Diseño de elementos estructurales de acero sometidos a flexio-compresióndesarrollo teórico y estudio comparativo

Resumo

DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE ACERO SOMETIDOS A FLEXO-COMPRESION: DESARROLLO TEÓRICO Y ESTUDIO COMPARATIVO #RESUMEN: Esta memoria presenta, en primer lugar, la teoría y los principios de la estabilidad estructural de los elementos flexo-comprimidos. Incluye tanto los nuevos métodos utilizados para el análisis y diseño de los "beam-columns" como su proceso de desarrollo e incorporación al Eurocódigo 3 (ec3 2005) y a la norma americana (AISC LRFD 1994). En segundo lugar, se realiza un estudio exhaustivo del factor de momento uniforme equivalente de pandeo lateral (FMUE). Este factor se emplea para determinar el momento critico elástico, y éste a su vez se emplea para verificar el estado limite último de un elemento sometido a flexión pura y a flexo-compresión. De la revisión bibliográfica se desprende que las normas pueden proporcionar valores de fmue muy conservadores en vigas simplemente apoyadas, y no conservadores en vigas con apoyos diseñados para prevenir la flexión lateral y el alabeo. Con el propósito de aclarar las situaciones en donde los FMUE de las normas aparecen contradictorios con los resultados computacionales recientes, se brinda en esta memoria un conjunto de valores de FMUE, que han sido obtenidos usando el Método de Elementos Finitos y la técnica de Diferencias Finitas, una atención muy especial se ha puesto en los casos donde la flexión lateral y el alabeo son impedidos en los apoyos del elemento puesto que son pocos los resultados que existen para estos casos. Una de las grandes ventajas de la norma americana (AISC LRFD 1994) y de la norma británica CBS 5950-1 2000) es que proporcionan expresiones sencillas para determinar el FMUE para cualquier distribución de momentos; sin embargo, estas expresiones no toman en cuentan las restricciones de los apoyos extremos del elemento. En esta memoria, se plantea una nueva expresión general para calcular el FMUE, que es aplicable a cualquier distribución de momentos y condiciones de enlaces, y que proporciona mejores resultados que las expresiones dadas por el AISC LRFD (1994) y BS 5950-1 (2000). Por último, con el propósito de identificar similitudes y diferencias en las filosofías de diseño del AISC LRFD (1994) y ec3 (2005), se realiza en este trabajo un estudio comparativo de los estados límites últimos de los elementos sometidos a compresión pura, flexión pura y flexo-compresión. Para cuantificar la diferencia en resistencia, se trabajó con perfiles laminados de secciones H e I, los cuales fueron analizados con diferentes valores de esbeltez y con los casos más frecuentes de distribuciones lineales y parabólicas de momentos. Los resultados son presentados gráficamente en diagramas de interacción para facilitar su interpretación. Este estudio comparativo muestra que las capacidades resistentes dadas por el AISC LRFD (1994) y los dos métodos el EC3 (2005) pueden diferir apreciablemente cuando el valor de la esbeltez es alto y el elemento flexo-comprimido está sometido a una distribución lineal de momento bi-triangular. This thesis presents the concepts and principies of structural stability of beam-columns, and includes not only new methods in the analysis and design but also the background about how these procedures were derived and incorporated to the Eurocode 3 (EC3 2005) and the American standard code (AISC LRFD 1994). Furthermore, this thesis focuses on the equivalent uniform moment factor (EUMF), which is used to compute the elastic critical moment of lateral-torsional buckling. A review of EUMF valúes given by modern steelwork standards and their comparison with recent results presented in the literature shows that whilst codes may lead to very conservative valúes for simply supported beams, non-conservative valúes are obtained in the case of support types designed to restrict lateral bending and warping. In order to clarify situations where EUMF valúes proposed by modern codes appear contradictory with recent computational results, the thesis presents a significant set of EUMF valúes obtained using both finite differences and finite elements techniques. Particular attention has been given to instances where lateral bending and warping are prevented at beam supports since very few results from these cases have been published. A major advantage of codes, such as the American AISC LRFD (1994) and the British BS 5950-1 (2000), is that they provide closed-form expressions to compute the EUMF for any moment distribution. Unfortunately, these closed-form expressions do not take into account changes in the EUMF due to end support restrictions. This thesis proposes a general closed-form expression that not only delivers similar advantages but also improves the results given by those codes. Finally, in order to identify similarities and differences in the design philosopnies of AISC LRFD (1994) and EC3 (2005), the thesis presents a comparative study of the ultimate limit states in members under puré compression, puré bending and combined axial compression forcé and bending. This comparative study is performed for a rolled i-section with different slenderness. Most frequent cases of linear and parabolic moment distributions are considered. The results are presented graphically by means of interaction diagrams to facilitate their interpretation and to detect differences in resistance. The comparative study shows that the resistance capacities given by LRFD and the two methods of EC3 can differ appreciably when slenderness is hign and the member is subjected to linear moment distribution with opposite end-moments.