Estudio de arcos estructurales obtenidos por embutición a partir de paneles nervados conformados en frío

Abstract

Since a few decades ago, the cold-formed steel industry has developed a press-forming procedure to bend trapezoidal commercial steel sheeting into an arched shape. The main quality of these arches is to be self-supporting, so these curved panels are usually placed between the primary frames of a structure to make the roof. Their spans range, commonly, between three and six meters. Moreover the higher the span of the curved panels, the lower the number frames, which also reduces the cost of the structure. For this reason, it seems that in the future the trend will be to increase the span. In fact, panels whose span ranges between six and nine meters are beginning to be used in Spain. The manufacturing procedure to create an arch from a trapezoidal steel sheet is very simple. The profile is introduced between two dies that create a small and localized bent. The press forming work allows to curve the profile, but at the same time introduces a large number of transverse corrugations, or embossments, that modifies the load bearing capacity of the panel. As a consequence, the effective properties of the flat profile cannot be used to design the curved panel. The main problem is to know how to take in account the effect of these corrugations. Nowadays, there is not any design code giving guidelines on this subject. There is neither calculation method for the corrugated panels, nor a standardized experimental tests procedure from which to obtain their effective properties or their strength. The present investigation is focused on how the corrugation affects to the behavior of the original ribbed panel. The behavior of the original ribbed panel and the corrugated profile were investigated separately, and afterwards compared. The analysis of both profiles was carried out under positive pure bending, negative pure bending and pure compression. In the future this procedure will allow using the expressions commonly applied in the design codes that evaluate the interaction between pure internal forces. Analytically, the research is based on simulations by the Finite Element Method (FEM), and on the Generalized Yield Line Theory. Both approaches are complementary. The first one allows to quantify more rigorously the effect of the corrugation. The second one, allows to analyze in depth the behavior of the corrugated profile. Experimentally, the original and the corrugated profile are tested under positive pure bending to corroborate the results obtained analytically. The present work provides a simple, fast, and effective hand method that allows to "predict", approximately, the behavior of the original profile, the behavior of the corrugated profile, and the lost of strength and plastic capacity of the profile after the press-forming. This investigation also provides the basis to analyze the effect of different depths of corrugations.

Los arcos estructurales conformados por embutición a partir de paneles nervados en frío han comenzado a emplearse en la construcción recientemente. Este nuevo elemento estructural posee la cualidad de ser auto-portante, por lo que una vez obtenido en fábrica, se transporta hasta obra y se coloca directamente sobre las vigas principales de una estructura a modo de cubrición. Estos arcos, que comenzaron cubriendo luces de pequeñas a moderadas, entre tres y seis metros, han ido ganando confianza en el mercado, y en España, comienza a ser común ver arcos salvando luces entre seis y nueve metros. La ventaja económica es indudable, dado que las luces que cubren son equiparables a un sistema de cubrición convencional. No necesita disponer vigas, ni viguetas, y su ejecución es sencilla y rápida de acometer. La problemática que presenta esta tipología estructural es que el curvado de paneles nervados conformados en frío con el fin de generar un arco se realiza mediante un proceso de estampación reiterada. Dicho proceso induce en el perfil embuticiones transversales cuyo efecto sobre el comportamiento del perfil es desconocido. Los parámetros mecánicos del panel nervado con embuticiones, tales como el área efectiva y el módulo resistente efectivo, necesarios para proceder al cálculo del arco, han sido afectados por el proceso de conformado. El presente trabajo de investigación se ha focalizado en determinar en qué medida, y cómo, la embutición afecta al comportamiento del panel nervado original. A modo de comparativa, se investiga por separado el comportamiento del perfil nervado original y el del perfil con embutición. Ambos perfiles han sido analizados ante las solicitaciones de flexión pura positiva, flexión pura negativa y compresión pura. Se procede así de forma similar a las metodologías de diseño que recogen las normas, donde se emplean expresiones que evalúan la interacción entre esfuerzos puros. Analíticamente, la investigación se enfoca mediante la realización de simulaciones por el Método de los Elementos Finitos, (MEF), y mediante la Teoría Generalizada de las Líneas de Plastificación, (TGLP) Experimentalmente, se procede a la realización de ensayos con el fin de corroborar los resultados alcanzados mediante vía analítica. El presente trabajo de investigación aporta un método manual sencillo, rápido y eficaz que permite “predecir”, de forma aproximativa, el comportamiento del perfil original, el comportamiento del perfil con embutición, la reducción de resistencia de un perfil respecto a otro y la pérdida de capacidad plástica del perfil debida al proceso de conformado de la embutición. Este procedimiento establece también las bases para analizar el efecto de las diferentes profundidades de embutición que la máquina de estampación es capaz de realizar.