Rotura por Desgarro en Bloque en Uniones Atornilladas (AISC)

Mark D. Denavit y Rick Mulholland prepararon este ejemplo de verificación en un proyecto conjunto de The University of Tennessee e IDEA StatiCa.

Descripción

En este estudio se presenta una comparación entre los resultados del método de elementos finitos basado en componentes (CBFEM) y los métodos de cálculo tradicionales utilizados en la práctica de EE. UU. para el estado límite de rotura por desgarro en bloque. La rotura por desgarro en bloque es un fallo combinado de cortante y tracción que puede producirse en una variedad de uniones atornilladas y soldadas. Este estudio se centra en las uniones atornilladas de placas en tracción y vigas con entalla, tal como se muestra en los ejemplos de la Figura 1. También se presentan comparaciones con resultados experimentales.

Los cálculos tradicionales se realizan de acuerdo con las disposiciones para el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) de la Especificación AISC (AISC 2022). Los resultados del CBFEM se obtuvieron de IDEA StatiCa versión 23.0. Las cargas máximas permitidas se determinaron de forma iterativa ajustando la carga aplicada a un valor que el programa considera seguro, pero que si se incrementa en una pequeña cantidad (0,1 kip) el programa consideraría inseguro al superar el límite de deformación plástica del 5% o al superar el 100% de utilización del tornillo. Los análisis de tipo DR pueden ayudar a identificar las cargas máximas permitidas. Sin embargo, se realiza cierta aproximación en la evaluación de la resistencia de cálculo de la junta, por lo que todos los resultados de este informe se basan en el análisis de tipo EPS.

Figura 1 Ejemplos de rotura por desgarro en bloque

Requisitos para la Rotura por Desgarro en Bloque en la Especificación AISC

La resistencia de cálculo, \(\phi R_n\), para el estado límite de rotura por desgarro en bloque definida en la Sección J4.3 de la Especificación AISC como:

\[\phi R_n = \phi [ 0.6F_u A_{nv} + U_{bs} F_u A_{nt} \le 0.6 F_y A_{gv} + U_{bs} F_u A_{nt} ] \]

donde:

• \( \phi = 0.75\)
• \(F_u\) – resistencia mínima especificada a tracción del acero
• \(F_y\) – límite elástico especificado del acero 
• \(A_{nt}\) – área neta sometida a tracción
• \(A_{gv}\) – área bruta sometida a cortante
• \(A_{nv}\) – área neta sometida a cortante
• \(U_{bs}= 1.0\) – cuando la tensión de tracción es uniforme
•              \(0.5\) – cuando la tensión de tracción es no uniforme 

En la Figura 2 se presenta una ilustración de los planos de fallo utilizados para definir A_nt, A_gv y A_nv.

Figura 2 Planos de fallo por tracción neta, cortante neto y cortante bruto para la rotura por desgarro en bloque

La tensión de tracción se considera uniforme y U_bs = 1,0 para las placas en tracción evaluadas en este trabajo y para las almas de vigas con entalla con una única fila vertical de tornillos. Las almas de vigas con entalla con múltiples filas verticales de tornillos son el caso más común en el que la tensión de tracción se considera no uniforme y U_bs = 0,5.

Otras Ecuaciones de Resistencia para la Rotura por Desgarro en Bloque

Dhanuskar y Gupta (2019) evaluaron ensayos experimentales de 78 vigas con entalla, 75 angulares y perfiles en T, 14 perfiles en T conectados por el ala y 182 especímenes de placa de unión, todos los cuales fallaron por rotura por desgarro en bloque, en comparación con las normas de diseño americanas, indias, europeas, canadienses, japonesas y saudíes. Sus resultados mostraron que la Especificación AISC es moderadamente conservadora en varios casos. Por esta razón, en este informe también se realizan comparaciones con los resultados de la ecuación de resistencia a la rotura por desgarro en bloque de la norma de diseño canadiense CSA S16:19 Design of Steel Structures (CSA 2019) y una ecuación de resistencia a la rotura por desgarro en bloque propuesta por Teh y Deierlein (2017).

CSA S16

La Sección 13.11 de CSA S16 cubre el desgarro en bloque para elementos en tracción, vigas y uniones de placas. La resistencia factorizada para un posible fallo que implique el desarrollo simultáneo de áreas de componentes de tracción y cortante es la siguiente:

Cuando F_y < 460 MPa (66,7 ksi):

\[ T_r = \phi_u \left [ U_t A_{nt} F_u + 0.6 A_{gv} \frac{(F_y+F_u)}{2} \right ] \]

Cuando F_y ≥ 460 MPa (66,7 ksi):

\[T_r = \phi_u [U_t A_{nt} F_u + 0.6 A_{gv} F_y ] \]

donde:

•  \(\phi_u =0.75\)
• \(U_t=1.0\) – para bloques o patrones de fallo simétricos y carga concéntrica
•        \(=0.9\) – para vigas con entalla con una fila vertical de tornillos
•        \(=0.3\) – para vigas con entalla con dos filas verticales de tornillos

Teh y Deierlein (2017)

Teh y Deierlein (2017) investigaron la rotura por desgarro en bloque para placas en tracción y propusieron una ecuación alternativa de rotura por desgarro en bloque que asume que el fallo por cortante se produce en un "área de cortante efectiva", tomada como la media entre las áreas de cortante bruta y neta. Los investigadores afirman: "El razonamiento de este modelo está respaldado por Teh y Yazici (2013), quienes explican por qué solo existe un mecanismo factible para el modo de fallo por desgarro en bloque [en forma de U], a saber, el mecanismo de rotura a tracción y plastificación a cortante. Teh y Uz (2015) han señalado además que la plastificación a cortante en un fallo por desgarro en bloque suele ir acompañada de un endurecimiento por deformación completo (0,6F_u), aunque la fractura por cortante muy raramente, si es que alguna vez, es el mecanismo de fallo desencadenante. Esto puede explicarse por la gran ductilidad del acero a cortante, donde el acero en la zona de plastificación a cortante puede endurecerse por deformación hasta F_u y soportar grandes deformaciones sin el comportamiento de estricción y rotura que se produce en las probetas de tracción estándar."

Basándose en este razonamiento, Teh y Deierlein (2017) proponen la siguiente ecuación para la resistencia nominal para el estado límite de rotura por desgarro en bloque:

\[ R_n=F_uA_{nt}+0.6 F_u A_{ev} \]

donde:

• \(A_{ev} = (A_{gv}+A_{nv} ) / 2\) – área de cortante efectiva, tomada como la media entre las áreas de cortante bruta y neta

En la Figura 3 se presenta una ilustración de los planos de cortante efectivos para la rotura por desgarro en bloque.

Teh y Deierlein (2017) recomiendan que cuando la resistencia nominal se calcule utilizando su ecuación propuesta, se utilice un factor de resistencia \(\phi=0,85\) para determinar la resistencia de cálculo. Sin embargo, para las comparaciones de este estudio se utiliza el factor de resistencia definido en la Especificación AISC, \(\phi=0,75\).

Figura 3 Planos de tracción neta y cortante efectivo para la rotura por desgarro en bloque según Teh y Deierlein (2017)

Placas en Tracción

La rotura por desgarro en bloque para placas simétricas en tracción puede producirse en un patrón de fallo en forma de U, con fallo por cortante a lo largo de las líneas de tornillos combinado con fallo a tracción entre las líneas de tornillos, o en un patrón de fallo por división, con fallo por cortante a lo largo de las líneas de tornillos y fallo a tracción entre las líneas de tornillos exteriores y los bordes de la placa. Los dos patrones se muestran en la Figura 4.

Figura 4 Patrones de rotura por desgarro en bloque en forma de U y por división

Para investigar la rotura por desgarro en bloque en placas en tracción, se utilizó una unión simple con una placa de 1/2 in. de espesor atornillada entre dos placas de 3/4 in. de espesor. Las tres placas tenían 12 in. de ancho. Las placas de 3/4 in. de espesor eran ASTM A529 Gr 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). Se evaluaron dos grados de acero diferentes para la placa de 1/2 in. de espesor: ASTM A36 (F_y = 36 ksi, F_u = 58 ksi) y ASTM A529 Gr 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi).

Las placas se conectaron con dos líneas de tres tornillos ASTM F3125 Gr A490 de 7/8 in. (6 tornillos en total). Para la investigación del patrón de rotura en forma de U, la distancia al borde, l_e, era de 2 in. y el paso transversal de tornillos, g, era de 2-1/2 in. (resultando en una distancia al borde perpendicular a la dirección de la fuerza de 4-3/4 in.). Para la investigación del patrón de rotura por división, la distancia al borde, l_e, era de 1-1/2 in. y el paso transversal de tornillos, g, era de 8-1/2 in. (resultando en una distancia al borde perpendicular a la dirección de la fuerza de 1-3/4 in.). Para ambas configuraciones, se realizaron análisis para 11 valores de separación entre tornillos, s, que oscilaban entre 2-1/2 in. y 3-3/4 in.

En la Figura 5 y la Figura 6 se presentan vistas tridimensionales de las uniones con una separación entre tornillos de 2-1/2 in. para las investigaciones del patrón en forma de U y por división, respectivamente.

Figura 5 Modelo de IDEA StatiCa de la unión para la investigación del patrón de rotura por desgarro en bloque en forma de U (separación entre tornillos, s = 2-1/2 in.)

Figura 6 Modelo de IDEA StatiCa de la unión para la investigación del patrón de rotura por desgarro en bloque por división (separación entre tornillos, s = 2-1/2 in.)

En la Figura 7 y la Figura 8 se presentan comparaciones entre la resistencia de la unión según IDEA StatiCa y la Especificación AISC para los patrones de rotura por desgarro en bloque en forma de U y por división, respectivamente. Los estados límite que controlaron los cálculos tradicionales y los límites que controlaron los análisis de IDEA StatiCa se indican en estas figuras. Las distribuciones de deformación plástica para las investigaciones de rotura por desgarro en bloque en forma de U y por división se presentan en la Figura 9 y la Figura 10, respectivamente.

Como era de esperar, la resistencia aumenta con la separación entre tornillos, ya que al aumentar la separación entre tornillos se incrementa el área de cortante. Los cálculos tradicionales y los análisis de IDEA StatiCa proporcionan resistencias similares en el rango de separación entre tornillos para la placa A36, pero la resistencia de IDEA StatiCa supera la resistencia del cálculo tradicional para la placa Grado 50, especialmente cuando los tornillos están más próximos entre sí. La razón de esta diferencia es que, a diferencia de los cálculos tradicionales, IDEA StatiCa no utiliza la resistencia a tracción, F_u. En cambio, IDEA StatiCa utiliza una relación tensión-deformación bilineal con plastificación a 0,9F_y y solo una pequeña rigidez de endurecimiento a partir de entonces. Al pasar de la placa A36 a la placa A529 Gr 50, F_y aumenta un 39%, pero F_u solo aumenta un 12%. Por lo tanto, el incremento de resistencia en IDEA StatiCa será aproximadamente del 39%, mientras que el incremento de resistencia a partir de la ecuación de diseño variará entre el 12% y el 39% dependiendo de la importancia relativa de la plastificación a cortante (que aumenta con la separación entre tornillos para esta configuración).

Otra diferencia, aunque relativamente menor, es que la Sección B4.3b de la Especificación AISC requiere que se añada 1/16 in. al diámetro nominal de los agujeros de los tornillos al calcular el área neta a tracción o cortante. Este ajuste no se realiza, y el diámetro nominal del agujero del tornillo se utiliza en IDEA StatiCa al definir la malla de elementos de lámina que representan los elementos y los elementos de unión.

Figura 7 Resistencia frente a separación entre tornillos, rotura por desgarro en bloque en forma de U

Figura 8 Resistencia frente a separación entre tornillos, rotura por desgarro en bloque por división

Figura 9 Distribuciones de deformación plástica, rotura por desgarro en bloque en forma de U

Figura 10 Distribuciones de deformación plástica, rotura por desgarro en bloque por división

Comparación con Otras Ecuaciones de Resistencia

Para explorar más a fondo las diferencias de resistencia entre IDEA StatiCa y la Especificación AISC, se evalúan métodos de cálculo tradicionales adicionales. Se presenta una comparación entre la resistencia de la unión determinada a partir del análisis de IDEA StatiCa y las resistencias factorizadas determinadas a partir de la Especificación AISC, CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) para acero A36 y A529 Gr 50, para la rotura por desgarro en bloque en forma de U en la Figura 11 y la Figura 12, y la rotura por desgarro en bloque por división en la Figura 13 y la Figura 14.

Las resistencias de CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) son mayores que las resistencias de la Especificación AISC para todos los casos investigados. Las resistencias de CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) son similares a las de IDEA StatiCa para material de Grado 50 y menor separación entre tornillos, y mayores en los demás casos. Estos resultados indican que las diferencias entre IDEA StatiCa y la Especificación AISC se deben principalmente al conservadurismo de la ecuación de la Especificación AISC para la rotura por desgarro en bloque y no a un análisis no conservador de IDEA StatiCa.

Figura 11 Comparación con CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) para placa en tracción, rotura por desgarro en bloque en forma de U (ASTM A36)

Figura 12 Comparación con CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) para placa en tracción, rotura por desgarro en bloque en forma de U (ASTM A529 Gr 50)

Figura 13 Comparación con CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) para placa en tracción, rotura por desgarro en bloque por división (ASTM A36)

Figura 14 Comparación con CSA S16 y Teh y Deierlein (2017) para placa en tracción, rotura por desgarro en bloque por división (ASTM A529 Gr 50)

Efecto del Refinamiento de Malla

IDEA StatiCa utiliza 8 elementos finitos alrededor de cada agujero de tornillo sin opción de definir más. Este número de elementos se seleccionó para equilibrar la precisión y la eficiencia computacional. Sin embargo, IDEA StatiCa ofrece la opción de refinar la malla no directamente adyacente a los agujeros de los tornillos. En la Figura 15 y la Figura 16 se presentan los resultados de los análisis de IDEA StatiCa utilizando una malla refinada donde el "Número de elementos en el alma o ala del elemento más grande" se establece en 24 en la configuración de código de IDEA StatiCa (el valor predeterminado es 12), para los casos de rotura por desgarro en bloque en forma de U y por división, respectivamente, y material de Grado 50.

Para los casos investigados, el refinamiento de la malla tuvo un efecto mínimo en la resistencia de la unión. La razón principal es que las deformaciones plásticas máximas se produjeron en los agujeros de los tornillos (véanse la Figura 9 y la Figura 10), donde el tamaño de los elementos es fijo en IDEA StatiCa independientemente de los parámetros de mallado en la configuración de código. El refinamiento de la malla en otros lugares no afectó significativamente a los resultados.

Figura 15 Efecto del refinamiento de malla para placa en tracción con rotura por desgarro en bloque en forma de U (ASTM A529 Gr 50)

Figura 16 Efecto del refinamiento de malla para placa en tracción con rotura por desgarro en bloque por división (ASTM A529 Gr 50)

Vigas con Entalla

La rotura por desgarro en bloque es también un estado límite de control habitual para las almas de vigas con entalla. Para investigar la rotura por desgarro en bloque en este caso, se evalúan uniones con doble angular de unión entre una viga con entalla y una viga principal. Se consideraron uniones con una y dos filas verticales de tornillos (es decir, líneas de tornillos paralelas a la dirección de la fuerza cortante).

Para las comparaciones, la viga es una W24x131 y la viga principal es una W36x256. Ambos perfiles de ala ancha cumplen con ASTM A992 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). La separación entre el alma de la viga principal y la viga es de 1/2 in. La longitud de la entalla es de 5-3/8 in., la profundidad de la entalla es de 2 in., y se utiliza un radio de redondeo de 1/2 in. en la esquina de la entalla. Para aislar el fallo en el alma de la viga, se eligió una unión con doble angular de unión resistente. Los angulares son L6x6x1/2, de 21 in. de longitud, y cumplen con ASTM A529 Gr 50 (F_y = 50 ksi, F_u = 65 ksi). El angular de unión está soldado al alma de la viga principal mediante soldaduras en ángulo de 3/8 in. y atornillado al alma de la viga con tornillos de diámetro 7/8 in. ASTM F3125 Gr A490. La configuración se muestra en la Figura 17.

Figura 17 Esquema de la unión con doble angular de unión entre viga con entalla y viga principal

Se realizaron análisis en uniones con 2 a 7 tornillos en cada fila vertical. La separación entre tornillos es de 3 in. en las direcciones vertical y horizontal para todas las uniones. Para las uniones con una fila vertical de tornillos, la distancia al borde vertical y horizontal es de 1-1/2 in. Para las uniones con dos filas verticales de tornillos, la distancia al borde vertical y horizontal es de 1-1/8 in. Estas dimensiones se muestran en la Figura 18. En la Figura 19 se presentan vistas tridimensionales de las uniones.

Figura 18 Separación entre tornillos y distancias al borde para las uniones de vigas con entalla

Figura 19 Vista tridimensional de las uniones de vigas con entalla

Como es habitual en la práctica de EE. UU., se asume que el punto de momento nulo se encuentra en la cara del apoyo (es decir, la cara del alma de la viga principal). Esta suposición se realizó en IDEA StatiCa estableciendo la ubicación de la fuerza a la mitad del espesor del alma de la viga principal desde el nodo. Para los cálculos tradicionales, se evaluaron los estados límite aplicables distintos de la rotura por desgarro en bloque en la viga con entalla, pero no resultaron determinantes. Estos estados límite son el pandeo local por flexión de la sección con entalla, la plastificación por cortante, la rotura por cortante, la rotura por cortante del tornillo y el aplastamiento y desgarro en los agujeros de los tornillos. La resistencia de la unión frente al número de tornillos en una fila vertical se presenta en la Figura 20 y la Figura 21 para las uniones con una y dos filas verticales de tornillos, respectivamente. Las distribuciones de deformación plástica para uniones con 3 y 6 filas de tornillos se presentan en la Figura 22 y la Figura 23 para uniones con una y dos filas verticales de tornillos, respectivamente.

Tanto para una como para dos filas verticales de tornillos, la resistencia de IDEA StatiCa es menor que la resistencia según la Especificación AISC cuando cada fila vertical tiene solo dos tornillos. Sin embargo, a medida que aumenta el número de tornillos en cada fila vertical, la resistencia de IDEA StatiCa aumenta más rápido que la resistencia según la Especificación AISC, resultando en resistencias mayores de IDEA StatiCa que las obtenidas con las ecuaciones de la Especificación AISC.

Figura 20 Resistencia frente al número de filas de tornillos para una unión con una fila vertical de tornillos

Figura 21 Resistencia frente al número de filas de tornillos para una unión con dos filas verticales de tornillos

Figura 22 Distribuciones de deformación plástica para unión con una fila vertical de tornillos (3 y 6 tornillos en cada fila)

Figura 23 Distribuciones de deformación plástica para unión con dos filas verticales de tornillos (3 y 6 tornillos en cada fila)

Comparación con CSA S16

Al igual que con las placas en tracción, IDEA StatiCa proporciona resistencias mayores que los cálculos tradicionales para muchas de las uniones investigadas. Para explorar más a fondo estas diferencias, los resultados también se comparan con las resistencias de la norma canadiense CSA S16. La ecuación propuesta por Teh y Deierlein (2017) no se evalúa para estas ecuaciones de vigas con entalla, ya que Teh y Deierlein propusieron su ecuación únicamente para placas en tracción. En la Figura 24 y la Figura 25 se presenta una comparación de resistencias para las uniones con una y dos filas verticales de tornillos descritas anteriormente, respectivamente.

La resistencia según CSA S16 es mayor que la resistencia según IDEA StatiCa y la Especificación AISC para todas las uniones con una única fila vertical de tornillos. Para las uniones con dos filas verticales de tornillos, la resistencia según CSA S16 es mayor que la resistencia según la Especificación AISC, pero menor que la resistencia según IDEA StatiCa con 4 o más tornillos en cada fila vertical. Al igual que con las placas en tracción, estos resultados indican que las diferencias entre IDEA StatiCa y la Especificación AISC se deben principalmente al conservadurismo de la ecuación de la Especificación AISC para la rotura por desgarro en bloque y no a un análisis no conservador de IDEA StatiCa.

Figura 24 Comparación con CSA S16 para unión de viga con entalla con una fila vertical de tornillos

Figura 25 Comparación con CSA S16 para unión de viga con entalla con dos filas verticales de tornillos

Efecto de la Posición de la Fuerza Aplicada

Las uniones de cortante simple, como la unión con doble angular de unión investigada aquí, tienen cierta restricción rotacional y la ubicación del punto de momento nulo (es decir, el "articulado") dependerá de la rigidez relativa de la viga, la unión y el apoyo. Como se señaló anteriormente, es habitual en la práctica de EE. UU. asumir que el punto de momento nulo en una unión de cortante simple se encuentra en la cara del elemento de apoyo (es decir, la cara del alma de la viga principal para una unión viga-viga principal). Esta suposición no se considera explícitamente en la ecuación de rotura por desgarro en bloque de la Especificación AISC. En contraste, la suposición del punto de momento nulo debe definirse explícitamente en IDEA StatiCa y la elección afecta a las tensiones y deformaciones en el alma de la viga. IDEA StatiCa permite ajustar manualmente el punto de momento nulo definiendo la posición de la fuerza aplicada a lo largo del eje longitudinal de la viga. La opción "Fuerzas en Tornillos" coloca las fuerzas aplicadas en el centroide del grupo de tornillos (para este caso en el que la única carga aplicada es cortante, el punto de momento nulo también estaría en el centroide del grupo de tornillos). Para todos los análisis de vigas con entalla de este informe, excepto los descritos en esta sección, la posición de la fuerza aplicada se estableció igual a la mitad del espesor del alma de la viga principal desde el nodo (es decir, la cara del elemento de apoyo).

Para investigar el efecto de la posición de la fuerza aplicada, se realizaron análisis adicionales en las uniones con una fila vertical de tornillos. Los análisis adicionales se realizaron con "Fuerzas en Tornillos". Los resultados de estos análisis se comparan con los resultados anteriores del análisis con fuerzas en la cara del alma de la viga principal en la Figura 26.

Cuando el punto de momento nulo se encuentra en el centroide del grupo de tornillos (es decir, "Fuerzas en Tornillos"), la distribución de tensiones y fuerzas en los tornillos es diferente, lo que resulta en mayores resistencias y diferentes límites de control. Con 2 a 6 tornillos en la fila vertical, las resistencias son mayores y el desgarro del tornillo superior es determinante. Con 7 tornillos en una fila vertical, la resistencia es mayor pero el límite de deformación plástica en el alma de la viga sigue siendo determinante. El incremento de resistencia es físicamente realista, ya que la excentricidad de la carga sobre las superficies de fallo se reduce con el punto de momento nulo en el centroide de los tornillos. La ecuación de la Especificación AISC solo captura este efecto de forma aproximada con el término U_bs.

Si bien la ubicación asumida del punto de momento nulo dentro de una unión de cortante simple es una elección realizada por el ingeniero, debe ser coherente con las elecciones realizadas en el análisis estructural global del pórtico para garantizar que se satisfaga el equilibrio.  

Figura 26 Comparación entre la posición de la fuerza aplicada en el centroide del grupo de tornillos frente a la cara del apoyo

Comparación con Resultados Experimentales

Las comparaciones presentadas en este estudio han mostrado que la resistencia de las uniones según IDEA StatiCa a menudo supera la de los cálculos tradicionales según la Especificación AISC cuando la rotura por desgarro en bloque es el estado límite determinante. Para ampliar la investigación, esta sección incluye comparaciones con resultados experimentales publicados anteriormente.

Para estas comparaciones, se utilizaron en los cálculos y análisis las propiedades materiales y geométricas medidas reportadas por los experimentadores. Para los cálculos tradicionales, no se aplicaron factores de resistencia. Para los análisis de IDEA StatiCa, los factores de resistencia para material, tornillos y soldaduras se establecieron en 1,0 en la configuración de código.

Placas en Tracción – Hardash y Bjorhovde 1984

Hardash y Bjorhovde (1984) realizaron ensayos de tracción de uniones de placas atornilladas. Veintiocho especímenes fueron cargados en tracción a través de dos líneas de tornillos. Todos los especímenes fallaron por rotura por desgarro en bloque con un patrón en forma de U similar al mostrado en la Figura 4a. De los veintiocho especímenes ensayados, todos excepto el espécimen n.º 18 fueron cortados de una placa de acero de 0,237 in. de espesor con límite elástico y resistencia última obtenidos de ensayos de probeta de 33,2 y 46,9 ksi, respectivamente. El espécimen n.º 18 fue cortado de una placa de acero de mayor resistencia, con un límite elástico de 49,5 ksi, resistencia última de 64,5 ksi y espesor de 0,253 in. El número de tornillos en cada línea, otras dimensiones mostradas en la Figura 4a, y el diámetro del agujero del tornillo, d_h, se enumeran para cada espécimen en la Tabla 1.

Los veintiocho especímenes se modelaron utilizando propiedades materiales y geométricas medidas y se analizaron en IDEA StatiCa. La resistencia de cada unión también se calculó utilizando la ecuación de resistencia nominal para la rotura por desgarro en bloque de la Especificación AISC con propiedades materiales y geométricas medidas (no se aplicó el factor de resistencia). Los resultados de la comparación entre la resistencia experimental, la resistencia de IDEA StatiCa y la resistencia según la Especificación AISC se presentan en la Tabla 2 y la Figura 27.

La resistencia según la ecuación de la Especificación AISC es menor que la resistencia experimental para todas las uniones de este grupo, con una relación media de 0,81. Este resultado indica que la ecuación de diseño es conservadora, ya que la resistencia AISC utiliza propiedades materiales y geométricas medidas y no incluye el factor de resistencia de 0,75. La resistencia según IDEA StatiCa también es menor que la resistencia experimental para todas las uniones y la relación media es aún menor, de 0,75. Sin embargo, esto no indica un mayor conservadurismo de IDEA StatiCa respecto a la Especificación AISC, ya que IDEA StatiCa utiliza un factor de reducción de resistencia del material de 0,9 y no el factor de resistencia para la rotura por desgarro en bloque de 0,75. No obstante, asumiendo que 0,75 es la reducción de resistencia apropiada para alcanzar el nivel objetivo de fiabilidad, los resultados de IDEA StatiCa son suficientemente conservadores para estos especímenes, dada la relación de resistencia media, P_IDEA/P_exp, de 0,75 y la reducción de resistencia del material de 0,9 que se aplicaría en el diseño.

Tabla 1 Datos de los especímenes de la investigación experimental de Hardash y Bjorhovde (1984)

Tabla 2 Comparación con la investigación experimental de Hardash y Bjorhovde (1984)

Figura 27 Comparación con la investigación experimental de Hardash y Bjorhovde (1984)

Vigas con Entalla – Ricles y Yura 1983

Ricles y Yura (1983) ensayaron uniones atornilladas de alma a escala real con dos filas verticales de tornillos. Los siete especímenes de viga con entalla y un espécimen de viga sin entalla se conectaron a un muñón de columna con una unión de doble angular atornillada y se cargaron hasta el fallo. Las configuraciones de los ocho especímenes de ensayo se presentan en la Figura 28. Los siete especímenes con entalla (18-10, 18-11, 18-12, 18-16, 18-17, 18-18 y 18-19) fueron seleccionados para la comparación. Todos fallaron por rotura por desgarro en bloque. Las dimensiones de los especímenes se muestran en la Figura 28. Las propiedades materiales medidas y el espesor del alma, t_w, se enumeran en la Tabla 3. Todos los agujeros de los tornillos tenían un diámetro de 13/16 in. Un espécimen, el 18-11, tenía agujeros ranurados de 13/16 in. por 15/16 in. con el eje largo perpendicular a la dirección de la fuerza. Los agujeros ranurados de este espécimen se modelaron en IDEA StatiCa como agujeros estándar. Los resultados de la comparación se presentan en la Tabla 4 y la Figura 29.

La resistencia según la Especificación AISC es, en promedio, igual a la resistencia experimental, aunque se observa cierta variación entre los distintos especímenes. La resistencia según IDEA StatiCa es significativamente menor que la resistencia experimental y la resistencia según la Especificación AISC. La relación de resistencia media, P_IDEA/P_exp, es de 0,68, lo que indica que incluso después de aplicar los diferentes factores de resistencia, el conservadurismo en los resultados de IDEA StatiCa se mantendrá.

Figura 28 Configuraciones de los especímenes de ensayo para la investigación experimental de Ricles y Yura (Ricles y Yura, 1983)

Tabla 3 Datos de los especímenes de la investigación experimental de Ricles y Yura (1983)

Tabla 4 Comparación con la investigación experimental de Ricles y Yura (1983)

Figura 29 Comparación con la investigación experimental de Ricles y Yura (1983)

Vigas con Entalla – Franchuk et al. 2003

Franchuk et al. (2003) ensayaron uniones atornilladas de alma a escala real en vigas con entalla, incluyendo 14 especímenes con una única fila vertical de tornillos y 3 especímenes con dos filas verticales de tornillos. Todos los especímenes excepto uno tenían entalla solo en el ala superior y fallaron por rotura por desgarro en bloque. El espécimen D2 tenía entalla en las alas superior e inferior y falló por rotura por cortante del alma de la viga. Las propiedades geométricas y materiales de los 17 especímenes se presentan en la Tabla 5 y la Figura 30.

Los 17 especímenes se modelaron y analizaron en IDEA StatiCa para compararlos con la resistencia experimental y con la resistencia calculada según la Especificación AISC. Los resultados de la comparación se presentan en la Tabla 6 y la Figura 31.

Los resultados de resistencia para estos especímenes son similares a los de los otros estudios. La resistencia según la Especificación AISC es algo conservadora en relación con los resultados experimentales y las resistencias de IDEA StatiCa son menores que las de la Especificación AISC.

Tabla 5 Propiedades geométricas y materiales de los especímenes para la investigación experimental de Franchuk et al. (2003)

Figura 30 Dimensiones de los especímenes para la investigación experimental de Franchuk et al. (2003)

Tabla 6 Comparación con la investigación experimental de Franchuk et al. (2003)

Figura 31 Comparación con la investigación experimental de Franchuk et al. (2003)

Resumen

Este estudio compara la evaluación del estado límite de rotura por desgarro en bloque en uniones atornilladas de acero estructural mediante los métodos de cálculo tradicionales utilizados en la práctica de EE. UU. e IDEA StatiCa. Las observaciones clave del estudio incluyen:

• Se encontró que la resistencia a la rotura por desgarro en bloque de las uniones en IDEA StatiCa era, en varios casos, mayor que la resistencia obtenida mediante los cálculos tradicionales según la Especificación AISC.
• La comparación entre las resistencias de IDEA StatiCa y la Especificación AISC depende en gran medida de la relación entre la resistencia a tracción y el límite elástico (F_u/F_y) del material conectado.
• Investigaciones de otros autores, incluidos Teh y Deierlein (2017) y Dhanuskar y Gupta (2019), han demostrado que las ecuaciones de la Especificación AISC para la rotura por desgarro en bloque pueden ser conservadoras.
• La resistencia a la rotura por desgarro en bloque según IDEA StatiCa es precisa o conservadora en comparación con la norma canadiense y la ecuación de diseño propuesta por Teh y Deierlein (2017).
• En comparación con una serie de experimentos físicos, se encontró que las resistencias de IDEA StatiCa son generalmente conservadoras, incluso teniendo en cuenta la diferencia entre el factor de resistencia aplicado a la rotura por desgarro en bloque en la Especificación AISC y el factor de reducción de resistencia del material aplicado en IDEA StatiCa.
• IDEA StatiCa no permite el refinamiento de la malla alrededor de los agujeros de los tornillos. El refinamiento de la malla en otros lugares tuvo un efecto mínimo en la resistencia de las uniones investigadas.

Referencias

AISC (2022), Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

AISC (2017), Steel Construction Manual, 15^th Edición, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.

CSA (2019), Design of Steel Structures, Canadian Standards Association, Toronto, Ontario.

Dhanuskar, J.R., y Gupta, L.M. (2019), "Behaviour of Block Shear Failure in Different Connections," Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, Vol. 44, pp. 847-859

Franchuk, C.R., et al. (2003), "Experimental Investigation of Block Shear Failure in Coped Steel Beams," Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 30, pp. 871-881

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Teh, L.H. y Yazici, V. (2013), "Block Shear Capacity of Bolted Connections in Hot-Rolled Steel Plates," Connection Workshop VII, European Convention for Constructional Steelwork Task Committee 10, pp. 91–100.