El diseño de uniones metálicas reinventado

El diseño de uniones metálicas –
reinventado
Juraj Sabatka, CSO&CFO
3
Este es David, un ingeniero estructural…
4
¿Puede calcular estas uniones, David?
5
¿Cuál es el problema?
David no ha
encontrado un
ejemplo verificado
como este
¿Puede entrarlo en
un modelo de EF
avanzado?
Sí
¿Puede verificar a
partir del modelo
EF según una
norma?
No
La unión no puede diseñarse
No
Sí
Unión diseñada, de forma laboriosa.
¿Qué pasa si la unión cambia un
poco? Hay que empezar desde cero…
Se necesita una nueva aproximación
6
David conoce IDEA RS
IDEA RS con base en Brno,
República Checa, desde 2009
IDEA StatiCa Steel
22 personas
Producto = IDEA StatiCa Acero,
Hormigón y Pretensado
Escritorio: 800 licencias, 30
países
IDEA StatiCa
Connection
FEA links
CAD links
Cloud (beta): 3000 usuarios,
mundial
Trayectoria de nuestros líderes
Liderando equipos de desarrollo desde 1986
La primera solución de software en Europa
para análisis estructural basada en Windows
en los 90
Director de desarrollo en Nemetschek SCIA
Programas: ESA Prima Win, SCIA Engineer
Socios
8
Socios
IDEA RS = Autodesk AEC Solution Associate
Advance Steel, Robot Structural Analysis, Revit, Tekla
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Simplifica y automatiza
Modelo ideal plástico del material
(Línea verde)
Crea el modelo de análisis
automáticamente
Realiza todas verificaciones a la vez
Proporciona resultados claros de
pasa/no pasa
Realiza el proceso entero en minutos
Cualquier tipología, cualquier carga, en minutos
10
Diseñado por IDEA StatiCa Connection
Deformación
plástica
equivalente
12%
Cartela o
rigidizador
añadido
4,5%
0,5%
11
Diseño con IDEA StatiCa Connection
Basado en un Nuevo método – Modelo de Componentes Basado en
Elementos Finitos (CBFEM)
Sinergia del Método de los Componentes Estándar y el Análisis de Elementos
Finitos
Solución única patentada
12
Verificación – Tipologías simples
Unión a cortante con placa simple
Unión con placa y tapa para perfil CHS
CBFEM da resultados de acuerdo al AISC/Eurocódigo
13
Verificación – Tipologías simples
Tubo – Cartela en arriostramiento
Empalme por alas de viga en doble T
CBFEM da resultados de acuerdo al AISC/Eurocódigo
14
Verificación – Tipologías simples
Placa de unión viga-pilar
Empalme con placa de unión
Unión a momento
con placa
extendida
CBFEM da resultados de acuerdo al AISC/Eurocódigo
Verificación – Tipologías complejas
Modelos únicos creados y
comparados con varios softwares
Ensayos en laboratorio
Todos los estudios publicados
Dos equipos universitarios
invirtieron 3 años en ello
16
Cooperación con universidades = Solución verificada
17
¿Es realmente tan rápido?
… en 10 minutos
18
Carga = 25%
Eps = 0,1%
19
Carga = 38%
Eps = 0,2%
20
Carga = 50%
Eps = 0,3%
21
Carga = 63%
Eps = 0,4%
22
Carga = 75%
Eps = 0,6%
23
Carga = 88%
Eps = 0,7%
24
Carga = 100%
Eps = 1,5%
25
Carga = 113%
Eps = 3,2%
26
Carga = 119%
Eps = 5,8%
27
Carga = 121%
Eps = 8,4%
28
Carga = 125%
Eps = 16,5%
29
Modelo Método de los Componentes Basado en
Elemento Finito (CBFEM)
El punto débil del Método de los Componentes / Guías de diseño es
que la tipología de uniones es limitada
Usamos elementos finitos para conocer las tensiones y las deformaciones
Aplicamos las verificaciones de los códigos sobre ello
Cualquier tipología cualquier carga, en cuestión de minutos
30
Características innovadoras
Placas malladas de forma independiente, tensiones por contacto
31
Características innovadoras
Tornillos a cortante, tornillos a tracción, Placas en contacto
32
Características innovadoras
Operaciones de detallado
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Interfaz BIM – programas de análisis por EF
Robot Structural Analysis, SCIA Engineer, AxisVM, RFEM, MIDAS Civil/Gen
SAP 2000 versión 7 (Junio 2016)
34
Interfaz BIM – programas de diseño BIM
Enlaces ya desarrollados para Advance Steel y Tekla Structures
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400 licencias de acero en 25 países
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Ejemplos de nuestros clientes – placa transversal en el
eje débil de la columna
Colapso del alma de la
columna.
Deformación equivalente
es del 15%.
Aumentar la placa
Aumentar grosor de alma
Rigidizadores
37
Ejemplos de nuestros clientes – arriostramiento en
cruz de diagonales
Deformación de CHS. La rigidez perpendicular de CHS es más débil.
Todos los CHS soldados a una placa. La rigidez es 10 veces más alta.
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Ejemplos de nuestros clientes – torre
eléctrica
Los tornillos solicitados a grandes esfuerzos de tracción de
manera excéntrica. No lo pueden soportar
Reorganizar los tornillos lo solucionó.
39
Ejemplos de nuestros clientes – pasarela puente
La unión no se podía diseñar con los
requerimientos prescritos y los modelos del EC3,
era necesario adoptar una aproximación más
genérica.
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Diseño de uniones de acero - IDEA StatiCa Connection
Cálculos manuales
Hojas de cálculo en Excel
Cualquier tipología, cualquier carga,
en minutos
Modelos avanzados científicos
Verificaciones pasa/no pasa EN/AISC
Standalone, vínculos a CAD/FEA
Resultados verificados por universidades
Tecnología única patentada
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¿Las recuerdan?
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David puede calcular lo que antes solo estimaba
Steel connection design –
selected issues
Lubomir Sabatka, CEO
44
This is David, an experienced user of
IDEA StatiCa Connection…
45
… but he still has questions.
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Topics and issues
• CBFEM model – plates, stress, plastic hinge
• CBFEM model – how to apply loads
• Bolts – block tearing, bearing resistance, distance between bolts, tension forces
• Anchors checks
• Buckling – limits
• Stiffness
Any topology, any loading, in minutes
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CBFEM model – plates, stress
The resulting equivalent stress (HMH,
von Mieses) and plastic strain are
calculated on plates. The stress check
cannot be performed, because the stress
reaches the yield strength only. Thus the
check of equivalent plastic strain is
performed. The limit value 5% is
suggested in Eurocode (EN1993-1-5
app. C par. C8 note 1), this value can be
modified in project settings.
Plate element is divided to 7 layers and
elastic/plastic behavior is investigated in
each of them. Program shows the worst
result of stress or strain from all of them.
48
CBFEM model – plastic hinge
49
CBFEM model – how to apply loads
1. IDEA StatiCa Connection does not calculate the whole structure – there is a
lot of appropriate tools to do that (Robot, SAP2000, Consteel etc). We are the
next step in the design process, making more precise model of a part of that
3D structure (frame). All internal (dead weight) and external (wind, snow,
traffic) loads are put on the 3D structure, not on the model of connection.
2. IDEA StatiCa Connection takes out one node of analyzed 3D frame, adds end
stubs of connected members and construct their connection like in reality.
IDEA StatiCa Connection resolves only the node and it close neighborhood..
3. IDEA StatiCa Connection takes end internal forces of all connected members
and transfer them as loads on ends of related stubs. Forces are extrapolated
from end of stub closer to node to the farther end of stub.
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CBFEM model – how to apply loads
b ) CBFEM model – dark blue color
a) 3D frame model
Mc = M – V . r
Vc = V
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CBFEM model – how to apply loads
Real forces in connection are used.
Problem appears when both models are not
coincident. Then position of internal forces has
to be shifted.
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CBFEM – checks of bolts and welds
CBFEM is a synergy of Component method and FEM
We use finite elements to model stress and strain
Standard checks are then applied
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Cooperation with universities = Verified solution
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Check of bolts - block tearing
IDEA Connection covers all such effect directly in FE model of plates
Vy shear – strain
Vy and N – strain check
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Check of bolts - block tearing
Vy shear
Vy and N
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Check of bolts – bearing check with alpha b
IDEA Connection takes into account the effect of more bolts in one line in
direction of load force.
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Check of bolts – bearing check with alpha b
Shear force
Tensile force
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Fillet welds – evaluation of stress
The stress in the throat section of fillet weld is determined according to art.
4.5.3.
Program calculates precise values in weld link. User can decide how to
evaluate the value for the check. There are 3 options:
Maximal stress
Average stress
Linear interpolation
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Fillet welds – evaluation of stress
Method 1 can be too conservative in many cases. Method 2 simulates the
situation when the whole weld can be plastic. In majority of cases it is close
to the reality, but for instance for long welds this method is not appropriate.
Similar situation is with method 3.
New model with full plastic behavior of welds is under the development. It
will replace all 3 current method. The release is expected in version 7.1.
60
Anchoring – contact stress
Effective area is calculated according to the real course of contact stress and
assumptions defined in Eurocode. Graphical representation shows the way
of checking. Calculated effective area is marked as green. Final effective
area for contact stress check is highlighted as shaded.
61
Stiffness of connection
Stiffness of one member connection to the whole joint can be analyzed.
2 models are created and compared – CBFEM and 1D member model.
The difference between them is expected as a flexible hinge stiffness.
62
Stiffness of connection
Level of design load
Limit value of capacity of
connection for 5%
equivalent strain
Limit value of capacity of
connected member (useful
also for seismic design)
2/3 of limit capacity for
calculation of initial stiffness
Value of initial stiffness
Limits for the classification of
connection – rigid and
pinned
.
63
Local buckling
Buckling reduction factor ρ [-]
1.2
1.0
0.8
Annex B
0.6
0.4
0.2
0.0
0
1
2
3
Plate slenderness λp [-]
Buckling reduction factor ρ according to EN 1993-1-5 Annex B
4
The advantage of the procedure is the
advanced FEM analysis of the whole joint,
which can be applied to general geometry.
It is included in valid Eurocode standards.
The limit slenderness λp is provided in Annex
B of EN 1993-1-5 and sets all cases which
must be assessed according to previous
procedure. The resistance is limited by
buckling for plate slenderness higher than
0.7. With the decreasing slenderness is
the resistance governed by plastic strain.
The limit critical buckling factor for plate
slenderness equal to 0.7 and buckling
resistance can be derived from it.
It is recommended to check the buckling resistance for critical
buckling resistance smaller than 3.
64
Local buckling
It is recommended to check the buckling resistance for critical
buckling resistance smaller than 3.
65
BIM interface – CAD programs
Links already developed for Advance Steel and Tekla Structures
66
David is now happy.