Unión T uniplanar entre arriostramiento RHS y cordón H/I

Descripción

Se estudia una unión T uniplanar de un arriostramiento de sección hueca rectangular a un cordón de sección abierta, ubicada en una celosía. El arriostramiento RHS se suelda directamente al cordón H o I, secciones abiertas, sin uso de placas de refuerzo. La predicción mediante el método de elementos finitos basado en componentes (CBFEM) se verifica con el método de modos de fallo (FM) implementado en EN 1993-1-8:2005.

Modelo analítico

En la unión T uniplanar de secciones huecas rectangulares soldadas a secciones abiertas se producen tres modos de fallo: la plastificación local del arriostramiento, denominada fallo del arriostramiento, el fallo del alma del cordón y el cortante del cordón. Todos estos modos de fallo se examinan en este estudio; véase la Fig. 7.4.1. Las soldaduras se diseñan para que no sean el componente más débil de una unión según EN 1993-1-8:2005. Los elementos de las celosías están cargados por fuerzas normales y momentos flectores. El punto de acción de las fuerzas internas de la unión T se describe a continuación:

Cordón H/I cargado axialmente

Las fuerzas normales en el cordón a derecha e izquierda de una unión T actúan en la dirección del eje longitudinal del cordón.

Cordón H/I cargado por difracción

En el cordón se consideran los momentos flectores a derecha e izquierda de una unión T en el plano de la unión T, y estos momentos flectores giran alrededor de uno de los ejes en el plano de la sección transversal del cordón para la rotación en el plano de la unión T.

Arriostramiento RHS cargado axialmente

La fuerza normal en el arriostramiento de una unión T actúa en la dirección del eje longitudinal del arriostramiento.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.1 Modos de fallo principales a) fallo del alma del cordón, b) cortante del cordón (en caso de separación), c) fallo del arriostramiento}}}$$

La resistencia del alma del cordón se determina utilizando el método indicado en la sección 7.6 de EN 1993-1-8:2005, que se describe en (Wardenier et al., 2010). Las tensiones del arriostramiento se transfieren a través del ala del cordón a un área efectiva del alma del cordón. Esta área se encuentra en el alma del cordón en el punto donde las paredes del arriostramiento cruzan el alma del cordón. La resistencia axial de cálculo de la unión es el mínimo de las resistencias de cálculo:

Fallo del alma del cordón

$$N_{\mathrm{i,Rd}} = \frac{f_{\mathrm{y0}} \cdot t_{\mathrm{w}} \cdot b_{\mathrm{w}}}{\sin(\theta_{\mathrm{i}}) \cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Cortante del cordón

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=\frac{f_\mathrm{y0}\,A_\mathrm{v}}{\sqrt{3}\,\sin\theta_\mathrm{i}\cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Fallo del arriostramiento

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=2\,f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,p_{\mathrm{eff}}/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

donde

$$p_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

y $A_\mathrm{v}$ es el área de cortante efectiva.

La resistencia a flexión de cálculo de la unión es el mínimo de las resistencias de cálculo:

Fallo del alma del cordón

$$M_{\mathrm{ip,Rd}} = \frac{0.5 \, f_{\mathrm{y0}} \, t_{\mathrm{w}} \, b_{\mathrm{w}} \, h_1}{\gamma_{\mathrm{M5}}}$$

Fallo del arriostramiento

$$M_{\mathrm{ip,Rd}}=f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,b_{\mathrm{eff}}\,(h_\mathrm{1}-t_\mathrm{1})/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

donde

$$b_{\mathrm{w}} = \frac{h_1}{\sin \theta_{\mathrm{i}}} + 5 \cdot t_{\mathrm{f,0}} + r \;\leq\; 2 \, t_{\mathrm{i}} + 10 \cdot (t_{\mathrm{f,0}} + r)$$

$$b_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

En la Tab. 7.4.1 se describe un resumen de los ejemplos considerados cargados por fuerza axial. En la Tab. 7.4.2 se describe un resumen de los ejemplos considerados cargados por momento flector. En la Fig. 7.4.2 se muestra la geometría de una unión con sus dimensiones.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.2 Geometría de la unión con dimensiones}}}$$

Tab. 7.4.1 Ejemplos de uniones cargadas por fuerza axial 

Tab. 7.4.2 Ejemplos de uniones cargadas por momento en el plano

Verificación de la resistencia

El estudio se centró en la comparación de los modelos de fallo y la predicción de la resistencia de cálculo. Los resultados se presentan en las Tab. 7.4.3 y 7.4.4.

Tab. 7.4.3 Comparación de CBFEM y FM para fuerza axial en el arriostramiento

Tab. 7.4.4 Comparación de CBFEM y FM para momento en el plano en el arriostramiento

El estudio de sensibilidad muestra una buena concordancia para todos los casos de carga aplicados. En el método CBFEM, el redondeo de la pared de la sección transversal abierta se simplifica, lo que proporciona una estimación conservadora de la tensión en la diagonal conectada y la suposición de capacidad portante hasta un 15 %. Para ilustrar la precisión del modelo CBFEM, los resultados de los estudios paramétricos se resumen en un diagrama que compara las resistencias de cálculo por CBFEM y FM; véase la Fig. 7.4.3.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.4.3 Verificación de CBFEM respecto a FM para fuerza axial y momento flector en el arriostramiento}}}$$

Rango de validez

El rango de validez, sobre el que se verifica el CBFEM para uniones T entre sección hueca rectangular y sección abierta, se define en la Tabla 7.20 de EN 1993-1-8:2005, véase la Tab. 7.4.5. En caso de aplicación del modelo CBFEM fuera del rango de validez del FM, se deberá preparar la validación con experimentos o la verificación con un modelo de investigación validado para aprobar la calidad de la predicción.

Tab. 7.4.5 Rango de validez de las uniones T

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Cordón
• Acero S235
• IPN280

Arriostramiento
• Acero S235
• RHS 140×80×10

Tamaño de malla
• 16 elementos en el mayor alma del elemento hueco rectangular

Resultados

• Resistencia de cálculo a compresión/tracción F_c,Rd = 457 kN (Cabe señalar que la resistencia se calculó utilizando la función "Detener en deformación límite". En consecuencia, la resistencia CBFEM real puede ser marginalmente superior.)

• El modo de colapso es la plastificación del cordón

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.4 Ejemplo de referencia para cordón IPE270 y arriostramiento RHS 140×80×10}}}$$