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002057

11-06-2026

Análisis de chapas frontales extendidas gruesas y múltiples tornillos por fila con el complemento de Uniones de acero para RFEM

Este estudio investiga la verificación de las uniones de acero tal como se implementan en RFEM para el análisis de chapas frontales extendidas de gran espesor y múltiples tornillos por fila. El comportamiento estructural y el rendimiento de estas uniones se evalúan conforme a las disposiciones de diseño del Eurocódigo 3 (EC3) y se comparan con un Modelo de Elementos Finitos Orientado a la Investigación (ROFEM), previamente validado mediante ensayos experimentales.

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 la placa (al aplastamiento y al punzonamiento), utilizando las formulaciones de estados límite proporcionadas en la Tabla 3.4.

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

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 tornillos (∑F_t,Rd). Estos modos consideran la plastificación completa del ala (Modo 1), el fallo del tornillo junto con la plastificación del ala (Modo 2) y la fractura pura del tornillo (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.

1 Modos de fallo de elementos de casquillo en T

Detalles geométricos de la unión viga-pilar

De acuerdo con la práctica constructiva habitual, todos los perfiles de viga y pilar se fabricaron con acero S235, mientras que las placas frontales utilizaron acero de mayor resistencia S355. Las configuraciones geométricas, incluyendo la disposición de la placa frontal y de los grupos de tornillos, se detallan en la Imagen 2, con la correspondiente matriz de ensayos experimentales y las propiedades medidas de los materiales proporcionadas en las Tablas 1, respectivamente.

Como se define en la matriz de ensayos, el Grupo A (probetas 1A–3A) utilizó una sección de pilar HEA 300 (t_w = 8,5 mm; t_f = 14 mm), mientras que el Grupo B incorporó la sección más pesada HEB 300 (t_w = 11 mm; t_f = 19 mm). Para evaluar el comportamiento de una jerarquía pilar débil-viga fuerte, se mantuvieron uniformes en todas las probetas una sección de viga HEB 300 y placas frontales de 30 mm de espesor, asegurando que las configuraciones del Grupo A fueran críticas en el pilar.

Tabla 1: Configuración geométrica de las probetas ensayadas

Probetas	Sección de pilar	Sección de viga	N.º de tornillos	Longitud del pilar	Longitud de la viga
T1A	HEA 300	HEB 300	12	2	1.5
T2A	HEA 300	HEB 300	6	2	1.5
T3A	HEA 300	HEB 300	8	2	1.5
T1B	HEB 300	HEB 300	12	2	1.5
T2B	HEB 300	HEB 300	6	2	1.5
T3B	HEB 300	HEB 300	8	2	1.5

Diagrama esquemático de una unión atornillada viga-pilar y su modelo mecánico mediante el método de componentes para el cálculo de estructuras de acero.

2 (a) Conexión típica de viga-columna atornillada y (b) Representación del método de componentes

3 Configuración de Placa de Extremo/Pernos

Discusión

Uniones de acero para la solución en RFEM

Utilizando el complemento Uniones de acero para RFEM 6, basado en elementos finitos, el proceso de cálculo de la unión se integró completamente en el modelo estructural principal. Este estudio presenta una investigación experimental y numérica del comportamiento estructural de seis uniones viga-pilar extendidas con placa frontal gruesa, con especial énfasis en la influencia de configuraciones de atornillado no convencionales que implican múltiples tornillos por fila. Para aislar la rigidez rotacional inherente de la zona nodal, todas las probetas se configuraron sin rigidizadores suplementarios del alma del pilar. La matriz experimental investigó dos jerarquías de fallo distintas: (1) una configuración pilar débil-viga fuerte (pilar HEA300; viga HEB300) y (2) una configuración de rigidez equilibrada (pilar y viga HEB300).

Estas investigaciones se complementaron con una caracterización específica de la T-stub y un análisis de elementos finitos (EF) de alta fidelidad. Tras la validación con los datos experimentales y la verificación mediante los marcos del Eurocódigo 3 (EC3), los modelos de EF se emplearon para extraer información detallada sobre los mecanismos de deformación localizada. Las imágenes 4 y 5 y las tablas 2 y 3 ilustran la comparación de la resistencia a momento y la rigidez: experimental, ROFEM, Uniones de acero en RFEM y EC3. Y la Tabla 4 ilustra los modos de fallo.

Comparación de la resistencia a momentos – Experimento, ROFEM, Uniones de acero en RFEM y EC-3

4 Comparación de Resistencia a Momento – Experimento, ROFEM, Uniones de Acero en RFEM y EC-3

5 Comparación de Rigidez – Experimento, ROFEM, Uniones de Acero en RFEM y EC-3

Tabla 2: Comparación de la resistencia a momento y la rigidez: experimental, ROFEM, Uniones de acero en RFEM y EC-3-1-8

Ensayos experimentales
Probeta	N.º de tornillos	Momento kN m, M_j.R	Rigidez inicial S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	193.5	26.34
T2A	6	122.1	12.35
T3A	8	109.8	14.27
T1B	12	262.4	22.31
T2B	6	196.4	17.58
T3B	8	161.3	27.28

Método de componentes EC3-1-8
Probeta	N.º de tornillos	Momento kN m, M_j.R	Rigidez inicial S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	114	33
T2A	6	108.8	27.42
T3A	8	64.7	18.87
T1B	12	162.6	41.83
T2B	6	156.5	38.96
T3B	8	81.1	23.82

ROFEM
Probeta	N.º de tornillos	Momento kN m, M_j.R	Rigidez inicial S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	179.3	19.5
T2A	6	107.3	9.14
T3A	8	96.9	5.81
T1B	12	261.9	23.8
T2B	6	190.2	17.67
T3B	8	177	16.36

Uniones de acero en RFEM
Probeta	N.º de tornillos	Momento kN m, M_j.R	EC3/RFEM
T1A	12	154.57	0.74
T2A	6	115.42	0.94
T3A	8	97.13	0.67
T1B	12	197.5	0.82
T2B	6	172.8	0.91
T3B	8	137.63	0.59

Tabla 3: Comparación de rigidez

Uniones de acero en RFEM
Probeta	N.º de tornillos	Rigidez inicial S_j,ini (MNm/rad)	EC3/RFEM
T1A	12	13.4	2.46
T2A	6	8.2	3.34
T3A	8	11.5	1.64
T1B	12	18.8	2.23
T2B	6	12.5	3.12
T3B	8	16.9	1.41

Tabla 4: Modos de fallo

Probeta	EC3	Uniones de acero en RFEM	Ensayos
T1A	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar
T2A	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar
T3A	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar
T1B	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar
T2B	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar
T3B	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar	Flexión del ala del pilar

6 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T1A

7 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T2A

8 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T3A

9 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T1B

10 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T2B

11 Tensiones Equivalentes y Deformación Plástica del Modelo T3B

12 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T1A

13 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T2A

14 Razón de tensiones y rigidez al giro del Modelo T3A

15 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T1B

16 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T2B

17 Razón de tensiones y rigidez al giro del Modelo T3B

Conclusión

Se utilizaron datos experimentales preliminares para evaluar la aplicabilidad de las disposiciones de la norma EN 1993-1-8 a las uniones de acero. En línea con los resultados publicados para perfiles convencionales de acero al carbono, se observó que el modelo de rigidez del Eurocódigo sobreestima la rigidez rotacional inicial, mostrando las predicciones analíticas una dispersión considerable en relación con los valores medidos.

Los resultados experimentales confirman que tanto la resistencia a momento como la rigidez inicial aumentan con el número de tornillos, y las probetas de 12 tornillos (T1A, T1B) superan sistemáticamente a sus homólogas de 6 y 8 tornillos. El método de componentes de la norma EC3-1-8 generalmente subestima la capacidad a momento, mientras que sobreestima la rigidez inicial, de forma más notable para T1B (41,83 frente a 22,31 MNm/rad), en consonancia con la tendencia de sobreestimación observada según la norma EN 1993-1-8.

Las relaciones EC3/RFEM, que oscilan entre 0,59 y 0,94, indican predicciones conservadoras de la resistencia a momento por parte del método de componentes del Eurocódigo, y la baja relación para T3B (0,59) sugiere una subestimación significativa para ciertas geometrías de unión.

Referencias

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.
Prinz, G. S., Nussbaumer, A., Borges, L., & Khadka, S. (2014). Ensayos experimentales y simulación de uniones atornilladas viga-columna con placas de extremo extendidas gruesas y múltiples tornillos por fila. Engineering Structures, 59, 434–447.

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