Verificación de los componentes de la unión de acero (CSA)

CBFEM El método combina las ventajas del Método de los Elementos Finitos general y el método de componentes estándar. Las tensiones y fuerzas internas calculadas en el modelo CBFEM preciso se utilizan en la verificación de todos los componentes.

Los componentes se diseñan de acuerdo con la norma canadiense (Canadian Institute of Steel Construction, CISC) S16-14 Diseño de estructuras de acero y CSA A23.3 Diseño de estructuras de hormigón.

Verificación normativa de placas de acero según normas canadienses

La tensión equivalente resultante (HMH, von Mises) y la deformación plástica se calculan en las placas. Cuando se alcanza el límite elástico (multiplicado por el factor de resistencia para el acero estructural ϕ = 0,9, que es editable en la configuración de la norma) en el diagrama de material bilineal, se realiza la verificación de la deformación plástica equivalente. El valor límite del 5 % se sugiere en el Eurocódigo (EN1993-1-5 App. C, Par. C8, Nota 1), este valor puede modificarse en la configuración de la norma, pero las verificaciones se realizaron para el valor recomendado.

El elemento de placa se divide en cinco capas, y el comportamiento elástico/plástico se investiga en cada una de ellas. El programa muestra el peor resultado de todas ellas. El método CBFEM puede proporcionar una tensión ligeramente superior al límite elástico. La razón es la ligera inclinación de la rama plástica del diagrama tensión-deformación, que se utiliza en el análisis para mejorar la estabilidad del cálculo de interacción. Esto no supone un problema para el diseño práctico. La deformación plástica equivalente se supera a mayor tensión, y la junta no satisface de todos modos.

Verificación normativa de soldaduras según normas canadienses

Las soldaduras en ángulo se verifican según S16-14 - Capítulo 13. Se asume que la resistencia de las soldaduras de ranura CJP es igual a la del metal base y no se verifica.

Soldaduras en ángulo

La resistencia para cortante directo y cortante inducido por tracción o compresión se calcula según S16-14 – 13.13.2.2. La redistribución plástica en el material de soldadura se aplica en el Modelado por Método de los Elementos Finitos.

\[ V_r = 0.67 \phi_w A_w X_u (1+0.5 \sin^{1.5} \theta ) M_w \]

donde:

• ϕ_w = 0.67 – factor de resistencia para el metal de soldadura, editable en la configuración de la norma
• A_w – área de la garganta efectiva de la soldadura
• X_u – resistencia última según el número de clasificación del electrodo
• θ – ángulo del eje del segmento de soldadura respecto a la línea de acción de la fuerza aplicada (p. ej., 0° para una soldadura longitudinal y 90° para una soldadura transversal)
• \( M_w = \frac{0.85+\theta_1 / 600}{0.85+\theta_2 / 600} \) – factor de reducción de resistencia para soldaduras en ángulo de múltiple orientación; igual a 1.0 en IDEA y la resistencia de las soldaduras de múltiple orientación se determina mediante FEA donde se evalúa el elemento más solicitado
• θ₁ – orientación del segmento de soldadura considerado
• θ₂ – orientación del segmento de soldadura en la junta más próxima a 90°

Capacidad del metal base en la cara de fusión:

\[ V_r = 0.67 \phi_w A_m F_u \]

donde:

• A_m = z L – área de la cara de fusión
• z – tamaño del cateto de la soldadura
• L – longitud de la soldadura
• F_u – resistencia a tracción especificada

Los diagramas de soldadura muestran la tensión según las siguientes fórmulas:

Si el metal base está desactivado (se utiliza electrodo compatible):

\[ \sigma = \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{1+0.5 \sin^{1.5}{\theta}} \]

Si el metal base está activado (no se utiliza electrodo compatible):

\[ \sigma = \max \left \{  \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{1+0.5 \sin^{1.5}{\theta}}, \, \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{\sqrt{2} F_u / X_u} \right \} \]

Soldaduras de ranura CJP

La resistencia de las soldaduras de ranura de Penetración Completa de Junta (CJP) se asume igual a la del metal base.

Verificación normativa de tornillos y tornillos pretensados según las normas canadienses

Las fuerzas en los tornillos, incluidas las fuerzas de palanca, se determinan mediante análisis por elementos finitos. Las resistencias de los tornillos se verifican según S16 – Capítulo 13.

Tornillos

Resistencia a tracción de los tornillos

La resistencia a tracción de un tornillo se evalúa según la Cláusula 13.12.1.3 y se toma como:

\[ T_r = 0.75 \phi_b A_b F_u \]

donde:

• ϕ_b = 0.8 – factor de resistencia para tornillos, editable en la configuración normativa
• A_b – área de la sección transversal de un tornillo basada en su diámetro nominal
• F_u – resistencia mínima especificada a tracción para un tornillo

Cuando los filetes del tornillo son interceptados por un plano de cortante, la resistencia a cortante se toma como 0.7 V_r.

Resistencia a cortante de los tornillos

La resistencia a cortante de un tornillo se evalúa según la Cláusula 13.12.1.2. Cada plano de cortante de un tornillo se verifica por separado. Se toma como:

\[ V_r=0.6 \phi_b A_b F_u \]

donde:

• ϕ_b = 0.8 – el factor de resistencia para tornillos, editable en la configuración normativa
• A_b – área de la sección transversal de un tornillo basada en su diámetro nominal
• F_u – resistencia mínima especificada a tracción para un tornillo

Cuando los filetes del tornillo son interceptados por un plano de cortante, la resistencia a cortante se toma como 0.7 V_r.

Tracción y cortante combinados en unión de tipo aplastamiento

La resistencia de un tornillo cargado por tracción y cortante combinados se evalúa según la Cláusula 13.12.1.4 y se toma como:

\[ \left ( \frac{V_f}{V_r} \right )^2 + \left ( \frac{T_f}{T_r} \right )^2 \le 1 \]

donde:

• V_f y T_f son la fuerza de cortante de cálculo y la fuerza de tracción que actúan sobre el tornillo, respectivamente
• V_r y T_r son la resistencia a cortante de cálculo y la resistencia a tracción del tornillo, respectivamente

Resistencia al aplastamiento en los agujeros de los tornillos

La resistencia desarrollada en el tornillo de una unión atornillada sometida a aplastamiento y cortante se evalúa según la Cláusula 13.12.1.2 y se toma como

B_r = 3 ϕ_br t d F_u    para agujeros de tornillo regulares

B_r = 2.4 ϕ_br t d F_u    para agujeros ranurados cargados perpendicularmente a dichos agujeros

donde:

• ϕ_br = 0.8 – factor de resistencia para el aplastamiento de tornillos sobre el acero
• t – espesor menor de las placas conectadas
• d – diámetro de un tornillo
• F_u – resistencia a tracción del material conectado

Desgarro del agujero de un tornillo

La resistencia al desgarro del agujero de un tornillo se verifica para tornillos individuales según la Cláusula 13.11 como:

\[ T_r = \phi_u 0.6 A_{gv} \frac{F_y+F_u}{2} \]

donde:

• ϕ_u = 0.75 – factor de resistencia para acero estructural
• A_gv = 2 ∙ l ∙ t – área bruta a cortante
• F_y – límite elástico del material conectado
• F_u – resistencia a tracción del material conectado
• l – distancia desde el eje del tornillo hasta el borde en la dirección de la fuerza cortante
• t – espesor del material conectado

Para grados de acero con F_y > 460 MPa, (F_y + F_u) / 2 deberá sustituirse por F_y en la determinación de T_r.

Tornillos en uniones resistentes al deslizamiento

La resistencia al deslizamiento de una unión atornillada se evalúa según la Cláusula 13.12.2 como

V_s = 0.53 c_s k_s A_b F_u

donde:

• c_s – coeficiente determinado según k_s y el grado del tornillo:
• para k_s < 0.52     clase A    c_s = 1.00    (A325) o 0.92 (A490) o 0.78 (otros)
• para k_s ≥ 0.52    clase B    c_s = 1.04 (A325) o 0.96 (A490) o 0.81 (otros)
• k_s – coef. de fricción editable en la configuración normativa, que debe establecerse según la Tabla 3 de S16-14; igual a 0.3 para clase A o 0.52 para clase B
• A_b – área de la sección transversal de un tornillo basada en su diámetro nominal
• F_u – resistencia mínima especificada a tracción para un tornillo

Cuando se utilizan agujeros ranurados en uniones resistentes al deslizamiento, V_s = 0.75 ∙ 0.53 c_s k_s A_b F_u.

Un tornillo sometido tanto a tracción como a cortante debe satisfacer la siguiente relación:

\[ \frac{V_f}{V_s}+1.9\frac{T}{A_b F_u} \]

donde:

• V_f y T_f son la fuerza de cortante de cálculo y la fuerza de tracción que actúan sobre el tornillo, respectivamente

La Cláusula 13.12.2 establece que deben verificarse las resistencias de la unión especificadas en la Cláusula 13.12.1. Por lo tanto, el usuario debe verificar el estado tras producirse el deslizamiento, es decir, cambiar la transferencia de la fuerza cortante de los tornillos de "Fricción" a "Aplastamiento – interacción tracción y cortante".

Detalles constructivos

En los detalles constructivos de las uniones atornilladas, el paso mínimo y la distancia mínima al borde se verifican según S16-14 – 22.3. Se verifican el paso mínimo (2.7 d – editable en la configuración normativa) y la distancia mínima al borde (1.25 d).

Verificación normativa del bloque de hormigón según las normas canadienses

El hormigón bajo la placa base se simula mediante un subsuelo de Winkler con rigidez uniforme, que proporciona las tensiones de contacto. La tensión media en el área cargada en contacto con la placa base se utiliza para la verificación a compresión.

Hormigón en compresión

La resistencia de cálculo a compresión del hormigón se determina de acuerdo con S16-14 – 25.3.1 y CSA A23.3 – 10.8. Cuando la superficie de apoyo del hormigón es mayor que la placa base, la resistencia de cálculo a compresión se define como

\[ f_{p,(max)} = 0.85 \phi_c f'_c \sqrt{\frac{A_2}{A_1}} \le 1.7 \phi_c f'_c \]

donde:

• ϕ_c=0.65 – factor de resistencia para el hormigón
• f'_c – resistencia a compresión del hormigón
• A₁ – área de la placa base en contacto con la superficie de hormigón (área de la superficie superior del tronco de pirámide)
• A₂ – superficie de apoyo del hormigón (área inferior geométricamente similar del tronco de pirámide con pendientes de 1 vertical a 2 horizontal)

La verificación del hormigón en el apoyo es la siguiente:

σ ≤ f_p(max)

donde:

• σ – tensión media de compresión bajo la placa base

Transferencia de fuerzas cortantes

Las cargas de cortante pueden transferirse mediante una de estas opciones:

• Llave de corte,
• Fricción,
• Pernos de anclaje.

Llave de corte

Se considera que las cargas de cortante se transfieren únicamente a través de la llave de corte. El apoyo del hormigón no se verifica en el software y debe ser verificado por el usuario en otro lugar. La llave de corte y las soldaduras se verifican mediante el MEF y los componentes de soldadura.

Fricción

En el caso de fuerza de compresión, las cargas de cortante pueden transferirse por fricción entre una almohadilla de hormigón y una placa base. El coeficiente de fricción es editable en la configuración de la norma.

Pernos de anclaje

Si la carga de cortante se transfiere únicamente a través de los pernos de anclaje, la fuerza cortante que actúa sobre cada anclaje se determina mediante el MEF y los pernos de anclaje se verifican de acuerdo con ACI 318-14 tal como se describe en los capítulos siguientes.

Clasificación de uniones de acero según las normas canadienses

Las juntas se clasifican según la rigidez de la junta en:

• Rígido – juntas con cambio insignificante de los ángulos originales entre elementos,
• Semirrígido – juntas que se supone tienen la capacidad de proporcionar un grado conocido y fiable de restricción a la flexión,
• Simple – juntas que no desarrollan momentos flectores.

La norma canadiense S14-16, Cl. 8.2 no proporciona límites exactos, por lo que las juntas se clasifican según el comentario en AISC 360-16, Cl. B3.4.

• Rígido – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \ge 20 \)
• Semirrígido – \( 2 < \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} < 20 \)
• Simple – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \le 2 \)

donde:

• S_j,ini – rigidez inicial de la junta; se supone que la rigidez de la junta es lineal hasta los 2/3 de M_j,Rd
• L_b – longitud teórica del elemento analizado
• E – módulo de elasticidad de Young
• I_b – momento de inercia del elemento analizado
• M_j,Rd – resistencia de cálculo al momento de la junta

Diseño por capacidad según normas canadienses

El diseño por capacidad es parte de la verificación sísmica y garantiza que la unión tenga suficiente capacidad de deformación.

El objetivo del diseño por capacidad es confirmar que un edificio experimenta un comportamiento dúctil controlado para evitar el colapso ante un terremoto de nivel de diseño. Se espera que aparezca una rótula plástica en el elemento disipativo y todos los elementos no disipativos de la unión deben ser capaces de transferir de forma segura las fuerzas debidas a la plastificación en el elemento disipativo. El elemento disipativo suele ser una viga en un pórtico resistente a momentos, pero también puede ser, por ejemplo, una placa de testa. El factor de resistencia no se utiliza para los elementos disipativos. Se asignan dos factores al elemento disipativo:

• R_y = 1.1 – factor de sobreresistencia – S16-14, Cl. 27.1.7; editable en materiales
• C_pr = 1.1 – factor de endurecimiento por deformación – S16-14, Cl. 27.2.2; se recomienda aplicar para la viga como elemento disipativo en pórtico resistente a momentos

El diagrama de material se modifica según la figura siguiente:

La resistencia aumentada del elemento disipativo permite la introducción de cargas que provocan la aparición de la rótula plástica en el elemento disipativo. En el caso de un pórtico resistente a momentos y la viga como elemento disipativo, la viga debe cargarse con M_y = C_prR_yF_yW_pl,y y la fuerza cortante correspondiente V_z = –2 M_y,Ed / L_h, donde:

• F_y – límite elástico
• W_pl,y – módulo resistente plástico
• L_h – distancia entre rótulas plásticas en la viga

En el caso de una unión asimétrica, la viga debe cargarse tanto con momentos flectores positivos como negativos y sus fuerzas cortantes correspondientes.

Las placas de los elementos disipativos quedan excluidas de la verificación normativa.