El documento describe diferentes ensayos y métodos de diseño para elementos estructurales sometidos a tracción. Explica el ensayo de tracción, el ensayo de flexotracción y define conceptos como área neta y área neta efectiva. También describe elementos comunes sometidos a tracción como ángulos, perfiles y placas, así como estructuras que utilizan elementos en tracción como cables en puentes y techos.

1. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARINO
Proyecto de Estructura Madera y Acero
Anderson Veroes
12.728.011

2. TRACCION
Es el esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.
Ensayo de Tracción
El ensayo de tracción consiste en estirar de forma controlada una pequeña probeta del material con forma de barra esbelta, generalmente hasta su rotura. Se trata de un ensayo muy común, probablemente el más común de los que cabe realizar a un material que se pretenda usar con fines resistentes. Por ello, este ensayo está contemplado y regulado en la normativa (norma UNE EN 10002). El resultado del ensayo es una gráfica en la que se representa en abcisas el incremento de longitud de la probeta en cada instante, dividido entre su longitud inicial, y en ordenadas la fuerza aplicada en cada instante, dividida entre el área de la sección de la probeta
Metodo de ensayo a Flexotraccion
Son de aplicación las Normas UNE 83.305 e ISO 4013
El ensayo suele efectuarse sobre probetas prismáticas de sección cuadrada a x a y una longitud de 4a o 5a, siendo la luz de ensayo igual a 3a. Las dimensiones normalmente empleadas son:

3. • para árido de 25mm...........................10 x 10 x 50 cm • para árido de 38mm........................... l5 x l5 x 75 cm • para árido de 50mm........................... 20 x20 x 100cm
b) Las probetas se rompen a flexión mediante la aplicación de dos cargas iguales y simétricas, colocadas a los tercios de la luz (figura 6.5). El mecanismo para la aplicación de la carga se compone de dos rodillos de acero de 20 mm de diámetro, y otros dos para el apoyo de la probeta. Es importante que las probetas se apoyen y reciban la carga sobre las dos caras laterales que estuvieron en contacto con el molde; primero, porque así no es necesario refrentarlas; y segundo, porque se elimina la influencia de la distinta compacidad del hormigón junto al fondo y en la superficie.
La carga se aplica de forma continua sin choques bruscos, y a una velocidad de carga tal que el aumento de la tensión en las fibras inferiores de la probeta, calculada por la fórmula clásica, sea de 0,05 ± 001 MPa por segundo. La resistencia a flexotracción se calcula mediante la fórmula clásica:
en donde M, es el momento de rotura, W el módulo resistente de la sección, y F=2P, la carga total aplicada. Con esta fórmula se admite un diagrama tensión-deformación lineal para el hormigón por lo que el valor obtenido para fctf es mayor que el de la resistencia a tracción axial, cuya deterrniflación directa es muy problemática. El Eurocódigo 2 admite para la resistencia a tracción axial, en función de la resistencia a flexotracción, el valor fct = 0,5fctf.

4. ELEMENTOS EN TRACCION
1.) INTRODUCCION: Se denominan Miembros en Tracción Axial a los elementos de las estructuras en los cuales se generan esfuerzos internos que evitan que se separen los extremos cuando están sometidos a una fuerza axial. Son los miembros más simples de diseñar porque no tienen problemas de estabilidad interna, como ocurre con las columnas sometidas a compresión axial o a flexocompresión, o con las vigas sometidas a flexión, que pueden pandear. Son miembros que permiten los máximos valores de la capacidad del acero en su resistencia ya que son eficientes. Sin embargo, en ellos las conexiones son muy importantes. Para asegurar un buen comportamiento del miembro en tracción en sus conexiones, se deben tratar asuntos relacionados con: a) el Factor de Resistencia del miembro (f = 0.75, por la inseguridad del comportamiento de las conexiones), b) las áreas netas y las cadenas de falla en huecos, c) los conceptos de áreas netas efectivas y d) bloques de corte. Estos dos últimos temas se relacionan con el deseo de evitar fallas conocidas recientemente. Los miembros en tracción se encuentran, con frecuencia, en la mayoría de las estructuras de acero. Son elementos principales en puentes, en armaduras de techados, en torres de antenas, en torres de líneas de trasmisión y en arriostramientos de edificios. Pueden ser miembros simples o armados (unión de dos o más elementos simples). Se prefieren los miembros simples porque requieren menos trabajo de fabricación; sin embargo, a veces es necesario unirlos por las siguientes razones: a) La resistencia de uno no es suficiente b) La relación de esbeltez debe ser disminuida, para cumplir las Especificaciones y evitar vibraciones no tolerables c) Las condiciones de las conexiones así lo requieren d) Disminuir los efectos de flexión. A continuación se muestran las secciones de elementos más frecuentemente usados como miembros en tracción, dejando de lado, por ahora los cables, que serán tratados después. 2.) RESISTENCIA DE ELEMENTOS EN TRACCION: La resistencia de miembros de acero en tracción está definida por el estado límite que manda en el caso particular. En el caso de Miembros en Tracción, los estados límites son dos:

5. A. Fluencia en el área total de la sección, Ag, fuera de las conexiones. B. Fractura en la sección neta efectiva, Ae, en la zona de las conexiones. Se puede expresar, entonces, como Resistencia Nominal de Miembros en Tracción: Pnf Caso Límite de Fluencia en la sección total: Pnf = Fy Ag, donde Fy: Punto de fluencia del acero y Ag: Area total de la sección transversal. Caso Límite de Fractura en la sección efectiva de las conexiones: Pnr = Fu.Ae, donde Fu: Esfuerzo de fractura en la sección neta efectiva. Considerando el Factor de Resistencia f t correspondiente, se tiene la Resistencia de Diseño de Miembros en Tracción en cada caso: f t Pnf = f t Fy Ag f t Pnr = f t Fu Ae f t = 0.90 f t = 0.75 Cumplirá el reglamento, la menor de las resistencias indicadas. Aquí cabe la pregunta de por qué no considerar Fu en ambos casos: Se ha preferido Fy para la sección de la mayor longitud del miembro para que las deformaciones (aumentos de longitud) no sean grandes, en cambio, en las conexiones, el tramo abarcado es corto con relación a todo el miembro, y se puede esperar que llegue a Fu sin deformaciones apreciables en longitudes. Procede, ahora definir qué es el Area Neta y el Area Neta Efectiva: En las conexiones, en que se emplean pernos, se requieren huecos, los que se obtienen punzonando o drilando el material, obligándose a reducir el área total a un área neta luego de retirar el área de los huecos. Se considera que las operaciones mencionadas producen huecos con huelgos de 1/16" (0.16cm) mayor que el diámetro del conector; sin embargo, para los cálculos del área neta se deben considerar huecos de un diámetro de 1/8" (0.32 cm) mayor que el diámetro del conector, para tomar en cuenta que el material cercano a los huecos se daña con estas operaciones. En el caso de soldaduras no hay pérdida de área en la sección transversal. No procede el concepto del área neta en conexiones soldadas. En los casos en que los huecos estén alternados o no se acepta: El término s2/4g se añadirá tantas veces como espaciamientos transversales existan en el recorrido de la cadena. En los casos (b) y (c) la falla puede ocurrir en la sección B-B o en la C-C, la de menor Wn, por lo que hay que investigar siempre la Cadena Crítica, la que ofrezca menor ancho neto. El Area neta será, en este caso An = Wn*t (t = espesor de la plancha). Cuando existan huecos, AISC-LRFD considera un área neta nunca superior al 85% del área total de la sección.

6. 3.) DISEÑO A TRACCIÓN DEL ACERO: El diseño consiste en seleccionar un elemento con área transversal suficiente para que la carga factorizada Pu no exceda la resistencia de diseño φtFyAreq. En general el diseño es un procedimiento directo y las secciones formadas por perfiles o perfiles combinados y placas típicos se indican en la siguiente figura donde la más común es el ángulo doble (Segui, 2000). Esta comprobación no es obligatoria; las barras y cables no están incluidas (Galambos, Lin y Johnston; 1999). 4.) ALGUNAS ESTRUCTURAS SOMETIDAS A TRACCIÓN: Cables: La elevada resistencia a la tracción del acero, combinada con la eficiencia de la tracción simple, hace del cable de acero el elemento ideal en las estructuras para cubrir grandes distancias. Son flexibles debido a sus dimensiones transversales pequeñas, en relación con la longitud. La flexibilidad indica una limitada resistencia a la flexión. La eficiencia excepcional de los cables de acero aconseja su uso en la construcción de grandes techos, permitiendo soluciones ingeniosas. Un cable consiste en uno o más grupos de alambres o de torones de acero para formar un elemento flexible capaz de resistir grandes fuerzas de tracción. Un torón es un grupo de alambres de acero que son mantenidos helicoidalmente alrededor de un alambre central. En construcción se define al cable como un conjunto de torones alrededor de un núcleo central (generalmente son seis) también mantenidos helicoidalmente. Si el núcleo central es otro torón se forma un "cable de alma rígida", usado frecuentemente en concreto pretensado. Si el núcleo central es un alma de cáñamo entonces se tiene un cable bastante flexible, muy usado para el izaje de piezas en el montaje de estructuras o para las llamadas tenso- estructuras; también para ascensores, etc.

7. La gran resistencia de los cables se debe a que los alambres han sido sometidos a trefilado (ver Cap.2) que es un tratamiento en frío del acero que aumenta la resistencia de los mismos. Tienen diámetros nominales en pulgadas, generalmente, y son los fabricantes los que proporcionan las fuerzas últimas de sus cables, obtenidas en pruebas. Queda al diseñador establecer cuál es la capacidad permisible a usar en cada aplicación específica, es decir determinar los factores de seguridad adecuados para cada caso; así, para ascensores se usa un factor de seguridad del orden de 6, además de una vida útil especificada por los fabricantes de los ascensores. Para su uso en estructuras es común un factor de seguridad del orden de 2. Como desventajas se mencionan su alto costo y la dificultad de sus empalmes y uniones. A pesar de ello, por su practicidad es el material en tracción más usado en el mundo; por ejemplo en la industria de petróleo, marina, etc. Varillas con extremos roscados: Muy empleadas como elementos de arriostramiento en tracción. Las varillas pueden roscarse en sus extremos, sin embargo hay una pérdida de sección en esas zonas. El algunos casos se engrosa el diámetro. En esta forma se mejora su comportamiento, en especial en torres ubicadas en zonas sísmicas. Donde más se emplean las varillas roscadas, pero sin aumentar el diámetro en las zonas roscadas es, en los llamados pernos de anclaje, que sirven para sujetar las planchas de apoyo y están sometidos a corte y en muchos casos a corte-tracción; deben trasmitir sus esfuerzos por aplastamiento al concreto circundante y por adherencia. 5.) ARMADURAS ESPACIALES: Su comportamiento es más integral y más eficiente de un techo de este tipo si se conectan las armaduras paralelas por medio de otras armaduras transversales tan regidas como aquellas, y no con elementos flexibles. Las armaduras espaciales son más rígidas que los sistemas de armaduras paralelas y pueden ser menos altos. En tiempos modernos, uno de los mayores avances ha sido la invención de la cúpula geodésicapor R. Buckminster Fulleren los años 50. Esta técnica, basada en la unión de elementos triangulares que reparte la distribución de la fuerza en la misma estructura, permite la construcción de cúpulas estables de dimensiones enormes. Actualmente, la cúpula semiesférica más Grande del mundo es el Globe Arenade Estocolmo, terminado en 1989.

8. PROBLEMAS REFERENTE AL TEMA. 1. Determinar el Ancho neto y el Area efectiva de la conexión Diámetro de los pernos: 3/4", Espesor de la plancha: 9.5 mm (3/8"). Fu = 4.08 t/cm2 además, determinar la resistencia de diseño. f t Pnr =?. Solución: D = 3/4" + 1/8" = 2.23 cm Wg = ancho total de la Plancha = 20.0 cm Cadena ABDE: Wg = 20.0 -SDi = 2*2.23 = -4.46 +s2/4g = 52/(4*10) = 0.63 16.17 cm (crítico) Cadena HFG: Wg = 20.0 -SDi = -2.23 17.17 cm. Área máxima, según AISC: 0.85*20*0.95 = 16.15 cm2 Área neta crítica = 16.15*0.95 = 15.36 cm2 Resistencia de Diseño en la conexión: Pnr = f t.Ae*Fu = 0.75*15.36*4.08 = 47 t 2. Se dispone de un cable de acero de 12 m de longitud y 80 mm2 de sección. Al someterlo a una cargaaxial de 100 kN, llega a medir 12.078 m. Calcule:a) La deformación unitaria ε y el esfuerzo unitario σ en GPa (1 punto).b) El módulo de elasticidad E del acero utilizado en GPa (0.5 puntos).c) La fuerza en kN que hay que aplicar a un cable idéntico, para conseguir un alargamiento de 35mm (1 punto).

9. AREA NETA. Es la cantidad de sección en una posible línea de ruptura cuando se restan las perforaciones; se obtiene sumando los productos del grueso de cada una de las partes que lo componen por su ancho neto, que se determina como sigue: a) En el cálculo del área neta de barras en tensión, el ancho de los agujeros para pernos o tornillos se toma 1.5 mm mayor que el diámetro nominal del agujero, medido normalmente a la dirección de los esfuerzos. Para determinar el área neta en cortante se utilizan las dimensiones nominales de los agujeros. b) Cuando hay varios agujeros en una normal al eje de la pieza, el ancho neto de cada parte de la sección se obtiene restando al ancho total la suma de los anchos de los agujeros. c) Cuando los agujeros están dispuestos en una línea diagonal al eje de la pieza o en zigzag, se deben estudiar todas las trayectorias posibles para determinar a cuál de ellas le corresponde el ancho neto menor, que es el que se utiliza para calcular el área neta. El ancho neto de cada una de las partes que forman la sección, correspondiente a cada trayectoria, se obtiene restando del ancho total la suma de los anchos de todos los agujeros que se encuentran sobre la trayectoria escogida y sumando para cada espacio entre agujeros la cantidad s2/4g, donde s es la separación longitudinal centro a centro entre los dos agujeros considerados (paso) y g la separación transversal centro entre ellos (gramil). Los valores que se asignarán a U serán los siguientes: Secciones laminadas H o I con patines de ancho no menor que 2/3 del peralte y tés estructurales obtenidas de ellas, conectadas por patines; cuando la conexión es remachada o atornillada debe haber tres o más conectores en cada línea en la dirección de los esfuerzos: U = 0.90. Secciones laminadas H o I que no cumplan las condiciones del párrafo anterior, tés estructurales obtenidas de ellas y todas las secciones resultantes incluidas las formadas por varias placas; cuando la conexión es remachada o atornillada debe haber tres o más conectores en cada línea en la dirección de los esfuerzos: U = 0.85. Todos los miembros con conexiones remachadas o atornilladas que tengan sólo dos conectores en cada línea en la dirección de los esfuerzos: U = 0.75. La distribución de esfuerzos es uniforme lejos de los conectores, pero en la conexión, el área neta An no será completamente efectiva, a no ser que todos los componentes de la sección estén completamente conectados. En la mayoría de los casos, sólo algunos de los componentes están unidos como se ilustra a continuación: Los esfuerzos deben trasladarse del componente "a" al "b" para llegar, a través de los conectores, a la plancha. Las secciones planas no permanecen planas en las conexiones (lo que se llama atraso de corte, shear lag). Ver la trayectoria de las líneas de esfuerzos.

10. PLANCHAS UNIDAS POR PASADORES. En estructuras no es común encontrar uniones con pasadores, ya que el uso de los remaches y posteriormente de los tornillos y de la soldadura que son más comunes. Los pasadores son piezas cilíndricas de gran diámetro que resisten fuerzas muchos mayores a los que resisten individualmente, los tornillos. Los pasadores deben ser asegurados evitando el movimiento trasversal de los pasadores en los elementos, esto se logra ya sea roscando sus extremos y asegurándolos con arandelas y tuercas o con pines en o sus extremos, (si los pasadores son horizontales se pueden colocar en ambos extremos pines, en caso contrario, los pasadores deben tener una cabeza). Elementos conectados con pasadores. Cuando un miembro va ser conectado con un pasador, se perfora un agujero en el miembro y las partes a las que va a estar conectado, y se inserta un pasador a través del agujero. Esto proporciona una conexión tan libre del momento cuando es posible en la práctica. Los miembros en tensión conectados de esta manera están sometidos a varios tipos de falla. La barra de ojo es un tipo especial de miembro conectado por pasador en la que el extremo que contiene el agujero del pasador es agrandado. La barra de ojo fue usada ampliamente en el pasado como miembros simples en tensión para armaduras de puentes usadas como eslabones tipo cadena de puentes colgantes. Incluso, tal y como se puede apreciar en las imágenes precedentes de la figura, podemos diferenciar claramente entre los pasadores de uniones comprimidas (la base del pilar) y de uniones traccionadas (el anclaje a la pared). El remache debe resistir “Corte Sencillo” (El cizallamiento ocurre en la sección del remache entre las dos planchas). El pasador debe resistir “corte doble” (hay dos secciones disponibles para resistir la fuerza de corte).

11. La Barra circular punzona la chapa, siendo el área resistente similar al borde de una moneda.
ELEMENTOS. Uniones por medio de Remaches, Pernos y Pasadores: Similitudes: Los elementos conectores pasan a través de perforaciones. Los conectores trabajan a corte. Diferencias: Los remaches en caliente, al enfriarse se contraen y producen una compresión entre las planchas conectadas lo cual genera fricción. Los remaches en frio al golpearlos también generan fricción. Los pernos pueden ser de dos tipos: a) Pernos ajustados que llenan totalmente el orificio, aplicándoles un torque conocido. b) Pernos corrientes actuando en huecos sobredimensionados (Uniones provisionales). Pasadores de Unión: son usados donde se requiera una articulación o se desea realizar una conexión muy rápida. ELEMENTOS- HIPOTESIS DE CÁLCULO. A. No se considera la fricción causada por la contracción de los remaches (pernos). B. Todos los remaches (pernos) reciben igual carga. C. Los remaches y pernos llenan totalmente el hueco. D. El esfuerzo a tracción en las planchas conectadas se distribuye uniformemente en la sección neta de la misma. E. No se descuentan los orificios para calcular el área efectiva de los elementos que trabajan a compresión. ELEMENTOS TIPOS DE JUNTAS. Existen básicamente dos tipos de Junta: 1.) Junta de Solape: o sea por superposición de las propias planchas que se desea conectar.

12. 2.) Junta a tope, en cuyo caso las planchas a unir se colocan una frente a la otra y se recubren con una o dos planchas para poderlas unir, estas últimas suelen ser llamadas cubrejuntas. ELEMENTOS -TIPOS DE FALLAS Hay cuatro (04) formas en que una Junta con remaches o pernos puede fallar: 1. Por corte del remache o perno: 2. Por desgarramiento de la plancha principal: ocurre en una sección que pasa por el hueco hecho para el paso del remache (sección neta). 3. Por falla de apoyo (presión de asiento): ocurre un desplazamiento relativo de las dos planchas por el agrandamiento o deformación permanente del hueco, causado por una excesiva presión de asiento. 4. Por ser muy poca la distancia de borde: es decir la distancia desde el primer hueco hasta el borde de la plancha es muy corta.
Pandeo

13. Deformación de pandeo producida por la compresión de una barra.
El pandeo es un fenómeno de inestabilidad elástica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos, y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales a la dirección principal de compresión.
En ingeniería estructural el fenómeno aparece principalmente en pilares y columnas, y se traduce en la aparición de una flexión adicional en el pilar cuando se halla sometido a la acción de esfuerzos axiales de cierta importancia.
ÁREA Y LONGITUD EFECTIVAS
El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y la densidad de potencia incidente en una antena. La antena debe estar adaptada a la carga, de forma que la potencia transferida sea la máxima. La onda recibida debe estar adaptada en polarización a la antena.
La longitud efectiva de una antena linealmente polarizada se define como la relación entre la tensión inducida en una antena en circuito abierto y el campo incidente en la misma.