Perfiles Delgados

Perfiles Delgados

Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Ch ile

Santiago, ChileMarzo de 2007

Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

CONTENIDOPerfiles delgados

1. Introducción2. Usos de perfiles delgados3. Comportamiento4. Diseño5. Conexiones

DEFINICION1. Introducción

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.

TIPOS DE ACERO1. Introducción

Recomendable usar aceros:• Galvanizables• Fy = 280~350 MPa• εu ≥ 10%• Fu/Fy ≥ 1.1Ejemplos:

– ASTM A36, A500,A570, A572, A607,A611, A653, A792

σ

εRango elástico

Rango plástico

εu

FydFy

Fu

E

x

FABRICACIONPROCESOS

1. Introducción

• Laminado en frío

FABRICACIONPROCESOS

1. Introducción

• Plegado

FABRICACIONPROCESOS

1. Introducción

• Conformado en prensa

FABRICACIONEFECTOS

1. Introducción

• Aumento de Fy• Disminución de ductilidad• Aumento de Fu

Dependen de:– Radio de plegado– Espesor de plancha– Tipo de acero– Proceso de

fabricación

σ

εRango elástico

Rango plástico

εu

FydFys

Fu

E

x

x

Después de formado en frío

Strain aging

VENTAJAS1. Introducción

• 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

PRODUCTOSTIPICOS

1. Introducción

• Elementos lineales

PRODUCTOSTIPICOS

1. Introducción

• Elementos planos

ELEMENTOSPLANOS

2. Usos de perfiles delgados

Cubierta de techo Cubierta de piso

Cubierta de muroLosa mixta


• Edificios industriales

ELEMENTOSLINEALES


• Viviendas (steel framing)

ELEMENTOSLINEALES


• Estanterías

ELEMENTOSLINEALES

CARACTERISTICASPARTICULARES

3. Comportamiento

• 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.

CONSIDERACIONESDE DISEÑO

3. Comportamiento

• 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

• Pandeo local– Tensión elástica de pandeo:

dondek: constante que depende de tipo de tensión y condiciones de apoyo.µ: módulo de Poisson.

( )( )22

2

112 tw

EkFcr µ

π−

= wt

σ

σ


3. Comportamiento

• Pandeo local

Apoyo simple Empotramiento

k = 4

k = 6.97

k = 0.425~0.675

k = 1.247

k = 23.9

k = 7.81

k = 0.57

k = 5.35~9.35


3. Comportamiento

• Resistencia post-pandeo:

a) Elementos atiesados b) Elementos no atiesados



3. Comportamiento

• Pandeo local y resistencia post-pandeo

3. Comportamiento

• Resistencia post-pandeo:– Ancho efectivo (Von Karman, 1932):

• Compresión uniforme• Placa atiesada• Sin imperfecciones

Placa falla cuando

Entonces

( )( )22

2

112 tb

EkF

ef

y νπ

−=

y

cref

F

F

w

b=


w

t

σ

σ

bef /2bef /2

3. Comportamiento

• Resistencia post-pandeo– Ancho efectivo

• Efecto de imperfecciones (Winter, 1947):– Elementos atiesados

– Elementos no atiesados

−=

y

cr

y

cref

F

F

F

F

w

b22.01

−=

y

cr

y

cref

F

F

F

F

w

b298.0119.1

=> (AISI)


3. Comportamiento


• Gradiente de tensiones:– Elementos atiesados

– Elementos no atiesados


3. Comportamiento


• Efecto de atiesadores:



3. Comportamiento

• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)

a) Carga axial b) Flexión


3. Comportamiento

• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)– Carga axial: encontrar A1, A2 y A3 tales que

donde

( )( )

( ) 0

0

0

32

02010

302

301

=−++−

=−−

=−−

APPrAxPAyP

AxPAPP

AyPAPP

etee

eeex

eeey

2

2

L

EIP x

ex

π=2

2

L

EIP y

ey

π=

+=

2

2

20

1GJL

EC

r

GJP w

t

π

20

20

20 yx

A

IIr yx ++

+=


3. Comportamiento

• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)– Carga axial: resolver

• 1 eje de simetría (eje x: y0 = 0)

( ) ( ) ( )[ ]( ) 02

02

0

20

20

20

220

20

20

3

=−+++

+−++−−−

rPPPrPPPPPPP

yPxPrPPPPyxrP

teyexextteyeyexe

exeyteyexee

eye PP =1

( ) ( ) ( )( )( )( )2

00

200

2

3,212

14

rx

rxPPPPPPP exttextex

e −−−+±+

=


3. Comportamiento

• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)– Carga axial:

• Doble simetría o simetría puntual (x0, y0 = 0)

exe PP =1

eye PP =2

te PP =3


3. Comportamiento

• Pandeo local y estabilidad general– Pandeo distorsional



3. Comportamiento

• Pandeo local y estabilidad general– Sección efectiva



3. Comportamiento

• Efectos de tensiones residuales variables sobre la sección

AISI:

( )m

ycc

tr

FBf =

068.0192.0

79.1819.069.3

2

−

=

−

−

=

y

u

y

u

y

uc

F

Fm

F

F

F

FB


3. Comportamiento

• Efecto de cargas concentradas


3. Comportamiento

• 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

• 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

DISPOSICIONESDE DISEÑO

4. Diseño

Especificación AISI 2001: “North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members”,

AISI/COS/NASPEC 2001.• Métodos de diseño

Qu ≤ φ Rn (LRFD) ó Q ≤ Rn/Ω (ASD)donde:

Q = Acción de diseñoQu = Acción de diseño mayoradaRn = Resistencia nominalφ = Factor de reducción de resistenciaΩ = Factor de seguridad

TRACCION4. Diseño

• Diseño controlado por– Fluencia de la sección bruta.

– Fractura de la sección neta lejos de la conexión.

– Fractura en la conexión

4. Diseño

• Fluencia de la sección brutaφc = 0.90 (LRFD) Ωc = 1.67 (ASD)

• Fractura lejos de la conexiónφc = 0.75 (LRFD) Ωc = 2.00 (ASD)

Ag: área bruta, An: área neta

TRACCIONRESISTENCIA NOMINAL

gyn AFP =

nun AFP =

COMPRESION4. Diseño

• 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 flexo-torsión del miembro.

COMPRESIONANCHO EFECTIVO

4. Diseño

• Elementos atiesados– Compresión uniforme

( )

>−≤

=673.022.01

673.01

λλλλ

ρ

crF

f=λ

wb ρ=

( )( )22

2

112 tw

EkFcr µ

π−

=

4. Diseño

• Elementos atiesados– Efecto de atiesadores

• w/t ≤ 0.328S:

• w/t > 0.328S:

f

ES 28.1=

', ss ddwb ==

121 ,2

bbbRb

b I −==

<<≤+

−

≤≤+=

8.025.0443.05

82.4

25.0443.057.3

wDRw

DwDR

k nI

nI

Iss Rddwb ', == ρ


4. Diseño

• Elementos atiesados– Efecto de atiesadores

1≤= asI IIR

+≤

−= 5115328.0399 43

4

S

twt

S

twtI a

3

1

4582.0 ≥

−=S

twn


4. Diseño

• Elementos atiesados– Gradiente de tensiones (f1 compresión,

f2 tracción)

• h0/b0 ≤ 4:

• h0/b0 > 4:

( ) ( )ψψ ++++= 12124 3k

≤−>

=236.0

236.02

12 ψ

ψsibb

sibb

e

e

( )ψ+= 31 ebb

( ) 12 1 bbb e −+= ψ

wffbe )( 1== ρ


1

2

f

f=ψ

4. Diseño

• Elementos atiesados– Gradiente de tensiones (f1, f2 compresión)

12 bbb e −=

( ) ( )ψψ −+−+= 12124 3k

( )ψ−= 31 ebb

wffbe )( 1== ρ


4. Diseño

• Elementos no atiesados– Compresión uniforme

– Gradiente de tensiones

43.0=k

43.0=k

wffb )( 3== ρ


4. Diseño

φc = 0.85 (LRFD) Ωc = 1.80 (ASD)

Ae: área efectiva

– Pandeo Elástico

– Pandeo Inelástico

COMPRESIONRESISTENCIA NOMINAL

[ ] ync FF c2

658,0:5.1 λλ =≥

y

c

nc FF 2

877.0:5.1

λλ =>

enn AFP =

eyc FF=λ

4. Diseño

• Tensión de pandeo elástico– Secciones con doble simetría y simetría

puntual


( )

+= 2

2

20

1

tt

wt

LK

ECGJ

Ar

πσ

( )2

2

xxx

exrLK

Eπσ =

( )2

2

yyy

eyrLK

Eπσ =

( )teyexeF σσσ ,,min=

4. Diseño

• Tensión de pandeo elástico– Secciones con monosimetría

– Secciones asimétricas: determinar Fe de análisis o ensayos.


( ) ( )

−+−+= textextexeyeF σβσσσσσ

βσ 4

2

1,min 2

( )( )2001 rx−=β

4. Diseño

• 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

4. Diseño

• Fluencia en flexión de la sección– Secciones con alas comprimidas atiesadas

φb = 0.95 (LRFD) Ωb = 1.67 (ASD)– Secciones con alas comprimidas no

atiesadasφb = 0.90 (LRFD) Ωb = 1.67 (ASD)

– Basada en la primera fluencia

donde Se: módulo elástico de sección efectiva

FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL

eyn SFM =

4. Diseño

• Fluencia en flexión de la sección– Basada en la reserva de capacidad inelástica

donde

Cy: factor de deformación de compresión


( )( )yyceyn CMSFM εε == max,25.1min

EF yy =ε

4. Diseño


• Factor de deformación de compresión– Elementos atiesados solo en los bordes

– Elementos no atiesados y elementos atiesados con atiesadores múltiples


1=yC

Cy

3

1

0 λ1 λ2 w/t

2EF y

11.11 =λ

EF y

28.12 =λ

4. Diseño


Aplicable si• Torsión y volcamiento restringidos• Fy sin efecto de formado en frío• wc/t ≤ λ1

• V/(wt) ≤ 0.35Fy (ASD) ó 0.60Fy (LRFD)• Inclinación almas ≤ 30º


4. Diseño

• Volcamiento– Secciones abiertas con doble o mono

simetría y simetría puntualφb = 0.90 (LRFD) Ωb = 1.67 (ASD)

dondeSc: módulo elástico respecto de la fibra

extrema comprimida a Fc


ccn SFM =

4. Diseño


simetría y simetría puntual


≤

>>

−

≥

=

yee

yeye

yy

yey

c

FFF

FFFF

FF

FFF

F

56.0

56.078.236

101

9

10

78.2

4. Diseño


simetría y simetría puntual• Flexión en torno al eje de simetría

• Flexión perpendicular al eje de simetría


teyf

be S

ArCF σσ0=

( )

++= extS

fTF

exSe rjCj

SC

ACF σσσ 2

02

4. Diseño


simetría y simetría puntual


CBAb MMMM

MC

3435.2

5.12

max

max

+++=

2

14.06.0M

MC TF −= [ ] 0

23

2

1xdAxydAx

Ij

AAy

−+= ∫∫

4. Diseño

• Secciones cerradas

– Lb ≤ Lu: resistencia de la sección– Lb > Lu: volcamiento con


yfy

bu EGJI

SF

CL

π36.0=

yfyy

be EGJI

SLK

CF

π=

4. Diseño

• Fluencia y/o pandeo del alma bajo corteφv = 0.95 (LRFD) Ωv = 1.60 (ASD)


( )( )

>−

≤<

≤

=

y

vv

y

v

y

vyv

y

vy

v

F

Ekth

th

Ek

F

Ekth

F

Ek

th

FEk

F

EkthF

F

51.1112

51.16.0

6.0

22

2

µπ

vwn FAV =

4. Diseño

• Aplastamiento del alma

φw, Ωw ,C, Ch,CN, CR variables según el elemento


−

+

−=

t

hC

t

NC

t

RCFCtP hNRyn 111sin2 θ

4. Diseño

• Aplastamiento del alma+flexión– Elementos con un alma

– Elementos con múltiples almas


42.107.1 ≤

+

nob

u

nw

u

M

M

P

P

φφ

32.182.0 ≤

+

nob

u

nw

u

M

M

P

P

φφ

4. Diseño

• Vigas no reforzadas

• Vigas con atiesadores ycumplir además

donde Mno: resistencia por fluencia de la sección

ESFUERZOS COMBINADOSFLEXION Y CORTE

0.122

≤

+

nv

u

nob

u

V

V

M

M

φφ

3.16.0 ≤

+

nv

u

nob

u

V

V

M

M

φφ

5.0>nob

u

M

M

φ7.0>

nv

u

V

V

φ

4. Diseño

• Flexión y Traccióny

• Flexión y Compresióny

ESFUERZOS COMBINADOSFLEXION Y ESFUERZO AXIAL

0.1≤−+nt

u

nyb

uy

nxb

ux

P

P

M

M

M

M

φφφ0.1≤++

nt

u

yfytb

uy

yfxtb

ux

P

P

FS

M

FS

M

φφφ

0.1≤++noc

u

nyb

uy

nxb

ux

P

P

M

M

M

M

φφφ0.1≤++

nc

u

ynyb

uymy

xnxb

uxmx

P

P

M

MC

M

MC

φαφαφ

yxiA

P

ei

ui ,1 =−=

σα

−=

214.06.0

85.0

MMCmi

Con traslación

Sin traslación

( )ynnno FFPP ==

5. Conexiones

• Uniones con conectores mecánicos– Uniones apernadas– Uniones atornilladas– Uniones remachadas

• Uniones soldadas– Soldadura al arco– Soldadura por resistencia

TIPOS DE UNIONES

CONECTORESMECÁNICOS

5. Conexiones

• Tornillos


5. Conexiones

• Remaches

5. Conexiones

• Tipos de falla (corte)


5. Conexiones

• Tipos de falla (tracción)


5. Conexiones

• Tipos de falla


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

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