CSA S16: 19 Consideración de la estabilidad y nuevo anexo O.2

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La estabilidad estructural no es un fenómeno nuevo cuando se trata del diseño de acero. La norma canadiense de acero CSA S16 y su última versión 2019 no son una excepción. Los requisitos de estabilidad detallados se pueden tratar con el método de análisis de estabilidad simplificado en la sección 8.4.3 o, según la versión 2019, con los efectos de estabilidad en el método de análisis elástico en el anexo O.

La sección 8.4.1 [1] enumera los requisitos de estabilidad que el cálculo estructural debería cumplir con ambos métodos. Estos incluyen deformaciones que contribuyen a la estructura, efectos según la teoría de segundo orden incluyendo P-Δ y P-δ, imperfecciones globales así como imperfecciones geométricas de las barras, reducción de la rigidez, que tiene en cuenta la fluencia y tensiones residuales en las barras, y finalmente, los factores de incertidumbre respecto a la rigidez y resistencia de la estructura.

Sección 8.4.3 - Método de análisis de estabilidad simplificado

Con el método de análisis de estabilidad simplificado dado en 8.4.3 [1] , sólo se enumeran algunos requisitos.

No linealidades geométricas

El primero incluye los efectos de la barra de la teoría de segundo orden o P-Δ, que se pueden considerar directamente en el análisis. Actualmente, la mayoría de los programas de software de análisis estructural integran un método de cálculo según el análisis de segundo orden. La alternativa es aumentar todas las cargas en las barras y momentos flectores determinados a partir de un análisis según el análisis de primer orden con el factor U2 definido en 8.4.3.2 (b) [1]. Este enfoque es más adecuado para cálculos manuales o si el software de análisis estructural no considera automáticamente los efectos P-Δ.

Imperfecciones geométricas

El segundo punto son las cargas teóricas enumeradas bajo el método simplificado en la sección 8.4.3.3 [1] . La carga aplicada corresponde a 0.005 veces la carga gravitacional total en el piso considerado y se debe distribuir de manera similar a la carga gravitacional. Las cargas ficticias siempre se aplican en la dirección que produce 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 enfoque simplificado del análisis de estabilidad descrito anteriormente, se puede utilizar el anexo O.2 para cumplir los requisitos de estabilidad según la sección 8.4.1 [1]. Este enfoque se incluyó en la versión 2019 de la norma y tiene muchas similitudes con el manual de construcción en acero de EE.UU.AISC 360-16 cap. C Método de cálculo directo.

No linealidades geométricas

Las no linealidades geométricas o los efectos según la teoría de segundo orden se tratan en O.2.2 [1] . Al igual que el método simplificado, también es posible realizar directamente un cálculo según el análisis de segundo orden, que incluye los efectos de las cargas en los puntos de intersección desplazados de las barras (efectos P-Δ). Además, se deben considerar los efectos de las cargas longitudinales en la forma de la barra deformada a lo largo de la longitud (P-δ). En O.2.2 [1], hay determinaciones donde P-δ se puede omitir por completo. Sin embargo, si P -δ se incluye directamente en el cálculo, el factor U1 utilizado en la Sección 13.8 - Presión axial y cálculo de componentes estructurales sujetos a flexión [1] se puede establecer en 1,0.

Imperfecciones geométricas

Las imperfecciones geométricas de la barra tales como la curvatura de la barra o las imperfecciones geométricas locales tales como la curvatura de la barra no se tienen que considerar cuando se diseña según la Sección O.2 [1] . Sin embargo, las imperfecciones geométricas globales se deben considerar directamente al modelar o usar cargas ficticias. Sin embargo, existe la excepción de que estas imperfecciones geométricas globales sólo se pueden omitir para combinaciones de cargas laterales si cumplen los requisitos de la sección O.2.3.1 [1] . Los requisitos incluyen que las cargas de gravedad de la estructura sean absorbidas principalmente por los componentes verticales que soportan la carga y la relación entre el desplazamiento máximo del forjado según el segundo orden y el desplazamiento del forjado del primer orden con rigidez reducida de la barra según la sección O.2.4 [1] sin piso 1, excede 7.

Si no se pueden omitir estas imperfecciones, se puede utilizar el primer método de modelado directo. Los puntos de la sección de la barra se deben mover de sus posiciones originales. La magnitud de este desplazamiento inicial se da en la Sección 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 inclinación del pilar. El principal problema con este método es el gran número de escenarios del modelo a considerar. Teóricamente, se requieren cuatro desplazamientos en las cuatro direcciones diferentes en cada nivel de piso. Si los efectos de la curvatura de la barra se combinan con la inclinación del pilar, se agregan muchos más escenarios del modelo para lograr el mayor efecto desestabilizador.

El método alternativo y preferido para las imperfecciones geométricas globales es la aplicación de cargas teóricas. Este método solo está permitido si las cargas gravitacionales son absorbidas principalmente por elementos estructurales verticales. Las cargas ficticias ya se han discutido anteriormente y se aplican de forma análoga al análisis de estabilidad simplificado en la sección 8.4.3.2 [1] . Sin embargo, el tamaño del piso relevante se reduce de 0,005 veces a 0,002 veces la carga gravitacional proporcionada con los coeficientes. La reducción en el tamaño está permitida según la Sección O.2.3.3, ya que estas cargas ficticias sólo consideran imperfecciones geométricas globales, mientras que las cargas ficticias según la Sección 8.4.3.2 [1] también consideran los efectos de inelasticidad y otras incertidumbres.

Efectos de la inelástica

Para considerar los efectos de la inelasticidad y también las imperfecciones iniciales para las barras o las imperfecciones geométricas locales, así como las incertidumbres con respecto a la rigidez y resistencia, se debe aplicar una barra axial reducida y una rigidez a flexión para las barras según las siguientes ecuaciones en la Sección O.2.4 [ 1] , lo que contribuye a la estabilidad lateral.

(EA)r = 0,8 τb EA

(EI)r = 0,8 τb EI

Donde,

Cf/Cy <0,5; τb = 1,0

Cf/Cy > 0,5; τb = 4 Cf/Cy (1 - Cf/Cy )

Para evitar deformaciones locales, la norma sugiere aplicar esta reducción de rigidez a todas las barras. Además, se debe considerar una reducción de la rigidez si la rigidez a cortante (GA) y la rigidez a torsión (GJ) contribuyen significativamente a la estabilidad lateral. La reducción de la rigidez no se debe usar al analizar deformaciones, deformaciones, vibraciones o vibraciones naturales.

Aplicación del anexo O.2 en RFEM

El programa de elementos finitos RFEM ha implementado los últimos requisitos de estabilidad de la norma CSA S16: 19 según las nuevas disposiciones del anexo O.2.

No linealidades geométricas

Los efectos según el análisis de segundo orden según la sección O.2.2 [1] se tienen en cuenta directamente para cada caso de carga o cada combinación de carga si se establece "Segundo orden" como método de cálculo.

Para el análisis de la barra, no solo se consideran los efectos P-Delta, sino también P-δ. Por lo tanto, el factor U1 se puede establecer directamente en 1,0 en el módulo de cálculo RF-/STEEL CSA, como se especifica en la sección 13.8.

Imperfecciones geométricas

Opcionalmente, es posible modelar imperfecciones geométricas globales directamente moviendo puntos o nudos de puntos de segmentos de barras. Sin embargo, para que este método produzca el mayor efecto desestabilizador, se deben realizar varios modelos con diferentes escenarios. Esto es bastante lento y engorroso.

Un enfoque alternativo es aplicar cargas ficticias con las opciones de imperfección en RFEM. En el cuadro de diálogo correspondiente, se incluye CSA S16: 19 en las opciones desplegables. La carga teórica se aplica al extremo de la barra (es decir, la cabeza del pilar) con una magnitud igual a 0.002 (o 0.005 para el método de estabilidad simplificado) y se multiplica por el esfuerzo normal de la barra (esfuerzo cortante aplicado de la barra). En el extremo opuesto de la barra, se aplica la misma fuerza opuesta internamente para evitar un cortante poco realista en la parte inferior de la estructura.

Estos casos de carga de imperfección se pueden aplicar en RFEM con casos de carga lateral específicos para generar el mayor efecto desestabilizador y al mismo tiempo evitar la formación de combinaciones de carga que no son codeterminantes y solo extienden el tiempo de cálculo (es decir, cargas teóricas). en la dirección X solo se debe combinar con cargas de viento en la dirección X). Además, las imperfecciones para las reglas de combinación de cargas, como el estado límite de servicio, se pueden desactivar por completo, mientras aún se aplican a las combinaciones de resistencia.

Efectos de la inelástica

En "Modificar rigidez" ahora puede establecer la norma CSA S16: 19. Con esta opción, el factor de modificación 0,8 y el factor τb calculado se aplican directamente a la rigidez axial y a la flexión de la barra. Los usuarios también pueden aplicar estas reducciones a la rigidez a torsión y cortante de la barra.

Dado que no se debe tener en cuenta la reducción de la rigidez de la barra para el cálculo del estado límite de servicio (es decir, las deformaciones), todas las modificaciones de la rigidez de la barra para las combinaciones de carga de servicio se pueden desactivar en RFEM y permanecer activadas para las combinaciones de carga de resistencia.

Resumen

Las actualizaciones significativas en el cálculo de estabilidad según el anexo O.2 del último manual canadiense de cálculo de acero CSA S16: 19 ahora están completamente integradas en el proceso de análisis de RFEM. Sobre todo, estas actualizaciones incluyen la opción de considerar las cargas teóricas como imperfecciones, así como las rigideces reducidas de las barras según CSA S16: 19. Para ver las nuevas actualizaciones en un video de ejemplo detallado, mire el seminario web CSA S16: 19 Steel Design en RFEM (en inglés).

Autor

Amy Heilig, PE

Amy Heilig, PE

Directora ejecutiva de Dlubal Software, Inc. & Ingeniero de Ventas y Soporte Técnico

Amy Heilig es la directora ejecutiva de la oficina de Estados Unidos en Philadelphia, PA. Además, es responsable de ventas y soporte técnico y continúa apoyando el desarrollo de los programas de Dlubal para los mercados de EE. UU. Y Canadá.

Palabras clave

Acero Barra de acero CSA CSA S16 CSA S16:19 estabilidad Reducción de rigidez Cargas teóricas Imperfección P-Delta P-Δ

Referencia

[1]   CSA S16:19, Design of Steel Structures

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  • Actualizado 4. mayo 2021

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