La Cláusula 8.4.1 [1] enumera los requisitos de estabilidad que el diseño estructural debe abordar utilizando cualquiera de los métodos. Estos incluyen deformaciones que contribuyen a la estructura, efectos de segundo orden incluyendo P-Δ y P-δ, imperfecciones geométricas globales y de miembro, reducción de rigidez teniendo en cuenta la fluencia del miembro y las tensiones residuales, y finalmente, incertidumbre en la rigidez y resistencia de la estructura.
Cláusula 8.4.3 – Método Simplificado de Análisis de Estabilidad
Con el método simplificado de análisis de estabilidad dado en 8.4.3 [1], solo se enumeran un par de requisitos.
No Linealidades Geométricas
El primero incluye los efectos de segundo orden del miembro, o P-Δ, que pueden considerarse directamente en el análisis. Un método de cálculo de análisis de segundo orden es el más común en muchos programas de análisis estructural hoy en día. La alternativa es amplificar todas las cargas axiales de los miembros y los momentos de flexión obtenidos de un análisis de primer orden por el factor U2 definido en 8.4.3.2(b) [1]. Este enfoque puede ser más adecuado para cálculos manuales, o si el software de análisis estructural no incluye automáticamente los efectos P-Δ.
Imperfecciones Geométricas
Las cargas laterales nominales son el segundo elemento enumerado bajo el método simplificado en la Cláusula 8.4.3.3 [1]. Esta carga aplicada es igual a 0.005 veces la carga gravitatoria total ponderada en el piso considerado y debería distribuirse de manera similar a la carga gravitatoria. Las cargas nominales siempre se aplican en la dirección que genera el mayor efecto desestabilizador. Esto significa que tales cargas deberían aplicarse en la misma dirección que una carga de viento lateral para generar las mayores deformaciones y fuerzas internas en la estructura.
Anexo O.2 – Efectos de Estabilidad en Análisis Elástico
Como alternativa al enfoque simplificado de análisis de estabilidad mencionado anteriormente, los ingenieros pueden utilizar el Anexo O.2 para satisfacer los requisitos de estabilidad establecidos en la Cláusula 8.4.1 [1]. Este enfoque fue agregado al estándar de 2019 y tiene muchas similitudes con el manual de diseño de acero de EE. UU. AISC 360-16 Ch. C Método de Análisis Directo.
No Linealidades Geométricas
Las no linealidades geométricas, o efectos de segundo orden, se abordan en O.2.2 [1]. Al igual que el método simplificado, se puede llevar a cabo directamente un análisis de segundo orden, que incluye los efectos de las cargas actuando en los puntos desplazados de intersección de los miembros (efectos P-Δ). Además, deberían considerarse los efectos de las cargas axiales actuando sobre la forma deflectada del miembro a lo largo de la longitud (P-δ). Se ofrecen disposiciones en O.2.2 [1] donde P-δ puede ser ignorado por completo. Por otro lado, si P-δ se incluye directamente en el análisis, el factor U1 puede establecerse en 1.0 usado en la Cláusula 13.8 - Diseño de miembros de compresión axial y flexión [1].
Imperfecciones Geométricas
Las imperfecciones geométricas de los miembros, como desalineación de los miembros o imperfecciones geométricas locales como desalineación de elementos no necesitan considerarse al diseñar según la Cláusula O.2 [1]. Sin embargo, las imperfecciones geométricas globales deberían considerarse con modelado directo o con el uso de cargas laterales nominales. Hay una excepción, sin embargo, que estas imperfecciones geométricas globales pueden ignorarse para combinaciones de cargas laterales solo si cumplen los requisitos establecidos en la Cláusula O.2.3.1 [1]. Los requisitos incluyen que las cargas gravitatorias de la estructura se soportan principalmente por elementos estructurales verticales y que la relación entre el desplazamiento de piso de segundo orden máximo y el desplazamiento de piso de primer orden utilizando rigidez reducida de miembro según la Cláusula O.2.4 [1] no excede 1.7 en ningún nivel de piso.
Cuando el ingeniero no puede descartar estas imperfecciones, se puede utilizar el primer método de modelado directo. Los puntos de intersección del miembro deberían desplazarse de sus ubicaciones originales. La amplitud de este desplazamiento inicial se establece en la Cláusula 29.3 [1] y se aplica en la dirección de mayor desestabilización, que para la mayoría de las estructuras de edificios es una tolerancia de 1/500 para la desalineación de columnas. El problema significativo con este método es el alto número de escenarios de modelo que deben considerarse. Teóricamente, se necesitan cuatro desplazamientos en las cuatro direcciones diferentes a cada nivel de piso. Si los efectos de desalineación de miembro también se combinan con la desalineación de columnas, esto añade muchos más escenarios de modelado que deberán considerarse para lograr el mayor efecto desestabilizador.
El método alternativo y preferido para las imperfecciones geométricas globales es aplicar cargas laterales nominales. Este método solo está permitido cuando las cargas gravitatorias son principalmente soportadas por elementos estructurales verticales. Las cargas laterales nominales se trataron anteriormente en este artículo y se aplican de la misma manera que el análisis de estabilidad simplificado en la Cláusula 8.4.3.2 [1]. Sin embargo, la amplitud se reduce de 0.005 a 0.002 veces la carga gravitatoria ponderada en el piso relevante. La reducción en magnitud está permitida en la Cláusula O.2.3.3, ya que estas cargas nominales solo tienen en cuenta las imperfecciones geométricas globales, mientras que las cargas nominales en la Cláusula 8.4.3.2 [1] también tienen en cuenta los efectos de inelasticidad y otras incertidumbres.
Efectos de Inelasticidad
Para tener en cuenta los efectos de inelasticidad y para también dar consideración a las imperfecciones geométricas iniciales de miembro o local, así como a la incertidumbre en la rigidez y resistencia, la rigidez axial y flexural reducida de los miembros según las siguientes ecuaciones en la Cláusula O.2.4 [1] debería aplicarse a los miembros que contribuyen a la estabilidad lateral.
(E A)r = 0.8 τb E A (E I)r = 0.8 τb E I Donde, Cf / Cy < 0.5 ; τb = 1.0 Cf / Cy > 0.5 ; τb = 4 Cf / Cy (1 - Cf / Cy)
Para evitar distorsiones localizadas, la norma sugiere aplicar esta reducción de rigidez a todos los miembros. Además, cuando la rigidez al corte (GA) y la rigidez torsional (GJ) contribuyen significativamente a la estabilidad lateral, debería considerarse la reducción de rigidez. La reducción de rigidez no debería utilizarse cuando se analizan desplazamientos, deflexiones, vibraciones o vibraciones naturales.
Aplicación del Anexo O.2 en RFEM
El programa FEA RFEM ha incorporado los últimos requisitos de estabilidad del estándar CSA S16:19 según las nuevas disposiciones del Anexo O.2.
No Linealidades Geométricas
Los efectos de segundo orden establecidos en la Cláusula O.2.2 [1] se consideran directamente para cada caso de carga o combinación de cargas cuando el método de cálculo se establece en "análisis de segundo orden".
No solo se incluyen efectos P-Delta para el análisis de miembros, sino que P-δ también se consideran. Por lo tanto, el factor U1 puede establecerse en 1.0 especificado en la Cláusula 13.8 directamente en el módulo de diseño de miembros RF-/STEEL CSA.
Imperfecciones Geométricas
El usuario de RFEM tiene la opción de modelar directamente imperfecciones geométricas globales desplazando puntos o nodos de intersecciones de miembros. Sin embargo, para asegurar que este método crea el mayor efecto desestabilizador, se necesitarán múltiples modelos con varios escenarios. Esto es bastante lento y engorroso.
El enfoque alternativo es aplicar cargas nominales con las opciones de imperfección dentro de RFEM. Este cuadro de diálogo ahora incluye el CSA S16:19 en las opciones desplegables. La carga nominal se aplica al extremo del miembro (es decir, la parte superior de la columna) con una magnitud igual a 0.002 (o 0.005 si se utiliza el método simplificado de estabilidad) multiplicado por la fuerza axial del miembro (carga gravitatoria aplicada al miembro). Se aplica internamente una fuerza igual y opuesta al extremo opuesto del miembro para evitar cortantes base irreales de la estructura.
Estos casos de carga de imperfección pueden aplicarse en RFEM con casos de carga lateral específicos para producir la mayor acción desestabilizadora mientras se evita la generación de combinaciones de carga que no serán controladoras y aumentarán aún más el tiempo de cálculo (es decir, las cargas nominales en la dirección X solo deberían aplicarse con cargas de viento en la dirección X). Además, las imperfecciones pueden desactivarse por completo para expresiones de combinación de carga de servicio mientras se aplican a combinaciones de resistencia.
Efectos de Inelasticidad
La pestaña de modificar rigidez para los miembros ahora incluye el estándar CSA S16:19. Cuando esta opción está seleccionada, el factor de modificación 0.8 y el factor τb calculado se aplican directamente a la rigidez flexural y axial del miembro. Los usuarios también tienen la opción de aplicar aún más estas reducciones a la rigidez torsional y al corte del miembro.
Debido a que la reducción de la rigidez del miembro no debería considerarse para el diseño de servicio (es decir, deflexiones), RFEM permite a los usuarios desactivar todas las modificaciones de rigidez del miembro para combinaciones de carga de servicio mientras se mantiene activo para combinaciones de resistencia.
Resumen
Las importantes actualizaciones de diseño de estabilidad según el Anexo O.2 en el último manual de diseño de acero canadiense CSA S16:19 ahora están completamente incorporadas en el flujo de trabajo de análisis RFEM. Estas actualizaciones incluyen de manera más significativa la capacidad de considerar cargas nominales como imperfecciones, así como rigideces de miembros reducidas según el CSA S16:19. Para ver estas nuevas actualizaciones demostradas en un video de ejemplo detallado, consulte el seminario web Diseño de Acero CSA S16:19 en RFEM.
