El apartado 8.4.1 [1] enumera los requisitos de estabilidad que el cálculo estructural debería abordar utilizando cualquiera de los dos métodos. Estos incluyen deformaciones que contribuyen a la estructura, efectos de segundo orden que incluyen P-Δ y P-δ, imperfecciones geométricas globales y de barras, reducción de la rigidez que considera la fluencia de la barra y las tensiones residuales y, por último, la incertidumbre en la rigidez de la estructura y resistencia.
Apartado 8.4.3 – Método de análisis de estabilidad simplificado
Con el método de análisis de estabilidad simplificado dado en 8.4.3 [1], solo se enumeran un par de requisitos.
No linealidades geométricas
El primero incluye los efectos de segundo orden de la barra, o P-Δ, que se pueden considerar directamente en el análisis. Un método de cálculo de análisis de segundo orden es el más común con muchos programas de software de análisis estructural en la actualidad. La alternativa es amplificar todas las cargas axiales y momentos flectores de barras obtenidos a partir de un análisis de primer orden mediante el factor U2 definido en 8.4.3.2(b) [1]. Este enfoque puede ser más adecuado para cálculos manuales o si el software de análisis estructural no incluye los efectos P-Δ automáticamente.
Imperfecciones geométricas
Las cargas laterales teóricas son el segundo elemento enumerado bajo el método simplificado en la cláusula 8.4.3.3 [1]. Esta carga aplicada es igual a 0,005 veces la carga de gravedad factorizada total en el piso considerado y se debe distribuir de manera similar a la carga de gravedad. Las cargas teóricas se aplican siempre en la dirección que genera el mayor efecto desestabilizador. Esto significa que tales cargas se deben aplicar en la misma dirección que una carga de viento lateral para generar las mayores deformaciones y esfuerzos internos en la estructura.
Anexo O.2 - Efectos de la estabilidad en el análisis elástico
Como alternativa al enfoque de análisis de estabilidad simplificado anterior, los ingenieros pueden utilizar el anexo O.2 para satisfacer los requisitos de estabilidad establecidos en el apartado 8.4.1 [1]. Este enfoque se agregó a la norma de 2019 y tiene muchas similitudes con el manual de diseño de acero de EE. UU. AISC 360-16 Ch. C Método de análisis directo.
No linealidades geométricas
Las no linealidades geométricas, o efectos de segundo orden, se tratan en O.2.2 [1]. Al igual que el método simplificado, se puede llevar a cabo un análisis de segundo orden directamente, que incluye los efectos de las cargas que actúan en las barras' puntos desplazados de las intersecciones (efectos P-Δ). Además, se deben considerar los efectos de las cargas axiles que actúan sobre la forma de la barra flexionada a lo largo de la longitud (P-δ). Las disposiciones se dan en O.2.2 [1] donde P-δ se puede omitir por completo. Por otro lado, si P-δ se incluye directamente en el análisis, el factor U1 se puede establecer en 1,0 como se usa en el apartado 13.8 - Cálculo de barras a flexión y compresión axial [1].
Imperfecciones geométricas
Las imperfecciones geométricas de las barras, como la falta de rectitud de la barra, o las imperfecciones geométricas locales, como la falta de rectitud de los elementos para barras, no necesitan considerarse al calcular según el apartado O.2 [1 ]. Sin embargo, las imperfecciones geométricas globales se deberían considerar con un modelado directo o con el uso de cargas laterales teóricas. Sin embargo, existe la excepción de que estas imperfecciones geométricas globales se pueden omitir para combinaciones de carga lateral solo si cumplen los requisitos establecidos en el apartado O.2.3.1 [1]. Los requisitos incluyen que las cargas de gravedad de la estructura estén soportadas principalmente por elementos estructurales verticales y la relación entre la desviación máxima de la planta de segundo orden y la desviación de la planta de primer orden utilizando la rigidez reducida de la barra según el apartado O.2.4 referencia [1] no supera 1,7 en ningún nivel de planta.
Cuando el ingeniero no puede despreciar estas imperfecciones, se puede usar el primer método de modelado directo. Los puntos de intersección de las barras se deben desplazar de sus posiciones originales. La amplitud de este desplazamiento inicial se establece en el apartado 29.3 [1] y se aplica en la dirección de mayor desestabilización, que para la mayoría de las estructuras de edificios es una tolerancia de 1/500 para el pilar fuera de plomada. El problema importante con este método es el gran número de escenarios del modelo que se deben considerar. Teóricamente, se necesitan cuatro desplazamientos en las cuatro direcciones diferentes en cada nivel de planta. Si los efectos de la curvatura de la barra también se combinan con la falta de plomada del pilar, esto agrega muchos más escenarios de modelado a considerar para cumplir con el mayor efecto desestabilizador.
El método alternativo y preferido para las imperfecciones geométricas globales es aplicar cargas laterales teóricas. Este método sólo está permitido cuando las cargas gravitatorias están soportadas principalmente por elementos estructurales verticales. Las cargas laterales teóricas se trataron anteriormente en este artículo y se aplican de la misma manera que el análisis de estabilidad simplificado en el apartado 8.4.3.2 [1]. Sin embargo, la amplitud se reduce de 0,005 a 0,002 veces la carga de gravedad factorizada en la planta relevante. La reducción en magnitud está permitida en el apartado O.2.3.3, ya que estas cargas ficticias solo tienen en cuenta las imperfecciones geométricas globales, mientras que las cargas ficticias del apartado 8.4.3.2 [1] también tienen en cuenta efectos de inelasticidad y otras incertidumbres.
Efectos de la inelasticidad
Para tener en cuenta los efectos de inelasticidad y también considerar las imperfecciones geométricas iniciales o locales de la barra, así como la incertidumbre en la rigidez y resistencia, se reduce la rigidez axial y a flexión de la barra según las siguientes ecuaciones en el apartado O.2.4 [1 ] se debe aplicar a las barras que contribuyen a la estabilidad lateral.
(EA)r = 0,8 τb EA
(EI)r = 0,8 τbEI
Donde,
Cf/Cy <0,5; τb = 1,0
Cf/Cy > 0,5; τb = 4
Cf/Cy (1 -Cf/Cy )
Para evitar distorsiones localizadas, la norma sugiere aplicar esta reducción de rigidez a todas las barras. Además, cuando la rigidez a cortante (GA) y la rigidez a torsión (GJ) contribuyen significativamente a la estabilidad lateral, se debe considerar la reducción de la rigidez. No se debe usar la reducción de rigidez al analizar desplazamientos de pisos, flechas, vibraciones o vibraciones naturales.
Anexo O.2 Aplicación en RFEM
El programa de análisis por elementos finitos RFEM ha incorporado los últimos requisitos de estabilidad de la norma CSA S16:19 según las nuevas disposiciones del anexo O.2.
No linealidades geométricas
Los efectos de segundo orden establecidos en el apartado O.2.2 [1] se consideran directamente para cada caso de carga o combinación de carga cuando el método de cálculo se establece en "análisis de segundo orden".
No solo se incluyen los efectos P-Delta para el análisis de barras, sino que también se consideran P-δ. Por lo tanto, el factor U1 se puede establecer en 1.0 especificado en el apartado 13.8 directamente en el módulo de cálculo de barras de RF-/STEEL CSA.
Imperfecciones geométricas
El usuario de RFEM tiene la opción de modelar directamente las imperfecciones geométricas globales desplazando puntos o nudos de intersecciones de barras. Sin embargo, para garantizar que este método cree el mayor efecto desestabilizador, será necesario llevar a cabo múltiples modelos con varios escenarios. Esto es bastante lento y engorroso.
El enfoque alternativo es aplicar cargas ficticias con las opciones de imperfección dentro de RFEM. Este cuadro de diálogo ahora incluye CSA S16:19 en las opciones desplegables. La carga teórica se aplica al extremo de la barra (es decir, la parte superior del pilar) con una magnitud igual a 0,002 (o 0,005 si se usa el método de estabilidad simplificado) multiplicado por el esfuerzo axil de la barra (carga de gravedad aplicada en la barra). Una fuerza igual y opuesta se aplica internamente en el extremo opuesto de la barra para evitar esfuerzos cortantes poco realistas en la base de la estructura.
Estos casos de carga de imperfección se pueden aplicar en RFEM con casos de carga lateral específicos para producir la mayor acción desestabilizadora mientras se evita la generación de combinaciones de carga que no serán de control y aumentarán aún más el tiempo de cálculo (es decir, las cargas teóricas en la dirección X deberían solo se puede aplicar con cargas de viento en la dirección X). Además, las imperfecciones se pueden desactivar por completo para las expresiones de combinación de carga como el estado límite de servicio mientras aún se aplican a las combinaciones de resistencias.
Efectos de la inelasticidad
La pestaña Modificar rigidez para barras ahora incluye la norma CSA S16:19. Cuando se selecciona esta opción, el factor de modificación 0.8 y el factor τb calculado se aplican directamente a la rigidez a flexión y axial de la barra. Los usuarios también tienen la opción de aplicar estas reducciones a la rigidez a torsión y a cortante de la barra.
Debido a que la reducción de la rigidez de la barra no se debe considerar para el cálculo del estado límite de servicio (es decir, las flechas), RFEM permite a los usuarios desactivar todas las modificaciones de rigidez de la barra para las combinaciones de carga de servicio y dejar esto activo para las combinaciones de carga de resistencia.
Resumen
Las actualizaciones significativas del cálculo de estabilidad según el anexo O.2 en el último manual de cálculo de acero canadiense CSA S16:19 ahora están completamente incorporadas en el flujo de trabajo de análisis de RFEM. Estas actualizaciones incluyen de manera más significativa la capacidad de considerar las cargas teóricas como imperfecciones, así como las rigideces reducidas de las barras según CSA S16:19. Para ver estas nuevas actualizaciones demostradas en un vídeo de ejemplo detallado, consulte el seminario web CSA S16:19 Steel Design in RFEM.
Base de datos de conocimientos