Ejemplo – Determine el aprovechamiento para las 6 configuraciones presentadas de uniones con vigas I/riostras RHS y cordones RHS según el Eurocódigo 3 EN 1993-1-8 (2005)
Yurii Shumak
Este benchmark se preparó basándose en los documentos externos de
utilizando
SDC for Femap y Simcenter Femap Versión 2022.2
Este análisis comparativo demuestra cómo determinar los factores de utilización de uniones con cordones RHS y tirantes I-beam/RHS utilizando SDC Verifier según el Eurocódigo 3 EN 1993-1-8 (2005). Para este análisis, se han considerado seis configuraciones de unión específicas. Se proporcionan especificaciones detalladas de materiales, propiedades geométricas y soldaduras. Se esbozan las cargas y restricciones aplicadas al modelo y se describen los fundamentos de la elección de las configuraciones de soldadura.
Análisis general
El análisis se centra en un detalle estructural común: una viga en I o una riostra RHS que se conecta a un miembro estructural principal (cordón) en un ángulo definido, normalmente 45 grados. Los cálculos implican:
- Propiedades geométricas y del material: incluido el límite elástico, las dimensiones de la sección transversal y el ángulo de unión.
- Parámetros de soldadura: tipos, tamaños y métodos de cálculo.
- Cargas aplicadas y restricciones: condiciones límite que simulan las cargas del mundo real.
- Análisis de tensiones: determinación de las tensiones en las soldaduras y los elementos de refuerzo.
- Factores de utilización: se calculan para evaluar si las soldaduras y los elementos de refuerzo pueden soportar las cargas aplicadas.
Herramientas de software
- SDC Verifier: Un software de análisis estructural diseñado específicamente para la verificación de conexiones y uniones de acero según las normas del sector, incluido el Eurocódigo 3.
Materiales y propiedades
A efectos de esta evaluación comparativa se han elegido las siguientes 6 configuraciones de juntas:
A continuación puede ver información detallada sobre el material y la geometría de la sección tal y como se presenta en SDC Verifier:
Acero dulce
| Propiedad | Valor |
| Elementos | 90 |
| Masa [kg] | 1832.16 |
| Centro de gravedad (CSys: 0) [m] | [4.13; 1.21; 0.00] |
| Módulo Young [Pa] | 200000000000 |
| Módulo de cizallamiento [Pa] | 80000000000 |
| Relación Poisson | 0.3 |
| Cizallamiento [Pa] | 0 |
| Densidad de la masa [kg/m^3] | 7850 |
| Resistencia a la tracción [Pa] | 470000000.00 |
| Tensión de fluencia [Pa] | 355000000.00 |
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RHS 350x250x12,5
| Propiedad | Valor |
| Tipo | Viga / 60 |
| Material | Acero dulce |
| Masa [kg] | 1354.13 |
| Centro de gravedad [m] | [4.00; 1.00; 0.00] |
| Superficie, [m²] | 0.01 |
| 11, [m⁴] | 2.496E-04 |
| 12, [m⁴] | 1.472E-04 |
| 112, [m⁴] | 0 |
| Constante de torsión, [m⁴] | 2.858E-04 |
| Y Área de cizallamiento, [m²] | 0.01 |
| Z Área de cizallamiento, [m²] | 4.930E-03 |
| Masa no estructural, [kg] | 0 |
| Perímetro, [m] | 1.2 |
| Constante de alabeo, [m⁶] | 0 |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Y | 0 |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Z | 0 |
| h [m] | 0.35 |
| w [m] | 0.25 |
| t [m] | 0.01 |
IPE 300
| Propiedad | Valor |
| Tipo | Viga / 15 |
| Material | Acero dulce |
| Masa [kg] | 145.35 |
| Centro de gravedad [m] | [4.49; 0.43; 0.00] |
| Superficie, [m²] | 0.01 |
| 11, [m⁴] | 7,999E-05 |
| 12, [m⁴] | 6.027E-06 |
| 112, [m⁴] | 0 |
| Constante de torsión, [m⁴] | 1.569E-07 |
| Área de cizallamiento Y, [m²] | 2.020E-03 |
| Z Área de cizallamiento, [m²] | 3.166E-03 |
| Masa no estructural, [kg] | 0 |
| Perímetro, [m] | 1.19 |
| Constante de alabeo, [m⁶] | 0 |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Y | 0 |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Z | 0 |
| h [m] | 0.3 |
| wt [m] | 0.15 |
| wb [m] | 0.15 |
| tf2 [m] | 0.01 |
| tw [m] | 0.01 |
| tf1 [m] | 0.01 |
RHS 300x200x12,5
| Propiedad | Valor |
| Tipo | Viga / 60 |
| Material | Acero dulce |
| Masa [kg] | 332.69 |
| Centro de gravedad [m] | [4.49; 2.43; 0.00] |
| Superficie, [m²] | 0.01 |
| 11, [m⁴] | 1.467E-04 |
| 12, [m⁴] | 7.718E-05 |
| 112, [m⁴] | 0 |
| Constante de torsión, [m⁴] | 1.572E-04 |
| Y Área de cizallamiento, [m²] | 0.01 |
| Área de cizallamiento Z, [m²] | 3.864E-03 |
| Masa no estructural, [kg] | 0 |
| Perímetro, [m] | 1 |
| Constante de alabeo, [m⁶] | 0 |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Y | 0 |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Z | 0 |
| h [m] | 0.3 |
| w [m] | 0.2 |
| t [m] | 0.01 |
El análisis se centra en una unión en la que una riostra de viga en I se conecta a un cordón (miembro estructural principal) en un ángulo de 45 grados.
Dimensiones y propiedades clave
-
Sección de acordes
- Altura en el plano: 350 mm
- Anchura fuera del plano: 250 mm
- Espesor (ala y alma) 12,5 mm
-
Sección de tirantes
- Altura en el plano: 424,26 mm
- Anchura fuera del plano: 150 mm
- Espesor de la brida: 10,7 mm
- Espesor de la banda: 7,1 mm
Propiedades del material
- El cordón y la riostra tienen idénticos límites elásticos de 355 MPa.
- La tensión de soldadura admisible se basa en la norma EN 1993-1-8 y tiene una resistencia última de 470 MPa, mientras que SDC Verifier toma la resistencia mínima a la tracción de todas las piezas conectadas.
Cargas y limitaciones
Las cargas y las restricciones se han definido de la siguiente manera:
Cargas
| Definición | Tipo de carga | Aplicada sobre | Valores |
| Viga en I Z 3 kN | Fuerza | Puntos 6, 12, 18 | (0; 0; 3000) |
| RHS Z 15 kN | Fuerza | Puntos 24, 30, 36 | (0; 0; 15000) |
| 90deg X 20 kN | Fuerza | Puntos 6, 24 | (20000; 0; 0) |
| 45deg Y 20 kN | Fuerza | Puntos 12, 30 | (0; 20000; 0) |
| 30deg Y -15 kN | Fuerza | Puntos 18, 36 | (0; -15000; 0) |
| 90deg Y 1,5 kNm | Momento | Puntos 6, 24 | (0; 1500; 0) |
Restricciones
| Definición | Contar | DOF |
| Izquierda, clavado | Puntos: 1, 7, 13, 19, 25, 3 | Tx Ty Tz Rx |
| Derecha, Clavado con T | Puntos: 4, 10, 16, 22, 28, 34 | Ty Tz Rx |
Los niveles de tensión y los factores de utilización de las soldaduras de las riostras se comprueban en los cuatro lugares más críticos para las riostras de viga I y en tres para las riostras RHS según el gráfico siguiente:
Tipos y tamaños de soldadura
Las definiciones de estos puntos se utilizan para definir los tipos y tamaños de soldadura de la junta diseñada, estos se pueden realizar en una ventana adicional al añadir la norma al proyecto. Se han elegido los siguientes tipos y tamaños:
Configuración de la soldadura
- Soldaduras de brida:
- Lado exterior: Soldadura en bisel abocardado
- Lado interior: Soldadura de penetración parcial
- Soldaduras en red
- Ambos lados, izquierdo y derecho: Soldadura de penetración parcial combinada con una soldadura en ángulo.
Dimensiones de la soldadura (mm)
- Bridas
- Tamaño exterior de la soldadura: 5 mm
- Tamaño de la soldadura interior: 5 mm
- Web
- Tamaño de soldadura izquierda: Tamaño de la garganta – 5 mm, Profundidad de penetración – 3 mm
- Tamaño de soldadura correcto: Tamaño de la garganta – 5 mm, Profundidad de penetración – 3 mm
Espesor de la garganta para soldaduras combinadas (mm)
- Se utiliza el cálculo automático para determinar el espesor efectivo de garganta de las combinaciones de soldadura de penetración parcial más soldadura en ángulo.
Comprenda en profundidad la norma AISC 360-10 a través de puntos de referencia basados en ejemplos de diseño oficiales. Explore la tensión, la compresión, la flexión y mucho más. Modelos proporcionados para Ansys, Femap y Simcenter.
Hay que definir dos parámetros adicionales al añadir la norma: el factor de correlación ?? y el factor de seguridad parcial ym2:
En este caso, el valor de ??2 se ha definido como 1,3 según Norsok N-004. En el caso del Eurocódigo 3 EN 1993-1-1 el valor sugerido es 1,25 (que es también el valor por defecto al añadir la norma).
Consideraciones sobre la tensión de soldadura
- Resistencia última: El material de soldadura tiene una resistencia última de 470 MPa (basada en la norma EN 1993-1-8).
- Factor de corrección: Se aplica un factor de corrección de la soldadura de 0,9.
- Factor de material: Se utiliza un factor de material de soldadura de 1,3 (conforme a las directrices Norsok N-004).
Las cargas en la sección transversal de la soldadura de la riostra resultantes de las condiciones límite aplicadas pueden comprobarse en la comprobación ID3 «Fuerzas y momentos»:
| Estándar | 2.. Eurocódigo3 Soldaduras 1D (EN 1993-1-8, 2005) | Compruebe | [S2] |
| Juego de cargas | LS1..Cargas | Selección | Todas las entidades |
| Título | Fuerza axial X [N] | QP Fuerza cortante [N] | IP Fuerza cortante [N] | Fuerza Par [Nm] | Momento IPB [Nm] | Momento OPB [Nm] |
| Caso 4 RHS-90 | 0 | 15000 | -20000 | 1500 | -20000 | 15000 |
| Caso 5 RHS-45 | 14142.14 | 15000.01 | 14142.14 | 0 | 20000.01 | 21213.22 |
| Caso 6 | -7500 | 15000.02 | -12990.4 | 0 | -15000.02 | 17320.52 |
| Caso 11-90 RHS-30 | 0 | 3000 | -20000 | 1500 | -20000 | 3000 |
| Caso 2-1-45 | 14142.14 | 3000.00 | 14142.14 | 0.00 | 20000.01 | 4242.64 |
| Caso 31-30 | -7500 | 3000 | -12990.4 | 0 | -15000.02 | 3464.1 |
| AbsMax sobre conexiones | 14142.14 | 15000.02 | -20000 | 1500 | 20000.01 | 21213.22 |
Cargas sobre la sección transversal de la soldadura de la riostra
La soldadura de la riostra experimenta diversas fuerzas y momentos. He aquí un desglose, teniendo en cuenta que el sistema de coordenadas define «z» como hacia arriba e «y» como hacia un lado:
Fuerzas:
- Fuerza en el eje x (F_x): 14142.14 N
- Fuerza en el eje y (F_y): 3000 N
- Fuerza en el eje z (F_z): 14142.14 N
Momentos:
- Momento flector alrededor del eje y (M_y): 20000 N-m
- Momento flector alrededor del eje z (M_z): 4242,64 N-m
- Momento de torsión alrededor del eje x (M_x): 0 N-m (no existe en este caso)
Resultados
Las capacidades de tensiones normales y equivalentes, así como las tensiones máximas normales y equivalentes de las soldaduras tanto de la brida de la riostra como del alma de la riostra pueden comprobarse en la comprobación ID8 «Tensiones de las soldaduras»:
|
Estándar |
2.. Eurocódigo3 Soldaduras 1D (EN 1993-1-8, 2005) |
Compruebe |
[S2] |
|
Conjunto de carga |
LS1..Cargas |
Selección |
Todas las entidades |
|
Título |
Resistencia última a la tracción de la soldadura [Pa] |
Capacidad de tensión normal de la soldadura [Pa] |
Capacidad de tensión equivalente de la soldadura [Pa] |
Max sigma_1 Soldaduras de refuerzo [Pa] |
Max sigma_EQ Soldaduras de refuerzo [Pa] |
Máx sigma_1 Refuerzo Web [Pa] |
Max sigma_EQ Brace Web [Pa] |
|
Caso 4 RHS-90 |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
15.3E+6 |
32.3E+6 |
15.3E+6 |
30.9E+6 |
|
Caso 5 RHS-45 |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
88.4E+6 |
88.4E+6 |
62.3E+6 |
124.6E+6 |
|
Caso 6 RHS-30 |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
49.5E+6 |
51.2E+6 |
49.5E+6 |
49.7E+6 |
|
Caso 1 I-90 |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
-2.9E+06 |
129.7E+6 |
-25.3E+6 |
125.5E+6 |
|
Caso 2 I-45 |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
83.2E+6 |
83.2E+6 |
21.8E+6 |
43.7+6 |
|
Caso 3 I-30 |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
30.1E+6 |
30.2E+6 |
-13.3E+6 |
15.1E+6 |
|
AbsMax sobre conexiones |
4.70E+08 |
325.4E+08 |
401.7E+6 |
88.0E+6 |
129.7E+6 |
62.3E+6 |
125.5E+6 |
Resultados del análisis de tensiones de soldadura
- Brida de refuerzo:
- La tensión normal máxima es de 83,2 MPa.
- La tensión máxima equivalente tiene el mismo valor, 83,2 MPa.
- Brace Web
- La tensión normal máxima se sitúa en 21,8 MPa.
- La tensión máxima equivalente se calcula en 43,7 MPa.
Si desea buscar posibles causas de rebasamientos de tensión, puede comprobar los componentes de tensión individuales de todos los puntos en las comprobaciones ID4 a ID7.
Por último, la utilización pueden comprobarse en la comprobación ID9:
|
Estándar |
2.. Eurocódigo3 Soldaduras 1D (EN 1993-1-8, 2005) |
Compruebe |
[S2] |
|
Conjunto de carga |
LS1..Cargas |
Selección |
Todas las entidades |
|
Título |
Brida de refuerzo UF_N |
Brida de refuerzo UF_EQ |
UF_N Brace Web |
UF_EQ Brace Web |
UF_IBeam |
UF_RHS |
UF En general |
|
Caso 4 RHS-90 |
0.05 |
0.08 |
0.05 |
0.08 |
0 |
0.08 |
0.08 |
|
Caso 5 RHS-45 |
0.27 |
0.22 |
0.19 |
0.31 |
0 |
0.31 |
0.31 |
|
Caso 6 RHS-30 |
0.15 |
0.13 |
0.15 |
0.12 |
0 |
0.15 |
0.15 |
|
Caso 1 1-90 |
0.01 |
0.32 |
0.08 |
0.31 |
0.32 |
0 |
0.32 |
|
Caso 2 1-45 |
0.26 |
0.21 |
0.07 |
0.11 |
0.26 |
0 |
0.26 |
|
Caso 3 1-30 |
0.09 |
0.08 |
0.04 |
0.04 |
0.09 |
0 |
0.09 |
|
AbsMax sobre conexiones |
0.27 |
0.32 |
0.19 |
0.31 |
0.32 |
0.31 |
0.32 |
Los valores resaltados pasan la comprobación (Uf < 1). Los resultados también pueden representarse gráficamente en el modelo.
Resumen de la utilización de la soldadura
- Brida de refuerzo:
- Utilización de la tensión normal máxima: 0.26
- Aprovechamiento máximo de la tensión equivalente: 0.21
- Brace Web:
- Utilización de la tensión normal máxima: 0.07
- Aprovechamiento máximo de la tensión equivalente: 0.11
Observación clave: Los valores de utilización de la soldadura están dentro de los límites aceptables, como indica «OK=1» para ambas secciones.
Como podemos ver los resultados concuerdan completamente con los documentos externos, también lo hacen para los otros 5 casos no presentados en este documento, pero que pueden ser mostrados bajo demanda.
Conclusión
La prueba comparativa demuestra con éxito el cálculo de los factores de utilización de las uniones utilizando SDC Verifier. Se proporcionan los resultados, incluidos los niveles de tensión de la soldadura, los factores de utilización y los componentes individuales de tensión. El análisis indica que las configuraciones de soldadura elegidas para los seis casos de unión presentados satisfacen los requisitos de resistencia con unos márgenes de seguridad aceptables, ya que los factores de utilización (Uf) son inferiores a 1. Según el Eurocódigo 3 EN 1993-1-8 (2005), la metodología de análisis y los criterios de diseño empleados en este punto de referencia cumplen las normas pertinentes para las uniones de juntas de acero.
