Cercha de puente de servicio permanente, Aeropuerto de Heathrow, Reino Unido
El diseño de la estructura principal fue realizado por Mott MacDonald como empresa consultora original. El contratista responsable de la construcción fue DHD Engineering, quien asignó a nuestro cliente, Ellis & Moore Consulting Engineers, el diseño de las uniones.
En este artículo, explicaremos las partes más desafiantes de este diseño de unión en particular y cómo se resolvieron con éxito con IDEA StatiCa Connection, al tiempo que evaluaremos el uso del método de los componentes original implementado en el Eurocódigo y demostraremos que su aplicación es casi imposible en este caso particular.
Clasificación de la junta para el diseño manual
En primer lugar, intentaremos explicar el procedimiento cuando una unión compleja necesita diseñarse manualmente. Utilizaremos como ejemplo la junta N que se muestra en la imagen de la derecha, que es una junta multiplanar. Para realizar un cálculo adecuado utilizando el método de los componentes, necesitamos reconocer la configuración relevante en la Figura 7.1 del Eurocódigo (haga clic en la imagen a continuación).
A partir de la geometría de la unión, podemos ver que a lo largo de la dirección longitudinal marcada con el rectángulo azul claro no hubo problemas. Puede clasificarse claramente como una junta N. ¡Los problemas comienzan en el plano inclinado! Por tanto, finalmente tenemos dos juntas "N" coexistentes con una junta "Y".
A lo largo de esta dirección, el problema puede visualizarse fácilmente utilizando la captura de pantalla en vista 3D realista tomada del modelo final de IDEA StatiCa Connection (véase a continuación). Para esta configuración particular, no existe una orientación clara en la normativa y/o los límites requeridos por los párrafos relevantes para los solapes, etc., no se cumplen necesariamente. En este caso, se necesita asesoramiento experto y un juicio de ingeniería adecuado si se fuera a utilizar el método de los componentes. Además, dado que las capturas de pantalla se toman de la unión finalizada, podemos ver que se utilizaron varios rigidizadores de refuerzo para reforzar la unión y alcanzar la resistencia requerida. La existencia de estas placas de unión por sí sola hace que la unión no sea diseñable con la aplicación del método de los componentes.
Diseño exitoso con el método CBFEM
Estas limitaciones del método de los componentes no se aplican al CBFEM ni a IDEA StatiCa Connection, simplemente porque la junta se modela exactamente tal como es en la realidad y se analiza como un elemento unificador en todas las direcciones, con elementos finitos. Así, una vez aplicadas todas las fuerzas, el modelo puede resolverse, se calculan todas las fuerzas internas que interactúan en nuestro modelo y podemos obtener de inmediato una visión general rápida de todas las verificaciones normativas del Eurocódigo que muestra un diseño seguro.
Lo que también es importante en comparación con el método de los componentes es que este flujo de trabajo es común a todos los tipos de uniones. Por tanto, si por ejemplo las secciones rectangulares se cambiaran por alguna razón a secciones circulares o de tipo I, no habría que tener en cuenta ninguna consideración especial. Este no es el caso del método de los componentes, que tiene reglas especiales para cada tipo de sección transversal.
Una nota sobre el diseño de uniones en el Reino Unido
Podríamos decir con seguridad que cuando se trata del diseño de uniones de acero, los ingenieros estructurales siguen un procedimiento determinado que parece ser una práctica habitual en el Reino Unido. Para diseñar las uniones, los ingenieros responsables del diseño básico de la estructura proporcionan marcas como la de la imagen de la derecha. Para disponer de información legible, las uniones se agrupan. Luego, para cada grupo, se crea una envolvente de fuerzas actuantes. Este procedimiento proporciona una resistencia adicional a la unión que conduce a un diseño seguro, pero también facilita el flujo de información entre las dos partes. El problema con este enfoque es que la resistencia adicional requerida (al menos en este caso particular) es tan grande que sin los rigidizadores de refuerzo proporcionados, los elementos soldados serían incapaces de resistir las fuerzas proporcionadas.
Esto significa que el diseñador de uniones se encuentra a veces ante un callejón sin salida, porque cambiar el tamaño del elemento no es una práctica aceptable y, si ocurre, debe justificarse adecuadamente. En este caso particular, el uso de IDEA StatiCa Connection fue la única forma que tuvo el cliente de lograr el diseño requerido sin recurrir a un análisis complejo por el Método de los Elementos Finitos y los inconvenientes que conlleva su aplicación.
Diseño más económico con IDEA StatiCa Connection
Esta práctica habitual descrita anteriormente también se utilizó inicialmente en este proyecto. Como consecuencia, las fuerzas de diseño en envolvente proporcionadas por los ingenieros consultores originales resultaron en un diseño muy poco económico de las juntas principales de las cerchas. Como puede verse en la imagen a continuación, el diseño preliminar/de viabilidad produjo una unión muy pesada para una junta con 8 elementos, ubicada en el centro del vano.
Tras la comunicación intermedia con los ingenieros consultores principales, las fuerzas se modificaron para producir combinaciones más realistas y diseños viables. Estas fuerzas se utilizaron en IDEA StatiCa Connection, y se logró un diseño más económico, con menos placas adicionales. El resultado de este nuevo enfoque y la comunicación entre las dos partes se ilustra a continuación:
Aunque fue el primer proyecto importante en el que utilizamos IDEA StatiCa Connection, la filosofía general y las prácticas del software nos ayudaron a elaborar rápidamente uniones tan complejas, que normalmente habríamos diseñado a mano. En IDEA StatiCa Connection, todas estas uniones se volvieron resolubles y, aún mejor, no hay ninguna consideración especial de la que ocuparse. El flujo de trabajo es común independientemente de cuál sea la geometría.
Otro aspecto importante fue que los detalles de unión razonables condujeron a una reducción de los costes de fabricación, y el montaje de las cerchas fue relativamente sencillo.
Por tanto, el proyecto se consideró un éxito para todas las partes… y la siguiente fase del trabajo la lleva a cabo el mismo equipo… con desafíos similares para los detallistas.
Alexander Bezas
Eur Ing, BEng Hons / MSc Ingeniero Civil
Ingeniero estructural sénior en Ellis and Moore Consulting Engineer
