Modelado de uniones como un modelo de superficie

Artículo técnico

Con RF-/FRAME-JOINT Pro, es posible calcular estructuras o pórticos según DIN 18800 o Eurocódigo 3. Cuando se consideran uniones no estandarizadas o cuando se observa más de cerca el comportamiento de una unión, se recomienda usar un modelo de superficie. El siguiente artículo muestra cómo se crea tal modelo.

Modelar el modelo de barra

RFEM ofrece la posibilidad de convertir las secciones de muro fino como barras a modelos de superficie Por lo tanto, primero se debe crear el modelo de barras y después, se deben convertir las barras correspondientes. En la figura 01 a se muestra el modelo que se ha usado en este artículo.

Figura 01 - Estructura de la nave como base para el modelo de superficie.

Es una estructura simple de una nave donde la unión de pórtico, destacada con una flecha en la figura, se va a sustituir por un modelo de superficie. La longitud de las barras juega un papel importante aquí para dos puntos de vista.

  1. Un modelo de superficie necesita muchos más elementos finitos que una barra. Por lo tanto, se recomienda escoger la longitud de la barra tan pequeña como sea posible para minimizar el esfuerzo de cálculo y, de esta forma, el tiempo de cálculo. Por otra parte, el cálculo es más preciso si se definen aún más elementos finitos y también si se define una gran parte de las barras como modelo de superficie.
  2. La conversión de un modelo de barras en un modelo superficial requiere una buena aplicación de carga desde que los esfuerzos de las barras se tienen que transferir desde un nudo a las líneas de la sección. Para definir una distribución de carga lo más realista posible, la barra no debe ser demasiado corta.

Para cumplir ambos requisitos, se puede usar la regla general de la distribución de carga con un ángulo de 60 °. Se debe aplicar el ancho mayor de la sección al menos como longitud del área de la aplicación de la carga.

Figura 02 - Influencia de la longitud del pilar

La figura 02 muestra la comparación de las tres uniones de pórtico modeladas en una sección, a la que se le ha aplicado la mitad del ancho w de la sección. El valor de referencia es la tensión equivalente de von Mises. Es evidente que todavía hay grandes diferencias entre la opción 1 con sección individual y la opción 2 con el doble del ancho de la sección con la longitud l. En la opción 3, las diferencias son casi imperceptibles para más de una longitud triple. Por lo tanto, se recomienda aplicar una longitud igual al doble del ancho de la sección para estar en el lado de seguridad. Esto mismo se aplica a la viga. Para simplificarlo, no se ha realizado ningún corte y se ha utilizado toda la cartela.

Dado que el pilar debe ser contínuo, se tiene que extender hacia arriba con otra barra más. Se debe seleccionar la longitud de la barra de tal forma que sobresalga, al menos, sobre la cartela, debido a que más tarde se cortará para tener la longitud correcta. En la figura 01 b se muestra la unión del pórtico modificada.

Creación del modelo de superficie

Ahora, las barras se pueden convertir en modelos de superficie. Al hacer clic con el botón secundario en una barra, se abrirá el menú "Generar superficies". Sin embargo, el modelo creado tiene varias intersecciones. Es más, faltan las placas extremas, los nervios y también la inclinación correcta del pilar en la parte superior.

Lo primero, se deben editar las intersecciones. Aquí se puede usar la herramienta "Conectar líneas/barras". Si se han seleccionado dos superficies que intersecan, se crean los puntos de intersección en las líneas de contorno en la intersección. También es posible crear una intersección y convertirla en una línea. Los puntos en las extremidades de la cartela se pueden mover a esos puntos nuevos como se muestra en la figura 03.

Figura 03 - Corte de la cartela con "Conectar líneas/barras"

Es posible que las superficies vuelvan incorrectas o se eliminen. Esto se puede corregir posteriormente. Después de haber eliminado todas las líneas y nudos innecesarios, se debe presentar un modelo como el que se muestra en la figura 04.

Figura 04 - Transferencia de la inclinación de la viga al pilar

El siguiente paso es cortar la longitud del pilar. Para representar la inclinación correcta de la cartela adecuadamente, se usa uno de los bordes del cordón superior para el vector de desplazamiento durante la copia. Este proceso se muestra en la figura 04. Es necesario copiar el punto de intersección superior entre el pilar y el cordón de la viga. En el cuadro de diálogo "Mover o copiar", se introduce una copia y se selecciona como vector del nudo inicial y final del borde del cordón de la viga. Una vez que se ha reducido la viga, se tiene que establecer el valor para esta dirección (aquí dY) como 0. Ahora se puede crear una línea entre ambos nudos. Ahora, esta línea también interseca el borde contrario del cordón del pilar. Con la herramienta "Conectar líneas/barras" es posible generar el punto de intersección.

Figura 05 - Corte del pilar

Una vez que se muestra la inclinación correcta, se duplica o copia el nuevo nudo al otro lado del pilar, y entonces se mueven los nudos del borde del pilar a estos nuevos nudos (figura 05 a). A estas alturas, se puede mover la unión entre el pilar y la extensión creada al borde inferior de la cartela, y se pueden crear las líneas adicionales para los rigidizadores y el extremo de la placa como se muestra en la figura 05 b.

Después, se crea el final de la placa de la cartela. Las líneas de intersección entre el pilar y la viga se pueden copiar perpendicularmente al pilar. La distancia depende del espesor del cordón y del extremo de la placa. Se debe añadir la mitad del espesor en cada caso. En el ejemplo actual, el cordón tiene un espesor de 13,5 mm y el extremo de la placa tiene un espesor de 12 mm. De aquí se obtiene una distancia de unos 13 mm. Cuando se han copiado las líneas, las líneas de la viga también se pueden mover a los nuevos nudos en el extremo (figura 06) y se pueden crear las líneas de conexión adicionales para la placa extrema. Después de este paso, las superficies de la cartela ya no estarán presentes, ya que se han cambiado las líneas de contorno.

Figura 06 - Crear un nudo para la placa extrema en la viga

Para finalizar el modelo, se crean las líneas de los nervios así como las superficies perdidas y las superficies nuevas. En el caso presente, se obtienen estos resultados como se muestra en la figura 07. Para una visualización clara, se muestran las superficies en diferentes colores según su espesor.

Figura 07 - Modelado de la superficie completa con refuerzos en el alma adicionales

Modelización de conexión de tornillo/perno

La conexión entre la placa extrema de la viga y el cordón del pilar se va a realizar usando un sólido de contacto y barras. El sólido de contacto está ubicado entre las dos superficies (pilar/cordón) y puede simular la rotura por tracción entre las superficies. Los esfuerzos de tracción se deben absorber por los pernos o tornillos que están modelados como barras.

En primer lugar, se crean los taladros. La base para los taladros son los huecos en el cordón y en la placa extrema. En primer lugar, se copia el nudo de la placa extrema en la parte superior en la posición correcta (figura 08 a). En esta ubicación, se puede crear un círculo (se debe considerar el plano de trabajo). Las superficies de contorno de los sólidos de contacto siempre deben de tener cuatro líneas de contorno. Dado que aún este no es el caso para este agujero con sus superficies internas, se tiene que separar el círculo en dos segmentos (inserte la línea y use "Conectar líneas/barras"). Es posible crear el hueco con "Seleccionar líneas de contorno" (figura 08 b).

Figura 08 - Creación de taladros en la placa extrema de la viga

En el siguiente paso, se copia el taladro generado junto con el centro en la parte inferior. Ambos taladros se pueden duplicar por simetría (figura 09 a). El sólido de contacto o los dos sólidos de contacto creados al hacer clic en las superficies contrarias y seleccionando "Crear sólido con contacto..." (figura 09 b). Los sólidos de contacto completos se muestran en el modelo en la figura 09 c. La "rotura por tracción" característica se establece en el cuadro de diálogo para los sólidos.

Figura 09 - Hueco completo para el taladro y creación de un sólido de contacto

Las barras con sección redonda se pueden usar para modelar los pernos en relación al diámetro central de los taladros utilizados. Se puede aplicar un pretensado. La conexión entre una barra y una superficie se lleva a cabo con una superficie del tipo "Membrana - sin tracción". De este modo se simula la rotura por tracción en el aplastamiento (figura 10).

Figura 10 - Modelo completo de la unión del pórtico con pernos y barras rígidas

La unión al modelo de barra se crea mediante barras rígidas. Las barras rígidas se crean en ambos extremos del contorno de las secciones del modelo de superficie, lo que garantiza una aplicación de carga distribuida uniformemente del punto de la barra al modelo de superficie.

Consejos útiles

Si el modelado es coherente, será obvio cuando se genere la malla EF. A continuación, se presentarán tres problemas típicos y cómo se resuelven.

  1. "Las líneas de definición de una superficie no están cerradas"
    Este problema ocurre cuando se modifican las líneas de contorno de una superficie. En este caso, se ven afectadas varias superficies de la cartela. Las superficies antiguas ya se han reemplazado por superficies nuevas, y se pueden eliminar las superficies antiguas incompletas. Generalmente, se puede afirmar que la corrección de una superficie suele llevar más tiempo que generar una nueva con "Seleccionar líneas de contorno".
  2. "El número de objetos integrados en las superficies de contacto no corresponde"
    Cuando se usa un sólido de contacto, ambas superficies deben ser absolutamente idénticas. Cuando se presenta un nudo en una superficie, este nudo también debe estar presente a lo largo de la superficie normal en la otra superficie. Las superficies de contorno deben ser normales a ambas superficies de contacto en todas partes.
  3. "Las superficies laterales XX no tienen cuatro líneas de contorno"
    Todas las superficies laterales de un sólido de contacto necesitan tener cuatro líneas de contorno. Esto también se aplica a los agujeros en un sólido de contacto. La figura 11 muestra un pequeño ejemplo. En el caso a, las superficies de contorno tienen exactamente cuatro líneas (2, 22, 10, 23), sin embargo en el caso b, tienen cinco líneas, que no está permitido. Sin embargo, el número de líneas de contorno de las superficies de contacto no es relevante.
Figura 11 - Modelado correcto e incorrecto de una superficie de contorno de un sólido de contacto

Palabras clave

Modelado conexión modelo de superficie.

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