Este estudio valida el complemento Uniones de acero para RFEM investigando la influencia del diámetro del tornillo y del espesor de la chapa frontal en la capacidad y los modos de fallo de uniones viga-pilar con chapa frontal. El comportamiento estructural y el rendimiento resistente de estas uniones se evalúan según las disposiciones de cálculo del Eurocódigo 3 (EC-3), y los resultados se comparan con las predicciones de un modelo de elementos finitos desarrollado con RFEM y el método de elementos finitos orientado a la investigación (ROFEM).
Modelo analítico
Este estudio adopta los criterios de cálculo especificados en la norma EN 1993-1-8 para evaluar la resistencia de los tornillos (cortante y tracción) y la resistencia de la chapa (cojinete 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 el ala de pilar. Para cada componente, la resistencia de cálculo gobernante FT,Rd se define como el valor mínimo derivado de tres mecanismos de fallo potenciales.
La resistencia individual para cada modo se calcula en base a la capacidad a momento plástico del ala (Mpl,1,Rd y Mpl,2,Rd) y la resistencia a tracción del grupo de tornillos (ΣFt,Rd). Estos modos contemplan la plastificación completa del ala (Modo 1), el fallo del tornillo combinado con la plastificación del ala (Modo 2) y la fractura pura del tornillo (Modo 3).
Modos de fallo:
Momentos resistentes plásticos:
Detalles geométricos de la unión viga-pilar
El ala rígida se modeló como un elemento elástico. Se asignaron los modelos de material S275 y S420 a la chapa frontal y a la viga, respectivamente. Para el estudio paramétrico, se eligió una viga que representa un perfil europeo típico con dimensiones que corresponden aproximadamente a una sección IPE300, mientras que el pilar se modeló como una sección HEA300, de acuerdo con las disposiciones del Eurocódigo evaluadas. Las dimensiones de la viga y de la chapa frontal se muestran en la Fig. 2. Las variables consideradas en el estudio fueron diámetros de tornillo de 16 mm (M16), 20 mm (M20) y 24 mm (M24), junto con espesores de chapa frontal (tp) de 10 mm, 15 mm y 20 mm.
Discusión
Solución con el complemento Uniones de acero para RFEM
Este estudio presenta una investigación numérica sobre los efectos del diámetro del tornillo y del espesor de la chapa frontal en la capacidad y los modos de fallo de uniones viga-pilar extendidas con chapa frontal de acero. Se examinó el rendimiento estructural de nueve de estas uniones.
Los resultados del estudio paramétrico se resumen en la Tabla 1, y las resistencias a momento correspondientes se muestran en la Fig. 3. El aumento del espesor de la chapa frontal produjo mayores capacidades a momento plástico y último. Sin embargo, una vez que la capacidad a momento flector de la viga cayó por debajo de la de la unión, aumentos adicionales en el espesor de la chapa frontal no tuvieron ningún efecto sobre la capacidad global. Se observó la misma tendencia para el diámetro del tornillo. La Tabla 2 muestra los modos de fallo.
| Probetas | ROFEM | Complemento Uniones de acero en RFEM | EC-3 | EC-3/RFEM |
|---|---|---|---|---|
| M16-tp=10mm | 87.00 | 85.35 | 65.00 | 0.76 |
| M16-tp=15mm | 147.00 | 123.12 | 105.00 | 0.85 |
| M16-tp=20mm | 153.00 | 132.23 | 143.00 | 1.08 |
| M20-tp=10mm | 114.00 | 95.85 | 73.00 | 0.76 |
| M20-tp=15mm | 186.00 | 167.40 | 129.00 | 0.77 |
| M20-tp=20mm | 223.00 | 183.33 | 186.00 | 1.01 |
| M24-tp=10mm | 128.00 | 102.60 | 73.00 | 0.71 |
| M24-tp=15mm | 195.00 | 132.30 | 155.00 | 1.17 |
| M24-tp=20mm | 283.00 | 175.50 | 211.00 | 1.20 |
| Probetas | ROFEM | Complemento Uniones de acero en RFEM | EC-3 |
|---|---|---|---|
| M16-tp=10mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 |
| M16-tp=15mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 y 2 |
| M16-tp=20mm | Modo 2 | Modo 2 | Modo 2 y 3 |
| M20-tp=10mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 |
| M20-tp=15mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 y 2 |
| M20-tp=20mm | Modo 2 | Modo 2 | Modo 1 y 2 |
| M24-tp=10mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 |
| M24-tp=15mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 |
| M24-tp=20mm | Modo 1 | Modo 1 | Modo 1 y 2 |
Conclusiones
Se compararon tres métodos —un modelo de EF detallado (ROFEM), el complemento Uniones de acero basado en componentes en RFEM y el método de componentes del EC-3 (EN 1993-1-8)— en nueve uniones atornilladas con chapa frontal (tornillos M16/M20/M24 × chapas de 10/15/20 mm).
La relación EC-3/RFEM está gobernada por el espesor de la chapa, aumentando de forma monótona dentro de cada grupo de tornillos: el EC-3 subestima sustancialmente la resistencia para chapas de 10 mm (0.71-0.76) pero supera al RFEM para chapas de 20 mm (1.01-1.20). La razón es mecánica: las chapas delgadas fallan por plastificación dúctil de la chapa (Modo 1), mientras que los métodos de EF capturan la acción de membrana y el endurecimiento por deformación que el modelo de T-stub del EC-3 omite.
A medida que la chapa se engrosa y el tornillo se convierte en el componente débil, ese margen desaparece. En cuanto a los modos de fallo, ROFEM y RFEM coinciden en todas las probetas; el EC-3 coincide en el componente gobernante pero tiende a indicar modos combinados (1 y 2, 2 y 3). El patrón sigue la teoría clásica de la T-stub: chapas más gruesas desplazan el fallo hacia el control del tornillo, mientras que tornillos más grandes mantienen la unión en el Modo 1 dúctil.
La rigidez inicial de una unión con chapa frontal aumenta con el incremento del diámetro del tornillo o del espesor de la chapa frontal. El Eurocódigo predice los modos de fallo de dichas uniones con un alto grado de precisión.