Columna base – Columna de sección abierta a compresión

Descripción

En este capítulo, el Método de los Elementos Finitos basado en componentes (CBFEM) de la placa base bajo una columna de sección abierta de acero cargada en compresión pura se verifica mediante el método de componentes (MC). El estudio se prepara para la sección transversal de la columna, las dimensiones de la placa base, el grado del hormigón y las dimensiones del bloque de hormigón.

Método de componentes

Se tienen en cuenta tres componentes: ala y alma de la columna a compresión, hormigón a compresión incluyendo mortero de nivelación, soldaduras. El componente ala y alma de la columna a compresión se describe en EN 1993-1-8:2005 Cl. 6.2.6.7. El hormigón a compresión incluyendo mortero de nivelación se modela según EN 1993-1-8:2005 Cl. 6.2.6.9 y EN 1992-1-1:2005 Cl. 6.7. Se utilizan dos iteraciones del área efectiva para determinar la resistencia.

La soldadura se diseña alrededor de la sección transversal de la columna; véase EN 1993-1-8:2005 Cl. 4.5.3.2(6). El espesor de la soldadura en las alas se selecciona igual al espesor de la soldadura en el alma. La fuerza cortante se transfiere únicamente mediante las soldaduras en el alma, y se considera una distribución plástica de tensiones.

Placa base bajo HEB 240

Este estudio se centra en el componente hormigón a compresión incluyendo mortero de nivelación. A continuación se muestra un ejemplo de cálculo para el bloque de hormigón con dimensiones a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 800 mm de grado de hormigón C20/25 con placa base con dimensiones a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm de acero grado S235; véase Fig. 8.1.2.

 La resistencia de la junta del hormigón se calcula bajo el área efectiva a compresión alrededor de la sección transversal; véase Fig. 8.1.1, iterando en dos pasos.

Para el 1^er paso es:

$$f_{jd} = \frac{\beta_j k_j f_{ck}}{\gamma_c} = \frac{0.67 \cdot 2.908 \cdot 20}{1.5} = 26 \textrm{ MPa}$$

$$c = t \sqrt{\frac{f_y}{3f_{jd} \gamma_{M0}}} = 20 \sqrt{\frac{235}{3 \cdot 26 \cdot 1.0}} = 35 \textrm{ mm}$$

 $$l_{eff} = b+2c = 240+2\cdot35=310 \textrm{ mm}$$

 $$b_{eff} = t_f+2c = 17+2\cdot35=87\textrm{ mm}$$

y para el 2^º paso es:

$$f_{jd} = \frac{\beta_j k_j f_{ck}}{\gamma_c} = \frac{0.67 \cdot 3 \cdot 20}{1.5} = 27 \textrm{ MPa}$$

$$c = t \sqrt{\frac{f_y}{3f_{jd} \gamma_{M0}}} = 20 \sqrt{\frac{235}{3 \cdot 27 \cdot 1.0}} = 34 \textrm{ mm}$$

 $$l_{eff} = b+2c = 240+2\cdot35=308 \textrm{ mm}$$

 $$b_{eff} = t_f+2c = 17+2\cdot35=85\textrm{ mm}$$

$$A_{eff} = 63463 \textrm{ mm}^2$$

Fig. 8.1.1 Área efectiva bajo la placa base

La resistencia a la fuerza normal de la placa base por MC es

$$N_{Rd} = A_{eff} \cdot f_{jd} = 63436 \cdot 27 = 1701 \textrm{ kN}$$

Las tensiones calculadas por CBFEM se presentan en la Fig. 8.1.2. La resistencia a la fuerza normal de compresión de la placa base por CBFEM es 1683 kN.

Fig. 8.1.2 Geometría del bloque de hormigón y tensiones normales bajo la placa base cargada únicamente por fuerza normal

Estudio de sensibilidad

Los resultados del software CBFEM se compararon con los resultados del método de componentes. La comparación se centró en la resistencia y el componente crítico. Los parámetros estudiados son el tamaño de la columna, las dimensiones de la placa base, el grado del hormigón y las dimensiones del bloque de hormigón. Las secciones transversales de la columna son HEB 200, HEB 300 y HEB 400. El ancho y la longitud de la placa base se eligen como 100 mm, 150 mm y 200 mm mayores que la sección de la columna, el espesor de la placa base 15 mm, 20 mm y 25 mm. El bloque de hormigón de grado C16/20, C25/30 y C35/45 de altura 800 mm con ancho y longitud mayores que las dimensiones de la placa base en 200 mm, 300 mm y 400 mm. Los parámetros de entrada se resumen en la Tab. 8.1.1. Las soldaduras en ángulo alrededor de la sección transversal de la columna tienen un espesor de garganta a = 8 mm.

Tab. 8.1.1 Parámetros seleccionados

Las resistencias determinadas por MC se muestran en la Tab. 8.1.2. Se cambió un parámetro y los demás se mantuvieron constantes en el valor intermedio. N_Rd es la resistencia del componente hormigón a compresión incluyendo mortero de nivelación, F_c,fc,Rd es la resistencia del componente ala y alma de la columna a compresión y F_c,weld es la resistencia de las soldaduras considerando una distribución uniforme de tensiones. Se utilizó el coeficiente de junta β_j = 0,67.

Tabla 8.1.2 Resultados del método de componentes

El modelo en CBFEM se cargó con la fuerza de compresión hasta que el bloque de hormigón estuvo muy cerca del 100 %. El mismo enfoque se utilizó para obtener la resistencia de las soldaduras F_c,weld.

Tabla 8.1.3 Resultados de CBFEM

Resumen

La verificación de CBFEM respecto al MC para la placa base cargada a compresión se muestra en la Fig. 8.1.3. Las líneas discontinuas corresponden al 110 % y al 90 % del valor de resistencia. La diferencia es de hasta un 14 % debido a una evaluación más precisa de la resistencia de cálculo al aplastamiento de la junta  y del área efectiva  en CBFEM.

Fig. 8.1.3 Verificación de CBFEM respecto al MC para la placa base cargada a compresión

Caso de referencia

Datos de entrada

Sección transversal de la columna

• HEB 240
• Acero S235

Placa base

• Espesor 20 mm
• Vuelos superior 100 mm, izquierdo 45 mm
• Acero S235

Bloque de hormigón de cimentación

• Hormigón C20/25
• Vuelo 335 mm, 530 mm
• Profundidad 800 mm
• Espesor del mortero de nivelación 30 mm

Perno de anclaje

• M20 8.8

Resultados

• Resistencia a la fuerza axial N_j.Rd = −1683 kN