Camine por casi cualquier sitio de construcción moderno con estructura de acero-y verá secciones huecas realizando trabajos que los perfiles abiertos como las vigas I-y los canales simplemente no pueden realizar con tanta eficiencia: colocarse como columnas delgadas expuestas en un atrio de vidrio, formar el refuerzo diagonal en un marco sísmico o soportar las cargas de torsión en una pasarela curva. La preferencia no es estética. Todo se reduce a un puñado de principios de ingeniería estructural que la mayoría de los equipos de adquisiciones nunca ven discutidos, pero que silenciosamente determinan por qué una especificación requiere SHS, RHS o CHS en primer lugar.
Este artículo analiza las razones reales de ingeniería por las que las secciones huecas superan a los perfiles abiertos en casos de carga específicos - y, lo que es igualmente importante, cuando una viga o canal I- sigue siendo la opción más eficiente y económica. Comprender ambos lados de esa comparación es lo que separa una especificación genuinamente informada de un hábito predeterminado.
La ventaja de la geometría: igual resistencia en todas las direcciones
La mayor ventaja estructural de una sección hueca se reduce a un número: el radio de giro.
Una sección abierta como una viga I-de ala ancha-tiene dos radios de giro muy diferentes - uno alrededor de su eje fuerte y otro alrededor de su eje débil, que a menudo difieren en un factor de dos o más. Eso significa que una columna de sección I-es tan fuerte como su dirección más débil de pandeo, y si un miembro está expuesto a carga o presión del viento desde múltiples direcciones, el ingeniero tiene que diseñar alrededor del eje más débil independientemente de qué tan fuerte pueda ser el otro eje.
Una sección hueca cuadrada o circular, por el contrario, tiene un radio de giro igual (o muy cercano a igual) en todas las direcciones. No existe un "eje débil". Para una columna que necesita resistir el pandeo bajo una carga de compresión aplicada desde fuentes impredecibles o multi{2}}direccionales - que describe una gran proporción de columnas de edificios reales, especialmente en planos de planta abiertos sin paredes de refuerzo para definir una dirección de carga dominante - esta propiedad geométrica por sí sola a menudo hace que una sección hueca sea más liviana que una sección abierta de capacidad equivalente-, porque nada del material se "desperdicia", proporcionando resistencia en una dirección que la estructura no necesita tanto.
Esta es también la razón por la que las secciones huecas dominan como miembros de compresión en pórticos espaciales y armazones de celosía: cada miembro diagonal y vertical en un sistema de armazones 3D experimenta carga desde una orientación diferente, y una sección con resistencia uniforme en todas las direcciones es estructuralmente eficiente de una manera que una sección I-fundamentalmente no puede igualar sin material agregado.
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Rigidez torsional: una diferencia de orden-de-magnitud
Si el radio de giro es la ventaja sutil, la rigidez torsional es la dramática - y posiblemente sea la razón más subestimada por la que se especifican secciones huecas para ciertos miembros.
Las secciones abiertas resisten la torsión principalmente a través de la deformación y una constante de torsión de St. Venant relativamente débil, porque una forma abierta de paredes delgadas-simplemente no tiene una trayectoria de carga continua alrededor de su perímetro para transportar el flujo cortante de manera eficiente. Una sección cerrada - cualquier sección hueca - resiste la torsión a través del flujo cortante que corre continuamente alrededor del perímetro cerrado, lo cual es un mecanismo dramáticamente más rígido. En términos prácticos, una sección hueca cerrada puede tener una constante de torsión un orden de magnitud mayor que una sección abierta de tamaño y peso comparables.
Esto es importante directamente en miembros que experimentan cargas de torsión significativas: vigas de puentes curvas, vigas de pista de grúa sujetas a cargas excéntricas de ruedas, vigas de enjuta que soportan cargas excéntricas de piso a lo largo del perímetro de un edificio y cualquier miembro en una estructura donde la carga no se aplica limpiamente a través del centro de corte. Especificar una sección abierta para una aplicación genuinamente crítica-para la torsión generalmente significa agregar refuerzos, diafragmas o sobredimensionar el miembro para compensar - el costo adicional de fabricación y material que una sección hueca a menudo evita solo por la geometría.
PROCESO DE PERFORACIÓN
PROCESAMIENTO DE SECCIONES HUECAS
Procesamiento de tubos de acero redondos
Clasificación de pandeo local: donde las secciones huecas tienen límites
Nada de esto significa que las secciones huecas sean incondicionalmente superiores, y aquí es donde entra en juego un punto más matizado y menos discutido: el comportamiento de pandeo local.
Los códigos de diseño - EN 1993-1-1 en Europa, AISC 360 en EE. UU. - clasifican las secciones estructurales (abiertas y cerradas por igual) según el ancho-a-espesor o la relación diámetro-espesor de sus elementos individuales de placa o pared, en clases que van aproximadamente desde "compactas" (capaces de alcanzar plena capacidad de momento plástico y sostener la rotación para el diseño plástico) hasta "esbelta" (donde el pandeo local ocurre antes de que la sección alcance la fluencia y la capacidad de diseño debe reducirse en consecuencia).
Para las secciones huecas, esta clasificación está directamente vinculada a la relación ancho-a-espesor de las caras planas (para SHS/RHS) o a la relación diámetro-a-espesor (para CHS). Un CHS-de paredes delgadas y de gran-diámetro o un RHS de paredes anchas y delgadas-puede caer en una clasificación esbelta tan fácilmente como una sección abierta delgada-con bridas - el perfil cerrado no exime automáticamente a una sección de controles de pandeo locales. Los ingenieros que especifican secciones huecas de paredes-más grandes y delgadas para aplicaciones arquitectónicas o de gran extensión-necesitan verificar la clasificación de la sección explícitamente en lugar de asumir que "hueco" implica "compacto". Este es uno de los descuidos más comunes en el dimensionamiento preliminar, que se detecta sólo cuando finalmente se realiza una verificación detallada.
Comportamiento ante incendios: una ventaja que rara vez se menciona en el material de ventas
Una ventaja realmente poco discutida de las secciones huecas aparece en la ingeniería contra incendios, no en el diseño de carga lateral o de gravedad.
Los requisitos estructurales de protección contra incendios dependen sustancialmente del "factor de sección" de una sección - la relación entre el perímetro calentado y el área de sección -transversal (a menudo escrito Hp/A). Una sección con una relación Hp/A más baja se calienta más lentamente durante un incendio, porque hay proporcionalmente menos superficie expuesta que impulsa el calor hacia una masa determinada de acero. Las secciones abiertas como las vigas I- exponen la superficie en ambos lados del alma y ambas alas, todas calentadas por separado. Una sección hueca de capacidad de carga comparable a menudo tiene una relación Hp/A más baja simplemente porque su geometría concentra la misma masa de acero detrás de una superficie expuesta continua más compacta.
La consecuencia práctica es que los miembros de sección hueca a veces pueden lograr una clasificación de resistencia al fuego requerida con un revestimiento intumescente más delgado o menos material de protección contra incendios que una sección abierta que soporta la misma carga de diseño - un ahorro real de costo y peso que rara vez aparece en el material de marketing general porque requiere un cálculo específico de la sección-para demostrarlo, no una afirmación general que se aplique uniformemente en todos los tamaños y aplicaciones.
La compensación del diseño de conexión-
Este es el punto donde las secciones huecas pierden parte de la ventaja que obtienen en otros lugares, y merece más atención de la que suele recibir en las decisiones de especificaciones.
Las secciones abiertas ofrecen superficies de alma y bridas planas y accesibles que simplifican las conexiones atornilladas. - una placa de conexión se puede atornillar directamente a una brida con espacios libres y detalles estándar. Las secciones huecas, por su naturaleza cerrada, no ofrecen la misma superficie accesible para una conexión atornillada convencional sin hardware adicional: el atornillado pasante requiere acceso al interior del tubo (a menudo imposible una vez ensamblada la estructura), y las conexiones atornilladas montadas en la superficie-normalmente necesitan placas de brida, placas de tapa o sistemas de pernos-ciegos diseñados específicamente para secciones cerradas.
Las conexiones soldadas conllevan su propia complejidad. Cuando los miembros de sección hueca se encuentran en un nodo de armadura - una junta K, T, Y o X en la construcción de vigas de celosía - la conexión no es solo una cuestión de soldar dos tubos entre sí. Se debe comprobar la cara del cordón en la unión para detectar cortante de punzonamiento y plastificación local bajo la carga concentrada del elemento de refuerzo entrante, siguiendo disposiciones de diseño como las de EN 1993-1-8 Sección 7 o las guías de diseño CIDECT desarrolladas específicamente para el diseño de juntas tubulares. Estas comprobaciones son realmente más complicadas que un diseño de conexión de sección abierta estándar, y subestimar esta complejidad en la etapa de diseño es una de las fuentes más comunes de rediseño en las últimas etapas en proyectos de armaduras tubulares.
Nada de esto hace que las conexiones de secciones huecas sean poco prácticas - las armaduras tubulares se construyen con éxito en todo el mundo - pero sí significa que el costo de fabricación y diseño de la conexión debe sopesarse con la eficiencia del material obtenida de la sección misma, en lugar de asumir que la sección hueca es una simple ganancia de costos en todos los casos.
Donde las secciones abiertas todavía tienen más sentido
Teniendo en cuenta todo lo anterior, vale la pena ser directo acerca de dónde una viga o canal I- sigue siendo la mejor opción: elementos de flexión primarios donde la carga se aplica predominantemente alrededor de un eje, y donde ese eje es conocido y fijado por la geometría de la estructura. - una viga de piso típica que soporta una losa, por ejemplo, se dobla alrededor de un solo eje, y el material de una sección I-, concentrado en alas alejadas del eje neutro, es más eficiente en flexión uniaxial pura que una hueca. Material de la sección distribuido en un perímetro cerrado.
Las secciones abiertas también son generalmente más baratas de conectar, como se analizó anteriormente, y están más disponibles en una gama más amplia de tamaños laminados estándar para miembros muy grandes y profundos que las secciones huecas normalmente. Para una viga de piso sencilla, una sección I-generalmente sigue siendo la especificación más económica; para una columna expuesta a cargas multi-direccionales, un miembro de refuerzo sometido a compresión y posible torsión, o una cuerda de celosía en una estructura espacial, una sección hueca generalmente gana tanto en eficiencia del material como, en muchos casos, en resistencia al fuego.
Tomar la decisión correcta
La elección entre secciones huecas y abiertas no es una cuestión de que una sea categóricamente superior - sino de hacer coincidir la geometría de la sección con el caso de carga real que experimenta el miembro. Un ingeniero estructural que sopesa esta decisión realmente se pregunta: ¿este miembro ve la carga desde una única dirección predecible, o desde múltiples direcciones y posiblemente torsión? ¿La clasificación de pandeo local gobernará el diseño en los espesores de pared bajo consideración? ¿Cuánto cuesta realmente el diseño de la conexión una vez que se tienen en cuenta las placas de brida, las placas de tapa o las comprobaciones de las juntas tubulares, en lugar de solo el precio por-tonelada del acero en sí?
Hacer esto correctamente en la etapa de especificación - en lugar de utilizar de forma predeterminada el hábito o cualquier tipo de sección que haya usado un proyecto anterior - es de donde provienen los ahorros reales de material y costos en un proyecto de acero estructural, y es una decisión que vale la pena revisar en cada nueva estructura en lugar de asumir que la elección de sección del proyecto anterior aún se aplica.
