Fuerzas concentradas, empozamiento y fatiga - Estructuras Metálicas

CAPÍTULO 11 - FUERZAS CONCENTRADAS,
EMPOZAMIENTO Y FATIGA

Este Capítulo cubre las consideraciones de resistencia de diseño de los elementos, pertinentes a las fuerzas concentradas, empozamiento y fatiga.

11.1. ALAS Y ALMAS CON FUERZAS CONCENTRADAS
11.1.1. Bases de Diseño
Las Secciones 11.1.2 a la 11.1.7 se aplican para fuerzas concentradas simples y dobles, como se indica en cada Sección. Una fuerza concentrada simple es de tracción o compresión, como en el caso de las producidas por un tensor. Las fuerzas concentradas dobles, una de tracción y una de compresión, forman un par en el mismo lado del elemento cargado, como las producidas por la plancha de apoyo de una columna sobre el ala de una viga.
Se requiere rigidizadores transversales para las alas de vigas en la ubicación de las fuerzas concentradas en tracción de acuerdo con la Sección 11.1.2 para el estado limite de flexión local y en los extremos no restringidos en vigas de acuerdo con la Sección 11.1.8. Se requiere rigidizadores transversales o planchas de refuerzo del alma en la ubicación de fuerzas concentradas de acuerdo con las Secciones 11.1.3 a la 11.1.6 para los estados límites de fluencia, plastamiento, pandeo lateral y pandeo por compresión. Se requiere planchas de refuerzo del alma o rigidizadores diagonales de acuerdo a la Sección 11.1.7,
para el estado límite en corte del alma, en la zona del panel. La zona del panel es la zona, en una conexión viga columna, que transmite momento por corte en el plano del alma.
Los rigidizadores transversales y rigidizadores diagonales requeridos por las Secciones 11.1.2 a 11.1.8 deben cumplir también los requisitos de la Sección 11.1.9. Las planchas de refuerzo del alma requeridas por las Secciones 11.1.3 a 11.1.6 deben cumplir también los requisitos de la Sección 11.1.10.

11.1.2. Flexión Local del Ala
Esta Sección se aplica tanto a las fuerzas concentradas simples como a la componente en tracción de fuerzas concentradas dobles.
Debe proveerse un par de rigidizadores transversales, extendiéndose al menos a la mitad del peralte del alma, adyacentes a la fuerza concentrada de tracción aplicada en el centro de la sección del ala cuando la resistencia requerida en el ala excede de R_n , donde:
= 0,90
R_n=6,25 t²_f F_yf      (11.1-1)
Donde
F_yf = esfuerzo mínimo de fluencia especificado para el ala.
t_f = espesor del ala cargada.
Si la longitud de la carga medida a lo ancho del ala del elemento es menor a 0,15b, donde b es el ancho del ala del elemento, la Ecuación 11.1-1 no necesita verificarse. Cuando la fuerza concentrada a resistir se aplica a una distancia del extremo del elemento menor a 10t_f, R_n debe reducirse en 50%.
Cuando se requiere rigidizadores transversales, ellos deberán soldarse al ala cargada para desarrollar la porción soldada del rigidizador. La soldadura que conecta los rigidizadores transversales al alma debe ser dimensionada para transmitir la fuerza no equilibrada en el rigidizador al alma. (Véase, además, la Sección 11.1.9).

11.1.3. Fluencia Local del Alma
Esta Sección se aplica a las fuerzas concentradas simples y a ambos componentes de las fuerzas concentradas dobles.
Debe proveerse un par de rigidizadores transversales o una plancha de refuerzo del alma, que se extiendan al menos a la mitad del peralte del alma; debe proveerse adyacentes a la fuerza concentrada de tracción o compresión cuando la resistencia requerida en el alma, en la base del filete, excede  R_n, donde
 = 1,0
y R_n se determina como sigue:

(a) Cuando la fuerza concentrada a resistir se aplica a una distancia desde el extremo del elemento que es mayor que el peralte d, del elemento,
R_n=(5k+N) F_yw t_w        (11.1-2)

(b) Cuando la fuerza concentrada a resistir se aplica a una distancia desde él extremo del elemento es menor o igual al peralte d, del elemento,
R_n=(2,5k+N)F_ywt_w       (11.1-3)
En las Ecuaciones 11.1-2 y 11.1-3, se aplican las siguientes definiciones:
F_yw = esfuerzo mínimo de fluencia especificado para el alma.
N = longitud de apoyo (no menor que k para las reacciones de extremo de viga).
k = distancia desde la cara exterior del ala a la base del filete del alma.
t_w = espesor del alma.
Cuando se requiere para una fuerza de tracción normal al ala, los rigidizadores transversales deben soldarse al ala cargada para desarrollar la porción conectada del rigidizador. Cuando se requiere para una fuerza de compresión normal al ala, los rigidizadores transversales deben tener un contacto perfecto o soldarse al ala cargada para desarrollar la fuerza transmitida al rigidizador. La soldadura que conecta los rigidizadores transversales al alma debe ser dimensionada para transmitir la fuerza no equilibrada en el rigidizador al alma. (Véase, además, la Sección 11.1.9).
Alternativamente, cuando se requieren planchas de refuerzo del alma, véase la Sección 11.1.10.

11.1.4. Aplastamiento del Alma
Esta Sección se aplica a ambas, fuerzas de compresión simple y al componente en compresión de las fuerzas concentradas dobles.
Se proveerá un rigidizador transversal, un par de rigidizadores transversales o una plancha de refuerzo del alma, que se extiendan al menos a la mitad del peralte del alma, adyacente a la fuerza de compresión concentrada cuando la resistencia requerida en el alma excede R_n, donde,
 = 0,75
y R_n se determina como sigue:

(a) Cuando la fuerza concentrada de compresión a ser resistida es aplicada a una distancia del extremo del elemento mayor o igual a d/2,

(11.1-4)

(b) Cuando la fuerza concentrada de compresión a ser resistida es aplicada a una distancia del extremo del elemento menor que d/2, para N / d < 0,2:

(11.1-5a)

Para N / d > 0,2:

(11.1-5b)

En las Ecuaciones 11.1-4 y 11.1-5, se aplican las siguientes definiciones:
d = peralte total del elemento.
t_f = espesor del ala.
Cuando se requieran rigidizadores transversales, ellos deben tener un contacto perfecto o soldarse al ala cargada para desarrollar la fuerza transmitida al rigidizador. La soldadura que conecta los rigidizadores transversales al alma debe ser dimensionada para transmitir la fuerza no equilibrada en el rigidizador al alma. (Véase, además, la Sección 11.1.9).
Alternativamente, cuando se requiere planchas de refuerzo del alma, véase la Sección 11.1.10.

11.1.5. Pandeo Lateral del Alma
Esta Sección se aplica únicamente a las fuerzas concentradas simples en compresión aplicadas en elementos con movimiento lateral relativo no restringido, entre el ala cargada en compresión y el ala en tracción, en el punto de aplicación de la fuerza concentrada. La resistencia de diseño en el alma es R_n , donde
 = 0,85
y R_n se determina como sigue:

(a) Si el ala en compresión está restringida contra rotación:
Para (h / t_w) / (l / b_f ) 2,3:

 
(11.1-6)

Para (h / t_w) / (l / b_f )> 2,3, el estado límite de pandeo lateral del alma no es aplicable.
Cuando la resistencia requerida en el alma excede de R_n , debe proveerse arriostramiento lateral local en el ala en tracción o un par de rigidizadores transversales o una plancha de refuerzo del alma adyacente a la fuerza concentrada de compresión, que se extiendan al menos a la mitad del peralte del alma.
Cuando se requieren rigidizadores transversales, ellos deben tener un contacto perfecto o soldarse al ala cargada para desarrollar el total de la fuerza aplicada. La soldadura que conecta los rigidizadores transversales al alma debe ser dimensionada para transmitir la fuerza en el rigidizador al alma. (Véase, además, la Sección 11.1.9).
Alternativamente, cuando se requiere planchas de refuerzo del alma, ellas deben dimensionarse para desarrollar el total de la fuerza aplicada. (Véase, además, la Sección 11.1.10).

(b) Si el ala en compresión no está restringida contra rotación:
Para (h / t_w) / (l / b_f )  1,7:

 
(11.1-7)

Para (h / t_w) / (l / b_f ) > 1,7, el estado límite de pandeo lateral del alma no es aplicable.
Cuando la resistencia requerida en el alma excede  R_n, debe proveerse arriostramiento lateral local en ambas alas en el punto de aplicación de las fuerzas concentradas.
En las Ecuaciones 11.1-6 y 11.1-7, se aplican las siguientes definiciones:
l = la mayor longitud sin arriostrar lateralmente a lo largo de cualquiera de las alas en el punto de aplicación de carga.
b_f = ancho del ala.
t_w = espesor del alma.
h = distancia libre entre alas menos el filete o radio de la esquina para perfiles laminados; distancia entre líneas adyacentes de pernos o la distancia libre entre alas cuando se usa soldadura en secciones armadas.
C_r = 6,62 x 10⁶ cuando M_u < M_y en la ubicación de la fuerza, MPa.
     = 3,31 x 10⁶ cuando M_u  M_y en la ubicación de la fuerza, MPa.

11.1.6. Pandeo por Compresión del Alma.
Esta Sección se aplica a un par de fuerzas concentradas simples o a los componentes en compresión de un par de fuerzas concentradas dobles, aplicados a ambas alas del elemento en la misma ubicación.
Se proveerá un rigidizador transversal simple, o un par de rigidizadores transversales o una plancha de refuerzo del alma, extendiéndose en el total del peralte del alma, adyacente a las fuerzas concentradas en compresión en ambas alas cuando la resistencia requerida del alma excede R_n , donde:
 = 0,90 y

   (11.1-8)

Cuando el par de fuerzas concentradas en compresión a ser resistidas se aplican a una distancia del extremo del elemento menor que d/2, R_n debe reducirse en 50%.
Cuando se requieren rigidizadores transversales, ellos deben tener un contacto perfecto o soldarse en el ala cargada para desarrollar la fuerza transmitida al rigidizador. La soldadura que conecta los rigidizadores transversales al alma debe ser dimensionada para transmitir la fuerza no equilibrada en el rigidizador al alma. (Véase además la Sección 11.1.9).
Alternativamente, cuando se requiere planchas de refuerzo del alma, véase la Sección 11.1.10.

11.1.7. Corte en el Alma en la Zona del Panel
Debe proporcionarse planchas de refuerzo del alma o rigidizadores diagonales dentro de los límites de la conexión rígida de elementos cuyas almas tienen un
plano común cuando la resistencia requerida excede R_v , donde:
 = 0,90
y R_v se determina como sigue:

(a) Cuando no se considera en el análisis de la estabilidad del pórtico el efecto de la deformación en la zona del panel.
Para P_u  0,4P_y
R_v=0,60 F_yd_c t_w     (11.1-9)
Para P_u > 0,4P_y
   (11.1-10)

(b) Cuando la estabilidad del pórtico, incluyendo la deformación plástica de la zona del panel, se considerada en el análisis:
Para P_u 0,75P_y

     (11.1-11)
Para P_u > 0,75 P_y
     (11.1-12)

En las Ecuaciones 11.1-9 a la 11.1-12 se aplican las siguientes definiciones:
t_w = espesor del alma de la columna.
b_cf = ancho del ala de la columna.
t_cf = espesor del ala de la columna.
d_b = peralte de la viga.
d_c = peralte de la columna.
F_y = esfuerzo de fluencia del alma de la columna.
P_y = F_y A, resistencia axial de fluencia de la columna.
A = área de la sección transversal de la columna.
Cuando se requiere planchas de refuerzo del alma, ellas deben cumplir los criterios de la Sección 6.2 y deben soldarse para desarrollar la proporción de la fuerza cortante total a ser transmitida.
Alternativamente, cuando se requieren rigidizadores diagonales, la soldadura que conecta los rigidizadores diagonales con el alma debe dimensionarse para transmitir la fuerza del rigidizador causada en el alma por los momentos desbalanceados. (Véase, además, la Sección 11.1.9).

11.1.8. Vigas con Extremos no Restringidos
En los extremos de vigas sin restricción contra rotación alrededor de sus ejes longitudinales debe proveerse un par de rigidizadores transversales que se extiendan en todo el peralte del alma. (Véase, además, la Sección 11.1.9).

11.1.9. Requisitos Adicionales en Rigidizadores para Fuerzas Concentradas.
Los rigidizadores transversales y diagonales también deben cumplir lo siguiente:

(1) El ancho de cada rigidizador mas la mitad del espesor del alma de la columna no debe ser menor que un tercio del ancho del ala o plancha de conexión de momento que transmite la fuerza concentrada.
(2) El espesor de un rigidizador no debe ser menor que la mitad del espesor del ala o plancha de conexión de momento que transmite la carga concentrada y no menor que  / 250 veces su ancho, donde, F_y está en MPa.
Los rigidizadores transversales de peralte total para fuerzas de compresión aplicadas al ala de una viga o viga armada debe diseñarse como un elemento axialmente comprimido (columna) de acuerdo con los requisitos de la Sección 5.2, con una longitud efectiva de 0,75h , una sección transversal compuesta de dos rigidizadores y una franja de alma con un ancho de 25t_w en rigidizadores interiores y 12t_w en rigidizadores en los extremos de los elementos.
La soldadura que conecta los rigidizadores de apoyo al alma debe dimensionarse para transmitir el exceso de fuerza cortante en el alma hacia el rigidizador. Para estos rigidizadores, véasela Sección 10.8(a).

11.1.10. Requisitos Adicionales en Planchas de Refuerzo del Alma para Fuerzas Concentradas.
Las planchas de refuerzo del alma requeridas por la Secciones 11.1.3 a la 11.1.6 deben también cumplir con los siguientes criterios:
(1) El espesor y la extensión de las planchas de refuerzo del alma deben proveer el material adicional necesario para igualar o exceder los requisitos de resistencia.
(2) Las planchas de refuerzo del alma deben soldarse para desarrollar la proporción del total de la fuerza transmitida a la plancha de refuerzo del alma.

11.2. EMPOZAMIENTO DE AGUAS
La estructura del techo debe verificarse por medio de un análisis estructural para asegurar una resistencia adecuada y estabilidad bajo condiciones de empozamiento de agua, a menos que tenga suficiente inclinación hacia puntos de drenaje libre o drenajes individuales adecuados para prevenir la acumulación de agua de lluvia.
La estructura del techo deberá considerarse estable y no requerirá mayor investigación sí:
C_p + 0,9 C_s  0,25     (11.2-1)
I_d  3950S⁴                (11.2-2)

Donde:

 

L_p = espaciamiento entre columnas en dirección de la viga principal (longitud de miembros principales), m .
L_s = espaciamiento de columnas perpendicular a la dirección de la viga principal (longitud de los miembros secundarios), m .
S = espaciamiento de los elementos secundarios, m.
I_p = momento de inercia de los elementos principales, mm⁴ .
I_s = momento de inercia de los elementos secundarios, mm⁴.
I_d = momento de inercia por unidad de ancho de la cobertura de acero apoyada en elementos secundarios, mm⁴ por m.
Para armaduras y viguetas de celosía, el momento de inercia I_s debe reducirse en 15 por ciento cuando es usado en la ecuación anterior. La cobertura debe considerarse como elemento secundario cuando es directamente soportada por elementos principales.

11.3. FATIGA
Muy pocos elementos o conexiones en las edificaciones convencionales necesitan diseñarse para fatiga, ya que la mayoría de los cambios en la carga de tales estructuras ocurren sólo un pequeño número de veces o producen sólo fluctuaciones pequeñas de esfuerzos. La ocurrencia de solicitaciones de carga máxima de diseño para viento o sismo es muy poco frecuente para obligar la consideración de fatiga en el diseño. Sin embargo, las vigas de puentes grúa y las estructuras de apoyo para maquinarias y equipos a menudo están sujetas a condiciones de fatiga.
Los elementos y sus conexiones sujetas a la carga de fatiga deberán diseñarse para cargas de servicio. de acuerdo con las provisiones del Apéndice 11.3 de la LRFD SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS del AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION.