Simulación numérica de ensayos de uniones viga - columna en estructuras de acero

Abstract

Es intención de la presente tesis el contribuir en la aplicación de modelos matemáticos no-lineales de elementos estructurales, como una herramienta de investigación que se pueda utilizar previo a los ensayos de laboratorio, optimizando el planeamiento y reduciendo las variables a considerar alrededor de estos. El objetivo de este trabajo es evaluar la posibilidad de, mediante modelos de elementos finitos y con el uso de programas de cómputo disponibles, predecir correctamente los aspectos básicos del comportamiento no lineal de uniones soldadas viga columna resistentes a momento. El análisis estructural no lineal empleando elementos finitos se basa en principios y en técnicas bien documentadas en la literatura especializada que se presentan en resumen en el Capítulo 1. Por otro lado, el desarrollo de las computadoras y de programas de cómputo para el análisis estructural ha permitido hacer modelos cada vez más realistas, para estudiar el comportamiento de estructuras con esfuerzos y deformaciones pequeñas, en las que el comportamiento del material puede aproximarse con un modelo lineal. Esto sólo requiere una correcta representación de la geometría y la estimación del módulo de elasticidad, que en el caso del acero tiene poca variabilidad. En cambio, la predicción del comportamiento en el rango no lineal presenta mayores dificultades. Aunque el comportamiento esfuerzo – deformación del acero puede aproximarse bastante bien con modelos elastoplásticos, las propiedades del material que deben considerarse son muy variables para un mismo tipo de acero debido, por ejemplo al proceso de fabricación de los perfiles. Para el presente estudio se requirió de una data completa de especímenes ensayados a cargas monotónicas o a acciones cíclicas realizados en laboratorio de la Universidad de California, Berkeley, y que se presenta en el Capítulo 2 del presente trabajo. Con la data obtenida se procedió a reproducir las características geométricas, físicas, las propiedades de los materiales y la historia de carga de los especímenes utilizando el programa ADINA, versión 8.1, comparando los resultados obtenidos con los experimentales. Los modelos numéricos y sus comparaciones se presentan en el Capítulo 3. Si bien es cierto es imposible reproducir exactamente los resultados de comportamiento obtenidos en los ensayos de laboratorio, mediante los modelos numéricos no lineales con elementos finitos se obtiene, por lo menos, una descripción cualitativamente correcta del comportamiento, lo que permitiría identificar los parámetros y detalles más importantes de los especímenes antes de los ensayos.

It is the intention of this thesis to contribute to the application of non-linear mathematical models of structural elements, as a research tool that can be used prior to laboratory testing, optimizing the planning and reducing the variables to be considered during these tests. The aim of this study is to evaluate the possibility of correctly predicting the basic aspects of the non-linear behavior of welded joint beam column instantaneous resistance. This prediction will be performed through finite element models and the use of available computer programs. Non-linear structural finite element analysis is based on principles and techniques well documented in the specialized literature and are summarized in Chapter 1. Furthermore, the development of computers and computer programs for structural analysis has allowed the recreation of more realistic models to study the behavior of structures with small stress and strain, in which the material behavior can be approximated with a linear model. This requires only a correct representation of the geometry and estimating the elasticity module, which in the case of steel has little variability. However, the prediction of behavior in the non-linear range presents greater difficulties. Although the behavior stress - strain of the steel can be approximated fairly well with elastoplastic models, the material properties that should be considered are highly variable for the same type of steel, for example due to the manufacturing process of the profiles. For the present study a complete data of specimens tested at monotonic or cyclic actions performed in the laboratory of the University of California, Berkeley was required. This data is presented in Chapter 2. Using the data obtained and ADINA program, version 8.1, the geometric and physical characteristics, materials properties and charge history of the specimens was reproduced, comparing the results obtained with the experimental ones. Numerical models and comparisons are presented in Chapter 3. Although it is impossible to exactly reproduce the results of the behavior obtained in laboratory tests; through non-linear finite element numerical models, a qualitatively correct description of the behavior is at least obtained. This would allow the identification of the most important parameters and details of the specimens prior to laboratory tests.