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Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería CivilMorelia, Michoacán, México
Héctor Soto Rodríguez
MIEMBROS EN COMPRESIMIEMBROS EN COMPRESIÓÓN MCN MC
Definición Usos Secciones transversales típicas Tipos de columnas Pandeo por flexión Pandeo local Pandeo por flexotorsión Secciones simétricas sometidas a torsión o Ejemplos
MIEMBROS EN COMPRESIMIEMBROS EN COMPRESIÓÓN MCN MC
DefiniciónLos MC son elementos prismáticos sometidos exclusivamente a compresión axial producida por fuerzas que obran a lo largo de sus ejes centroidales.
MIEMBRO EN COMPRESIÓN(COLUMNA AISLADA)Miembro estructural sometido a carga axial.
P
P
MIEMBROS EN COMPRESIMIEMBROS EN COMPRESIÓÓN MCN MC
En el MC no actúan momentos flexionantes o cargas excéntricas.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
MIEMBROS EN COMPRESIMIEMBROS EN COMPRESIÓÓN MCN MC
Sin embargo, en algunos casos el centro de torsión no coincide con el centroide de la sección transversal.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
USOS DE MIEMBROS EN USOS DE MIEMBROS EN COMPRESICOMPRESIÓÓNNBarras de armaduras (cuerda
superior , diagonales y montantes).
Diagonales de contraventeo de edificios.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
1. Marco rígido
2. Arriostramiento horizontal en cubierta
3. Arriostramiento vertical
4. Columnas de fachada
5. Arriostramiento de columnas de fachada
ESTRUCTURASINDUSTRIALES
(1)
(1)
(1)
(4)
(4)
(4)
(2)
(3)
(5)
USO DE MC
Edificios industriales
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
ESTRUCTURASINDUSTRIALES
USO DE MC
Planta de cubierta
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
9 x 6000 = 54000
1500
0
Arriostramientos horizontalesen el plano de la cubierta(armadura horizonal)
A
B
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
EDIFICIOS
USO DE MC
+
+
+
-
-
-
+: Compresión- : Tensión.
H
H
H
1
2
3
w 1
2w
w 3
Carga gravitacional
(b) Columna articulada en ambos extremos
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
EXCAVACIONESPROFUNDAS
Empuje de tierrao de agua
Puntal
Uso DE MC
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USO DE MCESTRUCTURASESPECIALES
= compresión= tensión
USO DE MCARCOS
Puente en arco
SECCIONES TRANSVERSALES TÍPICAS
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Secciones típicas de miembros en compresión
a) Columna formada por dos ángulos
c) Cuatro ángulos, sección abierta
d) Cuatro ángulos en caja e) Perfil W con placas de refuerzo en alas
f) Dos perfiles W en caja
MIEMBRO ENCOMPRESION
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
m) Tubo o tubular circular
n) Tubular cuadrado o) Tubular rectangular
p) Sección en caja con dos canales frente a frente
q) Sección en caja. Dos canales en espalda con elementos de celosía
r) Sección en caja. Dos canales en espalda con Placa de unión.
MIEMBRO ENCOMPRESION
Secciones típicas de miembros en compresión
u) Sección en caja Cuatro ángulos con placas verticales y horizontales
s) Sección armada Tres placas soldadas
t) Sección armada Cuatro placas soldadas
x) W con canalesw) Sección armada Placa vertical y cuatro ángulos
v) Sección armada Placa vertical cuatro ángulos y cubreplacas
MIEMBRO ENCOMPRESION
Secciones típicas de miembros en compresión
Perfiles típicos que se emplean para trabajar en compresión
1. IntroducciónPerfil Ventajas y usos convenientes Desventajas
Tubos circulares Propiedades geométricas convenientes alrededor de los ejes principales, poco peso. Estructuras estéticas a simple vista. Se usan profusamente en estructuras especiales: plataformas marinas para explotación petrolera y en estructuras espaciales o tridimensionales para cubrir grandes claros.Debido a su gran disponibilidad en el mercado, se consiguen fácilmente, haciendo referencia al diámetro exterior y grueso de pared.
Conexiones difíciles de hacer en taller. Se recomienda trazar plantillas de cartón para facilitar la conexión o utilizar nudos especiales de unión que tienen preparaciones para recibir los miembros del resto de la estructura.
Perfiles típicos que se emplean para trabajar en compresión
Perfil Ventajas y usos convenientes Desventajas
Tubo cuadrado y rectangular
Perfiles eficientes, tienen características geométricas favorables alrededor de los dos ejes centroidales y principales.Tienen los mismos usos que los tubos circulares.
Si la conexión es soldada, se recomienda el uso de electrodos adecuados para lograr soldaduras de calidad aceptable.
Perfiles típicos que se emplean para trabajar en compresión
Perfil Ventajas y usos convenientes Desventajas
Sección H Perfil conveniente en columnas de marcos rígidos de edificios convencionales. Propiedades favorables y similares alrededor de los dos ejes principales. (El ancho de los patines es un poco menor que el peralte total de la sección). Por la forma de la sección abierta, facilita las conexiones.
Disponibilidad comercial, sujeta a producción. Se puede fabricar en taller de acuerdo con las necesidades de diseño.
Perfiles típicos que se emplean para trabajar en compresión
Perfil Ventajas y usos convenientes Desventajas
Sección T Conveniente en cuerdas de armaduras. Facilita la unión de diagonales y montantes, soldándolos al alma
Disponibilidad comercial sujeta a la producción de perfiles tipo W
Perfil Ventajas y usos convenientes Desventajas
Ángulos de lados iguales o desiguales
Convenientes en cuerdas, diagonales y montantes de armaduras de techo, puntales de contraventeo, paredes de edificios industriales. Se emplean sencillos o en pares (en cajón, en espalda, o en estrella). Es uno de los perfiles más económicos en el mercado.
Falta de control de calidad en perfiles comerciales, producidos por mini acerías: Alto contenido de carbono, material resistente pero de baja ductilidad
Perfiles típicos que se emplean para trabajar en compresión
PANDEO DE MC
PANDEO MCPANDEO MC
Uno de los problemas fundamentales de diseño de MC es la falla por pandeo general de la columna y el pandeo local de patines o almas.
PROBLEMAS DE MCPROBLEMAS DE MC
En el caso de los MC, a diferencia de los MT, los modos de falla por pandeo afectan la resistencia de diseño.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Pandeogeneral
Pandeolocal de patines
Pandeolocal del alma
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
PROBLEMAS DE MCPROBLEMAS DE MC
El problema de pandeo general es un problema de ESTABILIDAD y no de RESISTENCIA.
PANDEO DE MCPANDEO DE MC
El pandeo por flexión es un modo de falla en el que el MC se deforma lateralmente sin torcimiento o cambio en la sección transversal del perfil.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
PANDEO LOCAL DE MCPANDEO LOCAL DE MC
El pandeo local es un estado límite de falla de un elemento plano esbelto que forma parte de la sección transversal del miembro y que se deforma localmente antes de que puedan ocurrir otros modos de pandeo del MC.
MODOS DE PANDEO MCMODOS DE PANDEO MC
En columnas esbeltas de secciones abiertas construidas con perfiles estructurales laminados, son posibles 3 MODOS DE PANDEO:
MODOS DE PANDEO MCMODOS DE PANDEO MC
Pandeo por flexión alrededor del eje de menor momento de inercia.Pandeo por torsión alrededor
del CT de la columna.Pandeo por flexióntorsión.
MODOS DE PANDEO DE MCMODOS DE PANDEO DE MC
En el pandeo por torsión, las deformaciones por pandeo consisten solamente de rotaciones de las secciones transversales alrededor del eje longitudinal del MC.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
MODOS DE PANDEO MC MODOS DE PANDEO MC
El pandeo por flexotorsión es un modo de falla en el que el MC se pandea y se tuerce simultáneamente.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
ECUACIONES DE PANDEO POR ECUACIONES DE PANDEO POR FLEXIFLEXIÓÓN O POR FLEXOTORSIN O POR FLEXOTORSIÓÓNN
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
MODOS DE PANDEOMODOS DE PANDEOEn secciones con un eje de
simetría el pandeo puede ser:
Por flexión alrededor del eje de menor momento de inercia
Por flexotorsión
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MODOS DE PANDEO DE MCMODOS DE PANDEO DE MC
En secciones simétricas respecto a un punto (centroide), tales como perfiles Z, el pandeo puede ocurrir alrededor de su eje de menor momento de inercia o por torsión pura.
MODOS DE PANDEO DE MCMODOS DE PANDEO DE MC
En secciones sin ningún eje de simetría el pandeo es por flexotorsión.
PANDEO LOCAL
RESISTENCIA AL PANDEO LOCAL
Fcr = f (b/t, Fy)
PANDEO LOCAL PANDEO LOCAL En general, el esfuerzo crítico, Fcr de pandeo local se puede
expresar como:
dondeb/t = relación ancho/grueso de los
elementos planos que forman la sección transversal del miembro (adimensional)
Fy = esfuerzo de fluencia del acero
PANDEO LOCALPANDEO LOCAL
Consecuentemente, la relación b/t deberá limitarse a valores menores que las estipuladas en las especificaciones AISC-MAISC, 13 Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
PANDEO LOCALRESISTENCIA
PANDEO LOCALFCR,
Pandeolocal
Fy
b/t
Mayoría de los perfiles laminados W
Relación b/t baja Relación b/t alta
r
RESISTENCIA AL PANDEO LOCALPANDEO LOCALPANDEO LOCAL
El pandeo local puede gobernar para: Esfuerzos de fluencia elevados (Fy > 450
Mpa).
Secciones soldadas (trabes o columnas fabricadas con tres y cuatro placas).
Otros perfiles: ángulos, perfiles Tes, secciones de pared delgadas, etc.)
TIPOS DE COLUMNAS
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COLUMNASCLASIFICACION
Tipos de columnaTipos de columna
De acuerdo con la esbeltez de la columna, se distinguen tres tipos:
Columnas cortas.Columnas intermedias.Columnas largas.
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Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
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COLUMNAS CORTAS
COLUMNAS CORTASCOLUMNAS CORTASa) Son miembros que tienen relaciones de
esbeltez muy bajas.b) Resisten la fuerza que ocasiona su
plastificación completa. c) Capacidad de carga no es afectada por
ninguna forma de inestabilidadd) Resistencia máxima depende solamente
del área total de su sección transversal y del esfuerzo de fluencia del acero.
e) Falla es por aplastamiento.
COLUMNAS INTERMEDIASCOLUMNAS INTERMEDIAS
Miembros con relaciones de esbeltez en un rango intermedio.
Rigidez es suficiente para posponer la iniciación del fenómeno de inestabilidad hasta que parte del material estáplastificado.
COLUMNAS INTERMEDIAS
COLUMNAS INTERMEDIASCOLUMNAS INTERMEDIAS
Resistencia máxima depende de– Rigidez del miembro,– Esfuerzo de fluencia,– Forma y dimensiones de sus secciones
transversales y– Distribución de los esfuerzos residuales
Falla es por inestabilidad inelástica
COLUMNAS LARGASCOLUMNAS LARGAS
a) Miembros con relaciones de esbeltez altas.b) Inestabilidad se inicia en el intervalo elástico, los
esfuerzos totales no llegan todavía al límite de proporcionalidad, en el instante en que empieza el pandeo.
c) Su resistencia máxima depende de la rigidez en flexión y en torsión.
d) No depende del esfuerzo de fluencia Fy.
COLUMNAS LARGAS
Diagrama de esfuerzos en compresión,
en función de la relación de esbeltez
CARGA CRÍTICA DE EULER (1707-1783)
Carga crítica de Euler de una columna esbelta, doblemente articulada en sus extremos. n = número positivo cualquiera. (n =1.0).
FALTA FIGURA
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CARGA CRCARGA CRÍÍTICA DE TICA DE EULEREULER
Pcr = CARGA AXIAL MÁXIMA
Cuando se alcanza la carga crítica, la columna falla de manera súbita por
pandeo.
CARGA CRCARGA CRÍÍTICA DE MCTICA DE MC
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
ESTADOS DE EQUILIBRIOESTADOS DE EQUILIBRIO
EstableIndiferenteInestable
PANDEO ELÁSTICO E INELÁSTICO
El PANDEO puede ser ELÁSTICO ó INELÁSTICO, dependiendo de la ESBELTEZ de la columna.
CARGA CRÍTICA DE EULER
Esta ecuación marca el punto en que la columna elástica perfecta se vuelve inestable.
MODOS DE PANDEO DE MC
La columna se pandea siempre en el plano de menor resistencia a la flexión, si no hay restricciones laterales (soportes).
PANDEO GENERAL MC
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PANDEO GENERAL MC
En MC con perfiles IR, sin soportes laterales, el pandeo ocurre alrededor del eje de menor momento de inercia y con ello se establece que la columna al pandearse se flexionaráalrededor de dicho eje.
FACTOR DE LONGITUD EFECTIVA K DE MC
FACTOR DE LONGITUD FACTOR DE LONGITUD EFECTIVAEFECTIVA
Coeficiente que reduce o aumenta la longitud real de una columna por tomar en cuenta las condiciones de apoyo del MC:
Restricciones que permiten o impiden las rotaciones.
Traslaciones nulas o cien por ciento efectivas.
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FACTOR DE LONGITUD EFECTIVA K
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LONGITUD EFECTIVA KLLONGITUD EFECTIVA KL
La longitud efectiva de la columna, KL, se define como la longitud de una columna equivalente , articulada en los dos extremos, que tiene la misma carga crítica que la columna restringida real.
LONGITUD EFECTIVA KLLONGITUD EFECTIVA KL
KL = DISTANCIA ENTRE LOS DOS PUNTOS DE INFLEXIÓN , REALES
O IMAGINARIOS, DEL EJE DEFORMADO DEL MC
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PANDEO GENERAL MC
Cuando las condiciones de apoyo son diferentes en direcciones distintas, deberá investigarse el pandeo de las direcciones perpendiculares y se utilizará en el diseño de la columna la mayor relación de esbeltez para determinar la resistencia de diseño.
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA DE UN MC
Miembros en Compresión M AISC, 13a Ed.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA DE UN MCRESISTENCIA DE UN MCForma de la sección transversal
del MEFF.Relación de esbeltez de la
columna.Modo de pandeo que rige el
diseño (pandeo por flexión alrededor de los ejes x o y o pandeo por flexotorsión).
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA DE UN MCRESISTENCIA DE UN MC
Tipo de acero utilizado y propiedades mecánicas.
Esfuerzos residuales.Efectos de la soldadura.Presencia de agujeros.
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Requisitos de diseño:
Pu Pn (Pa Pn/Ω)ASD
donde = 0.9 para compresión(Ω = 1.67)ASD
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