Análisis del comportamiento de uniones metálicas viga-soporte mediante modelo de elementos finitos y comparación de resultados con el modelo de nudos y barras

Para el proyecto y cálculo de estructuras metálicas, fundamentalmente pórticos y celosías de cubierta, la herramienta más comúnmente utilizada son los programas informáticos de nudos y barras. En estos programas se define la geometría y sección de las barras, cuyas características mecánicas son perfectamente conocidas, y sobre las cuales obtenemos unos resultados de cálculo concretos en cuanto a estados tensionales y de deformación. Sin embargo el otro componente del modelo, los nudos, presenta mucha mayor complejidad a la hora de establecer sus propiedades mecánicas, fundamentalmente su rigidez al giro, así como de obtener unos resultados de estados tensionales y de deformación en los mismos. Esta “ignorancia” sobre el comportamiento real de los nudos, se salva generalmente asimilando a los nudos del modelo la condición de rígidos o articulados. Si bien los programas de cálculo ofrecen la posibilidad de introducir nudos con una rigidez intermedia (nudos semirrígidos), la rigidez de cada nudo dependerá de la geometría real de la unión, lo cual, dada la gran variedad de geometrías de uniones que en cualquier proyecto se nos presentan, hace prácticamente inviable introducir los coeficientes correspondientes a cada nudo en los modelos de nudos y barras. Tanto el Eurocódigo como el CTE, establecen que cada unión tendrá asociada una curva momento-rotación característica, que deberá ser determinada por los proyectistas mediante herramientas de cálculo o procedimientos experimentales. No obstante, este es un planteamiento difícil de llevar a cabo para cada proyecto. La consecuencia de esto es, que en la práctica, se realizan extensas comprobaciones y justificaciones de cálculo para las barras de las estructuras, dejando en manos de la práctica común la solución y puesta en obra de las uniones, quedando sin justificar ni comprobar la seguridad y el comportamiento real de estas. Otro aspecto que conlleva la falta de caracterización de las uniones, es que desconocemos como afecta el comportamiento real de éstas en los estados tensionales y de deformación de las barras que acometen a ellas, dudas que con frecuencia nos asaltan, no sólo en la fase de proyecto, sino también a la hora de resolver los problemas de ejecución que inevitablemente se nos presentan en el desarrollo de las obras. El cálculo mediante el método de los elementos finitos, es una herramienta que nos permite introducir la geometría real de perfiles y uniones, y nos permite por tanto abordar el comportamiento real de las uniones, y que está condicionado por su geometría. Por ejemplo, un caso típico es el de la unión de una viga a una placa o a un soporte soldando sólo el alma. Es habitual asimilar esta unión a una articulación. Sin embargo, el modelo por elementos finitos nos ofrece su comportamiento real, que es intermedio entre articulado y empotrado, ya que se transmite un momento y el giro es menor que el del apoyo simple. No obstante, la aplicación del modelo de elementos finitos, introduciendo la geometría de todos los elementos estructurales de un entramado metálico, tampoco resulta en general viable desde un punto de vista práctico, dado que requiere invertir mucho tiempo en comparación con el aumento de precisión que obtenemos respecto a los programas de nudos y barras, mucho más rápidos en la fase de modelización de la estructura. En esta tesis se ha abordado, mediante la modelización por elementos finitos, la resolución de una serie de casos tipo representativos de las uniones más comúnmente ejecutadas en obras de edificación, como son las uniones viga-pilar, estableciendo el comportamiento de estas uniones en función de las variables que comúnmente se presentan, y que son: •Ejecución de uniones viga-pilar soldando solo por el alma (unión por el alma), o bien soldando la viga al pilar por todo su perímetro (unión total). •Disposición o no de rigidizadores en los pilares •Uso de pilares de sección 2UPN en cajón o de tipo HEB, que son los tipos de soporte utilizados en casi el 100% de los casos en edificación. Para establecer la influencia de estas variables en el comportamiento de las uniones, y su repercusión en las vigas, se ha realizado un análisis comparativo entre las variables de resultado de los casos estudiados:•Estados tensionales en vigas y uniones. •Momentos en extremo de vigas •Giros totales y relativos en nudos. •Flechas. Otro de los aspectos que nos permite analizar la casuística planteada, es la valoración, desde un punto de vista de costos de ejecución, de la realización de uniones por todo el perímetro frente a las uniones por el alma, o de la disposición o no de rigidizadores en las uniones por todo el perímetro. Los resultados a este respecto, son estrictamente desde un punto de vista económico, sin perjuicio de que la seguridad o las preferencias de los proyectistas aconsejen una solución determinada. Finalmente, un tercer aspecto que nos ha permitido abordar el estudio planteado, es la comparación de resultados que se obtienen por el método de los elementos finitos, más próximos a la realidad, ya que se tiene en cuenta los giros relativos en las uniones, frente a los resultados obtenidos con programas de nudos y barras. De esta forma, podemos seguir usando el modelo de nudos y barras, más versátil y rápido, pero conociendo cuáles son sus limitaciones, y en qué aspectos y en qué medida, debemos ponderar sus resultados. En el último apartado de la tesis se apuntan una serie de temas sobre los que sería interesante profundizar en posteriores estudios, mediante modelos de elementos finitos, con el objeto de conocer mejor el comportamiento de las uniones estructurales metálicas, en aspectos que no se pueden abordar con los programas de nudos y barras. For the project and calculation of steel structures, mainly building frames and cover lattices, the tool more commonly used are the node and bars model computer programs. In these programs we define the geometry and section of the bars, whose mechanical characteristics are perfectly known, and from which we obtain the all calculation results of stresses and displacements. Nevertheless, the other component of the model, the nodes, are much more difficulty for establishing their mechanical properties, mainly the rotation fixity coefficients, as well as the stresses and displacements. This "ignorance" about the real performance of the nodes, is commonly saved by assimilating to them the condition of fixed or articulated. Though the calculation programs offer the possibility to introducing nodes with an intermediate fixity (half-fixed nodes), the fixity of every node will depend on the real connection’s geometry, which, given the great variety of connections geometries that in a project exist, makes practically unviable to introduce the coefficients corresponding to every node in the models of nodes and bars. Both Eurocode and the CTE, establish that every connection will have a typical moment-rotation associated curve, which will have to be determined for the designers by calculation tools or experimental procedures. Nevertheless, this one is an exposition difficult to carry out for each project. The consequence of this, is that in the practice, in projects are extensive checking and calculation reports about the bars of the structures, trusting in hands of the common practice the solution and execution of the connections, resulting without justification and verification their safety and their real behaviour. Another aspect that carries the lack of the connections characterization, is that we don´t know how affects the connections real behaviour in the stresses and displacements of the bars that attack them, doubts that often assault us, not only in the project phase, but also at the moment of solving the execution problems that inevitably happen in the development of the construction works. The calculation by finite element model is a tool that allows us to introduce the real profiles and connections geometry, and allows us to know about the real behaviour of the connections, which is determined by their geometry. Typical example is a beam-plate or beam-support connection welding only by the web. It is usual to assimilate this connection to an articulation or simple support. Nevertheless, the finite element model determines its real performance, which is between articulated and fixed, since a moment is transmitted and the relative rotation is less than the articulation’s rotation. Nevertheless, the application of the finite element model, introducing the geometry of all the structural elements of a metallic structure, does not also turn out to be viable from a practical point of view, provided that it needs to invest a lot of time in comparison with the precision increase that we obtain opposite the node and bars programs, which are much more faster in the structure modelling phase. In this thesis it has been approached, by finite element modelling, the resolution of a representative type cases of the connections commonly used in works of building, since are the beam-support connections, establishing the performance of these connections depending on the variables that commonly are present, which are: •Execution of beam-support connections welding only the web, or welding the beam to the support for the whole perimeter. •Disposition of stiffeners in the supports •Use 2UPN in box section or HEB section, which are the support types used in almost 100% building cases. To establish the influence of these variables in the connections performance, and the repercussion in the beams, a comparative analyse has been made with the resulting variables of the studied cases: •Stresses states in beams and connections. •Bending moments in beam ends. •Total and relative rotations in nodes. •Deflections in beams. Another aspect that the study allows us to analyze, is the valuation, from a costs point of view, of the execution of connections for the whole perimeter opposite to the web connections, or the execution of stiffeners. The results of this analyse, are strictly from an economic point of view, without prejudice that the safety or the preferences of the designers advise a certain solution. Finally, the third aspect that the study has allowed us to approach, is the comparison of the results that are obtained by the finite element model, nearer to the real behaviour, since the relative rotations in the connections are known, opposite to the results obtained with nodes and bars programs. So that, we can use the nodes and bars models, more versatile and quick, but knowing which are its limitations, and in which aspects and measures, we must weight the results. In the last part of the tesis, are relationated some of the topics on which it would be interesting to approach in later studies, with finite elements models, in order to know better the behaviour of the structural steel connections, in aspects that cannot be approached by the nodes and bars programs