Métodos comunes
Todo ingeniero estructural está acostumbrado a utilizar el límite elástico como valor límite de la verificación, ya que prácticamente todas las normas y códigos de diseño se basan en este enfoque.
No obstante, esto se aplica al comportamiento puramente elástico del material. Esto puede llevar a un diseño conservador y, en ocasiones, a un sobredimensionamiento innecesario de la estructura, lo que resulta en un mayor consumo de material.
Sin embargo, el comportamiento real del acero es diferente, y es correcto asumir el comportamiento plástico del material una vez superado el límite elástico.
IDEA StatiCa y el método CBFEM
El Método de los Elementos Finitos basado en Componentes (CBFEM) es una sinergia del Método de Componentes y el análisis por Elementos Finitos.
La verificación de una junta mediante el método estándar basado en componentes y en el CBFEM utilizado en IDEA StatiCa Connection se basa en la verificación de todas las partes de la junta: los componentes. Los componentes pueden ser tornillos, anclajes, soldaduras, placas y hormigón en la cimentación.
CBFEM divide la junta completa en los componentes separados mencionados anteriormente. A continuación, el software crea automáticamente el modelo de análisis a partir de cada componente.
Todas las placas de acero, como alas o almas de secciones transversales, rigidizadores, nervios, cartelas, etc., se modelan mediante elementos finitos. El MEF está ampliamente aceptado en ingeniería estructural y proporciona resultados muy buenos y fiables.
El comportamiento del material se basa en el criterio de plastificación de von Mises. Se asume comportamiento elástico antes de alcanzar el límite elástico de cálculo fyd.
El criterio del estado límite último para regiones no susceptibles de pandeo es alcanzar el valor límite de la deformación principal de membrana. Se recomienda un valor del 5% (p. ej., EN 1993-1-5, Ap. C, Par. C.8, Nota 1).
ANSI/AISC 360-16 utiliza un enfoque diferente. En el Capítulo B – Requisitos de diseño, existe un artículo: "Resistencia de la unión. La resistencia de una unión es el momento máximo que es capaz de soportar, Mn, como se muestra en la Figura C-B3.2. La resistencia de una unión puede determinarse sobre la base de un modelo de estado límite último de la unión, o a partir de ensayos físicos. Si la respuesta momento-giro no presenta una carga máxima, la resistencia puede tomarse como el momento a un giro de 0,02 rad (Hsieh y Deierlein, 1991; Leon et al., 1996)."
Las figuras están tomadas de ANSI/AISC 360-16, Com. B3, p. 332, 333.
Se presenta un ejemplo de una unión soldada en IDEA StatiCa:
La resistencia a flexión de cálculo de esta unión, según este artículo de AISC 360, se determina como el momento flector a un giro de 20 mrad (MRd = 408,5 kip-in). Esta resistencia es prácticamente igual a la resistencia a flexión determinada limitando la deformación plástica al 5% según lo sugerido por EN 1993-1-5 (MRd = 402,5 kip-in).
Otro ejemplo de una unión atornillada muestra resultados similares:
De nuevo, la resistencia determinada por un giro de 20 mrad (MRd = 372 kip-in) coincide estrechamente con la resistencia determinada limitando la deformación plástica al 5% (MRd = 374,7 kip-in).
Conclusión
ANSI/AISC 360 deja el modelado por elementos finitos (véase el Apéndice 1 – Diseño mediante análisis avanzado y el Capítulo B – Requisitos de diseño – 4. Diseño de uniones y apoyos – Análisis estructural) al criterio del ingeniero. El uso del diagrama de material elasto-plástico bilineal para placas de acero y la limitación de la deformación plástica es un enfoque sencillo y razonable que permite resolver todo tipo de uniones con carga general. Los resultados coinciden estrechamente con el enfoque sugerido específicamente por ANSI/AISC 360.
El límite de deformación plástica puede editarse en la Configuración de código, aunque los estudios de verificación se han realizado con un valor recomendado del 5%. El valor tiene generalmente un efecto reducido sobre la resistencia de la unión. La diferencia en la resistencia al momento flector entre un límite de deformación del 2% y del 10% es solo del 7% en el segundo ejemplo de unión atornillada.
Referencias
ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 p.
EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 p.
Hsieh, S.H. y Deierlein, G.G. (1991), "Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, No. 5, pp. 995–1.009.
Leon, R.T. (1994), "Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. No. 2, pp. 57–67.