La resistencia al bloque cortante se calcula de forma ligeramente diferente en cada código. En este ejemplo, la resistencia al bloque cortante por CBFEM se compara con el programa experimental descrito en un informe detallado elaborado en la Universidad de Alberta en Canadá.

Material y geometría

Material de la placa: 350W (\(f_y = 350\,\textrm{MPa},\,f_u = 450\,\textrm{MPa}\))

Factor de resistencia del acero: \(\phi=0.9\)

Las propiedades reales del material son sorprendentemente inferiores a los valores nominales (la tabla está tomada del informe). En CBFEM, se utilizan los valores nominales con el factor de resistencia.

Espesor de la placa: 6,4 mm

Tornillos: diámetro 1/2 pulgada, grado A325, diámetro del agujero del tornillo = diámetro del tornillo

La configuración del ensayo consiste en una unión reforzada (parte superior) y una unión de ensayo (parte inferior). En CBFEM, solo se modela la unión de ensayo. La figura siguiente está tomada del informe.

Había dos variantes de geometría:

• Tornillos próximos entre sí (separación 51 mm; especímenes T1A, T1B y T1C)

• Tornillos con mayor separación, 152 mm (especímenes T2B y T2C)

Resultados

La deformación de CBFEM se lee en ubicaciones similares a las del experimento en un modo de desarrollador, donde las deformaciones pueden visualizarse. Los valores se leen a partir de la escala, por lo que las deformaciones no son exactamente precisas.

Las curvas carga-deformación se corresponden bastante estrechamente con los gráficos experimentales tomados del informe. Las diferencias se deben a los valores nominales utilizados y al factor de resistencia en CBFEM. El modelo también utiliza únicamente un diagrama de material bilineal con un endurecimiento por deformación insignificante. Además, la forma deformada por CBFEM se corresponde bien con el experimento, y la deformación plástica se concentra en la parte superior entre los tornillos, lo que indica que la rotura a tracción se producirá antes que la rotura a cortante en los laterales. 

Es importante señalar que el límite del 5% de deformación plástica (punto naranja en los gráficos siguientes) se alcanza con una deformación muy pequeña y mucho antes de que se produzca cualquier fractura. La fractura a tracción se produce con un 45% y un 42% de deformación plástica para las geometrías T1 y T2B/C, respectivamente. Los planos de cortante son aún más dúctiles, pero la resistencia a la carga ya ha disminuido significativamente.

Conclusión

En CBFEM, la resistencia al bloque cortante de un grupo de tornillos se determina mediante análisis de elementos finitos y se verifica con el límite del 5% de deformación plástica. Esta comparación con los resultados experimentales del informe de investigación muestra que el diagrama carga-deformación se ajusta estrechamente incluso cuando se utiliza una malla relativamente gruesa y un modelo de material simplificado en CBFEM. Otro hallazgo importante es que el límite del 5% de deformación plástica se alcanza con una deformación muy pequeña, mucho antes de que se produzca cualquier fractura. 

CBFEM está destinado a determinar la resistencia de cálculo y no el comportamiento real de las uniones de forma perfecta. Aunque el límite del 5% de deformación plástica es muy conservador en estos dos casos de resistencia al bloque cortante, los usuarios no deben aumentar este límite.

Referencias:

Huns, Bino Baljit Singh, Grondin, Gilbert Y., Driver, Robert G. Block shear behaviour of bolted gusset plates, Structural engineering report SER 248 | SER-ID SER248, University of Alberta, 2002. Disponible en: https://era.library.ualberta.ca/items/cf9bf338-36ca-4557-9bb2-ee198954bd00