Secciones huecas rectangulares

Descripción

En este capítulo, se verifican mediante CBFEM uniones uniplanares soldadas de secciones huecas rectangulares, cuadradas y huecas tipo T, X y K con separación. El montante de sección hueca cuadrada (SHS) se suelda directamente sobre un cordón RHS sin el uso de placas de refuerzo. Las uniones están cargadas por una fuerza axial. En CBFEM, la resistencia de cálculo está limitada por el 5 % de deformación o una fuerza correspondiente a una deformación de la unión de 0,03b₀ y en FMM generalmente por la deformación fuera del plano de la placa 0,03b₀ donde b₀ es el canto del cordón RHS; véase Lu et al. (1994).

Método de modos de fallo

En el caso de las uniones T, Y, X o K con separación de secciones huecas rectangulares soldadas cargadas axialmente, pueden producirse cinco modos de fallo. Estos son el fallo de la cara del cordón, la plastificación del cordón, el fallo de la pared lateral del cordón, el fallo del alma del cordón, el fallo por cortante del cordón, el fallo por punzonamiento y el fallo del montante. En este estudio, se examinan el fallo de la cara del cordón, el fallo del montante y el fallo por punzonamiento para las uniones T, Y y X, y el fallo de la cara del cordón, el fallo por cortante del cordón, el fallo del montante y el fallo por punzonamiento para la unión K con separación; véase la Fig. 7.2.1. Las soldaduras diseñadas según EN 1993-1-8:2005 no son los componentes más débiles de la unión.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.1 Modos de fallo examinados: a) Fallo de la cara del cordón, b) Fallo por cortante del cordón, c) Fallo del montante y d) Fallo por punzonamiento}}}\]

Fallo de la cara del cordón

La resistencia de cálculo de la cara del cordón RHS se determina mediante el modelo FMM en la sección 9.5 de EN 1993‑1-8:2020. El método también se recoge en ISO/FDIS 14346 y se describe en detalle en Wardenier et al. (2010). La resistencia de cálculo de la unión T, Y o X de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0^2}{\sin{\theta_i}} \left ( \frac{2 \eta}{(1-\beta) \sin{\theta_i}} + \frac{4}{\sqrt{1-\beta}} \right ) Q_f / \gamma_{M5} \]

La resistencia de cálculo de la unión K con separación de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = 8.9 C_f \beta \gamma^{0.5} \frac{f_{y,0} t_0^2}{\sin{\theta_i}} Q_f / \gamma_{M5} \]

donde C_f es el factor de material, f_y0 es el límite elástico del cordón, t₀ es el espesor de pared del cordón, η es la relación entre la altura del montante y el ancho del cordón, β es la relación entre el ancho del montante y el ancho del cordón, q_i es el ángulo entre el montante i y el cordón (i = 1, 2), Q_f es la función de tensión del cordón y γ es la relación de esbeltez del cordón.

Fallo del montante

La resistencia de cálculo de la cara del cordón RHS puede determinarse utilizando el método proporcionado por el modelo FMM en la sección 9.5 de EN 1993-1-8:2020. La resistencia de cálculo de la unión T, Y o X de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = C_f f_{yi} t_i (2 h_i - 4 t_i + 2 b_{eff} ) / \gamma_{M5} \]

La resistencia de cálculo de la unión K con separación de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = C_f f_{yi} t_i (2 h_i - 4 t_i + b_i + b_{eff} ) / \gamma_{M5} \]

donde C_f es el factor de material, f_yi es el límite elástico del montante i (i = 1, 2), t_i es el espesor de pared del montante i, h_i es la altura del montante i, b_i es el ancho del montante i, b_eff es el ancho eficaz del montante.

Punzonamiento

La resistencia de cálculo de la unión T, Y o X de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}} \left( \frac{2h_i}{\sin{\theta_i}} + 2b_{e,p} \right ) / \gamma_{M5} \]

La resistencia de cálculo de la unión K con separación de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = C_f \frac{f_{y0} t_0}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}} \left( \frac{2h_i}{\sin{\theta_i}} + b_i+b_{e,p} \right ) / \gamma_{M5} \]

Donde C_f es el factor de material, f_y0 es el límite elástico del cordón, t₀ es el espesor de pared del cordón, q_i es el ángulo entre el montante i y el cordón (i = 1, 2), h_i es la altura del montante i, b_i es el ancho del montante i y b_e,p es el ancho eficaz para el punzonamiento.

Fallo por cortante del cordón

La resistencia de cálculo de la unión K con separación de secciones huecas rectangulares soldadas cargada axialmente es

\[ N_{i,Rd} = \frac{f_{y0}A_{V,0,gap}}{\sqrt{3}\sin{\theta_i}}/\gamma_{M5} \]

donde f_y0 es el límite elástico del cordón, A_v,0,gap es el área eficaz para el fallo por cortante del cordón y q_i es el ángulo entre el montante i y el cordón (i = 1, 2).

Rango de validez

El CBFEM fue verificado para uniones típicas T, Y, X y K con separación de secciones huecas rectangulares soldadas. El rango de validez para estas uniones se define en la Tabla 9.2 del prEN 1993-1-8:2020; véase Tab. 7.2.1. El mismo rango de validez se aplica al modelo CBFEM. Fuera del rango de validez del FMM, se debe preparar un experimento para la validación o realizar una verificación según un modelo de investigación validado.

Tab. 7.2.1 Rango de validez para el método de modos de fallo, Tabla 9.2 de EN 1993-1-8:2020

7.2.2 Unión uniplanar T e Y-SHS

En la Tab. 7.2.2 se ofrece una visión general de los ejemplos considerados. Los casos seleccionados cubren un amplio rango de relaciones geométricas de las uniones. La geometría de las uniones con dimensiones se muestra en la Fig. 7.2.2. Las uniones seleccionadas fallaron según el método basado en FMM por fallo de la cara del cordón o fallo del montante.

Tab. 7.2.2 Resumen de ejemplos

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.2 Dimensiones de la unión T}}}\]

Verificación de la resistencia

Los resultados del FMM se comparan con los resultados del CBFEM. La comparación se centra en la resistencia y el modo de fallo de cálculo. Los resultados se presentan en la Tab. 7.2.3.

Tab. 7.2.3 Comparación de los resultados de las resistencias de cálculo a tracción/compresión predichas por CBFEM y FMM

El estudio muestra una buena concordancia para los casos de carga aplicados. Los resultados se resumen en un diagrama que compara las resistencias de cálculo del CBFEM y el FMM; véase la Fig. 7.2.3. Los resultados muestran que la diferencia entre los dos métodos de cálculo es en todos los casos inferior al 10 %.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.3 Verificación de la resistencia determinada por CBFEM frente a FMM para la unión uniplanar SHS T e Y}}}\]

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Cordón

• Acero S355
• Sección SHS 200×200×6.3

Montante

• Acero S355
• Sección SHS 90×90×8.0
• Ángulo entre el montante y el cordón 90°

Soldadura

• Soldadura a tope

Tamaño de malla

• 16 elementos en el alma mayor del elemento hueco rectangular

Carga

• Por fuerza en el montante a compresión/tracción

Resultados

• La resistencia de cálculo a compresión/tracción es N_Rd = 92.6 kN
• El modo de fallo de cálculo es el fallo de la cara del cordón

Unión uniplanar X-SHS

En la Tab. 7.2.4 se ofrece una visión general de los ejemplos considerados. Los casos seleccionados cubren un amplio rango de relaciones geométricas de las uniones. Las uniones seleccionadas fallaron según el método basado en FMM por fallo de la cara del cordón o fallo del montante.

Tab. 7.2.4 Resumen de ejemplos

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.4 Dimensiones de la unión X}}}\]

Verificación de la resistencia

Los resultados del método basado en modos de fallo (FMM) se comparan con los resultados del CBFEM. La comparación se centra en la resistencia y el modo de fallo de cálculo; véase Tab. 7.2.5.

Tab. 7.2.5 Comparación de los resultados de predicción de la resistencia por CBFEM y FMM

El estudio muestra una buena concordancia para los casos de carga aplicados. Los resultados se resumen en un diagrama que compara las resistencias de cálculo del CBFEM y el FMM; véase la Fig. 7.2.4. Los resultados muestran que la diferencia entre los dos métodos de cálculo es en todos los casos inferior al 13 %.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.5 Verificación de la resistencia determinada por CBFEM frente a FMM para la unión uniplanar SHS X}}}\]

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Cordón

• Acero S355
• Sección SHS 200×200×6,3

Montantes

• Acero S355
• Secciones SHS 140×140×12,5
• Ángulo entre los montantes y el cordón 90°

Soldaduras

• Soldaduras a tope

Tamaño de malla

• 16 elementos en el alma mayor del elemento hueco rectangular

Carga

• Por fuerza en el montante a compresión/tracción

Resultados

• La resistencia de cálculo a compresión/tracción es N_Rd = 152.4 kN
• El modo de fallo de cálculo es el fallo de la cara del cordón

7.2.4 Unión uniplanar K-SHS

En la Tab. 7.2.6 se ofrece una visión general de los ejemplos considerados. Los casos seleccionados cubren un amplio rango de relaciones geométricas de las uniones. Las uniones seleccionadas fallaron según el método basado en FMM por fallo de la cara del cordón o fallo del montante.

Tab. 7.2.6 Resumen de ejemplos

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.6 Dimensiones de la unión K}}}\]

Verificación

Los resultados del CBFEM se comparan con los resultados del FMM. La comparación se centra en la resistencia y el modo de fallo de cálculo. Los resultados se presentan en la Tab. 7.2.7.

Tab. 7.2.7 Comparación de los resultados de predicción de resistencias por CBFEM y FMM

El estudio muestra una buena concordancia para los casos de carga aplicados. Los resultados se resumen en un diagrama que compara las resistencias de cálculo del CBFEM y el FMM; véase la Fig. 7.2.5. Los resultados muestran que el CBFEM es conservador en todos los casos en comparación con el FMM.

\[ \Fig. 7.2.7 Verificación de la resistencia determinada por CBFEM frente a FMM para la unión uniplanar SHS K}}}\]

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Cordón

• Acero S355
• Sección SHS 180×180×10,0

Montantes

• Acero S355
• Secciones SHS 70×70×3,0
• Ángulo entre los montantes y el cordón 45°

Soldaduras

• Soldaduras a tope

Tamaño de malla

• 16 elementos en el alma mayor del elemento hueco rectangular

Carga

• Por fuerza en el montante a compresión/tracción

Resultados

• La resistencia de cálculo a compresión/tracción es N_Rd = 257.5 kN
• El modo de fallo de cálculo es el fallo de la cara del cordón