Un equipo del CITENI desarrolla un nuevo modelo de cálculo para diseñar uniones metálicas con tornillos pasantes
Un equipo del CITENI desarrolla un nuevo modelo de cálculo para diseñar uniones metálicas con tornillos pasantes
La investigación propone una herramienta de cálculo que permite representar con mayor precisión el comportamiento estructural de una tipología de unión en estructuras de acero basada en tornillos, con aplicaciones directas en el diseño y la verificación de conexiones en edificación e ingeniería civil.
El trabajo fue desarrollado por un equipo del Laboratorio de Análisis Estructural (LAE), integrado en el Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI) del Campus Industrial de Ferrol de la Universidade da Coruña, y combina ensayos experimentales, simulación numérica y modelización mecánica.
Las uniones entre vigas y pilares son elementos fundamentales en las estructuras metálicas, ya que condicionan la forma en que se transmiten los esfuerzos y la respuesta global de edificios, naves industriales y otras infraestructuras de acero. Comprender mejor su comportamiento y disponer de herramientas de cálculo más precisas sigue siendo uno de los grandes retos de la ingeniería estructural actual.
El equipo del Laboratorio de Análisis Estructural (LAE) del Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI) presenta un nuevo modelo de cálculo para analizar el comportamiento de una tipología de unión metálica basada en el uso de tornillos largos o pasantes que atraviesan el elemento estructural.
El trabajo fue desarrollado por el investigador Manuel López, junto con Alfonso Loureiro, Ruth M. Gutiérrez y José M. Reinosa y los resultados se publicaron en la revista científica Steel and Composite Structures (Techno-Press), especializada en ingeniería estructural, bajo el título: “Mechanical model fuere stiffness calculation of the column tension zone in double-sided joints assembled with long bolts”.
Una alternativa a los refuerzos tradicionales
La solución estudiada se presenta como una alternativa a los llamados rixidizadores soldados, que son piezas adicionales que se incorporan a las uniones de acero para reforzarlas y limitar las deformaciones de la conexión. El empleo de tornillos pasantes, además de incrementar la rigidez y la capacidad de resistencia de la conexión, permite simplificar el proceso constructivo y reducir costes de fabricación y montaje.
Desde el punto de vista ambiental, esta configuración facilita la desmontaje de las estructuras y la reutilización de sus componentes al final de su vida útil, acorde con los principios del diseño para la deconstrucción y la economía circular.
* De izquierda la derecha, Ruth M. Gutiérrez, Manuel López y José M. Reinosa, integrantes del equipo del Laboratorio de Análisis Estructural (LAE) y coautores del estudio sobre un nuevo modelo de cálculo para uniones metálicas con tornillos pasantes.
Una zona clave en el comportamiento de la unión
La investigación se centra en la denominada zona de tracción del pilar, la parte del perfil que tiende a estirarse cuando la unión soporta carga y que tiene una influencia clave en el comportamiento global de la conexión. Para analizarla, el equipo desarrolló un modelo mecánico basado en el método de los componentes, ampliamente utilizado en la normativa europea de estructuras de acero.
Este modelo permite estimar de forma simplificada la rigidez de la unión a partir de la combinación de tres aportaciones: el comportamiento de los tornillos en tracción, la flexión del ala del pilar (es decir, de la parte horizontal del perfil metálico, en forma de H o I), y la deformación del alma del perfil (a parte central que conecta las dos alas verticalmente).
Ensayos experimentales y simulación avanzada
Para validar el planteamiento propuesto se realizaron seis ensayos experimentales sobre probetas que reproducen el comportamiento de esta zona de la unión. En estos ensayos se registraron curvas de carga y deformación que permiten caracterizar la respuesta estructural del sistema.
Los resultados se complementaron con modelos numéricos de elementos finitos, desarrollados y calibrados a partir de los datos experimentales, que reproducen con alta precisión el comportamiento observado en el laboratorio.
El estudio muestra además que los tornillos pasantes absorben la mayor parte de los esfuerzos transmitidos por la unión: llegan a soportar de promedio alrededor del 84% de la carga total.
Hacia estructuras más eficientes y sostenibles
Los resultados obtenidos aportan una herramienta útil para diseñar uniones metálicas más eficientes y predecibles, que amplian las opciones disponibles para la práctica profesional de la ingeniería estructural.
Al mismo tiempo, contribuyen a avanzar hacia estructuras más sostenibles, al reducir la dependencia de soluciones soldadas permanentes y favorecer la reutilización de los elementos estructurales.
Con este trabajo, el Laboratorio de Análisis Estructural del CITENI continúa su línea de investigación orientada al desarrollo de metodologías de cálculo aplicables a la práctica profesional, y refuerza el papel del Campus Industrial de Ferrol como centro de referencia en investigación en ingeniería estructural.
Referencia científica
Manuel López López, Alfonso Loureiro, Ruth M. Gutiérrez e José M. Reinosa. Mechanical model for stiffness calculation of the column tension zone in double-sided joints assembled with long bolts.
