Resistencia a momento de uniones soldadas de acero viga-columna de sección abierta de eje fuerte

Este Informe ha sido desarrollado en el marco de una colaboración entre ISISE (Instituto para la Sostenibilidad e Innovación en Ingeniería Estructural) en La Universidad de Coimbra  e IDEA StatiCa. Este proyecto ha sido financiado conjuntamente por ambas entidades y elaborado por:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Resumen ejecutivo

Este informe presenta un análisis exhaustivo de uniones soldadas de acero viga-columna con un enfoque específico en el componente del alma de la columna a cortante, utilizando modelos 3D-FEM de alta calidad debidamente validados. El estudio comprende uniones viga-columna soldadas de sección abierta resistentes a momento de eje fuerte, con y sin rigidizadores transversales, cubriendo uniones unilaterales y bilaterales situadas en una planta intermedia (interior) o en la última planta (cubierta), y, para uniones interiores, con diferentes niveles de carga axial en la columna. El estudio abarca una amplia gama de situaciones en términos de esbeltez de la columna, relación de aspecto de la unión, configuración de la unión, rigidizadores, fuerza axial y relación de momentos (para uniones bilaterales). También se consideran aspectos relevantes del MEF, como el modelo de material, el tipo de análisis, la densidad de la malla, las imperfecciones iniciales, etc.

Este estudio comprende un año de trabajo en las siguientes áreas:

1. La lista de casos incluye casos con un 30%, 50% y 70% de carga axial.
2. Los grados de acero incluyen S235, S275 y S355.
3. Se analizan columnas laminadas, columnas con soldadura en ángulo y a tope.
4. Se ha incluido un estudio exhaustivo sobre las diferencias entre GMNA y MNA.
5. Se ha incluido un estudio exhaustivo sobre la influencia de la ley constitutiva del material.
6. Se estudia la influencia de las soldaduras en ángulo en el comportamiento de la unión.

Objetivos

El objetivo de este estudio es la evaluación de la resistencia a momento flector de eje fuerte de uniones soldadas en configuraciones viga-columna unilaterales y bilaterales con elementos de sección abierta (vigas y columnas), incluyendo la influencia de los rigidizadores transversales, utilizando: i) normativas europeas de diseño, ii) FEA (elementos sólidos 3D) e iii) IDEA StatiCa; y la comparación de los resultados obtenidos por cada método.

Metodología

1. Evaluar la resistencia de cálculo del componente del panel de alma para una amplia gama de uniones soldadas viga-columna mediante modelos 3D FEM de alta calidad, utilizados posteriormente como casos de referencia.
2. Comparar la resistencia de la unión con modelos CBFE (IDEA StatiCa), basados en elementos de lámina.
3. Analizar la posibilidad de mejorar las características y opciones predeterminadas ofrecidas por IDEA StatiCa para garantizar que se obtenga un valor de resistencia realista y seguro.
4. Comparar la resistencia de la unión con los resultados obtenidos a partir de las expresiones de diseño proporcionadas en el Eurocódigo 3, versiones actual y futura.
5. Evaluar las diferencias en la resistencia a momento producidas por el criterio de deformación plástica equivalente del 5% adoptado por IDEA StatiCa para definir la 'resistencia de cálculo' en la curva momento-rotación, frente a otros criterios habituales (como la reducción de la rigidez secante a 1/3 de la rigidez inicial).

Cuestiones abordadas

• ¿Cuál es la dispersión de los resultados?
• ¿Cuál es la influencia de los diferentes parámetros (esbeltez, relación de aspecto, relación de momentos flectores, rigidizadores transversales, fuerza axial, etc.) en estos resultados?
• ¿Cuál es la influencia de los componentes del alma de la columna en estos resultados?

Exclusiones

No se realiza ninguna evaluación de fiabilidad de los resultados del programa, ya que queda fuera del alcance de este estudio.

Resumen de conclusiones

El análisis de los resultados de Abaqus ha puesto de manifiesto las siguientes conclusiones:

1. En cuanto al criterio de deformación plástica equivalente del 5%, se ha demostrado que, para este tipo de unión, produce resultados de resistencia similares a los obtenidos con el mismo modelo numérico con una reducción de la rigidez secante a 1/3 de la rigidez inicial.
2. Las imperfecciones iniciales desempeñan un papel secundario en el comportamiento de las uniones analizadas; sin embargo, la no linealidad geométrica (análisis de 2.º orden) debe incluirse, especialmente en los casos en que existe carga axial.
3. La inclusión del endurecimiento por deformación produce un pequeño aumento medio del 4% en la resistencia; sin embargo, tiene un efecto considerable, de aproximadamente el 44% de media, en la rotación de la unión.

Los siguientes comentarios son relevantes para la implementación en IDEA StatiCa:

1. IDEA StatiCa, con la malla predeterminada del programa (versión 23.1) y MNA (análisis materialmente no lineal), proporciona resistencias superiores a las obtenidas con Abaqus. En promedio, un 6% superiores para columnas laminadas con soldaduras a tope, y aproximadamente un 11% para columnas soldadas con soldaduras a tope o en ángulo. Para columnas laminadas con soldaduras en ángulo, los resultados son, en promedio, idénticos a los de Abaqus. Las desviaciones máximas observadas para un caso individual son del 22% (columnas laminadas con soldaduras a tope) y del 53% (columnas soldadas con soldaduras a tope).
   Comentario de IDEA StatiCa: Esta situación se corrige mediante dos cambios implementados en la versión 25.0:
   - Análisis geométricamente no lineal
   - Área de extensión de la soldadura – reducida para soldaduras a tope, es decir, se reduce la resistencia de las columnas soldadas a tope
   
2. IDEA StatiCa con una malla refinada (reduciendo a la mitad el tamaño de la malla predeterminada) y GMNA (análisis geométrica y materialmente no lineal) proporciona resistencias que están en buena concordancia (dentro de ±5% de media) con los resultados de Abaqus. Las desviaciones máximas observadas para un caso individual son del 15% (columnas laminadas con soldaduras a tope), 5% (columnas laminadas con soldaduras en ángulo), 27% (columnas soldadas con soldaduras a tope) y 14% (columnas soldadas con soldaduras en ángulo).
   Comentario de IDEA StatiCa: Ya no es necesario reducir a la mitad la malla con los cambios mencionados en el punto anterior.
   
3. La influencia de las imperfecciones iniciales se estudió para uniones interiores unilaterales y se consideró despreciable.
   Comentario de IDEA StatiCa: Esto significa que GMNA es suficiente y GMNIA no es necesario para el rango de uniones investigado.
   
4. El análisis puramente materialmente no lineal sin efectos de 2.º^nd orden conduce a resultados no conservadores en caso de fuerza axial en la columna. Por lo tanto, se recomienda que el análisis geométricamente no lineal esté activado por defecto en el programa.
   Comentario de IDEA StatiCa: En la versión 25.0, el análisis geométricamente no lineal está disponible para cada unión. En la próxima actualización, se proporcionará una advertencia.
   
5. El tamaño de la malla desempeña un papel esencial en la precisión de los resultados. Un posible enfoque para estimar el valor convergido podría basarse en un proceso automatizado que reduzca a la mitad el tamaño de la malla y aplique la extrapolación de Richardson a la resistencia a momento obtenida con ambos valores.
   Comentario de IDEA StatiCa: La extrapolación de Richardson es posible al determinar las resistencias de carga. Sin embargo, no es posible para las verificaciones aprobadas/fallidas. Con los cambios mencionados anteriormente en la versión 25.0, la malla predeterminada ya proporciona resultados suficientemente precisos. 
6. El modelo de material implementado por IDEA StatiCa (con pendiente de endurecimiento por deformación E/1000) resulta en un aumento medio del 3% en la resistencia a momento en comparación con los resultados obtenidos con material elástico perfectamente plástico.

Lea el informe completo en el archivo adjunto.

Descargas adjuntas

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)