El Método de los estados límites en el cálculo de estructuras metálicas

Luego de la segunda guerra mundial, el método de los estados límites sustituiría al método clásico de las tensiones admisibles, como método de cálculo para las estructuras metálicas.

En la actualidad, las normativas que se emplean para el cálculo de estructuras metálicas son los euro códigos EC3 y las normas AISC (normas americanas) del American Institut of Steel Construction. En ese sentido, para que puedas diseñar y disponerte a emplear el cálculo de estructuras metálicas, debes ser ingeniero civil, especializado en el área estructural.

En el caso del acabado y calidad del acero estructural, este se encontrará sometido a una serie de cargas durante su vida útil, donde la estructura podría colapsar, o ser inutilizada total o parcialmente.

Por tal razón, es necesario realizar un estudio detallado de los factores de seguridad contenidos en las normas para la ingeniería estructural, referentes a las diversas situaciones de riesgo que se pueden presentar, y así de esa manera ponerlos al servicio del cálculo estructural; de esta forma se podrá calcular el margen de seguridad razonable, para que las estructuras tengan una respuesta máxima frente a los estados límites.

Para tal fin, deberás realizar el diseño y cálculo de una estructura metálica a partir del método de los estados límites, donde tendrás que ajustarla a las normas de ingeniería estructural.

Además, tendrás que conocer los softwares para ingenieros estructurales que te ayudarán a calcular las estructuras de naves industriales. Entre estos programas se encuentran: Staad Pro, Sap2000, Etabs Cypecad, entre otros.

Entre las diversas actividades que deberás emprender para el cálculo de estructuras metálicas se encuentran:

  • Poder generar diversos tipos de estructuras con los distintos softwares para cálculo y diseño estructural.
  • Saber ejecutar presupuestos de estructuras metálicas.
  • Cargar las estructuras en el programa o software a emplear, con las normas vigentes.
  • Calcular la separación de las correas de cubierta y el perfil óptimo.
  • Identificar los diversos tipos de nudos existentes con sus diferentes detalles constructivos.
  • Identificar los nudos de la estructura a calcular.
  • Efectuar el predimensionamiento de la estructura.
  • Aplicar los coeficientes de seguridad a flexión.
  • Articular las barras de la estructura metálica.
  • Restringir las flechas de las barras según las normas estructurales.
  • Realizar el análisis de carga, de acuerdo a las normas estructurales.
  • Ejecutar el cálculo de la estructura metálica y optimizarla.
  • Ejecutar el cálculo de las uniones soldadas y las placas de anclaje.
  • Llevar a cabo el cálculo de cimentación de la estructura metálica.

Es necesario señalar que, dependiendo del tipo de estructura, la seguridad de esta será menor, o podría implementarse, y con ella los costes asociados. Por tal razón se hará necesario definir el presupuesto, el cual debe estar a la par de la seguridad implementada en el cálculo de la estructura metálica.

Podemos deducir entonces, que lo que caracteriza el método de los estados límites es la identificación de los factores de seguridad, los cuales deben ser los idóneos para cada tipo de estructura. Por tanto, si los mismos no son los requeridos, esta podría sufrir un colapso, o ser inhabilitada.

Construcción de una estructura metálica de nave industrial

El método de los Estados Límite

Definición de Estados Límite

Los estados Límite en el cálculo de la estructura metálica se refiere a situaciones para las que, de ser superadas, puede considerarse que la estructura no cumple las funciones para las que ha sido proyectada.

Los Estados Límite se clasifican en:

  • Límite Últimos.
  • Estados Límite de Servicio.

Para trabajar con este método se deberá:

  • Comprobar que la estructura metálica no supere los estados límites, los cuales son factores de seguridad que se emplearan en el cálculo, bajo dos situaciones posibles. Aquí se deben tener en cuenta las características de los materiales y los datos geométricos.
  • Este procedimiento de comprobación se da para un determinado estado límite. Consiste en deducir el efecto de las acciones que se le han aplicado a la estructura y la respuesta de la estructura para la situación límite del estudio. A través de esto se podrá verificar que la respuesta de la estructura no sea inferior, al efecto de las acciones que se le han aplicado.
  • Se determinará el efecto de las acciones, considerando las acciones de cálculo para tales fines y los datos geométricos.
  • Luego, se debe realizar un análisis estructural. Para la determinación de la respuesta estructural se deberán emplear los cálculos pertinentes para ello, conjuntamente con las características de los materiales y sus datos geométricos.
  • Para la definición de las acciones actuantes de la estructura, se deberán tener en cuenta las normativas, reglamentos e instrucciones relativas a estas acciones.

Tipo de acción

Entre los diversos tipos de acción asociados al método de los estados límites destinados al cálculo de estructuras metálicas, se tienen:

Situaciones persistentes o transitorias

  • Permanente: Efecto favorable es YG= 1,00; Efecto desfavorable es YG= 1,35.
  • Permanente de valor no constante: Efecto favorable YG*= 1,00; efecto desfavorable YG*= 1,50.
  • Variable: Efecto favorable YQ= 0,00: Efecto desfavorable YQ= 1,50.
  • Accidental: No existe ningún tipo de efecto.

Situaciones accidentales

  • Permanente: Efecto favorable YG= 1,00; Efecto desfavorable YG= 1,00.
  • Permanente de valor no constante: Efecto favorable YG= 1,00; efecto desfavorable YG= 1,00.
  • Variable: Efecto favorable YQ= 0,00; efecto desfavorable= 1,00.
  • Accidental: Efecto favorable YA= 1,00; efecto desfavorable YA= 1,00.

A través de este método, se dan dos aspectos para la introducción de los factores de seguridad en el cálculo de la estructura metálica mediante la EC (norma europea) y la AISC (norma americana), pero estas consideran diferentes parámetros o factores de seguridad.

Software empleado para el cálculo de estructuras

Entre los diferentes softwares para el diseño y cálculo de estructuras, se encuentran:

Cypecad

El Cypecad es uno de los programas más empleados en el diseño y cálculo estructural, por su fiabilidad y sencillez en el modelaje y entrada de datos. Este se encarga de diseñar, calcular y dimensionar tanto estructuras metálicas como de hormigón. También se encarga de comprobar uniones soldadas y atornilladas.

Con referencia a la generación de documentos de este programa, este incluye: planos de construcción, memoria de cálculo y descriptiva.

Cypecad programa para cálculo de estructuras

Sap2000

El Sap2000 es un programa de elementos finitos, el cual tiene una interfaz gráfica 3D, orientada a objetos. Este programa se utiliza para dimensionar puentes, presas, edificios y todo tipo de infraestructuras, debido a su fiabilidad, poder de cálculo y versatilidad.

Además, este software dispone de una amplia selección de plantillas, generación de mallas de cálculo automáticas, y gran facilidad en la definición de vistas personalizadas.

SAP2000 programa ingeniería

Midas

El Midas es un software que se emplea para el cálculo y diseño de infraestructuras en obras civiles, y el cual es fundamental para corregir problemas estructurales, a nivel de geotecnia y de mecánica.

La ventaja que aporta este software, reside en la utilización de algoritmos avanzados de elementos, velocidad de análisis y uso ilimitado de elementos, nudos o combinaciones de cargas.

Midas Gen programa

Autodesk Robot

El software Autodesk Robot, cuenta con tecnología MEF, el cual es capaz de calcular las uniones de acero, estructuras de madera, elementos de concreto armado, entre muchas otras.

Autodesk Robot análisis estructural profesional

Tekla Structures

El programa Tekla Structures es empleado en el diseño y cálculo de todo tipo de estructuras, tales como: plataformas marítimas, estadios de futbol, rascacielos, puentes, entre otras. Sin embargo, es necesario agregar que este programa no dimensiona la estructura, pero modela gran cantidad de materiales.

Tekla Structures programa cálculo