Sobre las estructuras de cerchas
El modelo global se compone principalmente de elementos de cercha que solo trabajan a tracción/compresión. Esto significa que la flexión y el cortante en los elementos quedan completamente suprimidos. Desde la perspectiva del MEF, la matriz de rigidez está dominada por los términos axiales, lo que elimina los GDL (grados de libertad) de flexión y de cortante.
- Convierten la flexión en esfuerzos axiales
- Maximizan la utilización del material
- Proporcionan trayectorias de carga claras
- Permiten grandes luces
- Simplifican la evaluación de la estabilidad
Modelo global
El sistema de cercha en voladizo está fijado al pilar de hormigón prefabricado. La estructura de cercha se acopla con una viga mediante un par de uniones articuladas. Todas las fuerzas se transmiten a través de los anclajes sometidos a tracción y cortante, y del hormigón sometido a compresión.
01) Modelo global de la cercha y trayectoria de carga clara
Checkbot
Este tipo de estructuras se importa a Checkbot con nodos pareados o múltiples que, por su naturaleza, no pueden exportarse en conjunto a IDEA StatiCa Connection. En el primer paso, se eliminará el nodo del cordón superior. El elemento del cordón superior quedará sin relación con ningún nodo existente y debe conectarse al nodo del cordón inferior, que une la diagonal y los elementos del cordón inferior. Una vez completado el proceso, todos los elementos quedarán unificados bajo un nodo principal. Esto abre el camino para controlar de forma más eficaz un mayor número de elementos mediante el ensamblaje con excentricidad.
02) Modelo de Checkbot + unión de elementos en un solo nodo
IDEA StatiCa Connection
El modelo construido comprende una secuencia de perfiles en L dobles. Los cordones superior e inferior de la cercha se unen al pilar prefabricado mediante placas de arandela hormigonadas in situ, complementadas con una placa base y una placa de unión soldada en taller para facilitar un montaje eficiente en obra.
03) Descripción del modelo de anclaje diseñado
En el análisis global, normalmente se supone que los esfuerzos axiales actúan a través del centroide de la sección transversal. Sin embargo, si el grupo de tornillos de la unión real no está alineado con el centro de gravedad de la sección, se introduce una excentricidad. Esta excentricidad genera momentos flectores secundarios en los elementos conectados.
Estos efectos no se recogen en un modelo global estándar de análisis por elementos finitos, a menos que la geometría de la unión y la introducción de las cargas se modelen de forma explícita. En la práctica, el momento adicional debido a la excentricidad del esfuerzo axial se manifiesta como un aumento de la tensión de flexión, que contribuye posteriormente a la evaluación final de la tensión de von Mises en la comprobación detallada de la unión.
Para la configuración de cercha estudiada, la restricción N–Vy–Vz proporciona una representación más realista de la transmisión de fuerzas. Esta afirmación no pretende ser una recomendación universal para todos los sistemas de cerchas, sino una conclusión específica para esta disposición estructural.
Estas restricciones impiden la deformación por giro en la junta, lo que genera momentos de reacción residuales. Además, la diagonal vertical coarta la flexión del cordón, lo que refuerza la hipótesis de que la restricción N–Vy–Vz refleja mejor el comportamiento real de la unión en este caso.
Desde la perspectiva de la mecánica de las uniones, esta condición de contorno se considera, por tanto, más cercana a la realidad física.
04) Cordones y diagonales con restricciones
El modelo de alambre muestra las trayectorias de las cargas y las líneas del centro de gravedad de cada sección.
05) Modelo de alambre y trayectoria de carga clara
La deformada y las visualizaciones de tensiones permiten comprender el comportamiento y comprobar que las cargas se han aplicado correctamente. La tracción en el cordón superior y la compresión en el cordón inferior indican que el modelo sustituto funciona bien.
06) Verificaciones normativas y deformada
La interacción de fuerzas no se tiene en cuenta en el bloque de hormigón debido a las hipótesis simplificadas que son válidas para el medio de hormigón en la aplicación Connection. La utilización es de solo el 38 % y la verificación de los anclajes no se cumple. ¿Por qué ocurre esto?
Nota:
Los grupos de anclajes de placas base separadas interactúan entre sí en un mismo bloque de hormigón. Esto queda fuera del alcance de las normas de cálculo de anclajes. No se verifican la rotura del cono de hormigón a tracción ni el desprendimiento del hormigón por efecto palanca (concrete pryout). Tampoco se verifica el fallo de borde del hormigón. (CEB-FIB: Bulletin 58 - Design of anchorages in concrete (2011) – Capítulo 1.2: Figura 1.2-8 y Figura 1.2-9) .
Remite al usuario a la verificación normativa de 3D Detail porque la normativa no cubre la configuración mencionada.
07) ¿Por qué falla en los anclajes?
El pandeo siempre debe verificarse al examinar la unión. La forma modal y el factor de pandeo se proporcionan como indicadores del margen de seguridad, y es posible identificar el modo con mayor probabilidad de volverse inestable en primer lugar.
Esto se refiere al análisis lineal de pandeo, en el que se abre el contacto entre la placa de unión y las paredes de las secciones en L dobles.
Contacto abierto (holgura):
Si las placas están separadas en el estado de equilibrio:
- El contacto está inactivo
- No se añade ninguna contribución de rigidez
- Las superficies se mueven de forma independiente en el modo de pandeo
Consecuencias en las uniones de acero prácticas:
En muchas uniones de acero:
- placas de unión
- angulares
- agujeros de tornillos
- arandelas
Los contactos solo están parcialmente activos en el estado de equilibrio.
Por lo tanto, en el LBA:
- Solo las zonas actualmente comprimidas aportan rigidez
- Se ignoran los posibles contactos futuros
Esto puede dar lugar a:
- penetración local en los modos propios
- modos de pandeo excesivamente flexibles
- patrones de deformación poco realistas.
Esto no es un error: es una limitación fundamental del pandeo por autovalores con contacto.
08) Modos de pandeo lineal y factor crítico
IDEA StatiCa 3D Detail
Para cerrar el ciclo de cálculo y lograr una solución satisfactoria para todos los componentes, incluido el pilar de hormigón prefabricado, es esencial tener en cuenta la disposición de armadura existente y evaluar el sistema considerando la interacción entre los anclajes y las barras de armadura.
El mecanismo de transmisión de cargas no termina en la placa base. Las fuerzas de los anclajes deben redistribuirse en el elemento de hormigón armado mediante adherencia, confinamiento y el funcionamiento de biela-y-tirante. Por lo tanto, la armadura debe incluirse de forma explícita en el modelo de verificación.
Gracias al enlace BIM desde IDEA StatiCa Connection, la transferencia de datos es sencilla y eficiente. Se puede importar directamente la siguiente información:
- Geometría del pilar de hormigón
- Configuración de la placa base y de los anclajes
- Fuerzas resultantes en los anclajes y en las soldaduras
Esto acelera significativamente el camino hacia la verificación normativa final.
Sin embargo, para obtener una evaluación físicamente coherente, los componentes obligatorios, en particular la disposición de la armadura y unas condiciones de contorno realistas, deben definirse en el modelo de 3D Detail (CSFM). Solo entonces se puede evaluar correctamente el comportamiento conjunto del hormigón y la armadura, y valorar los modos de fallo frágil (p. ej., la rotura del cono de hormigón) en el contexto de un sistema armado.
El sistema de campo de vectores de fuerza predefinido, obtenido de la aplicación Connection, garantiza una redistribución coherente de las tensiones bajo la placa base.
09) Armaduras, condiciones de contorno + distribución de fuerzas
Es necesario realizar una comprobación de coherencia y una inspección visual para asegurarse de que el modelo se comporta como se espera. El flujo de tensiones de compresión presenta el comportamiento esperado y la tensión en la armadura garantiza la seguridad del diseño.
10) Resumen de verificaciones, flujo de tensiones
La deformada debe ser el primer resultado que se revise, para volver a comprobar la corrección de las condiciones de contorno. La deformada muestra el comportamiento previsto.
11) Estado tensional de los anclajes, deformada
Conclusión y puntos clave
Modelo de cercha = idealización axial
Eficiente para el flujo global de fuerzas (solo tracción/compresión), pero los efectos de flexión y cortante quedan suprimidos y deben abordarse a nivel de la unión.
La hipótesis centroidal es crítica
La falta de alineación entre el grupo de tornillos y el centro de gravedad de la sección introduce una flexión secundaria que no se recoge en el análisis global por elementos finitos. Esto debe verificarse en un cálculo detallado de la unión.
Las condiciones de contorno determinan la realidad
En este caso, la restricción N–Vy–Vz refleja mejor el comportamiento de la junta. La coacción al giro y la acción de la diagonal influyen de forma significativa en la respuesta del cordón.
Las verificaciones de anclajes en hormigón en masa son conservadoras
Las hipótesis simplificadas de la norma pueden indicar fallo. La capacidad real depende de la interacción con la armadura y de la redistribución de fuerzas en el elemento de hormigón.
La armadura cierra el ciclo
La trayectoria de carga continúa más allá de la placa base. Solo un modelo de 3D Detail (CSFM) con armadura y condiciones de contorno realistas capta el comportamiento conjunto y evita los modos de fallo frágil.
Compruebe siempre la deformada
Si la deformación coincide con la intuición estructural, es probable que el modelo refleje el comportamiento físico.
