TFE000646

Enrique Baltans Vzquez

Mara Pilar Morales Ortz y Manuel Celso Jurez Castell

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera Industrial

Programa de doctorado Innovacin en Ingeniera de Producto y Procesos Industriales (formacin)

2013-2014

Ttulo

Director/es

Facultad

Titulacin

Departamento

TRABAJO FIN DE ESTUDIOS

Curso Acadmico

Estado del arte actual y anlisis de sistemas

estructurales basados en perfiles de acero conformados

en fro de chapa delgada, armados entre s mediante

uniones atornilladas

Autor/es

El autor Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2014

publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]

Estado del arte actual y anlisis de sistemas estructurales basados en perfilesde acero conformados en fro de chapa delgada, armados entre s mediante

uniones atornilladas , trabajo fin de estudiosde Enrique Baltans Vzquez, dirigido por Mara Pilar Morales Ortz y Manuel Celso Jurez

Castell (publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una LicenciaCreative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 3.0 Unported.

Permisos que vayan ms all de lo cubierto por esta licencia pueden solicitarse a lostitulares del copyright.

ESTADO DEL ARTE ACTUAL Y ANLISIS DE SISTEMAS

ESTRUCTURALES BASADOS EN PERFILES DE ACERO

CONFORMADOS EN FRO DE CHAPA DELGADA, ARMADOS ENTRE S MEDIANTE UNIONES

ATORNILLADAS

Autor: Enrique Baltans Vzquez

Directores: Dr. Manuel Celso Jurez Castell y Dra. Pilar Morales Ortiz

Lugar y Fecha: Logroo, septiembre de 2014

ESTADO DEL ARTE ACTUAL Y ANLISIS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES BASADOS EN PERFILES DE ACERO CONFORMADOS EN FRO DE CHAPA DELGADA, ARMADOS ENTRE S MEDIANTE UNIONES ATORNILLADAS

2


3

NDICE

1 INTRODUCCIN ............................................................................................................................. 5

1.1 PLANTEAMIENTO DE LOS PROBLEMAS ................................................................................................... 9

1.1.1 Sistema de vigas en entreplantas desmontables industriales a medida .............................. 10

1.1.2 Pequeas entreplantas o altillos domsticos ........................................................................ 12

2 OBJETIVOS Y METODOLOGA ....................................................................................................... 15

2.1 PLANTEAMIENTO DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES PROPUESTOS ............................................................ 16

2.1.1 Vigas reforzadas para entreplantas desmontables a medida .............................................. 16

2.1.2 Vigas empalmadas con uniones intermedias para pequeos altillos domsticos ................ 19

3 ANLISIS DE NORMAS DE REFERENCIA ........................................................................................ 23

3.1 NORMATIVA ESTATAL: CTE Y EAE ..................................................................................................... 24

3.2 NORMATIVA EUROPEA: EC3 ............................................................................................................ 36

3.2.1 Consideraciones particulares para correas fijadas a chapas trapezoidales ......................... 42

3.2.1.1 Mtodo simplificado para correas ............................................................................................. 45

3.3 NORMATIVA NORTEAMERICANA: AISI ................................................................................................ 46

3.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYOS RECOGIDOS EN LAS NORMAS ................................................................... 56

4 PRODUCCIN CIENTFICA RECIENTE. APORTACIONES A LA NORMATIVA..................................... 59

4.1 ESTUDIOS SOBRE UNIONES SOLAPADAS ENTRE SECCIONES DE TIPO Z DE ACERO CONFORMADO EN FRO............ 60

4.1.1 Experimental investigation into the structural behavior of lapped connections between

cold-formed steel Z sections [19] ....................................................................................................... 61

4.1.1.1 Condiciones de los ensayos ........................................................................................................ 62 4.1.1.2 Resultados .................................................................................................................................. 65 4.1.1.3 Coeficientes de resistencia de momentos flectores ................................................................... 67 4.1.1.4 Coeficientes de rigidez a flexin efectiva ................................................................................... 67 4.1.1.5 Conclusiones del estudio ............................................................................................................ 68

4.1.2 Analysis and design of lapped connections between cold-formed steel Z sections [20] ....... 69

4.1.2.1 Anlisis de la distribucin interna de fuerzas dentro de la unin en solape .............................. 70 4.1.2.2 Diseo frente a la combinacin de esfuerzos cortante y flector ................................................ 71 4.1.2.3 Rigidez efectiva a flexin de uniones solapadas ......................................................................... 74 4.1.2.4 Conclusiones del estudio ............................................................................................................ 76

4.1.3 Analytical prediction on deformation characteristics of lapped connections between cold-

formed steel Z sections [21] ............................................................................................................... 76

4.1.3.1 Caracterizacin de la deformacin de una unin individual por tornillo a traccin ................... 77 4.1.3.2 Caracterizacin de la deformacin en una unin por solape atornillada resistente a flector .... 79 4.1.3.3 Caracterizacin de la deformacin de la unin atornillada despus de la carga mxima .......... 83 4.1.3.4 Conclusiones del estudio ............................................................................................................ 84

4.1.4 Structural behavior of lapped cold-formed steel Z sections with generic bolted

configurations [22]............................................................................................................................. 84

4.1.4.1 Resultados .................................................................................................................................. 86


4

4.1.4.2 Anlisis de diversos parmetros ................................................................................................. 87 4.1.4.3 Conclusiones del estudio ............................................................................................................ 89

4.1.5 Moment resistance and flexural rigidity of lapped connections in multi-span cold-formed Z

purlin systems [23] ............................................................................................................................. 89

4.1.5.1 Resistencia a flexin ................................................................................................................... 91 4.1.5.2 Rigidez efectiva del solape ......................................................................................................... 93 4.1.5.3 Conclusiones del estudio ............................................................................................................ 94

4.1.6 Behaviour of multi-span cold-formed Z-purlins with bolted lapped connections [24] .......... 95

4.1.6.1 Interaccin entre flector y abolladura del alma por fuerza concentrada ................................... 97 4.1.6.2 Comportamiento semirrgido de las correas Z solapadas ....................................................... 97 4.1.6.3 Comprobacin del pandeo lateral y torsional. ......................................................................... 100 4.1.6.4 Conclusiones del estudio .......................................................................................................... 101

4.2 ESTUDIOS SOBRE UNIONES CON CUBREJUNTAS ENTRE SECCIONES DE ACERO CONFORMADO EN FRO ............. 101

4.2.1 Analysis of cold-formed purlins with slotted sleeve connections [56] ................................ 102

4.2.1.1 Conclusiones del estudio .......................................................................................................... 104

4.2.2 Sleeve connections of cold-formed steel sigma purlins [57] ............................................... 104


4.3 ESTUDIOS SOBRE VIGAS CONFORMADAS EN FRO PARCIALMENTE REFORZADAS ......................................... 106

4.3.1 Optimal design of multi-span structures with a double cross-section [58]......................... 106


5 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 109

5.1 ANLISIS COMPARATIVO DE NORMATIVAS ......................................................................................... 109

5.2 ASPECTOS MS RELEVANTES DEL ANLISIS DE LA PRODUCCIN CIENTFICA ............................................... 118

5.3 CONSIDERACIONES ESPECIALES PARA EL ESTUDIO DE VIGAS EMPALMADAS CON UNIONES INTERMEDIAS ......... 121

5.4 CONSIDERACIONES ESPECIALES PARA EL ESTUDIO DE VIGAS REFORZADAS ................................................. 125

6 PROPUESTAS DE MEJORA .......................................................................................................... 127

6.1 EMPALMES EN VIGAS DE ENTREPLANTAS A MEDIDA ............................................................................. 127

6.2 AUMENTO DE LA RESISTENCIA DE VIGAS MEDIANTE REFUERZOS INTERNOS PARCIALES ................................. 128

6.3 VIGAS TELESCPICAS CON UNIONES EN SOLAPE Y REFUERZOS CENTRALES ................................................. 129

7 BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS ................................................................................................... 131


5

1 INTRODUCCIN

Los perfiles conformados en fro son cada vez ms utilizados en la industria. La versatilidad de

sus procesos de fabricacin hace que se puedan conseguir formas muy diversas para

aplicaciones muy especficas, pudiendo ajustar el espesor de la chapa base con la consiguiente

economa del producto final.

Figura 1.1 Entreplanta modular desmontable a base de perfiles conformados en fro

Algunas caractersticas de estos perfiles son:

Se pueden disear para cargas bastante ms reducidas y luces menores que

los tradicionales perfiles laminados en caliente.

Se pueden conseguir multitud de formas y secciones, que suponen mejores

relaciones resistencia / peso

Figura 1.2 Mayor ligereza de los perfiles conformados en fro frente a los laminados en

caliente


6

Se pueden disear secciones apilables para almacenaje compacto, de forma

que su embalaje y transporte resultan ms econmicos.

El mecanizado de los mismos durante la fabricacin resulta ms econmico

que en perfiles laminados en caliente.

Su instalacin resulta ms sencilla debido a su menor peso.

La reglamentacin existente trata de caracterizar todos los fenmenos propicios en este tipo

de sistemas estructurales, mediante diversos procedimientos analticos. Hoy en da el

desarrollo de software de anlisis de medios continuos por elementos finitos ha

experimentado una considerable mejora, de forma que el diseo de estos elementos se ve

muchas veces ayudado. Sin embargo, hay situaciones que dichos programas no son capaces de

resolver, bien por la dificultad en la simulacin del elemento y sus condiciones de contorno, o

bien la complejidad en el clculo convergente.

Cabe destacar la complejidad en el diseo y clculo de este tipo de perfiles, principalmente

debida a los siguientes factores:

La gran variedad de formas que se pueden conseguir: el hecho de poder disear infinidad de perfiles con dimensiones distintas, complica la normalizacin del clculo.

Los fenmenos de inestabilidad local que normalmente se producen en las secciones y barras de estos elementos, que son quizs los ms complejos de calcular.

La posibilidad de crear sistemas compuestos mediante la unin de varios de estos perfiles incrementa la dificultad en el clculo, especialmente cuando estas uniones producen concentraciones de tensiones que impiden que se pueda aplicar el principio de Saint-Venant

Muchos sistemas constructivos (p.ej. tipo viga o columna) compuestos por uno o varios perfiles, requieren de la existencia de ensayos para poder establecer criterios y factores aplicables a la norma.

Figura 1.3 Construccin ligera de estructuras para edificacin con perfiles conformados en

fro Steel Framing


7

Normalmente las estructuras se pueden descomponer en partes diferencindose a grandes

rasgos:

- Estructura primaria, compuesta por pilares, vigas primarias y arriostrados

- Estructura secundaria, que suele comprender vigas secundarias, montantes de

pared, y cerramientos de cubierta o fachadas.

- Cimentaciones, que transmiten los esfuerzos al terreno.

Los perfiles conformados en fro han sido utilizados tradicionalmente como elementos de la

estructura secundaria, pero esta tendencia va cambiando y cada vez son ms las aplicaciones

que los utilizan para crear tambin la estructura primaria, especialmente en estructuras

pequeas, donde los perfiles laminados en caliente quedan sobredimensionados, o en otro

tipo de usos que requieren de cierta versatilidad o comodidad en el montaje.

En la actualidad se estn desarrollando algunas estructuras basadas principalmente en perfiles

conformados en fro, las cuales disponen de elementos cuyo diseo y composicin difieren

notoriamente de los recogidos por las reglamentaciones actuales

Son muchos los estudios que se han hecho en este campo para analizar y mejorar el clculo de

los componentes tpicos de este tipo de estructuras como son:

- Uniones

- Elementos verticales sometidos principalmente a traccin o compresin (pandeo)

- Elementos horizontales sometidos principalmente a flexin y cortante.

- Cerramientos con elementos planos lineares (chapas trapezoidales, lamas

metlicas de suelo, pantallas, etc).

Figura 1.4 Diversas configuraciones de elementos estructurales compuestos por perfiles

conformados en fro


8

La tecnologa del acero conformado en fro permite crear perfiles con secciones muy diversas,

con agujeros a lo largo de los mismos de forma econmica y facilitando por tanto la unin

entre estos para formar estructuras complejas.

Son diversos los fenmenos que se pueden dar en estos perfiles al entrar en carga,

especialmente los problemas de inestabilidades debidos a fuerzas de compresin que

provocan pandeo en cualquiera de sus modos: general, distorsional o local (figura 1.5)

Figura 1.5 Modos de pandeo en perfiles conformados en fro

Los estudios y clculos enfocados a estudiar el comportamiento de estos perfiles son muy

numerosos, pero mayoritariamente estn orientados a analizar barras independientes de una

sola pieza o normalmente de 2 en configuracin simtrica, como muestra la figura 1.4. Otros

tipos de estudios ms complejos analizan sistemas compuestos por varios perfiles y sus

uniones.

Los elementos estructurales tipo barra se pueden comportar generalmente como pilares

verticales o como vigas horizontales.

Tambin se ha avanzado mucho en el diseo de uniones resistentes a momento flector,

realizndose diversos ensayos para caracterizar y mejorar la eficacia de estos.

El presente estudio est enfocado en los componentes tipo viga trabajando principalmente a

flexin, teniendo en cuenta que su comportamiento depende mucho de los elementos con los

que interacta como pilares, y elementos de cubierta sobre las vigas.

Ms concretamente, se puede decir que este trabajo ha sido motivado por la necesidad de

analizar el comportamiento de elementos horizontales tipo vigas, sometidos principalmente a

momento flector y esfuerzo cortante, que estn compuestas por varios perfiles atornillados

entre s para formar otra barra ms resistente o ms larga, de forma que las caractersticas


9

mecnicas del mismo varan a lo largo de su longitud, al igual que trata de comprobar que las

uniones entre las piezas son capaces de transmitir las cargas correctamente.

1.1 Planteamiento de los problemas

A continuacin se explican las claves que han motivado el estudio de los sistemas

estructurales, planteados en el siguiente apartado, en este trabajo.

Adems de aspectos meramente econmicos, tambin se comentan otros factores de ndole

funcional que son difcilmente cuantificables, pero que sin duda hacen ms propicios, en

determinadas situaciones, las soluciones planteadas.

El autor del presente trabajo, ha estado desarrollando su actividad profesional en la empresa

Tecro Montadores S.L. (en adelante, TECRO) desde Diciembre de 2007. Esta empresa centra su

actividad en el diseo, fabricacin y comercializacin de sistemas de almacenaje para el

aprovechamiento del espacio. Concretamente, son las entreplantas o altillos los productos en

los que esta firma ha centrado su atencin.

Las entreplantas sobre pilares son un tipo de sistema de almacenaje bastante frecuente

cuando se desea aprovechar la altura disponible en algn recinto cerrado. Estn construidas

principalmente de componentes de acero: pilares, vigas maestras, secundarias y conectores, y

otros elementos que pueden ser de otros materiales, como el suelo portante colocado sobre el

entramado de vigas, lo que compone un forjado ligero cuya capacidad de carga puede variar

entre usos muy ligeros como oficinas o viviendas (200 300/), a otros mucho ms pesados (1000 2000/) En estas plataformas, las cargas que se aplican son casi exclusivamente verticales, habiendo de

considerar mnimas cargas horizontales equivalentes para garantizar la estabilidad lateral

frente a empujes de posicionamiento de mercancas, aceleraciones de los equipos de

manutencin sobre el piso de la entreplanta, etc aunque s se deberan considerar acciones

ssmicas dnde corresponda.

Por tanto, un diseo bastante usado en vigas es configurar sus 2 apoyos como articulados,

crendose as una solicitacin principalmente a momento flector y esfuerzo cortante.

Cuando se dispone de una estructura, en la que los elementos del forjado tienen todos las

mismas alturas y sus dimensiones globales no pueden variar debido a la economa del sistema,

la solucin para resistir mayores esfuerzos debidos a incrementos de carga o de longitud entre

apoyos puede ser aumentar el espesor de la chapa base. En otras situaciones se puede

necesitar que los elementos de la estructura sean ms cortos y ensamblar en obra dichos

perfiles, consiguindose as una instalacin ms sencilla.

En lneas generales se puede decir que son 2 los problemas a estudiar y resolver:


10

1. Economizar el sistema de vigas en entreplantas desmontables a medida, estudiando el

comportamiento de piezas a flexin con refuerzos atornillados, para ofrecer mayor

resistencia en las zonas donde est ms solicitada.

2. Analizar soluciones econmicas para altillos de pequeas dimensiones en ubicaciones

de difcil acceso (desvanes, habitaciones en casas, garajes) donde se precisa algn

sistema de vigas empalmadas, para crear otras piezas ms largas, de forma que el

conjunto se pueda transportar hasta la y ensamblar ms fcilmente.

1.1.1 Sistema de vigas en entreplantas desmontables industriales a medida

Tal y como se ha comentado anteriormente, las vigas primarias y secundarias de este tipo de

forjados ligeros, son calculadas como biarticuladas, por ser su ejecucin mucho ms sencilla a

nivel de clculo y fabricacin. Debe destacarse que este tipo de uniones entre perfiles

conformados en fro (uniones entre viga primaria y pilar, o entre vigas secundarias y primarias)

son bastante peculiares y por lo general no estn estandarizadas (como sucede en los perfiles

laminados en caliente).Por tanto, las normativas de referencia consideradas no permiten un

clculo meramente numrico para determinar la rigidez de estas conexiones, sino que deben

ser determinadas por ensayos documentados. Esto implica grandes costes de desarrollo si se

pretende disear uniones rgidas o semirrgidas, por lo que muchos fabricantes optan por

considerarlas como articuladas.

Figura 1.6 Vigas primarias y secundarias en entreplantas industriales TECRO

Se puede afirmar, por tanto, que todas las vigas se enfrentan a unas condiciones de carga y

contorno similares: biapoyadas en sus extremos y con una distribucin de cargas

uniformemente repartida. Ante estas solicitaciones, una solucin bastante simple utilizada por


11

la empresa TECRO en este tipo de altillos, para cumplir con la resistencia y rigidez necesaria

(estados lmite ltimos y de servicio) es disponer un solo perfil de tipo Sigma apoyado en sus 2

extremos, en el caso de vigas primarias se apoyan en los capiteles de las columnas, y las vigas

secundarias apoyadas en las uniones al alma con las vigas primarias, como puede verse en la

figura 1.6.

Teniendo en cuenta que estos sistemas estructurales utilizan normalmente un abanico de

secciones similares (altura de viga, dimensin del ala) para cubrir un rango de inercias y

momentos resistentes, al calcular las vigas de estas estructuras, el perfil necesario en cada

caso se debe elegir de entre los existentes en esta gama, donde normalmente vara el espesor.

El autor de este trabajo ha percibido la problemtica existente que supone tener que fabricar

multitud de referencias de estos perfiles, especialmente cuando las cantidades de cada

modelo son pequeas. Esta limitacin en la fabricacin es debida principalmente al proceso de

produccin de este tipo de secciones.

En el diseo de estructuras con perfiles conformados en fro, uno de los procesos de

produccin ms comn de este tipo de piezas es la perfilacin o conformado en fro. Este

mtodo consiste en hacer pasar la banda de acero a travs de un tren de conformado en fro,

mediante el cual se le va dando la forma necesaria a la seccin hasta conseguir el modelo de

viga Z, C, Omega, Sigma u otro, como muestra la figura 1.7. Para cada uno de estos se

realiza un montaje distinto modificando el desarrollo de la pieza, espesor, altura o anchura de

las alas.

Figura 1.7 Evolucin de la seccin en el proceso de perfilacin

Este proceso productivo lleva asociados unos costes fijos para cada cambio de seccin en la

perfiladora. Unos tipos de cambios implican mayor coste que otros, debido al tiempo

necesario para ajustar la mquina al nuevo producto.

A la hora de realizar proyectos de tamao normalmente medianos, es interesante reducir el

nmero de referencias de secciones distintas a fabricar, de cara a agrupar ms cantidad de

material para producir.

Los proveedores de este tipo de perfiles, normalmente con varias referencias en sus catlogos,

suelen usa perfiladoras de rodillos (figura 1.8), y buscan el compromiso entre la reduccin de

costes fijos por tiempo de cambio en la mquina perfiladora (cada vez que se cambian los

modelos), y el buen servicio al cliente, ofreciendo un determinado modelo a fabricar en un


12

plazo razonable. Los diversos perfiles se van rotando en la perfiladora, de forma que se

agrupan modelos y se fabrican uno tras otro.

Otro tipo de fabricantes ms especficos pueden tener perfiladoras con casetes, dedicadas a un

modelo o similares de la gama, de forma que los costes fijos de cambios de perfil se minimizan.

Figura 1.8 Proceso de conformado en fro por perfiladora de rodillos

Por consiguiente, a nivel productivo, se debe tener en cuenta que la fabricacin de un

determinado perfil (o gama de estos) se puede suceder a intervalos de tiempo regulares en lo

que se denominan perfilaciones.

Por lo anteriormente expuesto, el hecho de arrojar mltiples referencias en una perfilacin

puede suponer que los costes aumenten para las secciones con poco volumen de produccin o

sencillamente la imposibilidad de fabricar estos perfiles.

Debe tenerse tambin en cuenta que un gran nmero de referencias disponibles implica que el

proveedor deba tener un mayor stock de materia prima para poder acometer en sus

perfilaciones la fabricacin de cualquiera de estas secciones en aras de ofrecer un buen

servicio al cliente en cuanto a fiabilidad productiva se refiere.

1.1.2 Pequeas entreplantas o altillos domsticos La empresa TECRO, especialista en sistemas de almacenaje para el aprovechamiento de

espacio, junto con los autores de este trabajo, han venido percibiendo desde hace tiempo la

necesidad de disear una gama de productos para la creacin de espacios elevados a modo de

entreplantas en espacios pequeos para mbito domstico.

Dicha firma, ha venido desarrollando entreplantas modulares desmontables con vigas de acero

conformado en fro, especialmente en el entorno industrial. Cada uno de estos proyectos es un

diseo a medida, para el cual se precisa de un estudio particular, con una medicin in situ, y


13

una fabricacin especfica que normalmente requiere de una produccin ad-hoc, no pudiendo

disponer de stock de producto terminado, ya que cada obra es distinta. Estos altillos son una

solucin econmica que resulta ms rentable cuanto mayor es el tamao de estos, ya que los

costes fijos de un diseo a medida se diluyen en el monto total del proyecto. Normalmente el

tamao de estas mezzanines puede llegar a miles de metros cuadrados de superficie para

obras en almacenes logsticos grandes.

Para pequeas entreplantas (hasta 30 m2 aproximadamente), como puedan ser altillos de uso

domstico para ser ubicados en una vivienda o local, creando una estancia elevada para ser

usada como dormitorio, habitacin, trastero, etc., los costes por m2 resultan muy elevados

(figura 1.9) con ste u otros sistemas como podran ser:

- Estructura de acero ejecutada en obra con soldadura

- Estructura de acero desmontable

- Estructura de madera desmontable

Figura 1.9 Grfico orientativo del coste por m2 segn el tamao de la entreplanta

Cualquiera que sea la opcin elegida por el cliente, su coste final resulta muy alto al tratarse de

un proyecto exclusivo a medida. El elevado precio de dichas opciones es debido a:

- Costes fijos de un proyecto a medida: Al ser una obra particular, requiere de una

medicin bastante exacta del sitio, un clculo y diseo especficos (con todo lo que

esto conlleva: delineacin y documentacin para la obra). Todos estos servicios

son gastos que normalmente se repercuten al cliente

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000 1200

Co

ste

de

la e

ntr

ep

lan

ta (

/m

2 )

Tamao de entreplanta (m2)

Coste por m2 (/m2)


14

- Transporte de materiales. Los portes hasta la obra de ciertos materiales con

longitudes importantes (mayores de 4m) requieren de un vehculo especial.

Adems, el embalaje de las piezas para su transporte no est muy optimizado,

pues al ser una obra particular no est explcitamente calculado, resultando en un

mayor cubicaje necesario del camin. Por tanto, el precio del transporte bien

puede suponer un 10-20% del precio.

- Instalacin por un profesional. Normalmente estas estructuras se suelen

ensamblar por profesionales, ya que el usuario no est acostumbrado a realizar

tales tareas ni a manejar la maquinaria necesaria. Slo en estructuras muy sencillas

en las que se facilite un manual de instalacin para no profesionales, el usuario

puede acometer el montaje de la misma. Este es por tanto un concepto del precio

total que no se suele eliminar, el cliente est casi obligado a contratarlo, y el precio

del mismo es del orden del 30% del precio final.

Adems estas opciones pueden suponer ciertos problemas como son:

- Acceso de materiales a obra: Si las piezas son demasiado grandes o pesadas, el

movimiento de estas hasta la ubicacin final puede ser complicado o a veces casi

imposible si no se utilizan medios especiales (gras o similares desde la calle)

- Deterioro del sitio durante la ejecucin: Ciertos trabajos de albailera o

soldadura pueden ser molestos para el usuario, provocando daos en el

emplazamiento de la obra. Como ejemplo se puede mencionar que ciertas tareas

como el corte de vigas o la soldadura pueden ensuciar o daar el entorno, al igual

que los trabajos posteriores de pintado y acabados resultan muchas veces

engorrosos.

- Modificaciones en obra: Es por todos sabido que las modificaciones en obra son

algo indeseable pero casi siempre necesarias. Durante el proceso de instalacin se

pueden detectar factores que no se han tenido en cuenta en el diseo o medicin

inicial y que obligan a modificar la estructura, suponiendo sobrecostes y retrasos

en la ejecucin.

Cabe destacar que algunos usuarios optan por la creacin de dichos altillos mediante medios

propios, abastecindose de la materia prima en el creciente mercado local del mundo del

bricolaje. Esta solucin es muy vlida pero requiere de conocimientos tcnicos estructurales

para su clculo y su ejecucin, adems de habilidad como instalador, algo que todas las

personas no tienen o no pueden acceder a ello fcilmente.


15

2 OBJETIVOS Y METODOLOGA

El presente documento se destina a realizar un anlisis comparativo de las normas de

referencias y otros estudios en lo que se refiere a sistemas estructurales basados en perfiles

conformados de chapa delgada unidos o armados entre s mediante tornillos, para formar

otros elementos ms resistentes, ms largos o en general ms verstiles, tenindose en cuenta

el carcter principalmente longitudinal de estas secciones y su comportamiento como

elementos horizontales trabajando como vigas a flexin.

El estudio se centrar en el conocimiento existente sobre este tipo de barras armadas, de

inercia variable con uniones atornilladas entre los elementos que la componen, y su

comportamiento como vigas, y no tanto sobre las uniones de estas con otros elementos. Dado

que existe multitud de produccin cientfica en el campo de los perfiles conformados en fro, el

presente trabajo pretende estar acotado al anlisis de sistemas similares a los descritos ms

adelante:

- Uso exclusivo de perfiles conformados en fro, no laminados en caliente ni

reforzados con otros materiales como CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic)

- Perfiles unidos entre s mediante tornillos y no mediante soldadura

- Elementos tipo vigas horizontales principalmente a flexin, a pesar de que estos

mismos componentes podran trabajar como pilares en posicin vertical para los

cuales la compresin por pandeo general sera muy crtica.

Se analizarn las principales normas relativas a estos perfiles y su diseo, as como las

investigaciones publicadas basadas en ensayos o modelos que permitan predecir el

comportamiento de estas.

Para poder focalizar la bsqueda de informacin en normativas y otro tipo de produccin

cientfica, en este apartado se presentan las soluciones planteadas por el autor para la firma

TECRO, mediante las cuales se pretende dar solucin a la problemtica existente en las

aplicaciones descritas en el apartado anterior. Se describirn algunos sistemas de vigas

armadas entre s que hacen que el producto final sea ms competitivo, reduciendo costes, u

ofreciendo caractersticas que otros sistemas no permiten.

De esta forma se trata de acotar o delimitar la bsqueda de informacin en estas normas y

trabajos de investigacin, centrndose en el anlisis de elementos como los sealados.

Por otro lado, este estudio ofrece un primer acercamiento a la economa de los sistemas

propuestos y a las ventajas de los mismos. Estos aspectos son los que al fin y al cabo han

motivado el trabajo, y que precisarn de un estudio posterior ms exhaustivo.


16

2.1 Planteamiento de los sistemas estructurales propuestos

Se pretende dar solucin a la problemtica existente comentada en el apartado 1.1, y estudiar

si los sistemas expuestos a continuacin pueden ser calculados siguiendo alguna de las

normativas existentes, o bien existen otros sistemas similares que puedan ayudar al diseo de

estos elementos.

A continuacin se presentan los sistemas a analizar en este trabajo

2.1.1 Vigas reforzadas para entreplantas desmontables a medida En el caso de vigas horizontales a flexin en altillos o plataformas industriales desmontables,

donde la configuracin de las cargas y condiciones de contorno de estos elementos es muy

similar en todos los casos, se presenta un tipo de viga reforzada, basada en la unin de varios

perfiles conformados en fro mediante tornillera que permite optimizar la estructura

solventando los problemas encontrados en el apartado 1.1.

Hacer posible que el perfil principal se refuerce con otro a lo largo de la directriz de la

pieza, para poder conseguir piezas ms resistentes que con una sola seccin y en

algunos casos ms econmicas por un menor consumo de acero, ya que como se

indicar ms adelante se trata de reforzar la viga principal en las zonas ms solicitadas.

Conseguir un diseo del producto ms flexible, que pueda ayudar a agrupar ms

cantidad de material por referencia, disminuyendo a la vez el nmero de estas. Por

tanto, se puede economizar la estructura e incluso la logstica por reposiciones u otros

improvistos a solventar. Se plantea la posibilidad de modificar el sistema estructural

para que, en vez de arrojar un gran nmero de tipos de perfiles (por ejemplo, con 6

espesores distintos desde 1,5 a 5mm), ofrezca menos referencias (dganse 3 o 4) con

mayor cantidad en cada una de ellas, consiguiendo as un menor coste global por

reduccin de los costes fijos en la fabricacin.

En un anlisis inicial, estas vigas reforzadas se compondrn de 2 perfiles de canal abierto

armados entre s, bien sean estos de tipo sigma o C (por ser estos 2 tipos los ms utilizados

en aplicaciones de vigas a flexin), atornillados por su alma back to back a lo largo de la

longitud de la pieza. Puesto que este tipo de perfiles se fabrica fcilmente con agujeros a lo

largo de su seccin (el coste en este tipo de secciones es relativamente econmico por

realizarse en una etapa intermedia del proceso de conformado en fro), es fcil unir 2 de estos

perfiles por su alma y conseguir as otra pieza compuesta por varias secciones.


17

Figura 2.1 Dos perfiles C unidos por su alma

Es especialmente interesante el caso de vigas de seccin variable formadas con este mismo

sistema, pero considerando una de las vigas como la principal y la otra como refuerzo, de

forma que la seccin del conjunto vara a lo largo de la longitud. Estos refuerzos se sitan a lo

largo de zonas de la viga donde la solicitacin es mayor.

Esta idea es relativamente antigua, tal y como comenta Berrocal [1] consiste en reforzar la viga

variando la seccin del perfil a lo largo del mismo, consiguiendo as que la inercia del conjunto

sea mayor en las zonas ms solicitadas, como muestra la figura 2.2

Figura 2.2 Viga de seccin variable [1]

Tradicionalmente esta situacin se ha dado con luces grandes entre apoyos y perfiles

laminados en caliente, los cuales se reforzaban mediante platabandas soldadas a sus alas,

modificando la inercia de la barra a lo largo de la longitud.


18

Tal y como muestra la Figura 2.2, este sistema se puede adaptar a la distribucin de momentos

requerida mediante la adicin de ms platabandas para conseguir y de esta forma discretizar

por tramos la seccin de la viga para conseguir una seccin distinta en cada uno de estos. En el

caso de barras horizontales biapoyadas trabajando a flexin, el tpico diagrama de momentos

flectores cuando estas se enfrentan a situaciones de carga vertical uniformemente repartida,

responde a una parablica con el mximo valor en el punto central.

Siguiendo esta idea, y teniendo en cuenta que en las aplicaciones descritas no se puede

modificar muchas de las medidas generales del perfil (altura de la viga, posicin de agujeros),

se propone reforzar el perfil con otra pieza que unida al exterior del alma del perfil le confiera

una mayor resistencia y rigidez en determinadas zonas, obtenindose una pieza de inercia

variable, tal y como muestra la figura 2.3.

Ya se ha comentado que uno de los motivos para utilizar este sistema de vigas armadas es

reducir el nmero de tipos de secciones a fabricar, por lo que estas piezas denominadas

refuerzos sern de la misma gama, tratando as de usar las mnimas referencias.

Figura 2.3 Viga armada de inercia variable (principal + refuerzo) planteada por TECRO

La unin entre la viga principal y el refuerzo se puede plantear de 2 formas:

Conexin continua a lo largo de las perforaciones de las piezas en sentido

longitudinal

Uniones localizadas en ciertos puntos del refuerzo (como se muestra en la figura

2.3): en 3 puntos articulados como mnimo para poder transmitir un momento

flector. Deber tenerse en cuenta que el optar por la segunda alternativa puede

generar cargas puntuales que en este tipo de perfiles producen fenmenos de

inestabilidad locales.


19

2.1.2 Vigas empalmadas con uniones intermedias para pequeos altillos domsticos

Se comenta a continuacin las alternativas estudiadas para dar solucin a los problemas

comentados en el apartado 1.1.2, y conseguir un producto apropiado y econmico para la

creacin de pequeas entreplantas domsticas.

Se propone estudiar el diseo de una viga cuya longitud total se consiga mediante la conexin

de varios perfiles conformados en fro, con seccin tipo C, Z o Sigma, de forma que el

tamao de cada una de estas piezas no supere un determinado valor a definir, que ser el

apropiado para poder transportar e instalar la estructura de forma econmica y cmoda

respectivamente.

Cabe pensar en 2 tipos de sistemas de vigas con uniones intermedias:

Uniones fijas entre piezas que hacen que la viga final tenga una longitud

determinada, debiendo cortar el conjunto final para obtener el tamao adecuado

a su ubicacin.

Uniones con solape entre vigas. En esta solucin los perfiles que componen la

pieza final encajan y permiten deslizar uno sobre otro solapndose en las uniones.

Por tanto, el cliente final podra modificar la longitud de la seccin compuesta sin

necesidad de cortar ninguna pieza

El presente estudio se orientar hacia la segunda opcin, ya que desde el punto de vista de

calidad del producto final, se valora muy positivamente el hecho de que el usuario no tenga

que realizar ninguna operacin de modificacin de piezas (corte, soldadura, etc) que resultan

siempre incmodas para alguien no habituado a este tipo de trabajos. Si bien cabe destacar

que en la opcin elegida, los perfiles necesarios para formar la viga final deben ser un poco

ms largos, por deber disponer de una distancia extra para realizar el solape.

En este sistema de vigas desplazables con uniones en solape, se plantean a su vez 2 posibles

sistemas de fijacin en las uniones:

Tornillera ordinaria: los perfiles dispondrn de perforaciones en una o varias filas

a lo largo de la directriz de las piezas a unir, de forma que se puede ajustar la

longitud total de la viga (a intervalos iguales a la distancia entre agujeros) fijando la

unin solapada mediante tornillos.

Tirafondos autotaladrantes: cabra la posibilidad de realizar la unin en cualquier

punto de la viga, pudiendo de esta forma conseguir la longitud de viga deseada.

El inconveniente de la primera opcin es mayormente el precio, ya que las piezas deben

disponer de multitud de taladros para que el sistema permita una regulacin de la longitud.

Otra desventaja ya mencionada es que la viga no puede tomar cualquier valor de longitud, sino

que est condicionada por la distancia entre agujeros en direccin longitudinal. Es decir, la

longitud total est discretizada por tramos.


20

La principal ventaja de este sistema es la comodidad desde el punto de vista del usuario, quien

no debe realizar ninguna perforacin en las piezas, slo utilizar los agujeros existentes y unirlas

mediante tornillos ordinarios, que no precisan del control del par de apriete. Adems, las

uniones con tornillos suelen tener mayor resistencia que las realizadas por tirafondos

autotaladrantes.

Con la segunda opcin se puede conseguir la distancia deseada de viga, pero la unin en el

solape resulta ms incmoda y menos segura de realizar para un cliente particular, tanto

desde el punto de vista de prevencin de riesgos durante la instalacin, como desde el punto

de vista estructural, ya que se deja libertad en la colocacin de los tirafondos, y esto podra

implicar defectos en la forma de ensamblarlo (sin respetarse las distancias mnimas entre

tirafondos y bordes libres).

Consideramos ms acertado plantear el diseo del sistema con la primera opcin, que a pesar

de ser ms costosa, dota al producto de un valor aadido en cuanto a calidad, sencillez y

seguridad.

El estudio debe centrarse en vigas apilables o telescpicas conformadas en fro con uniones en

solape mediante tornillera. Este tipo de uniones deben ser capaces de resistir y transmitir los

esfuerzos flectores que se originan a lo largo de la viga (de forma que pasen de una pieza a

otra). Es interesante determinar las caractersticas de dicha unin, tratando de modelar su

comportamiento con curvas momento rotacin, e intentar que sea lo ms rgida posible ya

que esto afectar en gran medida a la flecha de la pieza, un criterio a tener siempre en cuenta.

La viga en cuestin se compone de 2 elementos telescpicos (podran unirse 3 o ms para

crear piezas ms largas) que tienen una seccin del perfil que encaja una dentro de la otra,

permitiendo reducir el conjunto a la distancia deseada, adems de aumentar su capacidad

portante, no solo por una menor solicitacin debida a la reduccin de la distancia entre

apoyos, sino tambin por un incremento de la resistencia del perfil al disponer en buena parte

de su longitud de una seccin doble.

Figura 2.5 Vigas telescpicas solapadas para entreplantas de pequeas dimensiones


21

En la figura 2.5 se puede apreciar el sistema de vigas telescpicas con seccin C.

Queda por determinar la disposicin exacta de los tornillos en la seccin de los perfiles

(posicin en el alma, alas, etc). Como primera idea se plantear que la unin entre las 2

secciones se realiza mediante tornillos dispuestos en 2 filas de agujeros a lo largo de los

perfiles en el alma de los mismos. Este tipo de unin, por los esfuerzos locales que genera en

estas vigas conformadas en fro, produce fenmenos de inestabilidades locales, los cuales se

pretenden predecir con las normas de referencia actuales.

Una vez definida a grandes rasgos la solucin inicial, inmediatamente surge la cuestin de

cmo abordar el clculo de estas vigas con esa unin peculiar, tal y como Ghosn y Sinno

comenzaron a plantearse en 1995 al abordar el problema de las correas Z de cubierta con

solapes [33] y [34].

Se puede resumir que tras este primer anlisis, el autor junto con la firma TECRO han

planteado una gama de productos llamada Tecrostar, los cuales son en esencia entreplantas

con vigas y pilares telescpicos extensibles que permiten ajustar el tamao de la estructura

entre unos lmites.

Las vigas de estas entreplantas estn compuestas por 2 o ms piezas telescpicas con forma de

C, que deslizan una dentro de la otra, permitiendo de esta forma ajustar la longitud al tamao

deseado. Dado que son elementos estructurales importantes, su resistencia ha de ser

garantizada.

Gracias a este diseo, el mismo producto puede ser utilizado en multitud de configuraciones y

es apto para varios emplazamientos. Por tanto, se puede disponer de un stock y servir el

producto en tiempo record.

Figura 2.6 Grfico comparativo del coste por m2 de una entreplanta a medida frente a un

altillo prefabricado (Tecrostar)

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200

Co

ste

de

la e

ntr

ep

lan

ta (

/m

2 )

Tamao de entreplanta (m2)

Coste por m2 TECROSTARA MEDIDA


22

La economa de este sistema no radica en la reduccin del consumo de acero de su

configuracin estructural, sino en otros factores que tienen que ver con costes indirectos que

hacen del proyecto final una solucin ms econmica y funcional. Los ms importantes son:

Reduccin de costes fijos de un proyecto a medida. Al ser un producto en kit, no

lleva asociados costes fijos de un trabajo a medida: mediciones, clculos, me

Logstica ms sencilla. Gestionar un producto estndar en kit es mucho ms simple

que un proyecto a medida, con un control de plazos muy exacto.

Transporte ms econmico. Al tratarse de un sistema con piezas pequeas, su

embalaje es bastante compacto y el transporte se puede hacer por medios ms

econmicos.

Instalacin en obra. Al eliminar soldaduras, apoyos en muros tipo mnsulas, u

otros trabajos como el pintado, el coste de la instalacin es menor. Adems, al ser

un producto orientado al usuario domstico las instrucciones de montaje son

sencillas y no se precisa personal especializado para este trabajo, pudiendo

acometer el cliente su ejecucin.

Flexibilidad ante posibles modificaciones. Los costes por modificaciones en obra

debidas a imprevistos son algo comn en obras. Gracias a la versatilidad del

sistema, que permite extender o recoger las vigas y pilares, adems de modificar la

posicin de pilares, las mediciones no son tan crticas y se puede modificar in situ

sin coste extra.

Adems un sistema de este tipo ofrece otras ventajas como son:

Plazo de entrega. Un aspecto fundamental en los tiempos que corren. Al disponer

de productos en stock, la inmediatez en la entrega es un punto muy fuerte,

teniendo en cuenta que una entreplanta a medida puede tardar en fabricarse

entre 1 y 2 meses, mientras que este producto se recibe en una semana.

Instalacin mucho ms limpia y segura. El cliente no se debe preocupar por

posibles desperfectos ocasionados durante la instalacin, como manchas del

pintado o chispas por soldaduras, adems de ser ms seguro, ya que no se necesita

hacer cortes en las piezas o soldar.

Acceso a obra. El movimiento de los materiales hasta el local puede ser un

problema si este se encuentra situado en una habitacin de un piso elevado, y las

piezas son de gran tamao (unos 4m). Con este sistema ningn componente mide

ms de 2.4m ni pesa ms de 40kg, por lo que su manipulacin resulta mucho ms

cmoda.


23

3 ANLISIS DE NORMAS DE REFERENCIA

A continuacin se presenta una visin global de la normativa sobre clculo y diseo de perfiles

conformados en fro de chapa delgada, y de sistemas estructurales basados en estos.

El clculo de perfiles conformados en fro de chapa delgada es cada vez tratado con mayor

dedicacin en las normativas de construccin con acero, debido a su mayor uso y a la

complejidad del mismo.

Existen multitud de reglamentaciones en distintos pases que abordan el estudio de este tipo

de estructuras, las cuales presentan peculiaridades debidas al poco espesor de la chapa con la

que se forman que provocan inestabilidades locales ante varios tipos de esfuerzos.

Las normas ms bsicas limitan el diseo de estos perfiles al detectar problemas que provocan

efectos desestabilizadores en los perfiles y barras que son demasiado complejos de tratar, o

para los cuales no hay disponibles ensayos a los que recurrir. Otras normativas ms avanzadas

van ms all, siempre apoyadas por una mayor experiencia en el campo de su industria y

centros de investigacin, y abren un mayor abanico en el diseo de este tipo de sistemas

estructurales definiendo minuciosamente estos fenmenos.

En este captulo se tratar de dar una visin global de las normativas de referencia en este

campo, en distintos mbitos geogrficos.

A nivel estatal:

El actual Cdigo Tcnico de la Edificacin (en adelante CTE), en su Documento Bsico

Seguridad Estructural - Acero [2] (en adelante CTE [2]) ha sido desde 2006 un nuevo referente

en el diseo de estructuras de acero para edificacin, unificando criterios con Europa al

basarse en los Eurocdigos, y aadiendo conceptos importantes a la anterior Norma Bsica de

la Edificacin NBE EA95 Estructuras de acero en la edificacin [3]. En 2009 se aprob una

modificacin de este documento, consistente en la correccin de errores de la anterior

versin.

La reciente normativa tcnica denominada Instruccin de Acero Estructural [4] (en adelante

EAE [4]), es desde 2011 un marco reglamentario para el diseo con acero de carcter ms

general y completo, que adems de ampliar los contenidos tcnicos de CTE [2] en la lnea de la

normativa comunitaria de los Eurocdigos, generaliza su utilizacin a estructuras de ingeniera

civil, no slo de edificacin, como establece el CTE. Estas mejoras de la EAE se vern

complementadas en la prxima revisin del citado Documento Bsico CTE [2], cuyo mbito de

aplicacin se limitar a estructuras de acero de edificacin convencional.

Actualmente ya existe esa nueva propuesta de modificacin de CTE [2] con fecha de

septiembre de 2011, pero todava sin aprobar por ningn Boletn Oficial del Estado ni Real

Decreto, en la cual se limita bastante el alcance de esa norma a las estructuras de acero ms

tpicas en edificacin convencional (principalmente perfiles laminados en caliente). El tamao

de esta nueva modificacin pendiente de aprobacin es bastante ms reducido que la


24

anterior, remitindonos al uso de la EAE [4] para el diseo de otro tipo de estructuras o

sistemas distintos a los contemplados.

A nivel comunitario:

Los Eurocdigos son ya el referente en cuanto a normativa de construccin europea.

Inicialmente comenzaron en la dcada de los 80 como Normas Europeas Experimentales

(prEN), y en la dcada de los 90 se fueron publicando las Normas Europeas (EN) definitivas.

En lo que respecta al diseo de estructuras de acero, se aplica en lneas generales el

Eurocdigo 3 EN 1993. Eurocode 3: Design of steel structures [5], que junto con otros

documentos bsicos (Basis of structural design [6], Actions on structures [7], etc) permiten el

diseo de este tipo de sistemas. Esta norma es en realidad un cmputo de 20 partes que

cubren aspectos diversos como: reglas generales, resistencia frente al fuego, puentes, tanques

edificios, etc.

Entre ellas se encuentra el documento especfico aplicable para perfiles y chapas de paredes

delgadas conformadas en fro, EN 1993-1-3:2006. Eurocode 3: Design of steel structures Part

1-3: General Rules - Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. [8] (en

adelante EC3 [8]), que establece criterios adicionales para el clculo de estos elementos y sus

uniones.

A nivel extracomunitario:

Son varios los pases que ya cuentan con una normativa especfica en este campo, entre ellos

Reino Unido [26] (BS5950: Part 5, en adelante BS [26]), Australia [9], Turkia [10] o EEUU, el cual

probablemente posee la institucin ms avanzada en el sector del acero, la AISI American Iron

and Steel Institute (AISI), cuyas especificaciones han sido adoptadas como estndares

nacionales de EEUU, Canad y Mxico, adems de otros pases del continente americano que

las han seguido en mayor o menor medida.

Esta reglamentacin norteamericana es muy extensa y se divide en distintos sectores de la

industria, como son el automvil, militar, energa, construccin, puentes, etc. El sector AISI de

la construccin es el que concierne al estudio tratado en este trabajo.

En concreto, dentro de esta rama de la construccin hay un documento denominado AISI

S100-2012 North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural

Members [11] (en adelante AISI [11]), que detalla el diseo de elementos estructurales de

acero conformado en fro. Cabe destacar que esta normativa, adems de definir el diseo de

parmetros generales de estas estructuras, toca muy de cerca casos prcticos especficos

bastante desarrollados y extendidos en la industria norteamericana.

3.1 Normativa estatal: CTE y EAE La normativa estatal ha tratado tradicionalmente de resolver los tpicos problemas

estructurales contemporneos, y a medida que la industria ha ido desarrollando nuevos tipos


25

de perfiles y sistemas, la reglamentacin se ha ido adaptando creando reglamentacin

especfica.

La entrada en vigor del CTE, en el ao 2006, fue un gran avance pues comenz a seguir las

lneas europeas de diseo y clculo, contemplando los mismos o muy similares parmetros en

cuanto a acciones, materiales, bases de clculo, etc.

Esta normativa es un cmputo de varios Documentos Bsicos, entre los que se encuentran los

siguientes que corresponden al anlisis estructural de estructuras de acero en edificacin:

CTE [15] Documento Bsico Seguridad Estructural. CTE DB-SE, que establece las reglas

y procedimientos para cumplir las exigencias bsicas de seguridad estructural, como

son el anlisis estructural, dimensionado, tipos de verificaciones, combinacin de

acciones

CTE [16] Documento Bsico Seguridad Estructural Acciones en la edificacin. CTE DB-

SE-AE, en dnde se establecen los tipos de cargas y acciones a considerar y sus valores

representativos.

CTE [2] Documento Bsico Seguridad Estructural Acero. CTE DB-SE-A, que indica las

consideraciones particulares para este tipo de material.

En su documento referente al acero CTE [2], se ampli y mejor varios captulos, como por

ejemplo el de las uniones, y el anlisis estructural, en el que incluy conceptos nuevos que

permitan clasificar las secciones segn su esbeltez. Para las secciones ms compactas, se

permiti el anlisis plstico de estas, consiguindose una economa de la estructura al permitir

aprovechar la reserva plstica y redistribucin de esfuerzos. Por el contrario, en las ms

desfavorables se empez a detectar problemas derivados de los fenmenos de inestabilidad

local de estas secciones.

Este documento introdujo el concepto de la clasificacin de las secciones en funcin de su

capacidad de formacin de rtulas plsticas (aprovechamiento de la resistencia plstica del

material), directamente relacionada con la esbeltez del material.

Para secciones esbeltas tipo 4 se platea el mtodo del ancho eficaz para limitar su capacidad

resistente ante inestabilidades locales, y por tanto abri un apartado para clculo especfico de

perfiles conformados en fro de chapa delgada, con capacidad de plastificacin nula o limitada.

En este apartado penalizaba dichos elementos, por producirse deformaciones bajo situaciones

de carga que producen efectos de segundo orden como son la abolladura del alma o el pandeo

local y lateral

El anlisis de estas secciones esbeltas (clase 3 o 4) limitaba su comportamiento en el rgimen

elstico, sin permitir por tanto llegar al lmite plstico de las secciones. Tampoco permita

valorar el aumento de resistencia que se produce en el proceso de conformado en fro de

estos productos.


26

Adems tambin incorpor mecanismos bsicos mediante los cuales se podan comprobar

este tipo de elementos, siempre respetando unos ciertos lmites dimensionales, o disearlos

con rigidizadores cuando no se cumplan estos lmites.

En el ao 2011 se public la nueva EAE [4], la cual defini ms ampliamente la forma de

disear y ejecutar los proyectos de estructuras de acero, no solo para uso constructivo, sino

tambin para otros usos de ingeniera civil o industrial. Esta norma contempl ciertos cambios

en el anlisis estructural y comprobaciones de las estructuras de acero.

Figura 3.1 Clasificacin de secciones y sus leyes de momento-curvatura en relacin al anlisis

global permitido [4].


27

Simultneamente se present una propuesta de modificacin del CTE [2], en la cual se acota el

mbito de aplicacin de este documento para los sistemas constructivos en edificacin ms

comunes que suponen en Espaa el 95% de los ejecutados. Para los sistemas o elementos no

contemplados, se remite al uso de la EAE. Se excluyen por tanto del clculo los puentes, silos y

otras construcciones singulares. Tambin se limita el mbito de aplicacin para perfiles

laminados en caliente de clases 1, 2 o 3, excluyendo los perfiles esbeltos de clase 4, cuyo

diseo se debe realizar siguiendo las indicaciones de la EAE

En lo concerniente al presente estudio de sistemas estructurales basados en perfiles

conformados en fro de chapa delgada, la EAE tambin ha ampliado el campo del diseo con

perfiles conformados en fro siguiendo las indicaciones del EC3 [8].

Esto se hace presente en el captulo XV de EAE [4], denominado Elementos estructurales,

Artculo 73 Estructuras Ligeras, en el cual se definen estas estructuras como Estructuras de

acero ligeras constituidas por perfiles y chapas conformadas en fro. Debido al reducido

espesor de la chapa y de su proceso de elaboracin, este tipo de piezas tienen una serie de

consideraciones especiales en este apartado de la norma.

Es de destacar que ambas normas espaolas (CTE y EAE) siguen las directrices europeas de

clculo de acero establecidas en el EC3, acotando en gran parte los contenidos de este, y

refirindose a la norma europea para aspectos del diseo ms concretos los cuales no se

detallan en las normativas nacionales.

A continuacin se enumeran y comparan los aspectos ms importantes en el diseo de perfiles

conformados en fro segn las 2 normativas estatales (EAE y CTE)

Tipos de aceros empleados:

EAE Se admite una amplia gama de materiales base, entre los que se encuentran productos

pregalvanizados (recubiertos en continuo por inmersin en caliente UNE EN 10346), y de alto

lmite elstico.

Adems, se acepta otro tipo de acero siempre que cumpla con ciertas condiciones de

ductilidad y elongacin.

Los espesores admitidos son de 0,45 mm a 15 mm

CTE Esto supone una ampliacin de los lmites de diseo de estos perfiles, ya que en CTE SE-

A no se permita un espesor inferior a 0,75 mm (apartado 5.2.4 Anlisis estructural. Modelos

del comportamiento estructural. Tipos de seccin. Punto 4)

Espesor de clculo:

EAE Se debe tener en cuenta la influencia del revestimiento protector y de las tolerancias

de fabricacin.

CTE Slo indica que para chapas conformadas en fro el espesor ha de ser el neto, sin capa

de proteccin.

Modificacin parcial del lmite elstico.


28

EAE Se admite para ciertos casos un aumento de la resistencia mecnica del acero, debida

al proceso de deformacin en fro de pliegues y esquinas. Esta nueva tensin de lmite elstico

promedio modificada no podr ser nunca superior al valor medio entre el lmite elstico bsico y el lmite ltimo

+ 2 Adems dicha tencin modificada podr usarse slo en las comprobaciones rente a estados

lmites ltimos de las secciones, y no frente a comprobaciones de inestabilidades de barras

(cargas concentradas, pandeo, abolladura por cortante)

Esta caracterstica representa tambin una novedad frente al CTE.

CTE No se permite la utilizacin de esta capacidad resistente extra que proporcionan las

tensiones residuales del conformado en fro (apartado 6.1 Estados lmite ltimos.

Generalidades. Punto 3)

Relaciones admisibles anchura / espesor

EAE Se definen unas relaciones mximas entre el ancho de elementos de la seccin (alas,

almas o pliegues rigidizadores) de forma que no deben superarse para poder aplicar los

criterios de esta norma.

Tabla 3.1 Relaciones admisibles anchura/espesor para distintos elementos de una seccin

[4].


29

Adems se define otra relacin muy importante en las secciones, que no depende del espesor

de la chapa, sino de las longitudes de los pliegues en relacin al ala que rigidizan:

0,2 0,60,1 0,3

Cabe destacar que esta nueva definicin de lmites supone un avance en el diseo, pues

permite disear perfiles ms esbeltos.

Indica tambin de forma muy escueta que para radios interiores de un pliegue, se puede

tomar como aristas vivas si este no supera 5 veces el espesor de la chapa, y a una dcima parte

de la longitud del elemento contiguo.

CTE Establece limitaciones menos estrictas en cuanto a la anchura de elementos rigidizados

y libres (CTE SE-A en su apartado 5.2.4 Anlisis estructural. Modelos del comportamiento

estructural. Tipos de seccin. Punto 5).

Tabla 3.2 Relaciones admisibles anchura/espesor para distintos elementos de una seccin

[2].

Se puede ver en la Tabla 3.2 cmo en algunos casos los lmites de diseo son ms estrictos en

CTE [2]: un borde libre pasa de tener 30 50, para un borde rigidizado, se aclara la definicin de tipos de rigidizador, en funcin de si este dispone de pliegue adicional 90 o no 60. Esta norma tampoco inclua la limitacin alguna entre longitudes de pliegues y labios con

respecto al ala que rigidizan, tal y como se comentaba anteriormente.

Combadura de las alas

EAE Este fenmeno se describe por primera vez en la norma nacional, cuantificando el

efecto y estableciendo un lmite para su no consideracin ( 5% del canto).


30

Figura 3.2 Fenmeno de combadura de alas [4].

CTE Este comportamiento no estaba definido en el CTE SE-A

Efecto del arrastre por cortante

EAE En esta instruccin se describe ampliamente el fenmeno de la alteracin de las

tensiones normales de las alas producido en perfiles de baja relacin luz / ancho de alas,

denominado arrastre por cortante.

El artculo 21 aborda este tema en profundidad, y el 73.8 simplifica su utilizacin para los

perfiles conformados en fro de chapa delgada, estableciendo un ancho de ala equivalente que

representa el incremento de la tensin normal en las alas.

Tabla 3.3 Anchura eficaz por arrastre por cortante [4].

CTE Anteriormente el CTE no haca mencin explcita a este efecto. Es reseable el indicar

que la nueva revisin del documento no aprobada todava remite a la EAE para su

comprobacin.

Abolladura por tensiones normales

EAE Dado que las tensiones de compresin producen en almas y alas de chapas delgadas

efectos de pandeo local (o abolladura) y pandeo distorsional, esta norma tiene en cuenta estos

efectos en la caracterizacin de los perfiles reduciendo su seccin neta en una seccin

reducida, con anchos eficaces dependiendo del tipo de elemento de la seccin (interior con 2

bordes apoyados, exterior con un borde libre). Para describir este efecto, se define el siguiente

procedimiento:

1. la tensin crtica de abolladura: !"" = $%!& 2. esbeltez relativa del elemento: '( = ) *+%", 3. factor de reduccin - y ancho reducido de elemento: .* = - "


31

En estas comprobaciones no se permite tener en cuenta el aumento del lmite elstico

indicado anteriormente.

CTE Este documento tiene en cuenta esta limitacin en secciones de clase 4, y utiliza el

mismo mtodo del ancho reducido de elementos de la seccin para su consideracin,

calculando para ello los mismos parmetros (tensin crtica de abolladura, esbeltez relativa y

factor de reduccin) de forma muy similar.

Figura 3.3. Reduccin del ancho de elementos por abolladura por tensiones normales de

compresin [2].

Abolladura por tensiones tangenciales.

EAE Las solicitaciones a cortante producen en este tipo de elementos una abolladura del

alma. Este efecto se tiene en cuenta y se define la capacidad a cortante del alma. El clculo de

esta capacidad tiene en cuenta entre otros parmetros la esbeltez relativa del alma a cortante

y un coeficiente de abolladura 0. En estas comprobaciones no se permite tener en cuenta el aumento del lmite elstico

indicado anteriormente.

CTE La formulacin para determinar la limitacin de carga por este fenmeno es similar a la

del EAE, pero ms generalista ya que est pensada principalmente para perfiles laminados en

fro. Como ejemplo de esto, se puede ver como al considerar el rea del alma a cortante

(altura del alma por espesor del alma), esta norma no tiene en cuenta el ngulo entre ala y

alma, mientras que la EAE s.

Estado lmite ltimo. Resistencia de las secciones

EAE Para la resistencia de las secciones, estas estructuras ligeras se comprobarn

contemplando los criterios generales del captulo IX, as como la interaccin de esfuerzos,

teniendo en cuenta la seccin reducida que corresponda.

Se permite en estas comprobaciones la utilizacin del lmite elstico incrementado debido al

proceso de conformado en fro.


32

En los casos de flexin donde se produce el comienzo de la plastificacin en la zona

traccionada antes que en la comprimida, se puede utilizar la reserva plstica de esta zona sin

ninguna limitacin de deformacin 1. Esto es vlido incluso para secciones de clase 4.

Figura 3.4. Distribucin plstica de tensiones en la zona traccionada.

En el caso de secciones de clase 3, se permite una resistencia a flexin mejorada aprovechando

parte de la reserva plstica del acero, obteniendo un mdulo resistente a flexin mayor que el

elstico pero menor que el plstico.

CTE Los criterios verificados son algo menores a los de la EAE. Se hacen teniendo en cuenta

la posible reduccin eficaz de las secciones. No se comprueba el arrastre por cortante, as

como tampoco contempla el posible aumento del momento resistente a flexin en secciones

de clase 3 o 4 por aprovechamiento de la reserva plstica en ninguno de los 2 casos

comentados anteriormente.

Las comprobaciones no son tan exhaustivas como en la EAE, como ejemplo puede verse la

comprobacin frente a momento torsor (en sus dos componentes: Saint-Venant y alabeo)

Estado lmite ltimo. Inestabilidades. Resistencia de las barras a pandeo

EAE El pandeo se estas secciones se calcula segn los criterios tradicionales (Artculo 35),

teniendo en cuenta que para secciones de clase 4 se han de utilizar las caractersticas

geomtricas eficaces. Adems, dado que la estabilidad torsional es escasa en este tipo de

perfiles abiertos, debe comprobarse el pandeo por torsin y flexin en secciones cuyo centro

de gravedad no coincide con el de los esfuerzos cortantes.

Figura 3.4. Secciones proclives al pandeo por torsin y flexin [4].


33

La tabla 3.4 muestra las curvas de pandeo a utilizar en funcin del tipo de seccin conformada

en fro.

En estas comprobaciones no se permite tener en cuenta el aumento del lmite elstico

indicado anteriormente. Excepcionalmente, para un determinado caso con 2 Cs en cajn, se

puede usar el lmite elstico mejorado siempre y cuando el rea reducida coincida con la bruta

(totalmente eficaz).

Una consideracin especial se hace para correas de fachadas o cubiertas fijadas a chapas

trapezoidales perfiladas, las cuales pueden considerarse con una de sus alas (la de fijacin)

continuamente arriostrada si se verifica que la rigidez de la chapa es suficiente.

Para elementos a flexin o compresin con seccin variable a lo largo de su directriz, el

dimensionamiento y comprobacin frente a pandeo general y/o lateral ha de hacerse

mediante un anlisis en segundo orden.

Tabla 3.4 Curvas de pandeo especiales para secciones conformadas en fro [4].


34

CTE Este tipo de comprobaciones estn muy orientadas a los sistemas tradicionales de

construccin con acero en edificacin, y la norma contempla casos especficos como pilares de

edificios, elementos triangulados, barras de seccin compuesta y otros casos que tambin son

recogidos por la EAE.

Sin embargo, este documento no cubre el fenmeno de pandeo por torsin, que como bien

indica, suele afectar a piezas generalmente abiertas de pared delgada.

Por otra parte, define mejor la determinacin del momento crtico elstico de pandeo lateral.

Estado lmite de servicio

EAE Se define un momento de inercia ficticio para calcular los estados lmite de servicio.

Puesto que las propiedades geomtricas de una seccin reducida de clase 4 varan con la

tensin, los elementos pasan a tener una geometra e inercia variable, que puede considerarse

como una inercia continua ficticia.

Esto beneficia al clculo frente a deformaciones de perfiles esbeltos como suelen ser los

conformados en fro.

Cuando se realice un anlisis global basado en ensayos (numricamente slo se permite un

anlisis global elstico) se puede producir una redistribucin plstica en estado de servicio. En

el caso de apoyos intermedios de vigas continuas, la comprobacin de flector junto con carga

local en la reaccin no debe exceder de 0,9 el valor de la resistencia de diseo

Hace mencin especial al caso de sistemas continuos de correas con solapes (similar al

planteado en 2.1.2), donde debe preverse el aumento de la deformacin por deslizamiento de

los tornillos en las uniones del empalme.

CTE No define consideraciones especiales para este tipo de estructuras ligeras con perfiles

conformados en fro de clase 4.

Uniones

EAE En el Artculo 73 Estructuras ligeras se definen varias consideraciones generales en

las uniones, as como los medios de unin especficos para estos tipos de perfiles.

Algunas indicaciones interesantes son:

- Otros medios de unin con resistencia basada en ensayos pueden utilizarse

cumpliendo los requisitos de EC3 [8].

- Las uniones de elementos a compresin deben hacerse a travs de las zonas

efectivas de la seccin.

- La capacidad resistente de las uniones a traccin debe ser como mnimo, la mitad

de la correspondiente a la seccin neta.

- En elementos a compresin la unin ha de poder resistir la capacidad a pandeo de

los mismos, independientemente de la magnitud del esfuerzo


35

Los medios de unin especficos comentados son:

- Tornillos roscachapa. Fijaciones mediante tirafondos autorroscantes o

autotaladrantes, que suelen darse entre correas y paneles o chapas de cubierta.

Sus resistencias se establecen en este artculo. El espesor mnimo de la chapa ms

fina es de 0,5mm.

Figura 3.5. Reduccin de la resistencia a arrancamiento de autorroscantes en chapas

trapezoidales [4].

- Tornillos convencionales. Se suelen usar para fijar las correas a los ejiones de

dinteles en cubierta, y para empalmar las correas en sistemas de vigas continuas

con solapes. Si bien sus resistencias estn establecidas en el Captulo XIV, la

resistencia a aplastamiento de los tornillos (muy comn en bajos espesores) se

define en el artculo 73, especfico para este tipo de secciones. El espesor de la

chapa ms fina ha de ser mayor de 0,75mm.

- Por puntos de soldadura y uniones por solape (arco elctrico).

Se prev un aumento en los valores de los esfuerzos flectores y cortantes, para uniones y

empalmes debida a los esfuerzos de segundo orden.

CTE Este documento est muy orientado a la construccin con perfiles laminados en

caliente, por lo que no indica ningn procedimiento de clculo especfico, sin embargo

comenta que pueden usarse otros sistemas de fijacin para chapas conformadas en fro no

contemplados en CTE [2] siempre y cuando:

- Estn garantizadas con el correspondiente sello, y se espeten las prescripciones del

fabricante.

- Aseguren una forma dctil de fallo.


36

3.2 Normativa europea: EC3 Este marco reglamentario es muy extenso en todos sus campos, en concreto trata con mucho

detalle los perfiles conformados en fro y los efectos particulares de estos, as como ciertos

tipos de sistemas estructurales compuestos por estos.

Un claro ejemplo de lo extensa que es la normativa en este campo, se puede apreciar al

observar que una de las partes que componen el Eurocdigo, en concreto la Parte 1-3 EC3 [8]

es la referente a Reglas adicionales para perfiles conformado en fro y chapas. Esta parte se

centra exclusivamente en el diseo de este tipo de perfiles y chapas, y hace referencia a otros

documentos para definir completamente todos los efectos de estos sistemas estructurales. Las

principales partes a las que hace mencin son:

[12] EC3, Parte 1-1 Reglas generales, donde se comentan aspectos generales del

diseo con perfiles de acero. Su contenido es equivalente al de CTE [2] junto con [15],

o EAE [4]. Aunque es bastante extenso en cuanto al contenido sobre los

procedimientos generales de clculo y comprobacin, algunos captulos se han

derivado a otros documentos (Parte 1-2 a 1-12).

[13] EC3, Parte 1-5 Elementos planos estructurales, que ofrece procedimientos de

diseo para placas con o sin rigidizadores las cuales estn sometidas a fuerzas

contenidas en el plano de la placa (nunca fuera de l). Es de aplicacin para pandeo de

la placa en paneles de vigas cajn, o vigas esbeltas armadas de tipo I, y la

consideracin de efectos de arrastre por cortante.

[14] EC3, Parte 1-8 Diseo de uniones, que establece criterios para el

dimensionamiento y comprobacin de multitud de tipos de uniones realizables en

estructuras de acero: tornillos, remaches, soldadura, adems de otro tipo de conjuntos

de uniones especficas para perfiles H o I, as como para uniones entre perfiles huecos.

En realidad, el nuevo artculo 73 de la EAE es un resumen muy bueno pero quizs algo escaso

de EC3 [8], que ha tratado de aglutinar los efectos ms importantes que limitan e imperan en

el diseo de estos sistemas.

A pesar de que esta reglamentacin tiene un carcter muy generalista y trata de cubrir todos

los casos posibles, es muy destacable la mencin que hace esta sobre los ensayos en este tipo

de elementos. Tiene muy en cuenta que por medio de mtodos de ensayo, los cuales se

definen en el punto 9 y Anexo A, se pueden obtener mejores resultados de los obtenidos

siguiendo este proceso de diseo y clculo. Esto es debido a la gran variedad de formas y

diseos que se pueden realizar, lo cual hace imposible que los resultados tericos numricos

de la norma se ajusten perfectamente los reales.

Comienza por describir varios tipos de perfiles, algunos de ellos muy conocidos y otros

minoritariamente usados en la industria (ver figura 3.6)

El nivel de detalle de esta norma es muy elevado, tanto describiendo los efectos ya

comentados en la EAE como aadiendo nuevos conceptos segn se indica a continuacin:


37

Tipos de acero empleados:

Se admite gran variedad de productos de acero (en bobinas), muy similares a los establecidos

en la EAE.

Tambin se permite determinar las caractersticas de un acero , a partir de ensayos. Espesor de clculo

Los lmites son iguales que en EAE [4], permitiendo sobrepasarlos si se garantiza mediante

ensayos la resistencia a aplastamiento de chapa. Tampoco tiene en cuenta el recubrimiento en

el espesor de clculo.

Figura 3.6. Tipos de perfiles conformados en fro y agrupacin de estos. Chapas perfiladas

[8].

Modificacin del lmite elstico.

Se define tambin el lmite elstico promedio + (o mejorado) de igual forma que en EAE [4], pero en este caso su utilizacin est limitada para la determinacin de:

- Resistencia de la seccin a traccin Slo se puede usar +, para casos donde el rea eficaz se iguala la bruta (seccin totalmente efectiva).

- Resistencia de la seccin a compresin y resistencia a pandeo Slo es utilizable

para secciones totalmente efectivas.

- Resistencia a flexin Slo se puede usar si las alas son totalmente eficaces.

Se establecen limitaciones a su uso en elementos con tratamientos trmicos (580C) despus

del conformado.

Influencia de las esquinas redondeadas:


38

Definiendo las condiciones para considerarse como aristas perfectas 2 < 5, o de lo contrario teniendo en cuenta la reduccin de sus propiedades mediante una reduccin de

caractersticas geomtricas.

Se define tambin el lmite superior para el cual se debe recurrir a ensayos 2 > 0,0046 7

Figura 3.7. Consideraciones sobre las esquinas redondeadas [8].

Relaciones admisibles anchura / espesor

Son iguales a las establecidas por EAE [4]. De nuevo ampla los lmites si la determinacin se

hace mediante ensayos.

Modelo Estructural para anlisis

Introduce una forma de modelar las secciones, mediante la caracterizacin de los distintos

componentes de esta (almas, alas, rigidizadores) a travs de apoyos elsticos rotacionales o

lineales, siempre teniendo en cuenta posibles efectos de pandeo local definidos en [12] y [13].

Este modelado se usa en la norma para establecer resistencias de elementos.

Tabla 3.5 Modelado de los elementos de una seccin [8].


39

Combadura de las alas

La limitacin establecida es la misma que para EAE [4].

Pandeo local y distorsional

Los tipos de pandeo quedan totalmente definidos como efectos de 2 orden que afectan a

estos perfiles, adems del modo de pandeo general (o lateral).

- Pandeo local: Debe ser tenido en cuenta usando las propiedades geomtricas de la

seccin eficaz basadas en el mtodo de los anchos eficaces, paro lo cual se remite

a [13]. No se debe utilizar el lmite elstico mejorado.

- Pandeo distorsional: Se puede determinar usando anlisis de pandeo local linear

(con procedimientos simplificados), no linear (referido en [13] mediante mtodos

numricos) o ensayos de puntal corto. Para su clculo simplificado se clasifican en

elementos sin rigidizador, con rigidizadores intermedios o de borde.

En estos anlisis para la determinacin del efecto del pandeo distorsional, se

procede a la obtencin de espesores reducidos, para los distintos rigidizadores, tal

y como muestra la figura 3.8. El proceso es tambin iterativo, como el de los

anchos eficaces.

Figura 3.8. Obtencin del espesor reducido para la consideracin del pandeo distor

TFE000646

Documents

Transcript of TFE000646