Columnas planas CFST con rigidizadores longitudinales conformados en frío: qué aporta el análisis por elementos finitos
Las columnas planas de tubo de acero rellenas de hormigón (CFST, concrete-filled steel tubular) permiten ocultar el pilar dentro del muro, algo muy buscado en la construcción residencial prefabricada. Su relación de aspecto elevada, sin embargo, hace que las paredes planas del tubo sean sensibles al pandeo local y que el confinamiento del hormigón sea poco uniforme. Un estudio publicado en PLoS One (Yu et al., 2026) propone una solución: una columna CFST plana armada con rigidizadores longitudinales integrados, conformada en frío, y analiza su comportamiento con elementos finitos.
La propuesta: cuatro perfiles tipo canal con labios hacia el interior
La sección se arma con cuatro placas conformadas en frío, cada una con tramo de pared exterior, esquina redondeada, pared lateral y un labio plegado hacia adentro. Las placas se sueldan a tope en el punto medio de cada lado y forman un tubo rectangular cerrado. Los labios actúan como nervios longitudinales internos, de modo que no hay que soldar rigidizadores aparte. Después se rellena con hormigón y se sueldan placas de carga en los extremos.
Matriz de modelos
- 10 especímenes originales: nueve rigidizados y uno de control sin rigidizar (C2-T2-R0).
- Relaciones de aspecto: 2,0; 2,5 y 3,0 (secciones de 300×150, 375×150 y 450×150 mm).
- Espesores de tubo: 2, 4 y 8 mm.
- Dimensiones del nervio: 40/20, 80/40 y 120/60 mm.
- Altura: 3 veces el lado largo en compresión axial y 1600 mm en carga cíclica.
- 6 modelos suplementarios (sección 375×150 mm) para un análisis desacoplado en compresión axial, que completan una matriz 3×3 de espesor × nervio.
En la matriz original, espesor y nervio crecen a la vez, por lo que sus efectos están acoplados. Por eso se añadió el análisis desacoplado.
Metodología de simulación
- Software y elementos: ABAQUS, modelos 3D sólidos con elementos C3D8R. Se representan explícitamente las esquinas redondeadas y los labios plegados, y se desprecian las soldaduras.
- Interfaz acero-hormigón: contacto superficie a superficie, con contacto duro en dirección normal y fricción de Coulomb (μ = 0,25) en la tangencial.
- Materiales: acero Q235 (fy = 235 MPa) con modelo bilineal en compresión axial y endurecimiento combinado en carga cíclica. Hormigón C30 con el modelo de plasticidad con daño (CDP) y la curva de hormigón confinado de Han. El área de los nervios se excluyó del coeficiente de confinamiento para no sobrestimarlo.
- Carga cíclica: relación de carga axial de 0,1 y derivas de 0,375 % a 4 %, con un solo ciclo por nivel.
- Sensibilidad: la malla y la fricción modificaron la carga última en solo 0,28 % y 0,24 %.
- Validación: contra una columna plana CFST de placas soldadas de la literatura, con buena concordancia en la curva carga-desplazamiento.
Resultados principales
Compresión axial: el espesor manda
- Efecto acoplado: al pasar de T2-R40 a T8-R120, la carga pico aumentó 119,9 %, 111,3 % y 105,4 % para las relaciones de aspecto 2, 2,5 y 3.
- Relación de aspecto: pasar de 2,0 a 3,0 aumentó la carga pico entre 30,6 % y 39,9 %, y el desplazamiento en el pico creció, lo que indica mayor capacidad de deformación.
- Rigidizado frente a no rigidizado (C2-T2-R40 frente a C2-T2-R0): la carga pico subió de 1500,6 kN a 1556,4 kN (+3,7 %), con algo más de carga residual poscarga máxima.
- Espesor aislado: en el grupo R40, pasar de 2 a 4 y a 8 mm elevó la carga pico un 30,7 % y un 88,6 %.
- Nervio aislado: de R40 a R120, el aumento fue de 5,8 %, 8,8 % y 12,1 % para espesores de 2, 4 y 8 mm. Además, el desplazamiento lateral máximo hacia afuera se redujo cerca de 6,9 %.
Carga cíclica: ciclos más llenos y mayor disipación
- Los nueve especímenes rigidizados mostraron lazos de histéresis completos, con comportamiento estable y buena disipación de energía.
- Al aumentar la rigidización acoplada (T2-R40 → T4-R80 → T8-R120), crecieron la capacidad lateral y la energía disipada.
- Los espesores mayores reparten mejor la carga: el acero reduce su tensión y el hormigón trabaja más, lo que indica mejor acción compuesta.
- Frente al control sin nervios, el espécimen rigidizado tuvo un lazo más lleno y una capacidad lateral 12,2 % mayor.
- Una mayor relación de aspecto aumentó moderadamente la capacidad lateral, por la mayor profundidad de sección y resistencia a flexión.
Tabla resumen
| Variable | Efecto en compresión axial | Efecto cíclico |
|---|---|---|
| Presencia de nervios (vs. sin nervios) | +3,7 % en carga pico; mejor retención poscarga máxima | +12,2 % en capacidad lateral; lazos más llenos |
| Espesor del tubo (2→8 mm) | Dominante: hasta +88,6 % (grupo R40) | No separable (variables acopladas) |
| Dimensión del nervio (R40→R120) | +5,8 % a +12,1 %; −6,9 % de deformación hacia afuera | No separable (variables acopladas) |
| Relación de aspecto (2→3) | +30,6 % a +39,9 % | Aumento moderado |
Limitaciones que conviene tener presentes
- El estudio es exclusivamente numérico. La validación cubre la respuesta global con una columna de placas soldadas, no la configuración conformada en frío con labios.
- No se modelaron por separado el endurecimiento por conformado, las tensiones residuales ni las imperfecciones geométricas iniciales, que en perfiles de pared delgada pueden influir en la estabilidad local.
- El protocolo cíclico aplicó un solo ciclo por nivel de deriva y no modeló la fractura del acero. Sirve para comparar respuestas relativas, no para evaluar daño acumulado.
- En carga cíclica no se pudo separar el aporte del espesor del de los nervios.
- Los materiales se fijaron en hormigón C30 y acero Q235, por lo que los resultados valen solo para ese rango.
Conclusiones aplicables
- Los nervios integrados mejoran el desempeño: en la comparación directa aumentan la capacidad axial y lateral, llenan más los lazos histeréticos y reducen el abombamiento local. La mejora más clara se vio en la respuesta cíclica (+12,2 %).
- Para aumentar la capacidad axial, hay que priorizar el espesor del tubo. Es el parámetro dominante, pues aumenta el área de acero, reduce la esbeltez de la placa y mejora el confinamiento.
- Los nervios sirven sobre todo para controlar la deformación local y conservar carga tras el pico. Son útiles cuando importan la estabilidad de las paredes planas y la ductilidad poscarga máxima, más que la resistencia pico.
- Una mayor relación de aspecto incrementa la capacidad dentro de 2,0–3,0, pero sin descuidar el control del pandeo local en las paredes más anchas.
- Es un esquema de refuerzo práctico: aumentar espesor y nervio a la vez mejora la respuesta axial y cíclica, pero no prueba el efecto aislado del nervio.
- Antes de usarlo en proyecto, se necesitan ensayos experimentales y análisis con múltiples ciclos que incluyan imperfecciones, tensiones residuales y daño acumulado.
Palabras clave: columnas CFST planas, tubos de acero rellenos de hormigón, rigidizadores longitudinales, acero conformado en frío, pandeo local, elementos finitos ABAQUS, comportamiento sísmico, carga cíclica cuasi-estática, construcción prefabricada.
Referencia: Yu W, Wang H, Jiang Q, Wang H (2026). PLoS One 21(10): e0361413. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0361413
