Columna base: Columna de sección hueca

8.4 Columna de sección hueca

8.4.1 Descripción

A continuación se describe el método de los elementos finitos basado en componentes (CBFEM) para la columna base de sección hueca verificado con el método de componentes (CM). Una columna comprimida se diseña como mínimo como sección transversal de clase 3. El estudio de sensibilidad se prepara para el tamaño de la columna, la dimensión de la placa base, la calidad del hormigón y la dimensión del bloque de hormigón. Se activan cuatro componentes: el ala y el alma de la columna en compresión, el hormigón en compresión incluyendo la lechada, el perno de anclaje en tracción y las soldaduras. Este estudio se centra principalmente en dos componentes: el hormigón en compresión incluyendo la lechada y el perno de anclaje en tracción.

Fig. 8.4.1 Puntos significativos del diagrama de interacción multilineal de la sección hueca cuadrada

8.4.2 Verificación de la resistencia

En el siguiente ejemplo, la columna de sección hueca cuadrada SHS 150×16 se conecta a un bloque de hormigón con dimensiones en planta \( a' = 750 \, \texttt{mm} \), \( b' = 750 \, \texttt{mm} \), y altura \( h = 800 \, \texttt{mm} \) de hormigón de calidad C20/25 mediante la placa base con dimensiones \( a = 350 \, \texttt{mm} \), \( b = 350 \, \texttt{mm} \), \( t = 20 \, \texttt{mm} \) de acero S420. Los pernos de anclaje se diseñan 4 × M20, A_s = 245 mm² con un diámetro de cabeza a = 60 mm de acero 8.8 con desplazamientos en la parte superior de 50 mm y a la izquierda de -20 mm. La lechada tiene un espesor de 30 mm.

Los resultados de la solución analítica se presentan como un diagrama de interacción con puntos distintivos. Una descripción detallada de los puntos −1, 0, 1, 2 y 3 se muestra en la Fig. 8.4.1, véase (Wald, 1995) y (Wald et al., 2008), donde el punto −1 representa la fuerza de tracción pura, el punto 0 el momento flector puro, los puntos 1 a 3 la fuerza de compresión combinada con el momento flector, y el punto 4 la fuerza de compresión pura.

En CBFEM, las fuerzas de palanca se producen en el caso de carga en tracción pura; mientras que en CM, no se desarrollan fuerzas de palanca al limitar la resistencia únicamente al modo de fallo 1-2, véase (Wald et al., 2008). Debido a las fuerzas de palanca, la diferencia en resistencia es de aproximadamente un 10 %. El modelo numérico de la columna base se muestra en la Fig. 8.4.2. Los resultados del CBFEM se presentan mediante la distribución de tensiones de apoyo sobre el hormigón para los puntos 0 y 3, mostrados en la Fig. 8.4.3 y la Fig. 8.4.4, y comparados en el diagrama de interacción de la Fig. 8.4.5.

Fig.8.4.2 La columna base para la columna SHS 150x16 y la malla seleccionada de la placa base

Fig. 8.4.3 Resultados CBFEM para el punto 0, p. ej. momento flector puro

Fig. 8.4.4 Resultados CBFEM para el punto 3, p. ej. fuerza de compresión y momento flector

Fig. 8.4.5 Comparación de los resultados de predicción de resistencia por CBFEM y CM en el diagrama de interacción para la columna base de la sección transversal SHS 150×16

8.4.3 Estudio de sensibilidad

El estudio de sensibilidad se prepara para el tamaño de la sección transversal de la columna, las dimensiones de la placa base, la calidad del hormigón y las dimensiones del bloque de hormigón. Las columnas seleccionadas son SHS 150×16, SHS 160×12,5 y SHS 200×16. La placa base se diseña con dimensiones en planta 100 mm, 150 mm y 200 mm mayores que la sección transversal de la columna. El espesor de la placa base es de 10 mm, 20 mm y 30 mm. El bloque de cimentación es de hormigón de calidad C20/25, C25/30, C30/37 y C35/45 con una altura de 800 mm en todos los casos y con dimensiones en planta 100 mm, 200 mm, 300 mm y 500 mm mayores que las dimensiones de la placa base. Se modificó un parámetro mientras los demás se mantuvieron constantes. Los parámetros se resumen en la Tab. 8.4.1. Se seleccionaron soldaduras en ángulo con espesor a = 12 mm. El coeficiente de junta para lechada de calidad suficiente se toma como β_j = 0,67. Las placas de acero son de S420 con pernos de anclaje M20 de calidad 8.8 con profundidad de empotramiento de 300 mm en todos los casos.

Tabla 8.4.1 Parámetros seleccionados

Para el estudio de sensibilidad de la sección transversal de la columna, se utilizaron la calidad del hormigón C20/25, el espesor de la placa base de 20 mm, el desplazamiento de la placa base de 100 mm y el desplazamiento del bloque de hormigón de 200 mm para los parámetros variables de la sección de la columna. La comparación del CBFEM con el modelo analítico por CM se muestra en los diagramas de interacción de la Fig. 8.4.6.

Fig. 8.4.6 Comparación de los resultados de CBFEM con CM para las diferentes secciones transversales de columna

Para el estudio de sensibilidad del desplazamiento de la placa base, se seleccionaron la sección transversal de la columna SHS 200×16, la calidad del hormigón C25/30, el espesor de la placa base de 20 mm y el desplazamiento del bloque de hormigón de 200 mm. La comparación de los diagramas de interacción se muestra en la Fig. 8.4.7. La diferencia más significativa se encuentra en la resistencia a tracción pura de una placa base grande, donde se presentaron fuerzas de palanca significativas en los análisis CBFEM, que están limitadas por el diseño analítico.

Fig. 8.4.7 Comparación de los resultados de CBFEM con CM para los diferentes desplazamientos de la placa base

Para el estudio de sensibilidad del espesor de la placa base, se seleccionaron la sección transversal de la columna SHS 200×16, la calidad del hormigón C25/30, el desplazamiento de la placa base de 100 mm y el desplazamiento del bloque de hormigón de 200 mm. En este estudio se utilizaron espesores de placa base de 10 mm, 20 mm y 30 mm. La comparación de los diagramas de interacción se muestra en la Fig. 8.4.8. La mayor diferencia se encuentra en la resistencia a tracción pura de una placa base delgada, donde se presentaron fuerzas de palanca significativas en los análisis CBFEM, que están limitadas en el diseño analítico por CM.

Fig. 8.4.8 Comparación de los resultados de CBFEM con CM para los diferentes espesores de la placa base

Para el estudio de sensibilidad de la calidad del hormigón, se seleccionaron la sección transversal de la columna SHS 150×16, el espesor de la placa base de 20 mm, el desplazamiento de la placa base de 100 mm y el desplazamiento del bloque de hormigón de 200 mm. En este estudio se utilizaron calidades de hormigón C20/25, C30/37 y C35/45. La comparación de los diagramas de interacción se muestra en la Fig. 8.4.9.

Fig. 8.4.9 Comparación de los resultados de CBFEM con CM para las diferentes calidades de hormigón

Para el estudio de sensibilidad del desplazamiento del bloque de hormigón, se seleccionaron la sección transversal de la columna SHS 160×12,5, el espesor de la placa base de 20 mm, el desplazamiento de la placa base de 100 mm y la calidad del hormigón C25/30. En este estudio se utilizaron desplazamientos del bloque de hormigón de 100 mm, 300 mm y 500 mm. La comparación de los diagramas de interacción se muestra en la Fig. 8.4.10.

Fig. 8.4.10 Comparación de los resultados de CBFEM con CM para los diferentes desplazamientos del bloque de hormigón

Las diferencias en la predicción de la resistencia de la columna base por CBFEM y CM se deben principalmente a la aceptación de las fuerzas de palanca en CBFEM y su exclusión por parte de CM según EN 1993-1-8:2005.

Tab. 8.4.2 Comparación del diagrama de interacción de CBFEM y CM

8.4.4 Caso de referencia

Datos de entrada

Sección transversal de la columna

• SHS 150/16
• Acero S420

Placa base

• Espesor 20 mm
• Desplazamientos en la parte superior 100 mm, izquierda 100 mm
• Soldaduras – soldaduras a tope
• Acero S420

Anclajes

• M20 8.8.
• Longitud de anclaje 300 mm
• Desplazamientos capas superiores 50 mm, capas izquierdas −20 mm
• Plano de cortante en la rosca

Bloque de cimentación

• Hormigón C20/25
• Desplazamiento 200 mm
• Profundidad 800 mm
• Transferencia de fuerza cortante por fricción
• Espesor de lechada 30 mm

Cargas

• Fuerza axial N = −762 kN
• Momento flector M_y = 56 kNm

Resultados

• Placas \(\epsilon = 0,6 \, \% \)
• Pernos de anclaje 97,8 %; \(N_{Ed,g} = 65,7 \, \texttt{kN} \le N_{Rd,c} = 67,2 \, \texttt{kN} \) (componente crítico: rotura en cono de hormigón para el grupo de anclajes A1 y A2)
• Bloque de hormigón 91,5 % ( \( \sigma = 24,5 \, \texttt{MPa} \le f_{jd} = 26,8 \, \texttt{MPa} \) )
• Rigidez rotacional secante \( S_{js} = 6,3 \, \texttt{MNm/rad} \)