Análisis de perfiles de acero de alta resistencia y conexiones de chapa frontal con el complemento Unión de acero para RFEM

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 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 diseño del casquillo en T equivalente se evalúa independientemente para los componentes de la placa frontal 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 mecanismos de fallo potenciales.

La resistencia individual para cada modo se calcula en función de la capacidad de momento plástico 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 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:

Momentos Resistentes Plásticos:

Fig. 1. Modos de fallo de casquillo en T

Detalles Geométricos de la Unión Viga-Pilar

En línea con la práctica constructiva habitual, todos los elementos de viga y pilar se fabricaron en acero S355, Q690 y Q960, mientras que las placas frontales utilizaron los grados de mayor resistencia Q690 y Q960. Las configuraciones geométricas, incluyendo la disposición de la placa frontal y del grupo de tornillos, se muestran en las Figuras 2 y 3, junto con la matriz correspondiente de ensayos experimentales.

La probeta JD1 (S355) utilizó un perfil de pilar HEM 300. Para evaluar el comportamiento de una jerarquía pilar débil/viga fuerte, se mantuvo un perfil de viga uniforme HEA 320 junto con placas frontales S690 de 10 mm de espesor. La probeta JD2 se fabricó en acero Q690 y la JD3 en acero Q960. Las secciones de viga y pilar 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.

Fig. 2. Configuración de placa de extremo/perno de JD1

Fig. 3. Configuración de Placa de Extremo/Tornillo JD2 y JD3

Discusión

Solución de Uniones de Acero para RFEM

Este estudio presenta una investigación experimental y numérica del comportamiento estructural de tres uniones viga-pilar con placa frontal extendida de acero de alta resistencia.

El programa experimental se complementó con una caracterización específica del casquillo en T 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 complemento Uniones de Acero para RFEM 6, basado en EF. Tras la validación con los datos experimentales y la verificación dentro del marco del Eurocódigo 3 (EC3), se emplearon los modelos de EF para obtener un conocimiento detallado de los mecanismos de deformación localizada. Las Figs. 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 Uniones de Acero en RFEM y el EC3, mientras que la Tabla 3 resume los modos de fallo observados.

Fig. 4. Comparación de la Resistencia a Momento – Experimental, Uniones de Acero en RFEM y EC-3

Fig. 5: Comparación de Rigidez – Experimento, Uniones de Acero en RFEM y EC-3

Fig. 6. Equivalent Stresses and Plastic Strain of JD1 Model

Fig. 7. Tensiones Equivalentes y Deformación Plástica del Modelo JD2

Fig. 8. Equivalent Stresses and Plastic Strain of JD3 Model

Fig. 9. Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo JD1

Fig. 10. Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo JD2

Fig. 11. Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo JD3

Conclusiones

Se estudiaron tres uniones atornilladas con placa frontal (JD1–JD3) comparando experimentos con el modelo de Uniones de Acero de RFEM y el cálculo manual según EC-3. Para la resistencia a momento, los tres métodos concordaron bien. RFEM coincidió estrechamente con los resultados de los ensayos (dentro de un 6% aproximadamente), y EC-3 proporcionó valores seguros y ligeramente conservadores. Por lo tanto, se puede confiar en EC-3 para el diseño de la resistencia.

La principal diferencia radicó en la rigidez inicial. RFEM proporcionó valores razonables, pero EC-3 sobrestimó en gran medida la rigidez de cada unión — aproximadamente de 1.7 a 2.7 veces los valores medidos. Por consiguiente, la rigidez según EC-3 debe utilizarse con precaución, especialmente en comprobaciones de aptitud al servicio y de deformaciones.

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 EC-3 predijo un modo más simple de un solo tornillo. En resumen, RFEM es una herramienta fiable para predecir la resistencia, rigidez y modo de fallo de la unión, y puede reducir la necesidad de realizar ensayos. EC-3 es seguro para la resistencia, pero tiende a sobrestimar la rigidez.