Módulo de Aprendizaje 6: Verificación
El diseño de uniones puede ser difícil de enseñar, dada la naturaleza detallada del tema y el comportamiento fundamentalmente tridimensional de la mayoría de las uniones. Sin embargo, las uniones son de importancia crítica, y las lecciones aprendidas en el estudio del diseño de uniones, incluyendo la trayectoria de cargas y la identificación y evaluación de los modos de fallo, son de carácter general y aplicables al diseño estructural en sentido amplio. IDEA StatiCa utiliza un riguroso modelo de análisis no lineal y dispone de una interfaz de fácil uso con una visualización tridimensional de resultados (p. ej., forma deformada, tensión, deformación plástica), por lo que resulta especialmente adecuado para explorar el comportamiento de las uniones de acero estructural. Aprovechando estos puntos fuertes, se desarrolló un conjunto de ejercicios guiados que utilizan IDEA StatiCa como laboratorio virtual para ayudar a los estudiantes a aprender conceptos sobre el comportamiento y el diseño de uniones de acero estructural. Estos módulos de aprendizaje estaban dirigidos principalmente a estudiantes avanzados de grado y posgrado, pero también se adaptaron para ingenieros en ejercicio. Los módulos de aprendizaje fueron desarrollados por el Profesor Asociado Mark D. Denavit de la Universidad de Tennessee, Knoxville.
Objetivo de Aprendizaje
Tras realizar este ejercicio, el alumno deberá ser capaz de comparar los resultados de IDEA StatiCa con los métodos tradicionales basados en la Especificación AISC.
Antecedentes
El uso de herramientas de software desarrolladas por terceros es una necesidad práctica en el ejercicio de la ingeniería. Sin embargo, al firmar un conjunto de planos, el ingeniero asume la responsabilidad personal del diseño. Incluso en la situación ideal en la que el ingeniero utiliza el software para informar su criterio, y no para sustituirlo, debe confiar en esas herramientas de software para obtener resultados que sean informativos. Para las simulaciones computacionales, la verificación y la validación son los métodos principales para construir y cuantificar esta confianza (Oberkampf et al. 2002).
La verificación se refiere al proceso de determinar que la implementación de un modelo representa con precisión la descripción conceptual del modelo por parte del desarrollador y la solución al modelo. La validación se refiere al proceso de determinar el grado en que un modelo es una representación precisa del mundo real desde la perspectiva de los usos previstos del modelo.
Relaciones entre la realidad, un modelo conceptual y un modelo informatizado (SCS Technical Committee on Model Credibility 1979)
Para IDEA StatiCa, el uso previsto del modelo de elementos finitos basado en componentes (CBFEM) es como un cálculo de diseño numérico para determinar si una unión cumple con las normativas y es segura, no necesariamente para producir resultados lo más cercanos posible al comportamiento esperado de la unión. Se incorporan factores de seguridad y se tolera el conservadurismo. Dado que las hipótesis de diseño que forman el modelo conceptual de IDEA StatiCa se basan en normativas de diseño como la Especificación AISC (AISC 2022), la verificación de IDEA StatiCa incluye comparaciones con la Especificación AISC. La verificación también incluye otras comparaciones para garantizar que el modelo de elementos finitos exhibe correctamente la mecánica asumida de las uniones. La validación de IDEA StatiCa incluye la comparación con resultados de ensayos físicos.
Dado que IDEA StatiCa y la Especificación AISC tienen el mismo propósito, puede realizarse una comparación directa examinando las cargas máximas que cada método permite aplicar a una unión particular. En esta comparación, la determinación de las cargas aplicadas máximas debe realizarse utilizando los procedimientos y configuraciones que emplearía un ingeniero en la práctica. La comparación de IDEA StatiCa con resultados experimentales para la validación es menos directa y normalmente implica la eliminación de los factores de seguridad y el uso de propiedades materiales y geométricas medidas en IDEA StatiCa.
Como empresa de software, IDEA StatiCa realiza una extensa verificación y validación de su software, tal como se documenta en su sitio web y en libros (Wald et al. 2020, Denavit et al. 2024). Sin embargo, el usuario también puede realizar verificación y validación. Hacerlo ayuda a generar confianza en el software, conocimiento sobre CBFEM, y puede profundizar la comprensión de la resistencia y el comportamiento de las uniones.
El proceso de verificación es análogo a la ejecución del método científico con la hipótesis de que el modelo produce resultados correctos y la necesidad de probar dicha hipótesis mediante un experimento (virtual). Como en cualquier experimento, el diseño de la investigación es fundamental para que el experimento sea lo más concluyente posible. Deben evaluarse casos exigentes, pero a menudo es mejor comenzar con casos más sencillos.
Este ejercicio guía al alumno a través de la verificación de IDEA StatiCa en comparación con la Especificación AISC para uniones que tienen tornillos en combinación con soldaduras. Los requisitos para tornillos en combinación con soldaduras se recogen en la Sección J1.8 de la Especificación AISC. Esta sección incluye un requisito general: "Los tornillos no se considerarán como elementos que comparten la carga en combinación con las soldaduras, excepto en el diseño de uniones a cortante en una superficie de contacto común donde se considere la compatibilidad de deformaciones entre los tornillos y las soldaduras." La sección también incluye un método admisible para considerar la compatibilidad de deformaciones para una clase específica de uniones y la declaración "En uniones con tornillos y soldaduras longitudinales combinados, la resistencia de la unión no necesita tomarse como inferior a la resistencia de los tornillos solos o a la resistencia de las soldaduras solas."
Tal como se describe en el comentario de la Especificación AISC, la complicación al combinar tornillos y soldaduras es que no alcanzan su resistencia última al mismo nivel de deformación.
Características representativas de carga frente a deformación (Kulak y Grondin 2003)
El pretensado de los tornillos aumenta la rigidez de la unión, lo que permite una distribución de carga más eficaz entre los tornillos y las soldaduras. Por ello, el método admisible descrito en la Sección J1.8 de la Especificación AISC se aplica únicamente a uniones con tornillos pretensados.
Las verificaciones normativas de tornillos y soldaduras son independientes en IDEA StatiCa, sin ningún tratamiento especial para cuando los tornillos y las soldaduras comparten carga. Dado el modelado explícito de la rigidez de tornillos, soldaduras, elementos y elementos de conexión, la compatibilidad de deformaciones siempre se considera en IDEA StatiCa. Cuando los tornillos y las soldaduras comparten carga, la resistencia requerida de cada uno se basa en su rigidez relativa y la resistencia disponible se calcula de la manera habitual. La validez de este enfoque puede establecerse mediante comparación.
Unión
La unión examinada en este ejercicio empalma dos elementos de tracción de chapa. Se utilizan tornillos pretensados y soldaduras en combinación en todas las superficies de contacto. Se examinan diversas longitudes de soldadura. Por simplicidad, la longitud de soldadura solo se ajusta en el lado derecho de la unión de empalme. La unión fue diseñada de modo que la resistencia de los tornillos y las soldaduras controla sobre la del elemento y los elementos de conexión.
Procedimiento
El procedimiento para este ejercicio asume que el alumno tiene un conocimiento práctico de cómo utilizar IDEA StatiCa (p. ej., cómo navegar por el software, definir y editar operaciones, realizar análisis y consultar resultados). La orientación sobre cómo desarrollar dicho conocimiento está disponible en el centro de soporte de IDEA StatiCa.
Antes de comenzar el ejercicio, es útil revisar la Sección J1.8 de la Especificación AISC y el comentario asociado, así como la descripción de cómo IDEA StatiCa gestiona los tornillos en combinación con soldaduras en esta entrada del catálogo.
Recupere el archivo de IDEA StatiCa para la unión de ejemplo proporcionada con este ejercicio. Abra el archivo en IDEA StatiCa Connection. Para realizar el ejercicio, siga la narrativa, complete las tareas y responda las preguntas.
Examine la unión solo con tornillos.
Examine la unión solo con soldaduras (L = 6 in.).
Examine la unión con tornillos y soldaduras (L = 6 in.).
La verificación debe realizarse sobre un rango de parámetros. La resistencia relativa de los tornillos y las soldaduras es un parámetro importante para el método de combinación de resistencias de tornillos y soldaduras en la Especificación AISC. La resistencia relativa puede variarse ajustando la longitud de las soldaduras. Examine la unión con diversas longitudes de soldadura.
Más allá de las comparaciones, la verificación incluye el análisis de los datos para extraer conclusiones e identificar líneas de investigación adicionales.
Referencias
AISC. (2022). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AWS. (2020). Structural Welding Code—Steel. American Welding Society. Doral, Florida.
Denavit, M. D., Nassiri, A., Mahamid, M., Vild, M., Wald, F., and Sezen, H. (2024). Steel Connection Design by Inelastic Analysis. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
Kulak, G. L., and Grondin, G. Y. (2003). "Strength of Joints that Combine Bolts and Welds." AISC Engineering Journal, 40(2), 89–98.
Oberkampf, W. L., Trucano, T. G., and Hirsch, C. (2002). "Verification, Validation and Predictive Capability in Computational Engineering and Physics." Proceedings of the Foundations for Verification and Validation on the 21st Century Workshop, Laurel, Maryland, 1–74.
SCS Technical Committee on Model Credibility. (1979). "Terminology for model credibility." Simulation, SAGE Publications Ltd STM, 32(3), 103–104.
Wald, F., Šabatka, L., Bajer, M., Jehlička, P., Kabeláč, J., Kožich, M., Kuříková, M., and Vild, M. (2020). Component–Based Finite Element Design of Steel Connections. Czech Technical University in Prague.