Optimización estructural mediante análisis con simulación numérica del estado tensional de uniones tradicionales por ensamble embarbillado en estructuras de madera

Resumo

OPTIMIZACIÓN ESTRUCTURAL MEDIANTE ANÁLISIS CON SIMULACIÓN NUMÉRICA DEL ESTADO TENSIONAL DE UNIONES TRADICIONALES POR ENSAMBLE EMBARBILLADO EN ESTRUCTURAS DE MADERA El cálculo convencional de la unión por ensamble embarbillado se realiza a través de unos supuestos simplificadores de distribución de tensiones y de transmisión de las fuerzas sobre las caras en contacto, al mismo tiempo que se desprecia el efecto del rozamiento por contacto entre ellas. Estos supuestos irreales afectan a las comprobaciones tensionales y al índice de agotamiento de la unión. Es sólo en los últimos años cuando los grupos de investigación se han enfocado hacia las uniones tradicionales tras haberse dedicado los estudios principalmente a las soluciones mecánicas de unión. Aún así, la práctica ausencia de trabajos centrados en el conocimiento del comportamiento de las uniones tradicionales por ensamble embarbillado, y más aún empleando la potente herramienta de los elementos finitos, desprende la necesidad de profundizar en el estudio de las mismas, y más aún ahora que el control numérico empleado en la fabricación de piezas de madera vuelve a poner este tipo de uniones de actualidad. El estudio de esta problemática se torna más ajustado a la realidad mediante el análisis por elementos finitos que aquí se expone, lo que permite aproximarse más al conocimiento de los esfuerzos actuantes y buscar una mayor optimización en la definición geométrica de estos ensambles. En esta tesis se presenta un análisis de uniones por ensamble embarbillado entre piezas de madera estructural basado en el empleo de la simulación numérica. Se pretende en el análisis realizado aquí por el método de los elementos finitos (M.E.F.), observar las condiciones de trabajo del ensamble en cuanto a tensiones en las piezas y transmisión de esfuerzos a través de las caras en contacto, así como cuantificar y caracterizar las fuerzas actuantes en cada cara del ensamble. En este trabajo se han realizado modelos en elementos finitos de elaboración propia que permiten el análisis detallado del estado tensional y de deformación en uniones por ensamble tradicional. El modelo genérico desarrollado está automatizado de tal modo que permite realizar variaciones en el mismo en cuanto a cantos, geometrías, ángulos entre las piezas, coacciones al movimiento y fuerzas actuantes a nivel de nudo. Una vez se construye el modelo automatizado, se contrasta con los resultados obtenidos por los métodos de cálculo convencional. Los modelos cumplen dos funciones: la primera de ellas es servir como programa de cálculo para el colectivo de ingenieros. Sin necesidad de que estos posean amplios conocimientos en elementos finitos, pueden obtener rápidamente resultados y comprobar cuantas variables deseen para la mejor definición del ensamble. La segunda es que los modelos sirven para investigar la influencia que tienen los distintos parámetros y variables geométricas que intervienen en la definición de la unión. Los casos estudiados muestran la importancia del rozamiento en las superficies en contacto, con lo cual la fuerza total actuante en cada una de las caras se descompone en una componente normal y otra tangencial dando lugar a la inclinación de la resultante que de este modo resulta más eficiente en la transmisión de esfuerzos entre las piezas. Las piezas que conforman el ensamble embarbillado se encuentran en la unión según un ángulo -B- que resulta determinante en la distribución de tensiones en las caras de contacto entre piezas. El valor del ángulo es el dato de mayor importancia en el comportamiento de la unión afectando intrínsecamente a las variaciones de otros parámetros. Finalmente, en base al mejor conocimiento de las fuerzas de sección actuantes por simulación numérica, se considera la implicación que tienen en la definición geométrica de estas uniones. Se pueden obtener unas expresiones que recojen la influencia del ángulo y del coeficiente de rozamiento para afectar a la expresión dada por el Código Técnico de la Edificación español C.T.E.DB SE-M que estima el rebaje -t- y la longitud de cogote -a-, apreciándose que interviene un segundo coseno del ángulo que recoge el efecto de la nueva distribución de tensiones dada la presencia de fricción en el contacto entre piezas no considerada en el cálculo convencional. Esta tesis y los modelos realizados en ella, abren las puertas y son la base para estudios por el método de elementos finitos de otros aspectos como la influencia de defectos, de la influencia de la orientación de la fibra, así como el análisis del comportamiento de las distintas tipologías y variantes de la unión embarbillada y de otras uniones tradicionales que son en la actualidad del máximo interés y cuyo análisis será factible con la utilización de este método de cálculo. Los resultados con más relevancia de esta tesis han sido recogidos en dos artículos de impacto internacional publicados en las revistas pertenecientes al Science Citation Index (S.C.I.): Biosystems Engineering y Spanish Journal of Agricultural Research.