Soldadura en ángulo en unión de placa angular

Descripción

En este capítulo, el modelo de la soldadura en ángulo en una unión de placa angular calculado mediante el método de los elementos finitos basado en componentes (CBFEM) se verifica con el método de los componentes (MC). Un angular se suelda a una placa y se carga con fuerza normal. El tamaño del angular y la longitud de la soldadura se estudian en un estudio de sensibilidad.

Modelo analítico

La soldadura en ángulo es el único componente examinado en el estudio. Las soldaduras se diseñan según el Capítulo 4 de EN 1993-1-8:2005 para ser el componente más débil de la unión. La resistencia de cálculo de la soldadura en ángulo se describe en la Sección 4.1. En la Tab. 4.2.1 se ofrece una visión general de los ejemplos considerados y el material. La geometría de las uniones con dimensiones se muestra en la Fig. 4.2.1.

Cálculo por el método de los componentes 

Este cálculo manual desprecia el momento adicional de la soldadura, que se desarrolla debido a la redistribución de fuerzas en las partes de la sección transversal en L según EN 1993-1-8 (4.13).

\[\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}\]

\[\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = 0 \]

\[ \tau_{\parallel} = \frac{V}{l  \cdot  a}\]

\[ \sqrt{  3 \cdot \left( \tau_{\parallel} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}\]

\[ \sqrt{  3 \cdot \left(  \frac{V}{l \cdot a}\right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}\]

\[ V = \frac{f_u  \cdot  l \cdot  a  \cdot  \beta_{\mathrm{Lw1}}}{\beta_{\mathrm{w}}  \cdot  \gamma_{\mathrm{M2}}  \cdot  \sqrt{3}} \]

Resistencia total calculada como suma de las resistencias de la soldadura superior e inferior 

\[ V = V_\mathrm{top} + V_\mathrm{bottom} \]

Donde:

\(a\) - espesor de garganta de la soldadura

\(V\) - fuerza cortante que actúa sobre el elemento

\(l = 2 \cdot L_\mathrm{\dots}\) - longitud de las soldaduras paralelas

\(\beta_{\mathrm{w}}\) - factor de correlación tomado de EN 1993-1-8 Tabla 4.1

\(\beta_{\mathrm{Lw1}}\) - factor de reducción para soldaduras largas, EN 1993-1-8 Ecuación 4.9

\(f_u\) - resistencia última a tracción nominal de la parte más débil unida

\(\gamma_{\mathrm{M2}}\) - coeficiente parcial de seguridad para soldaduras

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.1 Resumen de ejemplos}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.1 Geometría de la unión con dimensiones}}}\]

Modelo numérico

El componente de soldadura en CBFEM se describe en Antecedentes teóricos generales y Antecedentes teóricos EN. El modelo de soldadura tiene un diagrama de material elasto-plástico y los picos de tensión se redistribuyen a lo largo de la longitud de la soldadura.

Verificación de la resistencia

Las resistencias de cálculo de las soldaduras calculadas por CBFEM se comparan con los resultados del MC; véase Tab. 4.2.2. Se estudian dos parámetros: la longitud de la soldadura y la sección del angular. La Fig. 4.2.2 muestra el estudio de sensibilidad de la longitud de la soldadura inferior. La longitud de la soldadura superior a en el estudio es L_a=100mm.

 \[ \textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.2 Comparación de CBFEM y MC}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{a}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{b}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{a) Angular de unión 80×10             b) Angular de unión 160×16}}}\]

 \[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.2 Estudio de sensibilidad de la longitud b de la soldadura inferior}}}\]

Se comparan los resultados de CBFEM y MC, y se presenta el estudio de sensibilidad. La influencia de la longitud de la soldadura en la resistencia de cálculo de una unión angular soldada se muestra en la Fig. 4.2.2. El estudio muestra una buena concordancia para todas las configuraciones de soldadura. Para ilustrar la precisión del modelo CBFEM, los resultados del estudio se resumen en un diagrama que compara las resistencias de cálculo obtenidas por CBFEM y MC; véase Fig. 4.2.3. Los resultados muestran que todas las predicciones del CBFEM son del lado de la seguridad en comparación con el MC, donde se desprecia la excentricidad.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.3 Verificación de CBFEM frente a MC}}}\]

Ejemplo de referencia

Datos de entrada

Angular

• Sección transversal 2×L80×10
• Distancia entre angulares 16 mm

Placa

• Espesor t_p = 16 mm
• Ancho b_p  = 240 mm

Soldadura, soldaduras en ángulo paralelas, véase Fig. 4.2.4

• Espesor de garganta a_w  = 3 mm
• Longitud de la soldadura superior L_w,top = 100 mm
• Longitud de la soldadura inferior L_w,bottom = 50 mm

Resultados

• Resistencia de cálculo a tracción F_Rd = 170 kN (Cabe señalar que la resistencia se calculó utilizando la función "Detener en deformación límite". En consecuencia, la resistencia real del CBFEM puede ser marginalmente superior.)

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.4 Ejemplo de referencia de la unión de placa angular soldada con soldaduras en ángulo paralelas}}}\]