Principios clave de
IDEA StatiCa Connection
Introducción
IDEA StatiCa Connection es un software de diseño basado en el Método de los Elementos Finitos por Componentes (CBFEM) destinado a ser utilizado por ingenieros estructurales cualificados familiarizados con el diseño de uniones de acero. Se basa en la comprensión de los principios de ingeniería por parte de los usuarios para simular correctamente cada junta e interpretar el comportamiento resultante tras el análisis de elementos finitos. Como tal, no pretende sustituir los conocimientos de ingeniería del usuario, sino mejorar sus capacidades de diseño aprovechando el motor CBFEM subyacente.
Esta guía resume algunos elementos clave del software y se recomienda que sea leída por todos los usuarios de IDEA StatiCa. Al hacerlo, el usuario evitará errores comunes que pueden llevar a resultados erróneos. Además, los recursos en línea del Centro de Soporte se actualizan constantemente con nueva información sobre el uso y los principios del software. Por último, pero no menos importante, recomendamos encarecidamente que lea el Fondo Teórico y sus apéndices nacionales también.
IDEA StatiCa ha sido desarrollado para modelar y diseñar uniones de acero. En este sentido, la unión debe presentar un único nodo identificable donde converjan todos los elementos, sin importar cuán compleja pueda ser esta unión. Tenga en cuenta que las pequeñas excentricidades de algunos elementos en relación con el nodo son consideradas por el modelo de Elementos Finitos y no generan ningún problema para el concepto de nodo ficticio.
Por otro lado, si se puede identificar más de un nodo en el modelo, entonces probablemente pueda clasificarse como una estructura y el enfoque seguido por IDEA StatiCa podría ser inapropiado y conducir a resultados erróneos.
El ingeniero debe utilizar su criterio de ingeniería para identificar si una unión puede considerarse como uno o más nodos y utilizar el enfoque apropiado.
Como regla general, el nodo en IDEA StatiCa debe incluir únicamente los elementos que están incluidos en el software de análisis global, ya que las fuerzas del análisis incluirán solo las fuerzas para estos elementos. Por supuesto, esto está sujeto al criterio del ingeniero y puede variar de caso a caso.
Los efectos de carga se definen en el nodo ficticio de forma predeterminada. Sin embargo, el usuario puede modificar libremente la ubicación de la definición de carga elemento por elemento. Esto es un requisito en algunos casos, ya sea por la normativa (p. ej., el diseño de placa de aleta según AISC o SCI) o por la especificación de diseño.
Antes de utilizar esta función, el usuario debe tener en cuenta que diferentes posiciones de carga producen resultados diferentes.
Es práctica habitual que los consultores distribuyan las cargas para el diseño de uniones en forma de tablas de carga a partir de resultados envolventes, lo que significa que los componentes de tensión no son coexistentes.
Estas cargas crean un campo de tensiones irreal. En nuestra solución, este estado de tensiones irreal se refleja en el modelo y puede potencialmente dar lugar a fallos.
Tenga en cuenta que esto no es una peculiaridad de IDEA StatiCa, ya que tales estados de tensión producirían fallos en el modelo de diseño global original si estos componentes de tensión máximos se aplicaran simultáneamente. Este problema se agrava con el número de elementos conectados.
Para evitar esta situación, se recomienda encarecidamente utilizar más de una combinación para sus diseños, procedente del modelo de diseño global original. Es sabido que los resultados para cada combinación están en equilibrio alrededor de los nodos.
El uso de nuestros enlaces BIM hace que la transición del modelo global al diseño de uniones sea sencilla y sin errores.
Además, IDEA StatiCa ofrece una forma muy sencilla de identificar cualquier fuerza desequilibrada en su modelo, activando el botón Cargas en Equilibrio. Estas son las fuerzas que serán equilibradas por las reacciones de los elementos definidos como portantes.
El signo de los momentos no sigue la convención clásica de la estática. Los momentos siguen la regla de la mano derecha alrededor del eje local del elemento.
Para mostrar el eje local de un elemento, debe activar el botón LCS en el panel de cinta Etiquetas.
Para definir un momento positivo alrededor de un eje, el usuario debe apuntar con su pulgar derecho hacia el lado positivo de dicho eje. Entonces, el enrollamiento de los dedos representa una rotación que refleja el momento positivo alrededor de ese eje.
Tenga en cuenta que los enlaces BIM se encargan de las transformaciones necesarias automáticamente durante la transferencia de cargas desde el software de análisis.
IDEA StatiCa permite la definición de diferentes opciones de tipo de modelo en los elementos, donde cada una influye en el tipo de restricción que se aplicará en el extremo del elemento (siendo N-Vy-Vz-Mx-My-Mz un extremo libre/sin restricciones). En esencia, se utiliza para garantizar que la carga aplicada corresponda al comportamiento del modelo global.
Por ejemplo, si se espera que un elemento de arriostramiento soporte cargas axiales y cortantes pero no momento, entonces usar un modelo sin restricciones no sería adecuado, ya que el elemento de arriostramiento desarrollaría un momento a lo largo de su longitud. Esto puede evitarse utilizando un modelo N-Vy-Vz, donde las propias restricciones resistirán el momento (que se mostrará como No conformidad en la pestaña Verificación -> Análisis). Estas restricciones también pueden utilizarse para garantizar la estabilidad en un modelo determinado eliminando algunos grados de libertad. Un ejemplo clave de esto es una unión de arriostramiento con un solo perno, donde el arriostramiento sería libre de girar alrededor del eje del perno. En este caso, el uso de un tipo de modelo adecuado evita el desarrollo de un mecanismo.
En general, si el valor de las fuerzas/momentos que se resisten supera significativamente la carga aplicada (a criterio del proyectista), esto podría ser una indicación de que el tipo de modelo elegido puede no ser apropiado para la junta y podría conducir a un diseño no conservador. En esos casos, es mejor seleccionar un tipo de modelo alternativo que corresponda a las condiciones de carga/apoyo esperadas o utilizar el modelo sin restricciones N-Vy-Vz-Mx-My-Mz.
La elección del tipo de modelo está generalmente sujeta al criterio del proyectista, ya que las restricciones requeridas dependerán con mayor frecuencia de las especificaciones del proyecto y de las condiciones de carga que deben simularse en el modelo.
Ejemplo de una unión de arriostramiento con un solo perno donde el tipo de modelo debe ser N-Vy-Vz, para evitar un mecanismo
Aunque es posible que para uniones robustas el análisis de pandeo no sea crítico, se considera una parte integral del método CBFEM. Como tal, se recomienda encarecidamente realizar el análisis de pandeo después del análisis estándar de Tensión/Deformación, para garantizar que se respetan sus límites (véase nuestro Trasfondo Teórico), y para demostrar que la resistencia predicha a partir del análisis tensión-deformación puede desarrollarse completamente.
Además, el pandeo de los componentes de la unión puede influir en la estabilidad de toda la estructura. En este caso, podemos decir que el tipo de modo de pandeo es global. De lo contrario, el modo de pandeo se denomina local.
Es muy importante señalar que se aplican diferentes límites inferiores del factor crítico (αcr, limit) para diferentes tipos de modos de pandeo. Podemos ignorar el pandeo global para los elementos, (incluida la unión) en los casos en que el factor de pandeo sea superior a 15 (en caso de diseño plástico) o superior a 10 (en caso de que la tensión en las placas esté en la rama elástica).
El pandeo local se aplica a placas individuales (rigidizadores, alma del pilar), y los factores de pandeo límite correspondientes se establecen de acuerdo con los códigos de diseño y los experimentos de investigación. Se considera que los efectos del pandeo local son despreciables cuando el factor de pandeo es:
- ≥ 2 - en caso de placa apoyada en 4 lados
- ≥ 3 - en caso de placa apoyada en 3 lados
- ≥ 4 - en caso de placa apoyada en 2 lados (contiguos)
- ≥ 15 - en caso de placa apoyada en 2 lados (opuestos)
Desafortunadamente, el tipo de forma de pandeo está sujeto al criterio del ingeniero y no puede ser decidido por el software. Es responsabilidad del usuario decidir qué tipo de pandeo se aplica a su modelo observando las formas deformadas de pandeo.
Cuando añadimos un elemento al modelo, su longitud se calcula automáticamente por el software en función de la altura de la sección transversal. El algoritmo de cálculo forma parte del método CBFEM y está calibrado a partir de resultados numéricos y experimentales.
La longitud del elemento calculada garantiza que la difusión de tensiones adecuada tendrá lugar de acuerdo con la metodología CBFEM.
En caso de que se añada un elemento o una modificación (agujeros para tornillos, entallas, aberturas, etc.) a este elemento, el software ajustará la longitud total en consecuencia para mantener una distancia desde la discontinuidad.
Sin embargo, el software permite cambiar el factor predeterminado para el cálculo de la longitud del elemento, a través de los ajustes de "Configuración de código", lo que influye en la longitud total. Se recomienda encarecidamente a los usuarios que dejen este valor como predeterminado, ya que dichos cambios pueden influir significativamente en los resultados. Todas nuestras verificaciones se realizaron con la configuración predeterminada.
En casos excepcionales, los valores predeterminados de esta configuración pueden dar lugar a un fallo que de otro modo no se produciría. Ejemplos de escenarios poco frecuentes podrían ser: 1. vigas de gran canto excesivo (p. ej., 1,5+ m.) que conducen a una distancia excesiva desde la discontinuidad más cercana, o 2. una fuerza cortante localizada elevada aplicada en una sección de longitud corta (p. ej., una ménsula corta que sostiene una viga carril de grúa), que IDEA StatiCa modelaría, de forma predeterminada, más larga que en la realidad. Ambos casos resultarían en una flexión elevada en el extremo cargado.
Es por esta razón que esta configuración está disponible, para proporcionar a los usuarios experimentados cierta flexibilidad al tratar con estos casos excepcionales en los que puede ser necesaria una longitud reducida.
En tales casos, donde está absolutamente claro que el problema se debe únicamente a la longitud del elemento, el usuario deberá realizar un estudio para examinar el impacto de cualquier reducción en la relación canto/longitud del elemento sobre el comportamiento del modelo (campos de tensión-deformación y fuerzas en los distintos componentes). Si los resultados coinciden, puede ser posible una reducción del parámetro, aunque en algunos modelos puede ser necesario hacerlo conjuntamente con la configuración de la malla.
En otras palabras, si el usuario decide modificar esta configuración, debe ser capaz de justificarlo adecuadamente haciendo referencia a los resultados de un estudio asociado que demuestre que la reducción no ha influido en los resultados de los componentes de la junta.
Por esta razón, recomendamos ponerse en contacto con nuestro equipo de soporte antes de modificar cualquiera de estos parámetros críticos.
Ejemplo de estudio que demuestra una reducción en la relación longitud/canto del elemento sin impacto significativo en el campo de tensiones y la carga de los componentes.
Es importante saber que los diferentes códigos utilizan diferentes convenciones para la definición de la soldadura. El código americano, por ejemplo, utiliza longitudes de cateto mientras que el Eurocódigo utiliza espesores de garganta para el cálculo. Esta convención se respeta en todo el proyecto, incluidos los informes y los planos.
Por lo tanto, es responsabilidad del usuario ajustar los tamaños de soldadura cuando sea necesario, con el fin de comunicarlos a terceros (por ejemplo, fabricantes) que utilicen diferentes convenciones.
IDEA StatiCa Connection es una herramienta dedicada principalmente a la evaluación de uniones de elementos laminados en caliente, que no se ven significativamente afectados por el pandeo. Se realiza un análisis geométricamente lineal y materialmente no lineal debido a su cálculo rápido y estable. Sin embargo, este tipo de análisis no tiene en cuenta la pérdida de estabilidad en cada paso de cálculo, ya que el análisis de pandeo es lineal, mientras que la pérdida de estabilidad requiere que se realice un análisis geométricamente no lineal.
Si insiste en utilizar IDEA StatiCa Connection para verificar uniones de elementos de paredes delgadas (conformados en frío), asegúrese de ser un usuario experimentado del software y esté preparado para aplicar cuidadosamente su criterio de ingeniero, al menos, en los siguientes puntos:
- Realice un análisis lineal de pandeo y evalúe cuidadosamente cada forma de pandeo. Tenga en cuenta que las 5 primeras formas de pandeo calculadas pueden no ser suficientes.
- No confíe en la plasticidad de los elementos de paredes delgadas y, en su lugar, limite la tensión de von Mises a la resistencia de fluencia o incluso por debajo si es necesario.
- Tenga en cuenta que el desarrollo del pandeo local, que no se considera en cada paso de cálculo, puede redistribuir las fuerzas internas en los componentes de manera diferente.
- Tenga en cuenta que la rigidez de los componentes puede diferir, debido a diferentes modos de fallo o su combinación.
- Tenga en cuenta que las verificaciones y el detallado de los componentes presentados (p. ej., tornillos, soldaduras) siguen las disposiciones normativas aplicables a los elementos laminados en caliente. En caso de que las disposiciones normativas relevantes para los elementos de paredes delgadas sean diferentes, las verificaciones proporcionadas no son aplicables a ellos.
En IDEA StatiCa Connection, el usuario es libre de modelar topologías de unión que antes eran imposibles de diseñar. La gama de herramientas proporcionadas y los diferentes tipos de análisis (pandeo, rigidez, etc.) ofrecen una visión mucho mayor del comportamiento de las uniones diseñadas que antes.
Es responsabilidad del usuario aprender, comprender y aplicar estas herramientas a sus diseños, especialmente si deciden desviarse de las topologías de unión establecidas y probadas.
Debe quedar claro que IDEA StatiCa no puede "corregir" errores de diseño conceptual. Aunque puede ayudar a prevenirlos, con la aplicación correcta del conjunto de herramientas proporcionado.
Una unión conceptualmente incorrecta con la fila superior faltante aparentemente supera todas las verificaciones normativas, pero con el uso de la herramienta de Forma deformada, se revela una deformación excesiva y una concentración de deformaciones plásticas. Esto probablemente puede causar problemas de servicio, pero sin un fallo catastrófico (como una fractura).
