Clase magistral del Eurocódigo 3: cálculo de estructuras de acero con RFEM 6

Presenta el curso de cálculo de acero según el Eurocódigo 3, apoyado en ejemplos prácticos con RFEM 6, y adelanta los temas de imperfecciones, deformación estructural y rigidez de las conexiones. Anuncia la versión de prueba gratuita de RFEM 6 de 90 días y la versión gratuita para estudiantes.

Recorre el contenido del curso: normas, concepto de seguridad, análisis estructural, estado límite último con cálculo de secciones y estabilidad, y estado límite de servicio. Señala el Eurocódigo 3 parte 1-1 y los complementos Steel Design y Warping Torsion de RFEM 6 como base, y cierra con los anejos nacionales.

La lección compara efecto y resistencia y explica valores característicos, de cálculo y los coeficientes gamma M0, M1 y M2 del Eurocódigo 3 frente al anejo nacional alemán. En RFEM 6 activa el anejo alemán de 2020 en Base Data, pestaña Standards, y en Edit Material, pestaña Steel Design, lee gamma M1 de 1,1.

La lección recorre las bibliotecas de materiales del Eurocódigo, con módulo y módulo de cortante predefinidos. En Edit Material, pestaña Material Values, lee el límite elástico y la resistencia última por intervalo de espesores. En Material Library filtra Unión Europea y acero, busca el S 235 y cierra con Cancel.

Sobre diapositivas explica el análisis global elástico o plástico según la clase de sección y compara primer y segundo orden en dos pilares, idénticos en primer orden con 4 kilonewtons metro en la base. Define alpha crit, con el ejemplo 1,97 y los límites 10 y 15, calculable con el complemento Structure Stability.

Comprueba en RFEM 6 que el complemento Structure Stability esté activo en el modelo de estabilidad 2D y obtiene un factor de carga crítica de 33,6 con la sección IPE 400, con 60 kilonewtons metro en primer orden. Con IPE 200 el factor cae a 2,8 y el momento en segundo orden sube a unos 91 kilonewtons metro.

Crea un caso de carga con una carga en barra de 5 kilonewtons por metro, devuelve la sección a IPE 400 y genera con el asistente las combinaciones del estado límite último según el Eurocódigo y el anejo alemán. Con el análisis de estabilidad activado, el factor de carga crítica mínimo es 13,46 en la combinación 3.

Las diapositivas distinguen las imperfecciones geométricas, como la verticalidad inicial de valor base 1 entre 200 reducible con Alfa M y Alfa H, de las estructurales como las tensiones residuales. Recogen la curvatura inicial del Eurocódigo 3 y del anejo alemán, el modo propio a escala y las cargas equivalentes.

Crea un caso de imperfección y una imperfección de barra de verticalidad inicial según el Eurocódigo 3, valor base 1 entre 200, dos columnas en fila y dirección global X, en las barras 1 y 3. Corrige el sentido invirtiendo la orientación de la barra y comprueba que las combinaciones de segundo orden ya la consideran.

Presenta los métodos A, B y C del comentario del Eurocódigo 3 según las imperfecciones y la teoría de primer o segundo orden que combinan, y las imperfecciones menores del pandeo lateral. Clasifica las uniones en articulada, rígida y semirrígida y simplifica la rigidez como SJ igual a SJ,ini entre ETA.

Parametriza en RFEM 6 la altura H con 5 metros y la rigidez SJ,ini con 60.000 kilonewtons metro, y crea una articulación al inicio y al final de la viga cuyo muelle es SJ,ini entre ETA, con ETA igual a 2 para pórticos. Para el estado límite de servicio una Structural Modification fija el factor de giro 2.

Parte teórica: las clases 1 y 2 permiten la resistencia plástica, la clase 3 la elástica y la clase 4 exige la sección eficaz. La clase sale del cociente C entre T de cada parte y manda la peor. El límite de clase 1 es nueve veces épsilon en compresión pura y nueve veces épsilon entre alfa con flexión y compresión.

En una viga IPE 300 de acero S 355, el complemento Steel Design clasifica la sección: en compresión pura el subpanel 3 la deja en clase 4 y el área baja de 53,81 a 52,7 cm² según el Eurocódigo 3-1-5. Con flexión es de clase 1 y el momento de 100 kNm cumple frente a la resistencia plástica de 223.

Parte teórica: en compresión pura los IPE y HEA llegan pronto a clase 3 o 4. Las fórmulas de ELU son elásticas para todas las clases y plásticas para las clases 1 y 2, con von Mises, la reducción del límite elástico por encima del 50 por ciento del cortante y el área de cortante eficaz, alma más parte de las alas.

En una viga IPE 200 de acero S355, se activa el complemento Steel Design desde Basic Data, con el Eurocódigo 3 y el anexo nacional alemán. En la tabla Steel Design se recorren sus pestañas y se crea la configuración cálculo elástico, con el cálculo de estabilidad desactivado y asignada a la barra.

Al editar la barra con el cálculo de acero activo aparecen cinco pestañas en vez de dos. En Design Configurations ya figura la configuración cálculo elástico creada antes, y la última pestaña reúne los apoyos de cálculo y la flecha del estado límite de servicio, que se trata en el capítulo 6.

Se ejecuta el cálculo de acero desde las tablas y el primer resultado, con resistencia plástica, se cumple. Al activar el cálculo elástico en Design Configurations el diseño deja de cumplir, aparece la subtabla con los casos que fallan y el detalle muestra los criterios de tensión de von Mises.

Parte teórica: la clasificación solo cubre las tensiones longitudinales, así que la abolladura por cortante se comprueba aparte cuando la relación altura entre espesor supera su límite. En los IPE y HEA de acero S 235 no aparece, pero sí en la sección en I soldada muy esbelta que sigue en RFEM 6.

En un archivo con una sección en I soldada muy esbelta bajo 200 kilonewtons por metro, se activa la comprobación de abolladura por cortante. El primer cálculo falla; se añaden rigidizadores transversales al inicio y al final, y más cada 25% de la longitud, hasta cumplir con separación final de un metro y medio.

Parte teórica: expone los dos métodos de estabilidad y los modos de fallo de pandeo por flexión, pandeo torsional y pandeo flexo-torsional, con el factor alfa crítica. Recorre las subsecciones del apartado 6.3 del Eurocódigo 3 y advierte que las comprobaciones del 6.3.5 no están en el complemento de cálculo.

Activa el complemento Steel Design, deja solo el estado límite último y marca el cálculo de estabilidad en Design Configurations. Define las Effective Lengths de los dos pilares con el método de la barra equivalente y nudos en barra al 50%: la longitud de pandeo sale 6 metros en Y y 3 metros en Z.

Crea tres nudos intermedios en la viga sin dividir la barra y define unas nuevas Effective Lengths: al seleccionar la viga, esos nudos pasan solos a la tabla. Marca los apoyos en dirección Y y las coacciones sobre el eje X, y la razón del cálculo de estabilidad se cumple.

Crea unas Boundary Conditions para la viga y, tras el error por tener también Effective Lengths, las desactiva: el cálculo se cumple según el capítulo 6.3.4, el método general. En la diapositiva final el momento torsor M3 solo es posible con el análisis de segundo orden con 7 grados de libertad.

En el modelo ASLS de RFEM 6, con solo el ELS activo en Steel Design, se calcula la viga transversal: razón 1,86, flecha de 24,8 mm frente al límite de 13,3 mm, pues suma los 12 mm de las vigas principales. Al referenciar el desplazamiento a los extremos de segmento deformados, la flecha baja a 12,7 mm y cumple.

En Steel Design se calcula la barra número cuatro: el límite de flecha es L dividido entre 300 también en el voladizo, lo que no es correcto. Un nuevo apoyo de cálculo en el inicio de la barra y en el nudo número nueve separa 3 metros y medio de 1 metro y medio, y el límite del voladizo pasa a L dividido entre 150.

En RFEM 6 se activa Steel Design con el anejo nacional alemán en un semipórtico con cartela: la sección variable descarta la barra equivalente y obliga al método general. En Design Configurations se confirma el cálculo de estabilidad, se activa el cálculo elástico y la carga se deja en el borde del perfil.

Se crea un Member Set con la viga y el pilar y se le asignan Boundary Conditions, con apoyo en Y en el nudo intermedio. El cálculo da un amplificador de carga de 2,14 y el modo muestra el pandeo lateral del pórtico. Al añadir un momento en la viga, el conjunto ya no es calculable por el método general.

En RFEM 6 se activan Warping Torsion y Structure Stability, con excentricidad de -2250 mm en Z y Member Sets para las vigas. Con una imperfección de 1/150 por fórmula paramétrica y teoría de tercer orden, el conjunto de barras 6 obtiene una razón de tensiones del 40 % usando gamma M1.

Con dos vigas IP 550 de 7,2 m y travesaños HEB 240, Stress-Strain Analysis da casi el 80 % y Steel Design baja al 69 % en la barra 11 por el cálculo plástico de la sección de clase 1. Con Effective Lengths de barra equivalente y solo pandeo lateral, el cálculo falla: momento de 450 frente a 260 de resistencia.

Se crea una Member Rotational Restraint manual de 134 kNm por metro, tomada de un artículo técnico para representar la rigidez de los travesaños, y se asigna como apoyo en la viga principal. La razón de tensiones mejora a 1,071, por lo que el diseño aún no se cumple.

En Effective Lengths se añaden dos muelles de 348 kNm/rad y, sin análisis elástico, el cálculo se cumple con el 97,5 %. Con Warping Torsion, articulaciones de 359 kNm/rad e imperfección de 0,018, la comprobación de sección ronda el 99 %, con un factor de carga crítica de 2,5 próximo al del modelo de elementos finitos.