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23-06-2026

Análisis de secciones de acero de alta resistencia y conexiones de chapa frontal con el complemento Uniones de acero para RFEM

Este estudio presenta el diseño de una unión de acero tal como se implementa en RFEM para el análisis de conexiones de acero de alta resistencia que comprenden secciones de perfiles y chapas frontales. El comportamiento estructural y el rendimiento portante de estas uniones se evalúan según las disposiciones de diseño del Eurocódigo 3 (EC3) y se comparan posteriormente con las predicciones de un modelo de elementos finitos desarrollado en RFEM, habiendo sido este último validado con datos de ensayos experimentales en trabajos anteriores.

Modelo analítico

Este estudio adopta los criterios de diseño especificados en la norma EN 1993-1-8 para evaluar la resistencia de los tornillos (a cortante y a tracción) y la resistencia de las placas (a aplastamiento y a punzonamiento), utilizando las formulaciones de estados límite indicadas en la Tabla 3.4.

La resistencia de cálculo de la T-stub equivalente se evalúa de forma independiente para la placa frontal y para los componentes del ala de la columna. Para cada componente, la resistencia de cálculo determinante, FT,Rd, se define como el valor mínimo derivado de tres mecanismos de fallo potenciales.

FT,Rd=min(FT1,Rd,FT2,Rd,FT3,Rd)
Resistencia de Cálculo Determinante

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

Modos de fallo:

FT1, Rd  = (8n - 2ew) * Mpl, 1, Rd2mn - ew * (m + n)
Estado Límite de Fluencia Total del Ala

FT2, Rd  = 2Mpl, 2, Rd + n(∑Ft, Rd)(m + n)
Fallo del Perno Combinado con Fluencia del Brida

FT3, Rd  = ∑Ft, Rd
Fractura Pura del Perno

Momentos de resistencia plástica:

Mpl, 1, Rd = 0.25∑leff,1 * tf2 * fyγMO
Título: Momentos de Resistencia Plásticos. Primera Parte

Mpl, 2, Rd = 0.25∑leff,2 * tf2 * fyγMO
Plastic Resistance Moments. Part 2

Diagrama esquemático que ilustra los tres modos de fallo de una unión en T: Modo 1 plastificación completa del ala, Modo 2 fallo combinado de tornillos y plastificación del ala, y Modo 3 fallo solo de los tornillos.
1 Modos de fallo del casquillo en T

Detalles geométricos de la unión viga-columna

De acuerdo con la práctica constructiva habitual, todas las vigas y columnas se fabricaron con acero S355, Q690 y Q960, mientras que las placas frontales utilizaron los grados de mayor resistencia Q690 y Q960. Las configuraciones geométricas, incluidas la placa frontal y las disposiciones del grupo de tornillos, se muestran en las Imágenes 2 y 3 y en la correspondiente matriz de ensayos experimentales.

La probeta JD1 (S355) utilizó una sección de columna HEM 300. Para evaluar el comportamiento de una jerarquía columna débil/viga fuerte, se mantuvo una sección de viga uniforme HEA 320 junto con placas frontales S690 de 10 mm de espesor. JD2 se fabricó con acero Q690 y JD3 con acero Q960. Las secciones de viga y columna fueron H300×180×10×12 y H340×200×10×12 para JD2, y H250×180×10×12 y H300×200×10×12 para JD3. Se utilizaron tornillos M24 de grado 8.8 y M27 de grado 10.9.

Diagrama técnico que ilustra la configuración de la placa de extremo y los pernos para la unión JD1, mostrando las posiciones de los pernos, las dimensiones y las separaciones para el diseño estructural en acero.
2 Configuración de placa de extremo/pernos de JD1
Dibujo técnico que muestra la configuración de la placa de extremo y los pernos para las conexiones JD2 y JD3, detallando dimensiones, grados de los pernos y disposición de las filas.
3 Configuración de placa de extremo/pernos de JD2 y JD3

Discusión

Uniones de acero para la solución en RFEM

Este estudio presenta una investigación experimental y numérica sobre el comportamiento estructural de tres uniones viga-columna extendidas con placa frontal de acero de alta resistencia.

El programa experimental se complementó con una caracterización específica de T-stubs y un análisis de elementos finitos (EF) de alta fidelidad. El diseño de la unión se integró completamente en el modelo estructural principal utilizando el módulo adicional Steel Joints para RFEM 6, basado en EF. Tras la validación con los datos experimentales y la verificación dentro del marco del Eurocódigo 3 (EC3), los modelos EF se emplearon para obtener una visión detallada de los mecanismos de deformación localizada. Las Imágenes 4 y 5 y las Tablas 1 y 2 presentan la comparación de la resistencia a momento y la rigidez entre los resultados experimentales, el módulo Steel Joints en RFEM y el EC3, mientras que la Tabla 3 resume los modos de fallo observados.

Un gráfico de barras compara la capacidad de momento en kNm para tres configuraciones de uniones de acero (JD1, JD2, JD3) basándose en datos experimentales, el análisis de RFEM Steel Joints y las normas de diseño EC3.
4 Comparación de Resistencia a Momento – Experimental vs. Uniones de Acero en RFEM y Eurocódigo 3
Gráfico de barras que compara los valores de rigidez inicial de experimentos, el análisis de uniones de acero en RFEM y los cálculos según EC3 para tres configuraciones de uniones diferentes.
5 Comparación de rigidez – Experimental vs. Uniones de acero en RFEM y EC3
Tabla 1: Comparación de la resistencia a momento – Experimental vs. Steel Joints en RFEM y EC-3 | Capacidad de momento (kNm)
Probetas Experimento Steel Joints en RFEM EC3 EC3/RFEM
JD1 188,00 199,60 184,00 0,92
JD2 313,89 310,26 292,03 0,94
JD3 267,82 263,25 280,40 1,07

Tabla 2: Comparación de la rigidez – Experimental vs. Steel Joints en RFEM y EC3 | Rigidez inicial Sj,ini (MNm/rad)
Probetas Experimento Steel Joints en RFEM EC3 EC3/RFEM
JD1 19,90 10,00 34,30 1,72
JD2 26,27 29,00 68,82 2,37
JD3 17,36 20,60 47,46 2,30

Tabla 3: Modos de fallo
Probetas EC-3 Steel Joints en RFEM Experimento
JD1 Placa frontal y tornillo Placa frontal y tornillos filas 1 y 2 Placa frontal y tornillos filas 1 y 2
JD2 Placa frontal y tornillo Placa frontal y tornillos filas 1 y 2 Placa frontal y tornillos filas 1 y 2
JD3 Placa frontal y tornillo Placa frontal y tornillos filas 1 y 2 Placa frontal y tornillos filas 1 y 2

Resultados del análisis que muestran las tensiones equivalentes de von Mises y las deformaciones plásticas equivalentes para un modelo de unión de acero, visualizados mediante gráficos de superficie con códigos de colores.
6 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo JD1
Resultados del análisis por elementos finitos que muestran las tensiones equivalentes de von Mises y las deformaciones plásticas para un modelo de unión de acero. La visualización muestra la distribución de tensiones y la deformación plástica localizada en la zona de la unión bajo la carga aplicada.
7 Tensiones equivalentes y Deformación plástica del modelo JD2
Resultados del análisis por elementos finitos que muestran tensiones equivalentes de von Mises y deformaciones plásticas para un modelo de unión de acero, visualizando la distribución de tensiones y el comportamiento del material bajo carga.
8 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo JD3
Tabla que muestra los coeficientes de comprobación de cálculo para los componentes de placa, tornillo y soldadura junto con los valores de rigidez rotacional calculados para una unión estructural.
9 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo JD1
Tabla que muestra las comprobaciones de cálculo en estado límite último para los componentes de placa, tornillo y soldadura, incluidos los valores calculados de rigidez rotacional para las barras conectadas.
10 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo JD2
Tabla que muestra los coeficientes de comprobación de cálculo para placas, tornillos y soldaduras de ángulo, junto con los valores calculados de rigidez al giro para los miembros de la unión en un análisis estructural.
11 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo JD3

Conclusiones

Se estudiaron tres uniones atornilladas con placa frontal (JD1–JD3) comparando los experimentos con el modelo Steel Joints de RFEM y el cálculo manual según EC3. En cuanto a la resistencia a momento, los tres métodos coincidieron satisfactoriamente. RFEM coincidió estrechamente con los resultados experimentales (dentro de aproximadamente el 6%), y EC3 proporcionó valores seguros y ligeramente conservadores. Por lo tanto, se puede confiar en EC3 para el cálculo de la resistencia.

La principal diferencia se observó en la rigidez inicial. RFEM proporcionó valores razonables, pero EC3 sobreestimó considerablemente la rigidez de todas las uniones, aproximadamente entre 1,7 y 2,7 veces los valores medidos. Por lo tanto, la rigidez según EC3 debe utilizarse con precaución, especialmente en comprobaciones de servicio y de flecha.

En cuanto a los modos de fallo, RFEM predijo correctamente lo observado en los ensayos (plastificación de la placa frontal con fallo de ambas filas de tornillos), mientras que EC3 predijo un modo más simple de un solo tornillo. En resumen, RFEM es una herramienta fiable para predecir la resistencia, la rigidez y el fallo de las uniones, y puede reducir la necesidad de ensayos. EC3 es seguro para la resistencia, pero tiende a sobreestimar la rigidez.

Referencias
  1. Comité Europeo de Normalización (CEN). (1993). Eurocódigo 3. Diseño de estructuras de acero Parte 1–8: Diseño de uniones (EN 1993-1-8). Bruselas, CEN.
  2. Qiang, X., Wu, N., Luo, Y., Jiang, X., & Bijlaard, F. (2018). Experimental and theoretical study on high strength steel extended endplate connections after fire. International Journal of Steel Structures, 18(2), 609–634. https://doi.org/10.1007/s13296-018-0020-3
  3. Girão Coelho, A. M., & Bijlaard, F. S. K. (2007). Experimental behaviour of high strength steel end-plate connections. Journal of Constructional Steel Research, 63(9), 1228–1240. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2006.11.010
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