Modelo de Daño para Pórticos Planos de Acero Bajo Cargas Histeréticas

(Resumen)

 

El comportamiento inelástico de un pórtico plano de acero bajo cargas monotónicas e histeréticas presenta diferencias radicales. Bajo cargas monotónicas, la forma física de las rótulas plásticas formadas en los extremos de algunos elementos exhiben pandeo local solamente en el lado sujeto a esfuerzos de compresión. Por otro lado, si el pórtico se encuentra bajo cargas cíclicas, las rótulas plásticas presentan pandeo local en ambos lados. Esta diferencia indica que el pandeo local no es un fenómeno simple que puede aparecer por cualquier extremo de un elemento, sino un fenómeno doble. Uno vez que el pandeo local aparece en un extremo de cualquier elemento este degrada su comportamiento presentando pérdida de rigidez y resistencia. Esto se conoce como daño unilateral.

Para poder predecir el comportamiento de pórticos planos de acero basados en este modelo de daño unilateral, se propone un nuevo elemento finito capaz de describir el desarrollo del pandeo local. Tomando en consideración los conceptos de la Mecánica del Daño Concentrado, este nuevo elemento es un ensamblaje de una viga-columna elástica con dos rótulas inelásticas con comportamiento unilateral ubicadas en sus extremos. Bajo estas condiciones, el comportamiento de una rótula plástica está signado por dos matrices de flexibilidad cada una de las cuales está relacionada con un daño unilateral y es dependiente de este nivel de daño, de igual modo, funciona de fluencia interdependientes y leyes de evolución del daño unilaterales, completan la definición de este nuevo elemento finito.

Antes de la aparición del pandeo local el desempeño de estas rótulas plásticas puede ser descrito con el uso de una función de fluencia con endurecimientos isotrópico y cinemático, de tal modo que cualquier Ley de Evolución para el endurecimiento puede ser incluida. Una vez comienza el pandeo local y las variables de daño toman valores entre cero (sin daño) y uno (daño total), el comportamiento de una rótula plástica con pandeo local depende de la existencia y evolución de dicho pandeo local y la diferencia entre el comportamiento monotónico e histerético se asume como una consecuencia de otro fenómeno diferente llamado “contrapandeo”, dependiente del pandeo previo en el lado opuesto de la rótula. Para completar esta descripción, la resistencia remanente de los elementos localmente pandeados también se toma en cuenta en el desarrollo de las leyes de evolución del daño unilateral.

Para poder verificar tanto el modelo como el elemento finito, fueron ensayados algunos elementos y pórticos a pequeña escala bajo solicitaciones monotónicas e histeréticas. Se aplicaron fuerzas laterales controladas en el tope de los pórticos hasta que aparecen y se desarrollan el pandeo local en varias ubicaciones del pórtico y logran alcanzar su capacidad última. Estas pruebas fueron simuladas con el nuevo elemento finito propuesto y las correlaciones encontradas entre ensayos y simulaciones son presentadas y discutidas.  

 

Autor: Ing. Rafael José Febres Cedillo.