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27-03-2026

Conexiones de acero inoxidable con complemento Steel Joints 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 EN 1993-1-8:2006 (2) para evaluar la resistencia de los pernos (cortante y tracción) y la resistencia de las chapas (aplastamiento y punzonamiento), utilizando las formulaciones de estado límite proporcionadas en la Tabla 3.4.
La resistencia de diseño del T-stub equivalente se evalúa de forma independiente para la placa de extremo y los componentes del ala de la columna. Para cada componente, la resistencia de diseño gobernante, F_T,Rd, se define como el valor mínimo derivado de tres mecanismos potenciales de fallo.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Resistencia de cálculo y modos de fallo del tope en T según EN 1993-1-8

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

Modos de fallo:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Modo 1: Fluencia completa del ala

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Modo 2: Fallo de perno acoplado con fluencia de la brida

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Modo 3: Rotura pura del tornillo

Momentos de resistencia plástica:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momento de resistencia plástica

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Momento resistente plástico

Ilustración que muestra diferentes modos de fallo de un elemento en forma de T en ingeniería estructural.

Modos de fallo de elementos de casquillo en T

La introducción del Eurocódigo 3 (2) supuso un avance significativo en la ingeniería estructural, estableciendo el primer marco normativo integral dedicado específicamente al diseño de uniones. Frecuentemente citado como la referencia seminal de los modernos códigos de diseño de estructuras 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 especial atención a la configuración viga-columna.

La metodología se centra en el método de componentes, un enfoque de modelización mecánica 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 específica y su resistencia de diseño (3). Mediante el ensamblaje estratégico de estos muelles en serie y en paralelo en función de la topología de la unión, pueden obtenerse con precisión la rigidez rotacional global y la capacidad resistente a momento de la conexión.

Modelo estructural que muestra conexiones de placa extrema y de ángulo superior e inferior según el Anexo J de Eurocódigo 3.

Ejemplo de anexo J de EC3 para modelo de conexiones de chapa frontal y ángulo en asientos y tapas

Ilustración del EC-3 anexo J que muestra conexiones de ángulo de asiento y uniones chapas en un modelo estructural

Extensión del Anejo J del EC-3 para conexiones de ángulo de asiento y unión con casquillo en alma

La rigidez inicial de la unión viene dada por la fórmula:

S_{j, i n i} = \frac{E z^{2}}{\sum_{i - 1}^{n} \frac{1}{k_{i}}}

E	Módulo de elasticidad de Young
z	Brazo de palanca
k_i	coeficiente de rigidez del componente i_th
n	Número de componentes básicos de la unión

Rigidez inicial de la conexión

Para garantizar una capacidad adecuada de rotación plástica, los espesores de la placa de extremo y de las cartelas 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 = 0.36 d \sqrt{\frac{f_{u, b}}{f_{y}}}

Fórmula

Detalles geométricos de la unión viga-columna

Este estudio utilizó secciones I de acero inoxidable soldadas —específicamente, I 240 x 120 x 12 x 10— tanto para la viga como para la columna. Las dimensiones de la sección transversal consistían en una altura exterior (h) de 240 mm, un ancho de ala (b) de 120 mm, un espesor de ala (t_f) de 12 mm y un espesor de alma (t_w) de 10 mm. Para evaluar el comportamiento estructural típico, se investigaron cuatro configuraciones de unión de uso común: uniones con placa de extremo extendida (EEP), uniones con placa de extremo a ras (FEP), uniones con cartela angular superior y de asiento (TSAC) y uniones con cartela angular superior, de asiento y doble en el alma (TSWAC).

Las configuraciones geométricas de los cuatro tipos de uniones investigados se ilustran en la Figura [4] y en la Tabla 1. En todas las probetas, los elementos de fijación consistieron en pernos de acero inoxidable totalmente roscados M16 de clase A4-80 (equivalente a la clase 8.8 de acero al carbono) instalados en agujeros de holgura de 18 mm de diámetro. Para las configuraciones TSAC y TSWAC, las cartelas angulares superior y de asiento tenían la misma geometría, incluida la distribución espacial de los taladros para los pernos.

Tabla 1: Configuración geométrica de las probetas ensayadas (2)

Distancias según Fig-4 (mm)
Specimens	t_c	t_p	t_a	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 del material (1)

Specimens	E	σ_0.2	σ_1.0	σ_u	ε _f
	(N/mm²)	(N/mm²)	(N/mm²)	(N/mm²)	%
I-240 × 120 × 12 × 10 - flange	196,500	248	306	630	66
I-240 × 120 × 12 × 10 - web	205,700	263	320	651	65
Angle cleat (8 mm)	197,600	280	344	654	55
Angle cleat (10 mm)	192,800	289	353.5	656	56
End plate	198,000	282	343	655	54
M16 bolt (A4-80)	191,500	617	703	805	12

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

Detalles de uniones de especímenes probados

Discusión

Uniones de acero para la solución RFEM

Utilizando el complemento Steel Joints basado en MEF para RFEM 6, el proceso de diseño de la unión se integró بالكامل 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 pernos. Debido a la elevada 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 a tracción o a cortante de los elementos de fijación. Cabe destacar que, aunque el fallo del perno en sí era intrínsecamente frágil, la respuesta sistémica de las uniones permaneció predominantemente dúctil. Este comportamiento se atribuye a que la rotura del perno estuvo precedida por una amplia deformación inelástica y plastificación en los demás elementos de la unión, concretamente en las placas de extremo y en las cartelas angulares de ala/alma. Las Fig. 5&6 y las Tablas 3&4 ilustran la comparación de la resistencia a momento y de la rigidez — Experimental, ROFEM, Steel Joints in 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.

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.

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 in RFEM y EC3

Capacidad de momento (kNm) | M_j,R
Specimens	Experiment	ROFEM	Steel Joints in RFEM	EC-3	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 in RFEM y EC3

Rigidez inicial S_j,ini (MNm/rad)
Specimens	Experiment	ROFEM	Steel Joints in RFEM	EC3	EC-3/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
Specimens	EC-3	Steel Joints in RFEM	Experiments
FEP	Placa de extremo a flexión	Fallo de perno a tracción	Rotura del perno a tracción
EEP	Placa de extremo a flexión	Fallo de perno a tracción	Fallo de perno a tracción
TSAC-8	Flexión de la cartela del ala	Fallo de perno a tracción y cortante	Fallo de perno a tracción y cortante
TSAC-10	Flexión de la cartela del ala	Fallo de perno a tracción y cortante	Fallo de perno a tracción y cortante
TSWAC-8	Flexión de la cartela angular	Fallo de perno a tracción y cortante	Fallo de perno a tracción y cortante (perno de cartela del ala)
TSWAC-10	Flexión de la cartela angular	Fallo del perno del alma a cortante	Fallo de perno a cortante (perno superior que conecta la cartela del alma con el alma de la viga)

Análisis que muestra las tensiones equivalentes y la deformación plástica en una placa de extremo a ras.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Relaciones de diseño y rigidez rotacional de asiento superior y escuadra de doble alma (TSWAC)

Conclusión

A partir de datos experimentales preliminares, se evaluó la aplicabilidad de las disposiciones de EN 1993-1-8 al complemento Steel Joints. De forma coherente con observaciones previas en sus homólogos de acero al carbono, el modelo de rigidez del Eurocódigo tendió a sobreestimar la rigidez rotacional inicial, con predicciones que mostraron una dispersión significativa.
Los modelos analíticos de resistencia (TSWAC-10) mostraron una relación superior a 1.0 respecto a la resistencia a momento plástico tanto de las probetas experimentales como de las simulaciones CBFEM. Se observó una discrepancia crítica en relación con el modo de fallo gobernante: la rotura se desencadenó invariablemente por fallo de los pernos, incluso en configuraciones en las que el Eurocódigo predecía un fallo dúctil del T-stub (Modo 1 o 2) caracterizado por la formación de una rótula plástica. Aunque los T-stub desarrollaron las deformaciones plásticas previstas, el pronunciado endurecimiento por deformación del acero inoxidable permitió un aumento continuo de la tensión en las zonas plastificadas.

Referencias

Elflah, M.; Theofanous, M.; Dirar, S.; & Yuan, H.X. (2018). Behaviour of stainless-steel beam-to column joints - part 1: experimental investigation. J. Constr. Steel Res (2018). https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.02.040 (in press).
Elflah M.; Theofanous M.; & Dirar S. (2019). Behaviour of Stainless-Steel Beam-to-column Joints – Part 2: Numerical Modelling and Parametric Study. J. Constr. Steel Res. 152(2019), pp. 194-212.
CEN. (2005). EN 1993-1-8, Eurocode 3: Design of steel Structures – Part 1–8: Design of Joints. British Standards Institution, CEN.
Weynard K.; Jaspart J.P.; & Steenhuis, M. (1995). The stiffness model of revised Annex J to Eurocode 3, connections in steel structures III: behaviour, strength and design. Paper presented at 3rd International Workshop on Connections in Steel Structures. Trento, Italy.

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