Unión de momento en alero de pórtico soldado

Descripción

En este capítulo, el método de los elementos finitos basado en componentes (CBFEM) para una unión de momento en alero de pórtico soldado se verifica mediante el método de componentes (MC). Una viga de sección abierta está soldada a una columna de sección abierta. La columna está rigidizada con dos rigidizadores horizontales opuestos a los patines de la viga. Las placas comprimidas, p. ej. los rigidizadores horizontales de la columna, el panel de alma de columna a cortante y el patín comprimido de la viga, se limitan a la clase 3 para evitar el pandeo. El cabio está cargado por fuerza cortante y momento flector.

Modelo analítico

En el estudio se examinan cinco componentes: el panel de alma a cortante, el alma de columna a compresión transversal, el alma de columna a tracción transversal, el patín de columna a flexión y el patín de viga a compresión. Todos los componentes se dimensionan según EN 1993-1-8:2005. Las soldaduras en ángulo se dimensionan para que no sean el componente más débil de la junta. El estudio de verificación de una soldadura en ángulo en una junta viga-columna rigidizada se encuentra en el capítulo 4.4.

Panel de alma a cortante

El espesor del alma de la columna está limitado por la esbeltez para evitar problemas de estabilidad; véase EN 1993‑1‑8:2005, Cl 6.2.6.1(1). Un panel de alma de columna a cortante de clase 4 se estudia en el capítulo 6.2. Se consideran dos contribuciones a la capacidad resistente: la resistencia del panel de columna a cortante y la contribución del mecanismo de marco de los patines de columna y los rigidizadores horizontales; véase EN 1993‑1‑8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 y 6.8).

Alma de columna a compresión transversal

Se considera el efecto de la interacción con la carga cortante; véase EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Se considera la influencia de la tensión longitudinal en el panel de columna; véase EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Los rigidizadores horizontales se incluyen en la capacidad resistente de este componente.

Alma de columna a tracción transversal

Se considera el efecto de la interacción con la carga cortante; véase EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Los rigidizadores horizontales se incluyen en la capacidad resistente de este componente.

Patín de columna a flexión

Los rigidizadores horizontales arriostran el patín de la columna; este componente no se considera.

Patín de viga a compresión

La viga horizontal se dimensiona para ser de clase 3 de sección transversal o superior para evitar el pandeo.

En la Tab. 9.1.1 se presenta un resumen de los ejemplos considerados y el material. La geometría de la junta con sus dimensiones se muestra en la Fig. 9.1.1. Los parámetros considerados en el estudio son la sección transversal de la viga, la sección transversal de la columna y el espesor del panel de alma de columna.

Tab. 9.1.1 Resumen de ejemplos

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Geometría y dimensiones de la junta}}}\]

Modelo numérico

Se investiga el estado del material elasto-plástico no lineal en cada capa de un punto de integración. La evaluación se basa en la deformación máxima establecida según EN 1993-1-5:2006 con un valor del 5%. 

Comportamiento global

Se presenta la comparación del comportamiento global de una unión de momento de pórtico, descrita mediante el diagrama momento-rotación. Las características principales del diagrama momento-rotación son la rigidez inicial, la resistencia elástica y la resistencia de cálculo. En el ejemplo, una viga de sección abierta IPE 330 está soldada a una columna HEB 260. Una unión de momento de pórtico con rigidizadores horizontales en la columna se considera según el método de componentes como una junta rígida con S_j,ini = ∞. Por ello se analiza una junta sin rigidizadores horizontales en la columna. El diagrama momento-rotación se muestra en la Fig. 9.1.2 y los resultados se resumen en la Tab. 9.1.2. Los resultados muestran una muy buena concordancia en la rigidez inicial y el comportamiento global de la junta.

Tab. 9.1.2 Rigidez rotacional de una unión de momento de pórtico en CBFEM y MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Diagrama momento-rotación para una junta sin rigidizadores de columna}}}\]

Verificación de la resistencia

Los resultados calculados por CBFEM se comparan con el MC. La comparación se centra en la resistencia de cálculo y el componente crítico. El estudio se realiza para tres parámetros diferentes: sección transversal de la viga, sección transversal de la columna y espesor del panel de alma de columna.

En el ejemplo donde el parámetro es la sección transversal de la viga se utiliza una columna de sección abierta HEB 260. La columna está rigidizada con dos rigidizadores horizontales de columna de 10 mm de espesor opuestos a los patines de la viga. El ancho de los rigidizadores corresponde al ancho del patín de la viga. Las secciones IPE de la viga se seleccionan desde IPE 140 hasta IPE 500. Los resultados se muestran en la Tab. 9.1.3. La influencia de la sección transversal de la viga en la resistencia de cálculo de una unión de momento de pórtico soldado se muestra en la Fig. 9.1.4. Los componentes críticos en CBFEM fueron los patines de la viga, el patín de la columna y el alma de la columna. La Fig. 9.1.3 muestra el modelo de uno de los ejemplos con la descripción de los patines. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Modelo con descripción de patines}}}\]

Tab. 9.1.3 Resistencias de cálculo y componentes críticos en CBFEM y MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Estudio de sensibilidad del tamaño de viga en una unión de momento de pórtico}}}\]

En el ejemplo donde el parámetro es la sección transversal de la columna se utiliza una viga de sección abierta IPE330. La columna está rigidizada con dos rigidizadores horizontales de columna de 10 mm de espesor opuestos a los patines de la viga. El ancho de los rigidizadores corresponde al ancho del patín de la viga. El ancho combinado de los rigidizadores es de 160 mm. Las secciones de columna se seleccionan desde HEB 160 hasta HEB 500. Los resultados se muestran en la Tab. 9.1.4. La influencia de la sección transversal de la columna en la resistencia de cálculo de una unión de momento de pórtico soldado se muestra en la Fig. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Resistencias de cálculo y componentes críticos de una unión de momento en CBFEM y MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Estudio de sensibilidad del tamaño de columna en una unión de momento de pórtico}}}\]

El tercer ejemplo presenta una unión de momento de pórtico formada por una viga de sección abierta IPE 330 y una columna HEA 320. El parámetro es el espesor del alma de la columna. La columna está rigidizada con dos rigidizadores horizontales de columna de 10 mm de espesor y 160 mm de ancho. El espesor del alma de la columna se elige entre 4 y 16 mm. Los resultados se resumen en la Tab. 9.1.5. La influencia del espesor del alma de la columna en la resistencia de cálculo de una unión de momento de pórtico soldado se muestra en la Fig. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Resistencias de cálculo y componentes críticos de una unión de momento en CBFEM y MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Estudio de sensibilidad del espesor del alma de columna}}}\]

Para ilustrar la precisión del modelo CBFEM, los resultados de los estudios paramétricos se resumen en un diagrama que compara las resistencias del CBFEM y el método de componentes; véase la Fig. 9.1.7. Los resultados muestran que la diferencia entre los dos métodos de cálculo es inferior al 5%, lo cual es un valor generalmente aceptable. El estudio con el parámetro espesor del alma de columna proporciona una resistencia mayor para el modelo CBFEM en comparación con el método de componentes. Esta diferencia se debe a la consideración de secciones soldadas. La transferencia de la carga cortante en el método de componentes se considera únicamente en el alma y se desprecia la contribución de los patines.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verificación de CBFEM frente a MC}}}\]

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Columna

• Acero S235
• HEB260

Viga

• Acero S235
• IPE330

Rigidizadores de columna

• Espesor t_s = 19 mm
• Ancho 80 mm
• Opuestos a los patines de la viga

Soldadura

• Patín de viga: garganta de soldadura en ángulo a_f  = 8 mm
• Alma de viga: garganta de soldadura en ángulo a_w  = 8 mm
• Soldadura a tope perimetral en rigidizadores

Resultados

• Resistencia de cálculo a flexión M_Rd = 146 kNm
• Componente crítico: Patín de viga 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Ejemplo de referencia}}}\]