Elemento constructivo de acero.

Podrá trabajar con este tipo de elemento cuando tenga licenciado el módulo EAwin - Estructuras de acero. Sólo podrá modificar elementos constructivos de acero cuando se encuentre en el modelo de elementos constructivos.

Este cuadro de diálogo es accesible de tres formas (siempre dentro del modelo de elementos constructivos):

• Seleccionando uno o varios elementos constructivos y entrando en la opción Datos->Entidades seleccionadas ().
• Seleccionando uno o varios elementos constructivos y pulsando ALT+ENTER.
• Haciendo doble clic sobre un elemento constructivo.

Recuerde que los elementos constructivos se generan de forma automática a partir del modelo de barras al acceder a la opción Ver / Modo barras - elementos constructivos ().

Se distinguen los siguientes apartados dentro de esta ventana:

• Una parte común.
• Una serie de solapas:
  • Sección.
  • Material.
  • Comprobación. 
  • Fuego.

Parte común.

Cuando está activo el "Modelo de EC", además de las opciones indicadas en la ventana Propiedades de la Barra de Acero, se añade la opción Función, que determina el papel que desempeña la barra dentro de la estructura, lo cual puede condicionar fuertemente su comportamiento. Según sea la función elegida, variarán las opciones de la solapa "Comprobación".  Las funciones disponibles para barras de acero son las siguientes:

Pilar.

Son barras verticales (o sensiblemente verticales), calculadas como piezas sometidas a cualquier solicitación del cálculo, fundamentalmente compresión y flexión. De cara a su comprobación a compresión, habrá que definir la existencia o no de arriostramiento en los dos planos principales del pilar, para aplicar el coeficiente de pandeo adecuado a cada caso. Así, se definen las siguientes posibilidades:

• Pilar sin arriostramiento: es el caso general, de un pilar que no presenta coacción alguna al movimiento relativo de los nudos que lo definen.
• Pilar arriostramiento x': existe coacción al movimiento relativo de los nudos, pero únicamente en el plano formado por el eje x' local de la sección, y el eje que define el pilar. (plano x'z')
• Pilar arriostramiento y': existe coacción al movimiento relativo de los nudos, pero únicamente en el plano formado por el eje y' local de la sección, y el eje que define el pilar (plano y'z').
• Pilar doble arriostramiento: no existe posibilidad de movimiento relativo entre los nudos.

Cuando se asigna un arriostramiento en una dirección, el programa omite la comprobación a pandeo en esa dirección, lo cual puede no ser recomendable en determinados casos (en la solapa comprobación el usuario puede ajustar estos parámetros).  En caso de que la estructura se haya definido como Intraslacional  (ver  Datos Generales), los pilares se tendrán en cuenta en el cálculo como arriostrados (y se comprobarán a pandeo), lo que se traducirá en unos coeficientes de pandeo menores.

Viga.

Las vigas son barras horizontales o inclinadas cuya función principal es la de recibir directamente o indirectamente las acciones sobre la estructura y transmitirlas a los pilares. EAwin comprueba los coeficientes de seguridad ante cualquier Estado Límite Último o de Servicio que requieran las solicitaciones producidas en la sección (tensiones normales, tensiones tangenciales, pandeo, flecha máxima, pandeo local, etc.).

Correa de cubierta.

Las correas de cubierta son barras destinadas a recibir directamente las cargas de una cubierta, y transmitirlas a una serie de dinteles o vigas de cubierta. De cara al cálculo, se distinguen de las vigas de cubierta en que no se realizan comprobaciones de esbeltez en las mismas.

Cuando se definen correas de cubierta en una estructura hay que tener precaución en las condiciones de contorno de las mismas. Normalmente las correas se ejecutan como vigas continuas simplemente apoyadas en los dinteles, con una unión que no permite la transmisión de momentos. Pues bien, si se dibuja una correa directamente sobre unos dinteles cuya resistencia a torsión no es despreciable (secciones cerradas, fundamentalmente), EAwin interpretará la unión correa dintel como un nudo rígido y podría transmitir un cierto momento torsor al dintel (ver puntos A y C):

Sin embargo, esta situación puede solucionarse simplemente colocando unas rótulas en los extremos de la correa, para interrumpir la transmisión de momentos (ver solapa "Crecimiento"):

Puede darse el caso de que las cargas a lo largo de la correa no sean iguales en toda su longitud, de manera que puede ocurrir que se transmita también momento torsor a los dinteles centrales (si la inercia a torsión de los perfiles es despreciable, prácticamente no se notará este efecto). Por ejemplo, en la figura siguiente aparece una correa sometida a una sobrecarga puntual:

Al ser rígido el nudo central, la correa cargada transmite un momento torsor al dintel. En este caso habrá que insertar una rótula de apoyo en el nudo (ver ayuda en Barras de material genérico), para que el comportamiento de la correa sea el correcto:

Dado que la introducción de correas en la estructura puede ser compleja (se deben definir rótulas en los extremos y rótulas de apoyo en los nudos centrales), si es posible, es conveniente evitar la introducción de las correas como elementos barra, e insertar una superficie unidireccional tipo Cubierta ligera (será necesario el módulo CUwin) que calcula automáticamente las correas a partir de un conjunto de cargas y la geometría de la cubierta (ver ayuda).

Barras de cerchas.

Existe una serie de funciones propias de los elementos constructivos en celosía, como pueden ser las cerchas. Estas barras se comprueban fundamentalmente a tracción o compresión, considerando además la esbeltez máxima admisible de cada una de ellas. Los tipos de barra que EAwin ofrece son:

• Diagonales / montantes: son elementos calculados únicamente a tracción / compresión, y se comprueba que la esbeltez está dentro de los márgenes admisibles.
• Cordón superior:  En el caso de los cordones superiores, al ser los elementos que reciben directamente las cargas, se comprueba además la flecha relativa en los distintos tramos del cordón (la flecha sin contabilizar el desplazamiento de los nudos).
• Cordón inferior: En este caso se comprobará la flecha tanto absoluta como relativa.

Elementos destinados a trabajar a tracción:

• Tirante: son barras que se comprobarán únicamente a tracción (en caso de resultar compresiones en la barra no se comprobará).
• Arriostramiento: son barras que se introducen en la estructura para limitar o imposibilitar el movimiento relativo de los nudos de los pilares. Se comprueban, como en el caso de los tirantes) únicamente a tracción, y si su inercia no es despreciable, deben definirse en la estructura con rótulas en ambos extremos (ver solapa "Crecimiento"). Su presencia en la estructura no evita tener que indicar en la función de los pilares que existe arriostramiento.

Influencia de la función en el modelo de cálculo.

Además de las comprobaciones por defecto que asignan las funciones, éstas desempeñan otro papel muy importante, y es que dependiendo de la función que tenga un determinado elemento constructivo, las superficies unidireccionales (forjados unidireccionales de viguetas, superficies unidireccionales genéricas, cubiertas ligeras y cubiertas de madera) podrán o no apoyar en el mismo.

Así, tenemos dos grupos de elementos constructivos según su función:

• Secundarios, en estos elementos no se permite el apoyo de superficies:
  • Correa de cubierta
  • Viga de entramado
  • Tirante
  • Arriostramiento
  • Cordón inferior
  • Montante
  • Diagonal
• Principales, todas las demás funciones: pilares, vigas (salvo "vigas de entramado") y cordón superior de las cerchas.

Esto hace posible, por ejemplo, que una cubierta ligera de una nave industrial no apoye en las cruces de San Andrés, aunque estén definidas en el mismo plano.

Comprobación.

En este apartado el usuario puede elegir qué comprobaciones se realizarán en la barra seleccionada. Cuando se asigna una función a una barra, el programa ajusta automáticamente estos parámetros. No obstante, el usuario puede modificarlos a voluntad. Las opciones disponibles son las siguientes:

Estado Límite de Servicio.

Deformaciones verticales.

• Utilizar los valores definidos en datos generales: Esta opción fija los límites de las flechas conforme a lo definido en el apartado Edificio del cuadro de Datos Generales.
• Deformaciones (+ desplazamiento de nudos): Es el valor máximo admisible del desplazamiento absoluto de cualquier punto del elemento constructivo respecto de su posición original, y se compara con una determinada fracción (1/500, 1/400, 1/350 ó 1/350, según norma) de la longitud del elemento constructivo.

  Si la estructura tiene asientos en cimentación, éstos se contabilizarán también en el desplazamiento absoluto de nudos. Para estos casos es recomendable calcular la estructura sin considerar la cimentación (apoyos empotrados) para verificar las flechas absolutas. Una vez comprobado que se cumplen los límites admisibles, podrá desactivar esta comprobación y calcular la estructura y la cimentación.

• Deformaciones (- desplazamiento de nudos): Es el valor máximo admisible del desplazamiento de cualquier punto de la barra con respecto a la posición final de los nudos que la delimitan. Es decir, es la flecha deducida de la ley de esfuerzos a la que está sometida. En el caso de barras biapoyadas o continuas que reciben las cargas de forma directa, como viguetas, correas de cubierta, vigas bajo muros, etc.,  éste es el valor relevante de la flecha, ya que son las deformaciones relativas las que dañan a los elementos constructivos que tienen por encima. Sin embargo, en determinados casos la flecha relativa de las barras puede ser despreciable y lo que hay que vigilar es el desplazamiento absoluto (comprobación anterior):
  • En voladizos: la flecha relativa es despreciable, siendo especialmente importante en este caso verificar la deformación más el desplazamiento.
  • En elementos constructivos con nudos intermedios que no son apoyos, es decir, apoyos de otros elementos sobre el elemento constructivo considerado, quiebros de éste (como dinteles de naves industriales), o en barras con nudos intermedios (como perfiles de sección variable)
• Las deformaciones menos desplazamiento de nudos van limitadas por una fracción de la longitud de la barra.

En ocasiones, dentro de un mismo elemento constructivo nos interesará hacer dos comprobaciones de flecha. En estos casos será necesario cortar el elemento constructivo.

Por ejemplo, en la imagen siguiente aparece una viga continua ABCD con un nudo intermedio (B) y un voladizo (CD). En este caso deberíamos medir por un lado la deformación más desplazamientos (F) del elemento ABC y compararla con una fracción de 10 metros, y también deberíamos mediar la deformación más desplazamientos del voladizo CD, y compararla con una fracción de 1m. Para ello será necesario cortar el elemento constructivo en C.

En el caso anterior, la comprobación de deformación menos desplazamientos (f) no tendría sentido, ya que daría unos valores muy bajos, prácticamente nulos en el caso del voladizo. 

Deformaciones horizontales.

• Desplazamientos horizontales (altura total): Es el valor máximo permitido para el desplome total de pilares de toda la estructura. Esta comprobación sólo tiene sentido en Pilares de la última planta del edificio. El desplome se compara con una fracción de la altura total del edificio, que ESwin interpreta igual a la cota Z del nudo superior del pilar (se entiende que el firme está en la cota 0).
• Desplazamientos horizontales (altura de planta): Es el valor máximo del desplome local en cada planta. Al igual que la anterior, esta comprobación sólo tiene sentido en Pilares.

En la figura siguiente D sería el desplome total y d₁, d₂, d₃, los desplomes locales.

Estado Límite Último.

Agotamiento de las secciones por plastificación.

Esta comprobación es la fundamental, y consiste en verificar que todas las secciones del elemento constructivo tienen resistencia suficiente como para soportar los esfuerzos calculados. Es una comprobación a nivel de sección, en la que no se tiene en cuenta aspectos como la esbeltez, que influye en las comprobaciones a nivel de elemento constructivo.

Esta comprobación se realiza de acuerdo con los distintos casos definidos en DB-SE-A 6.2.

Pandeo lateral.

Es el fenómeno por el cual un ala de la sección puede sufrir una cierta deformación transversal por estar sometida grandes momentos flectores; estos esfuerzos de flexión provocan una compresión muy fuerte del ala, que puede provocar el pandeo de la misma. Este fenómeno sucederá normalmente en vigas de gran luz cuya sección tiene  poca rigidez en el sentido perpendicular al de aplicación del momento flector (por ejemplo, vigas en I). La comprobación a pandeo lateral no será necesaria cuando:

• Exista algún impedimento físico y continuo al alabeo de la viga, por ejemplo, vigas metálicas embebidas en forjados de hormigón.
• Existan arriostramientos puntuales (por ejemplo, vigas transversales), separados entre sí una distancia inferior a 40 veces el radio de giro mínimo.

De no cumplirse esas condiciones, la comprobación de pandeo lateral introduce un valor de χLT menor a la unidad en la fórmula general de comprobación, que afecta a la capacidad resistente de la sección frente a esfuerzos de flexión en la dirección principal (My+N·ey). Dicho coeficiente se calcula de acuerdo con el CTE-SE-A (Apdo. 6.3.3.2), utilizándose un valor del momento crítico calculado según el Tomo I, pág. 8.6 del libro “Estructuras de Acero” de Argüelles:

Este procedimiento sólo es aplicable a secciones en doble T simétricas con respecto al eje horizontal. Los coeficientes c₁ y c₂ dependen de las condiciones de carga y esfuerzos del tramo de elemento constructivo considerado.

En el cuadro "Nº de puntos arriostrados", el usuario puede definir cuántos puntos de arriostramiento existen en la viga que limiten la longitud eficaz de pandeo lateral. Por ejemplo, en el caso de un dintel de una nave industrial, habrá que tener en cuenta el número de correas intermedias que impiden el desplazamiento del ala del dintel.

La comprobación a pandeo lateral es una comprobación global de todo el elemento constructivo. El programa divide todo el elemento constructivo en un número de tramos acorde con el "nº de puntos arriostrado, calculando, (en función del diagrama de flectores, las condiciones de apoyo, y la longitud entre puntos de arriostramiento), un momento crítico distinto en cada tramo que permite obtener el coeficiente reductor χLT en cada tramo.

Pandeo local.

Esta opción se refiere a dos fenómenos diferenciados, pero relacionados entre sí: el pandeo local de ala y la abolladura del alma:

• El pandeo local de ala es un fenómeno que produce el alabeo del ala (pandeo del ala en el plano del alma), y está relacionado, como el pandeo lateral, con las tensiones de compresión en el ala. De la misma manera que sucede con el pandeo lateral, para contrarrestar el pandeo local de ala, se puede colocar una serie de arriostramientos en la viga que reduzcan la esbeltez de las alas. En este caso los arriostramientos serán rigidizadores verticales, que unen las alas entre sí.

 

• La abolladura del alma es el fenómeno de pandeo, a nivel del alma. Se puede producir por la acción de un cortante de gran valor, o bien por la propia acción de las tensiones normales. Es un fenómeno de importancia en el caso de vigas armadas, y como el pandeo local de ala, la esbeltez del alma puede reducirse con rigidizadores verticales. En la figura siguiente aparece un esquema de abolladura del alma por esfuerzo cortante.

 

Para contrarrestar ambos fenómenos, es necesario reducir la esbeltez de las alas y el alma, mediante el uso de rigidizadores verticales. El número de rigidizadores se especifica en la casilla Nº de rigidizadores intermedios. Estos rigidizadores aparecen representados en el área de dibujo.

Pandeo por compresión.

Esta comprobación se refiere al pandeo global de la pieza, y es de especial importancia en soportes. El cálculo de la pieza a pandeo global se reduce a utilizar en la fórmula general de comprobación un valor de χ_Y inferior a la unidad, reduciendo  así la capacidad portante frente a esfuerzos de compresión de la pieza. El cálculo del coeficiente reductor  χY se basa en el método definido en el Apdo. 6.3.2 del CTE-SE-A.  Para las comprobaciones a pandeo, el programa ofrece las siguientes opciones:

• Pandeo comprobación (perpendicular x'/ perpendicular y'): esta opción activa o desactiva la comprobación a pandeo en el plano indicado. Normalmente, para soportes convendrá calcular ambos planos, pero en determinados casos en los que el pandeo está impedido (vigas embebidas en forjados), o bien no interesa realizar la comprobación (porque no se prevean esfuerzos de compresión), el usuario podrá desactivar la comprobación que le interese. Hay que tener en cuenta que el pandeo "perpendicular al eje x'" es el pandeo según el plano y'z' (en secciones normalizadas en I suele ser el más desfavorable, a igualdad de condiciones de contorno) , y el "perpendicular al eje y'" es según el plano x'z'.
• Esbeltez máxima: es el límite máximo admisible de la esbeltez reducida, definida en el CTE-SE-A como la relación entre la resistencia plástica de la sección de cálculo y la compresión crítica por pandeo, de valor:

 

La esbeltez reducida está limitada por el CTE-SE-A a un valor máximo de 2,00 en elementos estructurales en general, y 2,40 para elementos secundarios. En el caso de arriostramientos, podemos llegar a 3,00 (incluso a 4,00 en arriostramientos que sólo trabajan a tracción). Si no se activa esta casilla, no se limitará la esbeltez de la barra seleccionada.

Si el usuario selecciona un material de la norma EA-95 (no recomendable para proyectos nuevos), el método de cálculo propuesto por el CTE para el pandeo no es válido, calculándose las piezas conforme a la normativa anterior. En estos casos la esbeltez mecánica vendrá dada por:

Es muy importante saber que el orden de magnitud de λ en la EA-95 es muy superior al propuesto por el CTE . Cuando se calcule una estructura con un material anterior al CTE, habrá que modificar los límites de esbeltez (la norma EA-95 fijaba un límite de λ≤200).

• Coeficiente de esbeltez (βx, βy): Estos coeficientes definen las condiciones de contorno de la barra de cara al pandeo. Se define como la relación entre la longitud de pandeo (es la longitud que tendría una barra biarticulada con la misma resistencia a pandeo) y la longitud del elemento considerado. El coeficiente β toma valores entre 0,5 y 1 para estructuras intraslacionales, y mayores de 1 en estructuras traslacionales.
• La comprobación de pandeo no es única para todo el elemento constructivo, ya que éste puede tener varios vanos. Por tanto, para la determinación del coeficiente β, ESwin puede dividir el elemento en varias partes, que a su vez pueden estar formadas por varias barras. Cada uno de estos vanos estará formado por barras colineales cuyos nudos no se encuentren coartados por ninguna otra barra. Por ejemplo, suponga los dos pilares A y B de la figura siguiente, de altura H, divididos en 10 barras de longitud H/10:
• 
• Cuando el programa vaya a calcular el coeficiente b del pilar A en el plano P, determinará que b_P=0,5 (es una barra canónica). Sin embargo, como tiene 10 barras, si aplica este coeficiente a cada tramo, resultaría que la longitud de pandeo que se tiene en cuenta en el cálculo de cada barra es 0,5 · H/10=0,05·H. Para evitar este error, el programa considera que el vano de pandeo está formado por las 10 barras, y por tanto, la longitud de pandeo total del vano es 0,5 · H. En los resultados, el usuario podrá observar que el coeficiente b aplicado a cada barra es 10·b_P=5.
• 
• Ahora bien, este planteamiento puede no funcionar bien en ocasiones, como ocurre con el pilar B. En el cálculo de este pilar, la situación es distinta, porque al existir una barra intermedia, el programa divide el elemento en dos vanos de pandeo de altura H/2, calculando el coeficiente b_P de forma independiente para cada uno de ellos. En este caso, si la estructura se considera intraslacional, debe dar b_P=0,7 tanto arriba como abajo (empotrado-articulado). Ahora bien, como cada vano tiene 5 barras, el coeficiente b que el programa aplicará a cada una de ellas será 5·b_P=3,5, cuando en realidad sus condiciones de pandeo en el plano P son idénticas a las del pilar A.
• 
• Por tanto, debe tener presente que el programa considerará que un elemento constructivo está interrumpido (para el cálculo a pandeo) siempre que haya una barra intermedia, influya o no en el comportamiento a pandeo del elemento.  Así, existirán casos como el del pilar B, en los que no interese calcular el coeficiente de pandeo de forma automática. Para esos casos, el programa deja abierta la posibilidad de definir manualmente un coeficiente de pandeo, que se asigna directamente a las barras (es el mismo para todas las barras del elemento constructivo).

Para asignar el coeficiente de pandeo de forma manual, active esta casilla e introduzca el valor oportuno. En el caso anterior (pilar B en plano P), para que el coeficiente global de pandeo fuera b_global=0,5, debería forzar b=5,00. Este problema se presenta con frecuencia en estructuras; por ejemplo si quiere definir el coeficiente de pandeo de un dintel de una nave industrial en el que las correas lo dividen en 18 tramos, y quiere que el coeficiente global del dintel completo sea b_global=1,0 en esta casilla deberá escribir b=18·b_global=18,00.

El programa calcula por defecto los coeficientes ß por el método de Julian-Lawrence; este método es inconsistente cuando la barra analizada no tiene restricciones en el plano estudiado; si en los resultados observa longitudes de pandeo muy elevadas, es posible que este método no sea el camino adecuado. En estos casos, y especialmente si la estructura es considerada traslacional, habrá que definir un valor de ß en este apartado. Para ver más información sobre este tema, es recomendable que consulte: Cálculo a pandeo de barras de acero.

Resistencia a tracción simple.

Con esta opción se comprueba la pieza para resistir esfuerzos de tracción únicamente, siendo la capacidad resistente de la pieza A · f_yd. Esta comprobación es la única que debe estar activa en arriostramientos y tirantes.

Fuego.

La solapa "fuego" está disponible cuando se tiene instalado y licenciado el módulo RFwin, Estabilidad a fuego de las estructuras. En esta opción se define la protección que tiene la barra frente a la acción del fuego. Consta de los siguientes apartados:

Tipo de protección.

Existen tres tipos posibles de protección:

• Cajeado: es una envolvente rectangular que encierra la barra:

 

• Recubrimiento contorno: es un revestimiento continuo en el contorno de la barra (sprays, revestimientos proyectados, pinturas, etc.)

 

• Sin protección: es el caso de barras que no tienen protección alguna contra el fuego.

Propiedades de la protección.

En este apartado se especifica el revestimiento de la protección, que puede ser uno de los materiales predefinidos en el programa, o bien definido por el usuario. En este último caso, el usuario deberá introducir los siguientes datos:

• Conductividad térmica.
• Calor específico.
• Peso específico.

Condiciones de exposición.

Para calcular la estabilidad a fuego de la barra, es necesario definir además el número de caras expuestas de la barra (3 ó 4). El programa puede calcular automáticamente el número de caras expuestas, de acuerdo con la Función de la barra, o bien será el usuario el que defina el número de caras expuestas.