Transcript 8_Perfiles_Delgados

Perfiles Delgados
Ricardo Herrera Mardones
Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Santiago, Chile
Marzo de 2007
Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con
coordinación del Ing. Ricardo Herrera
Perfiles delgados
1.
2.
3.
4.
5.
Introducción
Usos de perfiles delgados
Comportamiento
Diseño
Conexiones
CONTENIDO
1. Introducción
DEFINICION
Se denomina “perfiles delgados” a aquellos
perfiles formados por plegado de planchas
de acero a temperatura ambiente en una
sección que resiste más carga que la
plancha de acero.
1. Introducción
TIPOS DE ACERO
Recomendable usar aceros:
• Galvanizables
• Fy = 280~350 MPa s
• eu ≥ 10%
F
• Fu/Fy ≥ 1.1
F
F
Ejemplos:
u
yd
x
y
– ASTM A36, A500,
A570, A572, A607,
A611, A653, A792
E
e
Rango plástico
Rango elástico
eu
1. Introducción
• Laminado en frío
FABRICACION
PROCESOS
1. Introducción
• Plegado
FABRICACION
PROCESOS
1. Introducción
• Conformado en prensa
FABRICACION
PROCESOS
1. Introducción
FABRICACION
EFECTOS
• Aumento de Fy
• Disminución de ductilidad
• Aumento de Fu
s
Strain aging
x
Dependen de:
–
–
–
–
Radio de plegado
Espesor de plancha
Tipo de acero
Proceso de
fabricación
Fu
Fyd
Fys
x
E
Después de formado en frío
e
Rango plástico
Rango elástico
eu
1. Introducción
•
•
•
•
•
•
•
VENTAJAS
Optimización de secciones
Buena resistencia a la corrosión
Buena apariencia
Adecuada aislación térmica y acústica
Métodos de fijación simples
Alta relación resistencia/peso
Permite prefabricación
1. Introducción
• Elementos lineales
PRODUCTOS
TIPICOS
1. Introducción
• Elementos planos
PRODUCTOS
TIPICOS
2. Usos de perfiles delgados
Cubierta de techo
Losa mixta
ELEMENTOS
PLANOS
Cubierta de piso
Cubierta de muro
2. Usos de perfiles delgados
• Edificios industriales
ELEMENTOS
LINEALES
2. Usos de perfiles delgados
• Viviendas (steel framing)
ELEMENTOS
LINEALES
2. Usos de perfiles delgados
• Estanterías
ELEMENTOS
LINEALES
3. Comportamiento
CARACTERISTICAS
PARTICULARES
• b/t relativamente altas.
• Partes de secciones sin rigidizar o
incompletamente empotradas.
• Uno o ningún eje de simetría.
• Imperfecciones geométricas ≥ t.
• Imperfecciones estructurales inducidas
por fabricación.
3. Comportamiento
•
•
•
•
•
•
•
•
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
Pandeo local y resistencia post-pandeo.
Pandeo por torsión y por flexión.
Pandeo local y estabilidad general.
Efectos de tensiones residuales variables
sobre la sección.
Efecto de cargas concentradas
Conexiones
Corrosión
Capacidad de deformación inelástica
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo local
s
– Tensión elástica de pandeo:
 E
Fcr  k
2
2
121  m w t 
2
w
t
s
donde
k: constante que depende de tipo de tensión y
condiciones de apoyo.
m: módulo de Poisson.
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo local
k=4
k = 23.9
k = 6.97
k = 7.81
k = 0.425~0.675
k = 0.57
k = 1.247
k = 5.35~9.35
Apoyo simple
Empotramiento
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Resistencia post-pandeo:
a) Elementos atiesados
b) Elementos no atiesados
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo local y resistencia post-pandeo
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Resistencia post-pandeo:
– Ancho efectivo (Von Karman, 1932):
• Compresión uniforme
• Placa atiesada
• Sin imperfecciones
s
bef /2
bef /2
Placa falla cuando
 2E
Fy  k
2
12 1  2 bef t 
t
Entonces
bef
w
s

Fcr
Fy
w
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Resistencia post-pandeo
– Ancho efectivo
• Efecto de imperfecciones (Winter, 1947):
– Elementos atiesados
bef
w

Fcr
Fy


F
cr 
1  0.22
=> (AISI)


F
y 

– Elementos no atiesados
bef
Fcr
 1.19
w
Fy


F
1  0.298 cr 


F
y


3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo
– Ancho efectivo
• Gradiente de tensiones:
– Elementos atiesados
– Elementos no atiesados
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo
– Ancho efectivo
• Efecto de atiesadores:
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)
a) Carga axial
b) Flexión
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)
– Carga axial: encontrar A1, A2 y A3 tales que
P
ey
 Pe A1  Pe y0 A3  0
Pex  Pe A2  Pe x0 A3  0
 Pe y0 A1  Pe x0 A2  r02 Pt  Pe A3  0
donde
 2 EI x
Pex 
2
L
Pey 
r02 
 2 EI y
L2
Ix  Iy
A
GJ
Pt  2
r0
 x02  y02

 2 ECw
1 
2
GJL




3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)
– Carga axial: resolver




Pe3 r02  x02  y02  Pe2 Pex  Pey  Pt r02  Pey x02  Pex y02
 Pe Pex Pey  Pey Pt  Pt Pex r02  Pex Pey Pt r02  0
• 1 eje de simetría (eje x: y0 = 0)
Pe1  Pey
Pex  Pt   Pex  Pt 2  4 Pt Pex 1  x0
Pe 2,3 
2
21   x0 r0  
r0 
2


3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)
– Carga axial:
• Doble simetría o simetría puntual (x0, y0 = 0)
Pe1  Pex
Pe 2  Pey
Pe3  Pt
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo local y estabilidad general
– Pandeo distorsional
a) Carga axial
b) Flexión
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Pandeo local y estabilidad general
– Sección efectiva
a) Carga axial
b) Flexión
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Efectos de tensiones residuales variables
sobre la sección
AISI:
fc 
Bc Fy
r t m
2
 Fu 
 Fu 


Bc  3.69
 0.819   1.79
F 
F 
y
 
 y
 Fu 
m  0.192   0.068
F 
 y
3. Comportamiento
• Efecto de cargas concentradas
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Conexiones
– Soldadas:
• Diferencias significativas en espesor de partes.
• Uso de soldaduras en esquinas curvas.
• Falla del material base, por lo general.
– Apernadas:
• Controladas por aplastamiento.
– Atornilladas:
• Tornillo autoperforante es lo más común.
• Controladas por arrancamiento del tornillo o rotura del
material base.
3. Comportamiento
CONSIDERACIONES
DE DISEÑO
• Corrosión
– Depende del tipo de tratamiento protector
(galvanizado, pintura).
– Aplicado a plancha antes de formado.
• Capacidad de deformación inelástica
– Muy limitada por proceso de formado
4. Diseño
DISPOSICIONES
DE DISEÑO
Especificación AISI 2001: “North American Specification for
the Design of Cold-Formed Steel Structural Members”,
AISI/COS/NASPEC 2001.
• Métodos de diseño
Qu ≤ f Rn (LRFD) ó
Q ≤ Rn/W (ASD)
donde:
Q
= Acción de diseño
Qu
= Acción de diseño mayorada
Rn
= Resistencia nominal
f
= Factor de reducción de resistencia
W
= Factor de seguridad
4. Diseño
• Diseño controlado por
– Fluencia de la sección bruta.
– Fractura de la sección neta lejos de la
conexión.
– Fractura en la conexión
TRACCION
TRACCION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Fluencia de la sección bruta
fc = 0.90 (LRFD)
Wc = 1.67 (ASD)
Pn  Fy Ag
• Fractura lejos de la conexión
fc = 0.75 (LRFD)
Wc = 2.00 (ASD)
Pn  Fu An
Ag: área bruta, An: área neta
4. Diseño
COMPRESION
• Diseño controlado por
– Pandeo local y resistencia post-pandeo de los
elementos de la sección (atiesados y no
atiesados).
– Pandeo global en flexión, torsión o flexotorsión del miembro.
4. Diseño
COMPRESION
ANCHO EFECTIVO
• Elementos atiesados
– Compresión uniforme
b  w
1

 
1  0.22  

  0.673
  0.673
f
Fcr
 2E
Fcr  k
2
121  m 2 w t 
4. Diseño
COMPRESION
ANCHO EFECTIVO
• Elementos atiesados
– Efecto de atiesadores
• w/t ≤ 0.328S: b  w, d s  d s'
E
S  1.28
f
• w/t > 0.328S: b  w, d s  d s' RI
b
b1  RI , b2  b  b1
2
n

3.57RI  0.43  4

k  
5D  n
4
.
82

 RI  0.43  4

w 

D w  0.25
0.25  D w  0.8
4. Diseño
COMPRESION
ANCHO EFECTIVO
• Elementos atiesados
– Efecto de atiesadores
RI  I s I a  1
3
wt


4w t
4
I a  399t 
 0.328  t 115
 5
S
 S



w t 1

n  0.582


4S  3

4. Diseño
COMPRESION
ANCHO EFECTIVO
• Elementos atiesados
– Gradiente de tensiones (f1 compresión,
f2 tracción)
f2
3
 
k  4  21    21  
f1
be   ( f  f1 ) w
b1  be
• h0/b0 ≤ 4:
• h0/b0 > 4:
3  
 be 2
b2  
be  b1
si   0.236
si   0.236
b2  be 1    b1
4. Diseño
COMPRESION
ANCHO EFECTIVO
• Elementos atiesados
– Gradiente de tensiones (f1, f2 compresión)
k  4  21    21  
3
be   ( f  f1 ) w
b1  be
3  
b2  be  b1
4. Diseño
COMPRESION
ANCHO EFECTIVO
• Elementos no atiesados
– Compresión uniforme
k  0.43
– Gradiente de tensiones
k  0.43
b   ( f  f3 )w
COMPRESION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
fc = 0.85 (LRFD)
Wc = 1.80 (ASD)
Pn  Fn Ae
Ae: área efectiva
– Pandeo Elástico
c  1.5 : Fn 
0.877

c
2
– Pandeo Inelástico c  1.5 : Fn  0,658
c  Fy Fe
Fy
c 2
F
y
COMPRESION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Tensión de pandeo elástico
– Secciones con doble simetría y simetría
puntual
Fe  mins ex , s ey , s t 
s ex 
s ey 
 2E
K x Lx
K
rx 
2
 2E
y L y ry 
1
st 
2
Ar0
2
2


ECw
 GJ 
2



K
L
t t





COMPRESION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Tensión de pandeo elástico
– Secciones con monosimetría

1 
s ex  s t  
Fe  mins ey ,

2 


s ex  s t 
2
  1  x0 r0 
2



 4sexs t 
 
– Secciones asimétricas: determinar Fe de
análisis o ensayos.
4. Diseño
FLEXION
• Diseño controlado por
– Fluencia en flexión de la sección.
– Pandeo global en flexo-torsión (volcamiento)
del miembro.
– Pandeo local y resistencia post-pandeo de los
elementos de la sección (atiesados y no
atiesados).
– Fluencia y/o pandeo del alma bajo corte.
– Aplastamiento del alma.
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección
– Secciones con alas comprimidas atiesadas
fb = 0.95 (LRFD)
Wb = 1.67 (ASD)
– Secciones con alas comprimidas no
atiesadas
fb = 0.90 (LRFD)
Wb = 1.67 (ASD)
– Basada en la primera fluencia
M n  Fy Se
donde Se: módulo elástico de sección efectiva
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección
– Basada en la reserva de capacidad inelástica


M n  min 1.25Fy Se , M e
max
c
 C ye y

donde
e y  Fy E
Cy: factor de deformación de compresión
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección
– Basada en la reserva de capacidad inelástica
• Factor de deformación de compresión
– Elementos atiesados solo en los bordes
Cy
3
1 
1.11
Fy E
2 
1.28
Fy E
2
1
0
1
2
w/t
– Elementos no atiesados y elementos atiesados con
atiesadores múltiples
Cy  1
4. Diseño
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
• Fluencia en flexión de la sección
– Basada en la reserva de capacidad inelástica
Aplicable si
•
•
•
•
•
Torsión y volcamiento restringidos
Fy sin efecto de formado en frío
wc/t ≤ 1
V/(wt) ≤ 0.35Fy (ASD) ó 0.60Fy (LRFD)
Inclinación almas ≤ 30º
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Volcamiento
– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
fb = 0.90 (LRFD)
Wb = 1.67 (ASD)
M n  Fc Sc
donde
Sc: módulo elástico respecto de la fibra
extrema comprimida a Fc
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Volcamiento
– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
Fy

10 
10Fy

Fc   Fy 1 
36Fe

9
Fe


Fe  2.78Fy



2.78Fy  Fe  0.56Fy
Fe  0.56Fy
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Volcamiento
– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
• Flexión en torno al eje de simetría
Cb Ar0
Fe 
Sf
s eys t
• Flexión perpendicular al eje de simetría
CS As ex 
Fe 
j  CS

CTF S f 
j  r0 s t s ex 

2
2
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Volcamiento
– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
Cb 
12.5M max
2.5M max  3M A  4M B  3M C
CTF  0.6  0.4
M1
M2
j
1
2I y
 x dA   xy dA x
3
A
2
A
0
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Secciones cerradas
0.36Cb
Lu 
Fy S f
EGJIy
– Lb ≤ Lu: resistencia de la sección
– Lb > Lu: volcamiento con
Cb
Fe 
K y Ly S f
EGJIy
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Fluencia y/o pandeo del alma bajo corte
fv = 0.95 (LRFD)
Wv = 1.60 (ASD)
Vn  Aw Fv

0.6 Fy


 0.6 Ek F
v
y

Fv  
h t


 2 Ekv

2
2


12
1

m
h
t




h t
Ekv
Fy
Ekv
Ekv
 h t  1.51
Fy
Fy
Ekv
h t  1.51
Fy
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Aplastamiento del alma

R 
N 
h
1  C N
1  Ch

Pn  Ct Fy sin  1  C R



t
t
t




2
fw, Ww ,C, Ch,CN, CR variables según el
elemento
FLEXION
RESISTENCIA NOMINAL
4. Diseño
• Aplastamiento del alma+flexión
– Elementos con un alma
 Pu   M u 
  
  1.42
1.07
 fw Pn   fb M no 
– Elementos con múltiples almas
 Pu   M u 
  
  1.32
0.82
 fw Pn   fb M no 
4. Diseño
ESFUERZOS COMBINADOS
FLEXION Y CORTE
• Vigas no reforzadas
2
2
 M u   Vu 

  
  1.0
 fb M no   fvVn 
• Vigas con atiesadores y
cumplir además
Mu
 0.5
fb M no
Vu
 0.7
fvVn
 M u   Vu 
  
  1.3
0.6
 fb M no   fvVn 
donde Mno: resistencia por fluencia de la sección
4. Diseño
ESFUERZOS COMBINADOS
FLEXION Y ESFUERZO AXIAL
• Flexión y Tracción
M uy
M uy
M ux
Pu
M ux
Pu
y


 1.0


 1.0
fb S fxt Fy fb S fyt Fy ft Pn
fb M nx fb M ny ft Pn
• Flexión y Compresión
Cmx M ux Cmy M uy
Pu


 1.0 y
fb M nx x fb M ny y fc Pn
0.85

Cmi  
0.6  0.4 M 1 M 2
M uy
M ux
Pu


 1.0
fb M nx fb M ny fc Pno
Con traslación
Sin traslación
Pno  Pn Fn  Fy 
Pu
i  1 
i  x, y
s ei A
5. Conexiones
TIPOS DE UNIONES
• Uniones con conectores mecánicos
– Uniones apernadas
– Uniones atornilladas
– Uniones remachadas
• Uniones soldadas
– Soldadura al arco
– Soldadura por resistencia
5. Conexiones
• Tornillos
CONECTORES
MECÁNICOS
5. Conexiones
• Remaches
CONECTORES
MECÁNICOS
5. Conexiones
• Tipos de falla (corte)
CONECTORES
MECÁNICOS
5. Conexiones
• Tipos de falla (tracción)
CONECTORES
MECÁNICOS
5. Conexiones
• Tipos de falla
CONECTORES
MECÁNICOS
5. Conexiones
• Soldadura al arco
– SMAW (Shielded Metal Arc Welding)
– GMAW (Gas Metal Arc Welding)
– FCAW (Flux Core Arc Welding)
– SAW (Submerged Arc Welding)
SOLDADURA
5. Conexiones
• Soldadura por resistencia eléctrica
SOLDADURA
5. Conexiones
• Tipos de falla (corte)
SOLDADURA