Estudio de vigas metálicas en I sometidas a cargas transversales excéntricas respecto del plano del alma

Resumen

Esta tesis profundiza en el conocimiento de la respuesta de vigas metálicas en I solicitadas a cargas concentradas transversales que actúan excéntricamente respecto del plano del alma. La carga se supone aplicada en la cara superior del ala superior. El problema sobre el que trata esta tesis es bastante complejo ya que las vigas metálicas de débil espesor sometidas a cargas excéntricas muestran, aún para valores bajos de la carga aplicada, una respuesta claramente no lineal tanto geométrica como del material. De hecho, hasta ahora nunca había sido estudiado en profundidad. Las escasas referencias existentes sobre el tema que versa esta tesis han puesto de manifiesto que el comportamiento, el modo de fallo y la carga última de una viga metálica en I sometida a cargas concentradas transversales al plano del alma y actuando con una excentricidad respecto de éste, dependen de fundamentalmente de tres factores: parámetros geométricos (dimensiones de la viga y relaciones entre ellas), excentricidad a la que actúa la carga y la forma en la que la carga se aplica (lineal o lateralmente distribuida). Los ensayos previos realizados sobre este tema pusieron de manifiesto que, en la mayoría de los casos, el modo de fallo excéntrico era sustancialmente diferente al modo de fallo centrado. En el caso de colapso excéntrico, se había observado que la carga de agotamiento de la viga se reduce a medida que aumenta la excentricidad. Sin embargo, no se había podido definir claramente el límite que separa los modos de fallo centrado y excéntrico de vigas solicitadas por cargas transversales excéntricas. Tampoco con anterioridad a la publicación de los resultados obtenidos de esta investigación se había formulado un procedimiento fiable - basado en resultados experimentales y resultados numéricos obtenidos a partir de modelos calibrados - para estimar la carga de agotamiento de vigas metálicas sometidas a cargas excéntricas respecto del plano del alma. En concreto, en esta tesis se ha dado respuesta a las siguientes preguntas: ¿En qué casos las vigas excéntricamente cargadas se comportan como las cargadas en el plano del alma? ¿Existe una frontera claramente definida entre los modos de fallo centrado y excéntrico? ¿Existe un modo de fallo intermedio entre el centrado y el excéntrico? ¿Cómo obtener la carga última de vigas cargadas excéntricamente? Para responder a las preguntas anteriores, el desarrollo de esta tesis ha requerido de una extensa campaña experimental. Más de un centenar de vigas metálicas sometidas a cargas concentradas y excéntricas han sido ensayadas hasta rotura. Para cubrir los casos que no han podido ser ensayados en laboratorio, se ha recurrido a la modelización mediante Elementos Finitos. Estos modelos se han calibrado en base a los resultados experimentales. Esta tesis se ha dividido en siete capítulos. El primero corresponde a una breve introducción en la que se describe el problema de cargas concentradas excéntricas como un caso particular del problema de cargas transversales en el plano del alma - recogido en las normativas de estructuras metálicas. En este capítulo se exponen ejemplos constructivos en los que está presente el fenómeno objeto de esta tesis así como una visión global de los trabajos de investigación publicados hasta la fecha sobre el tema. En el segundo capítulo se exponen detenidamente, en orden cronológico, todas las investigaciones previas relacionadas en el tema específico que se aborda en esta tesis. Se detallan tanto los resultados experimentales obtenidos con anterioridad como las aportaciones relativas a modelización mediante Elementos Finitos. En el tercer capítulo se recogen los resultados de una extensa campaña experimental, "Ekscentro 2007", llevada a cabo en el 2007 y que ha constituido una parte esencial de esta tesis puesto que estos ensayos fueron pioneros en el estudio de vigas metálicas en I cargas excéntricamente. En el capítulo cuarto se expone el procedimiento desarrollado para la obtención de la carga última. Se define un factor de reducción para relacionar la carga última de una viga cargada excéntricamente con la carga última correspondiente a la misma viga cargada en el plano del alma. A partir de los resultados experimentales y numéricos, se ha ajustado una expresión para este factor de reducción aplicando la técnica de mínimos cuadrados ponderados. El quinto capítulo trata sobre la aplicación de redes neuronales artificiales (Artificial Neural Networks) a este problema específico. Concretamente, se ha aplicado esta técnica para pronosticar los modos de colapso y la carga última de la viga. En el sexto capítulo se comparan los resultados experimentales, las expresiones obtenidas a partir de los datos empíricos y numéricos y los datos pronosticados a partir de las redes neuronales. Por último, en el capítulo número siete, se recogen las conclusiones generales así como las líneas de investigadores a desarrollar en futuras investigaciones sobre este tema.