Comportamiento de conexiones de chapa frontal atornillada con o sin rigidizadores con uniones de acero para RFEM

Este estudio verifica Uniones de acero para RFEM investigando el comportamiento estructural de uniones atornilladas con chapa frontal, tanto rigidizadas como sin rigidizar. El rendimiento de estas uniones se evalúa según las disposiciones de cálculo del Eurocódigo 3 (EC-3) y se valida mediante la comparación con resultados experimentales previamente realizados.

Modelo analítico

Este estudio adopta los criterios de cálculo 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 chapa (a aplastamiento y a punzonamiento), utilizando las formulaciones de estados límite indicadas en la Tabla 3.4. La resistencia de cálculo de la T equivalente se evalúa de forma independiente para la chapa frontal y para el ala de la columna. Para cada componente, la resistencia de cálculo gobernante, 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 de la resistencia a tracción del grupo de tornillos (∑F_t,Rd). Estos modos contemplan la plastificación completa del ala (Modo 1), el fallo de los tornillos junto con la plastificación del ala (Modo 2) y la rotura pura de los tornillos (Modo 3). Modos de fallo: La rigidez inicial de la unión viene dada por la fórmula:

Detalles geométricos de la unión viga-columna

De acuerdo con la práctica constructiva habitual, todos los elementos de viga y columna se fabricaron con acero S235. Las configuraciones geométricas, incluidas las disposiciones de la chapa frontal y del grupo de tornillos, se ilustran en la Figura 2, mientras que la matriz de ensayos experimentales y las propiedades medidas de los materiales se resumen en la Tabla 1. Tal como se define en la matriz de ensayos, las probetas del Grupo A (1BC-4BC) presentaban una sección de columna HEA 120 emparejada con una sección de viga IPE 240, con un espesor uniforme de chapa frontal de 15 mm mantenido en todas las probetas.

Discusión

Solución con Steel Joints para RFEM

Este estudio presenta una investigación combinada experimental y numérica sobre el rendimiento estructural de cuatro uniones viga-columna con chapa frontal, con especial énfasis en el comportamiento de uniones atornilladas con chapa frontal con y sin rigidizadores. El programa experimental se complementó con ensayos específicos de componentes en T equivalente y una modelización detallada por elementos finitos (EF). El cálculo de las uniones se realizó utilizando el módulo adicional Steel Joints para RFEM 6, totalmente integrado en el modelo estructural global. Los modelos de EF se validaron frente a las mediciones experimentales y se verificaron según las disposiciones de cálculo del Eurocódigo 3 (EC-3), y posteriormente se utilizaron para examinar en detalle el comportamiento de deformación localizado. Las Figuras 3 y 4, junto con las Tablas 2 y 3, comparan la resistencia a momento y la rigidez rotacional obtenidas de los ensayos, de las predicciones de Steel Joints para RFEM 6 y de los cálculos analíticos según EC-3.

Conclusiones

La comparación muestra que RFEM sigue el comportamiento experimental más de cerca que EC-3, tanto para la resistencia a momento como para la rigidez inicial. EC-3 subestima la capacidad de forma más acusada y se estabiliza en 33,00 kNm entre BC2 y BC4 a pesar de un aumento del 40% en la capacidad medida, lo que indica que su predicción está gobernada por una única comprobación de componente limitante insensible a los parámetros variados. Para la rigidez inicial, RFEM muestra una desviación media menor respecto al experimento (0,66) que EC-3 (0,97) y es el único método que continúa siguiendo la tendencia creciente de rigidez entre BC3 y BC4 en lugar de estabilizarse. La sobrepredicción de la rigidez por parte de RFEM en valores más altos es coherente con la tendencia general de los modelos basados en componentes hacia una rigidez idealizada de los componentes, y EC-3 muestra una sobrepredicción comparable o mayor en BC2-BC3. En general, RFEM es la más fiable de las dos herramientas para capturar las tendencias de resistencia y rigidez de la unión y se recomienda como método de verificación principal, manteniendo EC-3 como comprobación independiente.

Referencias

1. Eurocode 3. Design of steel structures part 1-8: design of joints. European Standard EN 1993-1-8. European committee for standardization, Brussels, Belgium; 1993.
2. Abidelah, Anis & Bouchair, Abdelhamid & Kerdal, Djamel. (2012). Experimental and analytical behaviour of bolted end-plate connections with or without stiffeners. Journal of Constructional Steel Research.