Columna base – Columna de sección abierta en flexión respecto al eje fuerte
Descripción
El objeto de este capítulo es la verificación del método de los elementos finitos basado en componentes (CBFEM) de la placa base de columna de sección abierta de acero cargada en compresión y flexión alrededor del eje fuerte con el método de componentes (CM). El estudio se prepara para el tamaño de la columna, la geometría y el espesor de la placa base. En el estudio se examinan cinco componentes: ala y alma de la columna en compresión, hormigón en compresión incluyendo mortero de nivelación, placa base en flexión, anclajes en tracción y soldaduras. Todos los componentes se diseñan según EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 y EN 1992‑4.
Verificación de la resistencia
Se muestra un ejemplo de diseño por el método de componentes en el anclaje de la sección de acero de columna HEB 240:
El bloque de hormigón tiene dimensiones a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 900 mm y clase C20/25. Las dimensiones de la placa base son a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm y el grado del acero es S235. Los pernos de anclaje son 4 × M20, As = 245 mm2, longitud 300 mm, con diámetro de cabeza a = 60 mm y grado de acero 8.8. El espesor del mortero de nivelación es 30 mm.
Los resultados de la solución analítica pueden presentarse en un diagrama de interacción con puntos significativos distintivos. El punto −1 representa la carga en tracción pura, y el punto 4 representa la resistencia a la compresión. La descripción detallada de los puntos 0, 1, 2 y 3 se muestra en la Fig. 8.2.1; véase (Wald, 1995) y (Wald et al. 2008).
Fig. 8.2.1 Puntos significativos en el diagrama de interacción
La distribución de tensiones para los puntos 0 y 3 obtenida por CBFEM se muestra en las Fig. 8.2.2 y 8.2.3.
Fig. 8.2.2 Tensión en el hormigón y fuerzas en los anclajes para el punto 0 obtenida por CBFEM (escala deform. 10)
Fig. 8.2.3 Tensión en el hormigón y fuerzas en los anclajes para el punto 3 obtenida por CBFEM
(escala deform. 10)
Fig. 8.2.4 Comparación de modelos en el diagrama de interacción
La comparación del diagrama de interacción obtenido por CBFEM con el diagrama de interacción calculado según el CM se presenta en la Fig. 8.2.4 y la Tab. 8.2.1.
Tab. 8.2.1 Comparación de resultados del diagrama de interacción para HEB 240 mediante solución analítica y CBFEM
| Solución analítica | Resultados de CBFEM | |||
| Fuerza axial [kN] | Resistencia a flexión [kNm] | Fuerza axial [kN] | Resistencia a flexión [kNm] | |
| Punto -1 | 169 | 0 | 150 | 0 |
| Punto 0 | 0 | 45 | 0 | 37 |
| Punto 1 | −564 | 103 | −564 | 98 |
| Punto 2 | −708 | 108 | −708 | 111 |
| Punto 3 | −853 | 103 | −853 | 101 |
| Punto 4 | −1700 | 0 | −1683 | 0 |
Estudio de sensibilidad
Los resultados del CBFEM se compararon con los resultados del método de componentes. La comparación se realizó mediante la resistencia al momento flector para el nivel dado de fuerza normal en cada uno de los puntos del diagrama de interacción.
En el estudio de sensibilidad se variaron el tamaño de la columna, las dimensiones de la placa base y las dimensiones del bloque de hormigón. Las secciones transversales de columna seleccionadas fueron HEB 200, HEB 300 y HEB 400. El ancho y la longitud de la placa base se eligieron 100 mm, 150 mm y 200 mm mayores que la sección de la columna; el espesor de la placa base fue de 15 mm, 20 mm y 25 mm. El bloque de hormigón era de clase C25/30. La altura del bloque de hormigón fue en todos los casos 900 mm, y el ancho y la longitud fueron 200 mm mayores que las dimensiones de la placa base. Los pernos de anclaje eran M20 grado 8.8 con una profundidad de empotramiento de 300 mm. Los parámetros se resumen en la Tab. 8.2.2. Las soldaduras eran iguales en toda la sección de la columna con un espesor de garganta suficiente para no ser el componente crítico. Se modificó un parámetro mientras los demás se mantuvieron constantes en el valor intermedio.
Tab. 8.2.2 Parámetros seleccionados
| Sección de columna | HEB 200 | HEB 300 | HEB 400 |
| Vuelo de la placa base | 100 mm | 150 mm | 200 mm |
| Espesor de la placa base | 15 mm | 20 mm | 25 mm |
En la Fig. 8.2.5 se presentan los resultados para variaciones en la sección transversal de la columna. En la Fig. 8.2.6 y la Fig. 8.2.7 se varía el vuelo de la placa base y el espesor de la placa base, respectivamente.
Fig. 8.2.5 Variación de la sección de columna
Fig. 8.2.6 Variación del vuelo de la placa base – 100, 200 y 300 mm
Fig. 8.2.7 Variación del espesor de la placa base – 15, 20 y 25 mm
Caso de referencia
Datos de entrada
Sección transversal de la columna
- HEB 240
- Acero S235
Placa base
- Espesor 20 mm
- Vuelos superior 100 mm, izquierdo 45 mm
- Acero S235
Perno de anclaje
- M20 8.8
- Longitud de anclaje 300 mm
- Tipo de anclaje: Placa de arandela - circular; tamaño 40 mm
- Vuelos filas superiores 50 mm, filas izquierdas −10 mm
- Plano de cortante en la rosca
- Soldaduras ambas 8 mm
Bloque de cimentación
- Hormigón C20/25
- Vuelo 335 mm y 530 mm
- Profundidad 900 mm
- Transferencia de fuerza cortante por fricción
- Espesor del mortero de nivelación 30 mm
Cargas
- Fuerza axial N = −853 kN
- Momento flector My = 100 kNm
Resultados
- Pernos de anclaje 42,2 % (NEd,g = 51,7 kN ≤ NRdc = 122,4 kN - rotura del cono de hormigón para los anclajes A1 y A2)
- Bloque de hormigón 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ fjd = 26,8 MPa)
Referencias
EN 1992-1-1, Eurocódigo 2, Proyecto de estructuras de hormigón – Parte 1-1: Reglas generales y reglas para edificación, CEN, Bruselas, 2005.
EN 1992-4:2018, Eurocódigo 2: Proyecto de estructuras de hormigón – Parte 4: Proyecto de elementos de fijación para uso en hormigón, Bruselas, 2018.
EN 1993-1-8, Eurocódigo 3, Proyecto de estructuras de acero – Parte 1-8: Proyecto de uniones, CEN, Bruselas, 2005.
Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Praga, 1995.
Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.