Modelo parametrizado con elementos finitos para el diseño de uniones con chapas frontales rígidas

Artículo técnico

Este artículo fue traducido por el Traductor de Google

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El diseño de conexiones de chapas frontales rígidas se usa particularmente para geometrías de conexiones de cuatro filas y cargas de flexión multiaxial porque no hay métodos de diseño oficiales disponibles.

En el modelo proporcionado, es posible diseñar la unión sometida a una carga realista con requisitos de tiempo mínimos. Para poder verificar el modelo con la directriz DSTV de conexiones tipificadas [1] , seleccionamos el siguiente sistema.

Sistema

Conexión tipificada: IH 2.1 A 26 20
Sección: HEA 260
Material: Acero S235
Pernos: M20 de clase de resistencia 10.9

El modelo de EF creado se crea por medio de elementos de superficie para la viga. El modelado de la placa extrema se lleva a cabo mediante superficies, que luego se conectan entre sí para crear un denominado sólido de contacto entre ellas. Define las propiedades de contacto exactas entre las dos superficies. En este caso específico, hay un fallo en el caso de una tensión de tracción vertical. El acero S235 también se selecciona como material para las dos superficies de la placa extrema, pero con un comportamiento del material plástico. Las aberturas se modelan en las superficies para representar los agujeros. Los tornillos de la conexión se definen como elementos de tracción y se muestran de forma simplificada sin una tuerca. Un elemento de tracción tiene sólo una rigidez longitudinal E ⋅ A y sólo puede absorber esfuerzos de tracción. Los momentos de las articulaciones se disponen en los extremos de la barra. Los tornillos están conectados de forma simplificada por varios elementos rígidos con articulaciones en los extremos de los elementos en la placa extrema respectiva. Al introducir el tamaño de perno deseado, se transfieren todos los parámetros relevantes para el cálculo de los pernos (clase de resistencia 10.9). Por lo tanto, es posible implicar la longitud de deformación correcta como una fórmula en el modelo para obtener las fuerzas de perno más precisas.

Fórmula 1

lb = 2 · tp + 2 · D + k2 + m2

tp Espesor de la placa final [mm]
D Espesor de corte [mm]
k Altura del cabezal [mm]
m Altura de tuerca [mm]

Aplicación

Después de abrir el modelo, puede ajustar la sección en el Navegador de datos. El modelo está parametrizado para las vigas HEA, HEB y HEM normalizadas según DIN EN 1025. Luego puede mostrar los parámetros e introducir las dimensiones y el espesor de la placa final. Introduzca el tamaño del perno (M12, M16, M20, M22, M24, M27, M30, M36) y la separación deseada del perno. Al mismo tiempo, se ajustan todos los parámetros del tornillo que son importantes para los cálculos. Finalmente, es posible ajustar las cargas.

El dimensionamiento estructural

Para determinar la capacidad de carga de la conexión,se aplica una carga inicial M y de 50 kNm y se calcula con el método de incremento de carga. Luego, puede evaluar las fuerzas de los pernos y las deformaciones plásticas. Para esto, debe determinar la resistencia a tracción máxima de la siguiente manera.

Fórmula 2

Ft,Rd = k2 · fub · AsγM2Ft,Rd = 0,9 · 1.000 Nmm2 · 245 mm21,25 = 176,4 kN

k2 Factor de resistencia a la tracción [-]
fub Resistencia a tracción del material del tornillo [N/mm²]
Is   Sección de tensión [mm²]
γM2 Factor parcial del perno [-]

Evaluación y comparación

Al comparar la resistencia a la tracción con las fuerzas de los pernos del modelado de elementos finitos, puede ver que el fallo de los pernos se produce si la carga aumenta más de 2,1 veces. Las fuerzas del perno son de 175,43 kN con un momento de actuación de 105 kNm.

Por lo tanto, la capacidad de carga de la conexión de 105 kNm resulta de 2,1 ⋅ 50 kNm.

La evaluación de las deformaciones plásticas muestra valores máximos de aproximadamente el uno por ciento, que no excede la deformación límite permitida del cinco por ciento según EC3. Además, puede ver cuándo comienza a ceder el material al mostrar los grados de no linealidad.

La directriz DSTV [1] proporciona una capacidad de carga de 112,9 kNm, que difiere ligeramente del modelo de EF creado.

Esta desviación refleja, entre otras cosas, la falta de modelado de las soldaduras, lo que resulta en una menor rigidez de la fila exterior de pernos. Como resultado, los tornillos internos están sujetos a una mayor carga y, por lo tanto, tienden a fallar.

Descargue a continuación también un modelo que tiene una conexión con una placa extrema que se extiende.

Palabras clave

Unión Chapa frontal Parámetros Línea auxiliar DSTV

Referencia

[1]   Typisierte Anschlüsse im Stahlhochbau nach DIN EN 1993-1-8. Stahlbau Verlags- und Service GmbH, Düsseldorf, 2013.

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  • Actualizado 1. diciembre 2020

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