Autores: Dr. Ing. Jorge Douglas Bonilla Rocha
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo
Dr. Ing. Carlos Alexander Recarey Morfa
Dr. Ing. Enrique Mirambell Arrizabalaga
Lic. Ángel Gómez Argüelles
Ing. Melchor López Ávila
Puerto Padre, Cuba
E-mail: melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
Revista Ingeniería Civil CEDEX (En Edición)
Resumen:
En este trabajo se realiza la simulación virtual del ensayo push-out empleando conectadores tipo perno, a diferencia de otros trabajos realizados en losa maciza, en este caso se aborda la tipología viga-losa en presencia de lámina nervada (steel deck). Para ello se utiliza el programa computacional ABAQUS, el cual está basado en el Método de Elementos Finitos (MEF). En la simulación del comportamiento de los materiales se ha empleado: un modelo de daño plástico para el hormigón y uno bilineal para el acero. Se plantean los aspectos metodológicos para enfrentar la simulación del ensayo de conectadores en la tipología analizada. Finalmente se valida todo el proceso de modelación utilizando probetas con condicionantes diferentes a las existentes en el modelo inicial. En todos los casos se obtiene muy buena correspondencia entre modelación y experimentación, en cuanto a la capacidad resistente última de la conexión, con errores que no superan el 3 %.
Abstract:
In this work are carried out the virtual simulation of the push-out test employing headed studs shear connectors, in composite sections of beam-slab with profiled sheeting, to difference of other work about solid slab. ABAQUS software, based on the Finite Element Method (FEM) is utilized for this purpose. In the simulation of the behaviour of the materials have been employed a model of damage plastic for the concrete and bilineal model for the steel. The basis and methodology to model the push out test are explained for this type of composite section. Finally is validating the simulation process on specimen with different conditions to the existent in the initial model. A very good correspondence of the ultimate strength of the connection between simulation and experimentation, with errors that don't overcome the 3% was observed on all the cases.
lámina nervada, estructuras mixtas, conectador, perno, simulación numérica, elementos finitos, steel deck, profiled sheeting, composite structures, connectors, stud shear, numerical simulation, finite element method, Melchor López
Introducción
En este trabajo se realiza la simulación numérica del ensayo push-out para conectadores tipo perno de estructuras mixtas en la tipología viga-losa en presencia de lámina nervada. Para ello se emplea como herramienta numérica el programa computacional ABAQUS/CAE (Versión 6.4-1, 2003), basado en el Método de Elementos Finitos (MEF).
En la literatura consultada existen varios trabajos donde se realizan estudios del comportamiento de conectadores a través de la simulación numérica en el código ABAQUS, donde sobresalen los de Lam y Ellobody (2005), Ellobody y Young (2006), Bonilla et al. (2007a)(2007b)(2007c). De ellos solamente el de Ellobody y Young (2006) aborda la tipología viga-losa en presencia de lámina nervada, en el que la simulación del comportamiento del hormigón se realiza a través del criterio de discontinuidad plástica de Drucker-Prager, obteniéndose muy buena correspondencia entre modelación y experimentación. En este trabajo es utilizado a diferencia del anterior un novedoso modelo computacional implementado en el ABAQUS, concebido para ser aplicado a través del MEF y basado en la mecánica del daño, conocido como Modelo de Daño Plástico del hormigón (Concrete Damaged Plasticity).
En el desarrollo del trabajo primeramente se tratan los aspectos concernientes a la modelación de los materiales, posteriormente se detalla el proceso de modelación del ensayo de conectadores. Se plantean las bases metodológicas para acometer la simulación virtual del ensayo, tratándose aspectos relacionados con la concepción geométrica del modelo, teniendo en cuenta el aprovechamiento de la simetría físico-mecánica y de las cargas, así como la definición de las condiciones de borde e interfase entre los cuerpos que componen la probeta virtual. Se aborda todo el proceso de calibración, vinculado a la selección del tipo de elemento finito y de la densidad de malla óptima, acorde con un adecuado costo computacional.
En este trabajo, finalmente se aprecia muy buena correspondencia entre los resultados experimentales y numéricos, aspecto que permite validar todo el proceso de modelación, así como la utilización del MEF para el estudio del comportamiento de conectadores en la tipología viga-losa en presencia de lámina nervada.
ACÁPITES
Modelación del comportamiento de los materiales 3
Modelación del acero 3
Modelación del hormigón 3
Simulación del ensayo de conectadores 9
Descripción del espécimen 9
Modelación de la geometría 10
Modelación de las condiciones de apoyo y de frontera de los cuerpos 11
Estudio y selección del tipo de elemento finito a emplear 12
Estudio y selección de la densidad de malla 13
Validación del proceso de modelación 15
Conclusiones 19
Bibliografía 20
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lunes, 12 de enero de 2009
sábado, 10 de enero de 2009
Modelación numérica del ensayo pull- out para losas compuestas (losas mixtas)
Numerical modeling of pull out test
for composite slabs using steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, UCLV, Cuba
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería Civil CEDEX [En edición])
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo
Dr. Ing. Jorge D. Bonilla Rocha
RESUMEN
Se emplean de modo combinado la modelación numérica y los ensayos e instrumentación como patrones de calibración para reproducir el ensayo pull out que se ejecuta a losas compuestas con lámina metálica colaborante (losas mixtas) para determinar la fuerza de cizallamiento longitudinal que se genera en la superficie de contacto entre la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se considera modelo elasto- plástico para el acero y modelo de daño plástico para el hormigón. Se hace uso del código comercial ABAQUS/Implicit 6.6 para realizar la simulación virtual de los ensayos pull out. Se define conceptualmente la concepción de la modelación y el proceso de calibración del modelo numérico tomando como base ensayos reales e instrumentación en tiempo real. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Numerical modeling is used to reproduce pull out tests that are carry out at composite slabs in small scale to determine shear longitudinal forces between metallic sheet and concrete slab. Is been considered an elastic- plastic model for the steel and a plastic damage model for the concrete. Is used ABAQUS/Implicit 6.6 Commercial Code to simulate numerically using FEA the pull out test. Is conceptually defined the modeling and the numerical model calibration taking as basis experimental studies. Are established the parametric study basis and an analytic method to estimate longitudinal shear.
INTRODUCCION
Las losas compuestas (losas mixtas)son tipologías estructurales de extendido uso donde se combina el trabajo de una lámina metálica y el bloque de hormigón reforzado que esta soporta (López et al., 2007). Usualmente el fallo estructural está precedido por el deslizamiento del bloque de hormigón sobre la lámina metálica, venciendo la resistencia a cortante longitudinal entre ambos elementos y eliminándose así el trabajo conjunto entre ambos materiales. La adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica son las componentes principales que conforman la resistencia al cortante longitudinal entre la lámina y el hormigón.
Para caracterizar las losas compuestas (losas mixtas) se efectúan estudios experimentales, cargando tramos simples de losas para cuantificar su fallo a la flexión (EN 1994-1-1, 2004, NRMC 082, 2004, ASTM E8-00b, 2001, CSSBI S3-2002, 2003), o aplicando tracción sobre probetas de un tramo de entrenervio de losa (Figura 1) para cuantificar la resistencia a cortante longitudinal entre el bloque de hormigón reforzado y su lámina portante. A este tipo de ensayo se le denomina “Pull out” (Daniels, 1988, Guex, 2002, Edder, 2003).
La modelación numérica de losas compuestas (losas mixtas) ha sido objeto de varias investigaciones (Widjaja, 1997, Veljkovic, 1998, Schuurman, 2000, Edder, 2003, Abdullah, 2004, Ferrer, 2006, Mistakidis, 2007). De una forma u otra todas intentan simular el efecto de cizallamiento longitudinal entre la superficie portante de la lámina metálica colaborante y el bloque de hormigón. Internacionalmente se han desarrollado varias investigaciones en la temática, entre ellas se destacan Abdullah y Ferrer. Mistakidis, a pesar de ser una de las investigaciones más actuales en la temática, se centra en el estudio de la flexión de los elementos compuestos o mixtos de acero- hormigón.
Abdullah emplea el código comercial ABAQUS/Explicit y una configuración carente de embuticiones. Modela un nervio de la losa en toda su longitud, con elementos finitos tipo placa para la lámina de acero y elementos sólidos 3D para el bloque de hormigón (Abdullah, 2004). La interacción entre las superficies y el aporte de las embuticiones lo simula empleando elementos conectores de rigidez no lineal y conectados nodo a nodo. Estas simplificaciones le impiden efectuar estudios del aporte real debido a la interacción mecánica por la geometría de las embuticiones, así como la distribución local de tensiones en las paredes de las embuticiones y sus proximidades. Con esta forma de modelización del problema no se estudia con fiabilidad el fenómeno de la adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica entre la lámina el hormigón.
Ferrer utiliza el código comercial ANSYS asumiendo un modelo de contacto de fricción rígida de Coulomb, sin adherencia inicial, sin efectos dinámicos y sin tensión tangencial máxima (Ferrer, 2006). Para el acero de la lámina metálica colaborante emplea un modelo multilineal elasto- plástico, y el bloque de hormigón lo simplifica considerándolo como una superficie infinitamente rígida, lo que implica no poder evaluar mecanismos de fallo en el hormigón, como el desgarramiento que se ha observado en estudios experimentales. Este autor aprovecha las simplificaciones que facilita la doble simetría geométrica y de cargas en la probeta del ensayo pull out, así como la simetría longitudinal regida por el patrón cíclico de embuticiones. Modela la lámina con elementos finitos tipo placa con integración reducida, asumiendo el comportamiento de la lámina modelada por su fibra media. La carga aplicada consiste en un desplazamiento longitudinal en la dirección del deslizamiento, impuesto a todos los nodos de cada uno de los bordes transversales de la lámina (Ferrer, 2006). Esta simplificación aparenta no permitir evaluar en toda su magnitud las flexiones que pueden producirse en los bordes de las láminas debido a la aplicación de las cargas con respecto al ensayo real.
En este trabajo se desarrolla un modelo numérico para el código comercial ABAQUS/Implicit que aprovecha las simetrías propuestas por Ferrer, pero presenta la novedad que modela el bloque de hormigón utilizando modelo de daño. En el proceso de modelación de las cargas hay que preproducir el efecto de la tracción y se debe simular el efecto del peso propio del hormigón debido a la posición en que se ejecuta el ensayo (Figura 1). La fuerza de tracción se modela a través de una carga uniformemente distribuida (en área) sobre la cara del bloque de hormigón transversal a la dirección del deslizamiento. La simulación de efecto del peso propio de la lámina y el hormigón se modela con cargas aplicadas lateralmente, las cuales son aplicadas sobre el bloque de hormigón (Figura 1). Tanto la lámina metálica como el bloque de hormigón se modelan geométricamente con elementos finitos sólidos en 3D.
1. INTRODUCCION 2
2. CONCEPTUALIZACIÓN DEL ENSAYO PULL OUT 3
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL PULL OUT 4
4. MODELACION NUMERICA DEL ENSAYO PULL OUT 5
4.1 ESTUDIOS EXPERIMENTALES PREVIOS 6
4.2 MODELACIÓN GEOMÉTRICA 8
4.3 MODELACIÓN DE LAS CARGAS 10
4.4 MODELACIÓN DE LOS MATERIALES 10
4.5 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTACTO 11
4.6 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE BORDE 11
5. ESTUDIO DE CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO 12
5.1 ESTUDIO DE SELECCIÓN DEL TIPO DE ELEMENTO FINITO 12
5.2 ESTUDIO DE DENSIDAD DE MALLA 15
5.3 CALIBRACION DE LOS MODELOS CONSTITUTIVOS 16
6. APLICACIONES AL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL ENSAYO PULL OUT. 18
6.1 INFLUENCIA ENTRE CORTANTE LONGITUDINAL Y LONGITUD DE LA PROBETA 18
6.2 MODELACIÓN DEFINITIVA DEL ENSAYO 19
7. CONCLUSIONES 22
for composite slabs using steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, UCLV, Cuba
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería Civil CEDEX [En edición])
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo
Dr. Ing. Jorge D. Bonilla Rocha
RESUMEN
Se emplean de modo combinado la modelación numérica y los ensayos e instrumentación como patrones de calibración para reproducir el ensayo pull out que se ejecuta a losas compuestas con lámina metálica colaborante (losas mixtas) para determinar la fuerza de cizallamiento longitudinal que se genera en la superficie de contacto entre la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se considera modelo elasto- plástico para el acero y modelo de daño plástico para el hormigón. Se hace uso del código comercial ABAQUS/Implicit 6.6 para realizar la simulación virtual de los ensayos pull out. Se define conceptualmente la concepción de la modelación y el proceso de calibración del modelo numérico tomando como base ensayos reales e instrumentación en tiempo real. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Numerical modeling is used to reproduce pull out tests that are carry out at composite slabs in small scale to determine shear longitudinal forces between metallic sheet and concrete slab. Is been considered an elastic- plastic model for the steel and a plastic damage model for the concrete. Is used ABAQUS/Implicit 6.6 Commercial Code to simulate numerically using FEA the pull out test. Is conceptually defined the modeling and the numerical model calibration taking as basis experimental studies. Are established the parametric study basis and an analytic method to estimate longitudinal shear.
INTRODUCCION
Las losas compuestas (losas mixtas)son tipologías estructurales de extendido uso donde se combina el trabajo de una lámina metálica y el bloque de hormigón reforzado que esta soporta (López et al., 2007). Usualmente el fallo estructural está precedido por el deslizamiento del bloque de hormigón sobre la lámina metálica, venciendo la resistencia a cortante longitudinal entre ambos elementos y eliminándose así el trabajo conjunto entre ambos materiales. La adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica son las componentes principales que conforman la resistencia al cortante longitudinal entre la lámina y el hormigón.
Para caracterizar las losas compuestas (losas mixtas) se efectúan estudios experimentales, cargando tramos simples de losas para cuantificar su fallo a la flexión (EN 1994-1-1, 2004, NRMC 082, 2004, ASTM E8-00b, 2001, CSSBI S3-2002, 2003), o aplicando tracción sobre probetas de un tramo de entrenervio de losa (Figura 1) para cuantificar la resistencia a cortante longitudinal entre el bloque de hormigón reforzado y su lámina portante. A este tipo de ensayo se le denomina “Pull out” (Daniels, 1988, Guex, 2002, Edder, 2003).
La modelación numérica de losas compuestas (losas mixtas) ha sido objeto de varias investigaciones (Widjaja, 1997, Veljkovic, 1998, Schuurman, 2000, Edder, 2003, Abdullah, 2004, Ferrer, 2006, Mistakidis, 2007). De una forma u otra todas intentan simular el efecto de cizallamiento longitudinal entre la superficie portante de la lámina metálica colaborante y el bloque de hormigón. Internacionalmente se han desarrollado varias investigaciones en la temática, entre ellas se destacan Abdullah y Ferrer. Mistakidis, a pesar de ser una de las investigaciones más actuales en la temática, se centra en el estudio de la flexión de los elementos compuestos o mixtos de acero- hormigón.
Abdullah emplea el código comercial ABAQUS/Explicit y una configuración carente de embuticiones. Modela un nervio de la losa en toda su longitud, con elementos finitos tipo placa para la lámina de acero y elementos sólidos 3D para el bloque de hormigón (Abdullah, 2004). La interacción entre las superficies y el aporte de las embuticiones lo simula empleando elementos conectores de rigidez no lineal y conectados nodo a nodo. Estas simplificaciones le impiden efectuar estudios del aporte real debido a la interacción mecánica por la geometría de las embuticiones, así como la distribución local de tensiones en las paredes de las embuticiones y sus proximidades. Con esta forma de modelización del problema no se estudia con fiabilidad el fenómeno de la adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica entre la lámina el hormigón.
Ferrer utiliza el código comercial ANSYS asumiendo un modelo de contacto de fricción rígida de Coulomb, sin adherencia inicial, sin efectos dinámicos y sin tensión tangencial máxima (Ferrer, 2006). Para el acero de la lámina metálica colaborante emplea un modelo multilineal elasto- plástico, y el bloque de hormigón lo simplifica considerándolo como una superficie infinitamente rígida, lo que implica no poder evaluar mecanismos de fallo en el hormigón, como el desgarramiento que se ha observado en estudios experimentales. Este autor aprovecha las simplificaciones que facilita la doble simetría geométrica y de cargas en la probeta del ensayo pull out, así como la simetría longitudinal regida por el patrón cíclico de embuticiones. Modela la lámina con elementos finitos tipo placa con integración reducida, asumiendo el comportamiento de la lámina modelada por su fibra media. La carga aplicada consiste en un desplazamiento longitudinal en la dirección del deslizamiento, impuesto a todos los nodos de cada uno de los bordes transversales de la lámina (Ferrer, 2006). Esta simplificación aparenta no permitir evaluar en toda su magnitud las flexiones que pueden producirse en los bordes de las láminas debido a la aplicación de las cargas con respecto al ensayo real.
En este trabajo se desarrolla un modelo numérico para el código comercial ABAQUS/Implicit que aprovecha las simetrías propuestas por Ferrer, pero presenta la novedad que modela el bloque de hormigón utilizando modelo de daño. En el proceso de modelación de las cargas hay que preproducir el efecto de la tracción y se debe simular el efecto del peso propio del hormigón debido a la posición en que se ejecuta el ensayo (Figura 1). La fuerza de tracción se modela a través de una carga uniformemente distribuida (en área) sobre la cara del bloque de hormigón transversal a la dirección del deslizamiento. La simulación de efecto del peso propio de la lámina y el hormigón se modela con cargas aplicadas lateralmente, las cuales son aplicadas sobre el bloque de hormigón (Figura 1). Tanto la lámina metálica como el bloque de hormigón se modelan geométricamente con elementos finitos sólidos en 3D.
1. INTRODUCCION 2
2. CONCEPTUALIZACIÓN DEL ENSAYO PULL OUT 3
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL PULL OUT 4
4. MODELACION NUMERICA DEL ENSAYO PULL OUT 5
4.1 ESTUDIOS EXPERIMENTALES PREVIOS 6
4.2 MODELACIÓN GEOMÉTRICA 8
4.3 MODELACIÓN DE LAS CARGAS 10
4.4 MODELACIÓN DE LOS MATERIALES 10
4.5 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTACTO 11
4.6 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE BORDE 11
5. ESTUDIO DE CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO 12
5.1 ESTUDIO DE SELECCIÓN DEL TIPO DE ELEMENTO FINITO 12
5.2 ESTUDIO DE DENSIDAD DE MALLA 15
5.3 CALIBRACION DE LOS MODELOS CONSTITUTIVOS 16
6. APLICACIONES AL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL ENSAYO PULL OUT. 18
6.1 INFLUENCIA ENTRE CORTANTE LONGITUDINAL Y LONGITUD DE LA PROBETA 18
6.2 MODELACIÓN DEFINITIVA DEL ENSAYO 19
7. CONCLUSIONES 22
Estimación de la resistencia al cortante longitudinal en losas compuestas (losas mixtas)
Estimating of longitudinal shear resistance
in composite slabs with steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, Cuba.
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería de Construcción [En edición])
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo (**),
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa (***)
RESUMEN
Utilizando el método de elementos finitos se reproduce numéricamente el ensayo de tracción que usualmente se verifica en probetas de losas compuestas con lámina colaborante (losas mixtas) para estimar la resistencia al deslizamiento por cortante longitudinal entre las superficies de la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se asume un modelo elasto- plástico para el comportamiento del acero, y modelo de daño plástico para el hormigón. Para construir la modelación numérica se utiliza el código comercial ABAQUS/Implicit 6.6. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Using finite elements method is reproduced numerically pull out test that usually is practice in composite slabs with steel deck to estimate slip resistance due to longitudinal shear forces between steel deck and concrete block surfaces. Is been assume an elastic- plastic model to represent steel behavior, and a plastic damage model for concrete material. To represent numerical modeling is used ABAQUS/Implicit 6.6 commercial code. Basis are been establish to do a parametric study of the problem, and to developing analytic method to calculate longitudinal shear.
in composite slabs with steel deck
Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, Cuba.
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería de Construcción [En edición])
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo (**),
Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa (***)
RESUMEN
Utilizando el método de elementos finitos se reproduce numéricamente el ensayo de tracción que usualmente se verifica en probetas de losas compuestas con lámina colaborante (losas mixtas) para estimar la resistencia al deslizamiento por cortante longitudinal entre las superficies de la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se asume un modelo elasto- plástico para el comportamiento del acero, y modelo de daño plástico para el hormigón. Para construir la modelación numérica se utiliza el código comercial ABAQUS/Implicit 6.6. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.
ABSTRACT
Using finite elements method is reproduced numerically pull out test that usually is practice in composite slabs with steel deck to estimate slip resistance due to longitudinal shear forces between steel deck and concrete block surfaces. Is been assume an elastic- plastic model to represent steel behavior, and a plastic damage model for concrete material. To represent numerical modeling is used ABAQUS/Implicit 6.6 commercial code. Basis are been establish to do a parametric study of the problem, and to developing analytic method to calculate longitudinal shear.
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