CSA S16: 19 Consideraciones de estabilidad y el nuevo anexo O.2

La estabilidad de la estructura no es un fenómeno nuevo cuando se refiere al diseño del acero. La norma canadiense de diseño de acero CSA S16 y la versión más reciente de 2019 no son una excepción. Los requisitos de estabilidad detallados se pueden abordar con el método de análisis de estabilidad simplificado del apartado 8.4.3 o, como novedad en la norma de 2019, el método de efectos de estabilidad en el análisis elástico que se proporciona en el anexo O Consulte [1] .

La cláusula 8.4.1 Refer [1] enumera los requisitos de estabilidad que el diseño estructural debería abordar usando cualquier método. Estos incluyen deformaciones que contribuyen a la estructura, efectos de segundo orden que incluyen P-Δ y P-δ, imperfecciones geométricas globales y de la barra, reducción de la rigidez que considera la fluencia de la barra y las tensiones residuales y, por último, la incertidumbre en la rigidez y resistencia de la estructura.

Cláusula 8.4.3 - Método de análisis de estabilidad simplificado

Con el método de análisis de estabilidad simplificado que se proporciona en 8.4.3 Refer [1] , solo se enumeran un par de requisitos.

No linealidades geométricas

El primero incluye los efectos de segundo orden de la barra, o P-Δ, que se pueden considerar directamente en el análisis. Un método de cálculo de análisis de segundo orden es el más común en muchos programas de software de análisis estructural en la actualidad. La alternativa es amplificar todas las cargas axiles y momentos flectores obtenidos de un análisis de primer orden por el factor U2 definido en 8.4.3.2 (b) Consulte [1] . Este enfoque puede ser más adecuado para cálculos manuales o si el software de análisis estructural no incluye los efectos P-Δ automáticamente.

Imperfecciones geométricas

Las cargas laterales teóricas son el segundo elemento enumerado bajo el método simplificado en el apartado 8.4.3.3 Consulte [1] . Esta carga aplicada es igual a 0.005 veces la carga de gravedad factorizada total en el piso considerado y se debe distribuir de manera similar a la carga de gravedad. Las cargas teóricas se aplican siempre en la dirección que genera el mayor efecto desestabilizador. Esto significa que tales cargas se deben aplicar en la misma dirección que una carga de viento lateral para generar las mayores deformaciones y esfuerzos internos en la estructura.

Anexo O.2 - Efectos de la estabilidad en el análisis elástico

Como alternativa al método de análisis de estabilidad simplificado anterior, los ingenieros pueden utilizar el anexo O.2 para satisfacer los requisitos de estabilidad establecidos en la cláusula 8.4.1 Consulte [1] . Este enfoque se agregó a la norma 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 tratan en O.2.2 Refer [1] . Al igual que el método simplificado, se puede realizar un análisis de segundo orden directamente que incluye los efectos de las cargas que actúan en los puntos de intersección desplazados de las barras (efectos P-Δ). Además, se deben considerar los efectos de las cargas axiles que actúan sobre la forma de la barra flexionada a lo largo de la longitud (P-δ). Hay disposiciones en O.2.2 Refer [1] donde P-δ se puede omitir por completo. Por otro lado, si P-δ se incluye directamente en el análisis, el factor U1 se puede establecer en 1.0 como se usa en el apartado 13.8 - Compresión axial y cálculo de la barra a flexión Consulte [1] .

Imperfecciones geométricas

Las imperfecciones geométricas de la barra, como el desfase de la barra o las imperfecciones geométricas locales, como el desfase de los elementos de las barras, no se deben considerar al diseñar según la Cláusula O.2 [[ # Consulte [1] {%\}. Sin embargo, las imperfecciones geométricas globales se deben considerar con modelado directo o con el uso de cargas laterales teóricas. Sin embargo, existe la excepción de que estas imperfecciones geométricas globales se pueden omitir para combinaciones de cargas laterales solo si cumplen los requisitos establecidos en el apartado O.2.3.1 Consulte [1] . Los requisitos incluyen que las cargas de gravedad de la estructura se soportan principalmente por elementos estructurales verticales y la relación entre la deriva máxima del piso de segundo orden y la deriva del piso de primer orden usando la rigidez de la barra reducida de acuerdo con la Cláusula O.2.4 [[ # Consulte [1] {%\} no supera 1,7 en ningún nivel de historia.

Cuando el ingeniero no puede descuidar estas imperfecciones, se puede usar el primer método de modelado directo. Los puntos de intersección de las barras se deben desplazar de sus ubicaciones originales. La amplitud de este desplazamiento inicial se establece en la cláusula 29.3 Refer [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 el pilar fuera de- aplomo. El problema importante con este método es el gran número de escenarios del modelo que se deben considerar. Teóricamente, se necesitan cuatro desplazamientos en las cuatro direcciones diferentes en cada nivel de la planta. Si los efectos de falta de rectitud de la barra también se combinan con la falta de plomada del pilar, esto agrega muchos más escenarios de modelado a considerar para cumplir con el mayor efecto desestabilizador.

El método alternativo y preferido para las imperfecciones geométricas globales es aplicar cargas laterales teóricas. Este método sólo está permitido cuando las cargas gravitatorias están soportadas principalmente por elementos estructurales verticales. Las cargas laterales teóricas se trataron anteriormente en este artículo y se aplican de la misma manera que el análisis de estabilidad simplificado en el apartado 8.4.3.2 Consulte [1] . Sin embargo, la amplitud se reduce de 0,005 a 0,002 veces la carga de gravedad factorizada en el piso relevante. La reducción de magnitud está permitida en el apartado O.2.3.3 ya que estas cargas teóricas sólo tienen en cuenta las imperfecciones geométricas globales, mientras que las cargas teóricas del apartado 8.4.3.2 Refer [1] también tienen en cuenta la inelasticidad efectos y otras incertidumbres.

Efectos de la inlasticidad

Para tener en cuenta los efectos de inelasticidad y también considerar las imperfecciones geométricas locales o de la barra inicial, así como la incertidumbre en la rigidez y resistencia, se reduce la rigidez axial y a la flexión de la barra de acuerdo con las siguientes ecuaciones en el apartado O.2.4 Consulte [1 ] se debe aplicar a las barras que contribuyen a la estabilidad lateral.

• EA_r = 0,8τ_b EA

• EI_r = 0,8τ_b EI

Donde,

• C_f/C_y <0,5; τ_b = 1,0
• C_f/C_y > 0,5; τ_b = 4C_f/C_y (1-C_f/C_y )

Para evitar distorsiones localizadas, la norma sugiere aplicar esta reducción de rigidez a todas las barras. Además, cuando la rigidez a cortante (GA) y la rigidez a torsión (GJ) contribuyen significativamente a la estabilidad lateral, se debe considerar la reducción de la rigidez. No se debe usar la reducción de rigidez al analizar derivas, deflexiones, vibraciones o vibraciones naturales.

Anexo O.2 Aplicación en RFEM 6

El programa FEA de nueva generación RFEM 6 incorpora los últimos requisitos de estabilidad de la norma CSA S16: 19 según las disposiciones del anexo O.2.

No linealidades geométricas

Los efectos de segundo orden establecidos en la cláusula O.2.2 Refer [1] se consideran directamente cuando el método de cálculo del análisis estático se establece en "Segundo orden (P-Δ)". Esto se puede aplicar dentro de las opciones del asistente de combinación de situaciones de diseño. A su vez, todas las combinaciones de carga bajo la Situación de proyecto también se establecerán automáticamente en un análisis de segundo orden. El usuario tiene la opción de modificar individualmente la configuración del análisis estático de una combinación de carga si lo prefiere.

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  Configuración del análisis estático

No sólo se incluyen los efectos P-Δ para el análisis de la barra, sino que P-δ también se consideran automáticamente. Para obtener más información sobre este tema y la verificación en RFEM 6, consulte Knowledge Base 1759 .

Por lo tanto, el factor U1 se puede establecer en 1.0 especificado en el capítulo 13.8 para el cálculo de la barra de acero. Esta opción se encuentra en Complemento de diseño de acero - Configuraciones últimas - Estabilidad - Parámetros de diseño.

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  Parámetros de cálculo

Imperfecciones geométricas

El usuario de RFEM 6 tiene la opción de modelar directamente las imperfecciones geométricas globales desplazando puntos o nodos de intersecciones de barras. Sin embargo, para garantizar que este método cree el mayor efecto desestabilizador, será necesario llevar a cabo múltiples modelos con varios escenarios. Esto lleva mucho tiempo y es engorroso.

El enfoque alternativo es aplicar cargas teóricas con las opciones de imperfección proporcionadas en RFEM 6. Para comenzar, primero se deben definir los Casos de imperfección con el tipo de imperfección establecido en "Imperfecciones locales" en la pestaña Principal. Por lo general, estos incluyen casos en las direcciones ortogonales X e Y dependiendo de la aplicación de cargas laterales como el viento y los sismos. El caso de imperfección se puede correlacionar en la pestaña Asignación con los casos de carga específicos para producir el mayor efecto desestabilizador (p. Ej., Las cargas teóricas en la dirección + X solo se deben aplicar con cargas de viento en la dirección + X).

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  Casos de imperfección

Después de generar los casos de imperfección, se pueden definir las imperfecciones de la barra. El cuadro de diálogo Imperfecciones de barra incluye CSA S16: 19 en las opciones desplegables. La carga teórica se aplica al extremo de la barra (es decir, la parte superior del pilar) con una magnitud igual a 0.002 (o 0.005 si se usa el método de estabilidad simplificado) multiplicado por la fuerza axial de la barra (carga de gravedad aplicada en la barra). Se aplica internamente una fuerza igual y opuesta en el extremo opuesto de la barra para evitar cortantes poco realistas de la base. La definición de imperfección se aplica a los ejes locales de las barras en la misma dirección que la carga lateral aplicada, como viento o sismo. La definición se aplica además a todas las barras verticales en el modelo.

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  Imperfecciones de barras

Después de aplicar las imperfecciones al modelo, la Situación de cálculo se establece de forma predeterminada para considerar las imperfecciones para todas las combinaciones de carga. Las imperfecciones se deben aplicar a las situaciones de diseño últimas pero se deben desactivar para las situaciones de diseño de servicio. Esto se puede establecer creando un nuevo tipo de definición del Asistente de combinación, desactivando las opciones de consideración de imperfecciones y aplicándose sólo a las situaciones de diseño de capacidad de servicio.

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  asistente para combinaciones

Efectos de la inlasticidad

Las reducciones de rigidez se aplican a la situación de cálculo última sólo una vez más mediante las opciones de definición del Asistente de combinaciones y la casilla de verificación "Considerar la modificación de la estructura". Se puede crear una nueva definición de modificación de estructura. La casilla de verificación "Barras" se selecciona en la pestaña Principal - Materiales y secciones. Esto abre una nueva pestaña de barras donde la definición de la modificación de rigidez de la barra se define según el CSA S1-19 O.2.4 | Estructuras de acero. Este tipo de definición permite al programa calcular el factor de reducción de τ_b automáticamente o se puede establecer un valor generalizado de 1.0 para todas las barras. Además, el factor de 0,8 se puede aplicar a los diversos tipos de rigidez de las barras. El usuario puede determinar si el factor τ_b y 0,8 se deben aplicar sólo a la rigidez axial y a la flexión de la barra o si también se debe considerar la rigidez a cortante y torsión. Una vez introducidas las propiedades de modificación de rigidez, se puede aplicar la definición a barras específicas o se puede establecer el término "Todo" para que se aplique a todas las barras en el modelo.

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  Reducciones de rigidez

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  Modificación de la rigidez de la barra

Debido a que la reducción de la rigidez de la barra no se debe considerar para el diseño de la capacidad de servicio (p. Ej., Comprobaciones de la flecha), la casilla de verificación "Considerar la modificación de la estructura" debe permanecer sin marcar para la definición del asistente de combinación de situaciones de diseño de la capacidad de servicio.

Después de estas modificaciones, todas las combinaciones de carga factorizadas incluirán la reducción de la rigidez de la modificación de la estructura, mientras que todas las combinaciones de carga no factorizada utilizarán la rigidez total de la barra.

Resumen

Los requisitos de cálculo de estabilidad significativos según el anexo O.2 del manual de cálculo de acero canadiense CSA S16: 19 están completamente incorporados en el flujo de trabajo de análisis de RFEM 6. En particular, estos requisitos incluyen un análisis de segundo orden, la capacidad de considerar las cargas teóricas como imperfecciones, así como también una rigidez reducida de las barras. Para ver la demostración de este tema en un vídeo de ejemplo detallado, consulte el seminario web CSA S16: 19 Steel Design en RFEM 6 .



Modelo en 3D

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Modelo | Estructura de acero del pasillo | CSA S16:19