Las grandes estructuras, como los barcos y las plataformas marinas, se fabrican a menudo con extensas planchas de acero que pueden ser relativamente delgadas en comparación con el tamaño total de la estructura. Esto plantea una importante cuestión de ingeniería: ¿cómo garantizar que estos componentes de paredes delgadas no pierdan estabilidad bajo cargas elevadas?
La solución se basa en comprobaciones de pandeo de rigidizadores y placas. Este artículo explica cómo determinar la estabilidad de las secciones combinadas, qué métodos se utilizan: cálculos manuales y software de análisis estructural como SDC Verifier, y los rigurosos controles de clasificación establecidos por normas como el Eurocódigo.
Si quiere saber cómo fallan de forma diferente las vigas y las placas, lea sobre la comprensión delpandeo.
El pandeo de los rigidizadores y el concepto de anchura efectiva
Este artículo se basa en el que el director general y profesor de SDC Verifier, Wouter van den Bos, publicó en nuestro canal de YouTube. Para una explicación más detallada, consulte el vídeo:
Para analizar el pandeo del rigidizador, la metodología trata el rigidizador y el material de la placa adyacente como una viga combinada. Este elemento combinado posee un momento de inercia calculado (I).
El concepto clave en la definición de este elemento combinado es la anchura efectiva. El principio establece que la anchura de la placa se divide, con la mitad de la placa (hasta un límite específico de anchura efectiva) contribuyendo al momento de inercia del conjunto rigidizador más placa. Este enfoque garantiza que el efecto de la placa se añade al rigidizador, reconociendo que la anchura de la placa contribuye hasta el límite de fluencia. Si se aplica un esfuerzo de compresión constante, la sección combinada de rigidizador más placa puede pandearse.
Para realizar cálculos manuales rápidos, a veces se define el límite de anchura efectiva, como un máximo de 56 veces el grosor para el acero S235, o de 46 veces el grosor para el acero S355.
Diseño utilizando la relación de esbeltez y cálculos manuales
Las fórmulas y curvas utilizadas en las normas están diseñadas fundamentalmente para cálculo manualy no para complejos análisis por elementos finitos (FEA). Permiten a los ingenieros estimar rápidamente los límites de estabilidad.
Los ingenieros pueden utilizar las curvas que trazan la tensión máxima frente a la relación de esbeltez para mejorar el proceso de diseño. Si se conoce la tensión máxima en la placa o viga, la curva, dependiendo del material, proporciona directamente la relación de esbeltez admisible. Esta relación de esbeltez admisible puede utilizarse entonces para definir la distancia necesaria entre rigidizadores o la relación longitud-anchura.
La relación de esbeltez del rigidizador más la placa viene determinada por el área(A) y el momento de inercia combinado (I) de la sección. Calculando el coeficiente de esbeltez, se puede determinar el riesgo de pandeo sin necesidad de un recálculo completo. Estos métodos de cálculo manual combinan tanto el efecto de fluencia como el efecto de pandeo polar último para obtener un coeficiente de esbeltez resultante.
Para ilustrarlo en contextos educativos, el radio de giro efectivo varía significativamente en función de la forma:
Una sección en la que la banda es infinitamente delgada (placas separadas) tiene un radio de giro.
Un bloque cuadrado macizo tiene un radio de giro en torno al 28,9% (30%) de su altura.
Un círculo tiene un radio de giro que es exactamente la cuarta parte de su altura.
Imagen: Ilustración de la relación de giro
Clasificación Eurocódigo 3
Diseño estructural según Eurocódigo 3integra el análisis de pandeo global de la viga con los requisitos de pandeo local de la placa, que se determina a través de la clasificación por secciones. El objetivo principal de esta clasificación es evitar el pandeo local de la chapa.
Imagen:Clasificación estándardel Eurocódigo 3 del pandeo global y local de la chapa
La clasificación se basa en la relación anchura-grosor (c/t) de los distintos elementos (alas y alma).
Las cuatro clases definidas por el Eurocódigo relacionan la capacidad de la sección para utilizar su capacidad plástica antes de que se produzca el pandeo local:
Clase 1: Permite una bisagra de plástico con plena capacidad de rotaciónlo que significa que toda la sección puede convertirse en plástico y permanecer estable.
Clase 2: Permite una bisagra de plástico con cierta capacidad de rotación. El diseño no puede utilizar todo el momento de inercia del plástico, pero casi.
Clase 3: Garantiza que la viga pueda alcanzar el límite elástico antes del pandeo local.
Clase 4: Esta clase significa que la forma se pandea antes de alcanzar el límite elásticoy suele excluirse de los diseños de muchas estructuras.
Comprobaciones de pandeo de placas Eurocódigo 3 en el software SDC Verifier
Imagen: Ilustración del pandeo de placas
SDC Verifier incluye una implementación dedicada de Pandeo de placas Eurocódigo 3 (EN 1993-1-5, 2006), concretamente el capítulo 10, para evaluar la estabilidad de elementos de placa rigidizados y no rigidizados sometidos a fuerzas en el plano. El proceso está totalmente automatizado y diseñado para trabajar directamente con modelos de elementos finitos mediante el reconocimiento de la geometría y el mapeo de la tensión direccional.
Un componente central del flujo de trabajo es el Buscador de paneles que detecta automáticamente los paneles de chapa y sus correspondientes rigidizadores a partir de la malla de elementos finitos. La aplicación admite tanto las dimensiones equivalentes basadas en CSR como la geometría real del modelo, lo que ofrece flexibilidad para aplicaciones de construcción naval, offshore, civiles e industriales.
Imagen: Detección automática de placas en la herramienta de búsqueda de paneles
SDC Verifier convierte las tensiones basadas en los elementos en direcciones principales orientadas al panel (X, Y, XY) para garantizar una evaluación correcta. El espesor de la placa puede ser definido manualmente por el usuario o tomado directamente de los datos del elemento.
La verificación del pandeo sigue los procedimientos definidos en la norma EN 1993-1-5 y utiliza los factores de tensión crítica proporcionados en las tablas 4.1, 4.2 y 5.1 de la norma.
Comparación de límites
Si σ_y ≈ σ_cr para un ala exterior libre (borde libre, k≈0,4), entonces c/t ≈ 18. Para placas internas con apoyo simple, el límite comparable es ~56, mientras que EC3 utiliza 42 (con factor ε para el grado de acero)
Para el acero S235 sometido a compresión constante (donde el factor de material es 1), el límite de la brida exterior es 14.
La norma utiliza un factor que se ajusta a la resistencia del material. Para aceros de mayor resistencia, como el S355, se convierte en 0,81, con lo que el límite de clasificación es más estricto (por ejemplo, 14 0,81, aproximadamente 11).
Para la clasificación interna de las placas de alma, el límite del Eurocódigo es 42, frente a 56 en otros contextos, y este límite también incorpora el mismo factor para el grado del material, lo que hace que la clasificación sea más estricta para los límites elásticos más altos.
Aunque el Eurocódigo utiliza la misma idea central, es ligeramente más complejo, ya que tiene en cuenta la variación de la tensión en todo el elemento, como la tensión máxima en el límite elástico que varía de la tensión en la conexión del alma.
Contabilización de imperfecciones
La norma Eurocode aborda el impacto de las imperfecciones en la fabricación teniendo en cuenta cómo se fabrica la sección. En lugar de calcular el momento extra causado por las desviaciones de tolerancia, se aplica una tolerancia general que depende del método de producción (por ejemplo, conformado en frío o acabado en caliente).
Esto da lugar a diferentes curvas de pandeo donde se aplica un factor de reducción. Hasta una esbeltez determinada, el límite elástico es el factor definitorio, pero a partir de ahí se selecciona la curva de pandeo adecuada en función de la tolerancia en la fabricación. Para los aceros de grado superior, el impacto de la tolerancia es relativamente pequeño.
Imagen:Ilustración de curvas de pandeo
Conclusión
El pandeo de rigidizadores y placas son aspectos esenciales del diseño de estructuras de acero de paredes delgadas, y una comprensión clara de la anchura y relaciones de esbeltez. Las comprobaciones de vigas del Eurocódigo combinan estos elementos: la relación entre espesor y anchura para la clasificación (pandeo de placas) y las curvas de pandeo basadas en tolerancias (riesgo global de pandeo de vigas).. Sl software como SDC Verifier proporcionaprecisa y coherentes aplicando las normas del Eurocódigo 3 directamente a los modelos de AEF con reconocimiento automatizado de la geometría y mapeo direccional de tensiones.
