Comportamiento estructural de secciones de acero conformadas en frío

Tipos de perfiles de acero conformados en frío

A fines de la década de 1980, los investigadores especificaron algunas condiciones críticas para la producción en masa de viviendas, y las secciones de acero conformadas en frío tienen algunas propiedades vigorosas para lograr estas condiciones [2].

• Los componentes de construcción deben ser comparativamente pequeños, desmontables y tan simples como sea posible.
• La red de líneas y tuberías debe ser muy independiente de los demás componentes de la construcción.

Actualmente se utilizan un par de métodos de construcción en el negocio, pero el método más común es el método de construcción con palos. En este método, el montaje final se realiza en el sitio. En la Figura 1 [3] se ilustra un ensamblaje de muro de muestra que fue probado en muchos aspectos (estructural, térmico, acústico) por diferentes investigadores. Las cargas verticales se transmiten a través de las vigas del piso y los montantes de la pared. Las secciones de acero delgadas y relativamente largas son simples y desmontables, y los componentes del sistema mecánico se ejecutan dentro de los componentes estructurales de forma independiente.

Figura 1. Montaje de pared de muestra [3] 

Los miembros conformados en frío y las láminas perfiladas son productos de acero a partir de tiras planas o bobinas laminadas en frío o en caliente, recubiertas o sin recubrir. Tienen una sección transversal constante o variable dentro del rango aceptable de tolerancias. Los miembros estructurales formados en frío se pueden clasificar en dos grupos. Uno son los miembros individuales, como montantes, viguetas, etc. (Figura 2). En segundo lugar, Panel y miembros de la plataforma (Figura 3) [1].

Figura 2. Secciones conformadas en frío típicas para miembros individuales

Figura 3. Secciones conformadas en frío típicas para cubiertas

En la mayoría de las aplicaciones, los diseñadores eligen la sección abierta, las alturas de 50-70 mm a 350-400 mm con espesores de 0,7 mm a 6,0 mm. Para cubiertas, los espesores de sección pueden disminuir a 0,3 mm. Los sistemas híbridos (combinados con elementos de acero conformados en frío con secciones de acero laminado en caliente) también son una opción práctica para superar los problemas derivados de las irregularidades del sistema estructural. Sin embargo, si los planos arquitectónicos, los volúmenes y las dimensiones son adecuados, es posible diseñar toda la estructura sin utilizar ningún otro elemento estructural.

Los miembros de acero conformados en frío están conectados entre sí con tornillos, remaches y pernos. Debido a su flexibilidad de uso, es sencillo establecer conexiones desde cada parte de la sección. Además de las conexiones de acero con acero, las superficies planas de las secciones de acero son adecuadas para conectarse a material de revestimiento como OSB y placas de yeso que proporcionan una rigidez significativa [4].
Para aumentar la rigidez de las secciones y láminas formadas en frío, se utilizan refuerzos de borde e intermedios. El rigidizador de una sección transversal significa pequeñas partes dobladas de la parte plana de la sección [5].

Figura 4. El rigidizador de una sección.

Comportamiento estructural

Las secciones de acero conformado en frío son generalmente delgadas y partes de las secciones son relativamente largas en comparación con su espesor. Las relaciones entre el espesor y el largo de la porción o entre el ancho y el largo de la porción están limitadas en los códigos para usar fórmulas relacionadas dadas en el código. Sin embargo, si las secciones se prueban físicamente, se permite el uso de diferentes proporciones [6].

Figura 5. Porciones típicas de sección abierta

La estabilidad de la sección transversal es una preocupación importante para las secciones conformadas en frío. Estas formas pueden considerarse secciones "delgadas" o "no compactas", lo que significa que cualquier fibra de la sección puede no alcanzar el límite elástico bajo una carga específica antes de pandearse local o globalmente. Además, para miembros de paredes delgadas, es posible ver al menos pandeo local incluso si la sección está completamente arriostrada contra la torsión o el desplazamiento lateral. Por lo tanto, se presta especial atención a los casos de pandeo en el diseño de secciones de paredes delgadas. Hay un par de modos de pandeo que prevalecen en las estructuras de paredes delgadas. Principalmente, los casos son pandeo local, distorsionado y global. En algunos casos excepcionales, se debe evaluar el pandeo por cortante y el aplastamiento del alma para determinar la estabilidad de la sección [7].

Hasta finales de la década de 1970, es un método de cálculo estándar utilizar el método de ancho efectivo de Winter [8]. En 1978, Hancock [9][7] propuso utilizar una curva característica, que ilustra los modos de pandeo relacionados con la longitud de la barra. Se construye un gráfico con el cálculo de las tensiones críticas de pandeo para cada longitud. Los mínimos del gráfico definen un caso específico de pandeo. Principalmente, las partes más grandes de la sección se mueven fuera del plano y las esquinas de la sección permanecen (Punto A en la Fig. 6). Cuando se aumenta la longitud, la tensión tiende a aumentar y luego a disminuir. El gráfico vuelve a dar un mínimo para una cierta longitud y se produce un pandeo distorsionado en la longitud correspondiente. Generalmente, las partes que tienen refuerzo, se mueven fuera del plano totalmente (Punto B en la Fig. 6). Para longitudes mayores, el miembro está sujeto a pandeo global.

Figura 6. Gráfico típico de una curva característica de una sección de paredes delgadas

En la práctica común, los miembros están conectados entre sí por sus partes esbeltas. Como ejemplo, las vigas en forma de C se pueden asentar sobre un miembro rígido. En ese caso, la red puede estar sujeta a pandeo localmente, lo que se denomina "paralización de la red". La mutilación del alma puede ser un problema crítico en las estructuras de acero conformado en frío porque esta acción crea un soporte blando y débil para el elemento [1].

Los montantes y las vigas generalmente se usan con orificios en su alma y alas. Los efectos de los orificios para pernos y tornillos son menores, pero los orificios para el paso de servicios como electricidad, plomería o similares afectan la rigidez [10]. Debido a la perturbación en la distribución de esfuerzos debido a los agujeros, las aberturas pueden disminuir o aumentar la carga crítica de pandeo dependiendo de la media longitud de onda y el patrón del agujero [7].

Referencias

[1] Dubina, D.; Ungureanu, V.; R. Landolfo (2012). Design of Cold-Formed Steel Structures, ECCS.
[2] Bats, J. O.; Janssen, J. F. G.; Industrial Housing with Cold-Formed Sheet-Steel Elements, in Proceedings of the 9th Int. Specialty Conference on Cold-Formed Structures. 1988.
[3] G. D. Corte; L. Fiorino; and R. Landolfo; Seismic Behavior of Sheathed Cold-Formed Structures: Numerical Study. 2006.
[4] Baran E, Alica C, Behavior of cold-formed steel wall panels under monotonic horizontal loading, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 79, 2012, pp 1-8,
[5] Peköz, Teoman; Winter, George; and Desmond, T. P., “Edge Stiffeners for Cold-formed Steel Members”
(1978). International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. 6.
[6] EN 1993-1-3 (2006): Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.
[7] Adany S; Signature curve for general thin-walled members. Proceeding of the annual stability conference, Baltimore, Maryland, 2018.
[8] Winter, G.: “Light Gage (Thin-Walled) Steel Structures for Building in the U.S.A.,” preliminary publication, 4th Congress of the International Association for Bridge and Structural Engineering, 1952.
[9] Hancock, G.J. (1978), Local, Distortional, and lateral buckling of I-beams, ASCE Journal of structural engineering, 104(11), pp. 1787-1798.
[10] Moen, C.D., Schafer, B.W., 2009. Direct Strength Design of Cold-formed Steel Members with Perforations, Research Report. American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, DC.