¿Cómo diseñar un miembro de tracción en una estructura de acero?

El diseño de miembros de tracción en estructuras de acero, tales como cables, barras y otros elementos sometidos a fuerzas de tracción, es fundamental para garantizar la estabilidad y seguridad de cualquier construcción. A lo largo de este capítulo, se analizarán varios ejemplos prácticos para ilustrar el proceso de diseño, haciendo uso de normativas como las del AISC y la EC.

En otro escenario, un miembro de tracción con parámetros de fuerza igual a 6,0 toneladas y longitudes de pandeo Lx = Ly = 5,8 m, con conexiones soldadas, requiere un cálculo detallado de la resistencia del material para determinar el tipo de sección más adecuada. Al tratarse de un miembro diagonal con una longitud de 3,6 m y una conexión atornillada (con un diámetro de agujero φ = 16 mm), se podría optar por un ángulo igual si la longitud es menor a 5,5 m.

Uno de los casos más complejos es el diseño de una barra de tracción (eyebar) con una fuerza aplicada de 80 toneladas, como se presenta en el ejemplo 3.5. En este caso, se utiliza acero 37 para las placas y pasadores, con una resistencia mínima de fluencia de 240 MPa. El análisis también debe considerar los esfuerzos por corte doble sobre el pasador, un aspecto crucial para garantizar que la barra no sufra fallos estructurales debido a cargas excesivas en sus puntos de conexión.

El diseño de miembros de tracción también se debe realizar siguiendo las directrices del AISC, que aunque similares a las del Eurocódigo (EC), tienen ciertas diferencias en la simbología y en algunos de los procedimientos. Según el AISC, no existe un límite máximo de esbeltez para los miembros sometidos a fuerzas de tracción, pero se recomienda que este límite sea igual o menor que 300, con la excepción de las varillas. Además, la resistencia a la tracción se calcula en función de la fórmula para el fallo por fluencia:

$P_n = F_y A_g$

$P_n = F_u A_e$

El concepto de área neta efectiva es clave en el diseño de miembros de tracción, ya que afecta directamente la capacidad de carga del elemento. Este cálculo debe tomar en cuenta el diámetro de los agujeros y las dimensiones del miembro, así como la distribución de los pernos a lo largo de la sección transversal del miembro.

En cuanto a los miembros conectados por pasadores, el diseño debe seguir un análisis de las tensiones de tracción, corte, soporte y fluencia. El cálculo de la fuerza nominal por ruptura de tracción en un miembro con pasadores se realiza utilizando la fórmula:

$P_n = F_u(2tb_e)$

El diseño de miembros de tracción en estructuras de acero, como se ha expuesto en los ejemplos y directrices de diseño, es un proceso detallado que debe considerar no solo las cargas aplicadas, sino también las propiedades del material, las conexiones y la distribución de las cargas en la estructura. Los diseñadores deben tener en cuenta la geometría del miembro, la esbeltez, el tipo de conexiones (atornilladas o soldadas), y las fuerzas internas para asegurar la estabilidad y la resistencia de la estructura a largo plazo.

Además, es fundamental que el cálculo de las áreas efectivas y la verificación de las conexiones sean realizadas de manera precisa, ya que cualquier error en estos cálculos podría comprometer la integridad estructural de la construcción. Es recomendable complementar este tipo de cálculos con simulaciones y análisis estructurales adicionales, especialmente cuando se trata de miembros con conexiones complejas o cargas variables.

Análisis elástico-plástico de segundo orden y comportamiento de los elementos estructurales

El análisis elástico-plástico de segundo orden se aplica cuando se llega a un nivel de carga específico, denominado como el multiplicador de carga de referencia M2, según se muestra en la Figura 6.14. Si se tiene en cuenta la influencia de las fuerzas normales y cortantes, no se requieren más verificaciones sobre la resistencia de las secciones y las uniones. Una vez que se han calculado las rotaciones en las bisagras plásticas, es posible verificar la capacidad rotacional requerida, si es necesario. La estabilidad en el plano del marco se aborda en el análisis estructural al aplicar la teoría de segundo orden. En este caso, no es necesario verificar la estabilidad en el plano de los miembros, siempre y cuando se hayan considerado las imperfecciones locales de los miembros en el análisis inicial, cuando así se requiera. Es evidente que el número de tareas de diseño restantes se ha reducido en comparación con las que serían necesarias si se utilizara un análisis elástico de primer o segundo orden.

El análisis rígido-plástico de primer orden es completamente diferente al análisis elástico-plástico, ya que las deformaciones elásticas de los miembros, uniones y cimientos son pequeñas en comparación con las deformaciones plásticas y, por lo tanto, se desestiman en este método. En el análisis elástico-perfectamente plástico, las deformaciones plásticas se concentran en las secciones y uniones donde probablemente se formarán bisagras plásticas. Estas secciones y uniones se asumen con capacidad rotacional infinita. Según Maquoi y Chabrolin (1993), los valores de resistencia al momento de diseño para las secciones y uniones, así como la configuración estructural y la carga aplicada, son los únicos parámetros que afectan al análisis rígido-plástico. Los requisitos de ductilidad para los miembros y uniones son los mismos que los mencionados en el análisis elástico-perfectamente plástico. Información útil sobre los límites mínimos que deben cumplirse cuando se utiliza el diseño rígido-plástico de primer orden para marcos de base articulada de una sola bahía se proporciona en ECCS (1991). Es importante señalar que este método no es adecuado para el análisis de segundo orden.

Los miembros tipo viga-columna son aquellos sujetos a una combinación de flexión y compresión. El ejemplo más conocido de una viga-columna se encuentra en las estructuras de marcos, donde todos los miembros experimentan tanto fuerza normal como flexión. En principio, todos los miembros de las estructuras de marcos pueden considerarse como vigas-columna, según la definición de vigas (miembros de acero con fuerza axial casi nula) y columnas (donde el momento flector es aproximadamente cero); estos dos casos representan los extremos. Las respuestas posibles de un miembro dependen de factores como la forma específica en la que se transfiere la carga aplicada, el tipo de soporte ofrecido y la forma de la sección transversal del miembro. Este capítulo aborda los conceptos principales relacionados con la interacción entre los efectos de flexión y compresión, centrándose en el comportamiento uniaxial y en el plano desde la perspectiva de la norma EC3. Además, se abordan las vigas-columna para cubrir los casos de flexión biaxial y pandeo fuera del plano.

Es fundamental entender que la plasticidad y el pandeo en las estructuras deben considerarse como un proceso continuo y evolutivo. El diseño debe prever no solo el momento de colapso, sino también cómo las deformaciones plásticas se distribuyen a lo largo de la estructura y cómo estas afectan la capacidad global del sistema. Las imperfecciones locales, aunque a menudo ignoradas en un análisis simple, juegan un papel crucial en la estabilidad final de la estructura. Además, el análisis debe adaptarse a la realidad del comportamiento material, que no es completamente elástico ni perfectamente plástico, sino que sigue una transición gradual hacia la plasticidad. La comprensión detallada de estos procesos permitirá optimizar el diseño y garantizar la seguridad estructural en situaciones de carga extremas.

¿Cómo influyen las reglas de diseño en la estructura de acero según el Código Europeo EC3?

Un aspecto importante que se debe tener en cuenta son las diferencias en las definiciones de símbolos y variables entre el BS5950-1 y los Eurocódigos, lo que puede generar confusión si no se comprenden adecuadamente. La Tabla 1.3 muestra una comparación entre las normas más frecuentemente utilizadas en el contexto del diseño de acero. Entre estos se incluyen el área (A), el módulo elástico (Z), y el momento de inercia (lx, ly), los cuales tienen un papel esencial en el comportamiento estructural bajo diversas condiciones de carga.

Además, otro factor determinante en el diseño de estructuras de acero es la ductilidad de los materiales. El acero debe cumplir con requisitos mínimos de ductilidad, que se expresan en términos del ratio de la resistencia a la tracción y el esfuerzo de fluencia (fu/fy), así como en la elongación máxima al fallo y la deformación última (εu). Estos requisitos son fundamentales para garantizar que las estructuras sean capaces de resistir condiciones extremas y garantizar su seguridad durante su vida útil. Los valores recomendados para estos parámetros incluyen un ratio fu/fy ≥ 1,10, una elongación mínima al fallo del 15%, y una deformación última no inferior a 15 veces la deformación de fluencia (εy).

El procedimiento de diseño comienza generalmente con el diseño preliminar, que consiste en un método aproximado y rápido para determinar las características principales de la estructura sin entrar en un análisis riguroso. Este paso es clave para obtener estimaciones de las cargas críticas, las secciones iniciales y los pesos de los miembros, lo que a su vez permite realizar comparaciones entre alternativas y realizar las primeras verificaciones de diseño. Sin embargo, la correcta interpretación de los resultados preliminares requiere un conocimiento profundo de la teoría de estructuras, tanto elástica como plástica, y una experiencia sólida para identificar los miembros críticos.

En la fase de diseño detallado, se construye un modelo computacional más preciso, que permite seleccionar los miembros estructurales que cumplan con los requisitos de seguridad. Esto es esencial para garantizar que la estructura sea capaz de soportar todas las cargas y tensiones durante su vida útil. A medida que se avanza en el diseño detallado, es importante tener en cuenta la resistencia de los materiales, la capacidad de los miembros para resistir esfuerzos de compresión y flexión, y las posibles deformaciones bajo cargas extremas.

Al realizar el cálculo de cargas, el diseño debe tomar en cuenta varios tipos de "acciones" o cargas que afectarán a la estructura a lo largo de su vida útil. Estas cargas se clasifican en permanentes (como el peso propio de la estructura), variables (como las cargas de viento o nieve), accidentales (como explosiones o impactos), y sísmicas. Es importante reconocer que las cargas permanentes son generalmente las más fáciles de predecir, mientras que las cargas variables y accidentales pueden ser mucho más impredecibles, lo que requiere un enfoque conservador en el diseño.

El peso muerto o carga permanente es uno de los elementos fundamentales en este proceso. Este tipo de carga se refiere al peso propio de los elementos estructurales, como vigas, columnas y los acabados de la estructura, como revestimientos o paredes. Para calcularlo, se deben conocer las dimensiones exactas de los elementos y la densidad de los materiales utilizados, lo cual es crucial para la exactitud del diseño, especialmente en estructuras de concreto armado, donde el peso de los materiales puede tener un impacto significativo en la seguridad general de la estructura.

Es fundamental tener en cuenta que, aunque el código europeo proporciona una base sólida para el diseño de estructuras de acero, la práctica profesional requiere una continua adaptación a nuevas tecnologías, avances en materiales y mejores prácticas de construcción. La implementación efectiva del EC3 depende en gran medida de la capacidad del ingeniero para interpretar correctamente las normas, realizar un diseño adecuado a las necesidades del proyecto, y ajustar las soluciones a las particularidades del sitio y las condiciones de carga específicas.