F.5.3 — Principios de diseño
Principios de diseño de estructuras de aluminio: estados límite, cargas del Título B, resistencia estática con los coeficientes de reducción φ de la Tabla F.5.3.3-1, deflexiones límite de la Tabla F.5.3.4-1, durabilidad, fatiga (colapso total y crecimiento estable de grietas), vibración y ensayos.
F.5.3.1 — Diseño para estados límite
Las estructuras de aluminio se diseñarán considerando los estados límite para los que pueden llegar a ser inapropiadas durante su uso futuro. Se deben considerar siempre los siguientes estados límite:
- • Resistencia estática (estado límite último) (véase F.5.3.3)
- • Deformación (estado límite de servicio) (véase F.5.3.4)
- • Durabilidad (véase F.5.3.5)
En ciertas estructuras es necesario considerar uno o ambos de los siguientes estados:
El diseño se realizará usando la guía dada en F.5.4 a F.5.7 y en los apéndices F.5.B a F.5.J. Sin embargo, se permite verificar un diseño propuesto por medio de ensayos (véase F.5.8).
F.5.3.2 — Cargas
Las estructuras de aluminio se diseñarán para las combinaciones de cargas estipuladas en el Título B.
F.5.3.3 — Resistencia estática
Un componente es aceptable en términos de resistencia estática si se satisface que:
| φ Rn ≥ Σ γi Qi |
en donde:
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| φ | = coeficiente de reducción de capacidad, estipulado en la tabla F.5.3.3-1 |
| γi | = coeficiente de mayoración para la carga i |
| Qi | = acción sobre la estructura que resulta de la aplicación de la carga i |
| Rn | = resistencia nominal de un miembro estructural, calculada con base en procedimientos establecido en este Capítulo |
F.5.3.3.1 — Acción-efecto bajo carga mayorada
Esto es la fuerza axial, el momento flector o la fuerza cortante generada en un componente por la aplicación de una carga mayorada y encontrada usando un procedimiento de análisis estructural aceptado. La carga mayorada se encuentra tomando las combinaciones de cargas estipuladas en el Título B y multiplicando cada una por el coeficiente de mayoración, establecido en la tabla F.5.3.2-1.
F.5.3.3.2 — Resistencia de diseño
La resistencia de diseño se define como el producto de la resistencia nominal por el coeficiente de reducción de capacidad φ. La resistencia nominal es la capacidad del componente en relación con la acción estructural en consideración (carga axial, momento flector, fuerza cortante, etc.), calculada con base en un procedimiento de análisis reconocido en este Capítulo.
El coeficiente de reducción de capacidad φ tiene en cuenta las diferencias entre la resistencia real de un miembro estructural y su resistencia nominal, causadas por variaciones en propiedades del material, tolerancias de fabricación y aproximaciones en el análisis. En estructuras de aluminio se utilizarán los coeficientes de reducción establecidos en la tabla F.5.3.3-1.
| Tipo de construcción | φ — Miembros | φ — Uniones |
|---|---|---|
| Remachada y empernada | 0.86 | 0.86 |
| Soldada | 0.86 | 0.80 * |
| Pegada | 0.86 | 0.34 |
* Debe usarse 0.70 en procedimientos que no cumplan con las especificaciones para aprobación de ensayos de procedimientos de soldadura tales como la BS4870 Parte 2, soldadura de aluminio y sus aleaciones con procesos TIG o MIG.
En F.5.4, F.5.5 (miembros) y F.5.6 (uniones), se dan las reglas para establecer la resistencia calculada.
F.5.3.4 — Deformación
Con fines de aceptación las deflexiones de una estructura de aluminio se calcularán para las cargas de servicio y las combinaciones de carga estipuladas en B.2.3.
F.5.3.4.1 — Deformación elástica recuperable
Una estructura es aceptable en términos de deformación si su deflexión elástica bajo carga de servicio es menor que la deflexión límite.
El cálculo de la deflexión elástica hará generalmente con base en las propiedades de la sección transversal bruta. Sin embargo, en secciones esbeltas puede ser necesario tomar las propiedades de la sección reducida para tener en cuenta el pandeo local (véase F.5.4).
| Elemento | Deflexión límite recomendada (véase nota) |
|---|---|
| Voladizos que soportan pisos | L/180 |
| Vigas con acabado de yeso u otro material frágil | L/360 |
| Viguetas y rieles de cubiertas | |
| (a) carga muerta únicamente | L/200 |
| (b) bajo la peor combinación de carga muerta, impuesta, viento y nieve | L/100 |
| Largueros y travesaños de paredes cortina | |
| (a) vidrio sencillo | L/175 |
| (b) vidrio doble | L/250 |
| Parte superior de columnas: deflexión horizontal | L/300 |
Nota: L es la longitud entre apoyos.
La deflexión límite debe basarse en criterios racionales de ingeniería y se evaluará para condiciones de servicio con las combinaciones de carga estipuladas en el numeral B.2.3. La tabla F.5.3.4-1 da valores sugeridos para ciertos tipos de estructuras. En la definición de las deflexiones límites debe tenerse en cuenta que el aluminio es tres veces más flexible que el acero y por lo tanto, se debe evitar usar deflexiones límites excesivamente pequeñas.
F.5.3.4.2 — Deformación inelástica permanente
Por lo general, se puede suponer que los componentes cuya resistencia estática ha sido calculada de acuerdo con F.5.4, no sufrirán deformación permanente significativa bajo la acción de la carga nominal. Esto se puede aplicar a todos los grupos de aleaciones.
F.5.3.4.3 — Distorsión debida a ensamble frecuente
En ciertas estructuras que tienen que ser armadas y desarmadas frecuentemente, es necesario considerar la posibilidad de cambios en las dimensiones principales del sistema de acople que conducen a la aparición gradual de errores inaceptables en la forma ensamblada.
F.5.3.5 — Durabilidad
La clasificación de durabilidad de los grupos de aleaciones se da en las tablas F.5.2.2-1 a F.5.2.2-4. Si una estructura se diseña en una aleación durable y se protege adecuadamente de acuerdo con normas como el BS 8118: Parte 2, se estima que se comportará satisfactoriamente. Se deben considerar el grado de exposición y la vida de diseño.
F.5.3.6 — Fatiga
F.5.3.6.1 — Generalidades
Cualquier estructura o componente estructural que esté sometida a variaciones significativas de la carga, debe ser revisada por fatiga. Se deben considerar dos estados límite:
- (a) Colapso total
- (b) Crecimiento estable de grietas (tolerancia de daño)
En ambos casos se supone que actúa el espectro de carga de servicio (no mayorado).
F.5.3.6.2 — Colapso total
El procedimiento para considerar este estado límite es determinar la vida prevista de acuerdo con F.5.7 y verificar que no sea menor que la vida de diseño. En ciertas circunstancias, el diseñador puede desear incrementar la vida de diseño nominal multiplicando por un coeficiente de vida por fatiga γL (> 1). La selección de γL puede verse influenciada por lo siguiente:
- (a) La posibilidad de que se incremente el crecimiento de grietas durante etapas posteriores de la vida del detalle
- (b) La exactitud del espectro de carga supuesto
- (c) Si se mantendrán registros de carga durante la vida del detalle
- (d) La posibilidad de un cambio de uso de la estructura durante su vida
El diseñador puede también desear aplicar un coeficiente de fatiga del material, γmf, para el rango de esfuerzos de diseño dado en la figura F.5.9. El rango de esfuerzos de diseño se dividiría por γmf (> 1) y la selección de γmf podría estar influenciada por lo siguiente:
- (1) El detalle deberá existir en un ambiente muy hostil
- (2) Si la falla del detalle resultaría en la falla de la estructura entera o si existen caminos alternativos para la carga
F.5.3.6.3 — Crecimiento estable de grietas
El daño de una estructura bajo condiciones de fatiga se determina monitoreando la tasa de crecimiento de las grietas de fatiga con intervalos de inspección regulares. Los métodos de inspección, las longitudes de grieta límite aceptables, las tasas admisibles de crecimiento de las grietas y el tiempo entre inspecciones deben ser acordados por el diseñador y el cliente. El crecimiento de grietas es estable cuando la tasa admisible de crecimiento de las grietas no se incrementa súbitamente entre inspecciones.
Los métodos para calcular el crecimiento de grietas y la longitud límite de las grietas están por fuera del alcance de estas normas pero la facilidad con que un detalle puede ser inspeccionado buscando grietas puede influir en la selección de γmf (véase F.5.3.6.2).
F.5.3.7 — Vibración
Para ciertas estructuras la posibilidad de vibración indeseable bajo condiciones normales de servicio debe ser considerada. Se deben usar las cargas nominales para hacer la verificación de la incompatibilidad de las amplitudes de vibración. Si se cree que la vibración puede ser un problema potencial, se debe verificar también la posibilidad de falla por fatiga (véase F.5.3.6).
Cuando los efectos de las vibraciones sean apreciables, las características de amortiguamiento de la forma de la estructura y de los materiales deberán ser tenidas en cuenta. La necesidad de suministrar un amortiguamiento artificial deberá ser examinada, y puede ser necesario realizar ensayos con prototipos.
La vibración de estructuras con bajas frecuencias naturales puede causar incomodidad en los usuarios y deberá ser considerada en el diseño del proyecto.
F.5.3.8 — Ensayos
Los componentes estructurales diseñados de acuerdo con F.5.4 a F.5.7 y los apéndices apropiados pueden ser aceptados sin ensayos. Los componentes diseñados usando otros procedimientos de cálculo y los componentes no calculados deben ser aceptados sólo si su resistencia ha sido verificada con ensayos. Tales ensayos deben ser ejecutados de acuerdo con F.5.8.