Aportaciones al estudio del comportamiento a flexión de estructuras de acero inoxidable

Abstract

L'acer inoxidable està essent utilitzat de manera creixent en els últims anys als sectors de la indústria i de l'arquitectura gràcies a la seva resistència a la corrosió, facilitat de manteniment i aparença agradable. Però, la seva utilització com a material resistent s'ha limitat durant anys a causa, entre d'altres, de la falta d'especificacions de disseny que fomentin i facilitin l'ús de l'acer inoxidable en aquesta situació. Aquesta limitació ha inspirat a investigadors de tot el món a estudiar el comportament del material acer inoxidable i desenvolupar noves expressions de disseny per tal d'explotar de manera òptima les propietats del material en aplicacions resistents.<br/>L'objectiu principal d'aquest treball és contribuir al progrés del coneixement de l'hacer inoxidable com a material estructural, analitzant el comportament en servei i l'evolució fins al col·lapse d'estructures d'acer inoxidable treballant fonamentalment a flexió. Aquest objectiu principal queda palès en forma de possibles pautes d'actuació i d'expressions de disseny que permetin dimensionar les estructures d'una manera eficient. <br/>El treball es centra en l'estudi del comportament de peces d'acer inoxidable sotmeses a flexió, ja que una de les funcions principals que pot exigir-se a l'acer inoxidable és la de treballar com a material estructural en peces flectades. L'estudi s'ha enfocat, per un costat, cap al càlcul de fletxes i les corresponents verificacions front l'estat límit de deformabilitat i, per altra banda, cap a l'estudi del comportament en estat límit últim de tallant i la determinació d'un mecanisme resistent que consideri les peculiaritats del material acer inoxidable.<br/>S'han realitzat dues campanyes experimentals sobre elements estructurals d'acer inoxidable en les que s'ha caracteritzat el comportament real del material utilitzat a cada assaig i s'han instrumentat les bigues per poder mesurar les fletxes i les deformacions que es produeixen en diferents punts de les estructures assajades durant els processos d'aplicació de càrrega. <br/>La utilització d'un model numèric basat en el mètode dels elements finits ha servit per proporcionar un millor coneixement sobre els fenòmens estudiats i poder optimitzar la instrumentació utilitzada durant els assaigs. El model numèric té en comte l'equació constitutiva real del material, determinada experimentalment, de manera que es poden simular els assaigs i comparar els resultats numèrics i experimentals. Un cop validat el model numèric s'utilitza de manera sistemàtica per generar una base de dades suficientment àmplia sobre la que establir noves expressions de disseny.<br/>La informació proporcionada per la instrumentació en les bigues assajades ha permès observar el comportament no lineal de l'acer inoxidable i assolir una sèrie de conclusions relatives al dimensionament d'aquest tipus d'estructures. Els resultats experimentals han permès observar també que les actuals expressions de dimensionament de les normatives per estructures d'acer inoxidable són molt conservadores. <br/>Un cop finalitzades les campanyes experimentals i la modelització dels assaigs mitjançant la utilització del model numèric s'ha dut a terme un anàlisi detallat dels resultats i un estudi del comportament de les estructures assajades, arribant a les següents conclusions generals.<br/>La no linealitat de la relació tensió-deformació del material complica el càlcul precís de fletxes en elements d'acer inoxidable ja que, en general, serà necessari recórrer a l'ús d'eines d'anàlisi no lineal que dificulten el disseny. El càlcul de fletxes mitjançant la utilització d'un únic valor del mòdul d'elasticitat secant per tot l'element proposat a Eurocodi 3, Part 1-4 (1996) tendeix a sobreestimar les fletxes, portant a dimensionaments conservadors en al estat límit de deformacions.<br/>Es proposa una metodologia de càlcul de fletxes considerant la no linealitat del material, la qual es basa en una expressió analítica que permet obtenir el diagrama moment-curvatura d'una secció transversal d'acer inoxidable. També s'ha obtingut una expressió del mòdul d'elasticitat equivalent, representatiu del comportament global de la biga, de manera que a partir d'aquest valor i utilitzant les expressions habituals de càlcul lineal, es pot determinar la fletxa màxima en bigues d'acer inoxidable amb suficient precisió.<br/>Per el dimensionament a tallant de bigues d'acer inoxidable és necessari tenir en comte els aspectes diferencials que introdueix la no linealitat del diagrama tensió-deformació de l'hacer inoxidable respecte l'acer al carboni. En acer inoxidable, l'abonyegament apareix sempre dins del règim no lineal del material i el comportament postcrític està igualment afectat per aquesta no linealitat, provocant una pèrdua de capacitat resistent.<br/>Els estudis realitzats en aquest camp han conduït a l'elaboració de noves expressions de disseny per a la determinació de càrregues crítiques inicials en xapes d'acer inoxidable.<br/>Tanmateix es proposa un mètode de dimensionament de bigues armades d'acer inoxidable sotmeses a tallant basat en el mètode del camp diagonal de traccions per acer al carboni.<br/>Finalment es plantegen, resultants de la pròpia evolució del coneixement sobre el tema d'estudi durant el període d'experimentació i anàlisi, futures línies de treball en el camp del comportament a flexió de les estructures d'acer inoxidable.

El acero inoxidable está siendo utilizado de manera creciente en los últimos años en los sectores de la industria y de la arquitectura gracias a su resistencia a la corrosión, facilidad de mantenimiento y apariencia agradable. Sin embargo, su empleo como material estructural resistente ha estado limitado durante años debido, entre otras razones, a la falta de especificaciones de diseño que fomenten y faciliten el uso del acero inoxidable en esta situación. Esta limitación ha inspirado a investigadores de todo el mundo a estudiar el comportamiento del material acero inoxidable y desarrollar nuevas expresiones de diseño para explotar de manera óptima las propiedades del material en aplicaciones resistentes.<br/>El objetivo principal de este trabajo es contribuir al avance del conocimiento del acero inoxidable como material estructural, analizando el comportamiento en servicio y la evolución hasta rotura de estructuras de acero inoxidable trabajando fundamentalmente a flexión. Dicho objetivo principal queda plasmado en forma de posibles pautas de actuación y de expresiones de diseño que permitan dimensionar tales estructuras de una manera eficiente.<br/>El trabajo se centra en el estudio del comportamiento de piezas de acero inoxidable sometidas a flexión, ya que una de las funciones principales que puede exigirse al acero inoxidable es la de trabajar como material estructural de piezas flectadas. El estudio se ha enfocado, por un lado, hacia el cálculo de flechas y las correspondientes verificaciones frente al estado límite de deformabilidad y, por otro lado, hacia el estudio del comportamiento en estado límite último frente a cortante y la determinación de un mecanismo resistente que considere las peculiaridades del material acero inoxidable.<br/>Se han realizado dos campañas experimentales sobre elementos estructurales de acero inoxidable en las que se ha caracterizado el comportamiento real del material utilizado en cada ensayo y se han instrumentado las vigas para poder medir las flechas y las deformaciones que se producen en diferentes puntos de las estructuras ensayadas durante los procesos de aplicación de carga.<br/>La utilización de un modelo numérico basado en el método de los elementos finitos ha servido para proporcionar un mejor conocimiento sobre los fenómenos estudiados y poder optimizar la instrumentación utilizada durante los ensayos. El modelo numérico tiene en cuenta la ecuación constitutiva real del material, determinada experimentalmente, de modo que se pueden simular los ensayos y comparar los resultados numéricos y experimentales. Una vez validado el modelo numérico se utiliza de manera sistemática para generar una base de datos<br/>suficientemente amplia sobre la que establecer nuevas expresiones de diseño. La información proporcionada por la instrumentación en las vigas ensayadas ha permitido observar el comportamiento no lineal del acero inoxidable y alcanzar una serie de conclusiones relativas al dimensionamiento de este tipo de estructuras. Los resultados experimentales han permitido observar también que las actuales expresiones de dimensionamiento de las normativas para estructuras de acero inoxidable son muy conservadoras.<br/>Tras la realización de las campañas experimentales y la modelización de los ensayos mediante la utilización del modelo numérico se ha realizado un minucioso análisis de los resultados obtenidos y un profundo estudio del comportamiento de las estructuras ensayadas, de modo que se ha llegado a las siguientes conclusiones generales.<br/>La no linealidad de la relación tensión-deformación del material complica el cálculo preciso de flechas en elementos de acero inoxidable ya que, en general, será necesario recurrir al uso de herramientas de análisis no lineal que dificultan el diseño. El cálculo de flechas mediante la utilización de un único valor del módulo de elasticidad secante a lo largo de todo el elemento propuesto en Eurocódigo 3, Parte 1-4 (1996) tiende a sobrestimar las flechas, dando<br/>lugar a dimensionamientos conservadores frente al estado límite de deformaciones. Se propone una metodología de cálculo de flechas considerando la no linealidad del material, la cual se basa en una expresión analítica que permite obtener el diagrama momento-curvatura de una sección transversal de acero inoxidable. También se ha obtenido una expresión del módulo de elasticidad equivalente, representativo del comportamiento global de la viga, de manera que a partir de dicho valor y utilizando las expresiones habituales de cálculo lineal, se puede determinar la flecha máxima en vigas de acero inoxidable con suficiente precisión.<br/>Para el dimensionamiento a cortante de vigas de acero inoxidable es necesario tener en cuenta los aspectos diferenciales que introduce la no linealidad del diagrama tensión-deformación del acero inoxidable frente al acero al carbono. En acero inoxidable, la abolladura tiene lugar siempre dentro del régimen no lineal del material y el comportamiento postcrítico está igualmente afectado por dicha no linealidad, provocando una pérdida de capacidad resistente. <br/>Los estudios realizados en este campo han conducido a la elaboración de nuevas expresiones de diseño para la determinación de cargas críticas iniciales en chapas de acero inoxidable.<br/>Asimismo se propone un método de dimensionamiento de vigas armadas de acero inoxidable sometidas a cortante basado en el método del campo diagonal de tracciones para acero al carbono.<br/>Finalmente se plantean, resultantes de la propia evolución del conocimiento sobre el tema de estudio durante el período de experimentación y análisis, futuras líneas de trabajo en el campo del comportamiento a flexión de las estructuras de acero inoxidable.

Stainless steel elements have been increasingly used in the construction industry during the last few years, especially in architectural applications, due to its high corrosion resistance, ease of maintenance and aesthetics. The most important limiting factor restraining structural applications of stainless steel is the lack of knowledge about its resistant properties among designers. This factor has inspired researchers to explore the structural behaviour of the material and develop new design rules to exploit this material to its full potential in construction.<br/>The aim of this research work is to advance in the knowledge of stainless steel as a structural material by analysing stainless steel beams behaviour under flexural loads near service conditions and its evolution up to failure. This objective will be translated to a set of possible actuation guidelines and new expressions for the design of stainless steel structures in an efficient way.<br/>The present investigation has been focussed on the study of the behaviour of stainless steel beams under flexural loads. On the one hand, part of this study has been focussed on the deflections calculation in order to verify stainless steel structures in front of serviceability limit state. On the other hand, the second part of this work seeks to study the response of stainless steel plated girders subjected to shear load near service conditions and their evolution up to failure, in order to determine a resistant mechanism that considers stainless steel special features.<br/>Two experimental programmes on stainless steel structural elements have been developed.<br/>The actual behaviour of the material of the tested beams has been characterised and the tested elements have been instrumented in order to measure deflections and deformations at different points of the structures during the test. <br/>A numerical model based on the finite element method has been used in order to reach a deeper knowledge about the phenomenon to study and optimise the acquisition of information during the test. The numerical model considers the actual constitutive equation of the material obtained by experimental characterisation tests. Therefore, the model is able to simulate the tests and after that, a comparative analysis of both numerical and experimental results can be carried out. Once the model has been validated, it is used systematically in order to generate a data basis wide enough to establish new design guidelines.<br/>Information derived from the instrumentation of the tested beams has been provided to observe clearly the non-linear behaviour of stainless steel and to reach a set of conclusions related to the efficient design of this kind of resistant structures. Experimental results have also shown that the current design provisions for this new construction material are really conservative.<br/>After the development of the experimental campaigns and the numerical modelling of the tests, a meticulous analysis of the results and a deep study of the tested structures behaviour have been carried out reaching the following general conclusions.<br/>The material non-linearity makes more difficult the precise deflections calculation in stainless steel structural elements. In most of the cases, it will be necessary to use non-linear analysis tools. The application of the simplified method derived form Eurocode 3, Part 1-4 (1996), that considers only one value of the secant modulus of elasticity along the structural element may lead to overestimate deflections, conducing the design towards very conservative results in front of service conditions.<br/>A new methodology for deflections calculation considering the material non-linearity is proposed. It is based on an analytical expression of moment-curvature diagram for stainless steel cross-sections. Moreover, a new expression for an equivalent elastic modulus, which represents the general behaviour of the beam, is being defined. Therefore, with this new parameter and using the typical expressions of linear analysis, it is possible to determine deflections in stainless steel beams with sufficient accuracy taking into account the material non-linearity effects.<br/>In order to design structural elements subjected to shear load it is necessary to consider the actual stainless steel stress-strain relationship. In stainless steel structures shear buckling is always developed during the non-linear path and its postcritical behaviour is clearly influenced by the material non-linearity; this supposes a loss of resistant capacity. <br/>New design expressions to determine the initial shear buckling stress have been proposed as a result of the studies developed in this investigation. Moreover, a new design method to stainless steel plated girders under shear load, based on the tension field method for carbon steel structures, is presented.<br/>Finally, as a natural result in the evolution of knowledge in this item, some future works on flexural behaviour of stainless steel beams are presented.