Como se esperaba, al aplicar una carga puntual al espécimen en el extremo libre de la viga, la forma que este adquiere corresponde a la deformada típica de una viga en voladizo. Así sucedió en los ensayos experimentales y en el modelo de elementos finitos. Ver figura 8.5.
Figura 8.5. Deformada del espécimen: a) ensayo experimental; b) FEM
Fuente: a) Diseño preliminar de una conexión con solicitación a momento de acero estructural, (López, 2018); b) Elaboración propia.
En el primer espécimen de conexión viga-columna ensayado (EPC-1), la deformación de los elementos se evidenció en primer lugar por la separación entre la platina de extremo y el ala de la columna en la zona de tensión (López, 2018). Este resultado coincide, aunque en menor proporción, con el modelo de elementos
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finitos cuando se aplica un momento equivalente a la resistencia determinada con el Eruocódigo 3. Ver figura 8.6.
Figura 8.6. Separación entre la platina de extremo y el ala de la columna: a) ensayo experimental; b) FEM
Fuente: a) Diseño preliminar de una conexión con solicitación a momento de acero estructural, (López, 2018); b) Elaboración propia.
En los ensayos experimentales el ala de la columna en tensión se deformó debido a la fuerza trasmitida por los pernos (López, 2018), lo cual también coincide con la simulación por elementos finitos. Ver figura 8.7.
Figura 8.7. Deformación del ala de la columna en la zona de tensión: a) ensayo experimental; b) FEM
Fuente: a) Diseño preliminar de una conexión con solicitación a momento de acero estructural, (López, 2018); b) Elaboración propia.
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Las deformaciones del ala de la columna en compresión son menores respecto a las de la zona en tensión. Ver figura 8.8. Una de las causas de que esto ocurra, es que en la zona comprimida la platina de extremo produce un contacto normal sobre el ala de la columna, por lo tanto, hay mayor distribución de la fuerza en sus componentes. Contrario a la zona de tensión, donde la carga se concentra mayormente alrededor de los pernos, generando la deformación del ala de la columna.
Figura 8.8. Deformación en zonas de tensión y compresión de columna FEM
Fuente: Elaboración propia.
Conforme a la figura anterior, se puede decir que los rigidizadores de la columna minimizan la deformación de sus componentes. Por ejemplo, en la distancia comprendida por las dos filas de pernos en tensión, se observa que a mayor cercanía con el rigidizador, menor es la deformación del ala de la columna.
El ala de la columna del espécimen ensayado tuvo grandes deformaciones alrededor de los agujeros de los pernos en tensión (López, 2018). Estas deformaciones se producen por la alta concentración de esfuerzo, en medio de la tuerca y el ala de la columna, ya que gran parte de la carga se trasmite a la columna mediante los cuatro pernos ubicados en la zona tensionada. En otras palabras, las tuercas producen un efecto de aplastamiento en el ala de la columna como se muestra en la figura 8.9.
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Figura 8.9. Deformación en el ala de la columna por aplastamiento
Fuente: Elaboración propia.
En el modelo de elementos finitos también se observa deformaciones alrededor de los agujeros ubicados en la zona de tensión, a causa del aplastamiento ejercido por la tuerca sobre el ala de la columna. Sin embargo, estas deformaciones son menores a las obtenidas con el ensayo experimental. Ver figura 8.10.
Figura 8.10. Deformación por aplastamiento: a) ensayo experimental; b) FEM
Nota: U, Magnitude es el desplazamiento medido en m
Fuente: a) Diseño preliminar de una conexión con solicitación a momento de acero estructural, (López, 2018); b) Elaboración propia.
Es probable que las deformaciones por aplastamiento en el ala de la columna, sean mayores en el espécimen ensayado en comparación con el modelo de elementos finitos, porque en realidad la tuerca tiene una forma hexagonal, mientras que en la simulación esta fue representada como un cuadrado, es decir, en el primer caso se aproxima a una forma circular, la cual es adoptada por la deformación, mientras que en el FEM esto no ocurre. Además, los agujeros de los pernos también varían ya que realmente son circulares, pero en el modelo se les dio forma cuadrada.
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En términos resumidos, según los ensayos experimentales el ala de la columna en tensión fue el componente del espécimen más afectado, debido a que sufrió una gran plastificación, es decir deformaciones que no se recuperan una vez se hace el retiro de la carga. Ver figura 8.11. Esto coincide con el modelo de elementos finitos, pues como se muestra en el Anexo B, el ala de la columna presenta grandes valores de tensión comparado con los demás elementos de la conexión.
Figura 8.11. Plastificación de la columna en ensayo experimental
Fuente: a) Diseño preliminar de una conexión con solicitación a momento de acero estructural, (López, 2018).
De manera complementaria, se puede afirmar que el modelo de elementos finitos también presentó plastificación en la zona de la columna tensionada. Esto se verifica al analizar los valores de la tensión equivalente de Von Mises: magnitud que está asociada al criterio de falla según el cual la plastificación de un material dúctil, como el acero, se produce cuando dicha tensión supera el esfuerzo límite de fluencia de ese material. Así pues, se debe recordar que el límite elástico del acero de la columna es 𝐹𝑦,𝑐= 345 𝑀𝑃𝑎. A continuación, se muestra la columna deformada en el modelo de elementos finitos con un mapa de colores correspondiente al valor de la tensión de Von Mises. Ver figura 8.12.
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Figura 8.12. Tensión de Von Mises en columna deformada FEM
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo con la figura anterior, en algunas partes del ala de la columna, la tensión de Von Mises supera claramente el límite elástico del material. Por ejemplo, las zonas de color naranja tienen un valor aproximado de 3.87 × 108 𝑃𝑎, es decir
387 𝑀𝑃𝑎, superando de este modo el límite de fluencia del acero. Por lo tanto, es acertado decir que estas zonas están plastificadas, de manera que coincide con los resultados de los ensayos experimentales.
En cuanto al segundo espécimen ensayado (EPC-2), al que se le aplicó series de carga y descarga para evaluar su comportamiento cíclico, este presentó una combinación de esfuerzos de flexión y torsión con respecto al eje longitudinal de la viga. Ver figura 8.13. Este hecho se pudo originar por excentricidad en la aplicación de la carga y falta de arriostramiento de la viga (López, 2018). Entonces, debido a la condición cíclica de la carga, no es pertinente realizar comparaciones entre la deformación del EPC-2 y el modelo de elementos finitos, ya que este último se analizó para condición de carga estática.
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Figura 8.13. Deformación del segundo espécimen ensayado (EPC-2)
Fuente: Diseño preliminar de una conexión con solicitación a momento de acero estructural, (López, 2018).
Para concluir la etapa del análisis cualitativo, se esperaba que en la viga se formara una articulación plástica cerca a la conexión (López, 2018), pues las estructuras metálicas se diseñan para que cumplan el criterio de viga débil y columna fuerte. Sin embargo, esto no ocurrió, y por el contrario el elemento más afectado fue la columna, por lo que se recomienda realizar ajustes a la conexión de acero. Además, los pernos usados para la conexión también presentaron plastificación, entonces se deduce que no son óptimos para el prototipo ensayado.
La no formación de la articulación plástica, y la plastificación de los pernos en los ensayos experimentales, nuevamente coinciden con los resultados del modelo de elementos finitos.
Figura 8.14. No formación de articulación plástica y plastificación de perno FEM
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En la figura 8.14 se observa la plastificación del perno, puesto que en algunos puntos la tensión equivalente de Von Mises es aproximadamente 591 𝑀𝑃𝑎, superando así su límite de fluencia, es decir a 560 𝑀𝑃𝑎.