Expresiones para predecir la capacidad de rotación de columnas metálicas huecas de sección rectangular, utilizando modelos de elementos finitos

Abstract

En la última década, se han venido realizando numerosas investigaciones referidas al comportamiento de estructuras de acero, sin embargo, estas se han concentrado principalmente en Europa, donde incluso ya se propone al acero inoxidable como material estructural y se conoce su comportamiento no lineal ante cargas gravitacionales, los estudios referidos a cargas sísmicas se vienen desarrollando de forma acelerada [1]. Lamentablemente, en Perú las investigaciones referidas a estructuras metálicas son escasas y la norma de estructuras metálicas E.090 no se actualiza desde hace casi 20 años, lo que coloca al país en desventaja frente a otros que vienen avanzando en lo que respecta al cálculo de estructuras metálicas. Por ejemplo, si se trata de conocer el comportamiento no lineal de una columna de acero, se tendrán que tomar en cuenta aspectos como la esbeltez global, esbeltez local, efectos de segundo orden; los cuales complican la estimación de la capacidad de rotación (ductilidad) de una columna metálica si se utilizan los métodos tradicionales, sin embargo, hoy en día se tiene la información suficiente y las herramientas necesarias para lograr este propósito de manera directa, por ejemplo, utilizando un modelo de elementos finitos. Aquí nace entonces la necesidad no solo de aplicar una nueva metodología para obtener la capacidad de rotación de una columna metálica, sino que es necesario proponer expresiones que permitan obtenerla de manera directa, sencilla y confiable. Esto contribuirá a reducir tiempos de cálculo y dar un paso hacia adelante en el estudio del comportamiento de columnas metálicas. En esta investigación se consideraron columnas de sección rectangular hueca, puesto que son las más utilizadas en nuestro contexto. Para lograr esto, se realizó un estudio paramétrico de 72 columnas modeladas en un programa de elementos finitos. Para asegurar la confiabilidad de estos modelos, primero se realizó una validación de estos utilizando resultados de estudios experimentales de este tipo de elementos [2]. 6 Con los resultados obtenidos, se encontraron tendencias entre las capacidades de rotación calculadas y parámetros geométricos y mecánicos que las afectan. Estas tendencias sirvieron para proponer expresiones que permitan predecir la capacidad de rotación de una columna metálica de sección hueca rectangular sometida a carga axial y acciones laterales cíclicas, tal y como sucede con una columna de una estructura metálica sometida a acciones cíclicas. Finalmente, se validaron las expresiones propuestas con 6 columnas adicionales a las utilizadas en el estudio paramétrico, para las cuales se calcularon sus capacidades de rotación y se compararon con la propuesta de esta investigación, demostrando así que las expresiones planteadas permiten obtener resultados adecuados, utilizando expresiones sencillas.