Comparación de DSTV con la solución de complemento Uniones de acero: Uniones viga-pilar resistentes a momento con placas de testa

Introducción

Las soluciones de uniones tradicionales se utilizan ampliamente en la construcción de acero, con la norma EN 1993-1-8 prescribiendo el método de componentes para el diseño. Este método puede ser desafiante, especialmente para diseños complejos, pero recursos como Uniones Estandarizadas en Estructuras de Acero según DIN EN 1993-1-8 proporcionan geometrías de uniones predefinidas con valores de resistencia y rigidez, simplificando el proceso.

Este documento compara resultados de métodos convencionales de diseño con los generados por el enfoque avanzado CBFEM en el complemento Steel Joints para RFEM 6, utilizando dos configuraciones representativas de uniones para resaltar las diferencias.

La unión analizada es una conexión resistente a momentos para vigas con secciones transversales en forma de I o H y placas de extremo, ensamblada con filas verticales de tornillos de alta resistencia para una resistencia confiable a cargas.

Las conexiones de placas de extremo tienen varias variantes de configuración. Este artículo cubre dos opciones: la placa de extremo extendida, que se extiende por encima de la viga y está conectada a la columna, y la placa de extremo al ras, que cubre solo el área de la sección transversal de la viga y está conectada a la columna.
La geometría de la placa de extremo extendida, Tipo A, se toma de las tablas para uniones resistentes a momentos IH [1], mientras que la geometría de la placa de extremo al ras, Tipo B, se deriva de las tablas para uniones resistentes a momentos IM [3].

Las geometrías de unión seleccionadas se presentan en la tabla a continuación, junto con su configuración.

Configuración de geometría para uniones de Tipo A y Tipo B

¹ ri. - rigidizadores

Enfoque Analítico

Las tablas de resistencia proporcionadas en “Uniones Estandarizadas en Estructuras de Acero según DIN EN 1993‑1‑8” [1] y “Estructuras de Acero según DIN EN 1993-1-8, Volumen Suplementario 2018” [3] son válidas bajo las siguientes condiciones: los procedimientos de verificación son elásticos-elásticos o elásticos-plásticos; carga predominantemente estática; columna continua; alturas de viga y posiciones iguales para configuraciones de uniones viga-columna en dos lados; columnas, vigas y placas de extremo en S 235 o S 355 según DIN EN 1993 parte 1.1; secciones de viga y columna HEB, HEA, HEM, IPE son secciones laminadas acc. a DIN 1025 parte 2, 3, 4, y 5 y Euronormas previas EU 53-62 (serie HE) y EU 19-57 (IPE) respectivamente.

Los modos de fallo y componentes principales que influyen en la resistencia al momento y la rigidez considerados para las uniones Tipo A y Tipo B incluyen (ver [2] 6.2.6.1 a 6.2.6.8) la pared de la columna en cortante (CWS), la pared de la columna en compresión (CWC), la brida y el alma de la viga en compresión (BFC), la pared de la columna en tensión (CWT), la brida de la columna en flexión (CFB), el alma de la viga en tensión (BWT), la placa de extremo en flexión (EPB) y los tornillos en tensión (BT).

La resistencia al momento y la rigidez rotacional inicial de las uniones viga‑columna con placas de extremo extendidas y al ras se tomaron de las tablas de resistencia proporcionadas en [1] y [3].

Las configuraciones de las uniones se presentan al comienzo de este artículo, mientras que los valores de resistencia al momento y rigidez rotacional se resumen en la tabla comparativa a continuación.

Análisis Basado en Componentes FE

El diseño de la conexión se realizó utilizando el complemento Steel Joints para RFEM 6.
El complemento Steel Joints permite el análisis de conexiones basado en un modelo FE. Tanto la entrada como la evaluación de resultados están completamente integradas en la interfaz de usuario de RFEM, haciendo que el proceso de diseño sea intuitivo y eficiente.

1. Uniones Resistentes a Momentos con Placas de Extremo Extendidas

Entrada del Complemento Steel Joints
Las configuraciones de las uniones se presentan al comienzo de este artículo.

Resultados del Complemento Steel Joints
El complemento Steel Joints para RFEM 6 mejora las capacidades del software al permitir que los ingenieros analicen conexiones de acero con la precisión de un modelo de elementos finitos (FE). Esta herramienta avanzada facilita la visualización detallada de todos los resultados clave directamente en el modelo FE, ofreciendo una vista clara y completa del rendimiento de la conexión bajo diversas cargas y condiciones. Por consiguiente, RFEM ofrece una comprensión más profunda del comportamiento de la unión y ayuda a optimizar los diseños para seguridad y eficiencia.

Se proporciona una representación detallada de los resultados solo para la unión Tipo A.1.

Resistencia al momento
La resistencia al momento para la unión Tipo A.1 es de 163.43 kNm.

Tensiones Equivalentes
Las tensiones equivalentes representan la distribución general de tensiones en la conexión y ayudan a identificar los puntos potenciales de fallo causados por concentraciones de tensiones. Son esenciales para evaluar la capacidad de carga de la conexión.

Tipo A.1: Tensiones equivalentes mostradas en la geometría de articulación

La distribución de tensiones en la unión está influenciada por los mecanismos de transferencia de carga y la geometría de la unión. La configuración simétrica ayuda a distribuir fuerzas de manera uniforme, aunque ocurren concentraciones locales de tensiones. Las bridas de la viga y las placas de extremo experimentan las tensiones más altas, particularmente cerca de la placa de extremo donde está conectada a las bridas de la viga y atornillada a la columna. El área en rojo intenso indica tensiones a la resistencia del acero. Las caras de la columna adyacentes a la unión también experimentan tensiones significativas.

Deformación Plástica
Las placas en la conexión están diseñadas plásticamente e implican comparar la deformación plástica calculada con una deformación plástica permitida. La deformación plástica límite es del 5%, según EN 1993‑1‑5, Anexo C. Este valor se adopta como predeterminado en el complemento Steel Joints.

Tipo A.1: Deformación plástica en la geometría de la unión

El patrón de deformación en la unión sigue de cerca la distribución de tensiones. La placa de extremo muestra patrones de deformación no uniformes debido a la transferencia de carga excéntrica, con concentraciones de deformación alrededor de los orificios de los tornillos donde ocurre la máxima tensión.
En general, la distribución de deformaciones no es uniforme, con mayores deformaciones plásticas en áreas de concentración de tensiones, alcanzando hasta 0.5% en ubicaciones críticas.

Cocientes de Diseño en el Complemento Steel Joints
Un resumen de los cocientes de diseño se presenta en la siguiente tabla.

Tipo A.1: Razones de cálculo en uniones de acero

Rigidez Rotacional
Un resumen de los valores de rigidez rotacional se presenta en la siguiente tabla.

Tipo A.1: Rigidez al giro

La unión exhibe dos valores para la rigidez rotacional debido a su naturaleza asimétrica. Los momentos que actúan en ambas direcciones, ascendentes y descendentes, producen respuestas de rigidez diferentes. Como resultado, la rigidez rotacional varía según la dirección del momento aplicado, reflejando el comportamiento no simétrico de la unión.

2. Uniones Resistentes a Momentos con Placas de Extremo al Ras

Entrada del Complemento Steel Joints
Las configuraciones de las uniones se presentan al comienzo de este artículo.
El diseño de la conexión se realizó utilizando el complemento Steel Joints para RFEM 6.

Resultados del Complemento Steel Joints
Se proporciona una representación detallada de los resultados solo para la unión Tipo B.1.

Resistencia al momento
La resistencia al momento para la unión Tipo B.1 es de 94.09 kNm.

Tipo B.1: Tensiones equivalentes mostradas en la geometría de la unión

Tipo B.1: Deformación plástica mostrada en la geometría de la unión

Cocientes de Diseño y Rigidez Rotacional
Un resumen de los cocientes de diseño y la rigidez rotacional de la unión se presentan en las siguientes tablas.

Tipo B.1: Razones de cálculo en el complemento Uniones de acero

Tipo B.1: Rigidez al giro

Discusión

Se realizaron algunos cálculos para el análisis: uno para la unión con perfil de viga HEA y otro con perfil de viga IPE. Estas geometrías fueron modeladas usando el complemento Steel Joints. Los resultados de los cálculos, tanto analíticos como basados en el método CBFEM, se presentan a continuación.

La comparación entre el método analítico y el enfoque moderno CBFEM revela generalmente un buen acuerdo.
Para las uniones Tipo A, la diferencia en resistencia al momento varía de 5.96% a 7.25%, con el complemento Steel Joints proporcionando valores ligeramente más altos debido a una estimación más detallada de la resistencia al momento de la unión.
Para las uniones Tipo B, las diferencias en resistencia al momento son menores, oscilando entre 0.53% y 0.65%, lo que indica un acuerdo excelente entre los dos métodos.

La rigidez rotacional muestra una variación más grande entre las uniones. Para las uniones Tipo A, la diferencia en rigidez varía de 3.96% a 20.6%. La mayor diferencia sugiere que el enfoque CBFEM proporciona una representación más refinada y precisa del comportamiento rotacional, capturando interacciones más complejas dentro de la unión.
Para las uniones Tipo B, las diferencias son aún más significativas, con variaciones del 22.34% y 23.7%. Estas diferencias mayores indican que el complemento Steel Joints tiene en cuenta aspectos más intrincados del comportamiento de la unión, como la distribución de carga y las deformaciones, que el método analítico simplificado no captura completamente.

Cuando se alcanza la capacidad de momento en las uniones tipo A, el análisis FE muestra que las placas de extremo experimentan deformaciones plásticas mientras que los tornillos alcanzan su resistencia. Esto corresponde a los modos de fallo de la literatura de referencia. Las soldaduras también están al límite de su capacidad.
En lo que respecta a las uniones Tipo B, la resistencia al momento alcanzada en el FEA en todas las partes evaluadas se usa de manera uniforme, es decir, tornillos, placas de extremo y soldaduras. Esto significa que la unión está bien diseñada. La alta deformación plástica en las placas de extremo es evidente.

En conclusión, el complemento Steel Joints proporciona un enfoque preciso y detallado, particularmente para configuraciones de unión complejas.

Referencias

[1] Uniones Estandarizadas en Estructuras de Acero según DIN EN 1993-1-8, Edición Completa 2013
[2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Eurocódigo 3: Diseño de estructuras de acero Parte 1-8: Diseño de uniones. Versión alemana EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[3] Uniones Estandarizadas en Estructuras de Acero según DIN EN 1993-1-8, Volumen Suplementario 2018. Uniones resistentes a momentos IM