Conexión de placas frontrales atornilladas y no rigidizadas

INTRODUCCIÓN

Este artículo proporciona orientación sobre el diseño de uniones resistentes a momentos de acuerdo con el Eurocódigo 3, centrándose específicamente en las conexiones atornilladas de placa terminal entre vigas y columnas en marcos de varios pisos. Hace referencia a secciones, figuras y tablas relevantes de EN 1993-1-8 y otros estándares aplicables según sea necesario.

ENFOQUE ANALÍTICO

El procedimiento analítico se toma de [1].

Configuración de la Unión

Diagrama de diseño de conexión de acero

Resistencia Equivalente del T-Stub

La resistencia de los T-stubs equivalentes se evalúa por separado para la placa terminal y el ala de la columna. Las resistencias se calculan para tres posibles modos de falla, y la resistencia se toma como el mínimo de los valores para estos tres modos.

La resistencia de diseño del ala del T-stub para cada uno de los modos se da a continuación.

Modos de fallo en uniones de acero

Los modos de falla se muestran a continuación:

Definición de Resistencia:

T-Stubs en la Zona de Tensión

FILA DE PERNOS 1 Ala de la columna en flexión (sin placa de respaldo) Considera la fila de pernos 1 actuando sola. Las dimensiones clave se muestran a continuación.

Zona de tracción en unión de viga en T invertida

Placa terminal en flexión

Vista general de dimensiones clave de T de tope

Resumen del cálculo de resistencia:

La resistencia de la fila de pernos 1 es el valor más pequeño de las resistencias mencionadas anteriormente. Por lo tanto, F_t,1,Rd = min {F_t,fc,Rd = 398; F_t,wc,Rd = 790; F_t,ep,Rd = 377} = 377 kN.

Placa terminal en flexión La fila de pernos 2 es la primera fila de pernos debajo del ala de la viga, considerada como la 'primera fila de pernos debajo del ala de tensión de la viga'. Las dimensiones clave para el T-stub se muestran para el T-stub del ala de la columna en la fila 1 y como se muestra a continuación (en elevación) para la fila 2.

Fila 2 de dimensiones del T-Stub

Resumen del cálculo de resistencia:

Las resistencias para la fila 2 arriba consideran la fila actuando sola. Sin embargo, en el lado de la columna, la resistencia puede estar limitada por la resistencia del grupo de filas 1 y 2. La resistencia de grupo se considera ahora.

Detalle del espaciado de filas 1 y 2

Resumen del cálculo de resistencia:

Resistencia de las filas de pernos 1 y 2 es el valor más pequeño de resistencias Ala de la columna en flexión y Alma de la columna en tensión, es decir F_t,1-2,Rd = min {F_t,fc,Rd = 697; F_t,wc,Rd = 1126} = 697 kN. La resistencia de la fila de pernos 2 en el lado de la columna está por lo tanto limitada a F_t2,c,Rd = F_t,1-2,Rd - F_t1,Rd = 697 - 377 = 320 kN.

Resistencia de la fila de pernos 2 es el valor más pequeño de resistencias: Ala de la columna en flexión F_t,fc,Rd = 398 kN, Alma de la columna en tensión F_t,wc,Rd = 790 kN, Alma de la viga en tensión F_t,wb,Rd = 675 kN, Placa terminal en flexión F_t,ep,Rd = 406 kN y Lado de columna, como parte del grupo, F_t2,c,Rd = 320 kN. Por lo tanto, la resistencia de la fila de pernos 2 F_t,2,Rd = 320 kN.

Resumen del cálculo de resistencia:

Las resistencias para las filas 2 y 3 arriba consideran la resistencia de la fila actuando sola. Sin embargo, en el lado de la columna, la resistencia puede estar limitada por la resistencia del grupo de filas 1, 2 y 3, o por el grupo de filas 2 y 3. En el lado de la viga, la resistencia puede estar limitada por el grupo de filas 2 y 3. Estas resistencias de grupo se consideran ahora.

Patrones de líneas de fluencia circulares y no circulares

Resumen del cálculo de resistencia:

La resistencia de las filas de pernos 1, 2 y 3 combinadas, en el lado de la columna, es el valor más pequeño de Ala de la columna en flexión y Alma de la columna en tensión, que es 988 kN. Por lo tanto, la resistencia de la fila de pernos 3 en el lado de la columna está limitada a: F_t3,c,Rd = F_t1-3,Rd - F_t1-2,Rd = 988 - 697 = 291 kN.

La resistencia de las filas de pernos 2 y 3 combinadas, en el lado de la viga, es Placa terminal en flexión F_t,ep,Rd = 812 kN. Por lo tanto, en el lado de la viga F_t2-3,Rd = 812 kN. La resistencia de la fila de pernos 3 en el lado de la viga está por lo tanto limitada a F_t3,b,Rd = F_t2-3,Rd - F_t2,Rd = 812 - 320 = 492 kN.

La resistencia de las filas de pernos 2 y 3 combinadas, en el lado de la columna, es Ala de la columna en flexión F_t,fc,Rd = 691 kN, Alma de la columna en tensión F_t,wc,Rd = 1096 kN, por lo tanto, en el lado de la columna F_t2-3,Rd = 691 kN. Por lo tanto, la resistencia de la fila de pernos 3 en el lado de la columna está limitada a F_t3,b,Rd = F_t2-3,Rd - F_t2,Rd = 691 - 320 = 371 kN.

Resumen La resistencia de la fila de pernos 3 es el valor más pequeño entre las siguientes resistencias: Ala de la columna en flexión F_t,fc,Rd = 398 kN, Alma de la columna en tensión F_t,wc,Rd = 790 kN, Alma de la viga en tensión F_t,wb,Rd = 675 kN, Placa terminal en flexión F_t,ep,Rd = 406 kN, Lado de la columna como parte de un grupo con 2 y 1 F_t3,c,Rd = 291 kN, Lado de la columna como parte de un grupo con 2 F_t3,c,Rd = 371 kN, Lado de la viga como parte de un grupo con 2 F_t3,b,Rd = 492 kN. Por lo tanto, la resistencia de la fila de pernos 3 es F_t3,Rd = 291 kN.

Resistencias de filas F_tr,Rd:

Zona de Compresión

Alma de la columna en compresión transversal La resistencia de diseño de un alma de columna no rigidizada en compresión transversal se determina como sigue:

Dimensiones de placa de extremo atornillada

Por lo tanto, F_c,wc,Rd = 841 kN.

Ala y alma de la viga en compresión La resistencia de diseño resultante de un ala de viga y la zona de compresión adyacente del alma se determina utilizando:

Así, F_c,fb,Rd = 1254 kN.

Resumen: resistencia de la zona de compresión Alma de la columna en compresión transversal F_c,wc,Rd = 841 kN, Ala y alma de la viga en compresión F_c,fb,Rd = 1254 kN.

Resistencia del panel del alma de la columna al cortante La resistencia plástica al cortante de un alma no rigidizada se da por:

La resistencia no se evalúa aquí, ya que no hay esfuerzo cortante de diseño en el alma porque los momentos de las vigas son iguales y opuestos.

Resistencia al Momento

RESISTENCIA EFECTIVA DE LAS FILAS DE PERNOS

Distribución de fuerzas | Análisis de resistencia al momento

Las resistencias efectivas de cada una de las tres filas de pernos en la zona de tensión son: F_t1,Rd = 377 kN, F_t2,Rd = 320 kN, F_t3,Rd = 291 kN.

Las resistencias efectivas deben reducirse si la resistencia de una de las filas superiores excede 1.9 F_t,Rd = 1.9 x 203 = 386 kN. Por lo tanto, no es necesario ninguna reducción.

EQUILIBRIO DE FUERZAS La suma de las fuerzas de tracción, junto con cualquier compresión axial en la viga, no puede exceder la resistencia de la zona de compresión. Del mismo modo, la fuerza cortante de diseño no puede exceder la resistencia al cortante del panel del alma de la columna. Esto no es relevante en este ejemplo, ya que los momentos en las vigas idénticas son iguales y opuestos.

Para el equilibrio horizontal ∑F_tr,Rd + N_Ed = F_c,Rd. En este ejemplo, no hay compresión axial. Por lo tanto, ∑F_tr,Rd = F_c,Rd.

Aquí, la resistencia total efectiva a la tracción ∑F_tr,Rd = 377 + 320 + 291 = 988 kN que excede la resistencia a compresión F_с,Rd = 841 kN. Para lograr el equilibrio, las resistencias efectivas se reducen, comenzando en la fila más baja y subiendo, hasta alcanzar el equilibrio. Reducción requerida 988 - 841 = 147 kN. Toda esta reducción puede lograrse reduciendo la resistencia de la fila inferior. Por lo tanto, F_t3,Rd = 291 - 147 = 144 kN.

Análisis de diagrama de equilibrio de fuerzas

RESISTENCIA AL MOMENTO DE LAS FUERZAS La resistencia al momento de la unión viga-columna M_j,Rd:

Tomando el centro de compresión como el medio del espesor del ala de compresión de la viga, h_r1 = 565 mm, h_r2 = 465 mm, h_r3 = 375 mm. Por lo tanto, la resistencia al momento de la unión viga-columna es:

M_j,Rd = 416 kNm.

Resistencia al Cortante Vertical

RESISTENCIA DEL GRUPO DE PERNOS La resistencia al cortante de un perno M24 clase 8.8 no pre-cargado en cortante simple es F_v,Rd = 136 kN, F_b,Rd = 200 kN (en chapa de 20 mm). Por lo tanto, F_v,Rd gobierna.

La resistencia al cortante de las filas superiores puede tomarse conservadoramente como el 28% de la resistencia al cortante sin tensión (asumiendo que estos pernos están completamente utilizados en tensión). Por lo tanto, la resistencia al cortante de las 4 filas es (2 + 6 x 0.28) 136 = 3.68 x 136 = 500 kN.

Diseño de Soldaduras

El enfoque simple requiere que las soldaduras al ala de tracción y al alma sean de resistencia completa, mientras que la soldadura al ala de compresión es solo de tamaño nominal, asumiendo que ha sido preparada con un extremo cortado a sierra.

SOLDADURAS DEL ALA DE TRACCIÓN DE LA VIGA Una soldadura de resistencia completa se proporciona mediante soldaduras de filete simétricas con un grosor de garganta total al menos igual al espesor del ala. El tamaño de garganta requerido es t_fb/2 = 15.6/2 = 7.8 mm. La garganta de soldadura proporcionada es a_f = 12/√2 = 8.5 mm, que es adecuada.

SOLDADURAS DEL ALA DE COMPRESIÓN DE LA VIGA Proporcionar una soldadura de filete nominal en cada lado del ala de la viga. Una soldadura de filete de longitud de cordón de 8 mm será satisfactoria.

SOLDADURAS DEL ALMA DE LA VIGA Por conveniencia, se proporciona una soldadura de resistencia completa al alma. El tamaño de garganta requerido es t_fw/2 = 10.2/2 = 5.1 mm. La garganta de soldadura proporcionada es a_p = 8/√2 = 5.7 mm, que es adecuada.

ANÁLISIS BASEADO EN FE DE COMPONENTES

El diseño se ha llevado a cabo utilizando el complemento Steel Joints para RFEM 6. El complemento Steel Joints permite el análisis de conexiones basadas en un modelo FE. La entrada y evaluación de resultados están totalmente integradas en la interfaz de usuario del software FEA estructural RFEM, haciendo el proceso de diseño intuitivo y rápido.

Configuración de la Unión

Vista general de unión de acero | Detalle de conexión

Resultados del Complemento Steel Joints

El complemento Steel Joints para RFEM 6 mejora las capacidades del software permitiendo a los ingenieros analizar conexiones de acero con la precisión de un modelo de elemento finito (FE). Esta herramienta avanzada permite la visualización detallada de todos los resultados esenciales directamente en el modelo FE, proporcionando una visión clara y completa sobre el rendimiento de las conexiones de acero bajo diversas cargas y condiciones.

Incluye la visualización de tensiones equivalentes y deformaciones plásticas dentro de la conexión de acero. Al mostrar tanto tensiones equivalentes como deformaciones plásticas, RFEM ofrece una comprensión más completa del comportamiento de la conexión bajo condiciones reales, asegurando que el diseño sea tanto seguro como eficiente.

TENSIONES EQUIVALENTES Las tensiones equivalentes proporcionan una visión clara de la distribución general de tensiones, ayudando a los ingenieros a identificar posibles puntos de falla causados por concentraciones de tensiones excesivas. Estas tensiones son esenciales para comprender la capacidad de carga de la conexión.

Tensiones equivalentes mostradas en la geometría de la unión

Aquí, se puede ver la distribución de tensiones en el ala de la columna y la placa terminal de la viga.

Tensiones equivalentes mostradas en la placa de extremo

Tensiones equivalentes mostradas en la alma de la columna

DEFORMACIÓN PLÁSTICA Las placas en la conexión se diseñan plásticamente al comparar la deformación plástica existente con la deformación plástica permitida. La configuración por defecto es del 5%, según EN 1993‑1‑5, Anexo C. A continuación se muestra la deformación plástica en la unión:

Deformación plástica mostrada en la geometría de la unión

ANÁLISIS TENSIÓN-DEFORMACIÓN

Análisis tensión-deformación, Verificación de placas

Análisis Tensión-Deformación de uniones soldadas

Verificación de tornillos

Conclusiones

El artículo presenta dos métodos para diseñar uniones viga-columna. El método analítico es complejo y desafiante de manejar manualmente, especialmente cuando se trata de optimización. Implica calcular las resistencias de cada componente y compararlas con las fuerzas que actúan sobre esos componentes.

El segundo método es el enfoque CBFEM, implementado en el complemento Steel Joints de RFEM 6. En este método, la unión se ensambla, y las fuerzas para análisis se derivan del modelo principal FE. La unión ensamblada se verifica bajo las fuerzas aplicadas a través del análisis tensión-deformación de las placas de acero. Además, el diseño de soldaduras y sujetadores se lleva a cabo de acuerdo con los estándares EN relevantes.

Mientras que el método analítico es ampliamente utilizado, el segundo método es mucho más rápido, proporcionando resultados precisos al tiempo que reduce significativamente el tiempo de cálculo. También permite una optimización fácil y rápida.

A continuación se muestra una comparación de los resultados. La resistencia al momento M_j,Rd calculada utilizando el enfoque analítico es de 416 kNm, mientras que el valor de CBFEM en el complemento Steel Joints es de 415 kNm. La diferencia es menor al 1%, con Δ = -0.24%, ilustrando la fiabilidad y precisión del método CBFEM implementado en el complemento Steel Joints.

El modelo puede encontrarse a continuación:

• Visor 3D
• Visor 3D | Babylon
• Realidad virtual

317x

86x

Conexión de chapa frontal atornillada sin rigidizar

REFERENCIAS

[1] Brown, D., Iles, D., Brettle, M., Malik, A., y BCSA/SCI Connections Group. (2013). Uniones en construcción de acero: Uniones resistentes a momentos según el Eurocódigo 3. Vol BCSA/SCI Connections Group. Londres: The British Constructional Steelwork Association Limited.