Conexiones de aluminio en IDEA StatiCa

Esto se puede lograr creando un nuevo material definido por el usuario basado en las propiedades del material de aluminio en las zonas afectadas por el calor (ZAC), aplicando el modelo de material bilineal correcto y utilizando las comprobaciones de tornillos y soldaduras según la norma 1993-1-8.

El aluminio se utiliza cada vez más en ingeniería estructural gracias a su bajo peso, resistencia a la corrosión y durabilidad a largo plazo. Al mismo tiempo, el aluminio se comporta de manera fundamentalmente diferente al acero, especialmente en las regiones soldadas. El proyectista debe tener en cuenta el ablandamiento de la ZAC, la ductilidad reducida y la fuerte dependencia de la resistencia con respecto a la aleación y el temple.

IDEA StatiCa Connection puede ser compatible con el diseño de aluminio si el comportamiento específico se representa correctamente en el modelo.

Material

Aunque el aluminio tiene la misma forma de diagrama de material, requiere una entrada adicional del usuario porque sus propiedades mecánicas se ven fuertemente afectadas por:

• aleación y temple,
• espesor,
• historial de tratamiento térmico,
• soldadura y la resultante zona afectada por el calor (ZAC).

Límite elástico convencional (f₀) y resistencia a la tracción (fᵤ)

El límite elástico convencional (equivalente al límite elástico en el acero) y la resistencia a la tracción varían para cada aleación y temple. Estos valores deben tomarse de la norma EN 1999‑1‑1 e introducirse manualmente al definir un material de usuario.

Zona afectada por el calor (ZAC)

La soldadura reduce significativamente la resistencia del aluminio, a menudo entre un 40 y un 60% en las zonas alrededor de las soldaduras denominadas zonas afectadas por el calor. IDEA StatiCa no detecta automáticamente las regiones de ZAC, por lo que el usuario debe especificarlas explícitamente.

Existen dos opciones:

• Asignar un material independiente con resistencias de ZAC reducidas a las regiones soldadas relevantes, o
• asignar las propiedades de ZAC a toda la conexión, lo cual es conservador pero práctico y refleja el hecho de que la mayoría de los fallos se producen en la ZAC o cerca de ella.

Diagrama de material

El aluminio presenta una ductilidad significativamente menor que el acero. Para el diseño estructural en IDEA StatiCa, se han establecido las siguientes consideraciones:

• Dado que la plasticidad de la aleación de aluminio depende en gran medida del temple, el rango de plasticidad última varía significativamente según los procesos de conformado. No es posible proporcionar una declaración general sobre la deformación plástica límite para todas las aleaciones. 
• Si el usuario desea utilizar el análisis plástico, el límite de deformación plástica para las chapas queda a discreción del usuario.
• El rango de las deformaciones de ingeniería últimas límite y de fractura se muestra a continuación.

Para las aleaciones de aluminio estructurales típicas, la deformación de ingeniería última (uniforme) generalmente se sitúa en el rango del 4–10%, mientras que la deformación total de fractura (alargamiento tras la rotura) se encuentra típicamente en el rango del 9–18%, dependiendo de la serie de aleación y el tratamiento térmico.

Módulo de endurecimiento E₁

Para el aluminio, el módulo de endurecimiento E₁ no es constante y debe determinarse a partir de fᵤ, f₀, ε_u, ε_p. Esto difiere del acero, pero IDEA StatiCa utiliza la relación fija E₁ = E / 1000 y no puede modificarse.

¿Qué significa esto en la práctica?

La deformación plástica límite debe modificarse en la configuración del proyecto.

Para crear un material de aluminio, debe ir a la pestaña Materiales, Copiar el material existente y Editar.

A continuación, las propiedades del material deben ajustarse según las especificidades del aluminio.Si la conexión incluye soldadura, deben tenerse en cuenta los valores de ZAC  f_0,haz y f_u,haz.

Los materiales definidos por el usuario pueden guardarse en la biblioteca MPRL, donde estarán disponibles para su uso en todos los proyectos futuros en IDEA StatiCa Connection.

Coeficientes parciales

Las comprobaciones ELU de materiales, tornillos y soldaduras son idénticas entre las normas, lo que garantiza la compatibilidad.

Tornillos estándar

La mayoría de las comprobaciones de tornillos en EN 1999‑1‑1 utilizan las mismas ecuaciones y parámetros que EN 1993‑1‑8. Esto significa que:

• Las comprobaciones de tornillos existentes en IDEA StatiCa son totalmente aplicables a las conexiones de aluminio.
• La única diferencia es el factor de resistencia a tracción k₂ para tornillos avellanados y de aluminio.
  Estos tipos no están disponibles en IDEA StatiCa Connection, ni tampoco los remaches.

Para tornillos de acero estándar (la elección habitual en estructuras de aluminio), todas las comprobaciones siguen siendo válidas.

Tenga en cuenta que la norma EN 1999 exige explícitamente protección contra la corrosión galvánica cuando el aluminio está en contacto con otros metales como el acero.

Tornillos pretensados (por rozamiento)

El coeficiente de rozamiento según EN 1993-1-8 se basa en las superficies de rozamiento y su tratamiento. El coeficiente de rozamiento según EN 1999-1-1 se basa en el espesor de las superficies de rozamiento. 

En IDEA StatiCa, el coeficiente de rozamiento μ puede establecerse directamente en la configuración del proyecto, por lo que los valores pueden aplicarse sin limitaciones.

Soldaduras

Cuando se realiza soldadura, la zona afectada por el calor (ZAC) experimenta una reducción significativa de la resistencia debido a la degradación del material. Estas zonas no son reconocidas automáticamente por la aplicación, por lo que los usuarios deben representarlas explícitamente.

Esto puede hacerse:

• definiendo un material de ZAC independiente y asignándolo a la parte afectada de la chapa.
• aplicando de forma conservadora las propiedades de ZAC a toda la conexión, lo queevita modificaciones geométricas complejas

La condición de plasticidad de Von Mises se utiliza como criterio de fallo en IDEA StatiCa. Se alinea con la hipótesis de la norma EN 1993-1-8. Las soldaduras deben tener asignado un material que corresponda a la resistencia de la ZAC.

Conclusión 

✅ Los coeficientes parciales para materiales, tornillos y soldaduras son coherentes entre EN 1999‑1‑1 y EN 1993‑1‑8.

⚠️ Los materiales de aluminio no están incorporados y deben ser definidos por el usuario, incluyendo las resistencias correctas de la ZAC.

⚠️  El límite de deformación plástica debe adoptarse de forma conservadora. La deformación plástica para el análisis depende en gran medida del temple y del proceso de conformado.

❌ El módulo de endurecimiento E₁ depende de fᵤ, f₀, ε_el, ε_max para el aluminio. IDEA StatiCa utiliza la relación fija que no puede modificarse. El bajo endurecimiento por deformación en IDEA StatiCa es conservador.

✅ Las comprobaciones normativas para tornillos de acero estándar y pretensados son compatibles con la configuración actual de IDEA StatiCa.

✅ Las comprobaciones de soldaduras son compatibles.

⚠️ Las zonas ZAC deben definirse explícitamente, o bien toda la conexión puede utilizar de forma conservadora las propiedades de la ZAC.

⚠️ La solución para conexiones de aluminio no ha sido verificada. 

Nota: En el documento PDF se proporciona una explicación más detallada de este tema.