Las conexiones analizadas en el complemento conexiones de acero utilizan un modelo de elementos finitos sustituto de conexión de acero ("submodelo") para el dimensionamiento. Este modelo se crea según la topología de la conexión. Componentes de dimensionamiento individuales como placas, soldaduras o tornillos se representan en este modelo mediante objetos básicos de elementos finitos, como superficies o barras, que se complementan con objetos especiales como contactos de superficie o acoplamientos rígidos. Este enfoque permite comparar el comportamiento de los componentes básicos con las fórmulas analíticas de las normas de dimensionamiento. Con este "submodelo" se pueden analizar la capacidad de carga y la resistencia al pandeo, así como la rigidez y la capacidad de deformación de la conexión.
Las dimensiones del submodelo se determinan proporcionalmente al tamaño de la sección transversal de las barras conectadas. Las barras modeladas con superficies 2D se extienden axialmente en un múltiplo de la dimensión más grande de la sección transversal más allá de los componentes de conexión. Este factor es por defecto 1.5, pero puede ajustarse en la Configuración de capacidad de carga. La referencia para la distancia es el componente más alejado de la conexión.
En el submodelo, el extremo de una barra conectada se apoya rígidamente según las configuraciones del usuario o se carga con una carga sustituta calculada en el modelo global. Las cargas en los extremos de las barras se basan en las fuerzas internas del modelo completo bajo consideración de las configuraciones respectivas para el análisis estático y se ajustan para que su efecto corresponda a las fuerzas internas en el componente relevante en el nodo al que está asignada la conexión. Los extremos de la barra se refuerzan con una superficie rígida para evitar la deformación de la sección y evitar concentraciones de esfuerzo en el nodo cargado o apoyado.
Por defecto, el modelo de elementos finitos sustituto de conexión de acero utiliza el análisis lineal geométrico junto con un modelo de material no lineal para calcular la capacidad de carga. Para el análisis de las no linealidades del modelo se aplica el método iterativo de Newton-Raphson. El análisis no lineal de segundo orden (P-Δ) se emplea como configuración estándar para el análisis estructural en la evaluación del pandeo, mientras que para el análisis de estabilidad se utiliza el método de valores propios lineales. Se puede encontrar más información en el capítulo Configuraciones para el análisis estático del manual de RFEM.
Si en el análisis estático del modelo principal se considera la teoría de segundo o tercer orden, pueden surgir inconsistencias entre el modelo principal (equilibrio en el sistema deformado) y el submodelo (fuerzas en el submodelo no deformado). En sistemas estructurales típicos, este efecto debería ser despreciable.
@material-model@ == Modelo de Material ==
Las superficies que representan láminas y placas insertadas en el submodelo tienen un espesor uniforme y están sujetas a un modelo de material plásticamente isotrópico. La hipótesis de falla de tensión se basa en el criterio de fluencia de von Mises. Se utiliza un diagrama bilineal, según el cual el material se deforma elásticamente bajo el módulo de elasticidad del acero hasta alcanzar el límite de fluencia. En la fase plástica posterior, el módulo plástico es 1/1000 del módulo de elasticidad.
El criterio para determinar la resistencia límite corresponde a un alargamiento plástico von Mises equivalente del 5 %. Este valor se recomienda, pero puede ajustarse en la Configuración de capacidad de carga. Esto permite utilizar el comportamiento plástico del acero y la redistribución de esfuerzos en la conexión. Esto se aproxima al comportamiento real de una conexión de acero.
Barras y placas
Para modelar placas planas y placas insertadas se utiliza el tipo de geometría Plano y el tipo de rigidez Estándar. Las superficies tienen un espesor uniforme y están provistas de un modelo de material plásticamente isotrópico, descrito en la sección Modelo de Material. Las superficies son objetos 2D que se encuentran en los planos medios de las láminas. Si las láminas individuales que representan la barra no se pueden conectar directamente a lo largo de sus líneas de delimitación, se establece una conexión con acoplamientos rígidos. El tipo de acoplamiento "Línea a línea" conecta la línea de delimitación de la lámina conectada con la línea integrada creada en la lámina a la que está conectada. Este tipo de conexión se usa, por ejemplo, para perfiles en I.
Las barras o partes de ellas hechas de superficies no planas, como perfiles huecos circulares o perfiles huecos rectangulares redondeados, se modelan segmentando la sección curva como superficies planas más pequeñas. Estas superficies tienen las mismas propiedades que las superficies utilizadas para láminas planas. El grado de segmentación puede ajustarse por el usuario en la Configuración de capacidad de carga.
@mesh@ == Malla ==
Las configuraciones de malla para todas las superficies permiten elementos finitos triangulares y cuadrangulares con la opción "Generar cuadrados iguales donde sea posible".
Las láminas de cada barra tienen el mismo tamaño de elemento de malla. Las dimensiones mínimas y máximas del elemento están configuradas por defecto. El tamaño de un elemento se deriva del tamaño de la sección transversal de la barra. Por defecto, el lado más largo de la sección se divide en ocho partes. La configuración de malla de las placas insertadas se maneja por separado: el tamaño del elemento de malla se deriva del lado más largo de la placa. Para una placa sin tornillos, se crean por defecto ocho elementos en el lado más largo, para una placa atornillada se crean por defecto 16 elementos.
En el área de los tornillos se aplica una malla de nodos circular a las superficies de las láminas atornilladas. Para esta malla de nodos circular es posible establecer el radio como un múltiplo del radio del agujero del tornillo, así como configurar el número de elementos alrededor del borde del agujero.
Para la superficie sustituta del cordón de soldadura, se puede configurar el número máximo de elementos a lo largo de la longitud de la soldadura, así como el tamaño mínimo y máximo de los elementos.
Los nodos de malla se conectan mediante Acoplamientos Rígidos y Contactos de Superficies con líneas o superficies conectadas. Esto afecta a la malla de la superficie conectada, así que su discretización no es completamente independiente.
@bolts@ == Tornillos ==
El modelo de tornillos consiste en un sistema de barras, superficies y contactos de superficies que representan las partes individuales del tornillo, el vástago, la cabeza y la tuerca. Para cada tornillo se genera automáticamente un taladro en las chapas atornilladas.
El taladro se llena con barras dispuestas radialmente que se denominan "radios". Estas barras del tipo "viga" se utilizan para transferir la fuerza cortante entre el vástago del tornillo y la chapa. El número de estas barras se ve afectado por la configuración de la malla y corresponde al número de elementos en el borde del agujero. La sección de estas barras es un "rectángulo sólido", cuyas dimensiones se ven influenciadas por la cantidad de barras y las dimensiones de las láminas atornilladas, y corresponden al área de la sección del vástago en el soporte.
Un empalme de barra se asigna a los nodos donde los radios se conectan con la chapa. Cada empalme se configura para que las barras no refuercen el agujero en la chapa y solo transfieran la fuerza cortante entre la chapa y el tornillo.
Los elementos de los radios presentan una no linealidad de tipo "Fallo por tracción", para que solo actúe la parte comprimida del tornillo. Se les asigna un material isotrópico linealmente elástico que corresponde al acero en estado elástico.
El modelo de la cabeza del tornillo y la tuerca utiliza también una serie de barras radiales ("radios"), ya que se refiere al agujero de la chapa atornillada. Estos radios, sin embargo, difieren en sus dimensiones de sección transversal, de modo que representan la altura de la cabeza del tornillo o de la tuerca. Además, no se asignan ni empalmes en los extremos de las barras ni una no linealidad de fallo. Este conjunto de radios se extiende mediante una superficie anular que se conecta con los radios dispuestos radialmente. A la superficie se le asignan el tipo de geometría "Plano" y el tipo de rigidez "Estándar", con un espesor uniforme que corresponde a la altura de la cabeza del perno o de la tuerca.
Los centros del sistema radial de barras, que representan la cabeza del perno, el vástago del tornillo en el agujero y la tuerca del tornillo, están conectados por una barra que representa la cabeza del tornillo y la rosca. Se le asigna el tipo de barra "viga" y se le denomina como "vástago". El vástago tiene una sección transversal circular cuya área corresponde a la sección de tensión del tornillo. El material de la sección transversal es isotrópicamente lineal elástico.
El tipo de barra "Rigidez" se utiliza en la sección entre las chapas atornilladas. La matriz de rigidez corresponde a la barra utilizada entre la cabeza del tornillo (o la tuerca) y la chapa atornillada; la única diferencia es la rigidez a flexión, que se incrementa significativamente. Si no se ajustara la rigidez, se produciría una flexión físicamente irreal del tornillo en el punto donde las fuerzas se transfieren exclusivamente mediante cizalladura. El comportamiento plástico de esta parte del vástago del tornillo se representa mediante un empalme de barra del tipo de no linealidad "Diagrama" en la interfaz de las chapas atornilladas.
Las fuerzas de compresión que surgen al contacto de las chapas atornilladas y entre éstas y la cabeza del tornillo o la tuerca, se transfieren mediante Contactos de Superficies. Se establecen entre la superficie del anillo de la cabeza y la superficie que representa la primera chapa atornillada, entre las chapas atornilladas que se tocan y entre la superficie que representa la última chapa atornillada y el anillo de la tuerca. El tipo de contacto de superficie se establece en "Fallo bajo tracción" en dirección normal a las superficies y en "Fricción rígida" en contacto paralelo a las superficies, donde el coeficiente de fricción se establece en un valor cercano a cero. Estos contactos permiten generar la fuerza de tracción correcta en el vástago del tornillo. La fuerza axial de cálculo y la fuerza transversal de cálculo, como resultado de las fuerzas internas de cizalladura en las direcciones y y z, se generan en el vástago entre las chapas atornilladas.
Los números en la imagen anterior indican los siguientes componentes:
| 1 | Vástago del tornillo — Barra del tipo "Rigidez" |
| 2 | Agujero del tornillo — Radios |
| 3 | Tuerca — Anillo de Superficie |
| 4 | Tuerca — Radios |
| 5 | Vástago del tornillo |
| 6 | Tuerca — Contacto de Superficie |
| 7 | Cabeza del tornillo — Contacto de Superficie |
| 8 | Cabeza del tornillo — Radios |
| 9 | Cabeza del tornillo — Anillo de Superficie |
Tornillos pretensados
La pretensión de los tornillos se aplica en el contexto de un caso de carga independiente en el submodelo. Este caso de carga pretensión de tornillo se considera luego como estado inicial para el caso de carga de dimensionamiento real. Según el factor de pretensión establecido en la Configuración de capacidad de carga (que por defecto según EN 1993-1-8 es de 0.7), la pretensión se aplica como una carga de barra sobre el vástago del tornillo en función de la resistencia a tracción.
@welds@ == Soldaduras ==
El modelo de las soldaduras a tope completamente penetrantes utiliza una conexión directa entre las chapas soldadas. Se implementa mediante acoplamientos rígidos del tipo "Línea a línea". Esta conexión se asemeja a la conexión entre las partes de sección de una barra (placas de barra). Este tipo de acoplamiento rígido utiliza las opciones "Distribución personalizada" e "Ignorar influencia de la distancia".
El modelo de las soldaduras de cordón también utiliza un sistema de acoplamientos rígidos (ver ➁ en la gráfica siguiente) y superficies de sustitución (ver ➀ en la gráfica siguiente) para la conexión de soldadura.
El tipo de acoplamiento rígido es "Línea a línea" con las opciones "Distribución personalizada" e "Ignorar influencia de la distancia", donde el borde de la chapa soldada se conecta con el borde de la superficie de soldadura de sustitución y el segundo borde de ésta con la chapa de referencia. La superficie de sustitución se encuentra a mitad de altura de la sección transversal triangular del cordón de soldadura. Esta altura se denomina "espesor del cuello" del cordón de soldadura. La superficie de sustitución del cordón tiene el tipo de rigidez "Estándar" y un espesor uniforme con dimensiones que corresponden al espesor del cuello de la soldadura. Se aplica un modelo de material ortótropo-plástico especialmente ajustado a los criterios de fallo.
El modelo de material de soldadura está configurado para corresponder al comportamiento de soldadura considerado en las normas. Esto significa que solo se presentan tensiones que correspondan a los componentes de tensión de soldadura σ⊥, τ⊥ y τ|| en la superficie de sustitución. En las demás direcciones de tensión, la rigidez de la superficie de sustitución es cercana a cero.
@buckling@ == Análisis de Pandeo ==
El enfoque del "modelo de elementos finitos sustituto de la conexión de acero" también es adecuado para evaluar el pandeo de láminas de acero mediante un análisis de elementos finitos de modelo de carcasa. Para este propósito, el modelo utilizado para el análisis estático se adapta de alguna manera, de modo que finalmente se aplica el "modelo de elementos finitos de pandeo de conexión de acero sustituto" (submodelo de pandeo").
Las configuraciones alteradas del "submodelo de pandeo" son las siguientes:
- Todos los materiales utilizados se consideran elásticos (material de barra y chapa, todas las partes del modelo de tornillo y la superficie de soldadura de sustitución).
El modelo se carga en los extremos mediante deformaciones impuestas de nodo en lugar de las fuerzas del modelo global estructural. Estas deformaciones corresponden a cargas nodales, pero su uso garantiza que las barras libres no afecten negativamente al resultado del análisis de estabilidad.
- Por defecto, el submodelo de pandeo utiliza el tipo de análisis "Segundo orden (P-Δ)" para el análisis estático y el "Método de valores propios (lineal)" con los cuatro valores propios más bajos para el análisis de estabilidad.
Después del cálculo, el modelo proporciona el número requerido de valores propios con el respectivo factor de carga crítico. Corresponde al usuario evaluar si la estabilidad de la conexión de acero es suficiente.
@stiffness-analysis@ == Análisis de Rigidez ==
Para determinar la rigidez de la conexión, se utilizan dos submodelos. Estos son el modelo principal Modelo de Elementos Finitos de Rigidez de Sustitución (Submodelo de Rigidez) — un modelo de carcasa detallado que, excepto por la carga y el soporte, es idéntico al submodelo utilizado para el análisis estático — y el Modelo de Elementos Finitos Auxiliar de Rigidez (Submodelo Auxiliar de Rigidez) que se utiliza para considerar los efectos de las deformaciones de las barras conectadas.
Los parámetros de diseño del "submodelo de rigidez" se gestionan en la Configuración de Análisis de Rigidez. Con esta configuración puede seleccionar el "Tipo de Análisis" (geométricamente lineal o P-Δ de segundo orden) así como definir el "Número Máximo de Iteraciones" y el "Número de Etapas de Carga". También puede controlar el tamaño del modelo y las configuraciones de malla, al igual que las configuraciones de capacidad de carga que se aplican al análisis de deformación de tensiones de la conexión. Otros parámetros del modelo también se heredan de la configuración de capacidad de carga.
Los componentes de carga que se aplican a ambos submodelos (submodelo de rigidez y submodelo auxiliar de rigidez) corresponden a las rigideces de junta que se van a investigar. La rigidez se analiza por separado para cada barra en la junta. La barra analizada se carga en el extremo con una carga de baja magnitud que corresponde a la dirección y tipo de la rigidez investigada S (SN+, SN-, SMy+, SMy-, SMz+, SMz-). Las otras barras en la conexión se soportan rígidamente en sus extremos. La magnitud de la carga para determinar la "rigidez inicial" depende de las dimensiones de cada barra conectada.
Tras realizar el cálculo, se utiliza el submodelo de rigidez para determinar la deformación (rotación o desplazamiento) en el extremo de cada barra analizada. De esta deformación se resta la deformación obtenida del submodelo auxiliar de rigidez, para considerar la rigidez de las barras conectadas. El resultado es la rigidez de la conexión calculada a partir de la carga y la deformación. En función de esta rigidez, las conexiones pueden clasificarse como "articuladas", "flexibles" o "rígidas para la flexión".