Las estructuras metálicas están expuestas a fenómenos de inestabilidad o abolladura, explicados con detenimiento en este post. Debemos conocer a fondo el comportamiento del material y estar familiarizados con la normativa para poder dimensionarlas correctamente. En este post, veremos cómo trabajar con las clases de sección del Eurocódigo 3, y así ser capaces de controlar el pandeo de las mismas.
¿Qué es una clase de sección?
La clase de sección es un criterio de división de las secciones metálicas cuya aparición en el Eurocódigo 3 tiene los siguientes objetivos:
- Integrar el cálculo de la abolladura en la comprobación resistente.
- Guiar en la elección del tipo de cálculo de esfuerzos a emplear.
¿Qué factores intervienen?
Veamos de qué factores depende la asignación de la clase de una sección. Lo más relevante es conocer qué sucede en sus zonas comprimidas, pues es donde puede aparecer la abolladura. Si partimos de una sección genérica doble T, estudiaremos el ala superior y parte del alma. Intervienen los siguientes factores:
- La geometría de la sección
- Su esbeltez
- Relación Espesor / Anchura
- El nivel de compresiones
- Nivel tensionales
- Nivel de la fibra neutra
- Su proceso constructivo
- Soldado
- Laminado
¿Cómo se dividen?
Sobre la misma sección doble T genérica sometida a flexión, tenemos un diagrama tensional creciente conforme aumentamos las cargas. Si las cargas son pequeñas el diagrama tensional será pequeño, y por tanto se encontrará en régimen elástico. Si seguimos aumentando la las cargas, alcanzaremos el límite elástico, quedando a partir de ese punto inmerso en el régimen elastoplástico.
Si sólo interviniese la capacidad del acero, podríamos tomar el momento plástico como representante de la resistencia de las sección. Ahora bien, si el ala superior es esbelta, puede llegar al agotamiento por inestabilidad mucho antes, limitando la resistencia de la sección en gran medida. En relación a esta restricción, veamos cómo se dividen las secciones:
Clase 1.
Las chapas comprimidas son tan rígidas que se puede asegurar que se alcanzará el momento plástico sin producirse el agotamiento de la pieza por abolladura.
Mrd=Mpl / Msd= Régimen plástico.
Clase 2.
A efectos resistentes son iguales que las secciones clase 1. Las chapas gruesas aseguran nivel de tensiones sin agotar por abolladura.
Mrd=Mpl / Msd= Régimen elástico.
Clase 3.
Las chapas comprimidas son esbeltas, aunque el acero tenga capacidad para moverse en régimen plástico, se agotará la sección por abolladura antes de que eso se produzca. Solo se puede asegurar que la sección no se agotará al alcanzar el momento elástico.
Mrd=Mel / Msd= Régimen elástico.
Clase 4.
Las chapas son tan esbeltas que se alcanza el agotamiento por abolladura antes de llegar al momento elástico.
Mrd<Mel.
Una vez conocida la clase de la sección, ya tenemos toda la información necesaria para calcular su momento resistente de forma inmediata, integrando el cálculo de inestabilidad por abolladura.
¿Cómo se asigna la clase a la sección?
Veamos el ejemplo de una estructura hiperestática. Partiendo de una viga biempotrada con carga uniforme y peso propio, tendremos una ley de flectores negativos qL²/12 en los empotramientos y flectores positivos qL²/24 en centro de vano.
Si la carga es pequeña se mantendrá en régimen elástico. Ahora bien, al aumentar la carga, llegaremos al punto en el que el momento generado será igual al momento resistente en la sección más desfavorable. Por lo tanto, en los empotramientos se alcanza el momento último.
Seguimos cargando hasta que los empotramientos ya no pueden aceptar más carga. Las secciones a su alrededor girarán, trasladando parte de la carga al resto de la pieza, pues en esos lugares no se ha llegado a ese límite. Por lo tanto, obtendremos una nueva ley con una nueva curvatura, descendiendo el valor de los momentos negativos, y aumentando el valor de los positivos.
Si continuamos incrementando la carga, la sección del centro de vano llegará a su límite, pero ya no podrá girar más, pues tendríamos ya tres rótulas plásticas. Esta circunstancia transforma la viga en un mecanismo y se da por agotada la estructura. Por lo tanto tenemos:
- Fallo de una sección = Agotamiento elástico
- Fallo de un número determinado de secciones que convierten la estructura en un mecanismo = Agotamiento plástico
Volviendo a las clases de sección tenemos:
- Clase 1. Se puede llegar al agotamiento plástico porque cuentan con ductilidad suficiente.
- Clases 2, 3 y 4. No poseen la ductilidad suficiente, por lo que consideraremos el agotamiento elástico.
Asignación de clase de Alma según Eurocódigo 3.
Veamos cómo utilizar la tabla del Eurocódigo para la asignación de clase del alma: Las columnas hacen referencia a los esfuerzos a los que se somete a la sección: sólo flexión, sólo compresión o flexión compuesta. Necesitamos conocer un valor ε=√(235/fy) y la relación d/tw. Con ambos, resolvemos las desigualdades y elegimos la clase que se cumpla. Si hubiese flexión compuesta, debemos conocer α, que es la relación de tensiones de un borde al otro del alma.
Asignación de clase de Ala según Eurocódigo 3.
Veamos ahora cómo usar la tabla correspondiente a las alas comprimidas: En este caso, de forma general nos vamos a colocar en la columna de compresión simple, excepto en el caso concreto de que exista un momento de eje vertical y un axil, encontrándonos entonces en compresiones variables. Rige el parámetro de la esbeltez c/tf; funcionando ε y α del mismo modo que en la tabla de las almas.
Asignación de clase global a la sección.
¿Qué sucede si ala y alma tienen diferente clase? Siempre se tomará la clase más limitativa de todos los elementos de la sección, es decir, la correspondiente al número más alto. En el caso de la sección doble T genérica, supongamos que su ala es clase 2 y su alma es clase 3. En la clase 2 podemos alcanzar el momento plástico sin agotamiento por abolladura de la zona comprimida. En cambio, en la clase 3, alcanzando el momento elástico ya se produciría la abolladura. Comparando ambas, será más restrictiva la clase 3, luego el momento resistente será el elástico.
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