Fundamentos de Diseño Estructural en Acero: Estados Límite y Clasificación de Secciones

Estados Límite en Estructuras Metálicas

Los Estados Límite son situaciones que, al ser superadas, implican que la edificación no cumple con los requisitos estructurales establecidos.

Estado Límite Último (ELU)

Situaciones que, al superarse, constituyen un riesgo para las personas y pueden originar el colapso total o parcial del edificio. Incluyen:

• Pérdida de equilibrio de la edificación (considerada como cuerpo rígido).
• Deformación excesiva de la estructura global.

Estado Límite de Servicio (ELS)

Situaciones que, al superarse, afectan al bienestar de los usuarios o al funcionamiento y estética de la edificación. Pueden ser o no reversibles:

• Deformaciones (flechas, asientos, desplomes).
• Vibraciones excesivas.

Designación del Acero y Clasificación de Secciones

Designación del Acero

La designación se compone de:

1. Letra S (Steel).
2. Límite elástico (f_y en N/mm²).
3. Cualidad de comportamiento a rotura frágil (sentido creciente: JR, J0, J2 o K2), asegurando que el material rompa de manera dúctil.

Clasificación de Secciones Transversales

La clasificación se realiza en función de los problemas de inestabilidad sobre la respuesta resistente de la sección:

Clase 1 (C1 - Plásticas)

Alcanzan su capacidad plástica sin verse afectadas por abolladura en sus zonas comprimidas, y permiten desarrollar la capacidad de rotación exigible a las rótulas en un cálculo plástico.

Clase 2 (C2 - Compactas)

Pueden alcanzar su momento resistente plástico. Los fenómenos de abolladura limitan su capacidad de rotación. El cálculo de la estructura se puede realizar por métodos elásticos.

Clase 3 (C3 - Semicompactas)

La tensión en la fibra más comprimida, estimada a partir de una distribución elástica de tensiones, puede alcanzar el límite elástico. La abolladura impide garantizar la deformación necesaria para alcanzar el momento resistente plástico de la sección. Cálculo por métodos elásticos.

Clase 4 (C4 - Esbeltas)

Los fenómenos de abolladura limitan incluso el desarrollo de su capacidad resistente elástica.

Consideraciones Adicionales de Diseño

Imperfecciones Estructurales

Las imperfecciones incluyen las tensiones residuales y las variaciones geométricas. Si se desea, las imperfecciones geométricas equivalentes pueden sustituirse por fuerzas equivalentes, transversales a la directriz de los elementos comprimidos.

Flechas y Criterios de Confort

Se establecen criterios de confort basados en la flecha máxima (f_max) y la flecha activa (f_max).

Tipologías de Estructuras Metálicas

Pórticos con Pilares Metálicos y Vigas de Carga (Forjado Unidireccional)

Es el sistema más empleado en obra convencional (vivienda, oficinas, hoteles). Las luces habituales oscilan entre 5 y 7 metros.

• Luces pequeñas (3-4 m): La estructura resulta cara.
• Luces mayores (> 7 m): Se requieren vigas de gran canto para evitar problemas de flechas, lo que también encarece la estructura (L/4). Esto reduce la altura libre, aunque en oficinas podría estar justificado.

Pórticos con Pilares Metálicos y Forjado Reticular de Hormigón Armado (HA)

Común en oficinas, hoteles y aparcamientos, con luces entre 5 y 8 metros. La estructura no presenta vigas; la carga se transmite directamente del forjado de HA a los pilares.

Enlace mediante Capiteles Metálicos

Para transmitir el punzonamiento, se utilizan capiteles metálicos formados por perfiles H, UPN, U u otros, orientados según las caras del pilar y soldados a estas. Actúan a modo de brazos que quedan embutidos en el canto del forjado de hormigón. El esfuerzo de punzonamiento es resistido por las almas de los perfiles metálicos que forman el capitel. El canto mínimo requerido es C = L/20 o mayor a 8 cm.

Celosías Metálicas

Independientemente de que la solución general del resto de la estructura sea de HA o metálica, las celosías se emplean para cubiertas de grandes luces (auditorios, teatros, pistas polideportivas), a menudo como estructuras pretensadas o celosías.

Se utilizan para luces entre 12 y 15 metros para aprovechar su capacidad resistente y constructiva. El canto mínimo recomendado es C_min = 500 mm.

Fenómenos de Inestabilidad Local

Torsión Estructural

Ocurre cuando una barra tiende a rotar sobre su eje longitudinal por la acción de momentos torsores. Ejemplos comunes incluyen el volante, ejes de transmisión, taladros, o una viga empotrada en otra o unida mediante brochal.

La torsión genera dos tipos de tensiones:

• Tensiones Tangenciales (τ): Debidas al torsor de Saint-Venant y al alabeo torsional.
• Tensiones Normales (σ): Debidas únicamente al alabeo torsional.

Los efectos de la torsión de alabeo podrán despreciarse si se utiliza una sección transversal hueca cerrada, ya que esta posee una gran inercia torsional y alabea mínimamente.

Abolladura del Alma (Pandeo Local)

Es un fenómeno de inestabilidad que implica una deformación fuera del plano, específicamente un pandeo local del alma de la viga. Puede ocurrir por varios motivos:

1. Abolladura por Tensiones Tangenciales (Cortante)

El fenómeno se produce en la zona del alma cercana a los apoyos, donde las tensiones tangenciales (τ) debidas al cortante son máximas.

Solución: Utilizar rigidizadores transversales (verticales) que dividen la placa del alma en cuadros más pequeños, acortando la longitud de pandeo entre rigidizadores.

2. Abolladura por Tensiones Normales (Compresión)

Estas tensiones proceden de la flexión o de la flexión combinada con esfuerzos axiales, afectando a una zona del alma próxima al ala comprimida. Los abolsamientos que se forman se disponen longitudinalmente.

En esbelteces habituales, la flexión por sí misma no provoca abolladura. Se evita con rigidizadores transversales, aunque son menos eficaces en este caso. Si la altura del alma es muy grande (más de 2 metros), se disponen, además, rigidizadores longitudinales.