Análisis de Placas de Extremo Extendidas Gruesas y Múltiples Pernos por Fila con el Complemento Steel Joints para RFEM

Modelo analítico

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

La resistencia de cálculo de la pieza T equivalente se evalúa de forma independiente para los componentes de la chapa de testa y del ala de la columna. Para cada componente, la resistencia de cálculo determinante, F_T,Rd, se define como el valor mínimo derivado de tres posibles mecanismos de fallo.

La resistencia individual para cada modo se calcula en función de la capacidad plástica de momento del ala (M_pl,1,Rd y M_pl,2,Rd) y la resistencia a tracción del grupo de tornillos (∑F_t,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:

• Momentos resistentes plásticos:

Modos de fallo de elementos de casquillo en T

Detalles geométricos de la unión viga-columna

De acuerdo con la práctica constructiva estándar, todos los perfiles de viga y columna se fabricaron con acero S235, mientras que las chapas de testa utilizaron acero de mayor resistencia S355. Las configuraciones geométricas, incluyendo las disposiciones de la chapa de testa y los grupos de tornillos, se detallan en la Figura 2, y la correspondiente matriz de ensayos experimentales y las propiedades medidas de los materiales se proporcionan en la Tabla 1, respectivamente.

Como se define en la matriz de ensayos, el Grupo A (especímenes 1A–3A) utilizó un perfil de columna HEA 300 (t_w = 8.5 mm; t_f = 14 mm), mientras que el Grupo B incorporó el perfil más pesado HEB 300 (t_w = 11 mm; t_f = 19 mm). Para evaluar el comportamiento de una jerarquía columna débil-viga fuerte, se mantuvieron un perfil de viga HEB 300 y chapas de testa de 30 mm de espesor de manera uniforme en todos los especímenes, asegurando que las configuraciones del Grupo A fueran críticas en la columna.

• Tabla 1: Configuración geométrica de los especímenes ensayados

(a) Conexión atornillada típica de viga-columna y (b) representación del método de los componentes.

Configuración de Placa de Extremo/Pernos

Discusión

Solución con Steel Joints para RFEM

Utilizando el módulo adicional Steel Joints para RFEM 6 basado en EF, el proceso de diseño 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-columna extendidas con chapa de testa gruesa, con un énfasis específico en la influencia de patrones de atornillado no convencionales que implican múltiples tornillos por fila. Para aislar la rigidez rotacional inherente de la zona nodal, todos los especímenes se configuraron sin rigidizadores suplementarios del alma de la columna. La matriz experimental examinó dos jerarquías de fallo distintas: (1) una configuración de columna débil/viga fuerte (columna HEA300; viga HEB300) y (2) una configuración de rigidez equilibrada (columna y viga HEB300).

Estas investigaciones se complementaron con una caracterización específica de la pieza T equivalente 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), se emplearon los modelos EF para extraer información detallada sobre la mecánica de deformación localizada. Las Figuras 4 y 5 y las Tablas 2 y 3 ilustran la comparación de la resistencia a momento y la rigidez – Experimental, ROFEM, Steel Joints en RFEM frente a EC-3. Y la Tabla 4 ilustra los modos de fallo.

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

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

• Tabla 2: Comparación de la resistencia a momento, Rigidez - Experimental, ROFEM, Steel Joints en RFEM y EC-3-1-8.

• Tabla 3: Comparación de rigidez.

• Tabla 4: Modos de fallo.

Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T1A

Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T2A

Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T3A

Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T1B

Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo T2B

Tensiones Equivalentes y Deformación Plástica del Modelo T3B

Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T1A

Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T2A

Razón de tensiones y rigidez al giro del Modelo T3A

Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T1B

Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo T2B

Razón de tensiones y rigidez al giro del Modelo T3B

Conclusión

Se utilizaron datos experimentales preliminares para evaluar la aplicabilidad de las disposiciones de EN 1993-1-8 a Steel Joints. En línea con los hallazgos reportados para elementos convencionales de acero al carbono, se encontró que el modelo de rigidez del Eurocódigo sobreestima la rigidez rotacional inicial, mostrando las predicciones analíticas una dispersión considerable con respecto a los valores medidos.

Los resultados experimentales confirman que tanto la resistencia a momento como la rigidez inicial aumentan con el número de tornillos, superando consistentemente los especímenes con 12 tornillos (T1A, T1B) a sus contrapartes de 6 y 8 tornillos. El método de componentes de EC3-1-8 generalmente subestima la capacidad de momento mientras sobreestima la rigidez inicial, más notablemente para T1B (41.83 vs. 22.31 MNm/rad), en consonancia con la tendencia de sobreestimación observada según EN 1993-1-8.

Las relaciones EC-3/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

1. Eurocódigo 3. Proyecto de estructuras de acero. Parte 1-8: Uniones. Norma Europea EN 1993-1-8. Comité Europeo de Normalización, Bruselas, Bélgica; 1993. 2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row, Engineering Structures, Volumen 59, 2014, Páginas 434-447, ISSN 0141-0296, 10.1016/j.engstruct.2013.10.042