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• Sergio Alvarado

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• Análisis matemático

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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

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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

9

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

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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

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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

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Verificación – Tipologías simples Tubo – Cartela en arriostramiento

Empalme por alas de viga en doble T

CBFEM da resultados de acuerdo al AISC/Eurocódigo

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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

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Cooperación con universidades = Solución verificada

17

¿Es realmente tan rápido?

… en 10 minutos

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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%

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Carga = 121% Eps = 8,4%

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Carga = 125% Eps = 16,5%

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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

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Características innovadoras

Placas malladas de forma independiente, tensiones por contacto

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Características innovadoras

Tornillos a cortante, tornillos a tracción, Placas en contacto

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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)

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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

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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.

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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

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This is David, an experienced user of IDEA StatiCa Connection…

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… 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.

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CBFEM model – plastic hinge

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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.

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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.

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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.

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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 .

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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.

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Local buckling

It is recommended to check the buckling resistance for critical buckling resistance smaller than 3.

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BIM interface – CAD programs

Links already developed for Advance Steel and Tekla Structures

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David is now happy.