Vista general

EN 1993-1-1: Diseño de Estructuras de Acero (Eurocódigo 3) Describe pautas de diseño para miembros estructurales de acero para uso en edificios usando el método del estado límite.. El diseño en estado límite implica comparar cargas de diseño factorizadas con capacidades reducidas de secciones y miembros.. Estos factores están destinados a 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)

This design guide outlines the procedure for designing a structural steel member in accordance with EN 1993-1-1 utilizando la EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero módulo.

Contenido

• Propiedades materiales
  • Fabricación
  • Grado de acero
  • Fuerza de producción
• Clasificación de secciones
  • Elementos de compresión
  • Classification Ratios
  • Plastic Stress Distribution
  • Elastic Stress Distribution
• Resistencia de sección
  • Doblar
  • corte
  • Compresión
  • Tensión
• Buckling Resistance
  • Doblar
  • Compresión

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Propiedades materiales

Fabricación

EN 1993-1-1 proporciona orientación de diseño para cuatro tipos de fabricación de acero estructural:

• Secciones Laminadas en Caliente: Las secciones laminadas en caliente se fabrican calentando y laminando palanquillas de acero a través de un molino para lograr la forma requerida.. Los ejemplos incluyen secciones I UB/UC/UBP, Secciones en T, Canales y secciones angulares.
• Secciones soldadas: soldado (o fabricado) Las secciones se componen de varias placas planas laminadas en caliente soldadas entre sí longitudinalmente para formar una forma de acero.. Las secciones fabricadas a medida suelen estar soldadas.
• Secciones terminadas en caliente: Las secciones acabadas en caliente se producen calentando el acero más allá de su temperatura de recristalización antes del laminado para mejorar la resistencia del producto final.. Estos perfiles son casi siempre perfiles huecos estructurales. (RHS/SHS/CHS).
• Secciones conformadas en frío: Las secciones conformadas en frío se fabrican presionando palanquillas de acero a través de un molino a temperatura ambiente.. El conformado en frío se puede utilizar para producir secciones huecas estructurales y secciones abiertas más delgadas.. Nota ES 1993-1-1 solo proporciona orientación para secciones huecas conformadas en frío.

Grado de acero

Europa y el Reino Unido tienen numerosos grados de acero. (fortalezas) que se puede utilizar para el diseño según EN 1993-1-1. Existen varias normas europeas de materiales para diferentes tipos de fabricación de acero.:

• EN 10025: Productos laminados en caliente.
• EN 100210: Perfiles huecos estructurales acabados en caliente.
• EN 10219: Secciones huecas estructurales soldadas conformadas en frío.

Secciones Laminadas en Caliente (EN 10025)

A continuación se describen las disponibilidades de grados comunes y los límites elásticos indicativos para las formas de acero laminado en caliente.:

Secciones huecas estructurales acabadas en caliente (EN 100210)

A continuación se describen las disponibilidades de calidades comunes y los límites elásticos indicativos para secciones huecas estructurales acabadas en caliente.:

Producir & Fuerza de Tensión

El límite elástico de un material es el límite de tensión más allá del cual se producirá la deformación plástica.. La resistencia a la tracción es la tensión máxima que puede soportar un material antes de fallar. / se rompe. El límite elástico y la resistencia a la tracción de las secciones de acero dependen del grado y el espesor del acero.. Normalmente, la resistencia aumenta con la calidad del acero, pero disminuye con el aumento del espesor del acero..

EN 1993-1-1 Tabla 3.1 proporciona un enfoque simplificado para calcular el límite elástico y la resistencia a la tracción de una sección en función de su calidad y espesor.. Se puede realizar un cálculo más detallado de la resistencia del material consultando la norma de material relevante.. The SkyCiv ES 1993-1-1 El módulo Diseño de miembros de acero no no Utilice esta simplificación y, en su lugar, consulte las normas de materiales pertinentes para el cálculo de la resistencia del material..

Seleccionar una sección en SkyCiv ES 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero La herramienta permite a los usuarios seleccionar una sección de acero estándar de la base de datos SkyCiv o diseñar una sección completamente personalizada.. El programa calcula automáticamente los valores del límite elástico para el ala de la sección y el alma en función del grado de acero seleccionado.. Los usuarios también pueden adoptar un grado de acero personalizado e ingresar manualmente las propiedades del material si es necesario..

Prueba el ES 1993-1-1 Steel Design Module

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Clasificación de secciones

La clasificación de secciones es un sistema utilizado por EN 1993-1-1 Identificar la susceptibilidad de una sección al pandeo local antes de alcanzar su capacidad plástica total.. Las formas grandes y esbeltas suelen ser más susceptibles al pandeo local que las pequeñas., formas rechonchas. El SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero La herramienta calcula automáticamente la clasificación de secciones de acero estándar y personalizadas en función de las condiciones de carga aplicadas.. Eurocódigo 3 tiene cuatro categorías de clasificación de secciones:

• Clase 1: Secciones que pueden formar una bisagra plástica y desarrollar su momento plástico/resistencia axial., lo que significa que toda la sección puede alcanzar su límite elástico bajo flexión y/o compresión.. Clase 1 sections also have high rotational capacity. Las propiedades de la sección plástica se utilizan en los cálculos de capacidad..
• Clase 2: Secciones con la capacidad de formar una bisagra de plástico pero con capacidad de rotación limitada.. Eurocódigo 3 trata clase 1 y clase 2 secciones de manera similar para casi todos los cálculos de capacidad.
• Clase 3: Secciones que pueden alcanzar el límite elástico en su fibra de extrema compresión., pero se pandean localmente antes de que se logre la resistencia al momento plástico.. Las propiedades de la sección elástica se utilizan en los cálculos de capacidad..
• Clase 4: El pandeo local ocurrirá antes de que se alcance el límite elástico en parte/s de la sección.. Las propiedades de sección elástica reducida se utilizan en los cálculos de capacidad..

Nota, Clase 4 sections include additional complexity in calculation of section properties / resistance and are not covered in this guide.

Elementos de compresión

La clasificación de las secciones se determina dividiendo una sección en una serie de elementos a compresión y calculando su esbeltez. (longitud clara en relación con el espesor). Los elementos se clasifican en:

• Interno: Restringido contra pandeo en ambos extremos – Es decir. red de una sección I.
• Destacar: Sólo protegido contra pandeo en un extremo – Es decir. brida de una sección en I.

Los valores de esbeltez calculados se comparan con la Tabla 5.2 en ES 1993-1-1 para determinar su clase. La clasificación de la sección se toma como la clasificación menos favorable de sus elementos a compresión.. Nota, La clasificación de la sección cambia dependiendo de las fuerzas sobre la sección. (fuerza axial particularmente variable). Los métodos para clasificar cada tipo de carga se resumen a continuación..

Classification Ratios

Piezas sujetas a compresión

Los elementos en compresión pura se clasifican en función de su esbeltez únicamente utilizando los límites que se detallan a continuación..

Dónde:

\(ε = \sqrt{\frac{235}{f_y}}\)

Piezas sujetas a flexión

Internal elements in pure bending are classified based on their slenderness the limits outlined below.

Outstand elements subject to pure bending are classified based on the ratio of compressive and tensile stress under the bending moment value resulting in compressive stress equal to yield stress at the extreme fibre. The method for calculating this ratio is detailed in the section below.

Piezas sujetas a compresión & Doblar

Elements subject to combined compression and bending are classified based on their compressive / tensile stress distribution under the applied compression loading. This ratio is represented by the α symbol for plastic stress distribution and ψ symbol for elastic stress distribution.

Plastic Stress Distribution

Formulae for calculating plastic stress ratio (una) for different shape profiles are provided below.

I-Section Plastic Stress Distribution

T-Section Plastic Stress Distribution

Note minor axis stress distributions for T-Sections are similar to those of an I-section.

Channel Plastic Section Stress Distribution

Note major axis stress distributions for T-Sections are similar to those of an I-section.

RHS Plastic Stress Distribution

Elastic Stress Distribution

Elastic stress distribution calculations are similar for all sections and shapes, due to the linear stress distribution between the extreme fibres. The formula for calculating the minimum stress in a section under applied compression and bending is shown below.

Section Classification in SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Diseño de miembros de acero tool automatically determines the Section Classification of standard and custom sections based on the user-input loading. An example output for a Grade S 275, 430x100x64 Channel with 20kN of compression loading is detailed below.

A single Section Classification value is used for all calculations based on the applied axial force and direction of applied bending moment. If a member has bending moment applied about both axes, the most conservative classification from each direction is adopted. Users can also override the automatic calculation of Section Classification and specify a classification manually.

Nota, Cláusula 5.4.1(3) specifies that singly symmetric sections (such as T-sections and Channels) cannot be designed using plastic analysis when bent about their non-symmetric axis. Hence sections of this nature are automatically assigned Class 3.

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Resistencia de sección

Doblar

Section Bending Resistance

Section bending moment capacity is calculated using EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.5.

\(METRO_{c,Rd} = W*f_y/γ_{M0}\)

Where W is the plastic section modulus (W_pl) for Class 1 & 2 secciones, or the elastic section modulus (W_el) for Class 3 secciones, F_y is the yield stress of the material and γ is the partial safety reduction factor.

El módulo de sección de una forma es una propiedad geométrica que cuantifica la resistencia a la flexión de una forma.. The plastic section modulus assumes that the entire section reaches its yield strength under bending. El módulo de sección plástica de una sección se calcula de la siguiente manera:

\(W_{pl} = A_{C} * y_{C} + UNA_{T} * y_{T} \)

Donde un_C y un_T son las áreas a cada lado del eje neutro plástico (ANP), y y_c / y_t 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.

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 (F_y) del material. El módulo de sección elástica de una sección se calcula de la siguiente manera:

\(W_{el} = frac{I}{y}\)

Donde I es el segundo momento del área e y es el centroide geométrico de la forma.. Note for an asymmetric shape, the elastic modulus value used in design is the lesser value for positive and negative bending about that axis.

Calculating Section Bending Resistance in SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

Once the relevant Section Classification has been calculated, El módulo calcula la capacidad de momento flector de la sección. (Mc) about each principal axis. Results for the same 430x100x64 Channel are shown in the example below.

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corte

Section Shear Resistance

Shear resistance is calculated using EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.6. Capacity calculations are dependent on the Section Classification of the steel member. Capacity for Class 1 & 2 sections are calculated based on plastic shear resistance, whereas an elastic shear resistance is used for Class 3 & 4 secciones.

Plastic shear resistance is calculated using the formula below:

\(V_{pl,Rd}=A_v * (f_y / \sqrt{3}) / γ_{M0}\)

Where Av is the shear area of the section in the direction of applied shear force. For most sections this area is equivalent to the area of the web for major axis direction shear, and the area of the flanges for the other direction. Formulae for calculating shear area are provided in EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.6(3).

Elastic shear resistance is calculated using the relationship below, which ensures the shear stress at the critical point of the cross-section is less than the yield stress.

\(τ_{Ed}/(f_y / (\sqrt{3 * γ_{M0}})) ≤ 1\)

The shear stress at this critical point is calculated as follows:

\(τ_{Ed}=(V_{Ed} * S)/(I * t)\)

donde v_Ed is the applied shear force, S is the first moment of area, I is the section moment of area and t is the thickness at the critical stress location.

The elastic shear stress formula can then be arranged to represent a resistance value (en kN):

\(V_{el,Rd} = (I * t * \sqrt{3})/(S * f_y)\)

Shear Buckling

Largo, slender webs may buckling under applied shear force before they reach their elastic shear resistance. Webs are susceptible to shear buckling if they satisfy the formula below from EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.6(6):

\(h / t > 72 * ε/η \)

Dónde η is a factor usually taken as 1.0. Webs susceptible to shear buckling must be checked in accordance with Section 5 o y 1993-1-5. Nota, shear capacity in accordance with EN 1993-1-5 is not covered in the SkyCiv EN 1993-1-1 herramienta, but a warning will be displayed if a section is susceptible to shear buckling.

Impact of Shear Force on Bending & Compression Resistance

High applied shear force can have a negative impact on the moment and axial resistance of a section. In EN 1993-1-1, this impact is captured by reducing the yield strength of the section relative to the magnitude of the applied shear (refer Clause 6.2.8 & 6.2.10). When the section shear force is con menos de half its plastic shear resistance in that direction, this impact can be neglected. If the applied shear is greater than this value, the reduced yield strength is calculated as follows:

\(F_{y,Rd} = (1 -ρ) * f_y \)

Dónde:

\(ρ = (2 * V_{Ed} / V_{pl,Rd} – 1)^2)

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Diseño de miembros de acero module automatically calculates any reduction in yield strength due to high applied shear force and uses this reduced value in section bending and compression resistance calculations. Nota, this reduction only applies for the section resistance of a member, not the buckling resistance.

Calculating Shear Resistance in SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Diseño de miembros de acero tool calculates the shear capacity of a section in both principal axis directions. Results from the shear resistance calculations for a 254×102 UB 28 se detallan a continuación.

Compresión

Section Compression Resistance

EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.4 calcula la capacidad de compresión (norte_c) of a concentrically loaded Class 1,2 o 3 section as follows:

\(NORTE_{c,Rd} = A*f_y / γ_{M0}\)

Where A is the gross area of the cross section and f_y es el límite elástico de la sección.

Calculating Section Compression Resistance in SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv uno 1993-1-1 Diseño de miembros de acero tool calculates the section compression resistance (norte_c,Rd) for standard European sections and custom user-defined sections. Results from the section compression resistance calculations for a 254×102 UB 28 se detallan a continuación.

Tensión

Section Tension Resistance

EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.3 calcula la capacidad de un miembro de tensión (Nuevo Testamento) to be the lesser of the plastic tension resistance and ultimate tension resistance:

\(NORTE_{t,Rd} = min(A*f_{y}/γ_{M0} \; ,\; 0.9*UNA_{norte}*f_u /γ_{M2})\)

Where A is the gross area of the section, A_norte es el área neta de la sección transversal (área bruta excluyendo penetraciones/agujeros), F_y es el yield strength de la sección, F_tu es el de tensión (último) strength of the section.

Calculating Tension Resistance in SkyCiv EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Diseño de miembros de acero module assumes no significant holes are present in the section, por lo tanto A_norte se toma como igual a A. Results from the section tension resistance calculations for a 254×102 UB 28 se detallan a continuación.

 

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Doblar & Fuerza Axial

When a section has applied axial tension or compression force, the effect of this force on the section bending moment resistance should be accounted for. The method for assessing this effect outlined in EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.9 varies for Class 1 & 2 y clase 3 secciones.

Clase 1 & 2 compuestas

Combined bending and axial force is assessed for Plastic sections by reducing the plastic moment resistance in each direction by an amount proportional to the axial force. This reduced moment resistance is referred to by the symbol M_norte,Rd. Calculation of M_norte,Rd varies depending on the section shape and is outlined in EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.9.1. Once reduced moment resistance is calculated, the following criterion is used for assessing combined bending and axial resistance:

\( (METRO_{y,Ed} / METRO_{Ny,Rd})^α + (METRO_{z,Ed} / METRO_{Nz,Rd})^ β ≤ 1\)

Dónde α and β are constants that vary with the section shape – refer EN 1993-1-1 Cláusula 6.2.9.1.

Clase 3 compuestas

Combined bending and axial force in Elastic sections is instead assessed using a general elastic stress formula detailed below:

\( NORTE_{Ed} / NORTE_{c,Rd} + METRO_{z,Ed} / METRO_{cz,Rd} + METRO_{y,Ed} / METRO_{cy,Rd} ≤ 1\)

Note any reduction in yield strength required due to applied shear force should be used in calculation of the section resistance values in the formulae above.

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Buckling Resistance

Doblar

Lateral Torsional Buckling Resistance

Largo, unrestrained steel members can fail in lateral-torsional buckling prior to attaining their section bending moment resistance. Lateral torsional buckling occurs when the section rotates away from its major axis towards its minor axis, meaning moment resistance in the direction of applied bending is reduced. Guidance for calculating member lateral-torsional buckling resistance is provided in EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.2.

Lateral-torsional buckling resistance is calculated using the below formula:

\(METRO_{b,Rd} = χ_{LT}*W*f_y/ γ_{M1}\)

Where W is the plastic section modulus (W_pl) for Class 1 & 2 secciones, or elastic section modulus (W_el) for Class 3 secciones. χ_LT is a reduction factor for lateral-torsional buckling, guidance for calculating this factor is provided in EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.2.2 y 6.3.2.3.

Compression Flange

Members fail in lateral-torsional buckling when the compression flange rotates and displaces laterally. If the compression flange of a member is sufficiently restrained, it will not be susceptible to lateral torsional buckling (refer EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.2.1(2)). Compression flange locations for standard sections under vertical loading are shown below.

Secciones huecas circulares (CHS) y secciones huecas cuadradas (SHS) No son susceptibles al pandeo lateral por torsión., as they have equal section moment resistance about both axes (meaning lateral displacement and rotation don’t affect the member bending resistance).

Minor Axis Bending Buckling Resistance

The bending capacity for a member bent about its minor axis is equal to the minor axis section resistance about that axis. The minor axis section capacity is the minimum capacity a section can achieve about any axis, por lo tanto, el miembro no puede girar desde este eje hacia una orientación menos favorable..

Calculating Member Bending Resistance in EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Diseño de miembros de acero tool calculates carries out lateral-torsional resistance calculations in accordance with EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.2.2 y cláusula 6.3.2.3, depending on the section shape and applied National Annex. Users also have the option to specify a member as having “Continuous Torsional Restraint” which will automatically skip all lateral-torsional buckling checks. Lateral-torsional buckling resistance calculations for a 5000mm long 254×102 UB 28 se detallan a continuación.

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Compresión

Flexural Buckling Resistance

The compression buckling resistance of a member is also affected by its length and lateral rigidity. Desenfrenado, Es probable que los miembros más largos fallen debido al pandeo por flexión antes de que la sección (calabaza) se alcanza la capacidad. EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.1.3 provides guidance on calculating member flexural buckling resistance for Class 1, 2 & 3 secciones cruzadas:

\(NORTE_{b,Rd} = χ*A*f_y/ γ_{M1}\)

Dónde χ is a reduction factor for flexural buckling. Guidance for calculating this factor is provided in EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.1.3. Flexural capacity must be checked about both axes to find the governing value for the member.

Calculating Flexural Buckling Resistance in EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Diseño de miembros de acero tool calculates flexural buckling resistance about both principal axes based on restraint lengths and effective length factors specified by the user. Flexural buckling resistance of a 254×102 UB 28 with an unrestrained length of 6000mm and 5000mm in the Z and Y axis (respectivamente) se detallan a continuación.

Torsional-Flexural Buckling Resistance

Open cross-sections are also susceptible to torsional-flexural buckling, which can be less than the member resistance to flexural buckling. Secciones huecas circulares (CHS) y secciones huecas cuadradas (SHS) members are not susceptible to torsional-flexural buckling. EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.1.4 provides guidance on calculating member torsional-flexural buckling resistance:

\(NORTE_{bT,Rd} = χ_T*A*f_y/ γ_{M1}\)

Dónde χ_LT is a reduction factor for torsional-flexural buckling. Guidance for calculating this factor is provided in EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.1.3. Flexural capacity must be checked about both axes to find the governing value for the member.

Calculating Torsional-Flexural Buckling Resistance in EN 1993-1-1 Diseño de miembros de acero

El SkyCiv UNO 1993-1-1 Steel Member Design tool calculates torsional-flexural buckling resistance for applicable open and closed sections in accordance with EN 1993-1-1 Cláusula 6.3.1.4 based on compression restraint length in the major axis as specified by the user. Torsional-flexural buckling resistance of a 254×102 UB 28 with an unrestrained length of 6000mm are detailed below.

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