Caso de referencia - Perfiles de inercia variable
Introducción
El uso de perfiles de inercia variable en naves de gran envergadura se está haciendo cada vez más habitual en la práctica. Esta solución permite salvar grandes luces, disminuyendo la cantidad de material y por lo tanto ahorrando costes y optimizando el peso de la estructura.
Evidentemente, el proceso de optimización de la estructura, mediante la reducción de los perfiles de las columnas y vigas, debe hacerse con sumo cuidado. Ya que, al hacer los elementos más esbeltos, pueden aparecer fenómenos de pandeo indeseados (pandeo por flexión, pandeo lateral y/o abolladura).
Caso estudiado – CALDENOR
En este artículo mostraremos el proceso de verificación y optimización realizado para una estructura real, realizada por la empresa Caldenor.
Figura.0.1. Elevación de uno de los ejes transversales de la estructura.
Figura 0.2. Elevación de uno de los ejes longitudinales de la estructura.
Al ser una estructura muy esbelta (casi 20 m de altura y ancho de 63 m en la nave principal), era crucial para el diseño identificar correctamente los modos de pandeo de la estructura. Además, como las vigas y columnas eran de inercia variable, eran propensas al pandeo lateral.
Modos de Pandeo con Software Consteel
Para determinar de forma precisa los modos de pandeo lateral de las vigas y columnas se hizo un modelo de barras en el software ConSteel. En dicho modelo no se encontraron modos de pandeo global importantes (alfa crítico >10), pero si se encontraron modos de pandeo lateral críticos en las columnas de la estructura.
Figura 0.3. Modo de pandeo local de columna exterior.
Es importante recordar que el único método validado por el Eurocódigo para verificar la estabilidad de perfiles de inercia variable es el método general. Una de las ventajas más importantes de ConSteel es que realiza el método general de forma automática, seleccionando los modos de pandeo más desfavorables para cada elemento y cada combinación de cargas.
Para restringir al máximo el pandeo lateral, era necesaria la utilización de tornapuntas que conectaran la parte exterior de las columnas (rigidizada por las correas) con la parte interior de estas (no rigidizada por correas).
ConSteel permite la definición de apoyos en cualquier punto de los perfiles (eje neutro, parte superior, parte inferior o con una excentricidad cualquiera). Este herramienta permitió modelar de forma exacta la ubicación de las tornapuntas en las columnas y vigas (Ver Figura), esto permitió aumentar el valor de alfa crítico asociado al pandeo lateral de las columnas por sobre los valores considerados seguros en la práctica (valores de alfa crítico en torno a 4).
Figura 0.4. Consideración de las tornapuntas en el modelo.
Abolladura con Software Consteel
Por otro lado, la ocurrencia de fenómenos de abolladura en los perfiles está cubierta por ConSteel, ya que los perfiles se clasifican automáticamente para cada combinación de cargas y también para esfuerzos de compresión y flexión pura. Además de la clasificación automática, ConSteel reduce el área no eficaz en perfiles clase 4 (Ver Figura).
Figura 0.5. Reducción automática de área no eficaz.
Debido a lo anterior, la posible abolladura en los perfiles de la estructura estaba cubierta en la verificación de ConSteel. Sin embargo, el modelo de barras no era suficiente para encontrar modos de abolladura en los nudos de la estructura. para esto se realizó un modelo de placas de la estructura (Ver Figura).
Figura 0.6. Modelo de placas 2D.
En el modelo de placas, se encontraron modos de abolladura en los nudos de la estructura (Ver Figura).
Figura 0.7. Modos de abolladura en nudos.
Abolladura con Software IDEA StatiCa Connection
Para evaluar la importancia de los modos de abolladura en los nudos de la estructura, se realizaron modelos de las uniones usando el software IDEA StatiCa. A estos modelos se les ejecutó un análisis de pandeo para asegurarse de que los factores de alfa críticos asociados a los modos de abolladura estaban sobre los valores recomendados por el estado del arte.
Figura 0.8. Análisis de abolladura en IDEA Connection – Unión exterior.
Figura 0.9. Análisis de abolladura en IDEA Connection – Unión central.
Verificación de Uniones con IDEA StatiCa Connection
Además, de los análisis de abolladura, en los modelos se ejecutaron análisis de tensión-deformación para ver si las uniones cumplían con los requerimientos de Eurocódigo 1993_1_8.
Figura 0.10. Verificación según normativa en IDEA Connection – Unión exterior.
Figura 0.11. Verificación según normativa en IDEA Connection – Unión central.
Conclusiones
En estructuras esbeltas es crucial la correcta identificación de los modos de pandeo (locales y globales) de los elementos comprimidos. Si además se utilizan elementos de inercia variable, es necesario verificar la estabilidad siguiendo los lineamientos del método general del Eurocódigo 1993_1_1. El programa ConSteel permite encontrar todos los modos de pandeo relevantes de una estructura y verifica automáticamente la estabilidad de esta con el método general. En este caso de estudio fue crucial la utilización de ConSteel para abordar de forma precisa y exacta los aspectos anteriores.
Por otro lado, la clasificación de perfiles (y de ser necesaria, la reducción automática de área no eficaz) es realizada automáticamente por ConSteel, por lo que la verificación de resistencia de los perfiles se hace de forma muy sencilla y directa.
Mediante un modelo de placas 2D, hecho en ConSteel, se encontraron posibles fallos por abolladura en los nudos de la estructura. Mediante el software IDEA StatiCa Connection se realizaron análisis de abolladura que permitieron diseñar las uniones para alejarse de estos modos de falla frágil. La verificación de las uniones según la normativa (EN 1993_1_8) se hizo de forma automática mediante un análisis tensión-deformación en IDEA Connection.
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