Verificación de los cálculos de IDEA StatiCa para el diseño de uniones de acero (AISC)

Autores:

• Baris Kasapoglu, estudiante de doctorado (Departamento de Ingeniería Civil, Medioambiental y Geodésica)
• Rafael Arthur Giorjao, Ph.D. (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales)
• Ali Nassiri, Ph.D. (Departamento de Ingeniería de Sistemas Integrados)
• Halil Sezen, Ph.D. (Departamento de Ingeniería Civil, Medioambiental y Geodésica)

Junio de 2021

Introducción

En el campo de la ingeniería estructural y civil, comprender el comportamiento estructural y la integridad del edificio es fundamental para garantizar la seguridad de sus ocupantes. Sin embargo, resulta un desafío analizar y determinar el comportamiento de una estructura compleja cuando está sometida a una variedad de condiciones de carga mediante métodos analíticos convencionales. Por ello, el Análisis por Elementos Finitos (FEA) es una herramienta valiosa para modelar numéricamente estructuras físicas demasiado complejas para soluciones analíticas. El objetivo principal de este informe es evaluar los resultados de FEA obtenidos del paquete de software IDEA StatiCa para tres grupos de uniones de acero comunes utilizadas en los Estados Unidos (es decir, uniones simples, semirrígidas y rígidas), y compararlos con los datos experimentales disponibles y los resultados calculados con otro software FEA, ABAQUS. La respuesta de la junta viga-columna obtenida del software IDEA StatiCa se compara entonces con los cálculos de diseño realizados siguiendo los requisitos de la norma AISC 360, Especificación para Edificios de Acero Estructural (2016), y el Manual de Construcción de Acero AISC (2017).

Este informe incluye cuatro capítulos. En los Capítulos 1–3, se seleccionó de la literatura un diseño de unión validado experimentalmente para cada tipo de unión como modelo base. Las verificaciones normativas y los cálculos de diseño se realizaron de acuerdo con los códigos de construcción de EE. UU. para cada modelo base y sus diez variaciones. Luego, los resultados se compararon con las predicciones de IDEA StatiCa. Adicionalmente, los resultados de FEA de IDEA StatiCa se compararon con los de ABAQUS. Todos los pasos necesarios y los detalles de todas las verificaciones geométricas y de diseño según los códigos de diseño AISC se incluyen en los apéndices. El último capítulo contiene la evaluación general del software IDEA StatiCa en términos de su precisión y compatibilidad con los requisitos de los códigos de construcción de EE. UU. para las uniones de acero.

1 UNIONES SIMPLES

En este estudio, las capacidades de resistencia de diseño de diez especímenes de uniones articuladas se calcularon siguiendo los requisitos de AISC 360 (2016) y el Manual de Construcción AISC (2017). Cuatro especímenes de ensayo fueron seleccionados del estudio experimental realizado por McMullin y Astaneh (1988) en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de California, Berkeley. Se desarrollaron seis modelos adicionales para fines de verificación modificando los parámetros en base a los especímenes de ensayo disponibles. Luego, el modelo base fue analizado usando ABAQUS (2020) e IDEA StatiCa (Versión 20.1.3471.1) y los resultados fueron comparados.

Estudio Experimental

Se ensayaron siete especímenes de uniones viga-columna de acero a escala real y los resultados fueron presentados en McMullin y Astaneh (1988). Cada espécimen de unión fue atornillado a la viga y soldado a la columna con secciones de doble angular. El objetivo principal de estos ensayos es aplicar únicamente fuerza cortante en la unión con muy poca flexión o momento. Para lograr este objetivo, el actuador cerca de la unión aplica la fuerza cortante. El actuador cerca del extremo del voladizo tiene como objetivo mantener la viga horizontal y limitar la rotación (flexión) de la unión. 

Diagrama de la instrumentación utilizada durante el experimento (McMullin y Astaneh, 1988)

Cálculos de Diseño Normativo y Comparaciones

Las capacidades de resistencia de diseño (\(\phi\)R_n) de las uniones se calcularon siguiendo los requisitos de la Especificación AISC para Edificios de Acero Estructural (AISC 360, 2016) y el Manual de Construcción de Acero AISC (Manual AISC, 2017). La resistencia nominal, R_n, y el factor de resistencia correspondiente, \(\phi\), para cada estado límite de diseño de la unión para el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) se proporcionan en el Capítulo J de AISC 360. Las siguientes 13 verificaciones de diseño se realizaron de acuerdo con las ecuaciones de diseño LRFD incluidas en AISC 360 o el Manual AISC.

• Verificación de Cortante en Pernos                                                       (Ec. J3-1, AISC 360-16)
• Verificación de Tracción en Pernos                                                     (Ec. J3-1, AISC 360-16)
• Aplastamiento de Pernos en Viga                                                (AISC 360-16, Ec. J3-6a)
• Desgarro de Pernos en Viga                                                (AISC 360-16, Ec. J3-6c)
• Aplastamiento de Pernos en Angulares                                              (AISC 360-16, Ec. J3-6a)
• Desgarro de Pernos en Angulares                                               (AISC 360-16, Ec. J3-6c)
• Rotura por Cortante en Angulares (Lado Viga)                      (AISC 360-16, Ec. J4-4)
• Rotura por Bloque de Cortante en Angulares (Lado Viga)                          (AISC 360-16, Ec. J4-5)
• Plastificación por Cortante en Angulares                                           (AISC 360-16, Ec. J4-3)
• Plastificación por Cortante en Viga                                             (AISC 360-16, Ec. J4-3)
• Rotura de Soldaduras en Angulares (Lado Apoyo)                  (Página 9-5, Manual AISC)
• Capacidad de Soldadura                                                             (Página 10–11, Manual AISC)
• Capacidad de Soldadura (sin excentricidad)                                 (AISC 360-16, Ec. J4-2)

Análisis con IDEA StatiCa

IDEA StatiCa verifica cuatro escenarios de fallo diferentes para este tipo de unión de acero: (1) fallo de la placa, (2) fallo del perno, (3) fallo de la soldadura y (4) pandeo. Los cuatro especímenes de ensayo seleccionados (Tabla 1.4) y seis modelos adicionales (Tabla 1.6) fueron modelados en IDEA StatiCa y analizados bajo una fuerza cortante, como se muestra en la Figura 1.9. En el software, la ubicación de la fuerza cortante puede seleccionarse arbitrariamente. Se investigaron dos ubicaciones de la fuerza cortante: (1) en los pernos y (2) en la cara de la columna.

Comparación de capacidades a cortante: Cuatro especímenes ensayados

Comparación de capacidades a cortante: seis modelos adicionales 

Resumen y Comparación de Resultados

Se calcularon dos capacidades de soldadura diferentes para cada espécimen de ensayo siguiendo los requisitos de diseño LRFD de AISC. Para los mismos cuatro especímenes de ensayo, se calcularon dos capacidades de soldadura diferentes a partir de los modelos de IDEA StatiCa aplicando la fuerza cortante en diferentes ubicaciones. En todos los escenarios de carga, se encontró que el componente más débil de las uniones era la soldadura. Las resistencias mínimas calculadas correspondientes a las capacidades de soldadura se presentan y comparan con la capacidad última de cortante en soldadura medida durante el experimento.

Las capacidades de soldadura de los especímenes de ensayo se calcularon de dos maneras diferentes siguiendo los requisitos del código LRFD de AISC (AISC 360-16 y Manual AISC, 2017). Para el Ensayo N.º 4, si se sigue la Ecuación J2.4 del AISC 360-16, la capacidad de diseño de la soldadura del espécimen se calcula como 228,3 kips. En esta solución, no se tiene en cuenta ninguna excentricidad. Para comparar este enfoque con el análisis de IDEA StatiCa, la fuerza cortante vertical se aplicó sobre la soldadura (paralela a la línea de soldadura) y la capacidad de soldadura de este espécimen se calculó como 216,6 kips, lo cual es muy cercano al calculado con la Ecuación J2.4 del AISC 360-16 (228,3 kips).

Cuando la fuerza cortante se aplica sobre los pernos (fuerza vertical externa paralela a la línea de pernos) en el modelo de IDEA StatiCa, la capacidad de la unión se calculó como 130,2 kips. Si la capacidad de soldadura se calcula siguiendo la ecuación de resistencia de soldadura LRFD (Página 10-11 del Manual de Construcción AISC, 2017), que considera la excentricidad de la carga en el lado del apoyo, la capacidad de soldadura del espécimen se calcula como 186,8 kips. Sin embargo, de forma conservadora, esta ecuación LRFD de AISC no tiene en cuenta la excentricidad resultante de la separación entre los pernos y la soldadura. Se cree que esta suposición es la razón de la diferencia entre los resultados calculados con IDEA StatiCa y la ecuación de resistencia LRFD del Manual AISC (2017).

Comparación de Resultados de IDEA StatiCa y ABAQUS

En general, hubo buena concordancia entre los resultados de los dos paquetes de software. En el caso 1, en el que la carga se aplicó en el centroide del grupo de pernos, se observó mayor deformación en los angulares dobles en el modelo ABAQUS. Además, la tensión máxima predicha en la viga, la columna y las líneas de soldadura fue ligeramente mayor en el modelo ABAQUS. Asimismo, se observó una distribución de tensiones ligeramente diferente en la viga en el modelo ABAQUS. Si bien aplicar la carga en el grupo de pernos no es habitual en el software de elementos finitos tradicional, dicha discrepancia podría estar asociada a diferentes formulaciones de contacto o tipos de elementos (es decir, elemento sólido en ABAQUS frente a elemento de lámina en IDEA StatiCa). Además, debido a la naturaleza de la restricción de unión, se obtuvieron tensiones mayores en la columna en el modelo ABAQUS. En el caso 2, en el que la carga se aplicó sobre las líneas de soldadura, se observó una concordancia mucho mejor entre los dos modelos. En ambos modelos, se encontró que el componente más débil de las uniones eran las líneas de soldadura. Esto también es coherente con las verificaciones normativas de diseño LRFD. 

Tensión de von Mises predicha entre los modelos de IDEA StatiCa y ABAQUS; caso 1 (fila superior): la carga cortante se aplicó en el centroide del grupo de pernos, y caso 2 (fila inferior): la carga cortante se aplicó sobre las líneas de soldadura

2 UNIONES SEMIRRÍGIDAS

En este capítulo, las capacidades de resistencia de diseño de diez especímenes de uniones semirrígidas se calcularon siguiendo los requisitos de AISC 360 (2016) y el Manual de Construcción AISC (2017). Estos especímenes fueron seleccionados del estudio experimental realizado por Azizinamini et al. (1985) en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Carolina del Sur. Todos los especímenes fueron analizados usando IDEA StatiCa mientras que uno de ellos fue analizado usando ABAQUS (2020). Luego, los resultados fueron comparados.

Estudio Experimental sobre Uniones Semirrígidas

Varias uniones semirrígidas compuestas por angulares dobles y alas de viga superior e inferior fueron sometidas a cargas estáticas y cíclicas para investigar su comportamiento momento-rotación. Se ensayó un par de especímenes al mismo tiempo, como se muestra en la Figura 2.1. Un lado de las secciones de viga fue atornillado a la columna y el otro lado fue apoyado por asientos de tipo rodillo. El movimiento vertical del muñón de columna fue permitido por guías de rodillo unidas a la parte superior e inferior de la columna. El actuador hidráulico se utilizó para aplicar la carga sobre la columna y la unión transfirió la carga a las vigas.

Configuración de ensayo utilizada por Azizinamini et al. (1985)

Cálculos de Diseño Normativo y Comparaciones

Las capacidades de resistencia de diseño (\(\phi\)R_n) de las uniones se calcularon siguiendo los requisitos de AISC 360 (2016) y el Manual AISC (2017). La resistencia nominal, R_n, y el factor de resistencia correspondiente, \(\phi\) para cada estado límite LRFD de diseño de la unión se proporcionan en el Capítulo J de AISC 360. Se asume que los angulares superior e inferior proporcionan resistencia a momento, y el angular doble de alma se utiliza para la resistencia a cortante de la unión de forma conservadora.

Capacidad de resistencia de diseño de los angulares dobles de alma

Las siguientes 14 verificaciones de diseño se realizaron de acuerdo con las ecuaciones de diseño LRFD incluidas en AISC 360 o el Manual AISC para la capacidad de resistencia de diseño del angular doble de alma.

• Angular (Lado viga)
  • Cortante en pernos                                                                 Ec. J3-1, AISC 360-16
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                            Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastificación por cortante                                                             Ec. J4-3, AISC 360-16
  • Rotura por cortante                                                              Ec. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloque de cortante                                                                 Ec. J4-5, AISC 360-16          
• Angular (Lado columna)
  • Cortante en pernos                                                                   Ec. J3-1, AISC 360-16            
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                           Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastificación por cortante                                                            Ec. J4-3, AISC 360-16          
  • Rotura por cortante                                                             Ec. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloque de cortante                                                                Ec. J4-5, AISC 360-16          
  • Capacidad de tracción resultante por efecto de palanca         Parte 9, Manual AISC
• Viga
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                           Ec. J3-6, AISC 360-16
  • Plastificación por cortante                                                            Ec. J4-3, AISC 360-16
• Columna
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                            Ec. J3-6, AISC 360-16

La capacidad de diseño de dos angulares dobles de alma (en los especímenes 14S1 y 14S2) estuvo controlada por la rotura por bloque de cortante de los pernos en el angular unido a la viga, mientras que el aplastamiento y desgarro de los pernos en la viga controló las capacidades de diseño a cortante de los otros ocho especímenes.

Capacidad de resistencia de diseño de los angulares de asiento superior e inferior

Las siguientes 16 verificaciones de diseño se realizaron de acuerdo con las ecuaciones LRFD incluidas en AISC 360 o el Manual AISC para la capacidad de resistencia de diseño del angular superior e inferior de asiento.

• Angular Superior e Inferior de Asiento (Lado Viga)
  • Plastificación por tracción                                                         Ec. J4-1, AISC 360-16
  • Rotura por tracción                                                           Ec. J4-2, AISC 360-16
  • Compresión                                                               Sec. J4.4, AISC 360-16         
  • Cortante en pernos                                                                  Ec. J3-1, AISC 360-16          
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                            Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Rotura por bloque de cortante                                                     Ec. J4-5, AISC 360-16          
• Angular Superior e Inferior de Asiento (Lado Columna)
  • Plastificación por cortante                                                             Ec. J4-3, AISC 360-16          
  • Rotura por cortante                                                              Ec. J4-4, AISC 360-16          
  • Capacidad de tracción por efecto de palanca                           Página 9-10, Manual AISC       
• Viga
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                            Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Resistencia a flexión                                                        Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Rotura por bloque de cortante                                                     Ec. J4-5, AISC 360-16          
• Columna
  • Cortante del panel de alma                                                         Ec. J10-9, AISC 360-16        
  • Pandeo local del ala                                                  Ec. J10-1, AISC 360-16        
  • Plastificación local del alma                                                         Ec. J10-2, AISC 360-16        
  • Abolladura local del alma                                                     Ec. J10-4, AISC 360-16        

Las capacidades de diseño de todos los angulares superiores e inferiores de asiento estuvieron controladas por la capacidad de tracción debida a la fuerza de palanca en los pernos del angular atornillado a la columna. La capacidad de diseño de todos los angulares superiores e inferiores de asiento estuvo controlada por la capacidad de tracción debida a la fuerza de palanca.

Análisis con IDEA StatiCa

Los diez especímenes de ensayo fueron modelados en IDEA StatiCa y analizados bajo una fuerza cortante aplicada a una cierta distancia de la columna. La distancia se seleccionó para ser igual a la existente entre el eje de la columna y el apoyo de la viga. Se asume que el apoyo de la viga está a 120 pulg. del eje de la columna para los primeros cuatro especímenes, mientras que era de 72 pulg. para los otros seis especímenes. Todos los especímenes fallan porque los angulares superiores unidos a la columna superan el límite de deformación plástica, que el software define como el 5%. 

Los diagramas momento-rotación junto con las resistencias determinadas por el cálculo tradicional AISC (azul) e IDEA StatiCa (naranja) se muestran en las siguientes imágenes.

Relación momento-rotación del Ensayo N.º: 14S1 (izquierda) y 14S2 (derecha)

Relación momento-rotación del Ensayo N.º: 14S3 (izquierda) y 14S4 (derecha)

Relación momento-rotación del Ensayo N.º: 8S1 (izquierda) y 8S2 (derecha)

Relación momento-rotación del Ensayo N.º: 8S3 (izquierda) y 8S4 (derecha)

Relación momento-rotación del Ensayo N.º: 8S5 (izquierda) y 8S6 (derecha)

Análisis con ABAQUS

En esta sección, los resultados obtenidos de IDEA StatiCa se compararon con los del paquete de software ABAQUS (2020). En este estudio, el espécimen del Ensayo N.º 14S1 fue elegido como modelo base. Se realizaron simulaciones numéricas con condiciones casi idénticas (es decir, en términos de propiedades de los materiales, condiciones de contorno y carga) utilizando tanto IDEA StatiCa como ABAQUS. El modelo fue diseñado inicialmente en IDEA StatiCa y luego el conjunto (incluyendo viga, columna, angulares de alma y angulares superior e inferior de asiento) fue importado a ABAQUS utilizando la plataforma de visualización de IDEA StatiCa. Posteriormente, se diseñó un modelo simplificado para el perno y se añadió al modelo ABAQUS.

Configuración del modelo de unión semirrígida en ABAQUS

En ABAQUS, el tipo de elemento fue C3D8R (tensión 3D, ladrillo lineal de 8 nodos, integración reducida), y se generaron un total de 562.377 elementos en el modelo. 

Densidades de malla del modelo ABAQUS

Las simulaciones numéricas se realizaron en cuatro procesadores (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) y cada simulación tardó aproximadamente 535 minutos en completarse. 

Comparación de la tensión de von Mises predicha entre IDEA StatiCa y ABAQUS

Comparación de vista lateral entre IDEA StatiCa y ABAQUS con un factor de escala de deformación de diez  

En general, hubo buena concordancia entre los resultados de los dos paquetes de software. Sin embargo, se capturó mayor deformación en los angulares de alma y en las alas superior e inferior en el modelo de IDEA StatiCa. Además, las distribuciones de tensiones en los angulares de alma fueron ligeramente diferentes entre los dos modelos. Esto se debe muy probablemente al hecho de que en el modelo ABAQUS se utilizaron elementos sólidos con integración reducida. En ambos modelos, se encontró que el componente más débil del conjunto era el ala superior en tracción bajo la fuerza cortante aplicada hacia abajo, lo que introduce tracción en el ala superior. 

3 UNIONES RÍGIDAS

En este capítulo, las capacidades de resistencia de diseño de diez especímenes de uniones rígidas se calcularon siguiendo los requisitos de AISC 360 (2016) y el Manual de Construcción AISC (2017). El espécimen base fue seleccionado del estudio experimental realizado por Sato et al. (2007) en el Departamento de Ingeniería Estructural de la Universidad de California, San Diego. El espécimen base y nueve modelos de variación adicionales fueron analizados usando IDEA StatiCa, mientras que el espécimen base también fue analizado usando ABAQUS (2020). 

Estudio Experimental sobre Uniones Rígidas

Tres uniones de momento con placa de ala atornillada (BFP) a escala real fueron sometidas a ensayos cíclicos en la Universidad de California, San Diego. Todos los especímenes cumplieron los requisitos de las Disposiciones Sísmicas AISC para Edificios de Acero Estructural para las uniones viga-columna de pórticos de momento especiales. La distancia de arriostramiento lateral para los especímenes se determinó de acuerdo con esta disposición. Los desplazamientos verticales fueron aplicados por un actuador hidráulico en el extremo de la viga.

Cálculos de Diseño Normativo y Comparaciones

Las capacidades de resistencia de diseño (\(\phi\)R_n) de diez uniones rígidas se calcularon siguiendo los requisitos de la Especificación AISC para Edificios de Acero Estructural (AISC 360, 2016) y el Manual de Construcción de Acero AISC (Manual AISC, 2017). La resistencia nominal, R_n, y el factor de resistencia correspondiente, \(\phi\), para cada estado límite de diseño de la unión para el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) se proporcionan en el Capítulo J de AISC 360.

Capacidad de resistencia de diseño de las placas de alma simples

Las siguientes ocho verificaciones de diseño se realizaron de acuerdo con las ecuaciones de diseño LRFD incluidas en AISC 360 o el Manual AISC para las capacidades de resistencia de diseño de la placa de alma simple.

• Placa de Alma
  • Cortante en pernos                                                                 Ec. J3-1, AISC 360-16
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                           Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastificación por cortante                                                            Ec. J4-3, AISC 360-16
  • Rotura por cortante                                                             Ec. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloque de cortante                                                               Ec. J4-5, AISC 360-16
  • Cortante de soldadura                                                                  Ec. 8-2, Manual AISC
• Viga
  • Cortante en pernos                                                                  Ec. J3-1, AISC 360-16
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                            Ec. J3-6, AISC 360-16

De las capacidades de diseño calculadas para los diez especímenes de ensayo, la capacidad de diseño del modelo 2 estuvo controlada por la rotura por cortante, mientras que el cortante en pernos provocó el fallo en los otros ocho especímenes.

Capacidad de resistencia de diseño de las placas de ala

Las siguientes 13 verificaciones de diseño se realizaron de acuerdo con las ecuaciones de diseño LRFD incluidas en AISC 360 o el Manual AISC para las capacidades de resistencia de diseño de las placas de ala.

• Placa de Ala
  • Cortante en pernos                                                                 Ec. J3-1, AISC 360-16
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                             Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastificación por tracción                                                          Ec. J4-3, AISC 360-16          
  • Rotura por tracción                                                            Ec. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloque de cortante                                                     Ec. J4-5, AISC 360-16          
  • Compresión                                                               Sec. J4-4, AISC 360-16         
• Viga
  • Aplastamiento y desgarro de pernos                                             Ec. J3-6, AISC 360-16          
  • Flexión                                                                       Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Rotura por bloque de cortante                                                     Ec. J4-5, AISC 360-16          
• Columna
  • Cortante del panel de alma                                                          Ec. J10-9, AISC 360-16        
  • Pandeo local del ala                                                   Ec. J10-1, AISC 360-16        
  • Plastificación local del alma                                                        Ec. J10-2, AISC 360-16        
  • Abolladura local del alma                                                     Ec. J10-4, AISC 360-16        

De las capacidades de diseño calculadas para los diez especímenes de ensayo, la capacidad de diseño de siete especímenes estuvo controlada por el cortante en la zona del panel de alma, dos especímenes estuvieron controlados por el cortante en pernos y un espécimen estuvo controlado por la rotura por bloque de cortante. Las capacidades a momento de los especímenes se calcularon multiplicando la capacidad de diseño determinante por el brazo de momento indicado en la Tabla 3.5. El brazo de momento es igual al canto de la viga para el cortante en pernos, mientras que es igual a la suma del canto de la viga y el espesor de la placa para las resistencias al cortante en la zona del panel de alma y a la rotura por bloque de cortante (BFP, modelos 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 8). 

Análisis con IDEA StatiCa

Los diez especímenes de uniones de acero rígidas fueron modelados en IDEA StatiCa y analizados bajo una fuerza cortante aplicada a 177,5 pulg. del eje de la columna, tal como se indica en el informe de ensayo. La fuerza cortante se incrementó de forma progresiva hasta que las uniones alcanzaron sus capacidades en IDEA StatiCa. 

Análisis con ABAQUS

En esta sección, los resultados obtenidos de IDEA StatiCa se compararon con el paquete de software ABAQUS (versión 2020). El ensayo BFP fue elegido como modelo base. Se realizaron simulaciones numéricas con condiciones casi idénticas (es decir, en términos de propiedades de los materiales, condiciones de contorno y carga) utilizando tanto IDEA StatiCa como ABAQUS. El modelo fue diseñado inicialmente en IDEA StatiCa y luego el conjunto (incluyendo viga, columna y placas) fue importado a ABAQUS utilizando la plataforma de visualización de IDEA StatiCa. Posteriormente, se diseñó un modelo simplificado para el perno y se añadió al modelo ABAQUS.

Configuración del modelo en ABAQUS

En ABAQUS, el tipo de elemento fue C3D8R (tensión 3D, ladrillo lineal de 8 nodos, integración reducida), y se generaron un total de 681.016 elementos en el modelo. Las simulaciones numéricas se realizaron en ocho procesadores (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) y la simulación tardó aproximadamente 685 minutos. 

Hubo buena concordancia entre los resultados de los dos paquetes de software. Las distribuciones de tensiones en la viga y la columna fueron muy similares. Sin embargo, se predijeron tensiones ligeramente superiores en la columna, la placa 1 y los rigidizadores en el modelo ABAQUS, lo cual se debe muy probablemente a la naturaleza de la restricción de unión. La carga predicha en los pernos y los grupos de soldadura también fue muy similar entre los dos softwares. 

4 RESUMEN Y CONCLUSIONES

IDEA StatiCa es un paquete de software de análisis por elementos finitos (FEA) basado en componentes para el diseño de uniones de acero. Puede utilizarse para la evaluación estructural o el diseño de una variedad de uniones de acero estructural soldadas y atornilladas y placas base. El objetivo principal de este informe fue verificar los resultados de FEA obtenidos del paquete de software IDEA StatiCa para tres tipos de uniones de acero de uso común en los Estados Unidos (es decir, simples, semirrígidas y rígidas) de acuerdo con los códigos de construcción de EE. UU. La respuesta experimental medida estaba disponible para los especímenes de unión seleccionados para fines de verificación en este estudio. Para cada tipo de unión y sus diez variaciones, en primer lugar, se realizaron las verificaciones normativas y los cálculos siguiendo los requisitos de la norma AISC 360, Especificación para Edificios de Acero Estructural (2016), y el Manual de Construcción de Acero AISC (2017). Luego, los resultados se compararon con las predicciones de IDEA StatiCa. Adicionalmente, los resultados de IDEA StatiCa se compararon con ABAQUS, que es otro código FEA robusto en el mercado. Las respuestas medidas de los especímenes de ensayo también se utilizaron para comparar y comprender mejor el comportamiento general y el modo de fallo de los modelos de unión.

En general, hubo buena concordancia entre los resultados de IDEA StatiCa, las verificaciones normativas según los códigos de EE. UU. y los resultados de ABAQUS. Los resultados calculados difieren de los obtenidos con IDEA StatiCa posiblemente porque AISC es un código de diseño y puede ser conservador, mientras que el software está destinado a capturar el comportamiento real, que se espera que sea más preciso.

Si bien existen muchos paquetes de software FEA en el mercado capaces de predecir la respuesta estructural global ante una variedad de condiciones de carga, existe una falta de herramientas FEA especializadas con enfoque en el diseño de uniones. En comparación con otros paquetes de software FEA en el mercado, el software IDEA StatiCa tiene muchas ventajas. Además de la facilidad de uso, la característica más importante de IDEA StatiCa resultó ser el tiempo de cálculo, en el que los resultados pueden obtenerse en una fracción del tiempo en comparación con los códigos FEA convencionales como ABAQUS. Esto ayudará a los ingenieros a evaluar y modificar su diseño preliminar de uniones de forma más rápida y eficiente si se requieren cambios. Además, en los paquetes de software FEA comunes, las cargas y capacidades de los componentes de la unión (es decir, pernos, soldaduras, placas) deben extraerse del modelo durante la etapa de postprocesado, lo cual es una tarea engorrosa y que consume mucho tiempo. Sin embargo, en IDEA StatiCa, los resultados se calculan y reportan directamente. Asimismo, en IDEA StatiCa, la carga puede aplicarse directamente en cualquier ubicación/componente de la unión, mientras que en los códigos FEA típicos esto debe hacerse definiendo el punto de referencia y luego acoplándolo con la unión, lo que supone un paso adicional.

Sin embargo, se encontró una pequeña discrepancia en los contactos definidos entre las placas y las caras de la columna/viga, aunque se realizó el mismo tipo de análisis, es decir, pequeña deformación. Esto podría deberse a las diferencias entre los elementos sólidos y los elementos de lámina o al algoritmo(s) de contacto utilizados en los dos softwares. Además, la forma en que el código de IDEA StatiCa calcula y utiliza el tamaño óptimo de elemento no quedó clara. Adicionalmente, debido al límite de deformación plástica recomendado del 5% por el Eurocódigo (EN1993-1-5 ap. C par. C8 nota 1), que está definido como valor predeterminado en el software IDEA StatiCa, se observaron diferentes modos de fallo. 

Gracias a las capacidades de modelado y análisis de uniones rápidas y sencillas de IDEA StatiCa, el modelado no lineal complejo y el análisis dinámico que consume mucho tiempo de grandes estructuras de acero pueden realizarse de forma relativamente rápida. Las propiedades de las uniones en estructuras de pórticos viga-columna pueden definirse en base al análisis y las verificaciones de diseño completadas en IDEA StatiCa. Luego, el modelo de unión puede revisarse y reanalizar si es necesario después de completar el análisis del pórtico utilizando un software de análisis estructural, por ejemplo, SAP2000. Las uniones pueden hacerse más débiles o más resistentes en IDEA StatiCa dependiendo del rendimiento óptimo deseado del modelo de pórtico estructural. Un enfoque fácil y más robusto para desarrollar la respuesta momento-rotación de las uniones en IDEA StatiCa será muy útil, ya que en programas como SAP2000 la respuesta momento-rotación de las uniones debe definirse como parte del modelado de estructuras de pórticos.

El software IDEA StatiCa es tan bueno como su Interfaz Gráfica de Usuario. Si la GUI no está bien ejecutada, los usuarios tendrán dificultades para usar la aplicación o el software. IDEA StatiCa la diseña bien. Junto con una buena GUI, también se observa la calidad del software. Seguir un conjunto de convenciones o estándares garantiza la coherencia y facilita la navegación de los usuarios en el software. Un lenguaje estándar y coherente garantiza que los usuarios comprendan los términos cuando los vean. Los modelos se modifican fácilmente, lo que permite una exploración y verificación rápida de variables.

El software se actualiza constantemente, incluyendo tiempos de carga más rápidos e incluso correcciones de errores para mejorar la experiencia general del usuario.

Referencias

[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," 15^th edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.

[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background

[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.

[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Repor to American Institute of Steel Construction.

La versión completa del informe puede descargarse en el enlace a continuación:  

Descargas adjuntas

• Final Report_OSU.pdf (PDF, 7,2 MB)