Formulas y diagramas para el cálculos de vigas

Manual de Diseño para la Construcción con Acero · www.ahmsa.com 216


VI.1.1 Notación especial

Distancias parciales dentro del claro de una viga o marco.Deflexión total de una viga o marco en el lugar donde indica el subíndice.Módulo de elasticidad del acero (2 039 000 kg/cm2).Peralte de una armadura o marco.Altura de columnas para armaduras o marcos.Reacción horizontal en apoyos de marcos.Momento de inercia de la pieza indicada por el subíndice.Claro de una viga o armadura entre apoyos.Momento flexionante actuando en el lugar indicado por el subíndice.Cantidad de fuerzas aplicadas a una viga.Carga concentrada.Reacción en vigas según el apoyo indicado por el subíndice.Reacción vertical en apoyos de marcos.Carga total distribuida uniformemente.Carga unitaria distribuida uniformemente.Angulo que forma la cubierta de un techo con la horizontal.Constantes para cálculo de marcos rígidos. Definidas en cada casoy usadas para simplificar las fórmulas.

a, b, c, m, n,da, db, dc, dx

EfhHa-Hb, etc.lab, lbc, lcdLMa-Mb-McNPRa, Rb, RcVa, Vv, VcWwα, aA, B, D, F, G,J, K, N, S, T,φ, Ψ


VI.1.2 Viga empotrada en un extremo, libre en el otro 1 de 2

Fórmulas y diagramas de vigas para diversas condiciones de carga estática


VI.1.2 Viga empotrada en un extremo, libre en el otro 2 de 2



VI.1.3 Vigas con apoyos simples 1 de 6



VI.1.4 Vigas empotradas en ambos extremos 1 de 5



CAR

GA

MO

MEN

TOC

ORT

ED

EFLE

XIO

N

P P PP

A C D E F B

L 5 L 5 L 5 L 5 L 5

P P PP P PP

A B(n-1) Fuerzasespaciamiento= L n

MA MB




VI.1.5 Vigas empotradas en un extremo y apoyo simple en el otro 1 de 6



VI.1.6 Vigas continuas con claros iguales y cargas uniformemente distribuidas



VI.1.7 Vigas continuas con claros iguales y cargas concentradas en los centros de varios claros



VI.1.8 Vigas continuas con claros iguales y cargas concentradas aplicadas en los tercios de varios claros



DefiniciónTambién reciben el nombre de vigas de alma abierta. Las armaduras son elementos estructurales formados por un conjunto de barras rectas articuladas en sus extremos, solicitadas principalmente a fuerzas internas normales (tensión o compresión) y unidas en su plano de tal manera que se forma un conjunto de triángulos indeformables.

AplicacionesSe utilizan cuando una viga de alma llena (perfil laminado) o hecha con tres placas sol-dadas, deja de ser económica debido a la magnitud de la carga muerta. Las secciones que se obtienen son tales, que el peso propio de la viga o trabe es el factor más impor-tante que interviene en el diseño. Tipos de armadurasEn la siguiente figura se muestran los diversos tipos de armaduras.

ColumnaArmadura

Contraventeo

Joist(viga de alma abierta)

VI.2 Armaduras

Armadura.

Diversos tipos de armaduras.


Las diferentes armaduras se caracterizan por la forma de la triangulación que forman las piezas que unen las cuerdas; pueden ser horizontales, a dos aguas, de cuerdas paralelas, o en arco.

AplicacionesLas armaduras tienen una aplicación muy clara, cuando se busca salvar claros grandes, como ocurre en puentes, cubiertas especiales, etc. Sin embargo, también se usan en sistemas de piso, sustituyendo a las vigas de acero cuando se busca la ligereza de los elementos estructurales.

Su función, al formar parte de la cubierta de un edificio industrial, es soportar y techar la superficie de la nave para que en el interior del edificio se puedan realizar las operacio-nes típicas de un proceso de producción industrial.

Normalmente las armaduras se apoyan en columnas de acero, las cuales pueden ser de sección transversal I (secciones laminadas o hechas con tres placas soldadas), seccio-nes en cajón (cuatro placas soldadas) o miembros armados.

También se utilizan en soluciones estructurales que requieren salvar grandes claros. En este caso, el peralte de la armadura corresponde a la distancia libre entre los pisos del edificio.

Mediante la combinación de las armaduras planas, se obtienen estructuras espaciales, en las que los elementos están orientados según dos o más direcciones.

Columna

Armadura

Armadura de cubierta

Armaduralongitudinal

Larguero

Lámina cubiertaContraventeo

de cubierta


La armadura Pratt se caracteriza porque los montantes están sometidos a compresión y las diagonales a tensión.

La armadura Warren no tiene montantes y las diagonales están sometidas a tensión y compresión alternadamente.

Las armaduras tipo Pratt y Warren se usan en una gran variedad de aplicaciones, en las cubiertas de edificios o naves industriales y como vigas en los marcos rígidos que forman la estructura básica de un edificio convencional.

Un tipo de armadura especial, es la denominada Vierendell, que se caracteriza porque no tienen elementos diagonales que completen la triangulación, sino elementos hori-zontales y verticales que forman paneles con conexiones rígidas y que resisten fuerzas normales y cortantes. Es muy utilizada en construcciones de edificios, ya que los claros que deja, se adaptan perfectamente para la colocación de ventanas y puertas.

Forma de trabajoTodas las fuerzas exteriores desarrollan fuerzas axiales internas en las barras que for-man la armadura. Aunque generalmente las barras que forman la armadura, se consi-deran y analizan como articuladas en sus extremos es difícil llegar a construirlas con esas condiciones de apoyo, ya que las uniones soldadas o atornilladas que son las más usuales, rigidizan la junta y desarrollan momentos flexionantes que en la mayoría de los casos se desprecian. Las uniones de las barras en las articulaciones puede ser directa o por medio de placas de nudo.

Así los efectos debidos al momento flexionante se transmite como tensión y compre-sión en las cuerdas inferior y superior de la armadura. Las barras verticales y diagonales

Losa

Montante

Losa Losa

Losa

P P P P P P

Cuerda superior

Cuerda inferior

H= Peraltee

H´L

Armadura Vierendeel.


transmiten la fuerza cortante. Además, el alma de la armadura se encuentra parcialmen-te vacía reduciendo por lo tanto el peso propio de la pieza.

CaracterísticasLa principal característica de una armadura es la triangulación y así formando meca-nismos se van transmitiendo las fuerzas que soporta hasta los apoyos. En cada nudo las fuerzas exteriores se mantienen en equilibrio junto con las fuerzas internas que se desarrollan en las barras que concurren al mismo punto.

Consideraciones para análisisLa magnitud de las fuerzas horizontales de tensión y compresión que actúan en las cuerdas superior e inferior depende del peralte de la armadura. Una manera aproxima-da de obtener estas fuerzas consiste en dividir el momento flexionante en una sección, entre el peralte de la armadura. De esta manera se obtiene el momento resistente como si fuese desarrollado exclusivamente por las cuerdas extremas.

Por la misma naturaleza de las fuerzas internas que se desarrollan, se ve la importancia que adquiere el efecto de pandeo en los miembros sometidos a compresión. Se procu-rará que la relación de esbeltez de estas piezas se conserve dentro de ciertos valores.

En los miembros en tensión, una excesiva flexibilidad de ellos, produce vibraciones excesivas y deformaciones no recomendables, principalmente en las etapas iniciales de montaje. Las NTC-2004 recomiendan relaciones máximas de esbeltez de 200 para miembros a compresión y de 240 para miembros en tensión.

P/2 P/2

C

C

T

TC

P P P

C= CompresiónT= Tensión

d=

C

P/2

L/2

P P

C

T

C

T

C

T

C

L12

C= dd= L12

= = 2PRB

Mmáx

Mmáx= L

12 Mmáx

ΣP2= =RA

ΣP2 = 2P

=RA 2P

4P2

Análisis de la armadura.


En el diseño de las armaduras, se supone que todas las fuerzas están aplicadas en los nudos y que éstos a su vez son articulaciones. En la figura siguiente al aplicar una carga en una posición intermedia entre dos nudos, origina esfuerzos de flexión adicionales a los directos que actúan en los miembros de la armadura. En el caso c al ser un nudo rígido trata de conservar constante el ángulo original de la armadura, aún después de la deformación.

Esto provoca esfuerzos secundarios de flexión en la barra no considerados en el diseño original. Estos últimos efectos pueden ser despreciables, si se logra que los ejes de todas las piezas que concurren a un nudo, coincidan efectivamente en un punto.

En realidad, en los casos mostrados, la armadura se comporta como una viga de alma llena en la que la transmisión de fuerzas internas se realiza a través de las barras trian-guladas.

Con la simple triangulación se asegura la rigidez de la estructura formada y que las de-formaciones de esta, sean pequeñas y producidas por los incrementos de longitud en cada una de las barras, sometidas a fuerza axial. Es recomendable que al proyectar una armadura, los ángulos se conserven entre 45 y 60º y que las dimensiones de las piezas, sean semejantes. De no ser así, las fuerzas en las barras pueden alcanzar valores ele-vados, o bien las deformaciones, proporcionales a la longitud de los miembros, al ser desiguales pueden provocar desplazamientos asimétricos en la estructura.

La dirección de las diagonales, tiene cierta importancia, ya que de ésta depende el tipo de esfuerzo a que se encuentra sometida la pieza.

El equilibrio de los nudos, se obtiene por los elementos mecánicos, fuerzas cortantes, normales y momentos flexionantes, que se desarrollan en cada una de las barras que constituyen la estructura.

P P

P

α

<

1

α

α

α2

α1α2

a b c

Efectos secundarios en armaduras.


Direcciones positivas de las componentes vertical y horizontal de las reacciones de la estructura.

Notaciones para una estructura con miem-bros de sección transversal constante.

Constantes generales de la estructura:

Constante C:Se utilizará sólo en los casos de carga horizontal sobre la estructura.

=φ1-2I

2-3I=ψ

f

h

q

h

1φ

=A 4 (3+3ψ+ψ2+ ) =B 2 (3+2ψ)

2φ

=C 2 (3+ψ+ )

VI.3.1 Marcos rígidos articulados simples 1 de 6

Fórmulas y diagramas de marcos rígidos para diversas condiciones de carga estática.


Carga vertical uniformemente repartida sobre toda la viga.

Carga vertical uniformemente repartida sobre un miembro inclinado.

Carga vertical concentrada sobre la junta 3.

Carga vertical concentrada sobre el punto de un miembro inclinado.




Carga vertical concentrada sobre cualquier punto de un miembro inclinado.

Carga horizontal uniformemente repartida sobre una columna.

Carga horizontal uniformemente repartida sobre parte de una columna.

Carga horizontal uniformemente repartida sobre la mitad izquierda de la estructura.




Carga horizontal concentrada sobre la junta 3.

Carga horizontal concentrada en la junta 2.

Carga horizontal concentrada sobre cualquier punto de un miembro inclinado.

Carga horizontal concentrada sobre cualquier punto de una columna.




Momento aplicado en la junta 3.

Momento aplicado en la junta 2.

Dos momentos iguales aplicados en las juntas 2 y 4.

Carga vertical concentrada sobre la ménsula.

La ménsula actúa como simple voladizo y su momento máximo es Pu en el punto T. El diagrama de momentos del voladizo no se presenta intencionalmente para que el diagrama de momentos de flexión de la estructura quede ilustrado con más claridad.

H1 H5

V5V1

h

f

I1-2

I2-3

L

M

1

2 4

5

3

M21M23

H5H1

V1 V5

M23

M3

ML

ML

(M )M2

M2Ah (6+B+2ψ)

M21

M21

M4 H h5

hH5 (1+ψ)




Dos cargas verticales concentradas e iguales aplicadas simétricamentesobre las ménsulas.

6-30. Efectos de la variación de la temperatura. t° para toda la estructura.

Desplazamiento horizontal de un apoyo.

Las ménsulas actúan como simples voladizos con los momentos máximos de Pu en los puntos T. Los diagramas de momentos de estos voladizos no se presentan intencionalmente, para que el diagrama de momentos de flexión de la estructura quede ilustrado más claramente.

Nota: Si la dirección del desplazamiento de la estructura es opuesta a la del diagrama, se introduce el valor con signo negativo.∆




Direcciones positivas de los momentos y de las componentes vertical y horizontal de las reacciones de la estructura.

Notaciones para una estructura con miem-bros de sección transversal constante.

Constantes de la estructura:

=φ1-2I

2-3I=ψ

fh

q

h

=A3 (1- φψ )

2 (1+ φψ )=B

6 (1+ φ )1+ φψ

=D 16 (3+ φ) =F 12 2+ 2φ-A (1- φψ )

2 2

VI.3.2 Marcos rígidos empotrados simples 1 de 7



Carga vertical uniformemente repartida sobre toda la viga.

Carga vertical uniformemente repartida sobre un miembro inclinado.

Carga vertical concentrada en la junta 3.




Carga vertical concentrada sobre el centro de un miembro inclinado.

Carga vertical concentrada sobre cualquier punto de un miembro inclinado.

Carga horizontal uniformemente repartida sobre la mitad izquierda de la estructura.




Carga horizontal uniformemente repartida sobre una columna.

Carga horizontal uniformemente repartida sobre una parte de la columna.






Carga horizontal concentrada sobre cualquier punto de un miembro inclinado.

Carga horizontal concentrada en cualquier punto de la columna.




Momento aplicado a la junta 2.

Dos momentos iguales a las juntas 2 y 4.

Momento aplicado a la junta 3.

Carga vertical concentrada aplicada a una ménsula.




Efectos de la variación de la temperatura. t° para toda la estructura.

Desplazamiento horizontal de un apoyo.

Dos cargas verticales concentradas iguales aplicadas simétricamente sobre ménsulas.

Asentamiento vertical de un soporte.

Las ménsulas actúan como simples voladizos con los momentos Pu en los puntos T. Los diagramas de momentos de estos voladizos no se presentan intencionalmente, para que el diagrama de momentos de flexión de la estructura quede ilustrado más claramente.

Mm



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