Estudio teórico-experimental del comportamiento de perfiles rectangulares de pared delgada

Resumen

Los perfiles rectangulares de pared delgada son ampliamente utilizados en la fabricación de estructuras de vehículos como elementos de absorción de energía, debido al buen compromiso entre peso y propiedades mecánicas. Durante décadas, los investigadores han estudiado el desempeño de este tipo de perfiles en escenarios de colisión, tales como el vuelco en estructuras de autobuses y autocares. En estos casos, el modo de colapso del perfil es la flexión con grandes deformaciones plásticas en zonas localizadas, denominadas rótulas plásticas. La formación de la rótula plástica fue estudiada por primera vez por Kecman en la década de los 70, mediante el ensayo de tubos a flexión variando las dimensiones de la sección, en un rango correspondiente al utilizado en las superestructuras de autobuses. De este estudio, Kecman propuso un modelo matemático basado en la geometría de la rótula plástica, y que permite obtener la curva característica de deformación del perfil a flexión con bastante efectividad. En la actualidad, este modelo sigue siendo el referente para la obtención de la curva Momento-Ángulo. Durante ensayos de perfiles a flexión realizados por los autores, se observó que el espesor del perfil tiene un impacto directo en la geometría de la rótula plástica, y, por tanto, en la curva característica Momento-Ángulo, provocando una desviación entre la curva obtenida por ensayo y la obtenida mediante el modelo de Kecman: los perfiles de pequeño espesor tienen un mecanismo de deformación que coincide con el modelo de Kecman, mientras que tubos con espesores superiores producen mecanismos de deformación con una forma menos pronunciada que la predicha por el modelo de Kecman. De hecho, variaciones del espesor de 2 mm a 4 mm conlleva a dos geometrías de la rótula plástica completamente diferentes. Sin embargo, el espesor es un parámetro que no está incluido en el cálculo de la geometría en dicho modelo. Basado en la evidencia en ensayos y posteriores simulaciones mediante software de elementos finitos, existe la necesidad de un estudio en profundidad de esta problemática y de conocer el error cometido con los modelos teóricos actuales. Este trabajo lleva a cabo un estudio minucioso del efecto de todos los parámetros dimensionales de la sección en la geometría de la rótula plástica y en la curva Momento-Ángulo, utilizando para ello ensayos físicos y modelos de elementos finitos. El objetivo final es proponer un modelo matemático que mejore la precisión de las curvas Momento-Ángulo en perfiles de gran espesor, así como predecir el tipo de rótula plástica que se va a producir en un perfil basado únicamente en las dimensiones de la sección: alto, ancho y espesor, combinados en un único parámetro adimensional, denominado por los autores como índice Q.