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001622

Dipl.-Ing. (BA) Sandy Matula

26-02-2020

Análisis de estabilidad de un pilar bajo una fuerza axil y flexión

A continuación, se diseñará un pilar articulado con una fuerza axil actuando centralmente y una carga lineal que actúa sobre el eje fuerte mediante el módulo adicional RF-/STEEL EC3 según EN 1993-1-1.

Los supuestos del sistema, las cargas, los esfuerzos internos y el diseño de la sección ya se han explicado en un artículo anterior y, por tanto, no se tratan de nuevo.

Kb | Cálculo de la sección de un pilar expuesto a un esfuerzo axil y a flexión

Sistema estructural

Cálculo sometido a esfuerzo axil y momento flector según EN 1993-1-1, 6.3.3 [1]

Los elementos sometidos a flexión y compresión generalmente deben cumplir los requisitos siguientes.

Diseño de pandeo por flexión:

\frac{N_{Ed}}{\frac{χ_{z} \cdot N_{Rk}}{γ_{M 1}}} k_{zy} \cdot \frac{M_{y, Ed}}{χ_{LT} \cdot \frac{M_{y, Rk}}{γ_{M 1}}} \leq 1

Cálculo de pandeo por flexión

Diseño de pandeo lateral:

\frac{N_{Ed}}{\frac{χ_{y} \cdot N_{Rk}}{γ_{M 1}}} k_{yy} \cdot \frac{M_{y, Ed}}{χ_{LT} \cdot \frac{M_{y, Rk}}{γ_{M 1}}} \leq 1

Diseño de pandeo lateral

Diseño de pandeo por flexión sobre el eje menor

\frac{N_{Ed}}{\frac{χ_{z} \cdot N_{Rk}}{γ_{M 1}}} k_{zy} \cdot \frac{M_{y, Ed}}{χ_{LT} \cdot \frac{M_{y, Rk}}{γ_{M 1}}} \leq 1

Cálculo de pandeo por flexión

La longitud de pandeo del pilar articulado es L_cr = 6,50 m.

Según EN 1993-1-1, 6.3.1.2:

χ = \frac{1}{ϕ \sqrt{ϕ^{2} - {\bar{λ}}^{2}}} \leq 1

ϕ = 0.5 \cdot [1 α \cdot (\bar{λ} - 0.2) {\bar{λ}}^{2}]

{\bar{λ}}_{z} = \sqrt{\frac{A \cdot f_{y}}{N_{cr, z}}}

N_{cr, z} = \frac{π^{2} \cdot E \cdot I_{z}}{l^{2}} = \frac{π^{2} \cdot 21000 kN / {cm}^{2} \cdot 10140 {cm}^{4}}{{(650 cm)}^{2}} = 4974.28 kN

{\bar{λ}}_{z} = \sqrt{\frac{180.6 {cm}^{2} \cdot 23.5 kN / {cm}^{2}}{4974.28 kN}} = 0.924

Cálculo según EN 1993-1-1, 6.3.1.2

Selección de la curva de pandeo según la tabla 6.2:

\frac{h}{b} = \frac{360 mm}{300 mm} = 1.2 \leq 1.2

t_{f} = 22.5 mm \leq 100 mm

Selección de la curva de pandeo según la tabla 6.2

Inestabilidad perpendicular al eje z: Curva de tensión de pandeo BSC_z: c

La tabla 6.1 muestra el coeficiente de imperfección α = 0,49.

ϕ = 0.5 \cdot [1 0.49 \cdot (0.924 - 0.2) 0 . 924^{2}] = 1.104

χ_{z} = \frac{1}{1.104 \sqrt{1 . 104^{2} - 0 . 924^{2}}} = 0.585 \leq 1.0

Cálculo para la comprobación de diseño

Para secciones I, H y secciones rectangulares huecas que solo están sujetas a compresión y flexión, se puede suponer el coeficiente k_zy = 0.

Esto da como resultado el diseño como sigue:

\frac{N_{Ed}}{\frac{χ_{z} \cdot N_{Rk}}{γ_{M 1}}} \leq 1

N_{Rk} = A \cdot f_{y} = 180.60 {cm}^{2} \cdot 23.5 \frac{kN}{{cm}^{2}} = 4244.1 kN

\frac{2000 kN}{\frac{0.585 \cdot 4244.1 kN}{1}} = 0.81 \leq 1

Diseño con el resultado

→ El diseño se cumple.

Diseño de pandeo lateral

La longitud de pandeo del pilar articulado es L_cr = 6,50 m.

Según EN 1993-1-1, 6.3.1.2:

χ = \frac{1}{ϕ \sqrt{ϕ^{2} - {\bar{λ}}^{2}}} \leq 1

ϕ = 0.5 \cdot [1 α \cdot (\bar{λ} - 0.2) {\bar{λ}}^{2}]

{\bar{λ}}_{z} = \sqrt{\frac{A \cdot f_{y}}{N_{cr, y}}}

N_{cr, y} = \frac{π^{2} \cdot E \cdot I_{y}}{l^{2}} = \frac{π^{2} \cdot 21000 kN / {cm}^{2} \cdot 43190 {cm}^{4}}{{(650 cm)}^{2}} = 21187.3 kN

{\bar{λ}}_{z} = \sqrt{\frac{180.6 {cm}^{2} \cdot 23.5 kN / {cm}^{2}}{21187.3 kN}} = 0.924

Cálculo de pandeo lateral según según EN 1993-1-1, 6.3.1.2

Longitud de pandeo según la tabla 6.2:

\frac{h}{b} = \frac{360 mm}{300 mm} = 1.2 \leq 1.2

t_{f} = 22.5 mm \leq 100 mm

Selección de la curva de pandeo según la tabla 6.2

Inestabilidad perpendicular al eje y: Curva de tensión de pandeo BSC_z: b
La tabla 6.1 muestra el coeficiente de imperfección α = 0,34.

ϕ = 0.5 \cdot [1 0.34 \cdot (0.448 - 0.2) 0 . 448^{2}] = 0.642

χ_{y} = \frac{1}{0.642 \sqrt{0 . 642^{2} - 0 . 448^{2}}} = 0.907 \leq 1.0

Cálculo del análisis de pandeo lateral

Coeficiente de interacción según el anexo B, tabla B1:

k_{yy} = C_{my} \cdot (1 ({\bar{λ}}_{y} - 0.2) \cdot \frac{N_{Ed}}{χ_{y} \cdot \frac{N_{Rk}}{γ_{M 1}}}) \leq C_{my} \cdot (1 0.8 \cdot \frac{N_{Ed}}{χ_{y} \cdot \frac{N_{Rk}}{γ_{M 1}}})

Coeficiente de interacción según el anexo B, tabla B1

Factor de momento equivalente C_my según la tabla B.3:

α_{h} = \frac{M_{h}}{M_{s}} = \frac{0.00 kNm}{79.22 kNm} = 0

C_{my} = 0.95 + 0.05 \cdot α_{h} = 0.95

{\bar{λ}}_{y} = 0.448

N_{Rk} = A \cdot f_{y} = 180.60 {cm}^{2} \cdot 23.5 \frac{kN}{{cm}^{2}} = 4244.1 kN

k_{yy} = 0.95 \cdot (1 (0.448 - 0.2) \cdot \frac{2000 kN}{0.907 \cdot \frac{4244.10 kN}{1.0}}) = 1.07

k_{yy, \max} = 0.95 \cdot (1 0.8 \cdot \frac{2000 kN}{0.907 \cdot \frac{4244.10 kN}{1.0}}) = 1.34

1.07 < 1.34

Coeficiente del momento equivalente

Según EN 1993-1-1, 6.3.2.3:

χ_{LT} = \frac{1}{ϕ_{LT} \sqrt{ϕ_{LT}^{2} - β \cdot {\bar{λ}}_{LT}^{2}}}

ϕ_{LT} = 0.5 \cdot [1 α_{LT} \cdot ({\bar{λ}}_{LT} - {\bar{λ}}_{LT 0}) β \cdot {\bar{λ}}_{LT}^{2}]

Cálculo según EN 1993-1-1, 6.3.2.3

Según EN 1993-1-1, tabla 6.5:

\frac{h}{b} = \frac{360 mm}{300 mm} = 1.20 < 2

Cálculo según EN 1993-1-1, tabla 6.5

→ Curva de pandeo lateral BC_LT : b

Según EN 1993-1-1, tabla 6.3:

α_{LT} = 0.34

β = 0.75

λ_{LT 0} = 0.40

M_{cr} = C_{1} \cdot \frac{π^{2} \cdot E \cdot I_{z}}{{(k \cdot L)}^{2}} \cdot (\sqrt{{(\frac{k}{k_{W}})}^{2} \cdot \frac{I_{W}}{I_{z}} + \frac{{(k \cdot L)}^{2} \cdot G \cdot I_{t}}{π^{2} \cdot E \cdot I_{z}} + {(C_{2} \cdot z_{g})}^{2}} - C_{2} \cdot z_{g})

k = 1.0

k_{w} = 1.0

Cálculo según EN 1993-1-1, tabla 6.3

C₁ y C₂ de la tabla 3.2 NCCI: Momento elástico crítico de pandeo lateral [5] (documentos adicionales compatibles con el Eurocódigo 3):
C₁ = 1,127
C₂ = 0,454

Distancia del punto de aplicación de la carga al centro de cortante z_g = 18 cm.

M_{cr} = 1.127 \cdot \frac{π^{2} \cdot 21000 \frac{kN}{{cm}^{2}} \cdot 10140 {cm}^{4}}{{(1 \cdot 650 cm)}^{2}} \cdot (\sqrt{{(\frac{1}{1})}^{2} \cdot \frac{2883000 {cm}^{6}}{10140 {cm}^{4}} + \frac{{(1.0 \cdot 650 cm)}^{2} \cdot 8076.92 \frac{kN}{{cm}^{2}} \cdot 292.5 {cm}^{4}}{π^{2} \cdot 21000 \frac{kN}{{cm}^{2}} \cdot 10140 {cm}^{4}} + {(0.454 \cdot 18 cm)}^{2}} - 0.454 \cdot 18 cm)

M_{cr} = 115310 kNcm = 1153.10 kNm

{\bar{λ}}_{LT} = \sqrt{\frac{W_{pl, y} \cdot f_{y}}{M_{cr}}} = \sqrt{\frac{2683 {cm}^{3} \cdot 23.5 \frac{kN}{{cm}^{2}}}{115310 kNcm}} = 0.739

ϕ_{LT} = 0.5 \cdot [1 0.34 \cdot (0.739 - 0.4) 0.75 \cdot 0 . 739^{2}] = 0.762

χ_{LT} = \frac{1}{0.762 \sqrt{0 . 762^{2} - 0.75 \cdot 0 . 739^{2}}} = 0.85 < 1

Calcular la comprobación de diseño

Según EN 1993-1-1, tabla 6.7:

M_{y, Rk} = f_{y} \cdot W_{pl, y} = 23.5 \frac{kN}{{cm}^{2}} \cdot 2683 {cm}^{3} = 63050.5 kNcm = 630.51 kNm

Cálculo de My,Rk

Diseño de pandeo sobre el eje mayor:

\frac{N_{Ed}}{\frac{χ_{y} \cdot N_{Rk}}{γ_{M 1}}} k_{yy} \cdot \frac{M_{y, Ed}}{χ_{LT} \cdot \frac{M_{y, Rk}}{γ_{M 1}}} \leq 1

\frac{2000 kN}{\frac{0.907 \cdot 4244.10 kN}{1.0}} 1.072 \cdot \frac{79.22 kNm}{0.85 \cdot \frac{630.51 kNm}{1.0}} = 0.67 \leq 1

Cálculo de pandeo respecto al eje mayor

Diseño de pandeo sobre el eje menor:

\frac{N_{Ed}}{\frac{χ_{z} \cdot N_{Rk}}{γ_{M 1}}} k_{zy} \cdot \frac{M_{y, Ed}}{χ_{LT} \cdot \frac{M_{y, Rk}}{γ_{M 1}}} \leq 1

\frac{2000 kN}{\frac{0.585 \cdot 4244.10 kN}{1.0}} 0.894 \cdot \frac{79.22 kNm}{0.85 \cdot \frac{630.51 kNm}{1.0}} = 0.93 \leq 1

Cálculo de pandeo alrededor del eje menor

→ Se cumplen las verificaciones.

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KB 001622 | Análisis de estabilidad de un pilar bajo una fuerza axil y flexión

Autor

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Enlaces

Software de análisis para estructuras de acero

Referencias

Eurocódigo 3: Cálculo de estructuras de acero, parte 1‑1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2010
Software de Dlubal. (2020). El manual RF-/STEEL EC3. Tiefenbach: Dlubal Software, febrero de 2016.
Albert, A. Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 23. edición. Colonia: Bundesanzeiger, 2018
Kuhlmann, U.; Feldmann, M.; Lindner, J.; Müller, C.; Stroetmann, R.: Eurocódigo 3. Diseño y construcción de estructuras de acero. Volumen 1: Reglas generales y edificios de gran altura - DIN EN 1993-1-1 con apéndice nacional, comentario y ejemplos. Berlín: Beuth, 2014
Bureau, A. NCCI: Elastisches kritisches Biegedrillknickmoment. Aachen: RWTH, 2010

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