10-K.1 Ámbito de Aplicación
El chequeo de estructuras de acero según la norma metálica ASME Boiler and Pressure Vessel Code III Subsection NF en CivilFEM se encuadra en la comprobación de estructuras formadas por perfiles laminados o armados sometidos a solicitaciones de tracción, flexocompresión y flexotorsión en 3D.
Los cálculos realizados por CivilFEM corresponden a las prescripciones de la ASME BPVC III Subsection NF según lo especificado en los siguientes apartados:
|
1 |
Tensiones admisibles. |
|
2 |
Estabilidad, esbeltez y relaciones ancho-espesor. |
10-K.2 Tipos de Chequeo Abordados
Mediante CivilFEM se pueden abordar los siguientes tipos de análisis y chequeos:
· Comprobación de secciones (ASME NF-3322.1) sometidas a:
- Tracción
- Cortante
- Compresión
- Flexión
- Compresión con flexión
- Tracción con flexión
· Comprobación de estabilidad (ASME NF-3322.2):
- Relación de esbeltez máxima
- Relación de espesores
10-K.3 Tipos de Elementos Soportados
Los tipos de elemento soportados por CivilFEM son las barras y vigas 2D y 3D de ANSYS siguientes:
2D Barra LINK1
3D Barra LINK8
3D Barra LINK10
2D Viga BEAM3
3D Viga BEAM4
3D Viga BEAM44
2D Viga Sec. Variable BEAM54
3D Viga Pared Delgada BEAM24
3D Tubo Elástico PIPE16
3D Tubo Plástico PIPE20
3D Viga de deformación finita lineal BEAM188
3D Viga de deformación finita cuadrática BEAM189
Además es posible para ciertos chequeos, chequear secciones sólidas capturadas de modelos 2D o 3D cuya sección transversal esté clasificada como tipo “structural steel”.
10-K.4 Tipos de Sección Soportados
Las secciones transversales de tipo acero estructural contemplados en CivilFEM para el chequeo mediante la normativa ASME BPVC III subsección NF son las siguientes:
- Todos los perfiles laminados (doble T, canal, etc.) incluidos en las librerías del programa (ver librería de perfiles y comando ~SSECLIB).
- Perfiles armados en doble T, en canal o U, en T simple, en cajón, angulares de lados iguales y desiguales y tubulares (comando ~SSECDMS).
- Perfiles armados definidos por chapas (comando ~SSECPLT).
- Perfiles provenientes de secciones sólidas cuya sección transversal esté clasificada como “structural steel” (comando ~SLDSEC).
10-K.5 Bases de cálculo
10-K.5.1 Datos de las Secciones
Los datos de la sección del elemento deben estar incluidos en la base de datos de CivilFEM. Todos los datos geométricos y mecánicos se obtiene de manera automática cuando se define una sección transversal o se captura uyn asección sólida. En la siguiente talba se listan los datos necesarios para el chequeo mediante la norma contemplada:
Tabla 10-I.5‑1 Datos de la sección
|
Dato |
Descripción |
|
A |
Área de la sección transversal. |
|
Iy |
Momento de inercia según el eje Y. |
|
Iz |
Momento de inercia según el eje Z. |
|
Iyz |
Producto de inercia (ejes Y, Z). |
|
Y |
Coordenada Y de cada fibra considerada. |
|
Z |
Coordenada Z de cada fibra considerada. |
|
iy |
Radio de giro en torno al eje Y. |
|
iz |
Radio de giro en torno al eje Z. |
|
Yws |
Área a cortante en la dirección Y. |
|
Zws |
Área a cortante en la dirección Z. |
De la sección neta se considera sólo el área y se obtiene descontando del área de la sección bruta, los agujeros para tornillos, roblones y otros aligeramientos. Además el usuario tendrá que tener en cuenta que la norma indica que el diámetro con el cual calcular el parámetro AHOLES es mayor que el real. (El área total calculada es introducida con el parámetro AHOLES del comando ~SECMDF).
Para determinar el área de la sección eficaz Ae de piezas traccionadas, se deberá definir el coeficiente Ct (parámetro CT del comando ~SECMDF). Por defecto, Ct=0.75.
10-K.5.2 Propiedades a nivel de pieza
Para el chequeo con la norma ASME BPVC III subsección NF se considera el conjunto de propiedades a nivel de pieza descritos en la siguiente tabla, todos ellos, se almacenan en la base de datos en unidades de usuario y en ejes CivilFEM. (Parámetros L, KY, KZ, CBY, CBZ, CMY, CMZ, PIN, COLUMN, BRACED del comando ~MEMBPRO).
Tabla 10-I.5‑2 Propiedades a nivel de pieza
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Descripción |
Datos |
Capítulo |
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1.- Longitud no arriostrada de la pieza 2.- Factor de pandeo en el eje Y 3.- Factor de pandeo en el eje Z 4.- Coeficiente de flexión dependiente del gradiente de momentos en el eje Y 5.- Coeficiente de flexión dependiente del gradiente de momentos en el eje Z 6.- Coeficiente aplicado al término de flexión en la ecuación de interacción y q eu depende de la curvatura de la columna producida por momentos aplicados según el eje Z. 7.- Coeficiente aplicado al término de flexión en la ecuación de interacción y que depende de la curvatura de la columna producida por momentos aplicados según el eje Y. 8.- Piezas articuladas: 0: No (valor por defecto) 1: Sí 9.- Tipo de pieza: 0: Viga (valor por defecto) 1: Columna 9.- Arriostrada lateralmente en la zona de compresión: 0: No (valor por defecto) 1: Sí |
L KY KZ CBY
CBZ
CMY
CMZ
PIN
COLUMN
BRACED |
3322 3322 3322 3322
3322
3322
3322
3322
3322
3322
|
10-K.5.3 Propiedades del Material
En el chequeo según la ASME BPVC subsección NF se utilizan las siguientes propiedades del material:
Tabla 10-I.5‑2 Propiedades del Material
|
Descripción |
Propiedad |
|
Limite elástico del acero |
Sy(th) |
|
Tensión última |
Su(th) |
|
Modulo de elasticidad |
E |
Además, aunque la propiedad de acero austenítico es intrínseca del material, puede ser modificada cambiando el material a “User defined”.
10-K.5.4 Fuerzas y momentos
Las fuerzas y momentos de los extremos se obtienen del archive de resultados de CivilFEM (archivo .RCV) para el load step y substep selecionados.
Table 10-I.5‑6 Fuerzas y Momentos
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Fuerzas y Momentos |
Descripción |
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Axil. |
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|
Cortante en Y. |
|
|
Cortante en Z. |
|
|
Momento torsor. |
|
|
Momento flector según Y. |
|
|
Momento flector según Z. |
10-K.6 Proceso de Chequeo
Los pasos para el proceso de chequeo son los siguientes:
a) Obtención de los datos de la sección correspondientes al elemento.
b) Chequeo específico de la sección de acuerdo al tipo de solicitación.
c) Obtención de los resultados. CivilFEM da los resultados del chequeo para cada extremo del elemento, agrupándolos en una alternativa en el fichero de resultados .RCV, de forma que el usuario pueda acceder a ellos indicando el número de la alternativa mediante el comando ~CFSET.
En las tablas incluidas en los apartados correspondientes a los distintos tipos de chequeo se describen los datos disponibles correspondientes a cada tipo de solicitación.
10-K.6.1 Chequeo a tracción
El chequeo a tracción según la norma ASME BPVC III subsección NF se realiza para cada extremo de los elementos seleccionados y secciones sólidas cuya sección transversal sea de acero estructural. Para el chequeo, CivilFEM sigue los siguientes pasos:
10-K.6.1.1 Cálculo de la tensión admisible
La tensión admisible a tracción será la definida en las ecuaciones que siguen:
Excepto para piezas articuladas, Ft será:
(*) Su en el area neta efectiva
Para piezas articuladas, empleando el area neta:
10-K.6.1.2 Cálculo del criterio de tensiones
La tensión equivalente ft obtenida se divide por la resistencia de diseño del acero para obtener un valor, que se guarda como CRT_STR en la alternativa de chequeo correspondiente. Este valor variará entre 0.0 y 1.0 si el elemento es válido según la norma ASME BPVC III subsección NF, es decir, la tensión equivalente deberá ser menor que la resistencia del acero
10-K.6.1.3 Relación de esbeltez
La máxima relación de esbeltez l/r para piezas a tracción se obtiene y se guarda como SLD_RT. Esta relación de esbeltez se divide por 240 (no deberá exceder dicho valor) y el cociente resultante se guarda como CRT_SLD. Por lo tanto, este valor variará entre 0.0 y 1.0 si la pieza cumple con la normativa.
10-K.6.1.4 Cálculo del criterio total
El criterio total se obtiene como el máximo entre el criterio de tensiones y el criterio de esbeltez y se guarda como CRT_TOT en la alternativa correspondiente. Este valor estará comprendido entre 0.0 y 1.0 si el elemento cumple con la norma ASME BPVC III subsección NF.
10-K.6.2 Chequeo a cortante
El chequeo a cortante según la norma ASME BPVC III subsección NF se realiza para cada extremo de los elementos seleccionados y secciones sólidas cuya sección transversal sea de acero estructural. Para el chequeo, CivilFEM sigue los siguientes pasos:
10-K.6.2.1 Cálculo de la tensión admisible
La tensión admisible a cortante se define según la siguiente ecuación, sobre la sección transversal eficaz resistente a cortante:
10-K.6.2.2 Cálculo del criterio total
La tensión equivalente fv obtenida se divide por la resistencia de diseño del acero Fv para obtener un valor, que se guarda como CRT_TOT en la alternativa de chequeo correspondiente. Este valor variará entre 0.0 y 1.0 si el elemento es válido según la norma ASME BPVC III subsección NF, es decir, la tensión equivalente deberá ser menor que la resistencia del acero
La tensión equivalente fv es el máximo valor obtenido para ambas direcciones:
10-K.6.3 Chequeo a compresión
El chequeo de los elementos sometidos a compresión según la norma ASME BPVC III subsección NF se realiza para cada extremo de los elementos seleccionados y secciones sólidas cuya sección transversal sea de acero estructural. Para el chequeo CivilFEM sigue los siguientes pasos:
10-K.6.3.1 Cálculo de la tensión admisible
La tensión admisible a compresión se define según las siguientes ecuaciones:
1- Secciones brutas de columnas, excepto aquellas fabricadas con acero inoxidable austenítico
donde
2- Secciones brutas de columnas fabricadas con acero inoxidable austenítico
if kI/r 
if kI/r 
120
3- Otras piezas distintas de columnas
10-K.6.3.2 Relación de esbeltez
La máxima relación de esbeltez l/r para piezas a tracción se obtiene y se guarda como SLD_RT. Esta relación de esbeltez se divide por 200 (no deberá exceder dicho valor) y el cociente resultante se guarda como CRT_SLD. Por lo tanto, este valor variará entre 0.0 y 1.0 si la pieza cumple con la normativa.
10-K.6.3.3 Factor de reducción de resistencia
En piezas con cargas axiales sometidos a compresión y con una relación ancho-espesor en exceso del límite especificado a continuación, la norma ASME BPVC III subsección NF reduce la eficiencia de una sección a través de factores de reducción:
Elementos a compresión no rigidizados
Los elementos a compresión no rigidizados son aquellos que tienen un extremo libre paralelo a la dirección de las tensiones de compresión. Las tensiones en estos elementos deberán someterse a un factor de reducción Qs cuando la relación ancho-espesor supere los límites indicados. El ancho de las alas se toma desde el extremo libre hasta el alma.
1- Para ángulos simples,
Cuando 
Cuando 
Cuando 
2- Para almas de secciones en T,
Cuando 
Cuando 
Cuando 
3- Para otras piezas a compresión,
Cuando 
cuando
cuando
donde Sy es el límite elástico, en ksi.
Además, los elementos no rigidizados con secciones en canal (U) o T cuyas proporciones superen los límites anteriores, se chequean para los siguientes límites:
|
Forma de la sección |
Relación del ancho del ala / canto de la sección |
Relación entre el espesor del ala y el espesor del alma |
|
Canal por chapas |
|
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|
Canal laminado |
|
|
|
T por chapas |
|
|
|
T laminada |
|
|
Tabla NF-3322.2(e)(2)-1
El resultado del chequeo de estas proporciones se escribe en el archive de resultados de CivilFEM (.RCV) como CTR_W con el valor de 0.0 si los límites se cumplen y 2100 en caso contrario.
Elementos a compresión rigidizados
Los elementos a compresión rigidizados son aquellos con sustentación lateral en ambos extremos paralela a la dirección de las tensiones de compresión. Cuando la relación ancho-espesor de estos elementos supera los límites de aplicación indicados, se empleará un ancho reducido efectivo be:
1- Para alas de secciones cuadradas y rectangulares the espesor uniforme,
Cuando 
2- Para cualquier otro elemento comprimido uniformemente,
Cuando 
Donde f es la tensión axial de compresión en la pieza basada en el área efectiva, en ksi.
Si la sección transversal contiene elementos no rigidizados, f debe ser tal que la tensión a compresión máxima en los elementos no rigidizados no supere FaQs. Por lo tanto, el cálculo del ancho efectivo de los elementos rigidizados sigue un proceso iterativo:
a) Se obtiene la tensión axial a compresión f.
b) Se calcula un valor inicial del ancho efectivo be.
c) Se obtiene una nueva tensión axial a compresión f’ para la sección efectiva.
d) Si f’ supera FaQs, se obtiene una nueva tensión axial de compresión f’’ incrementando la última tensión axial de compresión f’.
Esta iteración se repite hasta que la tensión axial de compresión
no supere 
o el
área efectiva sea igual al área total.
A partir del ancho efectivo be se obtiene el factor Qa, que es la relación entre el área efectiva y el área total:
10-K.6.3.4 Cálculo del criterio en tensiones
La tensión admisible para piezas sometidas a compresión axial no debe superar:
Tras verificar la ecuación anterior, la tensión equivalente fa se divide por la resistencia Fa para obtener un Nuevo valor, guardado como CRT_STR en la alternative correspondiente. Este valor varía entre 0.0 y 1.0 si el elemento cumple con los requerimientos de la norma ASME BPVC III subsección NF, es decir, la tensión equivalente será inferior a la resistencia de diseño.
10-K.6.3.5 Cálculo del criterio total
El criterio total se obtiene como el máximo entre el criterio de tensiones y el criterio de esbeltez y se guarda como CRT_TOT en la alternativa correspondiente. Este valor estará comprendido entre 0.0 y 1.0 si el elemento cumple con la norma ASME BPVC III subsección NF.
10-K.6.4 Chequeo a flexión
El chequeo de los elementos sometidos a flexión según la norma ASME BPVC III subsección NF se realiza para cada extremo de los elementos seleccionados y secciones sólidas cuya sección transversal sea de acero estructural. Para el chequeo CivilFEM sigue los siguientes pasos:
10-K.6.4.1 Cálculo de la tensión admisible
En primer lugar se chequea la sección con el fin de clasificarla como sección compacta, pieza con una relación ancho del ala-espesor alta, o pieza miscelánea.
(a) Secciones compactas: Para clasificar una sección como compacta las alas deben estar conectadas de manera continua al alma o almas y la relación ancho-espesor de los elementos a compresión no deben superar los límites indicados:
1- La relación ancho-espesor de las alas a compresión no debe superar:
a. Para elementos
no rigidizados 
b. Para
elementos rigidizados 
2- Relación canto espesor de las alma
si 
3- Además, las alas
comprimidas deberán estar arriostradas lateralmente a intervalos no mayores de 
ni 
. Esta
propiedad se define como propiedad de pieza (comando ~MEMBPRO).
Si la sección no contiene alas a compresión, se considerará como arriostrada.
(b) Piezas con una relación ancho del ala-espesor alta: estas piezas deberán cumplir los criterios anteriores excepto que las alas no arriostradas deben ahora cumplir:
(c) Piezas misceláneas: piezas no cubiertas por la clasificación anterior.
Entonces, la tensión de flexión admisible se define como sigue:
1- Secciones en I:
a. Secciones compactas con flexión en torno a su eje menor de inercia no deben superar una tensión de:
b. Piezas con una relación ancho del ala-espesor alta con flexión en torno a su eje menor de inercia no deben superar una tensión de:
c. Secciones compactas con flexión en torno a su eje mayor de inercia no deben superar una tensión de:
d. Piezas con una relación ancho del ala-espesor alta con flexión en torno a su eje mayor de inercia no deben superar una tensión de:
e. Piezas misceláneas con flexión en torno a su eje mayor de inercia no deben superar una tensión de:
cuando 
Cuando 
donde rc es el radio de giro de una sección que comprende las alas a compresión y un tercio de la parte comprimida del alma.
Cuando el área a compresión de las alas no sea menor que el área a tracción de las alas,
f. Piezas no incluidas anteriormente arriostradas lateralmente en la región a compresión no deberán superar una tensión a flexión de:
Si estas piezas no están arriostradas lateralmente en la región de compresión, la sección no será chequeada.
2- Sección cajón tubular cuadrada:
a. Secciones compactas con flexión en torno a su eje menor de inercia, pero no necesariamente arriostradas lateralmente, no deben superar una tensión de:
b. Piezas no incluidas anteriormente no deben superar una tensión de:
Pero esta resistencia puede reducirse a través de los factores de reducción.
3- Sección tubular redonda:
a. Si la relación diámetro-espesor no excede 3300/Sy, la tensión a flexión no deberá superar el valor de:
Si la sección supera la relación diámetro-espesor anterior, la pieza no será chequeada.
4- Secciones en canal (U):
a. Si la flexión se produce en torno al eje mayor de inercia, la tensión de flexión no debe superar el valor más alto de los indicados a continuación:
Cuando 
Cuando
donde rc es el radio de giro de una sección que comprende las alas a compresión y un tercio de la parte comprimida del alma.
Cuando el área a compresión de las alas no sea menor que el área a tracción de las alas,
b. Piezas no incluidas en la clasificación anterior arriostradas lateralmente en la zona de compresión no deberán superar un valor para la tensión de flexión de:
Si estas piezas no están arriostradas lateralmente en la zona de compresión, no se chequearán.
5- Secciones en T:
a. Secciones compactas cargadas en la dirección del alma, que coincide con el eje menor de inercia, no deben superar una tensión de:
b. Piezas con una relación ancho del ala-espesor alta cargadas en la dirección del alma, que coincide con el eje menor de inercia, no deben superar una tensión de:
c. Piezas misceláneas cargadas en la dirección del alma, que coincide con el eje menor de inercia, no deben superar una tensión de:
cuando 
cuando 
donde rc es el radio de giro de una sección que comprende las alas a compresión y un tercio de la parte comprimida del alma.
Cuando el área a compresión de las alas no sea menor que el área a tracción de las alas,
d. Piezas no incluidas anteriormente arriostradas lateralmente en la región a compresión no deberán superar una tensión a flexión de:
Si estas piezas no están arriostradas lateralmente en la región de compresión, la sección no será chequeada.
6- Resto de secciones:
a. Piezas arriostradas lateralmente en la región a compresión no deberán superar una tensión a flexión de:
Si estas piezas no están arriostradas lateralmente en la región de compresión, la sección no será chequeada.
10-K.6.4.2 Factor de reducción de resistencia
En piezas cargadas a flexión con elementos a compresión y con una relación ancho-espesor en exceso del límite especificado a continuación, la norma ASME BPVC III subsección NF reduce la eficiencia de una sección a través de factores de reducción:
Elementos a compresión no rigidizados
Los elementos a compresión no rigidizados son aquellos que tienen un extremo libre paralelo a la dirección de las tensiones de compresión. Las tensiones en estos elementos deberán someterse a un factor de reducción Qs cuando la relación ancho-espesor supere los límites indicados. El ancho de las alas se toma desde el extremo libre hasta el alma.
1- Para ángulos simples,
cuando 
cuando 
cuando 
2- Para almas de secciones en T,
cuando 
cuando 
cuando 
3- Para otras piezas a compresión,
cuando 
cuando 
cuando
donde Sy es el límite elástico, en ksi.
Además, los elementos no rigidizados con secciones en canal (U) o T cuyas proporciones superen los límites anteriores, se chequean para los siguientes límites:
|
Forma de la sección |
Relación del ancho del ala / canto de la sección |
Relación entre el espesor del ala y el espesor del alma |
|
Canal por chapas |
|
|
|
Canal laminado |
|
|
|
T por chapas |
|
|
|
T laminada |
|
|
Tabla NF-3322.2(e)(2)-1
El resultado del chequeo de estas proporciones se escribe en el archive de resultados de CivilFEM (.RCV) como CTR_W con el valor de 0.0 si los límites se cumplen y 2100 en caso contrario.
Elementos a compresión rigidizados
Los elementos a compresión rigidizados son aquellos con sustentación lateral en ambos extremos paralela a la dirección de las tensiones de compresión. Cuando la relación ancho-espesor de estos elementos supera los límites de aplicación indicados, se empleará un ancho reducido efectivo be:
1- Para alas de secciones cuadradas y rectangulares the espesor uniforme,
cuando 
2- Para cualquier otro elemento comprimido uniformemente,
cuando 
Donde f es la tensión axial de compresión en la pieza basada en el área efectiva, en ksi.
Si la sección transversal contiene elementos no
rigidizados, f debe ser tal que la tensión a compresión máxima en los elementos
no rigidizados no supere 
. Por
lo tanto, el cálculo del ancho efectivo de los
elementos rigidizados sigue un proceso iterativo:
a) Se obtiene la tensión axial a compresión f.
b) Se calcula un valor inicial del ancho efectivo be.
c) Se obtiene una nueva tensión axial a compresión f’ para la sección efectiva.
d)
Si f’ supera , se
obtiene un nuevo ancho efectivo be’ incrementando el último ancho
efectivo be.
Esta iteración se repite hasta que la tensión axial de compresión no supere FaQs o el área efectiva sea igual al área total.
A partir del ancho efectivo be se obtiene el factor Qa, que es la relación entre el área efectiva y el área total:
10-K.6.4.3 Cálculo del criterio total
Cuando se requieran factores de reducción, la tensión máxima admisible no debe superar 0.6 SyQs ni el valor de Fb definido anteriormente.
La tensión a flexión fb obtenida de la sección efectiva se divide por la resistencia del acero Fb para obtener un valor guardado como CRT_TOT en la alternativa correspondiente. Este valor varía entre 0.0 y 1.0 si el elemento cumple con los requisitos de la norma ASME BPVC III subsección NF, es decir, la tensión equivalente será menor que la resistencia.
10-K.6.5 Chequeo a compresión axial y flexión
El chequeo de los elementos sometidos a compresión y flexión según la norma ASME BPVC III subsección NF se realiza para cada extremo de los elementos seleccionados y secciones sólidas cuya sección transversal sea de acero estructural.
10-K.6.5.1 Cálculo del criterio total
Las piezas sometidas a esfuerzo axial de compresión y flexión simultáneamente deberán cumplir los siguientes criterios de tensiones para cumplir con la normativa:
Cuando se evalúen tensiones primarias y secundarias
Cuando se evalúen únicamente tensiones primarias
Le elección de chequear a tensiones primarias únicamente o primarias y secundarias se selecciona mediante los argumentos del comando ~CHKSTL.
El criterio total será el máximo valor de las ecuaciones anteriores y se guardará como el parámetro CRT_TOT en la alternativa correspondiente. Este valor estará comprendido entre 0.0 y 1.0 si el elemento cumple con la norma ASME BPVC III subsección NF, es decir, la tensión equivalente ha de ser menor que la resistencia del acero.
10-K.6.6 Chequeo a tracción axial y flexión
El chequeo de los elementos sometidos a tracción y flexión según la norma ASME BPVC III subsección NF se realiza para cada extremo de los elementos seleccionados y secciones sólidas cuya sección transversal sea de acero estructural.
10-K.6.6.1 Cálculo del criterio total
Las piezas sometidas a esfuerzo axial de compresión y flexión simultáneamente deberán cumplir los siguientes criterios de tensiones para cumplir con la normativa:
Donde fb es la tensión de tracción a flexión obtenida. Ademas, la tensión de compresión a flexión, de manera aislada, no debe superar la compresión admisible Fa.
Por lo tanto, el criterio total será:
Donde fbc es la tensión de compresión a flexión.
El criterio total se guardará como el parámetro CRT_TOT en la alternativa correspondiente. Este valor estará comprendido entre 0.0 y 1.0 si el elemento cumple con la norma ASME BPVC III subsección NF, es decir, la tensión equivalente ha de ser menor que la resistencia del acero.