Fuerzas internas en las uniones de acero
Las fuerzas extremas de un elemento del modelo de análisis de pórtico se transfieren a los extremos de los segmentos del elemento. Las excentricidades de los elementos causadas por el diseño de la junta se respetan durante la transferencia.
El modelo de análisis creado por el método CBFEM se corresponde con la junta real de forma muy precisa, mientras que el análisis de fuerzas internas se realiza sobre un modelo de barras 3D de elementos finitos muy idealizado, donde las vigas individuales se modelan mediante líneas de centro y las juntas se modelan mediante nodos inmateriales.
Junta de una columna vertical y una viga horizontal
Las fuerzas internas se analizan utilizando elementos 1D en el modelo 3D. A continuación se muestra un ejemplo de las fuerzas internas en la siguiente figura.
Fuerzas internas en la viga horizontal; M y V son las fuerzas extremas en la junta
Los efectos causados por un elemento sobre la junta son importantes para el diseño de la junta (unión). Los efectos se ilustran en la siguiente figura:
Efectos del elemento sobre la junta; el modelo CBFEM se dibuja en color azul oscuro
El momento M y la fuerza cortante V actúan en la junta teórica. El punto de la junta teórica no existe en el modelo CBFEM, por lo que la carga no puede aplicarse aquí. El modelo debe cargarse con las acciones M y V, que deben transferirse al extremo del segmento a la distancia r
Mc = M – V ∙ r
Vc = V
En el modelo CBFEM, la sección extrema del segmento se carga con el momento Mc y la fuerza Vc.
Al diseñar la junta, su posición real relativa al punto teórico de la junta debe determinarse y respetarse. Las fuerzas internas en la posición de la junta real son en su mayoría diferentes de las fuerzas internas en el punto teórico de la junta. Gracias al preciso modelo CBFEM, el diseño se realiza sobre fuerzas reducidas – véase el momento Mr en la siguiente figura:
Momento flector en el modelo CBFEM: la flecha señala la posición real de la unión
Al cargar la junta, debe respetarse que la solución de la junta real debe corresponderse con el modelo teórico utilizado para el cálculo de las fuerzas internas. Esto se cumple para juntas rígidas, pero la situación puede ser completamente diferente para articulaciones.
Posición de la articulación en el modelo teórico 3D de elementos finitos y en la estructura real
Como se ilustra en la figura anterior, la posición de la articulación en el modelo teórico de elementos 1D difiere de la posición real en la estructura. El modelo teórico no se corresponde con la realidad. Al aplicar las fuerzas internas calculadas, se aplica un momento flector significativo a la junta desplazada, y la junta diseñada resulta sobredimensionada o no puede diseñarse. La solución es sencilla: ambos modelos deben corresponderse. O bien la articulación en el modelo de elementos 1D debe definirse en la posición correcta, o bien la fuerza cortante debe desplazarse para obtener un momento nulo en la posición de la articulación.
Distribución desplazada del momento flector en la viga: el momento nulo está en la posición de la articulación
El desplazamiento de la fuerza cortante puede definirse en la tabla para la definición de la fuerza interna.
La ubicación del efecto de carga tiene una gran influencia en el diseño correcto de la unión. Para evitar malentendidos, permitimos al usuario seleccionar entre tres opciones: Nodo / Tornillos / Posición.
Tenga en cuenta que al seleccionar la opción Nodo, las fuerzas se aplican en el extremo de un elemento seleccionado, que generalmente se encuentra en el nodo teórico a menos que se establezca el desplazamiento del elemento seleccionado en la geometría.
Importar cargas desde programas de análisis por elementos finitos
IDEA StatiCa permite importar fuerzas internas desde programas de análisis por elementos finitos de terceros. Los programas de análisis por elementos finitos utilizan una envolvente de fuerzas internas de combinaciones. IDEA StatiCa Connection es un programa que resuelve la junta de acero de forma no lineal (modelo de material elástico/plástico). Por lo tanto, las combinaciones envolventes no pueden utilizarse. IDEA StatiCa busca los extremos de las fuerzas internas (N, Vy, Vz, Mx, My, Mz) en todas las combinaciones en los extremos de todos los elementos conectados a la junta. Para cada valor extremo, también se utilizan todas las demás fuerzas internas de esa combinación en todos los elementos restantes. IDEA StatiCa determina la combinación más desfavorable para cada componente (placa, soldadura, tornillo, etc.) en la unión.
El usuario puede modificar esta lista de casos de carga. Puede trabajar con combinaciones en el asistente (o BIM), o puede eliminar algunos casos directamente en IDEA StatiCa Connection.
¡Advertencia!
Es necesario tener en cuenta las fuerzas internas no equilibradas durante la importación. Esto puede ocurrir en los siguientes casos:
- Se aplicó una fuerza nodal en la posición del nodo investigado. El software no puede detectar qué elemento debe transferir esta fuerza nodal y, por lo tanto, no se tiene en cuenta en el modelo de análisis. Solución: No utilice fuerzas nodales en el análisis global. Si es necesario, la fuerza debe añadirse manualmente a un elemento seleccionado como fuerza normal o cortante.
- Un elemento cargado no metálico (generalmente de madera u hormigón) está conectado al nodo investigado. Dicho elemento no se considera en el análisis y sus fuerzas internas se ignoran en el análisis. Solución: Sustituya el elemento de hormigón por un bloque de hormigón y anclajes.
- El nodo forma parte de una losa o un muro (generalmente de hormigón). La losa o el muro no forman parte del modelo y sus fuerzas internas se ignoran. Solución: Sustituya la losa o el muro de hormigón por un bloque de hormigón y anclajes.
- Algunos elementos están conectados al nodo investigado mediante enlaces rígidos. Dichos elementos no están incluidos en el modelo y sus fuerzas internas se ignoran. Solución: Añada estos elementos a la lista de elementos conectados manualmente.
- Los casos de carga sísmicos se analizan en el software. La mayoría de los programas de análisis por elementos finitos ofrecen el análisis modal para resolver la sismicidad. Los resultados de las fuerzas internas de los casos de carga sísmicos proporcionan generalmente solo envolventes de fuerzas internas en las secciones. Debido al método de evaluación (raíz cuadrada de la suma de cuadrados – SRSS), las fuerzas internas son todas positivas y no es posible encontrar las fuerzas correspondientes al extremo seleccionado. No es posible lograr un equilibrio de fuerzas internas. Solución: Cambie manualmente el signo positivo de algunas fuerzas internas.