Un modelo de elementos finitos para el análisis de uniones atornilladas viga-pilar con comportamiento semirrígido

Resumen

Hoy en día está ampliamente reconocido que las uniones y los elementos de una estructura metálica presentan un comportamiento semirrígido y no lineal, teniendo los estudios actuales como objetivo incorporar tales conceptos en los métodos de diseño y análisis, ya que en la práctica común se asume la consideración aproximada de articulaciones o empotramientos perfectos. Recientemente, distintas normativas sobre cálculo de estructuras de acero (entre ellas el Eurocódigo 3) han incorporado este aspecto en su articulado mediante la definición de las uniones semirrígidas, aunque todavía existe incertidumbre en las reglas de diseño, siendo además necesario simplificar los métodos propuestos para que sean de aplicación más o menos inmediata. En el presente trabajo se profundiza en el estudio de las uniones atornilladas viga-pilar con chapa frontal (tanto a tope como extendida), tipo de unión ampliamente utilizada por ser de fácil fabricación y montaje. Así, la aportación de esta tesis se enmarca en la mejora de los métodos de análisis del ripo de unión propuesto con el objetivo de predecir su comportamiento rotacional (obtención de la relación momento-rotación) para que pueda ser incorporado en el análisis estructural. Para la determinación del comportamiento rotacional del mencionado tipo de unión se ha realizado un modelo tridimensional de elementos finitos para ser analizado mediante el paquete de software COSMOS/M 1. Dicho modelo contempla la compleja interacción entre los diversos elementos que la componen. Así, se han modelado la viga, la chapa frontal (rígidamente unida al extremo de la viga), los tornillos y tuercas y, a diferencia de los modelos presentados por otros investigadores, el pilar. Como característica principal del modelo propuesto cabe destacar su comportamiento altamente no lineal, ya que considera las nteracciones chapa frontal-ala del pilar, tornillos (cabeza, espiga y tuerca)-ala del pilar y tornilllos (cabeza, espiga y tuerca)-chapa frontal, todos ellos problemas de contacto. Además, como ley de comportamiento del acero, tanto para las chapas como para los tornillos, se utiliza el diagrama bilineal correspondiente a un comportamiento elásticoperfectamente práctico. Asimismo, el modelo realizado también se caracteriza por su versatilidad, ya que la malla de elementos finitos se genera indirecta y automáticamente sobre entidades geométricas auxiliares que describen la geometría de la unión. Ello permite independizar la malla de la geometría, permitiendo refinar la primera tanto como se quiera con relativamente poco esfuerzo, la fácil aplicación de las condiciones de contorno y la modificación de la geometría a fin de poder realizar estudios paramétricos. Para la validación del modelo propuesto se han realizado por un lado un estudio teórico de las uniones analizadas basado en la equivalencia de tramos o casquillos en T y en la Teoría de las Líneas de Rotura, según propone en Eurocódigo3, y, por otro, unos ensayos experimentales de las mismas con los que contrastar los resultados obtenidos tanto teórica como numéricamente.