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12-08-2026

Evaluación de la ductilidad de conexiones con placa de extremo extendida con uniones de acero para RFEM

Se ensayaron experimentalmente cuatro uniones viga-pilar con placa de extremo extendida (FS1–FS4, acero S355/S690) y se evaluaron con el complemento Uniones de acero para RFEM 6 y con el cálculo manual según EN 1993-1-8 (Eurocódigo 3). El artículo compara la resistencia a momento y la rigidez rotacional inicial de los tres métodos y presenta las ecuaciones subyacentes de los componentes de casquillo en T.

Este estudio evalúa el diseño de uniones de acero para RFEM investigando las características de ductilidad y los modos de fallo de conexiones viga-pilar con chapa frontal extendida. El comportamiento estructural y la capacidad portante de estas conexiones se analizan de acuerdo con las disposiciones de diseño especificadas en el Eurocódigo 3 (EC3), y las predicciones resultantes se validan posteriormente mediante la comparación con un modelo de elementos finitos desarrollado con Steel Joints para RFEM, así como con los datos experimentales correspondientes.

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 (a aplastamiento y 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 chapa 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 diseño del casquillo en T (valor determinante de tres modos de fallo)

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

FT,1,Rd=(8n-2ew)·Mpl,1,Rd2mn-ew(m+n)
Resistencia del casquillo en T – Modo de fallo 1 (fluencia completa del ala)
FT,2,Rd=2·Mpl,2,Rd+n·(∑Ft,Rd)(m+n)
Resistencia del casquillo en T – Modo de fallo 2 (fallo de los pernos con fluencia del ala)
FT,3,Rd=∑Ft,Rd
Resistencia del Casquillo en T – Modo de fallo 3 (fractura del perno)

Momentos resistentes plásticos:

Mpl,1,Rd=0.25·∑leff,1·tf2·fyγM0
Resistencia al Momento Plástico del Ala (Modo de fallo 1)
Mpl,2,Rd=0.25·∑leff,2·tf2·fyγM0
Resistencia al Momento Plástico del Ala (Modo de Fallo 2)
La rigidez inicial de la unión viene dada por la fórmula:
Sj,ini=E·z2∑i=1n1ki
Rigidez rotacional inicial de la conexión
Donde E es el módulo de Young, z es el brazo de palanca, Ki es el coeficiente de rigidez del i-ésimo componente y n es el número de componentes básicos de la unión.

Detalles geométricos de la conexión viga-pilar

Todas las vigas y columnas se fabricaron con acero S355 siguiendo la práctica constructiva estándar. Las chapas frontales se fabricaron con acero S355 y S690. Los detalles geométricos —incluyendo las dimensiones de la chapa frontal y la disposición de los grupos de tornillos— se muestran en la Imagen 2, mientras que la matriz de ensayos y las propiedades medidas del material se presentan en la Tabla 1.

Las probetas FS1 a FS4 utilizaron una sección de columna HEM 340 emparejada con una sección de viga IPE 300. Esta configuración se eligió para examinar el comportamiento de columna débil-viga fuerte. En las cuatro probetas, la sección de viga se mantuvo constante en IPE 300, con espesores de chapa frontal de 10, 15, 20 y 10 mm para FS1, FS2, FS3 y FS4, respectivamente.

Tabla 1: Detalles geométricos y de material de las probetas ensayadas
Probetas Columna Tipo de acero Viga Tipo de acero Espesor de chapa frontal, mm Tipo de acero
FS1 HEM340 S355 IPE300 S235 10 S355
FS2 HEM340 S355 IPE300 S235 15 S355
FS3 HEM340 S355 IPE300 S235 20 S355
FS4 HEM340 S690 IPE300 S235 10 S690

Dibujo técnico de una unión atornillada típica viga-pilar que muestra una viga IPE300 conectada a un pilar HE340M con dimensiones detalladas y espesores de placa.
1 Conexión Atornillada Típica de Viga-Columna
Dibujo técnico de una conexión con placa frontal extendida que muestra la disposición de los tornillos y la configuración de los rigidizadores para el análisis de una unión de acero.
2 a) Chapa frontal/Tornillo, b) Configuración de rigidizadores

Discusión

Solución con Steel Joints para RFEM

Utilizando el complemento Steel Joints para RFEM 6, el diseño de la conexión se integró completamente dentro del modelo estructural principal. Este estudio presenta una investigación experimental y numérica del comportamiento estructural de cuatro conexiones viga-pilar con chapa frontal extendida, con especial énfasis en la evaluación de la ductilidad. La investigación se complementó con la caracterización específica de componentes T-stub y con un análisis de elementos finitos (EF) de alta fidelidad. Los modelos de EF desarrollados se validaron con mediciones experimentales y se verificaron con el marco de diseño del Eurocódigo 3 (EC3), y se emplearon posteriormente para obtener información detallada sobre el comportamiento de deformación localizada. Las Imágenes 3 y 4, junto con las Tablas 2 y 3, presentan comparaciones de la resistencia a flexión y la rigidez rotacional entre los resultados experimentales, las predicciones de Steel Joints para RFEM 6 y las soluciones analíticas del EC3.

Un gráfico de barras que compara la capacidad a momento de cuatro especímenes de uniones de acero basado en resultados experimentales, simulaciones en RFEM utilizando el módulo adicional Steel Joints y cálculos según el Eurocódigo 3.
3 Comparación de la Resistencia a Momento – Experimental vs. Uniones de Acero para RFEM y EC3
Gráfico de barras que compara la rigidez inicial de cuatro casos de prueba, mostrando los resultados de los experimentos, Steel Joints para RFEM y los cálculos según EC3.
4 Comparación de Rigidez – Experimental vs. Uniones de Acero para RFEM y EC3
Tabla 2: Comparación de la resistencia a flexión – Experimental vs. Steel Joints para RFEM y EC-3-1-8 | Capacidad a flexión (kNm)
Probetas Experimentos Steel Joints en RFEM EC3
FS1 107,45 107,53 77,52
FS2 167,93 122,51 132,09
FS3 182,46 126,09 187,29
FS4 164,56 118,46 124,44

Tabla 3: Comparación de rigidez – Experimental vs. Steel Joints para RFEM y EC-3-1-8 | Rigidez inicial Sj,ini (MNm/rad)
Probetas Experimentos Steel Joints para RFEM EC3
FS1 17,51 29,20 34,66
FS2 22,69 38,30 46,76
FS3 22,39 43,50 51,76
FS4 16,66 29,20 32,77

Resultados del análisis por elementos finitos que muestran las tensiones equivalentes de von Mises y las deformaciones plásticas equivalentes para un modelo de unión de acero con 1 mm de espesor.
5 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo FS-1mm
Análisis por elementos finitos de una unión de acero mostrando tensiones equivalentes de von Mises y deformaciones plásticas bajo carga. La visualización muestra la distribución de tensiones y la deformación en la zona de la unión.
6 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo FS-2mm
Análisis por elementos finitos de una unión de acero que muestra las tensiones equivalentes de von Mises y las deformaciones plásticas equivalentes bajo las condiciones de carga aplicadas.
7 Tensiones Equivalentes y Deformación Plástica del Modelo FS-3mm
Resultados del análisis por elementos finitos que muestran las tensiones equivalentes de von Mises y las deformaciones plásticas equivalentes para un modelo de unión de acero.
8 Tensiones equivalentes y deformación plástica del modelo FS-4mm
Tabla que muestra los coeficientes de comprobación de cálculo para componentes de placa, tornillo y soldadura de ángulo en estado límite último, junto con los valores de rigidez al giro calculados para los miembros conectados.
9 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo FS-1
Tabla que muestra las relaciones de verificación de cálculo para placas, tornillos y soldaduras, junto con los valores de rigidez rotacional calculados para una unión de acero.
10 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo FS-2
Tabla que muestra las relaciones 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 FS-3
Tabla que muestra los coeficientes de comprobación de cálculo para placas, tornillos y soldaduras, junto con los valores de rigidez rotacional para los elementos de la unión en un análisis estructural.
12 Razón de tensiones y rigidez al giro del modelo FS-4

Conclusiones

La comparación entre las predicciones experimentales, las basadas en componentes de Steel Joints para RFEM y las del EC-3-1-8 muestra que el modelo de RFEM proporciona una buena concordancia general con los resultados de los ensayos, tanto para la resistencia a flexión como para la rigidez inicial, lo que confirma su fiabilidad para representar el comportamiento real de la unión. Las predicciones del EC-3-1-8 para la resistencia a flexión varían entre probetas (relaciones de 0,72 a 1,49 en relación con RFEM), lo que refleja la sensibilidad del método analítico de componentes a parámetros geométricos específicos como el espesor de la placa y la disposición de los tornillos. Los resultados demuestran que Steel Joints para RFEM proporciona una predicción notablemente más precisa de la rigidez inicial de la unión que el método analítico del EC-3. Esto confirma que el enfoque basado en elementos finitos de RFEM captura mejor el comportamiento real de rigidez de las conexiones ensayadas, lo que lo convierte en una herramienta más fiable para el diseño y análisis práctico en comparación con el método de componentes del EC3, conservador y a menudo excesivamente simplificado.

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. Girão Coelho, A. M., Bijlaard, F. S. K., & Simões da Silva, L. (2004). Evaluación experimental de la ductilidad de uniones con placa frontal extendida. Engineering Structures, 26(9), 1185–1206. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001
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