El plegado modifica las propiedades de la sección transversal utilizadas para verificar un elemento de acero, porque la geometría final rara vez coincide exactamente con el dibujo idealizado de esquinas vivas. Los radios de las esquinas, el adelgazamiento local, la rotación de las alas y las distorsiones afectan al área, la posición del centroide, los momentos de inercia y el módulo resistente de la sección. El conformado en frío también modifica el comportamiento local del material debido a la deformación plástica y las tensiones residuales. Por tanto, un cálculo de diseño fiable distingue la geometría del perfil terminado de las propiedades de la chapa de acero plana original y aplica la norma estructural pertinente a las condiciones reales de carga y fabricación.

En el acero conformado, la distinción entre las propiedades de la sección bruta y la resistencia estructural disponible es especialmente importante. Un límite elástico medido más alto en una esquina trabajada no compensa automáticamente la reducción de la anchura eficaz de un elemento esbelto sometido a compresión. Ambos efectos deben evaluarse con los mismos criterios de diseño.

De la banda plana a la sección transversal terminada

Cuando una banda se pliega para formar un perfil en U, angular o con labio, el material sigue una trayectoria curva en cada esquina. La parte exterior del pliegue se estira y la interior se comprime. Durante el conformado plástico, la superficie neutra, donde la deformación longitudinal asociada al pliegue es aproximadamente cero, no permanece necesariamente en el centro del espesor original. Su posición depende del radio de plegado, el espesor, el comportamiento del material y el proceso de conformado.

Estos cambios son importantes porque las propiedades de la sección se calculan a partir de la distribución del material. El área bruta, A, es la suma del material de la sección transversal terminada. El centroide identifica el centro ponderado por el área. El momento de inercia, I, describe cómo se distribuye esa área con respecto a un eje determinado; el módulo resistente elástico de la sección, S, es I dividido por la distancia desde el centroide hasta la fibra extrema del lado pertinente. Por tanto, una sección asimétrica puede tener módulos resistentes distintos en sus dos fibras extremas.

Un perfil dibujado con esquinas vivas distribuye el material de forma diferente a uno con radios reales. Sustituir las dimensiones planas en fórmulas para esquinas vivas puede sobreestimar o subestimar una propiedad, según la convención dimensional y el eje considerado. La discrepancia aumenta cuando las esquinas ocupan una parte considerable de la sección transversal o cuando se realizan varios pliegues en un perfil pequeño.

Las dimensiones deben utilizar referencias coherentes: las medidas de exterior a exterior, de interior a interior y desde la línea central no son intercambiables sin tener en cuenta el espesor y el radio. Por ejemplo, una dimensión exterior del ala incluye parte de la zona de la esquina, mientras que una dimensión de anchura plana utilizada en un cálculo de pandeo local suele referirse a un elemento plano definido. La norma de diseño aplicable determina exactamente dónde se miden esas anchuras.

El espesor no siempre es uniforme en todo el pliegue

El plegado en frío puede reducir localmente el espesor, sobre todo cerca de la parte exterior de un pliegue cerrado. El grado de adelgazamiento depende de la relación entre el radio interior de plegado y el espesor original, la ductilidad del material, las herramientas y la deformación impuesta por el proceso. No debe suponerse que un pliegue de gran radio en una chapa dúctil y un pliegue cerrado en una chapa de mayor resistencia conservan el mismo perfil de espesor.

A menudo se utiliza un espesor nominal uniforme para calcular las propiedades de la sección cuando la especificación aplicable lo permite. Esta hipótesis debe distinguirse de una medición del espesor mínimo en una esquina. Una única lectura baja no demuestra que todo el perfil haya perdido la misma cantidad de material, mientras que el espesor nominal de la chapa no demuestra que el pliegue cumpla un mínimo local especificado.

El método de medición también es importante. Los recubrimientos, el estado de la superficie, la alineación del instrumento y la curvatura de una esquina pueden afectar a la lectura. Un registro de inspección útil indica si el espesor se midió en una superficie plana, en el pliegue o después de retirar el recubrimiento, y especifica los puntos de muestreo. Cuando las propiedades de la sección son especialmente sensibles al adelgazamiento, una distribución de espesores medida o modelada de forma conservadora ofrece una base mejor que aplicar indiscriminadamente el valor local mínimo a todos los elementos.

El momento de inercia depende del eje

Desplazar una pequeña cantidad de acero alejándola de un eje puede modificar I más que un cambio equivalente cerca de dicho eje, porque en el cálculo se eleva al cuadrado la distancia al eje. Por tanto, un cambio moderado en la posición del ala puede afectar a la rigidez a flexión más de lo que sugiere el cambio correspondiente en el área total. La recuperación elástica, la apertura de las alas y la rotación del labio son cambios geométricos que afectan directamente a la sección terminada.

Considérese un perfil en U conformado cuyas alas se abren ligeramente tras retirarlo de las herramientas. El área bruta puede permanecer prácticamente igual, pero el centroide y la distribución del material con respecto a ambas direcciones principales pueden desplazarse. La rigidez calculada respecto a un eje no tiene por qué cambiar en la misma proporción que la rigidez respecto al otro. En un perfil asimétrico, los ejes principales también pueden estar inclinados con respecto a los ejes del plano, por lo que el producto de inercia es relevante para determinar la respuesta a flexión.

El módulo resistente de la sección también depende de la dirección. Si la flexión somete un ala a compresión y la otra a tracción, las distancias desde el centroide hasta las dos fibras extremas determinan módulos resistentes elásticos distintos. Invertir el momento puede cambiar el valor determinante aunque se utilice el mismo perfil. Un único valor tabulado de «módulo resistente» está incompleto si no se especifican el eje y el lado de referencia.

Estas propiedades geométricas son distintas de la rigidez y la resistencia del elemento. La deflexión bajo carga también depende del módulo de elasticidad, la luz, las restricciones, el comportamiento de las conexiones y la carga. La resistencia depende, además, de la fluencia, la inestabilidad y las reglas de resistencia aplicables. Un perfil con un valor favorable de I bruta aún puede estar condicionado por la inestabilidad local o lateral.

Geometría bruta frente a propiedades eficaces de la sección

Los elementos delgados sometidos a compresión pueden sufrir pandeo local antes de que toda la sección bruta alcance la tensión de compresión supuesta. Un ala o alma ancha y esbelta es más susceptible que un elemento comparable con mayor restricción o menor anchura plana. Los labios, los rigidizadores intermedios y los elementos contiguos pueden mejorar la restricción, pero su contribución depende de su propia geometría y rigidez.

Los métodos de diseño de elementos conformados en frío abordan este comportamiento mediante disposiciones como las anchuras eficaces u otros métodos permitidos. El área eficaz y el módulo resistente eficaz representan un tratamiento de diseño de la inestabilidad; no son mediciones físicas de acero faltante. Sus valores pueden variar según la distribución de tensiones, la dirección de la carga, las condiciones de contorno y el método de diseño. La norma pertinente debe aplicarse de manera coherente, sin combinar una propiedad eficaz de un método con ecuaciones de resistencia de otro.

En un perfil en U con labios sometido a flexión, merecen especial atención el ala comprimida y el labio. Un labio que parece considerable en el dibujo puede ofrecer una restricción limitada si sus dimensiones o su conexión con el ala no cumplen las hipótesis del método elegido. Si se invierte la dirección de flexión, el ala que antes estaba traccionada pasa a ser el elemento comprimido y puede cambiar la sección eficaz determinante.

El pandeo distorsional es un fenómeno distinto: un ala rigidizada en el borde puede girar o desplazarse junto con su labio. Aumentar únicamente el módulo resistente bruto de la sección no demuestra que la resistencia al pandeo distorsional sea adecuada. La longitud del elemento, los arriostramientos, la posición de los elementos de fijación y la aplicación de la carga también influyen en el comportamiento global o distorsional, por lo que las propiedades de la sección deben evaluarse junto con la configuración del elemento.

Trabajo en frío, tensiones residuales y propiedades del material

La deformación plástica durante el conformado en frío suele aumentar la resistencia local y reducir la ductilidad restante en la zona trabajada. El efecto se concentra en los pliegues, aunque el perfilado por rodillos y otros procesos pueden introducir deformación en las zonas planas adyacentes. Por tanto, la resistencia de una esquina no es necesariamente igual a la de la chapa original o a la de las partes planas del perfil terminado.

Algunas disposiciones de diseño permiten aumentar la resistencia supuesta de una sección conformada en frío completa bajo condiciones específicas. Este margen es un cálculo según la norma, no una sustitución general de la resistencia a tracción de las esquinas por el límite elástico del metal base. Su aplicabilidad depende del material, el método de conformado, la geometría de la sección, los procesos posteriores y la norma aplicable. Una medición local de dureza por sí sola no basta para establecer el límite elástico de diseño de toda la sección transversal.

Las tensiones residuales permanecen después de retirar las fuerzas de conformado porque distintas zonas han sufrido diferentes grados de deformación plástica. En una sección sin carga externa se equilibran entre sí, pero afectan a la distribución de tensiones cuando se aplican cargas de servicio. El corte, la soldadura y el conformado posterior pueden redistribuir estas tensiones y modificar la forma final. Su presencia no debe interpretarse como prueba de que el elemento ya soporta una carga externa igual a la tensión residual.

El módulo de elasticidad del acero no es intercambiable con el límite elástico. El trabajo en frío puede elevar el límite elástico sin un aumento proporcional de la rigidez elástica. Por tanto, para calcular la deflexión elástica, multiplicar el módulo original por el porcentaje de aumento del límite elástico daría un resultado injustificado.

Conformar una sección y curvar un elemento son operaciones distintas

Conformar un perfil recto a partir de una chapa modifica la sección transversal en los pliegues. Curvar a lo largo de su longitud una viga o un tubo ya conformado introduce efectos adicionales. La sección transversal puede torcerse, aplanarse o deformarse al laminar o plegar a presión el elemento. Por ejemplo, en un perfil hueco rectangular, la deformación de las paredes y el desplazamiento de las esquinas pueden modificar las propiedades locales de la sección, incluso si el tramo recto original cumplía sus especificaciones dimensionales.

El elemento terminado debe evaluarse en ubicaciones representativas, incluidas las zonas de mayor curvatura y las transiciones próximas a los extremos rectos. Medir únicamente el radio de curvatura general o la cuerda no permite detectar el aplanamiento local. A la inversa, un perfil puede cumplir una tolerancia local de sección transversal y no cumplir el arqueo o la torsión global especificados. Ambas escalas geométricas son pertinentes, pero responden a preguntas distintas.

La flexión longitudinal también puede modificar la ubicación de las tensiones críticas e interactuar con la carga prevista. En un elemento curvo, las fórmulas para elementos rectos pueden no ser adecuadas cuando la curvatura es significativa en relación con la altura de la sección o cuando el método de diseño aplicable exige un análisis de elementos curvos. El modelo elegido debe ajustarse a la geometría real y a las disposiciones de diseño aplicables.

Identificación del material antes de utilizar los datos del producto

El trabajo en frío afecta tanto al acero inoxidable como al acero al carbono, pero la descripción de un producto por sí sola no establece el grado ni la sección que debe analizarse. La ficha debarra cuadrada de acero inoxidable 316L indica 316L en el título, mientras que la información del material suministrada hace referencia al acero inoxidable 201. Estas designaciones deben cotejarse con el pedido y el certificado del material antes de asignar propiedades mecánicas o evaluar el comportamiento durante el conformado.

Una barra maciza de sección cuadrada y un tubo cuadrado conformado de paredes delgadas también requieren modelos de sección distintos. La primera contiene material en toda su sección transversal; el segundo tiene paredes y radios en las esquinas que influyen en el pandeo local y la distribución del espesor. Una medida de barra cuadrada indicada en la ficha no permite establecer las dimensiones ni las propiedades de la sección de un perfil hueco conformado.

Vincular las tolerancias con un cálculo justificable

Un registro útil de las propiedades de la sección indica el grado del material, el espesor nominal, las dimensiones finales, los radios interiores o exteriores de las esquinas, las definiciones de los ejes y si los valores son brutos o eficaces. Para secciones asimétricas, debe identificar el centroide, la orientación de los ejes principales cuando sea pertinente y los módulos resistentes de los lados sometidos a compresión y tracción para la dirección del momento especificada.

Los valores nominales y los límites de aceptación tienen propósitos distintos. Un modelo nominal describe el perfil previsto; una evaluación de tolerancias considera el intervalo de formas terminadas aceptables. La combinación más desfavorable no siempre corresponde a la menor dimensión total: un cambio en el ángulo del labio o en la posición del ala puede influir en la rigidez y la restricción frente al pandeo sin producir la menor área. Las combinaciones de tolerancias deben evaluarse con la especificación aplicable y los límites de fabricación realistas.

Por último, compare elementos equivalentes. Un certificado de laminación de la banda inicial permite identificar el material suministrado, mientras que un levantamiento dimensional de la sección terminada establece la geometría posterior al conformado. Ninguno de los dos documentos, por sí solo, demuestra la resistencia del elemento. La conclusión de diseño se obtiene combinando las propiedades aplicables del material, la geometría terminada, las condiciones de conexión y restricción, y las disposiciones de la norma estructural seleccionada.