El trabajo realizado consiste en el estudio de una unión atornillada de doble chapa simétrica. Se ha creado un modelo numérico de elementos finitos usando software avanzado y se ha validado gracias a la afinidad de sus resultados con los de los ensayos disponibles

Jiménez Pérez, Pedro

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MODELACIÓN NUMÉRICA DE UNA UNIÓN ATORNILLADA MEDIANTE 
ELEMENTOS FINITOS 
 
Autor: Pedro Jiménez Pérez 
Tutor: Dr. Esther Real, Prof. Ian Burguess 
 
RESUMEN 
 
Las uniones son un componente muy importante de cualquier estructura metálica ya que 
proporcionan vínculos entre los principales miembros de la estructura. El fallo de una estructura 
metálica puede estar determinado por el fallo de sus uniones, por lo que la evaluación de la 
resistencia de las uniones es un tema de gran importancia.  
 
La investigación experimental en laboratorio es muy costosa y conlleva mucho tiempo realizar 
los experimentos, además de la dificultad de reproducir las condiciones apropiadas para el ensayo 
con suficiente fidelidad. Por ello la modelación de las uniones metálicas mediante software avanzado 
es un recurso de vital importancia para el estudio de las mismas. La comparación de los modelos 
numéricos con los resultados experimentales disponibles nos permite validar los modelos con el fin de 
realizar estudios analíticos y paramétricos de las uniones con un coste y tiempo invertido mucho 
menor.     
 
En particular, las uniones atornilladas con chapa de acero son fáciles de fabricar y de instalar; 
como resultado son económicas y su uso está muy extendido. En este trabajo de investigación se ha 
estudiado la unión atornillada de doble chapa simétrica de acero, por lo que se ha creado un modelo 
en tres dimensiones de elementos finitos altamente detallado usando el software ABAQUS. Este es 
un modelo complejo para materiales no lineales, con grandes deformaciones y comportamiento de 
contacto, que es crítico para modelar el comportamiento de la unión, y ha sido analizado con 
comportamiento elásto-plástico. 
 
Gracias a la comparación del modelo numérico con resultados experimentales se ha 
demostrado que éste tiene un alto nivel de precisión y se ha utilizado para reproducir el 
comportamiento de la unión y realizar un estudio paramétrico.  Además se ha realizado un estudio 
comparativo entre los resultados obtenidos aplicando las diversas normativas existentes y el análisis 
paramétrico. Las normativas estudiadas paral·lelamente a la creación del modelo numérico de 
elementos finitos han sido el Documento Básico SE-A Acero, la Instrucción EAE y el Eurocódigo 3.   
 
El estudio paramétrico realizado consiste en analizar la influencia del cambio de espesor y 
resistencia última del acero de la chapa y alma de la viga y de la ductilidad del tornillo en el 
comportamiento global de la unión. Para ello se ha aplicado una carga externa hasta llevar a rotura el 
modelo en los diferentes casos. Como modos de rotura se han observado el corte o doblamiento del 
tornillo así como el alargamiento del agujero en el alma de la viga o aplastamiento de la chapa de 
acero.  
 
El estudio comparativo entre las normativas y el modelo numérico de elementos finitos ha 
mostrado una gran afinidad entre los resultados obtenidos por ambos métodos, tanto en la carga de 
rotura de la unión como en el tipo de rotura que muestra el estudio de cada uno de los casos 
analizados. Los resultados muestran que la ductilidad del tornillo es un parámetro importante para 
uniones con espesores de chapa grandes, ya que la rotura que se produce es por cortadura del 
tornillo, mientras que en uniones con espesores de chapa pequeños la resistencia última del acero es 
más relevante, ya que la unión rompe por aplastamiento de la chapa. 
 
Aunque existe una gran afinidad entre los resultados del modelo numérico y los de las 
normativas hay que destacar que la influencia de determinados parámetros no se refleja en éstas, ya 
que están limitadas por las variables utilizadas en sus ecuaciones, mientras que en el modelo 
numérico utilizado se puede estudiar el efecto de la variación de más parámetros sobre el 
comportamiento global de la unión. Por ello, el uso de modelos numéricos de elementos finitos 
debidamente calibrados y validados es una útil herramienta para el estudio de las uniones y la mejora 
de las normativas, ya que una mayor comprensión del comportamiento de las uniones permitiría 
reducir los márgenes de seguridad para optimizar su uso.  


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Modelación numérica de una unión atornillada mediante elementos finitos

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    MODELACIÓN NUMÉRICA DE UNA UNIÓN ATORNILLADA MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS  Autor: Pedro Jiménez Pérez Tutor: Dr. Esther Real, Prof. Ian Burguess  RESUMEN  Las uniones son un componente muy importante de cualquier estructura metálica ya que proporcionan vínculos entre los principales miembros de la estructura. El fallo de una estructura metálica puede estar determinado por el fallo de sus uniones, por lo que la evaluación de la resistencia de las uniones es un tema de gran importancia.   La investigación experimental en laboratorio es muy costosa y conlleva mucho tiempo realizar los experimentos, además de la dificultad de reproducir las condiciones apropiadas para el ensayo con suficiente fidelidad. Por ello la modelación de las uniones metálicas mediante software avanzado es un recurso de vital importancia para el estudio de las mismas. La comparación de los modelos numéricos con los resultados experimentales disponibles nos permite validar los modelos con el fin de realizar estudios analíticos y paramétricos de las uniones con un coste y tiempo invertido mucho menor.      En particular, las uniones atornilladas con chapa de acero son fáciles de fabricar y de instalar; como resultado son económicas y su uso está muy extendido. En este trabajo de investigación se ha estudiado la unión atornillada de doble chapa simétrica de acero, por lo que se ha creado un modelo en tres dimensiones de elementos finitos altamente detallado usando el software ABAQUS. Este es un modelo complejo para materiales no lineales, con grandes deformaciones y comportamiento de contacto, que es crítico para modelar el comportamiento de la unión, y ha sido analizado con comportamiento elásto-plástico.  Gracias a la comparación del modelo numérico con resultados experimentales se ha demostrado que éste tiene un alto nivel de precisión y se ha utilizado para reproducir el comportamiento de la unión y realizar un estudio paramétrico.  Además se ha realizado un estudio comparativo entre los resultados obtenidos aplicando las diversas normativas existentes y el análisis paramétrico. Las normativas estudiadas paral·lelamente a la creación del modelo numérico de elementos finitos han sido el Documento Básico SE-A Acero, la Instrucción EAE y el Eurocódigo 3.    El estudio paramétrico realizado consiste en analizar la influencia del cambio de espesor y resistencia última del acero de la chapa y alma de la viga y de la ductilidad del tornillo en el comportamiento global de la unión. Para ello se ha aplicado una carga externa hasta llevar a rotura el modelo en los diferentes casos. Como modos de rotura se han observado el corte o doblamiento del tornillo así como el alargamiento del agujero en el alma de la viga o aplastamiento de la chapa de acero.   El estudio comparativo entre las normativas y el modelo numérico de elementos finitos ha mostrado una gran afinidad entre los resultados obtenidos por ambos métodos, tanto en la carga de rotura de la unión como en el tipo de rotura que muestra el estudio de cada uno de los casos analizados. Los resultados muestran que la ductilidad del tornillo es un parámetro importante para uniones con espesores de chapa grandes, ya que la rotura que se produce es por cortadura del tornillo, mientras que en uniones con espesores de chapa pequeños la resistencia última del acero es más relevante, ya que la unión rompe por aplastamiento de la chapa.  Aunque existe una gran afinidad entre los resultados del modelo numérico y los de las normativas hay que destacar que la influencia de determinados parámetros no se refleja en éstas, ya que están limitadas por las variables utilizadas en sus ecuaciones, mientras que en el modelo numérico utilizado se puede estudiar el efecto de la variación de más parámetros sobre el comportamiento global de la unión. Por ello, el uso de modelos numéricos de elementos finitos debidamente calibrados y validados es una útil herramienta para el estudio de las uniones y la mejora de las normativas, ya que una mayor comprensión del comportamiento de las uniones permitiría reducir los márgenes de seguridad para optimizar su uso.  

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