Diseño de Trabes Armadas

1. Diseño de Trabes Armadas Juan Felipe Beltrán Departamento Ingeniería Civil Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

2. Diseño de Trabes Armadas Contenido • Definición • Características • Usos de trabes armadas • Diseño • Arriostramiento lateral • Serviciabilidad

3. 1. Definición Trabes Armadas • Compuesta por unión de placas • Placas horizontales que definen la altura de la trabe: alas • Placas que conectan las placas horizontales: alma • Optimizar la distribución del material • Uniones de las placas • Soldadura • Pernos • Remaches Secciones de trabes armadas Sección I Sección cajón Sección I-1 eje simetría Sección omega

4. 2. Características Suposición Comportamiento Estados límites en flexión • Secciones compactas • Pandeo flexo-torsional • Secciones no compactas • Pandeo flexo-torsional • Pandeo local del ala comprimida • Pandeo local del alma • Trabe con alma esbelta • Reducción de la capacidad a flexión de la trabe • Pandeo del ala comprimida • Pandeo del alma por corte

5. 2. Características Suposición Comportamiento • Incrementar resistencia al corte del alma: uso de atiesadores • Resistencia al corte post-pandeo • Trabe con comportamiento de armadura • Tensiones diagonales y compresiones verticales: campo de tensión diagonal • Transmisión de cargas concentradas • Atiesadores de apoyo

6. 3. Usos de trabes armadas Principales usos de las trabes armadas • Vigas en edificios de grandes claros • Vigas de puente • Vigas-guía de puente-grúa en edificios industriales

7. 4. Diseño de Trabes Armadas Conceptos Generales Diseño de la sección transversal de una trabe armada • Resistencia a la flexión • Rigidez vertical para limitar deformaciones • Rigidez lateral para prevenir pandeo flexo-torsional del ala en compresión • Resistencia al corte • Rigidez para aumentar la resistencia al pandeo del alma

8. 4. Diseño de Trabes Armadas Pandeo ala • Pandeo vertical del ala • Ala considerada como elemento a compresión • Alma proporciona rigidez para evitar pandeo vertical del ala • Limitar esbeltez del alma LRFD-Apéndice G1 donde h = altura alma tw = espesor del alma Fyf = tensión de fluencia del ala (MPa)

9. 4. Diseño de Trabes Armadas Diseño a flexión • Criterio de diseño: método LRFD-F2 donde b : factor de reducción de resistencia por flexión (0.90) Mn : resistencia nominal de flexión Mu : momento mayorado en el miembro

10. 4. Diseño de Trabes Armadas Diseño a flexión • Cálculo resistencia nominal de flexión: Mn • En general, trabes armadas tienen almas esbeltas • Tensión de fluencia sólo desarrollada por fibras extremas • No se considera comportamiento inelástico para efectos de diseño • Estados límites en flexión de trabe de alma esbelta: Momento nominal Mn • Fluencia del ala en tensión • Pandeo del ala en compresión

11. 4. Diseño de Trabes Armadas Diseño a flexión Momento nominal Mn • Debido a la fluencia del ala en tensión LRFD-Apéndice G2 • Debido al pandeo del ala en compresión LRFD-Apéndice G2 donde Fyt : esfuerzo de fluencia del ala en tensión Fcr : esfuerzo de pandeo del ala en compresión controlado por pandeo flexo-torsional, pandeo local del ala o fluencia Sxt : módulo de sección referido al ala en tensión (fibra extrema)

12. 4. Diseño de Trabes Armadas Diseño a flexión donde Sxc : módulo de sección referido al ala en compresión (fibra extrema) donde ar : Aw/Af≤ 10 Af : área del ala en compresión Aw : área del alma hc : doble distancia del eje neutro a la cara inferior del ala en compresión

13. 4. Diseño de Trabes Armadas • Estado límite: pandeo flexo-torsional (secciones compactas y no compactas) (LRFD-Apéndice G2) • Para l ≤lp • Para lp<l ≤lr

14. 4. Diseño de Trabes Armadas • Para l >lr

15. 4. Diseño de Trabes Armadas • Estado límite: pandeo local del ala (secciones no compactas) (LRFD-Apéndice G1) • Paral≤ lp • Para lp<l ≤lr

16. 4. Diseño de Trabes Armadas • Para l >lr 0.35 ≤ kc ≤ 0.763

17. 4. Diseño de Trabes Armadas donde Fyf : esfuerzo de fluencia del ala [ksi] Lb : longitud no arriostrada plano perpendicular rT : radio de giro del ala comprimida más un tercio de la parte comprimida del alma bf: ancho del ala tf: espesor del ala Cb: factor que considera la variación del momento flector en la resistencia de una viga

18. 4. Diseño de Trabes Armadas Pandeo en flexión del alma: reduce capacidad a flexión • Trabes armadas con un alto valor dela razónh/tw • Pandeo puede ocurrir como resultado de la flexión en el plano del alma • Pandeo debido a la flexión del alma no ocurre si ksi h = altura del alma tw = espesor del alma

19. 4. Diseño de Trabes Armadas Trabes Híbridas Trabes Híbridas: momento nominal Mn • Trabes con acero de mayor resistencia en las alas • Fluencia ocurre primero en el alma • Cálculo del momento nominal Mn • Momento que causa la iniciación de la fluencia en las alas • Considerar la fluencia de la fibra más extrema del ala • Considerar la sección de la trabe elástica y homogénea, en base al acero del ala, y aplicar factor de reducción (ASD-G2 y LRFD-G2) Trabe Híbrida Ala Acero A242 Acero A36 Alma Acero A242

20. 4. Diseño de Trabes Armadas Trabes Híbridas Trabes Híbridas: momento nominal Mn (LRFD-G2) donde ar : Aw/Af razón entre área del alma y ala RPG : reducción por inestabilidad del alma. Chequear razón h/tw Fcr : esfuerzo de pandeo del ala en compresión controlado por pandeo flexo-torsional o pandeo local del ala (menor valor) m : Fyw / Fyfrazón entre el esfuerzo de fluencia del acero del alma y acero del ala

21. 4. Diseño de Trabes Armadas Resistencia al corte h a Corte nominal Vn─ pandeo elástico e inelástico • Pandeo elástico Alma en corte puro LRFD-Apéndice G3 LRFD-Apéndice G3 Fyw en Mpa

22. 4. Diseño de Trabes Armadas Resistencia al corte • Pandeo Inelástico LRFD-Apéndice G3 Fyw en Mpa

23. 4. Diseño de Trabes Armadas Resistencia al corte donde tcr :esfuerzo elástico de pandeo (corte) a : distancia entre atiesadores verticales tw: espesor del alma h : distancia entre atiesadores longitudinales n : módulo de Poisson Cv : razón entre esfuerzo de pandeo de corte y esfuerzo de fluencia en corte Fyw :esfuerzo de fluencia del acero del alma

24. 4. Diseño de Trabes Armadas Resistencia al corte Cálculo de corte nominal Vn • Criterio de diseño: Método LRFD • Corte nominal Vn LRFD-Apéndice G3-3 • Si, • Cv≤ 0.8, utilizar fórmula elástica • Cv > 0.8, utilizar fórmula inelástica

25. 4. Diseño de Trabes Armadas Resistencia al corte donde v : factor de reducción de resistencia por corte (0.90) Vn : resistencia nominal de corte Vu : fuerza de corte mayorada en el miembro Fyw :esfuerzo de fluencia del acero del alma Aw: área del alma

26. 4. Diseño de Trabes Armadas Corte nominal Vn─ Efecto campo de tensión diagonal Alma atiesada por las alas tiene resistencia post-pandeo Alma se comporta como armadura (Basler (1961)) Fuerzas de tensión soportadas por el alma (acción de membrana) Fuerzas de compresión soportadas por atiesadores transversales Incremento de la capacidad al corte Resistencia al corte Compresión (Atiesadores) Tensión Acción del campo de tensión diagonal

27. 4. Diseño de Trabes Armadas Resistencia al corte Corte nominal Vn: Incluyendo resistencia al pandeo y post-pandeo • Fórmula LRFD A-G3-2, Apéndice G3 • Atiesadores Transversales • Estabilidad del alma: parámetros h/tw y a/h • Mantiene esfuerzo de corte bajo el valor crítico tcr • Permitir efecto del campo de tensión diagonal: resistencia post-pandeo

28. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores transversales Atiesadores Transversales • Atiesadores transversales no son requeridos si se cumplen las siguientes condiciones: • h/tw≤ 260 • Vn ≤ Cv (0.6Fyw)Aw (Evaluar Cvcon kv=5) • Atiesadores transversales son requeridos si • h/tw> 260 • Vu > fvCv (0.6Fyw)Aw (fv= 0.9 yevaluar Cvcon kv=5) • Restricciones debido a montaje, fabricación y traslado a/h ≤ [260/(h/tw)]2 ≤ 3.0 • Rigidez requerida por atiesadores transversales Ist ≥ jat3w

29. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores transversales donde Ist = momento de inercia de la sección del atiesador transversal alrededor del centro del espesor del alma cuando el atiesador consiste en un par de placas, y alrededor de la superficie del atiesador en contacto con el alma cundo atiesadores de placas simple son usados. • Resistencia de los atiesadores transversales

30. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores transversales t w w w Ast= 2wt A´st = wt donde Ast = área del atiesador transversal D = factor que considera carga excéntrica en los atiesadores = 1.0 para atiesadores en pares a cada lado del alma = 1.8 para atiesadores formados por ángulo simple = 2.4 para atiesadores formados por una sola placa Fyst = esfuerzo de fluencia del acero de los atiesadores Fyw = esfuerzo de fluencia del acero del alma Sección Transversal Atiesadores Alma Atiesadores

31. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores transversales • Conexión de los atiesadores transversales al alma • Unidades: [h] = inches; [Rnw] = kips/in f = 0.75 Basler (1961) Ala comprimida Atiesador tw Soldadura intermitente 6tw máximo 4tw mínimo Ala en tensión LRFD-F2.3

32. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores de apoyo • Uso de atiesadores de apoyo: • Cargas concentradas: reacciones, descargas de columnas sobre trabes • Atiesadores trasmiten cargas verticales • Fenómenos asociados a cargas concentradas • Fluencia del alma • Pandeo del alma • Pandeo lateral del alma • Atiesadores de apoyo dispuestos en pares • Transmisión carga de compresión: atiesadores diseñados como columnas (LRFD-K1.8 y 1.9) • Columna a diseñar: atiesador más área tributaria del alma

33. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores de apoyo Sección atiesador de apoyo t Alma tw x Ala 0 < x < ½ “ 12tw 25tw • Estabilidad de la columna atiesador-alma • Razón de esbeltez KL/r (LRFD-K1.9) • Área efectiva Ae (LRFD-E2) Atiesador final Atiesador intermedio Fin de la trabe w

34. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores de apoyo donde h = profundidad de la placa del alma r = radio de giro de la columna formada por el atiesador y el área tributaria del alma, considerando eje centroidal del alma. fc = factor de resistencia = 0.85 Pu = carga mayorada de compresión puntual Fcr = esfuerzo de pandeo de la columna (LRFD-E2) Ae = área de la columna formada por el atiesador y el área tributaria del alma

35. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores de apoyo • Criterio de pandeo local (LRFD-B5) • Criterio de contacto (LRFD-J8) donde t, w = espesor y ancho del atiesador, respectivamente Fy = esfuerzo de fluencia del material del atiesador f = 0.75 Rn = resistencia nominal de contacto = 1.8FyApb Apb = área de contacto entre el atiesador y el ala

36. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores longitudinales m h a Uso de atiesadores longitudinales • Aumentar capacidad a flexión y corte de la trabe armada • Controlar desplazamiento lateral del alma • Controlar pandeo del alma debido a la presencia de flexión • Requerimientos de diseño • Momento de inercia • Área transversal Atiesador Longitudinal Punto Nodal Pandeo Alma Sección

37. 4. Diseño de Trabes Armadas Atiesadores longitudinales • Para puentes de carretera. AASHTO-10.48.6.3 • Ubicación de los atiesadores longitudinales. AASHTO-10.48.6. • m = h/5 • Condición de estabilidad. AASHTO-10.48.6. • Radio de giro r del sistema atiesador-alma

38. 5. Arriostramiento Lateral Pandeo flexo- torsional Arriostramiento nodal o discreto • Objetivo del arriostramiento lateral • Pandeo entre puntos arriostrados • Diseño de arriotramientos • Adecuada rigidez • Suficiente resistencia • Tipos de arriotramientos • Nodal o discreto • Relativo Arriostramiento Arriostramiento relativo a b Ala superior trabe Arriostramiento

39. 5. Arriostramiento Lateral Pandeo flexo- torsional Pcr1 Pcr2 Pcr3 Q1 b1 Q3/3 L Q2/2 Q2 Q3 Q1 b2 b3 Q2/2 Q3 b3 Q3/3 Pcr1 Pcr2 Pcr3 • Modelo para columnas: Winter (1960) • Columna elástica perfectamente recta b3 = 3Pcr3 /L b1 = Pcr1 /L b2 = 2Pcr2 /L Q3= b3D Q2 = b2D Q1 = b1D

40. 5. Arriostramiento Lateral Pandeo flexo- torsional • Modificación del modelo de Winter (1960) para columnas • Se consideran columnas con deformación lateral inicial • Modelo se extiende para el caso de vigas • Número de arriostramientos • Curvatura de la viga (simple o doble) • Posición de la carga • Diagrama de momento no uniforme • Recomendaciones método LRFD • Arriostramiento relativo Rigidez, f = 0.75 Resistencia, D0 =0.002Lb

41. 5. Arriostramiento Lateral Pandeo flexo- torsional • Arriostramiento nodal o discreto Rigidez, f = 0.75 Resistencia, D0 =0.002Lb donde Mu: momento máximo Cd : 1.0 curvatura simple; 2.0 curvatura doble h0 : peralte de la viga Lb : distancia no arriostrada

42. 6. Serviciabilidad Limitar Deformaciones • Serviciabilidad asociada a la deformación de la trabe • Si existe excesiva deformación • Serviciabilidad puede controlar el diseño • Causar daños en elementos no estructurales • Como referencias (ASD-L3.1) • Vigas que soportan techos y pisos: L/d≤ 2668/f • Vigasen fluencia: L/d≤ 5500/Fy • Vigas con cargas de choque o de vibración: L/d≤ 20 donde L: claro de la viga D: altura o peralte de la viga f: esfuerzo máximo (MPa) Fy: esfuerzo de fluencia (MPa)