Introducción a la Torsión en Ingeniería Civil

Torsion representa una de las acciones de carga fundamentales que los ingenieros civiles deben tener en cuenta al diseñar estructuras seguras y duraderas. Mientras que las fuerzas de curvatura y axial suelen recibir atención primaria, las cargas torsionales pueden afectar críticamente el rendimiento de las vigas, columnas, cubiertas de puentes y núcleos de construcción de alto nivel. Una comprensión completa de la torsión permite a los ingenieros predecir el comportamiento, calcular las tensiones de carga inducidas y seleccionar las secciones prácticas de la real.

¿Qué es la Torsión en Ingeniería Estructural?

La torsión ocurre cuando un miembro estructural es sometido a un momento (torque) que tiende a retorcerlo sobre su eje longitudinal. Esta acción retorcida genera tensiones de corte distribuidas a través de la sección transversal, junto con las correspondientes deformaciones angulares. En ingeniería civil, la torsión se produce comúnmente en situaciones en las que se aplican cargas eccentrísticamente, como un haz de nalgas que sostiene una placa de balcón, o cuando fuerzas laterales de construcción de los momentos de construcción de los marcos de viento o terremotos

  • Momento teórico (T): La fuerza de torsión aplicada, expresada típicamente en los nuevos metros (N·m) o kilopound-feet (kip-ft).
  • Momento de Polar de Inercia (J): Una propiedad geométrica que refleja la resistencia de una sección transversal a la torsión. Para un eje circular sólido, J = πr4/2].
  • ]Sátriz de la manguera (τ): El estrés interno se desarrolló debido a la torsión, calculada como τ = Tr/J, donde r es la distancia desde el centro hasta el punto de interés.

La relación de gobierno para la torsión pura en un miembro prismático es T = GJθ', donde G] es el módulo de corteza del material, J es la constante torsional (momento polar de la longitud de la inercia para secciones circulares) [LT]

Tipos de carga torsional

Las estructuras de ingeniería civil experimentan la torsión en dos formas primarias: ] la torsión del equilibrio] y ] la torsión de compatibilidad. El ejercicio entre ellas es crucial para el análisis y el diseño correctos.

Torsión de equilibrio

La torsión de equilibrio surge cuando el momento torsional es necesario para mantener el equilibrio estático de una estructura. Un ejemplo clásico es un haz de canopy acantilado que sostiene un techo sobrecogido; el haz debe resistir el momento de giro que resulta de la carga excéntrica. En tales casos, la demanda torsional se fija por las cargas aplicadas y la geometría, y el miembro debe ser diseñado para llevar ese pareco.

Torsión de compatibilidad

La torsión de compatibilidad se produce debido al requisito de compatibilidad de deformación entre los miembros conectados. En un marco de hormigón armado monolítico, por ejemplo, la torsión de un rayo de borde puede ser restringida por las columnas, pero los momentos torsionales pueden ser reducidos o redistribuidos como forma de grietas. Los códigos de construcción, como el ACI 318, a menudo permiten a los ingenieros ignorar la torsión de compatibilidad si el miembro no es crítico para la estabilidad general, siempre que sea adecuado.

Entender estas dos categorías ayuda a los ingenieros a decidir cuándo diseñar explícitamente la torsión y cuándo confiar en mecanismos secundarios como la redistribución de momentos o el detalle de refuerzo.

Analizar la Torsión en Beams y Shafts

El análisis de la torsión depende en gran medida de la forma transversal. Para secciones simples y sólidas, existen fórmulas de forma cerrada; para formas complejas, se utilizan métodos numéricos o aproximaciones basadas en código.

Secciones transversales circulares

Los ejes circulares son los más sencillos de analizar. La distribución del estrés de la corte es lineal desde cero en el centro hasta un máximo en la fibra exterior. Debido a que la sección transversal permanece plana y las líneas radiales permanecen rectas (principio de San Venant para secciones circulares), la teoría de la torsión elástica da resultados precisos.

Secciones no-colares (Rectangular, I-Beam, Box)

[LT] [FLT] [Límites de alta velocidad] [Límites de alta tensión] [Límites de alta tensión] [Límites de alta precisión] [Límites de baja duración] [Límites de baja duración] [Límites de baja duración] [Límites de baja duración]

Torsión de calentamiento

Cuando un miembro no circular se torna, las secciones de avión no permanecen planas, sino que se mantienen a prueba. Las restricciones a soportes o conexiones pueden prevenir estas deformaciones fuera de plano, induciendo la torsión de la urdimbre (también llamada torsión no uniforme). Esto genera tensiones normales y de lagar, que pueden ser significativas en secciones abiertas.

Consideraciones de diseño para la torsión en estructuras de hormigón reforzadas

Los miembros de hormigón reforzado en torsión requieren detallar específico para controlar el crack y asegurar el comportamiento dúctil. El hormigón tiene una baja resistencia a la tensión, por lo que las cargas torsionales causan cracking diagonal.

  • Proveer refuerzo torsional: Revolver cerrado (huletas) y barras longitudinales situados cerca del perímetro para resistir las fuerzas de tensión diagonal.
  • Controlar anchos de grieta: Limitar el momento torsional al par de grietas Tcr[ para evitar grietas excesivas de nivel de servicio, o diseñar comportamientos post-agrillamiento con suficiente refuerzo.
  • Verificar el factor de reducción de la fuerza: Códigos de construcción (ACI 318, Eurocode 2) prescribir factores de reducción de la fuerza para la torsión, a menudo inferiores a los de curvación, para tener en cuenta la naturaleza más frágil del fracaso torsional.

Por ejemplo, ACI 318-19 especifica que los efectos de la torsión pueden ser descuidados cuando el momento torsional factorizado es menor que el umbral φ(0.083 λ √fc' (Acp2 / Pcp)) ], donde Acp es el área encerrada por el perímetro

Comportamiento y Torsión de materiales

La respuesta de diferentes materiales a la torsión varía significativamente, influenciando las opciones de diseño.

Acero

El acero estructural exhibe una excelente ductilidad y puede tolerar una deformación torsional significativa antes del fracaso. Sin embargo, las secciones abiertas esbeltas (los canales I) son susceptibles a la bulbación lateral bajo flexión combinada y torsión. Los diseñadores suelen limitar las tensiones torsionales utilizando disposiciones en la Especificación AISC (Capítulo H). Para los ejes de acero y los miembros rotativos, la fatiga de torsión cicíclica debe considerarse

Concreto reforzado

Como se ha observado, la baja resistencia a la tensión del hormigón hace de la torsión un caso de diseño crítico. El hormigón armado puede mejorar la resistencia a la torsión pre-compresiva de la sección, retrasando la formación de grietas. Las clavijas de caja post-tensionado en puentes curvados son ejemplos comunes donde la torsión es un conductor de diseño primario.

Madera y Compositores

Los miembros de la madera en torsión son raros porque su naturaleza anisotrópica (la fuerza varía con la dirección del grano) los hace débiles en el revestimiento paralelo al grano. Los ingenieros generalmente evitan la torsión en las estructuras de madera detallando conexiones para evitar el torsión. Los compuestos de polímero reforzado con fibra (FRP) pueden ser adaptados para la torsión, pero la falta de ductilidad a menudo requiere mayores factores de seguridad.

Ejemplos de Torsión en Ingeniería Civil en el Mundo Real

Las cargas torsionales aparecen en innumerables estructuras; entenderlas es esencial para la seguridad y la servidumbre.

Puentes

Los puentes de acero curvado o de caja de hormigón experimentan una torsión significativa de cargas de vehículos y fuerzas centrífugas. La sección transversal cerrada de una caja de giro proporciona una excelente rigidez torsional, lo que hace la opción preferida para alineamientos curvados. Los puentes con soporte de cable también enfrentan torsión de las tensiones de cable asimétricas y viento, que requieren un diseño cuidadoso de la sección de cubierta y la conexión de pylon[LTnium dinámico.

Edificios de alto nivel

Los rascacielos sometidos a cargas sísmicas o eólicas pueden desarrollar una torsión significativa, especialmente si el edificio tiene un plan irregular (forma L, T-shape, núcleo asimétrico).La respuesta torsional amplifica si el centro de masa no se alinea con el centro de rigidez, causando que la estructura se retorzca sobre un eje vertical. Esta irregularidad torsional puede aumentar las fuerzas miembros y las exigencias de deriva.

Torres y chimeneas

Torres de alto nivel (telecomunicación, turbinas de viento) y chimeneas industriales deben resistir la torsión de las tensiones de tipo excéntrico, viento o cargas sísmicas. Las chimeneas de hormigón reforzado utilizan a menudo una sección hueca circular, que es altamente eficiente en la torsión debido a su forma cerrada y el momento polar de inercia.

Temas avanzados: Cubo y Dinámica Torsional

Más allá de la fuerza estática, la torsión puede gobernar la estabilidad y el rendimiento dinámico.

Boceto de trabajo de la tarde

En las vigas de acero, la brida de compresión puede enrollarse lateralmente mientras las vigas se torcen, un fenómeno conocido como el alforo lateral (LTB).Este modo de falla ocurre cuando la longitud no cegada supera un umbral, y la rigidez torsional del haz contribuye a su resistencia. AISC proporciona curvas LTB basadas en el módulo de sección del haz y constante torsional.

Vibración Torsional

Estructuras delgadas como puentes de pie y torres altas pueden exhibir vibraciones torsionales bajo cargas inducidas por el viento o por el hombre. El puente de las flechas Tacoma colapsó (1940) es un ejemplo conocido donde la oscilación torsional llevó a un fracaso estructural. El diseño moderno utiliza pruebas de túnel del viento y dinámicas de fluido computacional para predecir y mitigar tales efectos.

Disposiciones y normas del Código

Varios códigos internacionales proporcionan disposiciones detalladas para el diseño del torsional:

  • ACI 318 (USA): El capítulo 22 cubre la torsión en hormigón armado, incluyendo la torsión umbral, el equilibrio vs. la torsión de compatibilidad, y el detallar los estribos cerrados.
  • Eurocode 2 (Europe):] La sección 6.3 aborda el diseño de torsional utilizando una analogía de sección cerrada de paredes delgadas, con los requisitos de flujo de carga y refuerzo.
  • ASCE 7 (USA): Proporciona cargas mínimas de diseño para la torsión en edificios, incluyendo efectos accidentales de torsión para el diseño sísmico.
  • AISC 360 (USA): El Capítulo H especifica el diseño de la torsión en los miembros del acero, incluyendo los estados límite de rendimiento, adelgazamiento y fractura.

Los ingenieros siempre deben consultar el último código local de construcción, ya que las disposiciones evolucionan con las observaciones de investigación y campo.

Consejos prácticos para el diseño resistente a la torsión

Para gestionar eficazmente la torsión en proyectos de ingeniería civil, considere las siguientes directrices:

  1. Seleccione secciones transversales cerradas (váboras de caja, tubos circulares) donde sea posible para los miembros que llevan una torsión significativa. Ofrecen una rigidez torsional enormemente superior a las secciones abiertas.
  2. Cuando se utilizan secciones abiertas (I-beams, canales) proporcionan un sujetador lateral adecuado en puntos de aplicación de carga torsional y en soportes para prevenir el avionamiento y el abono.
  3. En hormigón armado, use aros cerrados (no abras) para el refuerzo torsional, y distribuya barras longitudinales alrededor del perímetro para controlar el crack diagonal.
  4. Para los planes de construcción irregulares, realizar un análisis dinámico 3D para capturar la torsión accidental y la amplificación torsional, especialmente en zonas de alta sismos.
  5. Revise la interacción entre la torsión y otras fuerzas (cambiar, oir, axial). Los códigos a menudo proporcionan ecuaciones de interacción, como la torsión combinada de ACI 318 y el diseño de la tijera.
  6. Considere la posibilidad de servicio: el giro excesivo puede romper particiones, puertas de mermelada o causar desalineamiento de sistemas mecánicos. Limite el ángulo del giro a valores aceptables (típicamente 1° a 2° para estructuras bajo cargas de servicio).

Conclusión

La torsión sigue siendo un aspecto crítico, a veces pasado por alto, de la capacidad estructural de carga en la ingeniería civil. Desde el giro de un simple rayo de nalgas hasta la compleja respuesta torsional de una torre de 100 pisos bajo viento, los ingenieros deben analizar y diseñar con precisión las exigencias torsionales para garantizar la seguridad, la capacidad de servicio y la durabilidad.