Informe CTICM: Comprensión de las Diferencias en los Resultados de Uniones

Método de los componentes

En el tradicional Método de los Componentes, una junta de acero se descompone en componentes mecánicos individuales, cada uno representando un modo específico de deformación (p. ej. tornillo a tracción, flexión de placa de extremo, flexión del ala del pilar, alma del pilar a tracción o compresión).

A cada componente se le asigna una rigidez analítica en forma cerrada y una relación simple fuerza-deformación. El comportamiento global de la junta se obtiene entonces ensamblando estos componentes.

Método de los elementos finitos basado en componentes

CBFEM (Método de los Elementos Finitos basado en componentes) combina la precisión del análisis por elementos finitos con la claridad y la filosofía normativa del Método de los Componentes.
La idea es simple:

• Placas y soldaduras → modeladas como elementos finitos de lámina
• Tornillos, anclajes y elementos de fijación similares → mantenidos como componentes al estilo del Método de los Componentes

Evaluación independiente del CTICM

El CTICM, el instituto técnico francés para la construcción en acero, llevó a cabo la verificación de IDEA StatiCa comparando los resultados del CBFEM con el Método de los Componentes del Eurocódigo aplicado en el software Platinex, desarrollado por el CTICM. Su estudio examinó varias uniones de acero típicas, centrándose en la resistencia de la junta, las fuerzas en los tornillos y el comportamiento estructural global. Al evaluar todos los enfoques de forma comparativa, el CTICM pudo identificar el origen de las diferencias y confirmar la fiabilidad y coherencia de los resultados de IDEA StatiCa.

Unión atornillada placa a placa

Para la unión viga-viga sometida a tracción, las filas de tornillos superior e inferior muestran fuerzas casi idénticas en ambos enfoques, con diferencias inferiores al 1%. 

Sin embargo, la fila central difiere aproximadamente entre un 2 y un 5%. En IDEA StatiCa, las fuerzas en los tornillos no se distribuyen de forma uniforme porque se desarrollan deformaciones plásticas en las zonas de la placa alrededor de los tornillos, lo que reduce ligeramente la fuerza transferida a través de la fila central.

Al comparar uniones sometidas a momento, la resistencia de la fila de tornillos más alejada de la zona de compresión (el lado de tracción) es muy similar en ambos métodos, y ambos predicen el mismo tipo de fallo en el tornillo a tracción. Las diferencias aparecen en las filas de tornillos restantes, donde las fuerzas se redistribuyen de forma diferente. 

Este comportamiento se explica por la distinción entre un modelo no lineal 3D en IDEA StatiCa y el enfoque idealizado 2D utilizado en el Método de los Componentes. El modelo CBFEM captura la deformación realista de la placa y la distribución de tensiones a lo largo de la junta, lo que conduce de forma natural a una distribución de fuerzas diferente entre las filas de tornillos.

Angular atornillado a la placa de unión

Para la unión angular-placa de unión sometida a tracción, ambos métodos predicen una resistencia casi idéntica y el mismo mecanismo de fallo. IDEA StatiCa identifica una deformación plástica en el ala del angular que supera el límite de deformación del 5%, mientras que el Método de los Componentes indica el fallo en el angular. La resistencia calculada por IDEA StatiCa es ligeramente inferior (6%).

Unión angular atornillada a cortante

Para la mayoría de los casos de uniones a cortante, los resultados de IDEA StatiCa y del Método de los Componentes son muy similares, típicamente dentro del 3%. La única excepción notable es la configuración 3, donde una viga se conecta al alma de un pilar continuo. En esta situación, IDEA StatiCa predice una resistencia ligeramente superior a la del método del Eurocódigo.

Un aspecto clave de las uniones a cortante en IDEA StatiCa es la aparición de fuerzas de tracción inesperadas. Aunque solo se aplica cortante, la junta se deforma de manera que introduce una pequeña rotación de flexión, visible en el modelo de forma deformada. Esta deformación desplaza el equilibrio de fuerzas internas y genera tracción en algunos tornillos, ya que los tornillos se definen como muelles no lineales activos a tracción y cortante.

También es importante señalar que las fuerzas predichas son sensibles a la definición de la posición del momento flector nulo. Pequeñas diferencias en este punto de referencia pueden dar lugar a cambios apreciables en las fuerzas resultantes en los tornillos.

Conclusión

La verificación del CTICM confirmó que los resultados de IDEA StatiCa son consistentemente cercanos a los cálculos de Platinex, con desviaciones típicamente dentro de ±15%. En la mayoría de los casos, IDEA StatiCa proporciona resultados ligeramente más conservadores, lo que es beneficioso desde el punto de vista de la seguridad. Las diferencias restantes se explican completamente por el contraste entre el modelado por elementos finitos no lineal 3D en IDEA StatiCa y las simplificaciones analíticas utilizadas en el Método de los Componentes del Eurocódigo. En general, la evaluación demostró que IDEA StatiCa se alinea bien con la práctica de ingeniería francesa y ofrece evaluaciones estructurales fiables y transparentes.