Estructuras de acero
En el post anterior referido a las estructuras de nudos rígidos, se ha hecho mucha referencia al dimensionamiento, fundamentado en el acero como material, aunque hay que aclarar que en las estructuras de nudos rígidos se pueden, y de hecho así sucede, utilizar tanto acero como hormigón armado u otros materiales resistentes, aunque para estructuras de tipo pórtico se utiliza más el acero.
Este apartado no pretende describir los tipos de acero que se utilizan en construcción ni sus características, simplemente realizar una referencia de su campo de aplicación más frecuente.
Las estructuras de acero suelen utilizar perfiles normalizados, como IPN, IPE, HEB, HEA, UPN, angulares de diferentes medidas, tubos, chapas, pletinas, etc, aconsejándose uno u otro tipo de perfil en función de las características del elemento estructural y del esfuerzo al que está sometido, como ejemplo, los perfiles H se utilizan para pilares aislados por soportar bien el pandeo en ambas direcciones del perfil y para vigas de forjados con estructura metálica por permitir menor canto, los IPE se utilizan frecuentemente en estructuras en forma de pórtico, por soportar de forma óptima la flexión en su dirección de trabajo, los angulares se utilizan mucho en estructuras triangulares, algunos perfiles conformados en frío tipo Z se utilizan para vigas de cubierta (correas) por su gran canto y por su forma, etc....
También es conocido el empleo de vigas de sección variable formadas a partir de uno de estos perfiles debidamente cortado por el alma, o las vigas aligeradas, para elementos estructurales (vigas) sometidos a cargas distribuidas con apoyos distantes.
Otro tipo de perfil de acero utilizado, son las vigas armadas, vigas formadas por un conjunto de chapas de acero debidamente unidas, su principal aplicación es en elementos en los que se pretende ajustar al máximo la necesidad de material para cada sección, y por otro, dar solución a aquellos elementos estructurales a los que los perfiles normalizados no resuelven por ejemplo en largos puentes, y otros tipos de estructuras.
Las estructuras de acero en comparación con las de hormigón armado que estudiaremos a continuación, presentan las siguientes ventajas y desventajas:
-Ventajas.- Rapidez de montaje (prefabricación), fiabílidad del material por el modo de fabricación, igual resistencia a la tracción y compresión lo que en perfiles simétricos facilita el cálculo del dimensionamiento, fiabilidad de la relación entre las hipótesis del cálculo y la ejecución material en obra, permite salvar grandes luces y diferentes formas por lo que prevalece en lugares donde se requiere espacios diáfanos,...
-Desventajas.- Precio, estabilidad al fuego, poca tolerancia dimensional por lo que en la ejecución material en taller se ha de ser muy preciso, posibilidad de alterar las propiedades del material por una mala ejecución en obra (temples locales, etc), dificultad para efectuar las uniones soldadas en obra (soldaduras a cierta altura y de cordón vertical),...
Cálculo de tensiones. Dimensionamiento de elementos
Como hemos dicho, una de las ventajas es la relativa facilidad para determinar la sección de perfil necesario, una vez conocido el esfuerzo al que está solicitado cada elemento, por ello a continuación se relacionan las comprobaciones básicas para los perfiles de acero, no obstante existen otras muchas que como se ha reflejado en la introducción son importantísimas, como el pandeo del alma en cargas puntuales y en vigas armadas, etc...
a. Tensión en piezas sometidas a cortadura. Dimensionamiento
La tensión provocada en una pieza sometida a un esfuerzo cortante, vale:
El criterio de dimensionamiento del elemento define una sección mínima que consiga que:
b. Tensión en piezas sometidas a tracción. Dimensionamiento.
La tensión provocada por el esfuerzo de tracción en una pieza vale:
Para dimensionar la pieza será suficiente conseguir que la tensión producida en la pieza no supere la admisible del material, para ello la sección transversal de la pieza ha de ser lo suficiente mente grande.
También se nos puede plantear la necesidad de que la deformación de la pieza no supere una cantidad, ello se estudia mediante la siguiente fórmula:
c Tensión en piezas sometidas a compresión. Dimensionamiento. Comprobación a pandeo.
El fallo de un elemento comprimido se produce:
-Por un fallo en la resistencia del material.
-Por el fenómeno del pandeo, que es una flexión lateral de la barra.
A los elementos comprimidos se les llama soportes, columnas y/o pilares.
A veces se confunde el fenómeno del pandeo con la flexión, ya que ambas provocan una deformación en un sentido perpendicular al eje de la barra. La diferencia más clara entre la flexión y el pandeo, es, además de la disposición de la carga respecto del eje de la barra, perpendicular o paralela al eje respectivamente, que la flexión provoca una deformación proporcional a la carga, por tanto esa deformación puede controlarse, en cambio en el pandeo, cuando este se inicia, se produce un desequilibrio que provoca una disminución de la resistencia de la barra, con lo cual en esa progresión, el elemento acaba por romperse.
Para el dimensionamiento de elementos comprimidos, se establece con carácter general, para diferentes materiales la fórmula de Euler, que establece que:
σcritica = Tensión critica
Pcritica= Valor de la carga crítica de Euler
A = sección de la barra
σproporcional= Tensión para la cual el material se deforma de manera proporcional a la carga.
A continuación vamos a determinar el valor de la carga crítica de Euler, siendo muy importante tener en cuenta que la siguiente fórmula sólo es válida cuando se cumple lo anterior, para lo cual hay que determinar antes a partir de que valores de esbeltez es válida la fórmula, si no se tiene en cuenta que la fórmula es válida sólo ha partir de esos valores de esbeltez, si se aplica puede darse lugar a errores graves.
E = módulo de elasticidad o módulo de Young.
I= Momento de inercia menor de la sección.
Lp Longitud de pandeo: Lp = β x longitud de la pieza
Valores de β:
Barra articulada-articulada: β = 1
Barra biempotrada: β = 0,5
Barra empotrada-articulada: β = 0,7
Barra en voladizo: β = 2
Otra forma de expresar la tensión crítica al pandeo es:
Por tanto, la formula sólo es válida a partir de los siguientes valores de esbeltez:
-Método de cálculo para soportes de acero:
Para el caso concreto de soportes realizados con acero se aplica la siguiente fórmula:
La comprobación a pandeo se establece para valores de esbeltez entre 20 y 200, significando esto que para valores menores de 20 es sólo necesario realizar la comprobación a resistencia del material y no de pandeo, y para los valores mayores de 200 no es válido ese tipo de perfil.
d. Tensión en piezas sometidas a flexión. Dimensionamiento.
Para piezas simétricas en el sentido de la carga, sometidas a flexión la tensión a la que se le
somete y la consiguiente comprobación es:
M = el valor del momento al que está sometida la sección
W= módulo resistente de la sección, que tiene como valor:
W = Momento de inercia/distancia de la fibra neutra a la fibra más lejana de la sección
Para el caso de piezas no simétricas, y para piezas de acero que tienen igual límite de resistencia a la tensión y a la compresión se aplican las siguientes fórmulas. Para ello hay que conocer dónde se encuentra la fibra neutra, conocer cual es la zona de la sección que está comprimida y cual es la zona traccionada:
Ycompresión = Distancia de la fibra neutra a la fibra más lejana de la zona comprimida.
I = Momento de inercia de la sección.
e. Tensión en piezas sometidas a flexión compuesta.
La tensión en piezas sometidas a una flexión compuesta es:
