tesina de especialidad e especialidad

109 Pages·2013·3.93 MB·Spanish

TESINA DEE EESSPPEECCIIAALLIIDDAADD

Títol

MMOODDEELLIIZZAACCIIÓÓNN NNUUMMÉÉRRIICCA DE UNIONES SOLDADASS DDEE DDIIFFEERREENNTTEESS
SSEECCCCIIOONNEESS TTRRAANNSSVVEERRSSAALES

Autor/a
PPEEÑÑAA CCOOLLOOMMEERR,, AALLEEJJAANNDDRROO

Tutor/a
CCHHAACCÓÓNN FFLLOORREESS,, RROOLLAANNDDOO

Departament
IINNGGEENNIIEERRÍÍAA DDEE LLAA CCOONNSSTTRRUUCCCCIIÓÓNN

Intensificació
ESTRUCTURAS

Data
JUNIO 2013
AGRADECIMIENTOS

Me gustaría que estas líneas sirvieran para agradecer de manera especial y sincera al Profesor
Rolando Chacón Flores por aceptarme para realizar esta Tesina bajo su dirección, por la
orientación, el seguimiento y la supervisión de la misma, pero sobre todo por la motivación y
el apoyo recibido a lo largo del periodo de investigación.

Quisiera agradecer a mis padres y hermanos, que a pesar de la distancia en el último año, sin
ellos no habría podido llegar a este punto tras un periodo tan largo y, en ocasiones, tan difícil.
He necesitado su cariño, comprensión y su apoyo incondicional a lo largo de este largo camino
desde que empecé la carrera. Sin olvidar el gran apoyo económico en ésta última etapa en
Bristol.

Y a Patri, que desde que empecé esta aventura sigue dándome ánimos y apoyándome en cada
paso que doy para terminar este proceso y seguir avanzando hacia nuevos objetivos.

En general quisiera agradecer a todas y cada una de las personas que han vivido conmigo la
realización de esta tesina, les agradezco el haberme apoyado y animado, pero sobre todo
gracias por la amistad.

A todos vosotros, muchas gracias.

2
RESUMEN
Actualmente, las estructuras metálicas tubulares están siendo extensamente utilizadas en
puentes, edificios o en grandes espacios, acompañados por el progreso tecnológico que están
realizando las ingenierías. Este progreso es debido a la importante evolución en el desarrollo
de las uniones tubulares gracias al gran avance computacional.
En el ámbito de la construcción metálica, las normas EN 1993-1-8 y EAE abordan formulaciones
para cálculos estructurales sobre uniones planas. La unión plana a estudiar en esta tesina es
del tipo X, formada por tubos cuadrados de pequeño espesor, y se le llama "Diamond Bird-
Beak" (DBB), que se consigue rotando 45º sobre sus ejes longitudinales tanto el cordón como
los montantes de una unión tradicional.
Este tipo de unión, se trata de una nueva configuración para estructuras tubulares, y
representa una alternativa original para el proyecto. Sin embargo, no existe mucha
documentación científica que respalde su utilización.
Es por eso que mediante elementos finitos, y en particular empleando el software Abaqus CAE,
se realiza un análisis no lineal sobre la configuración de la unión en X con el propósito de
estudiar el comportamiento local.
Para verificar el correcto uso del software, se crea un modelo numérico basado en las
especificaciones paramétricas de otros trabajos encontrados en la literatura.
Se analiza la formulación encontrada en dichos trabajos sobre los efectos en el cordón de una
carga a compresión en los montantes, y a la vez, estos resultados son comparados con la
formulación encontrada en la EAE sobre uniones planas convencionales en X, barra de sección
hueca rectangular o cuadrada (SHR).
Posteriormente, se propone una nueva ecuación tanto para una carga a tracción como a
compresión, las cuales son comparadas con la formulación a compresión del trabajo de apoyo
y de la EAE.

Palabras clave: Unión plana en X; Unión soldada; Sección tubular rectangular; Acero; Unión
Diamond Bird-Beak; EAE; EN 1993-1-8; Abaqus.

3
ABSTRACT
Nowadays, metallic tubular structures are being widely used for the construction of bridges,
buildings and large spaces, led by the technological development realized by engineering
companies. This development is due to the important evolution of tubular junctions thanks to
great computational progress.
In the steel construction field, the regulations EN 1993-1-8 and EAE deal with formulations that
let us design in-plane cross-jointed structures. In this thesis an in-plane cross joint X built by
square tubes of reduced thickness called Diamond Bird-Beak (DBB) will be studied, which is
obtained by rotating the chord and brace of a traditional joint through 45º about their
longitudinal axes.
This kind of joint is a novel joint configuration for tubular structures, and represents a creative
alternative for the project. However, little scientific documentation exists that supports it use.
That is the reason why a no-lineal analysis is taken over the cross joint configuration with the
purpose of study the local behavior, using finite elements, in particular using the Abaqus CAE
software.
To verify the correct use of the software, a numerical model based on the parametric
specifications of other studies is created.
The formulation found by the works mentioned previously about the effects at the chord from
a compressive load located at the braces are analyzed, and at the same time, these results are
compared with the EAE conventional in-plane cross joint X formulation, a beam with a
rectangular hollow section (RHS).
Afterwards, new equations for tensile and compressive loads are proposed, and compared
with the formulation for compression of the support work and the EAE.

Key words: In plane cross-joint; Welded joint; Rectangular hollow section; Steel; Diamond
Bird-Beak junction; EAE; EN 1993-1-8; Abaqus.

4
CONTENIDO DEL DOCUMENTO
AGRADECIMIENTOS....................................................................................................................... 2
RESUMEN ...................................................................................................................................... 3
ABSTRACT ...................................................................................................................................... 4
CONTENIDO DEL DOCUMENTO ..................................................................................................... 5
LISTA DE FIGURAS.......................................................................................................................... 7
LISTA DE TABLAS.......................................................................................................................... 10
1-INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 11
1.1-Antecedentes .................................................................................................................... 11
1.2-Reseña histórica ................................................................................................................ 11
1.3-Objetivo del estudio .......................................................................................................... 12
1.4-Relevancia del estudio ...................................................................................................... 13
2-ESTADO DEL CONOCIMIENTO .................................................................................................. 14
2.1-Clasificación de las secciones transversales ..................................................................... 14
2.2-Propiedades tecnológicas de los materiales ..................................................................... 16
2.2.1-Principales características mecánicas ........................................................................ 16
2.2.2-Requisitos de ductilidad ............................................................................................. 17
2.2.3-Durabilidad ................................................................................................................. 17
2.2.4-Otras características tecnológicas ............................................................................. 18
2.2.5-Datos de los materiales para el proyecto .................................................................. 18
2.3-Uniones y elementos estructurales .................................................................................. 18
2.3.1-Uniones soldadas ....................................................................................................... 19
2.3.2-Criterios y modos de colapso ..................................................................................... 23
2.3.3-Fabricación de uniones soldadas ............................................................................... 24
2.3.4-Ejecución de la soldadura .......................................................................................... 25
2.4-Modelos analíticos ............................................................................................................ 25
2.4.1-Fórmula analítica de la resistencia última para uniones X según J.S. Owen et al. .... 25
2.5-Cálculo de uniones soldadas entre perfiles SHR según EAE y EN 1993-1-8 ...................... 26
3-MODELIZACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS ................................................................... 30
3.1-Introducción ...................................................................................................................... 30
3.2-Presentación del código ABAQUS ..................................................................................... 30
3.2.1-Introducción ............................................................................................................... 30
3.2.2-Módulos del programa............................................................................................... 32
3.3-Enfoque del problema ...................................................................................................... 35
5
3.4-Aspectos significativos de la modelización numérica ....................................................... 35
3.4.1-Modelos geométricos ................................................................................................ 35
3.4.2-Modelos de materiales .............................................................................................. 38
3.4.3-Sistema de cálculo ...................................................................................................... 38
3.4.4-Cargas aplicadas ......................................................................................................... 38
3.4.5-Efectos locales (clasificación de secciones transversales) ......................................... 39
3.4.6-Tipos de elementos finitos ......................................................................................... 41
3.4.7-Convergencia del mallado .......................................................................................... 42
3.4.8-Estrategia de análisis .................................................................................................. 45
3.5-Estudio para la contrastación del modelo numérico ........................................................ 46
3.5.1-Características de la unión de contrastación ............................................................. 46
3.5.2-Modelado de la unión ................................................................................................ 46
3.5.3-Contrastación del modelo .......................................................................................... 58
4-ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LAS UNIONES .............................................................................. 59
4.1-Introducción ...................................................................................................................... 59
4.2-Variación de parámetros................................................................................................... 59
4.3-Relación entre las anchuras de cordón y del montante (β) .............................................. 59
4.4-Relación entre la anchura y el espesor del cordón (2γ) .................................................... 60
4.5-Variaciones del límite elástico (f ) ..................................................................................... 60
y
5-ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS .............................................................................. 62
5.1-Resultados numéricos VS formulaciones Owen 2001 y EAE............................................. 62
5.2-Análisis de resultados ....................................................................................................... 71
5.2.1-Análisis de resultados a compresión .......................................................................... 71
5.2.2-Análisis de resultados a tracción ................................................................................ 76
5.2.3-Estudio estadístico del error de Owen (2001) y EAE VS resultados numéricos ......... 83
5.3-Propuestas de nuevas formulaciones ............................................................................... 85
5.3.1- Análisis de la nueva formulación que se propone .................................................... 97
5.3.2- Creación de una nueva formulación "J.S.Owen modificada" para compresión ....... 98
6-CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 105
6.1-Resumen del estudio ...................................................................................................... 105
6.2-Conclusiones prácticas .................................................................................................... 106
6.3-Perspectivas futuras ........................................................................................................ 107
7-REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................. 109

6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Detalle del Estadio Nacional de China (Nido de Pájaro). .................................................... 11
Figura 2 - Representación de la unión en X "Diamond bird-beak". .................................................... 12
Figura 3 - Leyes momento-curvatura de secciones transversales de clases 1 a 4. ............................. 15
Figura 4 - Diagrama tensión deformación del acero ........................................................................... 16
Figura 5 - Diagrama tensión-deformación bilineal, que cumple la ecuación constitutiva elasto-
plástica perfecta. ...................................................................................................................... 18
Figura 6 - Detalle de soldadura en ángulo frontal. ............................................................................. 19
Figura 7 - Unión plana centrada de elementos sometidos a esfuerzo axil. ........................................ 20
Figura 8 - Unión convencional en X.. .................................................................................................. 21
Figura 9 - Parámetros que describen la unión tubular plana en X DBB. ............................................. 21
Figura 10 - Detalles constructivos de soldaduras tipo para perfiles tubulares rectangulares.(EAE
2012-Figura 64.3.b). ................................................................................................................. 22
Figura 11 - Modos de agotamiento para uniones entre diagonales o montantes SHR y cordones
SHR. (EAE 2012-Figura A9.2) .................................................................................................... 24
Figura 12 - Representación P-α extraída del estudio de J.S.Owen et al. ............................................ 26
Figura 13 - Representación de la unión en X "Diamond bird-beak", donde se muestran las
características geométricas que describen la unión tubular plana. ......................................... 36
Figura 14- Representación de la ecuación constitutiva elasto-plástica perfecta para f =235, f =275 y
y y
f =460. ...................................................................................................................................... 38
y
Figura 15 - Representación del elemento S4R con sus respectivos nodos. ........................................ 42
Figura 16 - Representación de los cinco puntos que definen la lámina sobre los cuales se estudiará
utilizando la integración de Simpson. ...................................................................................... 42
Figura 17- Representación de los mallados de elementos finitos con dimensiones de 20, 10 y 2 mm
por cada elemento. .................................................................................................................. 43
Figura 18 - Curvas fuerza-deformación para cada densidad de mallado. .......................................... 44
Figura 19 - Error relativo de la tensión vs tiempo de cálculo del CPU (eje de abscisas en escala
logarítmica). ............................................................................................................................. 45
Figura 20 - Ventana de creación de las partes. ................................................................................... 47
Figura 21 - Representación de las partes creadas. ............................................................................. 47
Figura 22 - Propiedades del material del test experimental de calibración. Curvas
tensión/deformación.(Owen 2001) ......................................................................................... 47
Figura 23 - Introducción del límite elástico y la deformación plástica en Abaqus. (Cordón -izquierda-
y montantes -derecha-). ........................................................................................................... 48
Figura 24 - Creación de las secciones en Abaqus. ............................................................................... 48
Figura 25 - Representación, en coordenadas globales, de la estructura una vez ensambladas las
partes. ...................................................................................................................................... 49
Figura 26 - Creación de los pasos. ....................................................................................................... 50
Figura 27 - Creación de la condición de contorno. ............................................................................. 50
Figura 28 - Editor de las condiciones de contorno.............................................................................. 51
Figura 29 - Condiciones aplicadas en cada contorno al inicio y a final del paso. ................................ 51
Figura 30 - Representación de las condiciones de contorno aplicadas al modelo. ............................ 51
Figura 31 - Introducción de la densidad de malla de 5 mm. ............................................................... 52
Figura 32 - Introducción del tipo de elemento S4R. ........................................................................... 52
Figura 33 - Representación del mallado de 5 mm sobre el modelo a estudiar. ................................. 53
Figura 34 - Árbol de módulos donde crear los "Sets". ........................................................................ 53
Figura 35 - Creación de las asignaciones. ........................................................................................... 54
7
Figura 36 - Localización de las tres asignaciones en el modelo. ......................................................... 54
Figura 37 - Creación del proceso de cálculo. ...................................................................................... 55
Figura 38 - Administrador de los cálculos. .......................................................................................... 55
Figura 39 - Ventana de "Monitor" donde se muestran los pasos, advertencias, tiempos y errores. . 55
Figura 40 - Representación visual de los resultados obtenidos (tensiones de Von Mises en unión
deformada)............................................................................................................................... 56
Figura 41 - Obtención de los desplazamientos verticales (U2) en los nodos previamente asignados
como "SUPERIOR" y "MEDIO". ................................................................................................. 57
Figura 42 - Obtención de las fuerzas de reacción vertical (RF2) en los nodos de la base. ................. 57
Figura 43 - Curva carga/deformación del estudio experimental. ....................................................... 58
Figura 44 - Curva carga/deformación obtenida con Abaqus y comparada con la experimental. ...... 58
Figura 45 - Representación de la unión en X "Diamond bird-beak". .................................................. 59
Figura 46 - Representación del perfil y la sección de la unión estudiada en la formulación EAE.(Tabla
A9.8). ........................................................................................................................................ 62
Figura 47 - Representación de la evolución de las curvas Fu-β a compresión para f =235N/mm2,
y
comparativa Abaqus, J.S.Owen y EAE. ..................................................................................... 65
Figura 48 - Representación de la evolución de las curvas Fu-β a compresión para f =275N/mm2,
y
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 66
Figura 49 - Representación de la evolución de las curvas Fu-β a compresión para f =460N/mm2,
y
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 66
Figuras 50 - Representación de la evolución de las curvas Fu- a compresión para fy=235N/mm2 ,
2(cid:2)
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 67
Figuras 51 - Representación de la evolución de las curvas Fu- a compresión para fy=275N/mm2 ,
2(cid:2)
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 67
Figuras 52 - Representación de la evolución de las curvas Fu- a compresión para f =460N/mm2 ,
y
2(cid:2)
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 68
Figura 53 - Representación de la evolución de las curvas Fu-β a tracción para f =235N/mm2,
y
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 68
Figura 54 - Representación de la evolución de las curvas Fu-β a tracción para f =275N/mm2,
y
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 69
Figura 55 - Representación de la evolución de las curvas Fu-β a tracción para f =460N/mm2,
y
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 69
Figuras 56 - Representación de la evolución de las curvas Fu- a tracción para fy=235N/mm2 ,
2(cid:2)
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 70
Figuras 57 - Representación de la evolución de las curvas Fu- a tracción para fy=275N/mm2 ,
2(cid:2)
comparativa ABAQUS, J.S.Owen y EAE. ................................................................................... 70
Figuras 58 - Representación de la evolución de las curvas Fu- a tracción para fy=460N/mm2 ,
2(cid:2)
comparativa Abaqus, J.S.Owen y EAE. ..................................................................................... 71
Figura 59 - Representación de la variación de β en la unión. ............................................................. 72
Figura 60 - Representación de la variación de 2γ en la unión. ........................................................... 72
Figura 61 - Variación de las curvas Fu- para cada valor de 2γ. ......................................................... 73
(cid:3)
Figura 62 - Variación de las curvas Fu- para cada valor de β.......................................................... 74
2(cid:2)
Figura 63 - Variación de las curvas Fu- y Fu- para cada valor de f . ............................................. 74
y
(cid:3) 2(cid:2)
Figura 64 - Representación de las curvas P-δ para los diferentes valores de 2γ. ............................... 75
Figura 65- Representación de las curvas P-δ para los diferentes valores de β. .................................. 75
Figura 66 - Hundimiento de los montantes en el cordón para β pequeñas (izquierda) y para β
grandes (derecha). ................................................................................................................... 76
8
Figura 67 - Variación de las curvas Fu- para cada valor de 2γ. ......................................................... 77
(cid:3)
Figura 68 - Variación de las curvas Fu- para cada valor de β.......................................................... 78
2(cid:2)
Figura 69 - Variación de las curvas Fu- y Fu- para cada valor de f . ............................................. 78
y
(cid:3) 2(cid:2)
Figura 70 - Representación de las curvas P-δ para los diferentes valores de 2γ. ............................... 79
Gráfica 71 - Representación de las curvas P-δ para los diferentes valores de β. ............................... 79
Figura 72 - Estiramiento de los montantes para β pequeña. ............................................................. 80
Figura 73 - Curva P-δ para β grande, donde se muestran 6 puntos importantes de la evolución de la
curva. ........................................................................................................................................ 80
Figura 74 - Punto 1 de la Figura 73. Empieza a verse afectado el cordón debido a la tracción. ........ 80
Figura 75 - Punto 2 de la Figura 73. El cordón ya se encuentra plastificado, y empezará a
deformarse. .............................................................................................................................. 81
Figura 76 - Punto 3 de la Figura 73. El cordón está bastante deformado, y empiezan a sufrir fuerzas
los montantes........................................................................................................................... 81
Figura 77 - Punto 4 de la Figura 73. El cordón se encuentra muy deformado, y las fuerzas en los
montantes aumentan............................................................................................................... 81
Figura 78 - Punto 5 de la Figura 73. Capacidad máxima de la unión. El cordón se encuentra muy
deformado y los montantes han plastificado, empezarán a deformarse. ............................... 82
Figura 79- Punto 6 de la Figura 73. La unión ha fallado. Tanto el cordón como los montantes se
encuentran muy deformados. ................................................................................................. 82
Figura 80 - Errores medios que presentan las expresiones Owen (2001) y EAE respecto ABAQUS a
COMPRESIÓN. .......................................................................................................................... 84
Figura 81 - Errores medios que presentan las expresiones Owen (2001) y EAE respecto ABAQUS a
TRACCIÓN. ................................................................................................................................ 85
Figura 82 - Representación del mecanismo de plastificación de las esquinas de las caras del cordón.
.................................................................................................................................................. 86
Figura 83 - Representación del mecanismo de plastificación debido a la acción de membrana del
cordón. ..................................................................................................................................... 86
Figuras 84 - Curva que representan f(β,2γ) y g(β,2γ) en COMPRESIÓN para cada valor de límite
elástico estudiado. ................................................................................................................... 87
Figuras 85 - Curva que representan f(β,2γ) y g(β,2γ) en TRACCIÓN para cada valor de límite elástico
estudiado.................................................................................................................................. 88
Figuras 86 - Gráficos normalizados. Ratio de la capacidad resistente de las formulaciones y ABAQUS
según 2γ, β y f a COMPRESIÓN. .............................................................................................. 92
y
Figuras 87 - Gráficos normalizados. Ratio de la capacidad resistente de las formulaciones y ABAQUS
según 2γ, β y f a TRACCIÓN. .................................................................................................... 93
y
Figuras 88 - Representación de algunas de las curvas Fu-β, Fu- , comparativa Abaqus, Propuesta,
2(cid:2)
J.S.Owen y EAE. ........................................................................................................................ 97
Figuras 89 - Gráficos normalizados. Ratio de la capacidad resistente de Owen Modificado y ABAQUS
según 2γ, β y f . ...................................................................................................................... 100
y
Figuras 90 - Representación de algunas de las curvas Fu-β, Fu- , comparativa Abaqus, Propuesta,
2(cid:2)
J.S.Owen, EAE y J.S.Owen Modificado. .................................................................................. 102
Figura 91 - Comparación de los errores medios que presentan las expresiones Owen (2001) y Owen
modificado respecto ABAQUS. ............................................................................................... 103
9
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 - Esbelteces máximas para casos especiales de paneles comprimidos. (EAE (2012)). ... 16
Tabla 2 - Límite elástico mínimo y resistencia a tracción (N/mm2). ........................................... 17
Tabla 3 - Condiciones geométricas para uniones entre diagonales o montantes SHC o SHR y
cordones SHR. (EAE 2012-Tabla 64.7.1)............................................................................ 27
Tabla 4 - Condiciones adicionales para el uso de la Tabla 3. (EAE 2012-Tabla 64.7.2). .............. 28
Tabla 5 - Resistencia de cálculo de uniones soldadas en T, X e Y entre diagonales o montantes
SHR o SHC y cordones SHR. (EAE 2012 - Tabla A9.8). ....................................................... 29
Tabla 6 - Características mecánicas y geométricas de los modelos a estudiar. .......................... 37
Tabla 7 - Clasificación de las secciones transversales para cada modelo a estudiar. ................. 40
Tabla 8 - Tiempos de cálculo, tensiones y error de las tensiones para cada densidad de mallado
.......................................................................................................................................... 44
Tabla 9 - Variación de los parámetros y β. ............................................................................. 60
2(cid:2)
Tabla 10 - Variación de los parámetros β y 2γ en función de la geometría de cada modelo. .... 61
Tabla 11 - Valores de la capacidad resistente a COMPRESIÓN (en KN) de la unión plana DBB del
presente estudio comparados con el estudio de J.S. Owen et al y con la EAE. ................ 63
Tabla 12 - Valores de la capacidad resistente a TRACCIÓN (en KN) de la unión plana DBB del
presente estudio comparados con el estudio de J.S. Owen et al y con la EAE. ................ 64
Tabla 13 - Valores de la capacidad resistente a COMPRESIÓN (kN) obtenida mediante la
formulación propuesta, comparados con el estudio de ABAQUS, el estudio de J.S. Owen
et al y con la EAE. .............................................................................................................. 90
Tabla 14 - Valores de la capacidad resistente a TRACCIÓN (kN) obtenida mediante la
formulación propuesta, comparados con el estudio de ABAQUS, el estudio de J.S. Owen
et al y con la EAE. .............................................................................................................. 91
Tabla 15 - Valores de la capacidad resistente a compresión (kN) obtenida mediante la
formulación "J.S.Owen modificada" comparados con el estudio de Abaqus, Peña 2013,
J.S. Owen et al y EAE. ........................................................................................................ 99

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