Introducción general al diseño estructural de uniones de acero

Introducción

Los ingenieros prefieren los elementos tipo barra al diseñar estructuras de acero. Sin embargo, existen muchas ubicaciones en la estructura donde la teoría de elementos no es válida, por ejemplo, uniones soldadas, uniones atornilladas, cimentaciones, aberturas en muros, altura variable de la sección transversal y cargas puntuales. El análisis estructural en dichas ubicaciones es complejo y requiere especial atención. El comportamiento es no lineal y las no linealidades deben tenerse en cuenta, por ejemplo, la plastificación del material de las chapas, el contacto entre placas de testa o placa base y el bloque de hormigón, las acciones unilaterales de los tornillos y anclajes, y las soldaduras. Los códigos de diseño, como EN1993-1-8, así como la bibliografía técnica, ofrecen métodos de solución ingenieril. Su característica general es que están derivados para geometrías estructurales típicas y cargas simples. El método de los componentes se utiliza con mucha frecuencia.

Método de los componentes

El método de los componentes (MC) resuelve la junta como un sistema de elementos interconectados: los componentes. El modelo correspondiente se construye para cada tipo de junta con el fin de determinar las fuerzas y tensiones en cada componente, tal como se muestra en la figura siguiente.

Los componentes de una junta con placas de testa atornilladas modelados mediante muelles

Cada componente se verifica por separado mediante las fórmulas correspondientes. Dado que debe crearse un modelo específico para cada tipo de junta, el uso del método tiene limitaciones al resolver juntas de geometría general y cargas generales.

IDEA StatiCa, junto con el equipo del Departamento de Estructuras de Acero y Madera de la Facultad de Ingeniería Civil de Praga y el Instituto de Estructuras Metálicas y de Madera de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Tecnológica de Brno, desarrolló un método para el diseño avanzado de uniones estructurales de acero.

Modelo de Elementos Finitos Basado en Componentes (CBFEM) es:

• Suficientemente general para ser aplicable a la mayoría de las uniones, cimentaciones y detalles en la práctica ingenieril.
• Suficientemente sencillo y rápido en la práctica diaria para proporcionar resultados en un tiempo comparable al de los métodos y herramientas actuales.
• Suficientemente completo para proporcionar al ingeniero estructural información clara sobre el comportamiento de la junta, las tensiones, las deformaciones y las reservas de los componentes individuales, así como sobre la seguridad y fiabilidad globales.

El método CBFEM se basa en la idea de que deben conservarse la mayor parte de las partes verificadas y de gran utilidad del MC. El punto débil del MC —su generalidad al analizar las tensiones de los componentes individuales— fue sustituido por el modelado y análisis mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF).

El MEF es un método general ampliamente utilizado para el análisis estructural. El uso del MEF para el modelado de uniones de cualquier geometría parece ser ideal (Virdi, 1999). Se requiere un análisis elastoplástico, ya que el acero habitualmente plastifica en la estructura. De hecho, los resultados del análisis lineal no son útiles para el diseño de uniones.

Los modelos de MEF se utilizan con fines de investigación del comportamiento de las uniones, empleando generalmente elementos espaciales y valores medidos de las propiedades del material.

Modelo de MEF de una junta para investigación. Utiliza elementos espaciales 3D tanto para las chapas como para los tornillos

Tanto las almas como los patines de los elementos conectados se modelan mediante elementos lámina en el modelo CBFEM, para los cuales se dispone de una solución conocida y verificada.

Los elementos de fijación —tornillos y soldaduras— son los más complejos desde el punto de vista del modelo de análisis. El modelado de dichos elementos en programas generales de MEF es difícil, ya que estos programas no ofrecen las propiedades requeridas. Por ello, fue necesario desarrollar componentes especiales de MEF para modelar el comportamiento de las soldaduras y los tornillos en una junta.

Modelo CBFEM de una unión atornillada con placas de testa

Las juntas de los elementos se modelan como puntos sin masa al analizar una estructura de pórtico o viga de acero. Las ecuaciones de equilibrio se ensamblan en las juntas y las fuerzas internas en los extremos de las barras se determinan tras resolver la estructura completa. En la práctica, la junta está cargada por dichas fuerzas. La resultante de las fuerzas de todos los elementos en la junta es cero: la junta completa está en equilibrio.

La geometría real de una junta no se conoce en el modelo estructural. El ingeniero solo define si la junta se considera rígida o articulada.

Es necesario crear un modelo fiable de la junta que respete el estado real para diseñarla correctamente. En el método CBFEM se utilizan los extremos de los elementos con una longitud de 2 a 3 veces la altura máxima de la sección transversal. Estos segmentos se modelan mediante elementos lámina.

Una junta teórica (sin masa) y la geometría real de la junta sin extremos de elemento modificados

Para mejorar la precisión del modelo CBFEM, las fuerzas en los extremos de los elementos 1D se aplican como cargas en los extremos del segmento. Los sextetos de fuerzas de la junta teórica se transfieren al extremo del segmento: los valores de las fuerzas se mantienen, pero los momentos se modifican por la acción de las fuerzas en los brazos correspondientes.

Los extremos del segmento en la junta no están conectados. La unión debe modelarse. En el método CBFEM se utilizan las denominadas operaciones de fabricación para modelar la unión. Las operaciones de fabricación son, en particular: cortes, desplazamientos, agujeros, rigidizadores, nervios, placas de testa y empalmes, angulares de unión, placas de unión y otras. También se añaden los elementos de fijación (soldaduras y tornillos).

IDEA StatiCa Connection puede realizar dos tipos de análisis:

1. Análisis geométricamente lineal con no linealidades de material y contacto para el análisis de tensiones y deformaciones,
2. Análisis de valores propios para determinar la posibilidad de pandeo.

En el caso de las uniones, el análisis geométricamente no lineal no es necesario a menos que las chapas sean muy esbeltas. La esbeltez de las chapas puede determinarse mediante el análisis de valores propios (pandeo). Para la esbeltez límite a partir de la cual el análisis geométricamente lineal sigue siendo suficiente, véase el Capítulo 3.9. El análisis geométricamente no lineal no está implementado en el software.