Planteamientos del modelado del MEF para uniones rígidas

Artículo técnico

En particular, cuando debe analizarse el área adyacente de los puntos de una unión, si la geometría o la carga de la conexión no se corresponden con las especificaciones de la norma y/o una estructura debe analizarse con un modelo de elementos finitos (por ejemplo en ingeniería de instalaciones), es necesario evaluar también las conexiones en detalle en el modelo de elementos finitos.

Para obtener resultados significativos sobre la elección del planteamiento del modelado seleccionado, puede ser útil generar una estructura primero que pueda compararse con los métodos clásicos.

En un artículo previo, la resistencia de cálculo de una unión con chapa frontal se calculó con la fórmula según UNE- EN 1993-1-8 [1]. En este ejemplo, la resistencia de cálculo de la chapa frontal debe cargarse con la resistencia de cálculo determinada de 324,95 kNm por medio de un planteamiento de modelado del método de los elementos finitos (MEF).

Figura 01 - Ejemplo de cálculo

Modelo de superficies

La viga HEB 400 se introdujo con una longitud de 500 mm y se dividió en superficies. Asumiendo que la chapa frontal tiene un comportamiento rígido en las cabezas de los tornillos, se generó una superficie rígida con un diámetro de arandela de 44 mm. Para simular la elasticidad de los tornillos con tensión de tracción, se definieron con un diámetro de 24 mm y una longitud de 29 mm ( = espesor de la chapa frontal + espesor de la arandela). Para asegurarse que la carga se introdujo de manera igual en la viga, se utilizó una chapa frontal rígida en la posición de aplicación de la carga.

Debido a que un apoyo rígido en el eje z de la chapa frontal puede conllevar a problemas de convergencia, se asumió un apoyo en superficie elástico con 2 ∙ 108 kN/m³ y se diseñó un apoyo en línea adicional en las posiciones donde no tiene lugar ninguna deformación debido a las condiciones de simetría de una unión en viga o donde se esperan los esfuerzos de contacto mayores. Ambos apoyos deberían fallar en caso reacción positiva en los apoyos. Ya que UNE-EN 1993-1-8 [1] realiza un cálculo plástico, se seleccionó el modelo de material "Isótropo plástico 2D/3D" con el criterio de fluencia 23,5 kN/cm². Tan pronto como se alcance el criterio de fluencia en el elemento de elementos finitos, éste no puede absorber más esfuerzos y tiene lugar una redistribución de tensiones.

Figura 02 - Modelo de superficies

Resultados

El criterio de fallo "Fallo del tornillo con fluencia del ala" del cálculo manual puede validarse.

Al utilizar el modelo de material "Isótropo plástico 2D/3D", tiene que evaluarse el área de los elementos en el estado plástico. Hay que tener en cuenta que los elementos plastificados corresponden con los daños permanentes. El modelo del MEF muestra áreas plásticas demasiado grandes. Esto significa que la unión está sobrecargada al considerarla utilizando un modelo de superficies. El esfuerzo de tracción del tornillo determinado con 279 y 288 kN sobrepasa también el esfuerzo límite de tracción admisible.

Figura 03 - Resultados

Con un modelado adicional, donde la viga, chapa frontal, tornillos y soldaduras se han mostrado con sólidos y la introducción de la fuerza de la viga a la chapa frontal tiene lugar a través de las soldaduras (=más superficie de carga), se determinaron áreas plásticas de similar tamaño.

Referencia

[1] Eurocódigo 3:  Proyecto de estructuras de acero - Parte 1-8: Uniones; UNE-EN 1993-1-8:2005 + AC:2009

Referencia

[1]   EN 1993-1-1 (2005): Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC]

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