Numerical-Informational methodology for characterising steel bolted components coupling finite element simulations and soft computing techniques stars

Resum

La caracterización de uniones de acero ha sido un tema de investigación muy activo en las últimas décadas debido a su complejidad y vital importancia en el comportamiento de una estructura. La aparición del concepto semirrígido proporcionó destacados beneficios tanto desde el punto de vista estructural como de la perspectiva económica pero, a su vez, exigió procedimientos de cálculo más sofisticados y avanzados. Un enfoque que ha ganado popularidad entre investigadores y calculistas es el método basado en componentes, capaz de estimar el comportamiento de una unión estructural a partir de las curvas características fuerza-desplazamiento de cada uno de los componentes de la unión. Aunque el método es muy versátil y permite modelar cualquier configuración de unión, es necesaria una detallada caracterización de cada uno de los componentes para conseguir una buena precisión en el cálculo. En este contexto, esta tesis presenta una metodología híbrida para determinar la curva completa fuerza-desplazamiento en componentes atornillados. La metodología combina modelos numéricos y modelos de predicción para estimar parámetros de las curvas, tales como la rigidez inicial, la resistencia máxima o el desplazamiento en la fractura. En primer lugar se desarrollan modelos numéricos basados en el método de los elementos finitos (FEM) para reproducir la respuesta real del componente atornillado. Estos modelos incorporan mecanismos de daño progresivo y criterios de fallo para estimar el desplazamiento en la fractura. Con el objetivo de minimizar el gran coste computacional del FEM, se genera un conjunto de simulaciones para entrenar modelos de predicción basados en soft computing (SC). Estos modelos de predicción incluyen una optimización con algoritmos genéticos (GA) para ajustar los parámetros del modelo y, al mismo tiempo, seleccionar las variables de entrada más importantes en la predicción de la respuesta fuerza-desplazamiento. En su conjunto, la metodología propuesta es capaz de proporcionar modelos de predicción precisos y parsimoniosos. La aplicación de la metodología híbrida queda demostrada en la caracterización de dos componentes atornillados fundamentales: la unión a solape y la unión en 'T'. Los resultados obtenidos en la caracterización de ambos componentes resaltan la mayor precisión de la metodología propuesta en comparación con las actuales normativas de cálculo y con modelos analíticos tradicionales. Una vez entrenados y validados, los modelos de predicción son capaces de reemplazar a las costosas simulaciones FE sin una pérdida de precisión significativa y con un coste computacional despreciable. Por tanto, la metodología híbrida podría representar una herramienta efectiva para ser implementada en programas de análisis estructural para diseñadores y calculistas. Finalmente, las contribuciones presentadas en estas tesis evidencian el gran potencial de combinar FEM y SC para predecir el comportamiento de componentes estructurales.