Método de los modos de fallo

Las uniones T uniplanares soldadas de placa a secciones huecas circulares predichas por CBFEM se verifican con el FMM en este capítulo. En CBFEM, la resistencia de cálculo está limitada por alcanzar el 5 % de deformación o una fuerza correspondiente al 3 % de deformación de la junta d₀, donde d₀ es el diámetro del cordón. El FMM se basa en el límite de carga máxima o el límite de deformación del 3 % d₀; véase Lu et al. (1994). Las soldaduras, diseñadas según EN 1993‑1‑8:2006, no son los componentes más débiles de la junta.

Plastificación del cordón

La resistencia de cálculo de la cara del cordón CHS se determina utilizando el método dado por el modelo FMM en el Cap. 9 de prEN 1993-1-8:2020 y en ISO/FDIS 14346; véase la Fig. 7.3.1. La resistencia de cálculo de la unión de placa soldada a CHS cargada axialmente es:

Unión T

Transversal

$$N_{1,Rd} = 2.5 \cdot C_f f_{y0} t_0^2 (1+3 \beta^2) \gamma^{0.35} Q_f / \gamma_{M5}$$

Longitudinal

$$N_{1,Rd} = 7.1 \cdot C_f f_{y0} t_0^2 (1+0.4 \eta) Q_f / \gamma_{M5}$$

Unión X

Transversal

$$N_{1,Rd} = 2.1 \cdotC_f f_{y0} t_0^2 (1+3 \beta^2) \gamma^{0.25} Q_f / \gamma_{M5}$$

Longitudinal

$$N_{1,Rd} = 3.5 \cdotC_f f_{y0} t_0^2 (1+0.4 \eta^2) \gamma^{0.1} Q_f / \gamma_{M5}$$

donde:

• f_y,i – límite elástico del elemento i (i = 0,1,2 o 3)
• t_i – espesor de la pared del elemento CHS i (i = 0,1,2 o 3)
• $\beta$ – relación entre el diámetro medio o el ancho de los elementos de arriostramiento y el del cordón
• $\eta$ – relación entre la profundidad del elemento de arriostramiento y el diámetro o ancho del cordón
• $\gamma$ – relación entre el ancho o diámetro del cordón y el doble de su espesor de pared
• Q_f – factor de tensión del cordón
• C_f – factor de material
• $\gamma_{M5}$ – factor parcial para la resistencia de uniones en vigas en celosía de sección hueca
• N_i,Rd – resistencia de cálculo de una junta expresada en términos de la fuerza axial interna en el elemento i (i = 0,1,2 o 3)

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.1 Modo de fallo analizado - plastificación del cordón}}}$$

Rango de validez

El CBFEM fue verificado para uniones típicas de secciones huecas circulares soldadas. El rango de validez para estas uniones se define en la Tabla 7.8 de prEN 1993-1-8:2020; véase Tab 7.3.1. 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. 7.3.1 Rango de validez para el método de modos de fallo

Validación

En este capítulo, el CBFEM se valida con los modelos FMM de uniones T de placa a CHS descritos en prEN 1993-1-8:2020. Los modelos se comparan con los datos de ensayos mecánicos en las Tabs 7.3.2–7.3.3 con resistencia basada en el límite de deformación. Las propiedades materiales y geométricas de los ensayos numéricos se describen en (Voth A.P. y Packer A.J., 2010). Los experimentos fuera del rango de validez están marcados en las tablas con un asterisco * y en el gráfico se indican para mostrar la calidad de las condiciones de contorno.

Tab. 7.3.2 Propiedades geométricas, propiedades materiales y resistencias de las uniones a partir de experimentos y modelos FMM para la unión T transversal

Tab. 7.3.3 Propiedades geométricas, propiedades materiales y resistencias de las uniones a partir de experimentos y modelos FMM para la unión T longitudinal

$$\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.3.2 Validación del FMM con experimentos mecánicos para uniones transversales T de placa a CHS (izquierda) y para uniones longitudinales T de placa a CHS (derecha)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.3 Validación del FMM con experimentos mecánicos para uniones transversales T de placa a CHS (izquierda) y uniones longitudinales T de placa a CHS (derecha)}}}$$

La validación mostrada en las Figs 7.3.2 y 7.3.3 demuestra que las diferencias con los experimentos son al menos del 15 % generalmente del lado de la seguridad. Los experimentos fuera del rango de validez están incluidos y marcados. Los resultados indican la buena calidad de las condiciones de contorno elegidas.

Unión T uniplanar de placa

En la Tab. 7.3.4 se ofrece una visión general de los ejemplos considerados en el estudio. Los casos seleccionados cubren un amplio rango de relaciones geométricas de la junta. La geometría de las juntas con dimensiones se muestra en la Fig. 7.3.4. El espesor de la placa es de 15 mm en todos los casos cubiertos en este estudio.

Tab. 7.3.4 Resumen de ejemplos

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.4 Dimensiones de la unión T de placa a CHS, transversal (izquierda) y longitudinal (derecha)}}}$$

Verificación

Los resultados de la resistencia y el modo de fallo de cálculo del FMM se comparan con los resultados del CBFEM en la Tab. 7.3.5 y en la Fig. 7.3.5.

Tab. 7.3.5 Verificación de la predicción de resistencias por CBFEM sobre FMM a) orientación transversal  b) orientación longitudinal

El estudio muestra una buena concordancia para los casos de carga aplicados. Los resultados se resumen en diagramas que comparan las resistencias de cálculo del CBFEM y del FMM; véase la Fig. 7.3.5. Los resultados muestran que la diferencia entre los dos métodos de cálculo es en todos los casos inferior al 7 %.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.5 Verificación del CBFEM con el FMM para la unión T uniplanar de placa a CHS}}}$$

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Cordón

• Acero S355
• Sección CHS219.1/5,0

Ramal

• Acero S355
• Placa 95/15 mm
• Ángulo entre el elemento ramal y el cordón 90° (transversal)

Soldadura

• Soldadura a tope alrededor del ramal

Carga

• Por fuerza en el ramal a compresión

Tamaño de malla

• 64 elementos a lo largo de la superficie del elemento hueco circular

Resultados

• La resistencia de cálculo a compresión es N_Rd = 45,2 kN
• El modo de fallo de cálculo es punzonamiento

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.6 Condiciones de contorno para la unión T uniplanar de placa a CHS}}}$$