Conceptes bàsics d'estructures d'acer

Nota professional important: Aquest és un text educatiu d’arxiu, no una especificació de disseny actual, càlcul estàtic, prova de capacitat de càrrega o instruccions de fabricació i muntatge. El disseny de les estructures d’acer ha d’incloure accions reals, connexions, estabilitat, fatiga, incendi, corrosió i totes les altres condicions rellevants d’acord amb les normatives i normes vigents, amb la responsabilitat del dissenyador autoritzat.

El disseny i construcció d’estructures d’acer no forma part de l’oferta pública actual de Savo Kusić. L’enfocament de producció actual consisteix en finestres de fusta, finestres de fusta i alumini i portes personalitzades.

Les estructures d’acer tenen una característica comuna, ja que estan fetes majoritàriament d’acer laminat en calent. La unió es realitza mitjançant reblons, cargols o soldadura. Això inclou estructures d’acer per a ponts, edificis, indústria i mineria, enginyeria hidràulica, pilars, torres, dipòsits, en un sentit més ampli i per a grues, construcció naval, calderes, etc. L’enfocament de les següents presentacions és el tractament dels conceptes bàsics.

Materials

El principal material de construcció de les construccions d’acer són perfils laminats d’acer de qualitat de construcció S235, S275, S355, S420, S450. Depenent de l’estàndard, hi ha diversos tipus diferents d’acer de construcció, on el nombre de la classificació sol indicar la resistència a la tracció de l’acer. Hi ha diversos símbols de lletres, on en aquest cas la S significa acer estructural. Les formes més utilitzades són S, B (acers de formigó, armadura) i Y (acer de pretensat).

Suports laminats d’acer

Hi ha una àmplia gamma de suports perfilats d’acer i cadascun té el seu propi propòsit, avantatges i inconvenients.

• Perfils en U
• Perfils en I amb potes estretes (IPE, IPN)
• Perfils en I amb potes amples (HEA, HEB, HEM, HD)
• Perfils/caixes buits (rodons, quadrats, rectangulars)
• Llençols
• Productes formats en fred (obtinguts enrotllant en fred una cinta plana i girant una cinta plana)

Cadascun d’aquests perfils difereix en forma, dimensions, finalitat, etc. Per exemple, hi ha més de 20 perfils IPN diferents, que difereixen en dimensions; els perfils més grans poden suportar millor el pandeig (flexió i torsió lateral), deflexions, etc.

Hi ha quatre classes d’acer segons si arriben al límit de fluència quan s’incrementa la tensió, si l’anàlisi és plàstic o elàstic, quina és la capacitat de càrrega de la secció transversal, etc. on la primera classe és la millor i la quarta la pitjor. Es pot llegir més informació sobre l’estructura i la resistència de l’acer aquí.

Equalització de tensió i capacitat de càrrega a càrrega constant

Capacitat portant. Les dimensions de les estructures d’acer es determinen de manera que s’exclouen deformacions permanents importants. La capacitat portant, en canvi, en molts casos no s’esgota de cap manera quan l’esforç comparatiu més alt arriba al límit elàstic, llavors les deformacions creixen molt més ràpidament que les tensions. Per a l’acer estructural, la mateixa dependència que quan la fluència es pot prendre com el límit de la llei de Hooke per als estats de tensió generals. En el cas dels estats de tensió homogenis, que són iguals en tots els llocs, no es produeixen canvis quan es supera el límit de proporcionalitat, excepte que les deformacions totals creixen més ràpidament que la tensió.

Igualització de tensions durant la flexió. En el cas de flexió d’una biga, s’aplica la distribució rectilini de tensions segons la hipòtesi de Navier, fins que l’esforç de vora σ=M/W no superi el límit de proporcionalitat. Expansions longitudinals ε = ε(σ). Això és cert almenys per als petits revolts. Les tensions que són superiors a la tensió proporcional només poden créixer més lentament que les expansions ε. A la fig. 1 mostra la distribució de l’esforç de flexió per al diagrama de funcionament donat i per a diversos valors d’expansió de vora. L’àrea de proporcionalitat (marcada amb un cercle a totes les línies de tensió) es fa cada cop més petita amb la dilatació de la vora creixent. La tensió de vora està limitada primer per σF. Només després de deformacions molt significatives la tensió màxima augmenta per sobre de σF, de manera que la influència de l’armadura d’acer estructural es fa visible (cas 5).

Fig. 1 - Equalització de voltatge de flexió

Igualització de pics de tensió. La distribució de les tensions longitudinals a través de la secció pel mig del forat en una vareta foradada tensada correspon aproximadament a la línia 2 de la fig. 2. El pic de tensió σmax depèn de la relació d/b. És majoritàriament al voltant de σmax = 2-3 σm, on σm = S/FM denota el valor mitjà de l’esforç de tracció a la secció debilitada pel forat a FM. Sl. 2 és vàlid fins que l’estat de tensió superi el límit P. A càrregues més altes, per aconseguir una certa dilatació, només es requereixen tensions inferiors a les d’acord amb la llei de la línia recta a prop del forat. En els punts més tensats, les tensions ja no augmentaran proporcionalment amb S, sinó més aviat més lentament. Al límit, s’obtindrà una distribució aproximadament uniforme de les tensions longitudinals σm = σf en tota la secció 2-2. S’han descuidat els esforços de tall i transversals. Els casos d’equalització de tensions durant el lent augment de la força S a la vareta demostren que el mètode habitual per a estructures d’acer sota l’efecte d’una càrrega estàtica està justificat, ignorar els pics de tensió durant el dimensionament i comparar només la tensió mitjana σm=S/Fm a la secció debilitada Fm amb el valor admissible.

Fig. 2

Procediment de dimensionament segons la capacitat de càrrega

A mesura que augmenta la càrrega, es produeix una igualació de tensió a la secció. En fer-ho, les tensions es reagrupen des de les parts més tenses de la secció a les menys tenses. Mentre les deformacions no siguin tan grans que s’hagin de tenir en compte a l’hora d’establir les condicions d’equilibri, aquest procés no pot canviar res sobre la magnitud de la influència de S, M, etc. amb estructures determinades estàticament.

Suports continus i bastidors: sota el supòsit de la llei de Hooke, s’obté per a un suport continu de secció constant (fig.3) la línia de moment mostrada sota a. Els esforços de flexió són proporcionals als moments de flexió M. Si les dues càrregues augmenten per igual, primer es superarà el límit P al suport mitjà B. El límit de coixinet s’assoleix quan també s’arriba al moment límit MDF al camp. En el cas d’una biga subjectada a banda i banda d’una secció simètrica constant amb una força concentrada (fig.4) l’equiparació de moments existeix des del principi. Quan es supera el límit P, no hi ha cap canvi en la distribució del moment. Per contra, en el cas d’una càrrega igualment distribuïda (Fig.5) la igualació dels moments condueix a una reducció del moment de pessigament amb -2/3 Msobre el -1/2 Mo.

Sl.4

Sl.3etc.5, respectivament: moments flectors: a) abans, b) estat límit després del reagrupament de forces; a) abans, b) després d’igualitzar l’impuls

Construccions de gelosia: amb encavallades internament estàticament indeterminades, hi ha dependències similars a les construccions de marc. Els esforços secundaris, que estan relacionats amb els nodes que són rígids en flexió, es poden descuidar en la primera aproximació a l’hora d’avaluar la capacitat de càrrega. Les seccions plastificades actuen de manera semblant a les juntes, de manera que l’acció estàtica de la biga sota la càrrega final que encara pot suportar s’acosta més a la d’una armadura ideal amb juntes als nusos. En el cas de construccions amb càrregues repetides freqüentment, en les quals s’han de tenir en compte els fenòmens de resistència a la fatiga, hi ha, per tant, considerables dubtes en contra de tenir en compte l’equiparació de forces durant el dimensionament. Al contrari, és d’importància pràctica concloure sobre la influència del desplaçament dels suports. Com que la resistència de treball dels elements estructurals individuals depèn només dels límits de tensió, i no de la mida de les deformacions totals, els desplaçaments dels suports no tenen cap efecte sobre la capacitat de suport.

Càrrega alterna: l’assumpció d’un cas de càrrega constant rarament es realitza. Amb les bigues del pont, hi ha estats de càrrega variables. Els supòsits sobre la distribució de forces i tensions en elements estructurals individuals, que simplifiquen, són habituals en el treball pràctic amb estructures d’acer, segons l’anterior, es justifiquen en circumstàncies ordinàries. Això és especialment cert per ignorar els pics de tensió locals. No es recomana aplicar el mètode de dimensionament segons la capacitat de càrrega sota càrrega de fatiga (dinàmica). Així, el procediment de dimensionament en funció de la capacitat de càrrega es limita al cas de càrregues predominantment estàtiques, especialment a les construccions de l’edificació. En altres casos, en què s’ha de parar atenció a l’aparició de fatiga, s’hauran d’excloure deformacions significatives i prendre com a base la teoria de l’elasticitat. En fer-ho, s’ha d’esforçar per aconseguir una distància prou gran des del punt de fluència. La duresa de l’acer de construcció proporciona una seguretat addicional.

Estrès alternant

Estirament en fred i envelliment: A la fig. 6 es va aplicar la línia de tensió-dilatació d’una vareta rodona, que estava exposada a esforços alternatius de tracció i compressió. Els processos de càrrega individuals estan marcats amb números segons el seu ordre. Les dilatacions elàstiques que tornen a la descàrrega també es produeixen després de grans trams en proporció a les tensions. Quan es canvia el signe de tensió, el límit P desapareix gairebé completament. Per tant, les propietats elàstiques de l’acer de construcció estirat en fred no coincideixen amb els valors originals. Depenent del processament anterior, es poden mostrar diferències força significatives.

Fig. 6

Amb això apareixen més signes d’envelliment. Aquest terme inclou tots els canvis de propietats que es produeixen al llarg del temps sense influència externa. L’envelliment per estirament es pot observar després de la deformació permanent per estirament en fred. Si les mostres d’assaig estirades permanentment es deixen durant un temps sense càrrega a temperatura ambient, la resistència a la tracció i, en menor mesura, la resistència a l’esquinçament s’eleven per sobre del valor original, mentre que l’allargament a la ruptura disminueix (Fig. 7). El procés d’envelliment dura dies, però es redueix a unes poques hores o només minuts, si l’acer estructural s’escalfa a uns 300 oC. També cal esmentar que l’envelliment per estirament es produeix simultàniament a l’estirament, si això passa a la temperatura. 200 – 400 oC, és a dir, a la zona de resplendor blau.

Fig. 7 - a) línia d’expansió d’una vareta de doble càrrega; b) línia de dilatació d’una vareta estirada en estat fred

Acció posterior i histèresi: En un material completament elàstic, hi ha una dependència mútua inequívoca entre l’estat de tensió i deformació, de manera que determinades tensions sempre corresponen a les mateixes deformacions i viceversa. Amb una llei d’elasticitat determinada, les deformacions no depenen del temps transcorregut des que s’ha aplicat la càrrega, i tampoc de la forma en què s’aplica la càrrega. Les desviacions del comportament purament elàstic es poden descriure en dos graus d’aproximació: a la regió elàstica hi ha petites desviacions; es poden ignorar en la primera aproximació. Es poden determinar mitjançant mesures precises, especialment quan es compara la tensió més propera al límit elàstic. És a dir, la dilatació no és només una funció de la tensió, sinó que amb un cicle de càrrega tancat i la mateixa tensió, sempre és una mica més petita durant la descàrrega que durant la càrrega. Desviació de l’elasticitat completa, és a dir. la diferència entre les expansions corresponents a les mateixes tensions s’anomena histèresi elàstica. Si el cicle de càrrega es repeteix més sovint, això s’obté a tensions no massa altes: un bucle tancat d’histèresi o amortiment. Sl. 8 mostra els bucles d’amortiment per a diversos valors de càrrega de CA. L’amplada dels bucles augmenta fortament amb l’alçada de la tensió. L’àrea del bucle és proporcional al treball de deformació, que es perd a cada cicle i es converteix en calor. A més, les deformacions són variables no només amb l’alçada de la tensió sinó també amb el temps, depenen de la velocitat i el mètode de càrrega. La part de la deformació, que depèn del temps, s’anomena efecte secundari. La histèresi i els efectes secundaris es produeixen simultàniament. Per regla general, no tenen importància pràctica per als tipus d’acer de construcció que es troben en estructures d’acer a temperatura ambient.

Sl. 8

Nota d’aplicació: Les designacions de materials històrics, supòsits, diagrames i procediments del text no s’han d’utilitzar com a substitut de les normes actuals, les característiques específiques del producte, el model de càlcul i la verificació experta de la construcció global.