Resistencia a momento de uniones soldadas de acero de viga con sección abierta en el eje fuerte.

Este informe fue elaborado en el marco de la colaboración entre ISISE (Instituto de Sostenibilidad e Innovación en Ingeniería Estructural) en la Universidad de Coimbra e IDEA StatiCa. Este proyecto fue financiado conjuntamente por ambas entidades y sus autores son:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Resumen

Este informe presenta un análisis exhaustivo de uniones soldadas de acero viga-columna con especial énfasis en el alma de la columna en cortante utilizando modelos 3D-FEM debidamente validados y de alta calidad. El estudio incluye uniones soldadas resistentes a momento de viga-columna de sección abierta con y sin rigidizadores transversales, incluyendo uniones unilaterales y bilaterales ubicadas ya sea en plantas intermedias (interiores) o en la última planta (cubierta), y en uniones interiores con diferentes niveles de carga axial de columna. El estudio incluye una amplia gama de situaciones en términos de esbeltez de columna, relación de aspecto de la articulación, configuración de articulación, rigidizadores, fuerza axial y relación de momento (en articulaciones bilaterales). También se consideran aspectos relacionados con FE, como el modelo de material, tipo de análisis, densidad de malla, imperfecciones iniciales, etc.

Este estudio incluye un año de trabajo en las siguientes áreas:

1. La lista de archivos incluye casos con 30%, 50% y 70% de carga axial.
2. Las clases de acero incluyen S235, S275 y S355.
3. Se discuten columnas laminadas, columnas soldadas a inglete y a tope.
4. Se incluyó un estudio extenso sobre las diferencias entre GMNA y MNA.
5. Se incluyó un estudio completo sobre el efecto de la ley constitutiva del material.
6. Se estudia el efecto de las soldaduras en ángulo en el comportamiento de la unión.

Objetivos

El objetivo de este estudio es evaluar la resistencia de las uniones soldadas en eje fuerte contra momento flector en configuraciones viga-columna unilaterales y bilaterales con barras de sección abierta (vigas y columnas), incluyendo el efecto de rigidizadores transversales, utilizando: i) reglas de diseño europeas, ii) método de elementos finitos (elementos sólidos 3D) y iii) IDEA StatiCa; y comparar los resultados obtenidos por cada método.

Metodología

1. Evaluar la resistencia de diseño del elemento panel de alma para una amplia gama de uniones soldadas viga-columna utilizando modelos FEM 3D de alta calidad, que luego se utilizarán como casos de referencia.
2. Comparar la resistencia de la unión con modelos CBFE (IDEA StatiCa) basados en elementos shell.
3. Discutir la posibilidad de mejorar las características y opciones por defecto que ofrece IDEA StatiCa para asegurar la obtención de un valor de resistencia realista y seguro.
4. Comparar la resistencia de las uniones con los resultados obtenidos de las expresiones de diseño indicadas en el Eurocódigo 3, versión actual y en preparación.
5. Evaluar las diferencias en la resistencia a momento que surgieron basándose en el criterio del 5% de deformación plástica equivalente, que IDEA StatiCa adoptó para definir la "resistencia de diseño" en la curva momento-rotación, frente a otros criterios comunes (como la relajación de la rigidez secante a 1/3 de la rigidez inicial).

Cuestiones tratadas

• ¿Cuál es la dispersión de los resultados?
• ¿Cuál es el efecto de diferentes parámetros (esbeltez, relación de aspecto, relación de momentos flectores, rigidizadores transversales, fuerza axial, etc.) en estos resultados?
• ¿Qué efecto tienen los componentes del ala de la columna en estos resultados?

Exclusiones

No se realiza la evaluación de la confiabilidad de los resultados del programa, ya que está fuera del alcance de este estudio.

Resumen de conclusiones

Del análisis de los resultados del programa Abaqus surgieron las siguientes conclusiones:

1. En cuanto al criterio del 5% de deformación plástica equivalente, se demostró que para este tipo de unión da resultados de resistencia similares a los resultados obtenidos del mismo modelo numérico con reducción de la rigidez secante a 1/3 de la rigidez original.
2. Las imperfecciones iniciales juegan un papel menor en el comportamiento de las uniones analizadas, sin embargo, la no linealidad geométrica (análisis de 2º orden) debe ser incluida, especialmente en casos donde hay carga axial presente.
3. La inclusión del endurecimiento por deformación lleva a un pequeño aumento promedio de la resistencia del 4%, pero tiene un gran efecto, en promedio aproximadamente 44%, en la rotación de la articulación.

Las siguientes observaciones son relevantes para la implementación en el programa IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa con la malla por defecto del programa (versión 23.1) y MNA (análisis no lineal de material) proporciona resistencias que son mayores que las resistencias obtenidas usando el programa Abaqus. En promedio 6% mayor para columnas laminadas con soldaduras a tope y aproximadamente 11% para columnas soldadas con soldaduras a tope o en ángulo. Para columnas laminadas con soldaduras en ángulo, los resultados son en promedio idénticos a los resultados del programa Abaqus. Las desviaciones máximas observadas para un caso individual son 22% (columnas laminadas con soldaduras a tope) y 53% (columnas soldadas con soldaduras a tope).
   IDEAStatiCa comentario: Esta situación se corrige con dos cambios realizados en la versión 25.0:
   -Análisis geométricamente no lineal
   -Área de apoyo de soldaduras - reducida para soldaduras a tope, es decir, la resistencia de columnas soldadas a tope se reduce.
   
2. IDEA StatiCa con malla refinada (tamaño de la mitad de la malla por defecto) y GMNA (análisis geométricamente y materialmente no lineal) proporciona resistencias que están en buena concordancia (en promedio en el rango de ±5%) con los resultados de Abaqus. Las desviaciones máximas encontradas para casos individuales son 15% (columnas laminadas con soldaduras a tope), 5% (columnas laminadas con soldaduras en ángulo), 27% (columnas soldadas con soldaduras a tope) y 14% (columnas soldadas con soldaduras en ángulo).
   IDEAStatiCa comentario: Después de los cambios mencionados en el punto anterior, ya no es necesario reducir la malla a la mitad.
   
3. El efecto de las imperfecciones iniciales fue investigado para uniones interiores unilaterales y se encontró que es despreciable.
   Comentario IDEAStatiCa: Esto significa que GMNA es suficiente y GMNIA no es necesario para el rango de uniones estudiado .
   
4. El análisis puramente no lineal del material sin efectos de^2º orden conduce a resultados no conservadores en caso de fuerza axial en la columna. Por lo tanto, se recomienda que el análisis geométricamente no lineal sea activado por defecto en el programa.
   IDEAStatiCa comentario: En la versión 25.0 está disponible el análisis geométricamente no lineal para cada unión. En la corrección en preparación se incluirá una advertencia.
   
5. El tamaño de la malla juega un papel crucial en la precisión de los resultados. Un enfoque potencial para estimar el valor convergente podría basarse en un proceso automatizado que divida a la mitad el tamaño de la malla y aplique la extrapolación de Richardson a la resistencia a momento obtenida con ambos valores.
   IDEAStatiCa comentario: La extrapolación de Richardson es posible al determinar las resistencias de carga. Sin embargo, no es posible en controles de cumple/no cumple. Gracias a los cambios mencionados anteriormente en la versión 25.0, la malla por defecto ya proporciona resultados suficientemente precisos.
6. El modelo de material implementado por la aplicación IDEA StatiCa (con pendiente de endurecimiento por deformación E/1000) conduce en promedio a un aumento del 3% en la resistencia a momento en comparación con los resultados obtenidos con material elástico perfectamente plástico.

Puede leer el informe completo en el anexo.

Descargas archivos adjuntos

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)