Perfiles angulares de acero en flexión: diseño y opciones más seguras

Las secciones angulares se utilizan ampliamente en ingeniería estructural debido a su economía y facilidad de fabricación. Sin embargo, cuando se trata de usar ángulos en flexión, particularmente flexión sin restricciones, surgen desafíos importantes. Aunque con frecuencia se eligen para soportar cargas sobre aberturas, como dinteles de mampostería, sus inestabilidad torsional y respuesta compleja al estrés Conviértalos en una elección arriesgada.

Este artículo presenta una descripción detallada de cómo se comportan las secciones angulares en flexión, las limitaciones de la guía de diseño bajo ambos BS 5950 y Eurocódigo 3 (EN 1993-1-1), y por qué los perfiles alternativos suelen ser una solución más confiable y estructuralmente sólida.

1.0Aplicaciones comunes: ángulos al doblar sobre aberturas

Las secciones angulares curvadas se utilizan con mayor frecuencia en la construcción doméstica para soportar mampostería sobre huecos de puertas y ventanas. Aunque el detalle pueda parecer simple, introduce... carga excéntrica y comportamiento torsional que pueden provocar problemas de mantenimiento, como grietas en la fachada.

El principal desafío estructural radica en el hecho de que cuando se somete a flexión, especialmente sin restricción lateral completa, La pata comprimida del ángulo tiende a desviarse fuera del plano, provocando que el miembro girarEste fenómeno se ve agravado por el típico aplicación excéntrica de la carga vertical, lo que genera un momento alrededor de los ejes vertical y horizontal.

2.0Efectos de torsión: ¿Por qué son preferibles las secciones huecas?

Cualquier elemento estructural que soporte una carga excéntrica se torcerá. Esto no es exclusivo de los ángulos, sino... Baja rigidez torsional de las secciones angulares los hace particularmente susceptibles. En tales casos, usar un sección hueca cerrada (como un HSS cuadrado o rectangular) ofrece una alternativa superior. Aunque estas secciones pueden ser más caras e implicar detalles más complejos en las conexiones, reducción de la deformación torsional A menudo vale la pena el sacrificio.

En aplicaciones prácticas como ampliaciones domésticas o dinteles, las secciones cerradas pueden mejorar enormemente la durabilidad y minimizar los defectos visibles en la estructura terminada.

3.0Secciones angulares en compresión: un comportamiento más predecible

Cuando se utilizan secciones angulares en compresión (p. ej., como parte de una armadura), su comportamiento se comprende bien. A diferencia del pandeo sobre ejes rectangulares mayores o menores, los ángulos se pandean sobre sus... ejes principales: el u–u y v–v ejes. Esto hace que cada pata del ángulo intente doblarse en su propia dirección fuera del plano, creando una modo de pandeo torsional.

Códigos de diseño como BS 5950 Cláusula 4.7.10 y EN 1993-1-1 Sección BB.1.2 Proporcionan fórmulas para calcular la esbeltez según este modo. El cálculo se ajusta a los efectos de torsión y considera si el ángulo tiene restricciones finales, que influyen significativamente en la capacidad de pandeo.

4.0Secciones angulares en flexión: limitaciones en la guía del código

Guía de diseño BS 5950 para flexión

La cláusula 4.3.8 de la norma BS 5950 establece una básico y un método simplificado para calcular el momento de resistencia al pandeo (Mb) Para secciones angulares. El método simplificado se limita a ángulos iguales doblados sobre su eje x–x, generalmente bajo cargas verticales a lo largo de tramos como aberturas de ventanas.

Ejemplo de cálculo utilizando el método simplificado BS 5950:

Dado:

Sección: 150×150×12 mm

Luz: 4 m

Grado de acero: S275

ε = 1,0 (basado en el límite elástico del acero)

Radio de giro (rv) = 29,5 mm

Módulo de sección Zx = 67,7×10³ mm³

La fórmula simplificada es:

Este resultado muestra una resistencia relativamente baja, lo que enfatiza la importancia de comprender los límites de este enfoque.

EN 1993-1-1 (Eurocódigo 3) Enfoque: Más complejo, menos directo

El Eurocódigo no ofrece un método directo para evaluar la resistencia a la flexión de los ángulos. En su lugar, recomienda descomponer el momento flector aplicado en la ejes principales (u–u y v–v) y verificar al miembro mediante un ecuación de interacciónEsto agrega complejidad, especialmente para ángulos desiguales.

El paso clave es calcular el esbeltez relativa:

lambda_LT = (0,72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × lambda_v)

Dónde:

• lambda_LT es la relación de esbeltez lateral-torsional
• Virginia es el factor de corrección de corte
• f_y es el límite elástico del material
• mi es el módulo elástico
• phi_a es el coeficiente de esbeltez (normalmente 3,77)
• lambda_v es la relación de esbeltez cortante (por ejemplo, L/r_v)

Dónde:

φₐ es el coeficiente de esbeltez (normalmente 3,77)

vₐ se deriva utilizando una fórmula basada en λᵥ y el índice de monosimetría ψₐ

λᵥ = L / rᵥ = 4000 / 29,5 = 135,6

Para un ángulo igual (ψₐ = 1), esto da como resultado:

vₐ ≈ 0,984 → λ_LT = 0,580 → χ_LT = 0,724

Utilizando el segundo momento del área y el módulo elástico:

Ui = 1170 cm⁴
Distancia extrema de fibra = 106 mm

Wu = (1170 × 10⁴) / 106 = 110 × 10³ mm³

MB = 0,724 × 275 × 110 × 10³ = 21,9 kNm

5.0Comprobaciones de interacción: Comparación entre la norma BS 5950 y el Eurocódigo

Supongamos un momento aplicado de 14 kNm resuelto equitativamente en los ejes principales:

Dado:

Mu = Mv = 9,9 kNm
Wv = 52 × 10³ mm³
Wu = 110 × 10³ mm³

Comprobación de la interacción del Eurocódigo:

Comprobación de interacción BS 5950:

Utilizando una resistencia al pandeo Mb = 26 kNm:

Interacción = 1.07 ✓ Aceptable, pero límite

Utilizando el método simplificado (Mb = 13,9 kNm):

Interacción = 1.01 ✘ Excede el límite

6.0Secciones de ángulos desiguales: complejidad y limitaciones añadidas

Consideraciones de fabricación para secciones angulares

Además de la complejidad estructural que supone usar perfiles angulares para doblar, la fabricación también presenta desafíos, especialmente cuando se requiere la colocación precisa de orificios, la preparación de extremos o el entallado. Para lograr modificaciones precisas, especialmente en perfiles angulares desiguales o conexiones complejas, los fabricantes suelen recurrir a una máquina punzonadora. Estas máquinas permiten cortar, punzonar y recortar ángulos de acero de forma eficiente en una sola configuración, ahorrando tiempo y garantizando la repetibilidad.

Para aplicaciones que requieren detalles finos o cortes de esquinas internas, como la preparación de ángulos para uniones limpias con placas o refuerzos, se utiliza con frecuencia una esquinera para chapa metálica. Esta herramienta permite recortar esquinas con precisión, lo que facilita un mejor ajuste y alineación durante el ensamblaje. El uso del equipo de fabricación adecuado no solo mejora la eficiencia, sino que también garantiza que el rendimiento estructural previsto en el diseño se mantenga hasta la instalación.

BS 5950 no permite el método simplificado Para ángulos desiguales. Los diseñadores deben usar el método básico y resolver momentos en ejes principalesSi bien propiedades como la ubicación del centroide, I _u e I _v se pueden encontrar en tablas publicadas, se requiere información adicional. trigonometría, cálculo del índice de monosimetría, y determinación de los módulos de sección efectivos.

Para piernas delgadas, la clasificación de secciones se vuelve crítica:

Límite de clase 3 de la BS 5950: 15ε

Límite de clase 3 del Eurocódigo: 14ε (basado en c/t)

Por ejemplo, una pata de 150×10 mm con c ≈ 128 mm da:

c/t = 12,8 < 14ε = 12,9 → Simplemente aceptable

Vinculación del diseño estructural y la fabricación en taller

La implementación exitosa de perfiles angulares, especialmente en aplicaciones sensibles a la carga, depende no solo del diseño teórico, sino también de la precisión práctica de la fabricación. Cuando los elementos estructurales requieren cortes, entalladuras o punzonados precisos, especialmente en aplicaciones personalizadas o de tramos cortos, es esencial utilizar el equipo adecuado. Herramientas como... máquina herradora y Entalladora de esquinas para chapa metálica Se utilizan comúnmente para preparar acero angular de manera eficiente y precisa, lo que reduce las modificaciones en el sitio y garantiza un mejor cumplimiento con la intención de diseño.

Si la sección es Clase 4, surge una mayor complejidad:

Uso de propiedades de sección efectivas (Eurocódigo), o

Aplicación de resistencia de diseño reducida (BS 5950)

Para combinado flexión y carga axialEsto puede llegar a resultar tan complejo que resulta poco práctico.

7.0Conclusión: utilice los ángulos al doblar solo con precaución

Esta revisión técnica destaca dos principios de diseño críticos:

• Los ángulos no son ideales para transmitir momentos significativos.—especialmente si no están sujetos. El comportamiento torsional bajo cargas excéntricas o laterales puede limitar considerablemente el rendimiento y provocar fallos de servicio, como el agrietamiento de la fachada.
• Diseñar ángulos desiguales requiere mucho trabajo y es propenso a errores., especialmente cuando se trata de secciones de clase 4 o escenarios de carga combinada.

Práctica recomendada:

Usar secciones de ángulos iguales de al menos Clase 3 sección transversal.

Para situaciones de flexión sin restricciones, considere sustituirlo por un sección rígida a la torsión, como por ejemplo una sección hueca o Viga en I.