Nota profesional importante: Este es un texto educativo de archivo, no una especificación de diseño actual, un cálculo estático, una prueba de capacidad de carga o instrucciones de fabricación y montaje. El diseño de estructuras de acero debe incluir acciones reales, conexiones, estabilidad, fatiga, fuego, corrosión y todas las demás condiciones relevantes de acuerdo con reglamentos y normas vigentes, siendo responsabilidad del diseñador autorizado.
El diseño y construcción de estructuras de acero no forma parte de la oferta pública actual de Savo Kusić. El foco de producción actual consiste en ventanas de madera, ventanas de madera y aluminio y puertas personalizadas.
Las estructuras de acero tienen una característica común: en su mayoría están hechas de acero laminado en caliente. La unión se realiza mediante remaches, tornillos o soldadura. Esto incluye estructuras de acero para puentes, edificios, industria y minería, ingeniería hidráulica, pilares, torres, tanques, en un sentido más amplio y para grúas, construcción naval, calderas, etc. El enfoque de las siguientes presentaciones es el tratamiento de conceptos básicos.
Materiales
El principal material de construcción de las construcciones de acero son los perfiles laminados de acero de calidad S235, S275, S355, S420, S450. Dependiendo de la norma, existen varios tipos diferentes de acero de construcción, donde el número en la clasificación suele indicar la resistencia a la tracción del acero. Hay varios símbolos de letras, donde en este caso la S significa acero estructural. Las formas más comunes utilizadas son S, B (aceros para hormigón, armaduras) e Y (acero para pretensado).
Soportes laminados de acero
Existe una amplia gama de soportes perfilados de acero y cada uno tiene su propia finalidad, ventajas y desventajas.
- perfiles en U
- Perfiles en I con patas estrechas (IPE, IPN)
- Perfiles en I con patas anchas (HEA, HEB, HEM, HD)
- Perfiles huecos/cajas (redondas, cuadradas, rectangulares)
- Hojas
- Productos conformados en frío (obtenidos laminando en frío una tira plana y torciendo una tira plana)
Cada uno de estos perfiles difiere en forma, dimensiones, propósito, etc. Por ejemplo, hay más de 20 perfiles IPN diferentes, que difieren en dimensiones; Los perfiles más grandes pueden soportar mejor el pandeo (flexión y torsión lateral), deflexiones, etc.
Existen cuatro clases de acero dependiendo de si alcanzan el límite elástico cuando se aumenta la tensión, si el análisis es plástico o elástico, cuál es la capacidad de carga de la sección, etc. donde la primera clase es la mejor y la cuarta es la peor. Puede leer más sobre la estructura y resistencia del acero aquí.
Ecualización de voltaje y capacidad de carga con carga estable
Capacidad de carga. Las dimensiones de las estructuras de acero se determinan de manera que se excluyan deformaciones permanentes significativas. Sin embargo, la capacidad de carga en muchos casos no se agota en modo alguno cuando la tensión comparativa más alta alcanza el límite elástico; entonces las deformaciones crecen mucho más rápido que las tensiones. Para el acero estructural, la misma dependencia que cuando se produce la fluencia se puede tomar como límite de la ley de Hooke para condiciones generales de tensión. En el caso de estados de tensión homogéneos, que son iguales en todos los puntos, no se producen cambios cuando se excede el límite de proporcionalidad, excepto que las deformaciones totales crecen más rápido que la tensión.
Ecualización de tensiones durante la flexión. En el caso de flexión de una viga, se aplica la distribución de tensiones rectilínea según la hipótesis de Navier, hasta que la tensión en el borde σ=M/W no supere el límite de proporcionalidad. Expansiones longitudinales ε = ε(σ). Esto es válido al menos para curvas pequeñas. Las tensiones que son mayores que la tensión de proporcionalidad sólo pueden crecer más lentamente que las expansiones ε. En la figura. 1 muestra la distribución de la tensión de flexión para el diagrama operativo dado y para varios valores de expansión del borde. Por lo tanto, el área de proporcionalidad (marcada con un círculo en todas las líneas de tensión) se vuelve cada vez más pequeña a medida que aumenta la dilatación del borde. La tensión de borde se limita primero por σF. Sólo después de deformaciones muy importantes la tensión máxima aumenta por encima de σF, de modo que la influencia del refuerzo de acero estructural se hace visible (caso 5).
Fig. 1 - Ecualización de tensión de flexión
Ecualización de picos de tensión. La distribución de las tensiones longitudinales a lo largo de la sección que pasa por el centro del orificio en una varilla taladrada tensada corresponde aproximadamente a la línea 2 en la fig. 2. El pico de tensión σmax depende de la relación d/b. Se encuentra principalmente alrededor de σmax = 2-3 σm, donde σm = S/FM denota el valor medio de la tensión de tracción en la sección debilitada por el agujero en FM. SL. 2 es válido hasta que el estado de voltaje excede el límite P. En el caso de cargas más elevadas, para conseguir una cierta dilatación, sólo cerca del orificio se necesitan tensiones más bajas que según la ley de la línea recta. En los puntos más tensos, las tensiones ya no aumentarán proporcionalmente con S, sino más lentamente. En el límite se obtendrá una distribución aproximadamente uniforme de tensiones longitudinales σm = σf en toda la sección 2-2. Se despreciaron las tensiones cortantes y transversales. Las ocurrencias de igualación de tensiones durante el lento aumento de la fuerza S en la varilla prueban que está justificado el método habitual para estructuras de acero bajo el efecto de una carga estática, de ignorar los picos de tensión durante el dimensionamiento y comparar sólo la tensión media σm=S/Fm en la sección debilitada Fm con el valor permitido.
Fig. 2
Procedimiento de dimensionamiento según capacidad de carga
Con un aumento en la carga, hay una ecualización del voltaje en la sección. Al hacerlo, las tensiones se reagrupan desde las partes más estresadas de la sección hacia las menos estresadas. Mientras las deformaciones no sean tan grandes como para tenerlas en cuenta al establecer las condiciones de equilibrio, este proceso no puede cambiar nada en la magnitud de la influencia de S, M, etc. para estructuras determinadas estáticamente.
Apoyos continuos y de pórtico: bajo el supuesto de la ley de Hooke, la línea de momento mostrada en a se obtiene para un apoyo continuo de sección constante (fig. 3). Las tensiones de flexión son proporcionales a los momentos de flexión M. Si ambas cargas aumentan por igual, primero se excederá el límite P en el soporte central B. El límite de carga se alcanza cuando también se alcanza el momento límite MDF en el campo. En el caso de una viga sujeta a ambos lados de una sección simétrica constante con una fuerza concentrada (fig. 4), la ecualización de momentos existe desde el principio. Cuando se excede el límite P, no hay cambios en la distribución del momento. Por el contrario, en el caso de una carga igualmente distribuida (fig. 5), la compensación de los momentos conduce a una reducción del momento de apriete de -2/3 Mo a -1/2 Mo.
Fig. 4
Fig. 3 y similares. 5, respectivamente: momentos flectores: a) antes, b) estado límite después del reagrupamiento de fuerzas; a) antes, b) después de la ecualización del momento
Construcciones de celosía: en el caso de cerchas estáticamente indeterminadas internamente, existen dependencias similares a las de las construcciones de marco. Las tensiones secundarias, que están relacionadas con los nodos que son rígidos a la flexión, pueden despreciarse en una primera aproximación al evaluar la capacidad de carga. Las secciones plastificadas actúan de manera similar a las juntas, de modo que la acción estática de la viga bajo la carga última que aún puede soportar es más cercana a la de una armadura ideal con juntas en los nodos. En construcciones con cargas repetidas frecuentemente, en las que se deben tener en cuenta los fenómenos de resistencia a la fatiga, existen dudas considerables sobre la posibilidad de tener en cuenta la compensación de fuerzas durante el dimensionamiento. Por el contrario, es de importancia práctica concluir sobre la influencia del desplazamiento de los apoyos. Dado que la resistencia de trabajo de los elementos estructurales individuales depende sólo de los límites de tensión y no del tamaño de las deformaciones totales, los desplazamientos de los soportes no tienen ningún efecto sobre la capacidad de carga.
Carga alterna: rara vez se realiza la suposición de un caso de carga constante. En las vigas de puentes existen estados de carga variables. Los supuestos sobre fuerzas y distribución de tensiones en elementos estructurales individuales, que simplifican, son comunes en el trabajo práctico con estructuras de acero, según lo anterior, se justifican en circunstancias ordinarias. Esto es especialmente cierto al despreciar los picos de tensión locales. No se puede recomendar aplicar el método de dimensionamiento según la capacidad de carga bajo carga de fatiga (dinámica). Por lo tanto, el procedimiento de dimensionamiento según la capacidad de carga se limita al caso de cargas predominantemente estáticas, especialmente en construcciones en el sector de la construcción. En otros casos, en los que se debe prestar atención a la aparición de fatiga, habrá que excluir deformaciones importantes y tomar como base la teoría de la elasticidad. Al hacerlo, se debe procurar alcanzar una distancia suficientemente grande desde el límite elástico. La dureza del acero de construcción proporciona una seguridad adicional.
Tensión alternante
Estiramiento en frío y envejecimiento: En la fig. 6 se aplicó la línea tensión-dilatación de una varilla redonda, que fue expuesta a tensiones alternas de tracción y compresión. Los procesos de carga individuales están marcados con números según su orden. Las dilataciones elásticas que regresan al descargarse también se producen después de grandes estiramientos en proporción a las tensiones. Al cambiar el signo de tensión, el límite P desaparece casi por completo. Por lo tanto, las propiedades elásticas del acero de construcción trefilado en frío no coinciden con los valores originales. Dependiendo del procesamiento previo se pueden mostrar diferencias bastante significativas.
Fig. 6
Junto con eso, vienen más signos de envejecimiento. Este término incluye todos los cambios en las propiedades que ocurren a lo largo del tiempo sin influencia externa. El envejecimiento por estiramiento se puede observar después de una deformación permanente por estiramiento en frío. Si las probetas permanentemente estiradas se dejan durante algún tiempo sin carga a temperatura ambiente, la resistencia a la tracción y, en menor medida, la resistencia al desgarro aumentan por encima del valor original, mientras que el alargamiento de rotura disminuye (Fig. 7). El proceso de envejecimiento dura días, pero se reduce a unas pocas horas o solo minutos si el acero estructural se calienta a aproximadamente 300 oC. También cabe mencionar que el envejecimiento por estiramiento se produce simultáneamente con el estiramiento, si esto ocurre a temperatura. 200 – 400 oC, es decir, en el área de brillo azul.
Fig. 7 - a) línea de expansión de una varilla doblemente cargada; b) línea de dilatación de una varilla estirada en frío
Acción posterior e histéresis: En un material completamente elástico existe una dependencia mutua inequívoca entre el estado tensional y el de deformación, de modo que determinadas tensiones siempre corresponden a las mismas deformaciones y viceversa. Con una ley de elasticidad dada, las deformaciones no dependen del tiempo transcurrido desde que se aplicó la carga, ni tampoco de la forma en que se aplica la carga. Las desviaciones del comportamiento puramente elástico se pueden describir con dos grados de aproximación: en la región elástica hay pequeñas desviaciones; pueden ignorarse en la primera aproximación. Pueden determinarse mediante mediciones precisas, especialmente cuando se compara la tensión más cerca del límite elástico. Es decir, la dilatación no es sólo función del voltaje, sino que con un ciclo de carga cerrado y el mismo voltaje, siempre es ligeramente menor durante la descarga que durante la carga. Desviación de la elasticidad total, es decir. la diferencia entre las expansiones correspondientes ante las mismas tensiones se llama histéresis elástica. Si el ciclo de carga se repite con más frecuencia, esto se obtiene con voltajes no demasiado altos: un circuito cerrado de histéresis o amortiguación. SL. 8 muestra los bucles de amortiguación para varios valores de carga de CA. El ancho de los bucles aumenta fuertemente con la altura del voltaje. El área del bucle es proporcional al trabajo de deformación, que se pierde en cada ciclo y se convierte en calor. Además, las deformaciones son variables no sólo con la altura del voltaje sino también con el tiempo, dependen de la velocidad y el método de carga. La parte de la deformación que depende del tiempo se llama efecto secundario. La histéresis y el efecto secundario ocurren simultáneamente. Por regla general, no tienen importancia práctica para aquellos tipos de acero de construcción que se encuentran en estructuras de acero a temperatura ambiente.
SL. 8
Nota de aplicación: Las designaciones históricas de materiales, suposiciones, diagramas y procedimientos en el texto no deben usarse como sustitutos de los estándares actuales, las características específicas del producto, el modelo de cálculo y la verificación experta de la construcción general.