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2023-05-04

Diseño de acero conformado en frío según AISI usando una sección personalizada en RFEM 6

A menudo, se requieren secciones personalizadas en el diseño de acero conformado en frío. En RFEM 6, la sección personalizada se puede crear utilizando una de las secciones de "Pared delgada" disponibles en la biblioteca. Para otras secciones que no cumplen con ninguna de las 14 formas conformadas en frío disponibles, las secciones se pueden crear e importar desde el programa independiente, RSECTION. Para obtener información general sobre el diseño de acero según la norma AISI en RFEM 6, consulte el artículo de la base de conocimientos que se proporciona al final de la página.

Ejemplo

El ejemplo III-14 del manual AISI [1] se usa para comparar los resultados obtenidos del modelo de RFEM. Dado que la sección no coincide con ninguna de las secciones de paredes delgadas, se utiliza RSECTION para crear la sección sigma personalizada. Al final de este artículo, se proporciona un seminario web que muestra cómo crear una forma personalizada en RSECTION.

El ejemplo presenta dos casos en los que la barra está completamente arriostrada a lo largo de su longitud (caso 1) y arriostrada a 66 pulgadas (caso 2). En este artículo sólo se examina el caso 2 que usa el método LRFD. Se selecciona el método de las bandas finitas (FSM) para calcular la resistencia a compresión disponible, Pa. Dos (2) barras con apoyo simple de 66 pulgadas de largo se modelan en RFEM usando una esquina redondeada y una esquina achaflanada (Imagen 03). La razón para usar una sección en línea recta (esquina achaflanada) se explica a continuación.

Resistencia a compresión

Las cargas críticas de pandeo elástico (Pcrl, Pcrd, Pcre) necesarias para determinar la resistencia a compresión disponible, Pa, se presentan a continuación.

Pcrl (local)

La carga de pandeo local elástica crítica del pilar, Pcrl igual a 34,4 kips se muestra bajo la comprobación de cálculo de pandeo global EE2701 y concuerda con lo que se muestra en el ejemplo de AISI. La curva total muestra un primer mínimo distinto donde Pcrl igual a 33,8 kips se obtiene tanto para las secciones de esquina redondeada como achaflanada (Imagen 04). La pequeña discrepancia entre los valores enumerados en la comprobación de diseño y el gráfico es despreciable.

Pcrd (distorsional)

La carga crítica de pandeo del pilar por distorsión elástica, Pcrd se muestra en la comprobación de cálculo EE2801. Para la sección con esquinas redondeadas (sección redondeada), Pcrd es igual a 14,9 kips. Se puede ver en la curva (total) de la firma que el segundo mínimo no es distinto. En tal caso, la curva de distorsión se usa para identificar la longitud apropiada a lo largo del eje horizontal. Desde allí, se proyecta la ubicación a la curva total para obtener el factor de carga crítica.
Las curvas individuales (local, distorsión, global) se pueden mostrar por separado del menú desplegable (imagen 05). Para las secciones personalizadas, puede llevar algún tiempo cargar el gráfico individual.

Los 14,9 kips a 89 pulgadas de longitud es el último mínimo relevante en el gráfico de distorsión. Las formas de pandeo más allá de esta longitud se clasifican como pandeo global. RFEM aplica un "factor geométrico" para caracterizar las formas de pandeo como globales o distorsionadas.

El manual de AISI declara: “El examen de la forma del modo para la barra a una longitud de 66 pulgadas muestra ambas traslaciones laterales asociadas con el pandeo por flexión (global) y el pandeo por distorsión; en consecuencia, la carga de pandeo elástico a esta longitud se usa para la comprobación del estado límite de pandeo por distorsión ”[1] . A 66 pulgadas de longitud, Pcrd es igual a 19,4 kips en la curva total.

Debido a la diferencia en la aproximación, el valor de RFEM de 14,9 kips en la longitud de 89 pulgadas es menor que los 19,4 kips en la longitud de 66 pulgadas que se enumeran en el ejemplo de AISI.

Sección en línea recta (esquina achaflanada)

Cuando se usa una sección redondeada (esquina redondeada), el solucionador de FSM divide las esquinas redondeadas en muchos segmentos pequeños. Al hacerlo, el cálculo puede ser conservador. Una opción para verificar el resultado es modelar la sección utilizando líneas rectas (esquinas achaflanadas). Para la sección en línea recta, Pcrd es igual a 17,7 kips. Este valor está más cerca de los 19,4 kips enumerados en el ejemplo de AISI (imagen 06).

Pcre (global)

La carga de pandeo elástica global (flexión, torsión, flexión-torsión), Pcre, se muestra en la comprobación de cálculo EE2701. Pcre es igual a 19,4 kips para la sección redondeada y 19,2 kips para la sección en línea recta. Estos valores se toman de la curva total en la longitud de 66 pulgadas. Como se puede ver en la imagen 07, la forma de pandeo en esta longitud contiene pandeo por flexión (global) y pandeo por distorsión.

El manual de AISI dice: “La línea de puntos superpuesta en la mitad derecha del gráfico representa el modo de pandeo global aislado de otros estados límite. La carga de pandeo elástico a esta longitud desde esta línea se usa para la comprobación del estado límite de pandeo global ”[1] . En consecuencia, Pcre es igual a 38,9 kips enumerados en el ejemplo de AISI se toma de la curva global individual (Imagen 08).

RFEM adopta el enfoque conservador de obtener Pcre de la curva total en lugar de la curva global. Los ingenieros pueden hacer su propio juicio para usar el valor más alto que se muestra en la curva global después de examinar las formas de pandeo en la longitud de 66 pulgadas. En RFEM, el valor de Pcre alternativo es igual a 44,3 kips en la curva global (en una proximidad del valor de 38,9 kips indicado en el ejemplo de AISI).

Resistencia a compresión nominal

La resistencia a compresión nominal se toma como el más pequeño de los valores según las siguientes secciones del AISI [2] :

  • Sección E2 - Fluencia y pandeo global
  • Sección E3 - Pandeo local que interactúa con la fluencia y el pandeo global
  • Sección E4 - Pandeo por distorsión

En RFEM, la sección E3 es el caso determinante con Pnl igual a 16,7 kips (imagen 09). En el manual de AISI, el pandeo por distorsión (sección E4) es el caso determinante con Pnl igual a 21,0 kips.

Tabla AISI B4.1-1 Límites de aplicabilidad

El factor de seguridad, Ω o factor de resistencia, Φ usado del capítulo E al H sólo es apropiado para secciones que cumplen con las limitaciones en la Tabla B4.1-1. Para todas las demás secciones que superen cualquiera de los límites, se aplican coeficientes de seguridad más altos o coeficientes de resistencia más bajos según el apartado A1.2 (C). En RFEM, esta limitación está marcada de forma predeterminada. El usuario tiene la opción de desactivar esta comprobación en la Configuración de resistencia (Imagen 10).

Las formas que se pueden comprobar en RFEM incluyen secciones en U, Z, angulares, I (doble C coincidiendo sus almas), secciones huecas rectangulares y redondas. Para todas las demás secciones generales/complejas, como la sección sigma utilizada en este ejemplo, se aplican automáticamente los factores más conservadores. Como resultado, Φc igual a 0,80 se muestra en las comprobaciones de diseño de RFEM (imagen 09).

El cálculo en el manual de AISI [1] muestra que la sección sigma realmente cumple con los límites de aplicabilidad y se puede usar Φc igual a 0,85.

Elementos rigidizados en compresión:

w/t = [8,00 - 2 (0,0451 + 0,0712)]/0,0451 = 172 ≤ 500 Cumple

Elemento rigidizado en los bordes en compresión:

b/t = [0,875 - 2 (0,0451 + 0,0712)]/0,0451 = 14,2 ≤ 160 Cumple

Elemento no rigidizado en compresión:

d/t = [0.500 - (0.0451 + 0.0712)]/0.0451 = 8.51 ≤ 60 Cumple

Radio de curvatura interior:

R/t = 0,0712/0,0451 = 1,58 ≤ 20 Cumple

Relación longitud/ancho del rigidizador de un solo borde:

do/bo = 0,500/0,875 = 0,571 ≤ 0,7 Cumple

Tipo de rigidizador de borde: Simple o complejo. Cumple

Número máximo de rigidizadores intermedios en w: nf = 1 ≤ 4 Cumple

Límite elástico nominal: Fy = 50 ksi ≤ 95 ksi Cumple

Conclusión

Se pueden crear secciones transversales personalizadas en RSECTION e importarlas en RFEM 6 para el diseño según AISI S100 o CSA S136. Al analizar una sección compleja, es importante examinar las formas de pandeo y la curva característica (total) para determinar si se debe realizar una evaluación adicional (es decir, usando la sección en línea recta). La sección en línea recta sin esquinas redondeadas a veces puede proporcionar una curva característica y resultados mejores.

En un caso donde el modo muestra tanto pandeo por flexión (global) como pandeo por distorsión, RFEM aplica un "factor geométrico" para caracterizar la forma de pandeo como un pandeo global o distorsional.

De forma predeterminada, RFEM comprueba los límites de aplicabilidad de la tabla B4.1-1 y aplica los factores más conservadores para secciones generales/complejas sin límites aplicables.


Autor

Cisca es responsable del soporte técnico al cliente y el desarrollo continuo de los programas para el mercado norteamericano.

Enlaces
Referencias
  1. AISI D100-17, Manual de cálculo de acero conformado en frío. (2017). Instituto Americano del Hierro y el Acero.
  2. AISI S100-16 (2020) w/S2-20, North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members (4ª edición). (2020). Instituto Americano del Hierro y el Acero.
  3. AISI S100-16-C (2020) w/S2-20, Commentary on the North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members (4ª edición). (2020). Instituto Americano del Hierro y el Acero.