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27-03-2026

Conexiones de acero inoxidable con el complemento Uniones de acero para RFEM

Este estudio investiga la verificación de las uniones de acero tal como están implementadas en RFEM para el análisis de conexiones de acero inoxidable. El comportamiento estructural y el rendimiento de estas uniones se evalúan con respecto a las disposiciones de diseño del Eurocódigo 3 (EC 3) y se comparan con un modelo de elementos finitos orientado a la investigación (ROFEM), que ha sido previamente validado mediante ensayos experimentales (1).

Modelo analítico

Este estudio adopta los criterios de diseño especificados en la norma EN 1993-1-8:2006 (2) para evaluar la resistencia de los tornillos (a cortante y a tracción) y la resistencia de las chapas (a aplastamiento y a punzonamiento), utilizando las formulaciones de estados límite proporcionadas en la Tabla 3.4. La resistencia de cálculo del casquillo en T equivalente se evalúa de forma independiente para la chapa frontal y para los componentes del ala de la columna. Para cada componente, la resistencia de cálculo gobernante, FT,Rd, se define como el valor mínimo derivado de tres mecanismos potenciales de fallo.

FT,Rd=min (FT1,Rd, FT2,Rd, FT3,Rd)
Resistencia de cálculo y modos de fallo del tope en T según EN 1993-1-8

La resistencia individual de cada modo se calcula en función de la capacidad a momento plástico del ala (Mpl,1Rd y Mpl,2,Rd) y de la resistencia a tracción del grupo de tornillos (∑Ft,Rd). Estos modos contemplan la plastificación completa del ala (Modo 1), el fallo del tornillo junto con la plastificación del ala (Modo 2) y la rotura pura del tornillo (Modo 3).

  • Modos de fallo:
FT,1,Rd=(8n-2ew)Mpl,1,Rd2mn-ew(m+n)
Modo 1: Fluencia completa del ala
FT,2,Rd=2Mpl,2Rd+n(∑Ft,Rd)(m+n)
Modo 2: Fallo de perno acoplado con fluencia de la brida
FT,3,Rd=∑FtRd
Modo 3: Rotura pura del tornillo
  • Momentos resistentes plásticos:
Mpl,1,Rd=0.25∑leff,1tf2fyγM0
Momento de resistencia plástica
Mpl,2,Rd=0.25∑leff,2tf2fyγM0
Momento resistente plástico
Ilustración que muestra diferentes modos de fallo de un elemento en forma de T en ingeniería estructural.
1 Modos de fallo de elementos de casquillo en T

La introducción del Eurocódigo 3 (2) marcó un avance significativo en la ingeniería estructural, estableciendo el primer marco normativo integral dedicado específicamente al diseño de uniones. Citado a menudo como la referencia fundamental para los códigos modernos de diseño de acero por estados límite, sus disposiciones —específicamente las anteriormente detalladas en el Anexo J (ahora integradas en EN 1993-1-8)— proporcionan metodologías analíticas (2) para uniones en pórticos de edificación bajo cargas predominantemente estáticas, con un enfoque en la configuración viga-columna.

La metodología se centra en el método de los componentes, un enfoque de modelado mecánico que idealiza la unión como un conjunto de componentes funcionales individuales. Cada componente se caracteriza por un muelle elástico equivalente definido por su rigidez traslacional única y su resistencia de cálculo (3). Mediante el ensamblaje estratégico de estos muelles en serie y en paralelo en función de la topología de la unión, se puede obtener con precisión la rigidez rotacional global y la capacidad resistente a momento de la unión.

Modelo estructural que muestra conexiones de placa extrema y de ángulo superior e inferior según el Anexo J de Eurocódigo 3.
2 Ejemplo de anexo J de EC3 para modelo de conexiones de chapa frontal y ángulo en asientos y tapas
Ilustración del Anexo J del EC3 que muestra conexiones de ángulo superior e inferior y de alma en un modelo estructural.
3 Extensión del Anexo J del EC3 para conexiones de ángulos de asiento y casquillo de alma
  • La rigidez inicial de la unión viene dada por la fórmula:
Sj,ini=Ez2∑i-1n1ki

E

Módulo de elasticidad de Young

z

brazo de palanca

ki

Coeficiente de rigidez del ith componente

n

Número de componentes básicos de unión
Rigidez inicial de la conexión

Para garantizar una capacidad de rotación plástica adecuada, los espesores de la chapa frontal y de los angulares se determinaron de acuerdo con el rango límite superior prescrito por EN 1993-1-8 (2). Esta selección garantiza que el comportamiento de la unión permanezca suficientemente dúctil para el análisis estructural previsto.

t=0.36dfu,bfy
Fórmula

Detalles geométricos de la unión viga-columna

Este estudio utilizó perfiles en I soldados de acero inoxidable —específicamente, I 240 x 120 x 12 x 10— tanto para los elementos de viga como de columna. Las dimensiones de la sección transversal consistieron en un canto exterior (h) de 240 mm, un ancho de ala (b) de 120 mm, un espesor de ala (tf) de 12 mm y un espesor de alma (tw) de 10 mm. Para evaluar el comportamiento estructural típico, se investigaron cuatro configuraciones de unión de uso común: uniones con chapa frontal extendida (EEP), uniones con chapa frontal a ras (FEP), uniones con angulares superior e inferior (TSAC) y uniones con angulares superior, inferior y doble angular de alma (TSWAC).

Las configuraciones geométricas de los cuatro tipos de unión investigados se ilustran en la Imagen [4] y en la Tabla 1. En todas las probetas, los elementos de fijación consistieron en tornillos de acero inoxidable M16 totalmente roscados de calidad A4-80 (equivalente a la calidad 8.8 de acero al carbono) instalados en agujeros con holgura de 18 mm de diámetro. Para las configuraciones TSAC y TSWAC, los angulares superior e inferior eran idénticos en geometría, incluida la distribución espacial de los agujeros para tornillos.

  • Tabla 1: Configuración geométrica de las probetas ensayadas (2)
Distancias según Img-4 (mm)
Probetas tc tp ta p1 p2 e1 e2 L1 L2
FEP 12 8 - 65 65 25 - - -
EEP 12 8 - 110 100 25 - - -
TSAC-8 12 - 8 0 0 35 - 100 -
TSAC-10 12 - 10 0 0 25 - 100 -
TSWAC-8 12 - 8 0 0 35 25 100 55
TSWAC-10 12 - 10 0 0 25 25 100 60

  • Tabla 2: Propiedades de los materiales (1)
Probetas E σ0,2 σ1,0 σu ε f
(N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) %
I-240 × 120 × 12 × 10 - ala 196.500 248 306 630 66
I-240 × 120 × 12 × 10 - alma 205.700 263 320 651 65
Angular (8 mm) 197.600 280 344 654 55
Angular (10 mm) 192.800 289 353,5 656 56
Chapa frontal 198.000 282 343 655 54
Tornillo M16 (A4-80) 191.500 617 703 805 12

Detalles de las uniones utilizadas en las muestras analizadas de mostradas para el análisis estructural.
4 Detalles de uniones de especímenes probados

Discusión

Uniones de acero para la solución RFEM

Utilizando el módulo adicional Steel Joints para RFEM 6, basado en elementos finitos, el proceso de diseño de uniones se integró completamente en el modelo estructural principal. Al unificar los parámetros de entrada y el análisis de resultados dentro del entorno RFEM, el flujo de trabajo logró mejoras significativas tanto en transparencia como en eficiencia de diseño.

En todas las probetas investigadas, la resistencia última y la capacidad de rotación de las uniones estuvieron determinadas por la rotura de los tornillos. Debido a la alta ductilidad y a las pronunciadas características de endurecimiento por deformación inherentes a los componentes de acero inoxidable, la resistencia a momento mostró una rama ascendente continua con el aumento de la deformación hasta que se alcanzó el límite de tracción o cortante de los elementos de fijación. Cabe destacar que, si bien el fallo del tornillo en sí fue inherentemente frágil, la respuesta sistémica de las uniones permaneció predominantemente dúctil. Este comportamiento se atribuye al hecho de que la rotura del tornillo estuvo precedida por una extensa deformación inelástica y plastificación en los demás elementos de la unión, específicamente en las chapas frontales y en los angulares de ala/alma. Las Imágenes 5 y 6 y las Tablas 3 y 4 ilustran la comparación de la resistencia a momento y la rigidez – Experimental, ROFEM, Steel Joints en RFEM frente a EC 3. La Tabla 5 ilustra los modos de fallo.

Gráfico que muestra la comparación de la resistencia a momento con datos experimentales, el software RFEM, uniones de acero en RFEM y las normas EC 3.
5 Comparación de resistencia plástica a momentos flectores – Experimental, Rofem, Uniones de acero en RFEM y EC 3
Gráfico que muestra la rigidez entre análisis experimental, método ROFEM y uniones de acero basadas en RFEM usando los criterios EC-3.
6 Comparación de rigidez – Experimental, RFEM, Uniones de acero en RFEM y EC-3
  • Tabla 3: Comparación de la resistencia a momento – Experimental, ROFEM, Steel Joints en RFEM y EC3
Capacidad a momento (kNm) | Mj,R
Probetas Experimental ROFEM Steel Joints en RFEM EC3 EC3/CBFEM
FEP 40 40,5 40,5 18,6 0,46
EEP 42 43,8 45,23 27,2 0,60
TSAC-8 12 11,7 8,37 6,6 0,79
TSAC-10 23 21,8 13,03 11,1 0,85
TSWAC-8 39 41,6 25,65 19,25 0,75
TSWAC-10 55 53,2 27,27 30,3 1,11

  • Tabla 4: Comparación de la rigidez – Experimental, ROFEM, Steel Joints en RFEM y EC3
Rigidez inicial Sj,ini (MNm/rad)
Probetas Experimental ROFEM Steel Joints en RFEM EC3 EC3/CBFEM
FEP 3,91 4,00 5,00 5,74 1,15
EEP 4,46 5,20 3,30 9,36 2,84
TSAC-8 1,24 0,57 1,30 1,80 1,38
TSAC-10 1,52 1,01 2,00 2,52 1,26
TSWAC-8 1,92 2,39 2,20 5,24 2,38
TSWAC-10 2,77 2,88 2,70 6,14 2,27

  • Tabla 5: Modos de fallo
Modos de fallo
Probetas EC-3 Steel Joints en RFEM Experimental
FEP Chapa frontal en flexión Fallo del tornillo a tracción Rotura del tornillo a tracción
EEP Chapa frontal en flexión Fallo del tornillo a tracción Fallo del tornillo a tracción
TSAC-8 Flexión del angular de ala Fallo del tornillo a tracción y cortante Fallo del tornillo a tracción y cortante
TSAC-10 Flexión del angular de ala Fallo del tornillo a tracción y cortante Fallo del tornillo a tracción y cortante
TSWAC-8 Flexión del angular Fallo del tornillo a tracción y cortante Fallo del tornillo a tracción y cortante (tornillo del angular de ala)
TSWAC-10 Flexión del angular Fallo del tornillo del alma a cortante Fallo del tornillo a cortante (tornillo superior que conecta el angular de alma al alma de la viga)

Análisis que muestra las tensiones equivalentes y la deformación plástica en una placa de extremo a ras.
7 Tensiones equivalentes y deformación plástica de la placa extrema enrasada (FEP)
Representación visual de las tensiones equivalentes y de la distribución de deformación plástica en un modelo estructural de chapa de extremo enrasada.
8 Tensiones equivalentes y deformación plástica de placa de extremo rasada (FEP) | 2
Análisis de elementos finitos de una placa de extremo extendida que muestra tensiones equivalentes y distribución de deformación plástica.
9 Tensiones equivalentes y deformación plástica de placa de extremo extendida (EEP)
Representación visual de las tensiones equivalentes y de la distribución de la deformación plástica en una conexión de placa de extremo extendida de una estructura de acero.
10 Tensiones equivalentes y deformación plástica de la placa de extremo extendida (EEP) | 2
Análisis de la conexión con chapas angulares superior e inferior mostrando tensiones equivalentes y distribuciones de deformación plástica en una unión estructural.
11 Tensiones equivalentes y deformación plástica de la conexión de ángulo de asiento y de extremo superior (TSAC)
Análisis de tensiones equivalentes y deformación plástica en una conexión de escuadra superior e inferior en una unión de acero estructural.
12 Tensiones equivalentes y deformación plástica de la conexión de escuadra de asiento y superior (TSAC) | 2
La imagen muestra la distribución de las tensiones equivalentes y la deformación plástica en una configuración de conexión de asiento superior y cleat de doble alma en una estructura de acero.
13 Tensiones equivalentes y deformación plástica de la conexión de asiento superior y placa de doble alma (TSWAC)
Análisis de tensiones equivalentes y deformación plástica en una conexión de asiento superior y chapa de unión de doble alma, visualizado para la evaluación estructural.
14 Esfuerzos equivalentes y deformación plástica de la conexión de asiento superior y ángulo de alma doble (TSWAC) | 2
Ilustración que muestra las relaciones de diseño y la rigidez rotacional de una placa de extremo enrasada en el análisis estructural.
15 Relaciones de diseño y rigidez rotacional de placa de extremo enrasada (FEP)
Cargas y reacciones en una unión de placa de extremo extendida mostrando las relaciones de diseño y los resultados del análisis de rigidez rotacional.
16 Relaciones de diseño y rigidez rotacional de la placa de extremo extendida (EEP)
Análisis de tensiones equivalentes y deformación plástica en una conexión con escuadra de asiento y de ala superior. Vista detallada del modelo de elementos finitos TSAC.
17 Esfuerzos equivalentes y deformación plástica de la conexión con ángulo de unión superior e inferior (TSAC)
Análisis de los coeficientes de aprovechamiento y de la rigidez rotacional para una conexión con asiento superior y doble cleat de alma en ingeniería estructural.
18 Relaciones de diseño y rigidez rotacional de asiento superior y escuadra de doble alma (TSWAC)

Conclusión

Sobre la base de datos experimentales preliminares, se evaluó la aplicabilidad de las disposiciones de EN 1993-1-8 al módulo adicional Steel Joints. De manera coherente con observaciones previas de las contrapartes de acero al carbono, el modelo de rigidez del Eurocódigo tendió a sobreestimar la rigidez rotacional inicial, y las predicciones mostraron una dispersión significativa.

Los modelos analíticos de resistencia (TSWAC-10) mostraron una relación superior a 1,0 con respecto a la resistencia a momento plástico tanto de las probetas experimentales como de las simulaciones CBFEM. Se observó una discrepancia crítica con respecto al modo de fallo gobernante: la rotura se desencadenó invariablemente por el fallo del tornillo, incluso en configuraciones donde el Eurocódigo predecía un fallo dúctil del casquillo en T (Modo 1 o 2) caracterizado por la formación de rótulas plásticas. Si bien los casquillos en T desarrollaron las deformaciones plásticas previstas, el pronunciado endurecimiento por deformación del acero inoxidable permitió un aumento continuo de la tensión en las regiones plastificadas.

Referencias
  1. Elflah, M., Theofanous, M., Dirar, S., & Yuan, H. (2019). Behaviour of Stainless Steel Beam-to-Column Joints — Part 1: Experimental investigation. Journal of Constructional Steel Research, 152, 183–193.
  2. Elflah, M., Theofanous, M., & Dirar, S. (2019). Behaviour of Stainless Steel Beam-to-Column Joints – Part 2: Numerical Modelling and Parametric Study. Journal of Constructional Steel Research, 152, 194–212.
  3. Weynard, K., Jaspart, J. P., & Steenhuis, M. (1995). The stiffness model of revised Annex J to Eurocódigo 3, connections in steel structures III: behaviour, strength and design. In 3rd International Workshop on Connections in Steel Structures. Trento; Italy.
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