Diseño de Vigas y Columnas de Acero
Este artículo explica el uso del módulo de diseño de vigas y columnas de acero de StatiCAD. Los cálculos se realizan según TBDY 2018 (Código sísmico turco 2018) y ÇYTHYE (Principios turcos de diseño, cálculo y construcción de estructuras de acero — enfoque LRFD): en vigas, flexión (incluido el pandeo lateral-torsional), cortante, efecto combinado y flecha; en columnas, pandeo por compresión axial y efecto combinado de fuerza axial + flexión biaxial. Los esfuerzos seccionales se toman de la propia solución por elementos finitos del programa, como valores envolventes junto con las combinaciones de carga a las que pertenecen. Para las expresiones, consulte Fundamentos Teóricos del Diseño en Acero; para las comparaciones con cálculos manuales, Estudios de Validación de Estructuras de Acero.
¿En qué ediciones? Los cálculos de estructuras de acero están disponibles en la edición StatiCAD Ultimate.
Alcance: El cálculo de resistencia se realiza para perfiles I/H laminados en caliente (IPE, IPN, HEA/HEB/HEM, HD/HL/HP). Pueden asignarse perfiles U, L, T, de caja y tubulares; figuran en el modelo y en la vista 3D. El cálculo de perfiles conformados en frío (C, Z, Sigma, etc.) se realiza en el módulo Estructuras de Acero Ligero.
1. Flujo general
- Modele el edificio de la forma habitual (vigas como viga de atado horizontal y columnas como viga de atado vertical).
- Abra la ventana Propiedades del elemento que será de acero y asigne el perfil desde el formulario Seleccionar Sección de Fabricación con el botón Seleccionar Sección (Sección 2). Al asignar el perfil, el material de acero (S235, etc.) también se asigna al elemento junto con la sección.
- En la misma ventana, marque el tipo de diseño del elemento como “Acero” (Sección 3) y pulse Aceptar.
- Ejecute el análisis. Las comprobaciones de diseño en acero se realizan automáticamente al final del análisis.
- En el árbol de selección de informes, marque el grupo Informes de Elementos de Acero para obtener el informe (Sección 6).
Si a un elemento se le ha asignado un perfil pero no se ha marcado el tipo de diseño “Acero”, el elemento figura en el modelo con su sección de acero (peso, rigidez, vista 3D), pero no entra en la comprobación de diseño en acero.
2. Biblioteca de perfiles de fabricación y asignación de secciones
El formulario Seleccionar Sección de Fabricación se abre con el botón Seleccionar Sección de las ventanas de vigas (Propiedades de Viga de Atado) y de columnas (Propiedades de Viga de Atado Vertical).
| Campo del formulario | Función |
|---|---|
| Tipo de Producción | Laminado (por defecto): perfiles laminados en caliente. Cold Formed: perfiles conformados en frío (módulo de acero ligero). |
| Categoría | En modo Laminado: Todos / I-Wide Flange / Channel / Tee / Angle / Pipe / Tube. |
| Cuadro de búsqueda | Filtra por nombre (p. ej., “IPE 3”). |
| Vista previa | Dibuja la sección seleccionada con su geometría real; enumera las dimensiones básicas y las propiedades de la sección. |
| Material... | Selección del grado de acero (S235, S275, S355, etc.). Si no se selecciona, se utiliza el grado de acero por defecto. El material se asigna al elemento junto con la sección. |
| Asignar | Escribe el perfil y el material en la ventana del elemento abierta; la sección también se añade a la biblioteca de secciones del proyecto y se genera la imagen de la sección para los informes. |
| Sección Definida por el Usuario... | Pasa a la vía de sección definida por el usuario en lugar de la biblioteca de fabricación. |
El mismo formulario se abre tanto desde la viga como desde la columna; la asignación se realiza sobre el elemento desde cuya ventana se abrió. El perfil asignado se guarda en la biblioteca del proyecto y se transporta con el archivo.
3. Selección del tipo de diseño
| Elemento | Ventana | Opción |
|---|---|---|
| Viga | Propiedades de Viga de Atado → grupo de tipo de diseño | Acero (junto a las opciones Hormigón armado / Mampostería / Madera) |
| Columna | Propiedades de Viga de Atado Vertical → grupo de tipo de diseño | Acero |
Al marcar la opción y pulsar Aceptar, el tipo de diseño del elemento se guarda como acero; al final del análisis estos elementos entran en la comprobación de diseño en acero y el grupo Informes de Elementos de Acero pasa a ser visible en el árbol de informes.
4. Cálculo de vigas de acero
| Comprobación | Reglamento | Descripción |
|---|---|---|
| Flexión | ÇYTHYE Capítulo 9 | Fluencia, pandeo lateral-torsional inelástico y elástico; los límites Lp y Lr se calculan y se muestran en el informe. El estado límite determinante se indica en el informe. |
| Cortante | Capítulo 10 | Vn = 0,6·Fy·Aw·Cv |
| Efecto combinado | Capítulo 11 | Comprobación de interacción de flexión, fuerza axial y cortante |
| Flecha | Servicio | Comprobación f ≤ L/K; se muestra en el informe con la línea “Sehim f = ... ≤ L/K = ...” (Flecha f = ... ≤ L/K = ...). |
Longitud de arriostramiento lateral Lb: Si los campos de arriostramiento lateral (Le) de la ventana de propiedades del elemento se dejan en automático, se toma como base la longitud L de la viga (entre sus nudos extremos); si se introduce un valor manualmente, se utiliza ese. Si la viga tiene arriostramiento lateral en puntos intermedios (por ejemplo, una viga secundaria que llega a ella o un arriostramiento diagonal), introduzca en el campo Le la mayor longitud sin arriostrar.
Coeficiente de corrección de momento Cb: Cb (ÇYTHYE Ec. 9.1) se calcula por separado para cada combinación de carga a partir del diagrama de momentos de elementos finitos. Como Cb cambia con la combinación, la combinación determinante no es la que da el mayor momento, sino la que tiene la mayor relación demanda/capacidad; en el informe, el momento de diseño, el nombre de la combinación y Cb corresponden a esta combinación.
- En vigas en voladizo (con un extremo no unido a una columna, un muro ni otra viga) se toma Cb = 1,0 (ÇYTHYE 9.1(e)).
- Cuando en el campo Le se introduce una longitud menor que la longitud de la viga, se toma Cb = 1,0 (del lado de la seguridad).
- El extremo de una viga secundaria que llega a una viga principal se considera un apoyo; Cb se calcula a partir del diagrama de momentos.
Límite de flecha K: Se determina por elemento, en el mismo lugar que la selección de K de flecha en las vigas de madera (por defecto K = 300; según la selección 200 / 150 / valor introducido manualmente). La flecha se calcula con el momento de servicio (G+Q o G+S sin mayorar); en la viga en voladizo se utiliza el equivalente de carga en el extremo.
5. Cálculo de columnas de acero
| Comprobación | Reglamento | Descripción |
|---|---|---|
| Compresión axial | Capítulo 8 | Pandeo por flexión en los ejes x e y y pandeo torsional en la sección doblemente simétrica; Fcr y φcPn (φc = 0,90) a partir de la tensión de pandeo elástico determinante. El modo de pandeo determinante se indica en el informe. |
| Esbeltez de la sección | Tabla 5.1A | Se comprueban los límites b/2tf del ala y hw/tw del alma. El elemento de sección esbelta se marca explícitamente en el informe como “narin enkesit” (sección esbelta) y se considera insuficiente. |
| Relación de esbeltez | Recomendación de ÇYTHYE | Si KL/r > 200, el informe muestra la advertencia en rojo “KL/r>200!”. |
| Efecto combinado | Capítulo 11.3 | Compresión axial + flexión biaxial: Ec. 11.3a (Pr/Pc ≥ 0,2) o 11.3b; la ecuación utilizada se indica en el informe. |
Longitud de pandeo efectiva KL: Por defecto se toma la longitud de la columna dentro de la planta (altura de planta y diferencias de cota inferior/superior) y se supone K = 1,0. Introduciendo valores manualmente en los campos Le de la ventana Propiedades de Viga de Atado Vertical, la longitud de pandeo puede definirse por separado para cada eje.
6. Combinaciones de carga
El enfoque de cálculo es LRFD (φb = φc = φv = 0,90). Las solicitaciones se toman de la envolvente de las combinaciones LRFD de ÇYTHYE (1,4G; 1,2G + 1,6Q + 0,5S; 1,2G + 1,6S + 1,0Q; si hay viento, 1,2G + 1,0Q + 0,5S + 1,6W y 0,9G + 1,6W) y de las combinaciones sísmicas del programa (1,2G en sismo, Q como mínimo 1,0). Estas combinaciones no modifican la lista de combinaciones de carga del proyecto; se utilizan únicamente en el diseño en acero. El nombre de la combinación que da la envolvente se muestra en el informe junto a la solicitación.
En las advertencias del análisis, la línea “Çelik kiriş/kolon tasarımında rüzgâr birleşimleri yok” (No hay combinaciones de viento en el diseño de vigas/columnas de acero) indica que no hay ningún caso de carga de viento definido en el proyecto. En la lista de combinaciones por defecto (TBDY) no hay viento; para que el viento entre en el cálculo, seleccione los casos de carga y las combinaciones definidos en la pestaña Combinaciones de Carga.
7. Informes
Tras el análisis, aparece en el árbol de selección de informes el grupo Informes de Elementos de Acero:
| Informe | Contenido |
|---|---|
| Cálculos de Vigas de Acero | Planta por planta, un bloque por viga: nombre de la sección; material (Fy); propiedades de la sección (A, Ix, Wel, Wpl, ry); Lb, Cb, Lp, Lr; momento de diseño (con la combinación de carga que da la envolvente), Mn, relación y estado límite determinante; cortante de diseño, Vn y relación; efecto combinado; línea de flecha; Resultado: Suficiente / Insuficiente |
| Cálculos de Columnas de Acero | Propiedades de la sección (A, Ix, Iy, rx, ry); KLx, KLy, mayor KL/r (advertencia si procede); fuerza axial (con su combinación), φcPn, relación y modo de pandeo determinante; momentos en los dos ejes y sus capacidades; ecuación de interacción y su valor; Resultado |
Las comprobaciones que se cumplen se marcan en verde con UYGUN (CUMPLE) y las que no se cumplen en rojo con X. Los informes se generan en turco cuando el idioma del programa es el turco y en inglés en los demás idiomas.
8. Vista 3D
Las vigas y columnas con perfil asignado se dibujan en la ventana 3D con la geometría real de la sección (alma–ala de I/H, caja, tubo, contorno conformado en frío). Los elementos sin perfil asignado se muestran como prismas rectangulares. Las imágenes de las secciones también se añaden a las tablas de secciones de los informes.
9. Notas importantes
- En columnas de sección esbelta, el método del área efectiva no se aplica en esta versión; el programa no genera capacidad y marca el elemento de forma explícita. El resultado nunca se muestra silenciosamente como “seguro”.
- En el cálculo de vigas, Cb se calcula a partir del diagrama de momentos de cada combinación; en voladizos y en un Lb corto introducido manualmente en el campo Le se toma 1,0 (véase Sección 4).
- En la longitud de pandeo de la columna se supone K = 1,0; para otras condiciones de apoyo, introduzca manualmente el valor K·L en los campos Le.
- El módulo de elasticidad del material de acero se lee de la biblioteca de materiales; da igual que esté definido en kg/cm² o en MPa (la unidad se reconoce automáticamente).
- Si en los Ajustes generales del proyecto están marcadas las opciones de desfase (Offset1/Offset2, excentricidad), el diafragma rígido genera en las vigas una fuerza axial que en realidad no existe (318–721 kN en los ejemplos con IPE 300). El programa descuenta esta parte en el diseño de las vigas; no es necesario desactivar las opciones. Como se conserva el efecto del desfase sobre la rigidez de la viga, en las vigas de extremos rígidos los momentos de las soluciones con el desfase activado y desactivado pueden diferir (véase Fundamentos Teóricos del Diseño en Acero, Sección 9.1).
- Las condiciones sísmicas de ductilidad de la sección del Capítulo 9 de TBDY, la relación de capacidad columna–viga y los elementos de arriostramiento diagonal no entran en el alcance de esta versión.
10. Preguntas frecuentes
No aparece “Informes de Elementos de Acero” en el árbol de informes. El grupo aparece si en el proyecto hay al menos una viga o columna con el tipo de diseño Acero marcado y después del análisis. Asegúrese de que la opción “Acero” está marcada en la ventana de propiedades del elemento y de que el análisis se ha vuelto a realizar.
El informe dice “Profil katalogda bulunamadı” (Perfil no encontrado en el catálogo). El nombre de la sección asignada al elemento no se ha encontrado exactamente en la biblioteca de perfiles de fabricación (por ejemplo, un nombre de sección modificado manualmente). Vuelva a asignar la sección desde el formulario Seleccionar Sección de Fabricación.
Las capacidades salen mucho más bajas o más altas de lo esperado. Primero compare la línea de propiedades de la sección del informe (A, Ix, Wpl) con la tabla de perfiles; después revise los valores de Lb, Cb y KL: puede que el arriostramiento lateral o la longitud de pandeo se hayan introducido manualmente. La coherencia del estado límite de la viga (fluencia / pandeo lateral-torsional inelástico / elástico) con Lp y Lr puede verse en el informe.
La viga o columna de acero aparece rectangular en la vista 3D. No se le ha asignado perfil al elemento. Asigne el perfil siguiendo los pasos de la Sección 2.
¿Puede un mismo elemento tener a la vez comprobación de acero y de hormigón armado? No; el tipo de diseño es de selección única. El elemento entra en la comprobación del módulo del tipo con que esté marcado.