¿Permite AISC el uso del Método de los Elementos Finitos para el diseño de uniones?

El análisis por elementos finitos en general y el análisis no lineal por elementos finitos en particular son métodos reconocidos como viables en la investigación desde hace muchos años. Han contribuido al desarrollo de las ecuaciones y disposiciones normativas que utilizan los ingenieros. Además, el análisis no lineal por elementos finitos se ha empleado ampliamente en la práctica en EE. UU. y en todo el mundo para resolver problemas de ingeniería, desde los más simples hasta los más complejos. 

Los códigos y normas estadounidenses, incluidos ACI, AISC, TMS, NDS y otros, incluyen cláusulas que permiten el uso del análisis no lineal por elementos finitos para elementos estructurales y uniones no contemplados en las normas, que suelen ser de carácter complejo. Si las normas permiten el uso de este método para problemas complejos, también puede resolver problemas simples que incorporan hipótesis simplificadoras. La investigación ha demostrado que los estados límite en el diseño de elementos y uniones pueden reproducirse mediante el análisis por elementos finitos. A continuación se presentan algunas de las referencias citadas en diversas secciones del manual AISC. 

El comentario de AISC 360 indica en varios apartados la posibilidad de utilizar el análisis por elementos finitos y el análisis no lineal por elementos finitos, como por ejemplo:

• "Las disposiciones también permiten el uso de análisis computacional (p. ej., el método de los elementos finitos) en sustitución de las ecuaciones de la Especificación empleadas para evaluar los estados límite contemplados en los Capítulos D a H, J y K", en la sección de Comentarios: Apéndice 1, Comm 1.1 página 573, de la 16.ª edición del manual AISC.
• "Se permite cualquier método de diseño basado en análisis inelástico que satisfaga los requisitos generales establecidos. Estos métodos pueden incluir el uso de análisis no lineales por elementos finitos (Crisfield, 1991; Bathe, 1995) basados en elementos continuos para diseñar un único componente estructural como una unión, o el uso de análisis de pórticos inelásticos de segundo orden (Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000) para diseñar un sistema estructural compuesto por vigas, pilares y uniones." En Comm 1.3 16.1-582 de la 16.ª edición del manual AISC.
• "Cuando las uniones a modelizar no se encuentren dentro del rango de las bases de datos, puede ser posible determinar las características de respuesta a partir de ensayos, modelización simple de componentes o estudios de elementos finitos (FEMA, 1995)." En B3. Comentarios, página 16.1-322 de la 16.ª edición del manual AISC. 
• "Cuando el ingeniero de diseño se encuentre con vigas que no contengan un eje de simetría o cualquier otra sección para la que no existan disposiciones en las demás secciones del Capítulo F, las tensiones deberán limitarse a la tensión de fluencia o a la tensión de pandeo elástico. La distribución de tensiones y/o la tensión de pandeo elástico deben determinarse a partir de principios de mecánica estructural, libros de texto o manuales, como la Guía SSRC (Ziemian, 2010), artículos en revistas científicas o análisis por elementos finitos. Alternativamente, el proyectista puede evitar el problema seleccionando secciones transversales entre las numerosas opciones indicadas en las secciones anteriores del Capítulo F." en Comm. F12 16.1-393 de la 16.ª edición del manual AISC. 
• "Para longitudes de soldadura superiores a 100 veces el tamaño de la soldadura, la longitud eficaz debe tomarse inferior a la longitud real. El factor de reducción, indicado en la Sección J2.2b, es equivalente al establecido en CEN (2005), que es una aproximación simplificada de fórmulas exponenciales desarrolladas mediante estudios de elementos finitos y ensayos realizados en Europa durante muchos años." En Comm J2. página 16.1-484 de la 16.ª edición del manual AISC.

La Guía de Diseño AISC 1, Diseño de uniones en placa base para estructuras de acero, tercera edición, incluye dos nuevos apéndices (Apéndices C y D) que proporcionan métodos para la representación de las uniones en placa base de pilares en el análisis de pórticos y orientaciones de diseño sobre su simulación mediante análisis por elementos finitos.

• Apéndice D - Orientaciones para el uso del análisis por elementos finitos en el análisis y diseño de placas base, centrado en los detalles de uniones en placa base de pilares al descubierto

La Guía de Diseño AISC 24, Uniones de secciones huecas estructurales, tercera edición, cita:

• "El Comentario al Capítulo K de la Especificación AISC cita el análisis inelástico por elementos finitos (EF) como herramienta de diseño más allá de los límites de aplicabilidad para ingenieros con experiencia, y esta opción está permitida por el Apéndice 1 de la Especificación AISC. Tanto las uniones soldadas como las atornilladas pueden diseñarse mediante métodos de EF, siendo el análisis elástico suficiente para el diseño a fatiga, aunque el análisis inelástico es generalmente necesario para capturar el estado límite último. Siempre deben comprobarse las limitaciones del software elegido para garantizar que dispone de la capacidad necesaria para investigar y reproducir adecuadamente el estado límite objeto de estudio. Esto puede implicar la confirmación del análisis no lineal, los criterios de fallo, el número suficiente de nodos y elementos permitidos, los tipos de elementos disponibles en la biblioteca, etc." en el Capítulo 2.13, pág. 41.
• "En este caso, la técnica de modelización por EF y los parámetros de malla y material elegidos deben verificarse frente a algunos análisis de EF de la literatura de investigación o a partir de casos de referencia recopilados (que a su vez hayan sido validados), como los de Wald et al. (2017)." en el Capítulo 2.13, pág. 41. 

Los ingenieros estructurales y los diseñadores de uniones pueden utilizar un conjunto de herramientas para llevar a cabo su trabajo: diseñar uniones de acero de forma segura, precisa y eficiente conforme a AISC. IDEA StatiCa, con su solución de análisis por elementos finitos única y contrastada, forma parte de este conjunto de herramientas. Lea más sobre el método en nuestros Fundamentos teóricos y el extenso conjunto de verificaciones.