Causa: Estados tensiónales repetidos o cíclicos.
Falla sin aviso previo visual.
Factores que influyen: concentración de tensiones, cambios abruptos
de sección, fisuras, etc.
Caracterización: Número de ciclos límite, resistencia a la fatiga.
35
ESTRUCTURAS METALICAS
Desplazamientos instantáneos
Origen: esbeltez del objeto estructural.
Modo 1: Desplazamientos grandes con equilibrio estable.
Modo 2: Pandeo (equilibrio inestable), falla en la forma estructural. No
se consideran aquí fallas por modos de pandeo, que están dominados por la geometría y no por el material. Modo 3: Vibraciones.
Consecuencias: Ruido, golpes entre partes que se mueven, grandes
desplazamientos transitorios.
Modelos: constitutivas elásticas, cinemáticas no lineales.
Reducción
de
desplazamientos:
modificación
de
la
forma,
redimensionar secciones. No influye tanto cambiar el material.
Factores que influyen: relaciones geométricas.
Consecuencias: problemas operativos, colapso, inseguridad del
.
D. Creep
Manifestación: Desplazamientos diferidos en el tiempo.
Origen: en metales y cerámicos ocurre una difusión de vacancias, con
cambio de forma en los granos. Deslizamiento de granos, formación de cavidades a lo largo de los bordes de granos.
Causa: tensiones actuando durante tiempos largos.
Factores que influyen: temperaturas, Problemas de material
Corrosión
Manifestación: Pérdida de material en el espesor de un elemento.
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ESTRUCTURAS METALICAS
Reducción de dimensiones de una sección.
Origen: acción química o ambiental.
Factores que influyen: agresividad del medio.
Cambios en el material pueden modificar el modo de falla. Ejemplo:
reforzar un puente con material compuesto reforzado con fibras puede cambiar un modo de falla flexional por una en compresión, que es mas frágil. E. sss
Descripción de fallas en estructuras de acero
4. DESCRIPCION DE FALLAS EN ESTRUCTURAS DE ACERO En la figura se detallan las fallas más comunes que puede provocar la acción de un sismo en una estructura de acero. Se complementa la información con un esquema y un código por cada falla. Código
Elementos
Descripción de falla
Esquema
4.1
Columnas
Columna inclinada o fuera de plomo.
4.2
Columnas
Columna que se muestre arqueada.
4.3
Columnas
Desgarramiento de la soldadura en la platina de apoyo.
4.4
Columnas
Deformación de los pernos de anclaje en el apoyo de la columna.
37
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
Esquema
4.5
Columnas
Corte de los pernos de anclaje en el apoyo de la columna.
4.6
Columnas
Aplastamiento de la columna. Falla por compresión.
4.7
Columnas
Pandeo en la platina de apoyo y daño en el pedestal de apoyo.
4.8
Uniones
Grietas en soldaduras de las uniones
viga-
y/o en las vigas o columnas.
columna 4.9
Uniones
Deformación en los patines cerca de la
viga-
junta viga-columna.
columna 4.10
Uniones
Pernos cortados o deformados y defor-
viga-
maciones en la placa conectora.
columna 4.11
Arriostres
Arriostres arqueados o deformados.
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ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
4.12
Arriostres
Arriostres rotos.
4.13
Arriostres
Desgarramiento de soldaduras entre columna y platina conectora y/o pernos rotos.
4.14
Vigas
Corrimiento o desplazamiento de los apoyos.
4.15
Vigas
Corte en pernos y grietas visibles en las placas de unión de viga a columna o pareces de apoyo.
4.16
Vigas
Deformación lateral o alabeo a lo largo de la viga.
4.17
Armaduras
Barras rotas y/o desgarramiento de las soldaduras.
39
Esquema
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
Esquema
4.18
Armaduras
Pernos de apoyo rotos o deformados.
4.19
Armaduras
Tensores del diafragma horizontal rotos o excesivamente deformados.
4.20
Gradas
Desgarramiento en soldaduras de unión a elementos de acero.
4.21
Gradas
Grietas en platinas conectoras.
4.22
Gradas
Corte de pernos de anclaje o deformaciones en los mismos.
4.23
Gradas
Desgarramiento de soldadura entre la estructura de gradas y peldaños.
40
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
4.24
Cables
Desgarramiento o separación de los alambres o torones que lo conforman.
4.25
Cables
Cables que presenten deformaciones excesivas y que manifiesten una pérdida de tensión.
4.26
Cables
Conexión o piezas de unión falladas que presenten desgarramiento.
41
Esquema
ESTRUCTURAS METALICAS
5. CONCLUSIONES
Se concluye que describió los tipos de fallas en los elementos estructurales de acero.
Se concluye que se puede clasificar los tipos de falla de una estructura de acero.
Se concluye que se puede verificar el tipo de falla mediante cálculos que están en la parte teórica.
42
ESTRUCTURAS METALICAS
6. BIBLIOGRAFIA - Maria Graciela Fratelli. (2003)DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS - William segui. (1999)DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO - Jack McCormac. (2002)DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO METODO LRFD, 2da edición
43
ESTRUCTURAS METALICAS
7. ANEXO Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
44
ESTRUCTURAS METALICAS GRUPOS DE LA TEORIA DE FALLA.
Por otro lado la teoría de falla se divide en dos grandes grupos: 1. Falla de Materiales Dúctiles. En los materiales dúctiles la falla se presenta cuando el material empieza a fluir. 2. Falla de Materiales Frágiles. En los materiales frágiles la falla se presenta cuando el material se disgrega y/o sufre de separación de sus partes. (Falla por Fractura). La Falla de materiales dúctiles se estudia por las siguientes teorías entre otras: 3. Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo. También conocida como Teoría de Tresca, que establece “Que la fluencia del material se produce por el esfuerzo cortante”. La Teoría dice: “La falla se producirá cuando el esfuerzo cortante máximo absoluto en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo cortante máximo absoluto de una probeta sometida a un ensayo de tensión en el momento que se produce la fluencia”. 4 Teoría de la Energía de Distorsión. Teoría propuesta por R. Von Misses al observar que los materiales bajo esfuerzos hidrostáticos soportan esfuerzos mayores que sus esfuerzos de fluencia bajo otros estados de carga.
45
ESTRUCTURAS METALICAS La Teoría dice: “La falla se producirá cuando la energía de distorsión por unidad de volumen debida a los esfuerzos máximos absolutos en el punto critico sea igual o mayor a la energía de distorsión por unidad de volumen de una probeta en el ensayo de tensión en el momento de producir la fluencia”. 5 Teoría de Coulomb-Mohr Dúctil. Conocida también como la Teoría de la Fricción Interna. Esta teoría tiene en cuenta que el esfuerzo de fluencia a tensión es diferente al esfuerzo de fluencia a compresión. La Teoría se basa en los ensayos de Tensión y Compresión, y establece que en el plano Deformación vs Corte, la línea tangente a los círculos de Mohr de los ensayos de tensión y compresión al momento de la fluencia es la localización de la falla para un estado de esfuerzos en un elemento. La Falla de materiales frágiles se estudia por las siguientes teorías entre otras: 6 Teoría del Máximo esfuerzo Normal. Esta teoría enunciada por W. Rankine dice: “La falla se producirá cuando el esfuerzo normal máximo en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo normal máximo de una
probeta sometida a un ensayo de tensión en el momento
que se produce la fractura”. 7 Teoría de Coulomb-Mohr Frágil. Esta teoría se deriva de forma similar a la teoría Coulomb-Mohr Dúctil solo que, al tratarse de materiales frágiles, se tiene en cuenta las resistencias
46
ESTRUCTURAS METALICAS últimas del material a tensión y compresión en lugar de los esfuerzos de fluencia. ESTUDIO DE CORTE Y DE TENSION DIAGONAL Consideremos una viga de sección rectangular (Ensayo), simplemente apoyada, con dos cargas concentradas, aplicadas simétricamente. La falla de la viga se puede presentar de tres maneras: •
Falla por Flexión.
•
Falla por Compresión por Corte.
•
Falla por Tensión Diagonal.
En la “Falla por Flexión” predomina los esfuerzos debidos a momentos actuantes, las grietas se inician en la parte traccionada y progresan de abajo hacia arriba, verticalmente. La Falla se produce por aplastamiento del concreto en la zona comprimida. En la “Falla por Compresión por Corte”, las grietas se originan inicialmente debido a la “Falla por Flexión”, se desarrollan hacia arriba hasta un punto donde se detienen; al aumentar la carga, aparecen grietas inclinadas, unas como continuación de las grietas producto de la “Falla por Flexión” y otras grietas aisladas que aparecen a la mitad de la altura de la viga, si se sigue aumentando la carga, las grietas inclinadas progresan en dirección al centro del tramo (hacia arriba) y en dirección de los apoyos (hacia abajo).
47
ESTRUCTURAS METALICAS La Falla se produce cuando el concreto se aplasta en la zona de compresión, justamente encima de la mayor grieta inclinada. Esta Falla es más frágil que la producida por flexión. La “Falla por Tensión Diagonal” es similar a la “Falla por Compresión por Corte”, pero las grietas inclinadas aparecen súbitamente, provocando el colapso de la viga. Debido a esto, la “Falla por Tensión Diagonal” es mas peligrosa que la “Falla por Compresión por Corte”, por ser esta más violenta.
48
PRESENTACIÓN En el presente trabajo se pone en manifiesto las características principales que se tienen que tener en cuenta en Falla estructural en las construcciones de acero fundamentalmente en el empalme de dos elementos de acero, que sea capaz de resistir y absorber los esfuerzos a los que va ha ser sometido la estructura.
Lo anteriormente dicho se refiere a que la estructura disponga principalmente de una alta resistencia lateral (capacidad resistente horizontal que es capaz de desarrollar una estructura antes de colapsar), y un comportamiento dúctil (capacidad de absorción y disipación de energía que una estructura puede ofrecer antes de colapsar.). En la medida que la estructura se diseña con mayor resistencia lateral, menor es la necesidad de ductilidad, y viceversa. Ambas características que intervienen en el diseño están relacionadas, y los colapsos que se producen están generalmente asociados a una deficiente provisión de ductilidad para la resistencia lateral que se ha considerado en el diseño.
1
ESTRUCTURAS METALICAS
1. FALLAS ESTRUCTURALES EN CONSTRUCCIONES DE ACERO Una falla estructural se refiere a un colapso en el cual la estructura se rompe en pedazos. Sin embargo, en la mayoría de los casos el término incluye otras condiciones aparte del colapso, que pueden ser no tan drásticas y aun así llevar a pérdidas grandes. El fundamento técnico de esta presentación está basado en el Análisis de Fallas Estructurales que repercuten en la Construcción del Elemento. Se dará una breve presentación sobre los Mecanismo, Modos, Parámetros Críticos y Criterios de Falla frecuentes en elementos estructurales, así como también las Fallas bajo Cargas Estáticas referidas a las Fallas de Materiales Dúctiles y a las Fallas de Materiales Frágiles, siguiendo las Teorías, del Esfuerzo Cortante Máximo (Teoría de Tresca), de la Energía de Distorsión (Teoría de Von Misses) y de la Fricción Interna (Teoría de Coulomb-Mohr Dúctil) para las fallas dúctiles y las Teorías del Máximo Esfuerzo Normal (Teoría de Rankine) y de Coulomb-Mohr Frágil para las fallas frágiles. Otra acciones, de la cuales se hablarán en esta presentación son las “Fallas por Corte y Tensión Diagonal”. Además de incluir en esta presentación
de Análisis de Fallas Estructurales, el
variable tiempo en los métodos de diseño mecánico de estructuras de concreto, presentando un ejemplo de diseño por durabilidad de estructuras de concreto. El propósito de esta presentación es básicamente el reunir los conocimientos de investigaciones en fallas frecuentes en las estructuras bajo diferentes criterios incluyendo el tema de Diseño por durabilidad de materiales publicado a la fecha y
2
ESTRUCTURAS METALICAS transferirlos para desarrollar un „modelo de durabilidad‟ al diseño estructural de concreto.
2. FALLA EN LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES EN CONSTRUCCION 2.1 FALLA EN LOS CONECTORES 2.1.1 Falla por Tracción en los pernos (Acción en palancas) El aprieto de las tuercas de los pernos, así como el enfriamiento de los remaches luego de su colocación origina fuerzas de pre tracción en estos medios de unión. Si a estos esfuerzos iniciales se suman los debidos a las fuerzas exteriores de tracción sobre los conectores y se supera su resistencia al agotamiento a tracción, sobreviene la falla indicada.
Sin embargo, los esfuerzos adicionales debido
alas fuerzas exteriores
aplicadas, son generalmente reducidos y no se llega a exceder el límite de resistencia. Esto es debido a que las normas limitan los esfuerzos de tracción
3
ESTRUCTURAS METALICAS a valores relativamente bajos y con ello ser protege también su capacidad para resistir corte.
Por lo tanto, las pre tracciones en los pernos no reducen su resistencia a tracción, si bien en algunos casos es necesario tomar en cuenta la acción de palanca que incrementa la magnitud de las fuerzas de tracción en los conectores. A este efecto se le conoce también por acción separadora.
La
acción de palanca se origina porque las fuerzas P no se aplican
directamente sobre los pernos, sino a través de ángulos de conexión o alas de perfiles T y doble T, los cuales pueden sufrir deformaciones por flexión que modifican la distribución de los esfuerzos de aplastamiento entre las cabezas del conector y las planchas. Por ello, parecen fuerzas de palanca Q que se suman a las fuerzas F de tracción en cada conector, dando por resultado las fuerzas T. T=F+Q Si existe simetría: F=P/Ƞ Siendo Ƞ el número de pernos solicitados a tracción. Las rigideces de las alas y de los pernos son los factores de mayor importancia en la magnitud que alcanza la fuerza de palanca Q. cuando Q es pequeña, puede despreciarse, pero en algunos casos representa una parte importante se la tracción en los conectores, reduciendo la resistencia de la conexión.
4
ESTRUCTURAS METALICAS Luego de numerosos ensayos de laboratorio, se han propuesto las siguientes relaciones empíricas para valorar la magnitud Q: Para pernos A-325:
[
]
[
]
Para pernos A-490:
Las distancias a y b se muestran en la figura. L' es la longitud tributaria del ala por cada perno y
es el espesor del ala.
resulta negativa se adopta Q = 0.
5
Es el diámetro del perno, si Q
ESTRUCTURAS METALICAS
La figura muestra como los bordes externos dela conexión se comportan como volados de longitud a, en cuyo extremo se haya aplicado la fuerza Q. por lo tanto, el ala de la T flexa según un diagrama de momentos donde
Y
son los momentos máximos de signos opuestos, el mayor de los cuales controla el diseño.
El diagrama de momentos en el ala de la T de la figura es lineal y debe verificarse que los momentos críticos no superen la capacidad flexional del ala que se analiza. La distancia a debe cumplir:
{
Y se adopta generalmente:
b: es la distancia entre los ejes del perno y la cara interna del ángulo de conexión o alma de la T, dejando una luz de ⁄ toma el momento
. Sobre ese eje se
, por ser la línea de carga. La fuerza de palanca obtenida
mediante las ecuaciones: [
]
[
]
y
6
ESTRUCTURAS METALICAS
Supone que las ecuaciones se hallan aplicadas a un medio rígido, como muestra la figura.
Si el medio se considera flexible, el valor de Q se incrementa notablemente. Algunos autores aplican Q en la mitad del volado a, disminuyendo con ello la magnitud del momento
. Aquí se ha tomado su punto de aplicación en el
extremo del volado, en una solución más conservadora.
Al tomar en consideración la acción de palanca se ha supuesto la fuerza F igual en todos los pernos. Pero si además de la fuerza de tracción P se aplica un momento exterior. La fuerza F debe incrementarse por efecto dela flexión. Al mayor delos momentos
mayorados, se le designa por
. Para
soportar la flexión impuesta en el ala del perfil conectado, el espesor de esta ala debe cumplir:
√
Cuando los pernos de alta resistencia están solicitados por fuerzas de tracción repetidas, o en régimen de fatiga, las fuerzas de palanca Q que se originan producen un alargamiento de los pernos y una pérdida de la acción de apriete de tuercas, que favorece la fractura de la conexión en un tiempo breve.
Cuando se tienen dos líneas de conectores en cada lado de la conexión, los exteriores no son muy efectivos, pues casi no colaboran en la resistencia a la
7
ESTRUCTURAS METALICAS tracción, si no solamente al corte, pues los ensayos indican que la fuerza de palanca Q aliviana el trabajo de los pernos exteriores, aplastando la plancha contra la unión.
Al flexionar el ala de la conexión, se trata de almacenar primero los pernos más cercanos al eje de acción de la fuerza P, y estos protegen a los exteriores. De esta manera, manera no fallan los cuatro simultáneamente. Este tipo de conexión resulta poco eficiente, excepto que se le rigidice con planchas intermedias o rigidizadores laterales como muestran los esquemas.
2.1.1.1 Capacidad resistente para la Falla en los Conectores La capacidad resistente a tracción en cada uno de los pernos de una conexión se obtiene:
Para:
8
ESTRUCTURAS METALICAS Es la capacidad teórica a tracción de los conectores dad en la tabla 1 y es el área nominal de la parte del vástago no roscado.
Son las cargas de
tracción factorizados que resultan de sumar las cargas de tracción aplicadas, más las debidas al efecto de palanca según se detalla en la sección. Producido por la deformación de las partes conectadas.
2.1.1.2 Ejemplo de Aplicación La conexión traccionada indicada en la figura de 4 pernos a 325 de
⁄ ”,
corresponde a la de un perfil T cortado de un HEA 360 de acero AE25, unido a un medio suficiente rígido. Las cargas de servicio que solicitan la conexión son: CM = 8.8 Tn, CV = 10 Tn. Verifique si la unión es resistente.
Para los pernos: Para el perfil: Se adopta: a = 7.3cm
L' = 15cm b = 7cm
9
ESTRUCTURAS METALICAS Las cargas factorizadas son:
en cada
perno: ⁄ ⁄
De la tabla 1 se lee: En
cada
perno:
correcto ¡¡ Se calcula a continuación la fuerza Q debida al efecto de palanca, según ecuaciones:
[
]
Resulta en consecuencia una fuerza total factorizada
actuando en cada
perno, igual a: Bien… Los pernos de la conexión son resistentes. También se debe controlar si el espesor del ala del perfil T es suficiente para soportar la flexión impuesta.
Controla
. Por lo tanto
y el espesor mínimo del ala del perfil
conectada será:
10
ESTRUCTURAS METALICAS √
√
Insuficiente.
Por lo tanto para rigidez la conexión se colocara una plancha intermedia de refuerzo de 5mm como muestra la figura
2.1.2
Falla por corte en los pernos
Se produce cuando el desplazamiento entre las planchas origina elevados esfuerzos de corte en uno o más planos del conector. La figura esquematiza este tipo de falla.
2.1.2.1 Capacidad resistente para la Falla por Corte La condición de deslizamiento crítico implica que el deslizamiento está impedido, es decir que no puede existir ningún tipo de corrimiento relativo entre las planchas conectadas, debido a la gran fricción producida por el estricto ajuste de los pernos con las llaves calibradas. La capacidad resistente de los pernos en conexiones tipo deslizamiento crítico se verificara para:
11
ESTRUCTURAS METALICAS
El estado limite bajo cargas de servicio.
El estado limite en agotamiento resistente.
Caso I) Deslizamiento critico bajo carga de servicio y
P= ∑
. Se debe cumplir:
Donde: P = Es la carga de servicio actuante en la conexiones. = El número de pernos. N = Numero de planos de corte. = Es el esfuerzo isible a corte en régimen de servicio. Para los pernos de alta resistencia, que se indica en la última columna de la tabla 1. En forma similar, para:
Se obtiene:
Caso II) Deslizamiento critico en agotamiento resistente La resistencia teórica a deslizamiento critico en agotamiento resistente referida a las cargas mayoradas, debe cumplir:
12
ESTRUCTURAS METALICAS En agujeros standard :
y la capacidad resistente nominal resulta :
Donde: = Es la tracción mínima en el conector, dada en la tabla 3. Y representa la fuerza normal aplicada entre las partes conectadas. = El número de pernos. n = Numero de planos de corte de la conexión. = Es el coeficiente de fricción estática, o factor medio de deslizamiento para superficie A, B y C, cuya clasificación se detalla a continuación.
en superficies clase A.
Son las superficies libres de cascarilla de laminación, no pintadas o superficies a limpias, sometidas a tratamientos con chorros de arena y alas que se ha aplicado un protector clase A.
en superficies clase B.
Son las superficies limpias, sometidas a tratamientos con chorros de arena y no pintadas, o superficies limpias sometidas a tratamiento de chorros de arena y a las que se ha aplicado un protector clase B.
en superficies clase C.
Son las superficies galvanizadas en caliente y las superficies rugosas. En la generalidad de los casos se considera que las superficies son de clase A, lo cual da mayor margen de seguridad a la conexión. Sin embargo, el
13
ESTRUCTURAS METALICAS proyectista puede determinar la clase de superficie que considere conveniente, si bien las de clase B o C exigen una inspección cuidadosa de la terminación de las superficies de o.
2.1.2.2 Ejemplo de Aplicación La conexión indicada de tres planchas que soportan tracción, consiste en 4 pernos A 325 trabajando a corte por deslizamiento crítico. Verifique el diámetro necesario de los pernos bajo las cargas de servicio y las cargas factorizadas, para superficies clase B. las cargas de servicio son: CM = 22 t
, CV = 14.8 t
Caso I) Comportamiento bajo cargas de servicio P = 22 + 14.8 P = 36.8 tn De la ecuación se despeja el valor de 1.195
* 4 * 2 ≥ 36.800 Kg
Resulta: ≥ 3.85 Por tanto, de la tabla 2, se escogen los pernos: 7/8” (con 3.879
14
).
ESTRUCTURAS METALICAS
Caso II ) Comportamiento bajo cargas factorizadas
= 50 tn De ecuación
y Por ser superficie clase B. La capacidad resistente nominal
se obtiene
Debe cumplirse:
En consecuencia, se selecciona de tabla 3, el perno a 325 cuyo
sea igual o
superior al requerido, y resulta el ¾” con De las dimensiones de pernos obtenidos se deduce que controla el diseño el estado límite bajo cargas de servicio, por lo cual los pernos a colocar serán los de 7/8” 2.1.3
Falla por Aplastamiento de los pernos
En la práctica este tipo de falla tiene una sola remota posibilidad de ocurrencia, debido a que el acero de los pernos o remaches es de calidad superior al del
15
ESTRUCTURAS METALICAS as planchas que conectan y el confinamiento dentro de las perforaciones incrementa su ductilidad. Pero en el caso que por error se materializara unja conexión con pernos a A307 y planchas y perfiles de acero de alta resistencia, trabajando al aplastamiento podría ocurrir este tipo de falla. Ejemplo: En la figura se muestra los pernos en conexiones por aplastamiento
2.1.3.1 Capacidad resistente para falla por aplastamiento de los pernos La capacidad resistente a corte por aplastamiento, para cargas factorizadas y , se obtiene:
Donde: : es la capacidad teórica a corte dada en tabla 1 : es el área nominal del perno, es decir el área de la sección transversal del vástago no roscado, indica en tabla 2. : es el número de pernos de la conexión. n: es el número de planos de corte adoptado:
16
ESTRUCTURAS METALICAS
Se obtiene:
Los valores de
se leen en la tabla 2
2.1.3.2 Ejemplo de Aplicación Verifique si los 6 pernos A490 de 1” trabajando a corte por aplastamiento CR (con rosca incluida en los planos de corte) son suficientes para resistir las siguientes cargas de servicio: CM = 50 Tn y CV = 80 Tn. Solución Las cargas factorizadas resultan:
Reemplazando en la ecuación:
17
ESTRUCTURAS METALICAS 2.2 FALLA EN LOS CONECTADOS 2.2.1
Falla por aplastamiento de las planchas
En las conexiones tipo aplastamiento, esta falla es el resultado de la compresión del vástago del conector contra las paredes de la perforación. Debido al desplazamiento de las planchas, comienza gradualmente a aumentar el tamaño del agujero, incrementando su diámetro en la dirección de la fuerza aplicada. Esta falla se muestra en la figura y es usual en en estado de agotamiento resistente (AR) dado que el acero delas planchas o perfiles laminados es generalmente de calidad inferior al de los pernos.
2.2.1.1 capacidad resistente para falla por aplastamiento de las planchas La capacidad resistente al aplastamiento en los agujeros de las planchas se debe verificar tanto en las conexiones tipo deslizamiento crítico, como en las de tipo aplastamiento. La capacidad resistente al aplastamiento será . La capacidad resistente teórica
se obtiene para 2 casos diferentes:
18
para
ESTRUCTURAS METALICAS
CASO I Cuando
o
con 2 o más pernos en la línea de acción de la
fuerza. Dentro de este caso se deben considerar a su vez dos condiciones diferentes: a) Cuando la deformación alrededor de los pernos sea una consideración de diseño.
b) Cuando la deformación alrededor de los pernos no sea una consideración de diseño. Para los pernos cercanos al borde:
Para el resto de los pernos:
CASO II Cuando
o
para una sola fila de pernos en la línea de acción
de la fuerza. Dentro de este caso se deben considerar 2 condiciones diferentes:
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ESTRUCTURAS METALICAS a) Para el agujero de un perno o para el agujero más cercano al borde cuando 2 o mas pernos están en la línea de la fuerza:
b) Para los agujeros restantes:
Dónde: : es el diámetro nominal del perno (de la parte no roscada del vástago). : es el paso o distancia entre centros de agujeros medida en la dirección de la fuerza. : es la resistencia mínima de agotamiento en tracción especificada para el acero de las planchas o , como se muestra en la figura.
20
ESTRUCTURAS METALICAS 2.2.1.2 Ejemplo de Aplicación Verifique si la unión de las planchas solapadas de la figura en acero AE35 con bordes contados a la flama y 6 pernos de ⁄
es resistente al aplastamiento,
bajo la acción de una carga factorizada: Resistencia mínima de agotamiento en tracción del acero AE 35 ⁄
(ver tabla 4)
Diámetro delos pernos: Distancia al borde: Paso:
hay más de dos pernos en la dirección de las fuerzas.
Corresponde en consecuencia al (caso I ). Se analizarán las consideraciones A y B.
a)
La deformación de las perforaciones alrededor de los pernos es una
consideración de diseño.
21
ESTRUCTURAS METALICAS En cualquiera de los pernos se debe cumplir la ecuación
. Como
amabas planchas son de la misma calidad de acero basta solo con verificar en la más delgada. En cada perno:
b)
La deformación en las perforaciones alrededor de los pernos no es una
consideración de diseño. Paraca perno cercano al borde, según ecuación
.
Para los demás pernos según ecuación
Por lo tanto
2.2.2
Falla por desgarramiento del material
Este tipo de falla ocurre cuando la distancia de la perforación al borde cargado es insuficiente. Para evitar este efecto, deben respetarse las distancias mínimas especificadas en las normas para los bordes cizallados o sopleteados (cortados a la flama), que se indican en la figura.
22
ESTRUCTURAS METALICAS
2.2.2.1 Capacidad de resistencia para Falla por desgarramiento del material La capacidad resistente a desgarramiento de las planchas a lo largo de un plano de corte, será igual a:
Por lo tanto, se debe cumplir, para las cargas factorizadas:
Es el área neta sometida a corte, donde puede desgarrar el material. Esta capacidad resistente se usara para determinar la resistencia del bloque de corte.
23
ESTRUCTURAS METALICAS 2.2.3
Falla por tracción en el área gruesa
Generalmente las estructuras metálicas fallan en sus condiciones. Por lo tanto, el diseño de las mismas debe prever que su resistencia sea igual o mayor que la de los que conectan. Cuando la falla se produce por tracción en el área total o el área gruesa, la cendencia será como la indicación en la FIGURA. Si bien este tipo de falla no es muy usual, ocurre con mayor frecuencia cuando el ancho de las planchas disminuye cuando se muestra en el esquema b).
Falla por tracción en área gruesa.
24
ESTRUCTURAS METALICAS La capacidad resistente para el área gruesa del perfil resulta: 0.9*22.7*4200=85.806kg
2.2.4
Falla por tracción en el área neta
Esfuerzo es la sección transversal de un miembro traccionado aumenta por la presencia de una perforación, aun cuando es ella se haya colocado un conector ajustado. Esto se debe a la reducción del área sobre el cual se debe distribuir la carga, y a la concentración de tensiones en los bordes de la perforación. Se designación por área neta resultante de la sección transversal definida por una trayectoria recta o quebrada que atraviesa una o más perforaciones, y de la cual se resta el área de los caos agujeros. La fractura por área neta se muestra en la FIGURA.
2.2.4.1 Capacidad resistente para Falla por tracción
25
ESTRUCTURAS METALICAS La capacidad resistente a tracción en el área neta se debe verificar para , siendo el área total gruesa del miembro conectado. Cuando se coloca pernos en todos los elementos del miembro,
y en
este caso, el área neta coincide con el área neta efectiva es:
En este caso, para hallar la capacidad resistente a tracción de debe usar el área neta efectiva:
Siendo
2.2.4.2 Ejemplo de Aplicación Hallar la capacidad resistente tracción en el área neta de la conexión del ejemplo anterior, con pernos de 5/8”. Para el acero del canal: y para el acero de la plancha:
.
El diámetro del agujero es:
26
ESTRUCTURAS METALICAS El área neta para el canal en la trayectoria 1 es:
No cumple Por lo tanto, se adopta:
De la figura se obtiene Por lo tanto
Controla
El área neta para la plancha en la trayectoria dos resulta:
27
ESTRUCTURAS METALICAS
No cumple Se adopta: En este caso: Por lo tanto
2.2.5
Falla por Bloque de Corte
La falla por bloque de corte, o bloque de cortante, se produce a lo largo de una trayectoria que implique tracción en un plano y corte en otro plano perpendicular, como muestra la figura sin embargo, es poco probable que la fractura ocurra en ambos planos simultáneamente. En la figura, los bloques de cortante mostrados son los sombreados, para los cuales la falla por cortante se produce a lo largo de la sección longitudinal paralela a la fuerza de tracción aplicada, y la falla por tracción se evidencia en la sección transversal, normal a la dirección de la carga. El procedimiento se basa en la hipótesis de que una de las dos superficies de falla se fractura y la otra cede. Por lo tanto, la fractura sobre la superficie de
28
ESTRUCTURAS METALICAS corte es acompañada por cedencia en la superficie de tracción, o bien la fractura sobre la superficie de tracción es acompañada por cedencia sobre la superficie de corte. Ambas superficies constituyen a la resistencia total, de modo que la resistencia final del bloque de cortante será la suma de las resistencias de las dos superficies.
29
ESTRUCTURAS METALICAS
2.2.5.1 Capacidad Resistente para Falla por Bloque de Corte La capacidad resistente por bloque de corte en los traccionados está determinado por el mecanismo que controla el modo de falla. Estos mecanismos pueden ser: a. Cedencia por corte y fractura por tracción.
Cuando:
En este caso: (
)
b. Cedencia por tracción y fractura por corte Cuando :
En este caso :
30
ESTRUCTURAS METALICAS (
)
Donde :
= Área total sometida a corte.
= Área neta sometida a corte.
= Área total sometida a tracción
= Área neta sometida a tracción
En cada caso :
[
[
]t
2.2.5.2 Ejemplo de Aplicación
31
]
ESTRUCTURAS METALICAS Determine la capacidad resistente del bloque de corte para la conexión de un ángulo 100*100*8 de acero A25 con una plancha de nodo, usando pernos de 5/8” como muestra la figura. Para los pernos:
Para el Angulo: A = 15.5 cm
m
Reemplazando datos.
= 11.4
[
]t =
32
ESTRUCTURAS METALICAS
Por lo tanto, se aplicará la ecuación:
(
) (
)
La máxima carga que puede resistir la conexión por bloque de corte es de 18.054 Kg, para el caso de cedencia por tracción y fractura por desgarramiento en corte. 3. MODOS DE FALLA EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES MAS FRECUENTES
Los modos de falla más frecuentes son:
33
ESTRUCTURAS METALICAS
Plasticidad,
Fractura,
Fatiga,
Desplazamientos,
Creep y Corrosión.
A. Plasticidad
Manifestación: mecanismos, grandes deformaciones son posibles.
Origen: estructura microscópica (i.e. deslizamiento de cristales).
Plasticidad local: redistribución de tensiones a zonas con menores
tensiones.
Materiales
dúctiles:
capaces
de
desarrollar
deformaciones
grandes.
Propagación de plasticidad: Fluencia de una parte considerable del
objeto estructural.
Caracterización: Límite de fluencia, superficies de fluencia, strain
hardening.
Factores que influyen: Procesos de carga/descarga, ritmo de
carga, estados
Mult iaxiales, temperaturas altas.
Modelos: constitutivas no lineales, cinemáticas lineales.
B. Fractura
34
ESTRUCTURAS METALICAS
Manifestación: Se rompe el material antes de tener deformaciones
grandes.
Origen: Defectos locales en el material a nivel micro estructural.
Fractura repentina en materiales “frágiles”: rocas, fundición, etc.
Fractura de materiales: "dúctiles" con defectos (fisuras, concentración
de tensiones, ranuras, etc.). En materiales dúctiles puede haber rotura frágil.
Propagación de fisuras: extensión de una fisura de manera continuada.
Inestabilidad de fisuras.
Modo de falla: Iniciación de superficies interiores. Separación de la
estructura en partes.
Factores que influyen: bajas temperaturas, cargas dinámicas, habilidad
del material para absorber energía.
Caracterización: Resistencia a fractura (fracture toughness), longitud
critica.
Modelos: deformaciones plásticas pequeñas.
C. Fatiga
Manifestación: Fractura progresiva.
Causa: Estados tensiónales repetidos o cíclicos.
Falla sin aviso previo visual.
Factores que influyen: concentración de tensiones, cambios abruptos
de sección, fisuras, etc.
Caracterización: Número de ciclos límite, resistencia a la fatiga.
35
ESTRUCTURAS METALICAS
Desplazamientos instantáneos
Origen: esbeltez del objeto estructural.
Modo 1: Desplazamientos grandes con equilibrio estable.
Modo 2: Pandeo (equilibrio inestable), falla en la forma estructural. No
se consideran aquí fallas por modos de pandeo, que están dominados por la geometría y no por el material. Modo 3: Vibraciones.
Consecuencias: Ruido, golpes entre partes que se mueven, grandes
desplazamientos transitorios.
Modelos: constitutivas elásticas, cinemáticas no lineales.
Reducción
de
desplazamientos:
modificación
de
la
forma,
redimensionar secciones. No influye tanto cambiar el material.
Factores que influyen: relaciones geométricas.
Consecuencias: problemas operativos, colapso, inseguridad del
.
D. Creep
Manifestación: Desplazamientos diferidos en el tiempo.
Origen: en metales y cerámicos ocurre una difusión de vacancias, con
cambio de forma en los granos. Deslizamiento de granos, formación de cavidades a lo largo de los bordes de granos.
Causa: tensiones actuando durante tiempos largos.
Factores que influyen: temperaturas, Problemas de material
Corrosión
Manifestación: Pérdida de material en el espesor de un elemento.
36
ESTRUCTURAS METALICAS
Reducción de dimensiones de una sección.
Origen: acción química o ambiental.
Factores que influyen: agresividad del medio.
Cambios en el material pueden modificar el modo de falla. Ejemplo:
reforzar un puente con material compuesto reforzado con fibras puede cambiar un modo de falla flexional por una en compresión, que es mas frágil. E. sss
Descripción de fallas en estructuras de acero
4. DESCRIPCION DE FALLAS EN ESTRUCTURAS DE ACERO En la figura se detallan las fallas más comunes que puede provocar la acción de un sismo en una estructura de acero. Se complementa la información con un esquema y un código por cada falla. Código
Elementos
Descripción de falla
Esquema
4.1
Columnas
Columna inclinada o fuera de plomo.
4.2
Columnas
Columna que se muestre arqueada.
4.3
Columnas
Desgarramiento de la soldadura en la platina de apoyo.
4.4
Columnas
Deformación de los pernos de anclaje en el apoyo de la columna.
37
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
Esquema
4.5
Columnas
Corte de los pernos de anclaje en el apoyo de la columna.
4.6
Columnas
Aplastamiento de la columna. Falla por compresión.
4.7
Columnas
Pandeo en la platina de apoyo y daño en el pedestal de apoyo.
4.8
Uniones
Grietas en soldaduras de las uniones
viga-
y/o en las vigas o columnas.
columna 4.9
Uniones
Deformación en los patines cerca de la
viga-
junta viga-columna.
columna 4.10
Uniones
Pernos cortados o deformados y defor-
viga-
maciones en la placa conectora.
columna 4.11
Arriostres
Arriostres arqueados o deformados.
38
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
4.12
Arriostres
Arriostres rotos.
4.13
Arriostres
Desgarramiento de soldaduras entre columna y platina conectora y/o pernos rotos.
4.14
Vigas
Corrimiento o desplazamiento de los apoyos.
4.15
Vigas
Corte en pernos y grietas visibles en las placas de unión de viga a columna o pareces de apoyo.
4.16
Vigas
Deformación lateral o alabeo a lo largo de la viga.
4.17
Armaduras
Barras rotas y/o desgarramiento de las soldaduras.
39
Esquema
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
Esquema
4.18
Armaduras
Pernos de apoyo rotos o deformados.
4.19
Armaduras
Tensores del diafragma horizontal rotos o excesivamente deformados.
4.20
Gradas
Desgarramiento en soldaduras de unión a elementos de acero.
4.21
Gradas
Grietas en platinas conectoras.
4.22
Gradas
Corte de pernos de anclaje o deformaciones en los mismos.
4.23
Gradas
Desgarramiento de soldadura entre la estructura de gradas y peldaños.
40
ESTRUCTURAS METALICAS
Código
Elementos
Descripción de falla
4.24
Cables
Desgarramiento o separación de los alambres o torones que lo conforman.
4.25
Cables
Cables que presenten deformaciones excesivas y que manifiesten una pérdida de tensión.
4.26
Cables
Conexión o piezas de unión falladas que presenten desgarramiento.
41
Esquema
ESTRUCTURAS METALICAS
5. CONCLUSIONES
Se concluye que describió los tipos de fallas en los elementos estructurales de acero.
Se concluye que se puede clasificar los tipos de falla de una estructura de acero.
Se concluye que se puede verificar el tipo de falla mediante cálculos que están en la parte teórica.
42
ESTRUCTURAS METALICAS
6. BIBLIOGRAFIA - Maria Graciela Fratelli. (2003)DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS - William segui. (1999)DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO - Jack McCormac. (2002)DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO METODO LRFD, 2da edición
43
ESTRUCTURAS METALICAS
7. ANEXO Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
44
ESTRUCTURAS METALICAS GRUPOS DE LA TEORIA DE FALLA.
Por otro lado la teoría de falla se divide en dos grandes grupos: 1. Falla de Materiales Dúctiles. En los materiales dúctiles la falla se presenta cuando el material empieza a fluir. 2. Falla de Materiales Frágiles. En los materiales frágiles la falla se presenta cuando el material se disgrega y/o sufre de separación de sus partes. (Falla por Fractura). La Falla de materiales dúctiles se estudia por las siguientes teorías entre otras: 3. Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo. También conocida como Teoría de Tresca, que establece “Que la fluencia del material se produce por el esfuerzo cortante”. La Teoría dice: “La falla se producirá cuando el esfuerzo cortante máximo absoluto en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo cortante máximo absoluto de una probeta sometida a un ensayo de tensión en el momento que se produce la fluencia”. 4 Teoría de la Energía de Distorsión. Teoría propuesta por R. Von Misses al observar que los materiales bajo esfuerzos hidrostáticos soportan esfuerzos mayores que sus esfuerzos de fluencia bajo otros estados de carga.
45
ESTRUCTURAS METALICAS La Teoría dice: “La falla se producirá cuando la energía de distorsión por unidad de volumen debida a los esfuerzos máximos absolutos en el punto critico sea igual o mayor a la energía de distorsión por unidad de volumen de una probeta en el ensayo de tensión en el momento de producir la fluencia”. 5 Teoría de Coulomb-Mohr Dúctil. Conocida también como la Teoría de la Fricción Interna. Esta teoría tiene en cuenta que el esfuerzo de fluencia a tensión es diferente al esfuerzo de fluencia a compresión. La Teoría se basa en los ensayos de Tensión y Compresión, y establece que en el plano Deformación vs Corte, la línea tangente a los círculos de Mohr de los ensayos de tensión y compresión al momento de la fluencia es la localización de la falla para un estado de esfuerzos en un elemento. La Falla de materiales frágiles se estudia por las siguientes teorías entre otras: 6 Teoría del Máximo esfuerzo Normal. Esta teoría enunciada por W. Rankine dice: “La falla se producirá cuando el esfuerzo normal máximo en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo normal máximo de una
probeta sometida a un ensayo de tensión en el momento
que se produce la fractura”. 7 Teoría de Coulomb-Mohr Frágil. Esta teoría se deriva de forma similar a la teoría Coulomb-Mohr Dúctil solo que, al tratarse de materiales frágiles, se tiene en cuenta las resistencias
46
ESTRUCTURAS METALICAS últimas del material a tensión y compresión en lugar de los esfuerzos de fluencia. ESTUDIO DE CORTE Y DE TENSION DIAGONAL Consideremos una viga de sección rectangular (Ensayo), simplemente apoyada, con dos cargas concentradas, aplicadas simétricamente. La falla de la viga se puede presentar de tres maneras: •
Falla por Flexión.
•
Falla por Compresión por Corte.
•
Falla por Tensión Diagonal.
En la “Falla por Flexión” predomina los esfuerzos debidos a momentos actuantes, las grietas se inician en la parte traccionada y progresan de abajo hacia arriba, verticalmente. La Falla se produce por aplastamiento del concreto en la zona comprimida. En la “Falla por Compresión por Corte”, las grietas se originan inicialmente debido a la “Falla por Flexión”, se desarrollan hacia arriba hasta un punto donde se detienen; al aumentar la carga, aparecen grietas inclinadas, unas como continuación de las grietas producto de la “Falla por Flexión” y otras grietas aisladas que aparecen a la mitad de la altura de la viga, si se sigue aumentando la carga, las grietas inclinadas progresan en dirección al centro del tramo (hacia arriba) y en dirección de los apoyos (hacia abajo).
47
ESTRUCTURAS METALICAS La Falla se produce cuando el concreto se aplasta en la zona de compresión, justamente encima de la mayor grieta inclinada. Esta Falla es más frágil que la producida por flexión. La “Falla por Tensión Diagonal” es similar a la “Falla por Compresión por Corte”, pero las grietas inclinadas aparecen súbitamente, provocando el colapso de la viga. Debido a esto, la “Falla por Tensión Diagonal” es mas peligrosa que la “Falla por Compresión por Corte”, por ser esta más violenta.
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