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2024-09-18

Efecto de palanca en conexiones de alas de secciones huecas circulares

Este artículo analiza y compara el efecto de palanca en tres tipos de conexiones: una conexión con ala de anillo, una chapa frontal (pletina) circular y un ala de anillo rigidizada con cartelas.

Algunos de nuestros artículos recientes de la base de conocimientos se han centrado en el modelado de barras con secciones huecas circulares y sus conexiones utilizando RFEM 6 y el complemento Uniones de acero correspondiente. Dos de estos, a saber, el 1887 y el 1899, le han mostrado cómo modelar algunas de estas conexiones.

El primer artículo mostró cómo modelar una conexión de chapa frontal simple de dos elementos con secciones huecas circulares (es decir, una conexión con un ala de anillo), mientras que el segundo muestra cómo modelar las mismas conexiones, pero rigidizadas con nervios. En la imagen 1, se muestran ambas conexiones, la primera en a) y la última en b).

Sin embargo, al modelar y diseñar tales uniones, debemos considerar algunos aspectos importantes que podrían afectar su rendimiento. Uno de ellos es el efecto palanca de los medios de fijación debido a las fuerzas de tracción. Esta fuerza es causada por la flexión de la chapa frontal y puede conducir a un aumento de la tensión del perno y deformaciones plásticas. Las uniones mencionadas anteriormente son ejemplos de uniones de acero que son susceptibles a este efecto de palanca, ya que son uniones con una chapa frontal donde los pernos están fuera de la sección conectada.

El complemento Uniones de acero de Dlubal puede capturar con precisión el efecto de palanca e incluirlo en los resultados del modelo numérico (es decir, los esfuerzos en los pernos, la deformación plástica de las placas conectadas y la deformación general de la conexión). Por lo tanto, sería interesante investigar y comparar este efecto en las uniones de alas mencionadas anteriormente, como se hará en este artículo.

Pero primero veamos cómo se aborda este problema en los códigos de diseño; más específicamente, en el Eurocódigo 3, parte 1-8:Uniones [1]. Según el Eurocódigo 3, parte 1-8: Uniones apartado 6) de 6.2.4.1, en los casos en que puedan ocurrir fuerzas de palanca, la resistencia de cálculo a tracción de un ala de un casquillo en T se debería tomar como el valor más pequeño para los tres modos de fallo posibles:

  • Modo 1: Plastificación completa del ala
  • Modo 2: Fallo de los tornillos con plastificación del ala
  • Modo 3: Fallo de los tornillos

Cada uno de estos modos se detalla en la tabla 6.2 del Eurocódigo 3 [1]. Una breve descripción del concepto se da en la Imagen 2, donde:

Q Fuerza de palanca, es decir, la fuerza de contacto que puede ocurrir entre el borde libre y la fila de tornillos, aplicada como la resultante de la presión superficial en el espacio de contacto en el punto de contorno del ala del casquillo
FT,Rd Resistencia de cálculo a tracción de un ala con casquillo en T
dw Diámetro de la arandela, o la anchura entre puntos de la cabeza del tornillo o tuerca, según sea relevante
n, m Distancias como se indica en la figura

Antes de continuar, también necesitamos determinar qué factores influyen en el efecto de palanca. Estos serían la distancia del perno desde la sección, la rigidez y geometría de la chapa frontal, la deformación de los tornillos y la solución de soldadura.

Con estos antecedentes, ahora podemos considerar el efecto palanca en las dos variantes de las conexiones del ala del perfil CHS mencionadas al principio de este texto. Para ampliar la consideración del tema, les agregamos otra variante: es decir, también consideraremos el efecto de palanca en una chapa frontal completa sin ninguna abertura, como se muestra en la Imagen 3.

Como se mencionó anteriormente, el complemento Uniones de acero de Dlubal puede capturar de forma realista el efecto de palanca e incluirlo en los resultados del modelo numérico. Por lo tanto, podemos crear estas conexiones (imágenes 4, 5 y 6) en RFEM 6 y someter el modelo a una fuerza de tracción de 300 kN, como se muestra en la imagen 7.




Luego, podemos ejecutar el cálculo y obtener los esfuerzos en los tornillos como se muestra en la Imagen 8.

Para comparar el comportamiento de las tres variantes, se utilizan los coeficientes del efecto palanca, que se expresan como la relación entre la fuerza total en los tornillos y la fuerza aplicada. Una vez que se ha determinado el primero como se muestra en la Imagen 8, el efecto de palanca para cada una de las variantes se puede calcular fácilmente, como se muestra en la Tabla 1.

Variante Esfuerzo de tracción aplicado [kN] Fuerza total del perno [kN] kRFEM,1
1. Ala de anillo 300 515,3 1,72
  1. 2. Chapa frontal completa
300 423,8 1,41
  1. 3. Ala de anillo rigidizada
300 300 1

Los coeficientes de palanca determinados en la tabla 01 muestran claramente que la palanca es mayor en la unión cuando se utilizan alas de anillo. También podemos ver que una chapa frontal sin abertura proporciona algo de alivio, mientras que los rigidizadores alivian de forma fiable los tornillos de las fuerzas de palanca y reducen la deformación plástica de la chapa frontal. Como ya hemos determinado qué parámetros afectan al efecto palanca, podemos concluir que para reducir/eliminar este efecto, se necesitaría una chapa frontal gruesa y diámetros de tornillos más grandes para la primera variante cuando se usan alas de anillo.

Por otro lado, la chapa frontal con el ala de anillo rigidizada (es decir, la variante 3) seguiría siendo más delgada, pero debemos considerar que los rigidizadores tendrían que soldarse, lo que aumenta el coste de la unión. Si el efecto de palanca es pequeño, puede que no valga la pena soldar los rigidizadores. Sin embargo, si este efecto es significativo, puede que no haya otra opción que reforzar la unión. Dado que ambos escenarios tienen un impacto en los costes de producción, debemos poder elegir la solución óptima para minimizarlos manteniendo el buen rendimiento de la unión.

Conclusión

El diseño óptimo de las uniones juega un papel importante en el diseño de estructuras de acero. Por lo tanto, es crucial comprender y considerar cuidadosamente los aspectos relevantes para el diseño de las conexiones en estas estructuras. El efecto palanca es uno de los fenómenos nocivos que no se pueden pasar por alto al diseñar uniones atornilladas. En la mayoría de los casos, en los tipos de uniones que son propensos a hacer palanca, como los que se analizan en este artículo, los parámetros como el espesor de la chapa, el número y diámetro de los tornillos, etc., están determinados por este efecto. Esto se debe a que estos parámetros afectan al efecto palanca y se deben elegir de tal manera que, por un lado, reduzcan este efecto, pero por otro lado, también contribuyan al diseño óptimo de la unión (por ejemplo, en términos de coste de producción).


Autor

La Sra. Kirova es responsable de la creación de artículos técnicos y proporciona soporte técnico a los clientes de Dlubal.

Referencias
  1. EN 1993-1-8 Diseño de estructuras de acero - Parte 1-8: Cálculo de uniones. (2010). Berlín: Beuth Verlag GmbH


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