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Guía de AS 4100 Diseño en Acero

Vista general

AS 4100:2020 Steel Structures utiliza el método del estado límite para el diseño de miembros estructurales de acero. Este método implica calcular cargas factorizadas y capacidades reducidas para tener en cuenta la variabilidad en las condiciones de carga y las propiedades del material.. Para el estado límite último (ULS) diseñar para estar satisfecho, la siguiente relación debe ser cierta:

\(ULS \;Factor * Carga ≤ Reducción \;Factor * Capacidad)

Este documento describe el procedimiento para diseñar un miembro de acero de acuerdo con AS 4100 utilizando la SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero módulo.

Contenido

Propiedades materiales

Fabricación

En Australia existen tres formas típicas de fabricación de acero estructural.:

  • Secciones Laminadas en Caliente: Billet de acero (bloques) se calientan, enrollado a través de un molino en la forma deseada, luego enfriado. Los ejemplos incluyen vigas/columnas universales., Canales de bridas paralelas (Magnitudes de presión separadas para cargas de viento) y secciones angulares.
  • Secciones conformadas en frío: El tocho de acero se prensa a temperatura ambiente hasta darle la forma deseada.. Los ejemplos incluyen secciones huecas rectangulares (RHS) y Secciones Huecas Circulares (CHS).
  • Secciones fabricadas: Se sueldan varias placas planas laminadas en caliente para formar una sección de acero.. Los ejemplos incluyen vigas/columnas soldadas..

Grado de acero

Australia tiene numerosos grados de acero. (fortalezas) que se puede utilizar para el diseño de acuerdo con AS 4100:2020. Las disponibilidades de calificaciones para diferentes tipos de secciones se describen a continuación.

Calificación BM / WC UB / UC Magnitudes de presión separadas para cargas de viento ELLA / UA RHS / SHS CHS
250 NO NO NO NO NO
300 NO NO
350
400 NO NO NO NO NO
450 NO NO NO NO NO

Fuerza de producción

El límite elástico de una sección de acero depende de su grado., con grados más altos que tienen mayores límites de fluencia. El límite elástico de las secciones laminadas en caliente y fabricadas varía según el espesor de la sección.. Las secciones de acero más gruesas suelen tener límites elásticos más bajos que las secciones más delgadas del mismo grado..

Las secciones conformadas en frío son la excepción a esta regla y tienen un límite elástico constante para cada grado de acero., independientemente del espesor de la sección. Límite elástico y último de la sección (de tensión) Los valores de resistencia se pueden calcular utilizando la tabla. 2.1 en AS 4100:2020.

Seleccionar una sección en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta permite a los usuarios seleccionar una sección estándar de la base de datos SkyCiv o diseñar una sección completamente personalizada.. Cuando se selecciona una sección Estándar, Los límites elásticos de las alas y del alma se calculan automáticamente en función del grado de acero utilizando AS 4100 Mesa 2.1. Cuando se selecciona una sección personalizada, el usuario debe ingresar valores para el límite elástico del ala y del alma. Las secciones estándar también se pueden utilizar con un grado de acero personalizado si lo especifica el usuario..

Capacidad de sección

Doblar

Capacidad de momento de flexión de la sección

AS 4100:2020 calcula la capacidad de momento flector de una sección de acero de la siguiente manera:

\(M_s = f_y*Z_e)

donde fy es el límite elástico del material, la suma de momentos es takmi es el módulo de sección efectivo. El módulo de sección de una forma es una propiedad geométrica que cuantifica la resistencia a la flexión de una forma.. En ingeniería estructural utilizamos dos valores de módulo de sección., la elástico (Z) y el plastico (S) módulo de sección. Nota, Los estándares de diseño en otras regiones a veces intercambian los símbolos para el módulo de sección elástico y plástico..

El módulo de sección elástica asume toda la sección. (forma) permanece elástico al doblarse, es decir. ninguna parte de la sección excede el límite elástico (Fy) del material. Esto generalmente ocurre cuando las fibras extremas de la sección (arriba/btm) alcanzar el rendimiento. El módulo de sección elástica de una sección se calcula de la siguiente manera:

\(Z = \frac{I}{y}\)

Donde I es el segundo momento del área e y es el centroide geométrico de la forma..

El módulo de la sección plástica supone que toda la sección alcanza el límite elástico del material bajo flexión., lo que significa que partes de la sección excederán el límite elástico y experimentarán deformación plástica.. El módulo de sección plástica de una sección se calcula de la siguiente manera:

\(S = A_C*y_C + A_T*y_T \)

Donde unC y unT son las áreas a cada lado del eje neutro plástico (ANP), y yc / yt son la distancia desde el PNA al centroide de esas áreas. Nota, la ubicación del PNA es igual a la ubicación del centroide geométrico para formas simétricas, pero no igual a la ubicación del centroide geométrico para formas asimétricas.

Clasificación de secciones

Algunas formas de acero pueden tener elementos de la forma que se pandean localmente antes de alcanzar su límite elástico., lo que significa que no se puede alcanzar la capacidad total del módulo de sección elástico/plástico. Esto suele ocurrir en grandes, formas más delgadas, que son más susceptibles al pandeo local. AS 4100 utiliza el módulo de sección efectivo (Ella) valor para tener en cuenta la posibilidad de pandeo local y reducir la capacidad de flexión de la sección en consecuencia. AS 4100 clasifica las secciones en tres categorías:

  • Compacto: Las secciones compactas no son susceptibles al pandeo local y pueden alcanzar su máxima capacidad de momento plástico, lo que significa que toda la sección puede alcanzar su límite elástico bajo flexión.
  • No compacto: Las secciones no compactas pueden alcanzar el límite elástico en las fibras extremas de la sección. (capacidad de momento elástico) pero no pueden alcanzar su capacidad de momento plástico antes de que ocurra el pandeo local..
  • Esbelto: Las secciones delgadas no pueden alcanzar su capacidad de momento elástico antes de que ocurra el pandeo local..

Esbeltez de la sección

AS 4100 determina la clasificación de la sección calculando la esbeltez de cada elemento dentro de una sección y encontrando la “elemento critico” que se doblará en compresión primero. Para una sección en I, Los elementos se desglosan como se muestra a continuación.. Los valores de esbeltez sólo se calculan para elementos destacados., es decir. Elementos que no están restringidos en ambas direcciones.. El área de conexión entre una brida y el alma. (se muestra en blanco a continuación) está restringido en ambas direcciones y por lo tanto no es susceptible al pandeo local.

La esbeltez de un elemento plano se calcula de la siguiente manera:

\(λ_e = frac{b}{t}\sqrt{\frac{f_y}{250}}\)

AS 4100 Mesa 5.2 contiene valores para los límites de plasticidad y esbeltez elástica (λepisodio & λoye) para elementos de placa de compresión basados ​​en la distribución de tensiones, Soporte de borde y tensiones residuales.. El elemento crítico de una sección es el elemento con mayor λmi / λoye proporción. Los valores de esbeltez de este elemento. (λmi) Se utilizan para clasificar toda la sección. (denominado λs).

Si λs λsp la sección es compacta. Para secciones compactas, el módulo de sección efectivo se calcula de la siguiente manera:

\(Z_e = Z_c = mín.(S,1.5*Z)\)

Donde S es el módulo de sección plástica., y Z es el módulo de sección elástica de la sección. El término Zc se usa indistintamente para el módulo de sección efectivo de una sección compacta.

Si λsp λs λsu la sección no es compacta. Para secciones no compactas, el módulo de sección efectivo se calcula de la siguiente manera:

\(Z_e = [(\frac{l_{su} – l_{s}}{l_{su} – l_{sp}})(Z_c-Z)]\)

donde zc es el módulo de sección efectivo para una sección compacta.

Si λs > λsu la sección es delgada. Para una sección esbelta con elementos de placa plana en compresión uniforme, el módulo de sección efectivo se calcula de la siguiente manera:

\(Z_e = Z(\frac{l_{su}}{λ_s})\)

Nota, El módulo de sección efectivo para secciones huecas circulares o elementos planos con tensión en el borde no soportado se calcula de manera diferente.. Consulte como 4100 Cláusula 5.2.5 para mayor información.

Calcular la capacidad de flexión de secciones en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta calcula clasificaciones de esbeltez y capacidades de flexión de secciones para flexión positiva y negativa alrededor de ambos ejes principales.. Los resultados de la clasificación de esbeltez comprueban una 230 Los PFC se detallan a continuación.

Es evidente que los valores de esbeltez y clasificación de las secciones son diferentes dependiendo de la dirección de flexión.. Esto se debe a que las distribuciones de tensiones y los valores de soporte de los bordes cambian dependiendo de qué elementos están en compresión o tensión., dando lugar a diferentes valores límite de esbeltez.

Una vez conocida la esbeltez de la sección, El módulo calcula la capacidad de momento flector de la sección. (Milisegundo) alrededor de cada eje principal para flexión positiva y negativa. Para formas simétricas (como las secciones I), este valor será el mismo en la dirección positiva y negativa. Las formas asimétricas tendrán diferentes capacidades de flexión de sección en la dirección de flexión positiva y negativa., tales como el 230 PFC se muestra en el siguiente ejemplo.

corte

Capacidad de corte de sección

AS 4100 Sólo considera el alma de una sección para contribuir a su capacidad de corte.. De ahí la capacidad de corte de una sección. (vv) es igual a la capacidad de corte del alma. Se pueden agregar refuerzos verticales a una sección para aumentar su capacidad de corte si es necesario.. La capacidad de un alma no rigidizada se calcula de manera diferente dependiendo de si la distribución del esfuerzo cortante a través del alma es uniforme o no uniforme.. Se asumen las siguientes distribuciones de esfuerzo cortante para formas de sección estándar:

Forma Distribución del esfuerzo cortante
Sección I Uniforme
Sección en T No uniforme
Canal de brida paralela (Magnitudes de presión separadas para cargas de viento) Uniforme
Sección hueca rectangular (RHS) No uniforme
Sección hueca circular (CHS) Uniforme

Distribución uniforme del esfuerzo cortante

La capacidad de corte de una sección con distribución uniforme del esfuerzo cortante. (V tu) se calcula de forma diferente dependiendo de la esbeltez del panel web. Para una red no delgada, La capacidad se calcula de la siguiente manera.:

\(\frac{d_p}{t_w} ≤ frac{82}{\sqrt{\frac{f_y}{250}}}\flecha derecha V_u = V_w = 0,6*f_y*A_w)

Para una sección hueca circular Vv = Vw = 0,36*fy*A (no afectado por la esbeltez de la sección).

Cuando el alma de la sección es esbelta la capacidad se calcula de la siguiente manera:

\(\frac{d_p}{t_w} > \frac{82}{\sqrt{\frac{f_y}{250}}}\rightarrow V_u = V_b = α_v*V_w\)

\(α_v = \left[\frac{82}{(\frac{d_p}{t_w})\sqrt{\frac{f_y}{250}}}\verdad]^2)

Donde DPrecios es la profundidad clara del panel web (es decir. profundidad excluyendo bridas), tw es el espesor del panel web, Fy es el límite elástico del alma y Aw es el área seccional bruta de la web. No hay téw se calcula de manera diferente para secciones soldadas y laminadas en caliente. Para perfiles laminados en caliente, Aw toma la profundidad del alma como toda la profundidad de la sección (re). Para secciones soldadas, Aw sólo toma la profundidad libre del alma entre las alas (rePrecios). Las secciones huecas rectangulares también utilizan dPrecios para el cálculo de Aw.

Distribución no uniforme del esfuerzo cortante

La capacidad de corte de una sección con distribución uniforme del esfuerzo cortante. (V v) se calcula de la siguiente manera:

\(V_v = frac{2*v_u}{0.9+\izquierda(\frac{F*_{vm}}{F*_{Virginia}}\verdad)} ≤ V_u)

donde vtu es la capacidad de corte de la sección con una distribución uniforme del esfuerzo cortante y f*vm /F*Virginia es la relación entre los esfuerzos cortantes de diseño máximos y promedio en el alma.

Calcular la capacidad de corte en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta calcula la capacidad de corte de una sección en ambos ejes principales.. Eje menor (Z) La capacidad de corte se calcula utilizando la contribución de las alas de la sección., excluyendo cualquier aportación de la sección web. Resultados de los cálculos de capacidad de corte para un 200 UB 22.3 se detallan a continuación.

Compresión

Capacidad de compresión de la sección

AS 4100 calcula la capacidad de compresión (nortes) de una sección cargada concéntricamente de la siguiente manera:

\(N_s = k_f*A_n*f_y)

donde kF es el factor de forma de la sección, Anorte es el área neta de la sección transversal (área bruta excluyendo penetraciones/agujeros) y fy es el límite elástico de la sección. El factor de forma de una sección representa cuánto de una sección puede contribuir a su capacidad de compresión antes de que ocurra el pandeo local.. El factor de forma se calcula de la siguiente manera.:

\(k_f = \frac{a_e}{a_g}\)

Donde ungramo es el área bruta de la sección, y unmi es el “Area efectiva” de la sección, es decir. el área bruta de la sección menos cualquier “ineficaz” áreas bajo compresión. Un área ineficaz es parte de la sección que se pandeará antes de alcanzar su capacidad de fluencia bajo compresión.. Las áreas efectivas se calculan encontrando la “ancho efectivo” de cada elemento de placa plana dentro de una sección y recalcular el área de la sección utilizando estos valores de ancho ajustados. El ancho efectivo de un elemento de placa plana se calcula de la siguiente manera:

\(b_e = bizquierda(\frac{l_{oye}}{l_{mi}}\verdad) ≤b)

Dónde:

\(λ_e = frac{b}{t}\sqrt{\frac{f_y}{250}}\)

Nota, la mayoría del software de diseño (incluyendo SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero) utiliza el límite elástico de la sección para los cálculos de esbeltez de los elementos, en lugar del límite elástico específico del alma/brida. Esto siempre proporcionará un resultado conservador.. Los valores b utilizados para λmi Los cálculos son idénticos a las dimensiones utilizadas para las comprobaciones de esbeltez de la sección de flexión. (con el ala dividida sobre el alma), pero la b usada para bmi El cálculo es el ancho total del ala/alma.. λoye esta tomado de AS 4100 Mesa 6.2.4, dependiendo del soporte del borde y las tensiones residuales de ese elemento.

El ancho efectivo de una sección hueca circular se calcula de la siguiente manera:

\(d_e = mín.(D_{los}\sqrt{\izquierda(\frac{l_{oye}}{l_{mi}}\verdad)}, D_{los}\izquierda(\frac{3*l_{oye}}{l_{mi}}\verdad)^ 2) ≤ d_{los}\)

Dónde:

\(λ_e = izquierda(\frac{hacer}{t}\verdad)\izquierda(\frac{f_y}{250}\verdad)\)

Calcular la capacidad de compresión de la sección en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta calcula el factor de forma y la capacidad de compresión de la sección. (nortes) para secciones australianas estándar y secciones personalizadas definidas por el usuario. Resultados de los cálculos de capacidad de compresión de la sección para un 610UB 125 se detallan a continuación.

Tensión

Capacidad de tensión de la sección

AS 4100 calcula la capacidad de un miembro de tensión (Nuevo Testamento) como sigue:

\(N_t = mín.(UNA_{gramo}*F_{y}\; ,\; 0.85*k_t*A_n*f_u)\)

Donde ungramo es el área bruta de la sección, Anorte es el área neta de la sección transversal (área bruta excluyendo penetraciones/agujeros), Fy es el límite elástico de la sección, Ftu es la tracción (último) resistencia de la sección y kt es el factor de corrección de la distribución de la fuerza de tracción. La Kt utilizado en el diseño varía según la forma de la sección y el tipo de conexión. Las conexiones que proporcionan una distribución uniforme de la fuerza dan como resultado un kt Factor de 1.0, Las conexiones con distribución de fuerza desigual dan como resultado a kt factor entre 0.75-1.0.

Calcular la capacidad de tensión en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta permite a los usuarios especificar la sección k.t valor para utilizado en el diseño. Una k más bajat El valor dará como resultado una capacidad de tensión de sección más baja.. El SkyCiv AS 4100 La calculadora de diseño de miembros asume que no hay agujeros significativos en la sección, por lo tanto Anorte se toma como igual a Agramo. Resultados de los cálculos de capacidad de tensión de la sección para un 610UB 125 se detallan a continuación.

Capacidad de miembros

Doblar

Capacidad de momento de flexión del miembro

La capacidad del momento flector de un miembro de acero no siempre puede estar gobernada por la capacidad del momento flector de la sección. (Ms). Esto se debe a que los miembros pueden fallar mediante otro método antes de que se alcance la capacidad de la sección.. El pandeo lateral por torsión es un método de falla común para miembros de acero largos/no restringidos., que ocurre cuando la sección gira alejándose de su eje mayor (hacia su eje menor) reduciendo su capacidad de momento en la dirección de flexión.

AS 4100 contiene orientación sobre cómo calcular la capacidad nominal de los miembros (Mb), que factoriza la capacidad de la sección de un miembro de acero (Ms) para tener en cuenta el impacto de la esbeltez del miembro y las condiciones de restricción.

Miembros con sujeción lateral total

Brida crítica

El ala crítica de una sección transversal es la que se deformaría más durante el pandeo., eventualmente resultando en falla por pandeo lateral. Este suele ser el ala comprimida de un miembro.. A continuación se muestran las ubicaciones críticas de las bridas para secciones estándar bajo carga vertical..

Restricción lateral total

Los miembros más cortos con alta rigidez rotacional/lateral tienen menos probabilidades de girar fuera del plano bajo carga., reducir la probabilidad de falla por pandeo lateral. Si un miembro es lo suficientemente corto/rígido podrá alcanzar su capacidad de momento de sección. (Ms) antes de que ocurra otro método de falla. Se considera que los miembros que cumplen esta condición tienen “Restricción lateral total”.

\(Completo \; Lateral \; Restricción \; \flecha derecha M_b = M_s)

AS 4100 Cláusula 5.3.2 proporciona orientación sobre cómo calcular el límite de restricción lateral total para un miembro. Secciones huecas circulares (CHS) y secciones huecas cuadradas (SHS) No son susceptibles al pandeo lateral por torsión., ya que tienen alta rigidez lateral/torsional y capacidades de momento de sección iguales alrededor de ambos ejes. Por lo tanto, generalmente se supone que estas secciones logran una restricción lateral total independientemente de la longitud del miembro..

Restricción lateral continua

Se considera que los miembros que tienen una restricción continua al ala crítica en toda su longitud tienen “Restricción lateral continua”. La restricción lateral continua se considera equivalente a la restricción lateral total para el cálculo de la capacidad de flexión del miembro. (Mb).

Miembros sin restricción lateral total

La capacidad de momento flector de un miembro que no alcanza la restricción lateral total se calcula de la siguiente manera:

\(M_b = α_m*α_s*M_s ≤ M_s)

donde αm es el factor de modificación de momento y αs es el factor de reducción de esbeltez. AS 4100 Cláusula 5.6 describe el procedimiento para calcular αm y αs.

Capacidad de flexión del miembro del eje menor

La capacidad de flexión de un miembro doblado alrededor de su eje menor. (Mb) es igual a la capacidad de la sección del eje menor (Ms) sobre ese eje. La capacidad de la sección del eje menor refleja la capacidad mínima que la sección puede alcanzar alrededor de cualquier eje., por lo tanto, el miembro no puede girar desde este eje hacia una orientación menos favorable..

Cálculo de la capacidad de flexión de miembros en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta calcula lleva a cabo comprobaciones completas de restricción lateral y calcula las capacidades de momento de flexión del miembro sobre ambos ejes principales para flexión positiva y negativa.. Los usuarios también tienen la opción de seleccionar “Restricción lateral continua” para omitir la verificación de restricción lateral total. A continuación se detallan los resultados de los cálculos de la capacidad de flexión de la barra para un 200UB22.3 de 3 m de largo..

Nota, esta calculadora supone αm = 1.0 y βs = -1.0 en todos los cálculos. Esta herramienta no admite miembros en voladizo.

Compresión

Capacidad de compresión de miembros

La capacidad de compresión axial de un miembro también se ve afectada por su longitud., Rigidez lateral y condiciones de restricción.. Desenfrenado, Es probable que los miembros más largos fallen debido al pandeo por flexión antes de que la sección (calabaza) se alcanza la capacidad. AS 4100 contiene orientación sobre cómo calcular la capacidad nominal de los miembros (nortec), que factoriza la capacidad de la sección de compresión (nortes) para tener en cuenta el impacto de la esbeltez del miembro y las condiciones de restricción.

\(N_c = α_c*N_s ≤ N_s)

donde αc es el factor de reducción de esbeltez del miembro. Cláusula 6.3.3 de como 4100 proporciona orientación sobre el cálculo de αc. La capacidad de compresión del miembro debe verificarse en ambos ejes para encontrar el valor gobernante..

Calcular la capacidad de compresión de miembros en SkyCiv AS 4100 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv AS 4100:2020 Diseño de miembros de acero La herramienta calcula la capacidad de compresión del miembro alrededor de ambos ejes principales basándose en las longitudes de restricción y los factores de longitud efectiva especificados por el usuario.. Resultados de los cálculos de capacidad de compresión de miembros para un 200UB22.3 con una longitud libre de 4500 mm y 1500 mm en los ejes Z e Y (respectivamente) se detallan a continuación.

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