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Fundamentos de Diseño Estructural Parte I - Materiales
Argimiro Castillo Gandica

Fundamentos básicos
• Formas de falla
– Por sobrecarga (resistencia insuficiente) – Por deformación excesiva (rigidez insuficiente)

• Tipos de esfuerzos
– Normal (axial) – Tangencial (cortante)

• Factores de incertidumbre (falta de precisión) • Tipos de análisis
– Elástico - lineal – Elasto - plástico– No - lineal

• Metodología de diseño • Conceptos universales (cuatro conceptos universales)

Formas de falla
• Por sobrecarga: la resistencia del material es insuficiente y se despedaza, desgarra, rasga o rompe (esfuerzos permisibles de cada material) • Por deformación excesiva: la rigidez de la estructura es insuficiente y se deforma grandemente, tiene curvatura excesiva, vibra intensamenteo se pandea (módulo de elasticidad de cada material)

Tipos de esfuerzos
Existen dos tipos de esfuerzos fundamentales: • Esfuerzo normal (axial): son esfuerzos paralelos al eje del elemento, pueden ser de compresión o de tracción o de ambos en simultáneo (flexión). • Esfuerzo tangencial (cortante): son esfuerzos perpendiculares al eje del elemento, que tienden a desplazar una porción delelemento respecto del otro.

Axial

Tangencial

Factores de incertidumbre
•
Corresponde al margen de error de cada diseño, su magnitud es proporcional a la cantidad de desconocimiento implícito. El “factor de seguridad” (FS) es el valor numérico de este factor de incertidumbre. Aplicado de maneras divergentes, conduce a dos términos diferentes:

– La expresión (1/FS)*Fy (donde: Fy =esfuerzo último o de fluencia), –
proporciona el esfuerzo permisible de trabajo La expresión FS*CT (donde: CT= Cargas de Trabajo), es el factor de carga, obteniéndose las cargas últimas (de falla o de colapso), que se utilizan con los esfuerzos últimos (Fy)

Tipos de análisis (1)
• “Analizar una estructura” significa encontrar los momentos y fuerzas inducidas por las cargas • “Analizar un miembro”significa encontrar los esfuerzos en un plano particular (generalmente perpendicular al eje centroidal). • Las características del material se encuentran con ensayos bien sea de tracción o de compresión axial o de carga de cortante, y se elaboran gráficos de esfuerzodeformación. Se encuentran entonces, tres tipos de análisis:
– Material elástico – lineal – Material elasto – plástico perfecto –Material no – lineal

Tipos de análisis (2)
Elástico Lineal
σ
σ

Elasto-plástico
σ

No-lineal

ε

ε

ε

Diagramas Esfuerzo-Deformación

Metodologías de diseño
Metodología de Diseño Factor de Incertidumbre Análisis Estructural Análisis del Miembro

1 2 3 1 1 2 1 2 3

Diseño por esfuerzos permisibles en acero Diseño por esfuerzos de trabajo (DET) en concreto armado Diseñoelástico en madera, concreto presforzado y metales Diseño por resistencia (DRU) en concreto armado y presforzado Diseño plástico en acero Teoría de las Líneas de Fluencia en concreto armado Análisis experimental y diseño de metales Algunas estructuras aeroespaciales Estudios experimentales en concreto Factor de Carga No-lineal No-lineal Factor de Carga Plástico Plástico Factor de Carga ElásticoPlástico Factor de seguridad Elástico Elástico

Conceptos Universales
• Existen cuatro conceptos universales que se utilizan para el análisis estructural:
– Esfuerzos en la sección transversal de un elemento:
σ=
P Mc ± A I

– Circulo de Mohr: relaciona los esfuerzos principales y el cortante – Centroides, momentos de inercia y módulos de sección – Expresión de la deformada de un elemento:
1 d2yM K= = 2 = R dx EI

Materiales
• La resistencia de los materiales a utilizar en la estructura, es esencial para inferir los esfuerzos y posibles deformaciones que describen el comportamiento de los miembros estructurales ante la acción de cargas • Los parámetros de la resistencia de los materiales se encuentran realizando diferentes tipos de ensayos sobre probetas fabricadas con el...