Uniones y Conexiones
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UNIONES Y CONEXIONES La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.). Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas. Remaches en caliente o roblones Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. (El coeficiente de expansión lineal del acero es 0,0000251 x longitud del elemento x diferencial de temperatura = contracción/expansión de la pieza).
En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas. Soldadura La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras. Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras. Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer conexiones apernadas en obra. Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno
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Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:
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Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el siguiente esquema:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar: Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas. Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.
Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding) Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.
Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding) Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola. El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura.
Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
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La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura. En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo. La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años. Conexiones apernadas Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes resultados.
Pernos y uniones apernadas: Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones soldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un ambiente controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o con los operadores en posiciones suficientemente cómodas para garantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho más factible el someter las soldaduras a un exigente control de calidad, que incluye la certificación mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que en terreno frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar. En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y creciente es a realizar las uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra es mucho más fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller. Aún así, la construcción y materialización de estas uniones apernadas requiere de un cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de fabricación, cuya precisión milimétrica debe ser estrictamente respetada en la maestranza a fin de evitar descalces o problemas en el montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas se cuenta con que existe una amplia gama de dimensiones y resistencia, no se necesita una especial capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje y simplica los procesos de reciclado de los elementos. Tornillos Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero livianas, para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor de tornillos (hay que tener presente que los tornillos deben ser utilizados preferentemente para unir chapas delgadas). Los tornillos pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan de perforación guía y se pueden utilizar para metales más pesados). Entre las ventajas de estas conexiones hay que destacar que son fáciles de transportar, existe una gran variedad de medidas, largos, diámetros y resistencia; y finalmente, que son fáciles de remover, factor importante para el montaje y desmontaje de los componentes de la estructura.
Diseño de Uniones Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación, que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulo de los ejes entre las barras que se están conectando, en tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotación entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rígidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos, barras de conexión, nervaduras de refuerzo, etc.), las posición de los elementos de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de un elemento respecto del otro.
Uniones Rígidas: Reliance Control factory, Swindon (1967) Richard Rogers
Uniones articuladas o flexibles: Aeropuerto Stansted
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Más información respecto de lo anterior se podrá encontrar en los cursos que se presentan en este mismo sitio > ver
CONEXIONES EN ACERO…¿Apernadas o soldadas? Francis Pfenniger - arquitecto Editor www.arquitecturaenacero.org
1. Introducción Hemos comentado en varias oportunidades que construir en acero es, esencialmente, asumir una construcción prefabricada. Por otra parte, más allá de las múltiples ventajas que representa la construcción prefabricada que también hemos comentado reiteradamente, hay que tener en consideración que, también en esencia, prefabricar es unir. Así, construir en acero es, en esencia también, unir o conectar. En efecto, ningún sistema o método de construcción prefabricada, cualquiera sea el material con que ella se ejecute, puede hacer abstracción de la necesidad de ocuparse en detalle de los sistemas y elementos con que las partes prefabricadas han de unirse para conformar la estructura o la totalidad del edificio. Las conexiones son como el adhesivo que mantiene las partes de la estructura unidas y permite que absorban las cargas a las que están sometidas. Son pues, un aspecto crítico en el comportamiento de la estructura. Se ha demostrado que, históricamente, la mayor recurrencia de fallas estructurales mayores en las estructuras de acero se debe a fallas en los sistemas de conexiones. Las conexiones –y su diseño- dependen de cuatro factores principales: Tipo de cargas –el tipo y dirección de los esfuerzos que convergen sobre una conexión es determinante de su diseño. Resistencia y rigidez–de los elementos y de las conexiones. Economía – las conexiones tienen una relación directa con el costo total de la estructura. (Conexiones repetitivas pueden tener un impacto importante en la reducción de costos) Dificultad de ejecución – aunque una conexión puede ser muy eficiente en relación al uso de los materiales (y en consecuencia, ser razonablemente económica) aún puede significar un costo importante en obra en función de su complejidad.
2. Tipos de conexiones en acero Según AISC, las conexiones se clasifican en función de su relación momento-rotación y son, básicamente, de tres tipos: conexiones simples, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR). Sin perjuicio de lo anterior, agregamos al final las conexiones con diagonales o arriostramientos que, no siendo una conexión propiamente dicha, constituyen una solución interesante de tener en cuenta. Su incorporación en el texto responde más bien a un ordenamiento de temas afines que faciliten la comprensión.
Conexiones Simples: Las conexiones simples o de corte son conexiones muy comunes en construcción en acero. Se asume que las conexiones de corte no transfieren momentos flectores, permitiendo la rotación en el extremo del miembro. Las conexiones simples se pueden materializar conectando el alma del elemento soportado mientras las alas quedan desconectadas. Las conexiones simples en vigas o enrejados deben ser diseñadas como flexibles y se permite dimensionarlas solamente para reacciones de corte, excepto que se indique lo contrario en los documentos de diseño. Las conexiones flexibles de vigas deben ser capaces de acomodar las rotaciones de los extremos de las vigas calculadas como simplemente apoyados.
(Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo)
Si bien es cierto que las conexiones simples o de corte poseen algo de restricción rotacional, como lo ilustra la curva A de la Figura 3, esta magnitud es comúnmente ignorada y la conexión es idealizada como totalmente flexible.
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Comportamiento de la conexión simple o de corte (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo)
Los ángulos para las conexiones de corte se pueden fijar tanto mediante soldadura como mediante pernos. Conexiones Rígidas (FR): Las conexiones rígidas o de momento deberán proveer continuidad entre el elemento soportado y el soportante conservando inalterado el ángulo entre ellos durante la deformación producto de la acción de las fuerzas sobre el nudo. Así, las conexiones rígidas deben proveer suficiente resistencia y rigidez para mantener el ángulo constante entre los miembros conectados durante la aplicación de las cargas y evitar toda rotación relativa entre el elemento soportado y el elemento soportante. Por lo mismo, las deformaciones de flexión se producen en los miembros (pilares o vigas) que convergen al nudo. Las conexiones de momento completamente restringidas en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser diseñadas para el efecto combinado de fuerza de momento y de corte inducidos por la rigidez de las conexiones. Las alas del elemento soportado se contactan directamente al elemento soportante o a una placa de conexión. Las conexiones consideradas como totalmente rígidas raramente proporcionan una rotación cero entre los miembros, sin embargo, esta flexibilidad es generalmente ignorada.
Comportamiento de la conexión de momento (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos ver anexos abajo, al final del artículo)
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Fuente Clases teóricas Alacero, Prof. Sandro Maino, ver en anexos Clases teóricas
Ante la acción de fuerzas horizontales Importantes (sismos) la conexión conserva el ángulo entre columnas y vigas mientras se induce deformación en las columnas y vigas. Conexiones Semi Rígidas (PR): Las conexiones de momento parcialmente restringida, poseen un ángulo intermedio entre la flexibilidad de la conexión simple o de corte y la rigidez total de la conexión de momento FR. Las conexiones de momento PR son permitidas sobre la evidencia de que las conexiones a usar son capaces de proporcionar, como mínimo, un previsible porcentaje de empotramiento.
Conexión de momento parcialmente restringida (PR) (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos ver anexos abajo, al final del artículo)
Comportamiento de la conexión de momento PR. (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo)
3. Conexiones con diagonales Como se mencionara antes, los esfuerzos laterales inducidos por sismos o vientos, tienden a deformar el edificio como se muestra en la figura a) siguiente. Las conexiones de momento, aunque eficaces, demandan una gran rigidez y resistencia a la conexión lo que representa importantes impactos en el material y costo de la conexión. Una alternativa que permite contrarrestar el efecto de la deformación y reducir significativamente los costos son las conexiones mediante diagonales. Si la fuerza horizontal es aplicada desde la izquierda, una diagonal como se señala en la figura b) siguiente permitiría evitar la deformación. Sin embargo, las fuerzas horizontales pueden presentarse tanto en un sentido como en el contrario, por lo que se deberá contrarrestar la deformación en el sentido contrario mediante la diagonal complementaria, como se aprecia en la figura c) siguiente.
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Fuente: Arquitectura y Acero; Borgheresi, Pfenniger; ICHA 2001
Estas diagonales, conocidas como arriostramientos, presentan distintas soluciones según las condiciones de diseño que afectan al marco. Lo que hay que tener presente es que, según la dirección de la fuerza, los esfuerzos en las diagonales serán, alternadamente, de tracción y de compresión. Aunque estas diagonales se podrían disponer sólo en un sentido, dicho elemento único tendrá que asumir tanto los esfuerzos de tracción como los de compresión. Sin embargo, el acero es menos eficiente a la compresión, entre otros aspectos, por el efecto de la deformación de pandeo, lo que haría probablemente más robusto y pesado dicho elemento. Una solución económica es disponer de las diagonales en ambos sentidos a fin de privilegiar el trabajo conjunto de tracción en una dirección y compresión en la otra. Es usualmente aceptado que una estructura de marcos arriostrados es significativamente más liviana (y económica) que una estructura de marcos (y uniones) rígidas. Sin embargo, en muchos casos la disposición de las diagonales afecta aspectos arquitectónicos y funcionales, como, por ejemplo, la posición de ventanas y puertas en las fachadas, o la libre organización de las plantas interiores. Existen varias formas de hacer los arriostramientos y de posición de las diagonales que permiten resolver parte de estas limitaciones.
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Fuente Clases teóricas Alacero, Prof. Sandro Maino, ver en anexos Clases teóricas
Una alternativa que permite dar mayor flexibilidad al espacio son las soluciones de arriostramientos excéntricos que, adicionalmente son interesantes desde el punto de vista del funcionamiento de la estructura puesto que dejan en las vigas zonas de deformación plástica que pueden ser muy eficientes para disipar energía ante deformaciones muy elevadas sin afectar la estabilidad de la estructura. En la práctica, la formación intencionada de rótulas plásticas asegura una mayor robustez del edificio y además, una menor probabilidad de colapso frente a esfuerzos cortantes
Arriostramientos en “V” invertida – Obra Gruesa Edificio Municipalidad de Macul, Santiago de Chile. Cálculo Estructural Sergio Contreras.
Ejemplos de conexiones de diagonales (Fuente ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro Steel Project, ver anexos abajo, al final del artículo).
4. Conexiones soldadas La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor. Se ejecuta con o sin aporte de material agregado. Son procedimientos que mediante la aplicación de energía manifestada en calor y/o presión permiten lograr la unión íntima y permanente de elementos metálicos dejándolos con la continuidad apta para que trabajen mecánicamente como un todo homogéneo, conservando sus cualidades físicas (ver en soluciones constructivas, uniones y conexiones, soldadura). Si la soldadura ha sido convenientemente realizada deberá permitir que la zona de unión posea las mismas propiedades mecánicas que las piezas que se han unido, conservando sus cualidades de trabajo a tracción, compresión, flexión, etc. En general, se reconoce a la soldadura algunas ventajas como el otorgar mayor rigidez a las conexiones, demandar menor cantidad de acero para materializar la conexión y permitir una significativa reducción de costos de fabricación. Adicionalmente se le reconoce como ventajas el evitar las perforaciones en los elementos estructurales y simplificar los nudos complejos. Sin embargo, se le reconocen también algunas desventajas, como las ya mencionadas dificultades que representa la soldadura en obra y el demandar mayores calificaciones a los operarios en obra para soldar que para hacer uniones apernadas. Lo anterior hace que las conexiones soldadas en obra sean mucho más costosas que las soluciones apernadas, lo que se replica en los costos y dificultades de las inspecciones requeridas a las faenas de soldadura. Las propiedades resistentes de la sección de una soldadura o de un grupo de soldadura, se determina considerando su longitud y garganta efectiva. Los tipos de soldadura más comunes son las soldaduras de filetes, soldaduras de penetración parcial, soldaduras de penetración completa y soldaduras de tapón. Los detalles y exigencias de cada una de ellas se Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónANSIAISC360-10.aspx) y, además en el documento anexo de ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro
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Steel Project, y en las tablas correspondientes, todas concordantes con AISC 2005.
Más allá de todo lo allí detallado, sin embargo, la recomendación de base es, en la medida de lo posible, hacer las conexiones soldadas en taller, aunque esto no siempre es posible.
5. Conexiones apernadas Como está dicho, a las conexiones apernadas se le reconocen como ventajas el ser un método simple de conexión en obra, lo que las convierte en una solución de conexión más económica que la soldadura en obra. Sin embargo, entre las desventajas hay que señalar que requiere de perforación de las planchas y elementos a conectar.
Se conocen dos tipos de conexiones apernadas: Conexiones de tipo aplastamiento: Son las conexiones en que la carga es resistida por la cortante en los pernos y por aplastamiento sobre los mismos.
La resistencia de diseño está definida por la presencia –o no- de la rosca. Un perno con roscas incluidas en el plano de corte se le asigna una menor resistencia de diseño que a un perno con roscas excluidas del plano de corte. Conexiones de deslizamiento crítico: Son las conexiones en que el deslizamiento sería inconveniente para la capacidad de servicio de la estructura a que pertenecen dichas uniones. Estas incluyen conexiones sometidas a cargas de fatiga o a inversión importante de carga, vibraciones y sismo.
Las conexiones apernadas de elementos secundarios y/o no estructurales (barandas, costaneras, escaleras de gato y escaleras menores) se pueden ejecutar con pernos corrientes ASTM A307. Sin embargo, para conexiones estructurales el código AISC establece que el uso de pernos de alta resistencia debe satisfacer las disposiciones de la ASTM 325 y A490. Los pernos deben ser apretados a una tensión que se regula según las tablas que se señalan en la Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónANSIAISC360-10.aspx). Esta tensión se debe poder asegurar mediante algún método como el del giro de la tuerca, un indicador de tensión directo, llave calibrada o diseño alternativo. La condición de apriete ajustado de los pernos sólo se acepta en conexiones de tipo aplastamiento y en aplicaciones de tracción o combinación de corte y tracción, solamente para pernos ASTM A325 (se entiende por apriete ajustado como la más firme alcanzada tanto por pequeños impactos de una llave de impacto o por el máximo esfuerzo de un trabajador con una llave de palanca corriente que permite que las piezas conectadas queden en contacto firme). Es importante detallar en los planos de fabricación y montaje los pernos que estén sujetos a apriete ajustado. Otros aspectos importantes del diseño y especificación de las conexiones apernadas se refieren al tamaño de las perforaciones (variables entre 2 y 3 mm de diámetro superior al perno) y a su distanciamiento (que no debe ser menor a 22/3 del diámetro nominal, aunque se prefiere usar el valor de 3 veces el diámetro). Ambas están reguladas por las tablas J.3.3. de AISC.
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Otro aspecto regulado es la distancia entre el centro de una perforación y el borde de una parte conectada, lo que se detalla en las tablas J.3.4 y J.3.5. de la Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónANSIAISC360-10.aspx ). Más allá de todo, una recomendación generalmente aceptada es que las uniones apernadas son especialmente adecuadas para las conexiones a materializar en obra.
6- ¿Conexiones soldadas o conexiones apernadas? Hay varias consideraciones que hacer en relación a la selección del tipo de conexión a ejecutar. En términos generales se acepta y recomienda que las uniones soldadas se ejecuten en taller y las uniones apernadas se hagan mayoritariamente en obra. Hay diversas razones para esto, pero vale la pena recordar algunas. La soldadura en terreno suele ser de mayor costo y de mayor dificultad que la soldadura en taller. A lo anterior hay que sumar que el trabajo de soldadura requiere de una calificación muy alta y ciertamente superior al trabajo de apernado. Desde luego, las condiciones de trabajo y ergonómicas a las que se expone el operador son radicalmente distintas. En obra, las condiciones del trabajo a la intemperie, eventualmente expuesto a temperaturas extremas, humedad, viento y lluvia hacen de la faena una actividad compleja, imprevisible e incluso insegura. Por otra parte, la posición de trabajo en obra no siempre es la más adecuada y segura. Muchas veces, la única posición posible del soldador en obra es, precisamente, la más compleja desde el punto de vista de la operación (como es el caso de las soldaduras sobre cabeza).
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Todas estas variables son parcial o totalmente controladas en taller: desde la posición de trabajo hasta las condiciones del medio pueden ser optimizadas en taller. No hay exposición a lluvia, exceso de asoleamiento ni viento y, eventualmente, hay condiciones de temperatura más controladas. A lo anterior se suma que hay muchas tecnologías y procedimientos de soldadura automatizada que se pueden ejecutar en taller que no es posible de trasladar a terreno, sea por el tamaño y peso de la maquinaria, la alta demanda de energía o porque los procedimientos exigen el movimiento de la pieza a soldar más que del equipo de soldadura. Desde la soldadura de arco sumergido hasta la soldadura de plasma, e incluso los procesos de corte, destaje, perforación y armado en línea son más eficientes y seguros en taller.
Soldadura de arco sumergido
Adicionalmente, el trabajo de control e inspección de la soldadura en taller es mucho más eficiente y seguro. Todo ello redunda en que, desde el punto de vista de los resultados, es posible esperar una mejor calidad de soldadura si es ejecutada en taller. Por otra parte, materializar uniones apernadas en obra o terreno es más fácil, seguro y exige menor calificación. Lo anterior vale, también, para la inspección, control y aseguramiento de la calidad de las conexiones apernadas en obra.
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Montaje Tiger & Turtle
En síntesis, un principio general recomendable es HACER CONEXIONES SOLDADAS EN TALLER Y HACER CONEXIONES APERNADAS EN OBRA. Sin embargo, como el principio enunciado anteriormente no siempre es posible de aplicar, se deberá considerar el diseño integral del sistema de conexiones a aplicar caso a caso, proyecto a proyecto, incorporando todas las variables concurrentes del proyecto. Para ello, el trabajo integrado entre los diseñadores, arquitectos, ingenieros estructurales, fabricantes y montadores, resulta altamente conveniente.
CONEXIONES TÍPICAS EN ESTRUCTURAS DE ACERO Francis Pfenniger - arquitecto Editor www.arquitecturaenacero.org Como se comenta en el documento de Conexiones de acero publicado en este sitio en febrero 2013, los tipos de conexiones para las estructuras de acero se clasifican principalmente en función de su grado de rigidez las que -siguiendo a AISC2010 - son básicamente tres: conexiones simples o de corte, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR). En este documentomostraremos algunas soluciones de conexiones típicasque se presentan en la construcción de estructuras de acero. Para mayor precisión recordamos algunas definiciones básicas de términos que se usan en la explicación. Así, entenderemos por conexión (inglés connection) la combinación de elementos estructurales y elementos de unión para transmitir fuerzas entre dos o más miembros (AISC 360/2010, traducción oficial al español por ALACERO); por junta (inglés joint) el área donde se unen dos o más extremos, superficies o bordes, y que incluye las planchas, angulares, pernos, remaches y soldaduras empleados. Se clasifican en juntas soldadas y juntas empernadas y por nodo (inglés connection assembly, node) la zona completa de intersección de columnas y vigas, incluyendo las planchas de continuidad y las planchas adosadas. El nodo comprende las conexiones (estas últimas definiciones según Covenin 1618-98), lo que se grafica en el esquema siguiente:
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Los documentos tenidos a la vista están disponibles en forma completa en este sitio y son: a. Material Educacional elaborado por AISC con el apoyo del College of Architecture at the University of North Carolina at Charlotte, bajo la dirección general de David Thaddeus, cuya versión completa en inglés (link) b. Módulo de Uniones apernadas y soldadas elaborado para ALACERO por Meta Steel Proyect 2010 (link) c. Clases Teóricas desarrolladas para ALACERO, por parte del Prof. Maino (link) d. Manual de conexiones de CBCA, cuya versión en portugués también entregamos adjunta en este sitio (link) e. Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcciones de acero; versión en español traducida para ALACERO por Ing. Carlos Aguirre y revisión Ing. Arnaldo Gutiérrez. f. Norma Venezolana Covenin 1618-1998; Estructuras de acero para edificaciones, método de los estado límites Todos estos documentos sugieren distintas formas de clasificación de las conexiones, cada una de las cuales tiene un orden y un sentido lógico y riguroso, aunque todas hacen referencia a los tipos de conexiones que menciona AISC ya comentados. El Manual del CBCA presenta distintos tipos de conexiones ordenados y clasificados según: a. b. c. d.
grados de rigidez (siguiendo AISC) los medios de unión (soldados o apernados) las solicitaciones lugar de la ejecución: en Obra o en Taller
Todas las variables mencionadas son relevantes en la toma de decisión del proyecto (análisis, diseño y detallado), la fabricación, el montaje, la inspección y el control y el aseguramiento de la calidad, partiendo por el concepto estructural. Las ventajas y desventajas de los medios de unión y las preferencias de lugares de ejecución han sido comentadas, pero se deberán tener especialmente en cuenta en consideración de las condiciones específicas y locales del proyecto, como accesibilidad, transporte, visibilidad de la conexión, disponibilidad de talleres, mano de obra calificada, equipamiento local y muchos otros largos de enumerar. Por su parte, las Clases Teóricas desarrolladas para ALACERO por el Prof. S. Maino, ordena las conexiones según los miembros conectados: a. Viga con columna b. Viga con viga c. Columna con columna d. Columna con fundación e. Arriostramientos f. Tubulares Esta aproximación nos parece importante desde el punto de vista del proyecto, puesto que permite visualizar la conexión no sólo como un punto crítico desde la perspectiva de la estructuración del edificio si no como un nudo, visible (o no), puesto en el espacio y que forma parte de la expresión de edificio. Con el objeto de facilitar la comprensión de las conexiones, hemos organizado la presentación de estas soluciones típicas a partir tres variables concurrentes que permitan seleccionar la conexión deseada: por miembros que vincula (I.); por tipo de conexión (A) y según el medio de unión utilizado (1). La idea es presentar, en esta primera oportunidad, algunas de las soluciones típicas para los nudos que se señalan en el índice que presentamos a continuación. Sin embargo, en las ediciones siguientes las iremos completando progresivamente, incorporando soluciones estandarizadas que respondan a la clasificación y, asimismo, agregando nuevos detalles y ejemplos que surjan de los propios proyectos comentados. Este índice se ordena como sigue: I. CONEXIONES VIGA-COLUMNA A. DE CORTE 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas B. DE MOMENTO 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas II. CONEXIONES VIGA – VIGA A. DE CORTE 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas
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B. DE MOMENTO 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas C. EMPALMES 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas III. CONEXIONES DE EMPALME COLUMNA–COLUMNA 1. Apernadas 2. Soldadas 3. Apernadas o soldadas IV. CONEXIONES COLUMNA - FUNDACIÓN V. ARRIOSTRAMIENTOS VI. CONEXIONES EN MIEMBROS TUBULARES VII. CONEXIONES ESPECIALES
Antes de presentar los ejemplos y detalles es preciso destacar que no se hace énfasis en los requisitos y detalles sismo resistentes de las conexiones, las que se encuentran en los documentos de AISC 358 (Conexiones precalificadas) y 341 (provisiones sísmicas) anexos, pero desgraciadamente sólo disponibles en inglés. Además, es preciso mencionar que por facilitar la exposición se utiliza un modelo simplificado, actualmente superado, según el cual el alma de las vigas transfiere solo fuerza cortante y las alas el momento flector. Para graficar el glosario hay que atenerse al gráfico siguiente:
I. CONEXIONES VIGA-COLUMNA Las conexiones entre las vigas y las columnas son una de las conexiones más frecuentes en las estructuras de acero y concebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no sólo a una decisión de cálculo estructural sino de manera muy significativa, a una decisión del proyecto y la construcción. La conexión entre vigas y columnas se puede resaltar expresivamente en el edificio, dependiendo de su visibilidad.
A. Conexiones de corte: Ya hemos comentado los atributos de las conexiones de corte el documento Conexiones en Acero… ¿apernadas o soldadas? publicado en este mismo sitio (link). Valga sólo agregar algunas consideraciones adicionales: Las conexiones de corte sonmuy utilizadas en las estructuras de acero. Se pueden materializar conectando sólo al alma del miembro soportado, dejando las alas no conectadas. Las conexiones de asiento son las únicas que conectan a las alas del miembro soportado Los ángulos de las conexiones de corte se pueden conectar indistintamente por soldadura o apernados. Las conexiones con ángulos simples tienden a tener menor capacidad de carga que las conexiones con doble ángulo. Aunque las conexiones con planchas de corte son más económicas, su aplicación debe ser evaluada cuidadosamente. A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones típicas de CONEXIONES DE CORTE VIGA-COLUMNA.
I.A.1. CONEXIONES VIGA-COLUMNA, DE CORTE APERNADAS a) Con DOBLE ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte.
Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 8
Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller. Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la columna (o de la viga principal, según corresponda). Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria
Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados
Las perforaciones para los pernos se pueden desfasar o desplazar a fin de no quedar enfrentadas para facilitar la instalación.
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Existe una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo).
Fuente: Clases teóricas Prof. S. Maino
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
En algunos casos se agrega un ángulo inferior para apoyar la viga, lo que facilita el montaje y asegura la transmisión de las fuerzas verticales a la columna.
Fuente: Clases teóricas Prof. S. Maino
I.A.2. CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS a) Con DOBLE ÁNGULO soldado en taller al alma de la viga y soldado en obra al alma de la columna (o de la viga principal): (AISC d. 23 y 24) Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y la columna. Los ángulos dobles son soldados en taller al alma de la viga Si las alas de las vigas son muy anchas para calzar entre las alas de la columna se deberán rebajar las alas de la viga. Existe la posibilidad de cierta rotación entre la viga y la columna debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna. Esto se debe a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo conector). La soldadura vertical transfiere las cargas del alma de la viga al alma de la columna. La soldadura alrededor del perímetro del ala sobresaliente del ángulo de fijación inhibirá la flexibilidad de la conexión. La soldadura de retorno se dispone en la parte superior de cada angular
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Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
I.A.3. CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS O APERNADAS a) Con DOBLE ÁNGULO - soldado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna (o de la viga principal): Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte. Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller. Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria. Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Si se trata de una conexión viga columna, se apernan al alma de la columna. Igualmente que en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
b) Con PLANCHA EXTREMA DE CORTE soldada en taller al alma de la viga y apernada en obra al ala de la columna: Se trata de una conexión de corte ya que las alas de la viga no se aseguran para evitar la rotación de la viga. La plancha de cabeza se suelda al alma de la viga, habiendo hecho previamente las perforaciones para pasar los pernos. En obra se hace la conexión apernada a la columna.
Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 9
Ver animación de esta conexión en link gviomj3ipoj
c) Con PLANCHA DE CORTE SIMPLE (Single Plate) soldada en taller a la columna y apernada en obra a la viga Como se comentó anteriormente, esta es una conexión simple muy económica y es una conexión de corte por cuanto la placa se fija al alma de la viga.
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Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
La plancha de corte es perforada o punzonada y luego soldada en taller al alma de la columna Luego, es apernada al alma de la viga principal
d) Con ángulos soldados a las alas de la viga en taller y apernadas a la columna en obra: Se trata de una conexión simple o de corte ya que los pernos que fijan el ángulo inferior (asiento) a la columna trabajan al corte. Los ángulos son perforados antes de ser soldados a las alas de la viga. El ángulo inferior, denominado asiento es de mayor sección y espesor que el ángulo superior ya que transfiere la reacción de la viga a la columna. El ángulo superior otorga estabilidad a la viga. A diferencia de otras conexiones, esta conexión no se hace alalma sino a las alas de la viga. Tanto el angular de asiento como el de estabilidad tienen acotados su espesor para permitir cierto grado de rotación en la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
Ver animación en Link
B. CONEXIONES DE MOMENTO Las conexiones de momento proveen continuidad entre los miembros soportantes y los soportados. Las alas del miembro soportado se fijan indistintamente a un elemento de conexión o directamente al miembro soportante. A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones típicas de conexiones de momento viga-columna. Por el momento presentaremos sólo las conexiones de momento viga columna soldadas o apernadas
I.B.3. CONEXIONES VIGA-COLUMA DE MOMENTO SOLDADAS O APERNADAS a) Con planchas (cartelas) soldadas en taller a la columna y vigas apernadas en obra: Se trata de una conexión de momento ya que las alas superiores e inferiores soldados a la columna evitan la rotación del extremo de la viga. La plancha de corte (single plate) se aperna en taller al alma de la viga. Las planchas, superior e inferior, se apernan a las alas de la viga. La plancha de corte es soldada al alma de la columna y trasfiere la fuerza de corte. Las planchas evitan la rotación de la viga y transfieren los momentos a la columna.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY;
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b) Con plancha sobresaliente soldada en el extremo de la viga en taller y apernada a la columna en obra: Se trata de una conexión de momento ya que la mayor dimensión de la plancha soldada a la cabeza de la viga evita la rotación del extremo de la viga y transfiere los esfuerzos de momento a la columna. La plancha de cabeza se perfora y se suelda en taller al extremo de la viga. Las perforaciones en la columna se ejecutan en taller. Las cartelas atiesadoras en la columna son soldadas en taller para transferir las fuerzas de las alas de la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
II. CONEXIONES VIGA-VIGA Las conexiones viga-viga son muy frecuentes en estructuras de acero y permiten aprovechar las ventajas estructurales del acero aplicando de una modulación de columnas distanciadas conectadas mediante vigas principales y conectar los componentes que conforman los planos de piso directamente a las vigas principales.
II. A.1. CONEXIONES VIGA-VIGA DE CORTE APERNADAS a) Con DOBLE ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma la viga principal Esta conexión es aplicable para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal), aunque también se aplica en conexiones viga-columna, como se muestra en I.A.1. Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte. Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la viga principal Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.
Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
II.A.3. CONEXIONES VIGA-VIGA DE CORTE SOLDADAS O APERNADAS a) Con DOBLE ÁNGULO - soldado en taller al alma de la viga secundaria y apernado en obra al alma de la viga principal: (AISC d.21 y 22)
Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-viga como para conexiones viga a columna, según se muestra en I.A.3 . Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte. Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller. Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria. Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Igualmente que en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).
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fig.1: Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados fig.2: Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
b) Con PLANCHA DE CABEZA soldada en taller al alma de la viga secundaria y apernada en obra al ala de viga principal: Se trata de una conexión de corte ya que las alas de la viga no se aseguran para evitar la rotación de la viga. La plancha de cabeza se suelda al alma de la vigasecundaria, habiendo hecho previamente las perforaciones para pasar los pernos. En obra se hace la conexión apernada a la viga principal.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
c) Con PLANCHA DE CORTE SIMPLE (Single Plate) soldada en taller la viga principal y apernada en obra al alma de la viga secundaria: Como se comentó anteriormente, esta es una conexión simple muy económica y es una conexión de corte por cuanto la placa se fija al alma de la viga.
Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
La plancha de corte es perforada o punzonada y luego soldada en taller al alma de la viga principal Luego, las vigas secundarias con las perforaciones hechas en taller, se fijan mediante pernos a la plancha de corte que está soldada a la viga principal
II.C.1. CONEXIONES VIGA-VIGA EMPALMES DE MOMENTO APERNADO Las conexiones de empalme de vigas son situaciones que se presentan con frecuencia en la construcción de estructuras de acero debido a que las piezas se fabrican de largos establecidos por razones comerciales y de transporte.
a) Empalme de momento apernado en obra (s. AISC d. 37 y 38) Las planchas conectoras de las alas restringen la rotación, haciendo de esta conexión una conexión de momento. Todas las perforaciones de esta conexión se hacen en taller. Asimismo, se hacen en taller las perforaciones de las alas y el alma de las vigas a conectar. Las planchas de corte se apernan en obra a las alas superiores e inferiores. Las dos planchas que fijan el alma de las vigas son responsables de transferir la fuerza de corte. Los pernos que fijan las planchas de alma de la viga trabajan a corte Las planchas que fijan las alas son responsables de transferir el momento de flexión.
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Fuente: Material Educativo AISC: STRUCTURE OF THE EVERYDAY; Structural Steel Connections; D. Thaddeus
Detalle de conexión de empalme de momento apernado de vigasFuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 6
CONEXIONES BASE-COLUMNA Francis Pfenniger - arquitecto Editor www.arquitecturaenacero.org Las columnas se definen básicamente como elementos que están sometidos a esfuerzos axiales de compresión, aunque ocasionalmente sometidos a esfuerzos horizontales (viento y sismo) que pueden introducir solicitaciones importantes de tracción, flexión y hasta torsión. En las estructuras de acero, las columnas se pueden formar a partir de las múltiples posibilidades y variedades de perfiles conformados y/o laminados y también a partir de soluciones soldadas y de la combinación de varias de estas alternativas. La geometría y disposición de las columnas dependerá de cada proyecto y del modelo estructural que lo ordene. Sin embargo, todas las columnas, independientes de su diseño, deberán transmitir los esfuerzos al terreno a través de las fundaciones. En ese contexto, la conexión de la columna a la fundación es un elemento crítico en el diseño estructural que tiene gran importancia en el diseño arquitectónico. Por tratarse de la trasmisión de cargas axiales de compresión en estructuras que en acero son usualmente esbeltas o muy esbeltas (o pueden serlo, dados los atributos comentados del acero), hay dos aspectos que se deben tomar en consideración. El primero, que no será tratado en profundidad en esta sección, es el pandeo, que puede ser lateral o por flexión. El pandeo lateral, corresponde a la característica que tienen los elementos esbeltos de desplazarse en el sentido transversal a la carga cuando ésta supera un determinado valor. Otra forma de pandeo es el pandeo por flexión (o pandeo de Euler). Ambas dependen de que se supere la llamada carga crítica, que es dependiente de la sección de la columna, de su longitud o altura y de las conexiones que se produzcan en sus extremos.
Es comprensible que las secciones robustas y los elementos menos largos estén menos expuestos a las deformaciones de pandeo que las secciones muy esbeltas. Existen diversas estrategias para contrarrestar la excesiva esbeltez, aparte de aumentar la sección de la columna. Entre ellas se cuentan las columnas de sección variable y las columnas de sección variable compuestas y las tensadas. El otro aspecto importante se refiere al punzonamiento que, dada la esbeltez de la columna, ésta puede ejercer en su base sobre el
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elemento de cimentación que la recibe. Las bases de la columna tienen, pues, la función de hacer la transición entre el acero y el hormigón a fin de que no se sobrepasen las tensiones admisibles y que las cargas verticales se distribuyan de manera uniforme hasta la fundación y, a través de ella, al terreno. Esta conexión será brevemente revisada en este documento.
CONEXIONES RÍGIDAS Y ARTICULADAS La primera diferenciación que se debe hacer es si esta conexión corresponde a una conexión rígida o a una conexión articulada. Es sabido que las conexiones rígidas en la base son usualmente más costosas, entre otros aspectos, porque demandan una mayor cantidad de material concurrente a la conexión, tanto en el acero como en la fundación. Las conexiones articuladas en la base han tenido importantes aplicaciones y se han diversificado desde las construcciones de las grandes naves de las ferias internacionales y las grandes estaciones del siglo XIX. La Galería de las Máquinas (Dutert y Contamin, 1889) y la estación de Dresden (Giese y Weidner – 1898) son una buena muestra de ello.
Galerie des Machines _ Dutert y Ciontamin
Estación de Dresden – Giese y Weidner – 1898
Esta concepción, sin embargo, ha evolucionado y se la tecnificado y aligerado mucho.
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Base columnas ed. Diseño FAU (fotografía Francis Pfenniger)
Sin embargo, como se observa en las fotografías adjuntas, aún en las conexiones articuladas la carga puntual de la rótula se distribuye en una base que es significativamente más grande que el apoyo, por lo que permite distribuir la carga puntual en una superficie de contacto con la fundación mayor. La rótula o articulación se produce así en un punto superior al de la placa base, que es la que va conectada rígidamente a los cimientos. En los casos en que estas conexiones quedan a la vista, el impacto del diseño de las rótulas es muy determinante de la expresión final del edificio. El detalle de esta conexión dependerá en gran medida del cálculo estructural, sin embargo su diseño deberá ser concebido y considerado a partir del proyecto de arquitectura. Existe, sin embargo, una gran cantidad de edificaciones en las que la conexión de las columnas a las fundaciones no participa en forma tan significativa en la expresión del edificio. En esos casos, la solución más frecuente para conectar la base de una columna a sus apoyos es la instalación de una placa base soldada a la base de la columna. Esta placa, cuya dimensión es mayor a la sección de la columna, es usualmente soldada a la base de ésta en taller. Su función, como está dicho, es distribuir sobre la base del hormigón de la fundación la carga puntual de la columna. Para lograr esto, la placa debe de un espesor tal que permita, efectivamente, lograr este cometido.
Columnas con su placa base antes de ser instaladas: proyecto YPF – Tigre Nordelta en www.arquitecturaenacero. org
La placa base tiene unas perforaciones que permiten la fijación de ella a la fundación mediante pernos de anclaje que atraviesan la placa y se fijan mediante tuercas. La posición de los pernos de anclaje determinará si se trata de una conexión fija o articulada. La disposición de sólo dos pernos en el eje de la columna permitirá una rotación relativa en el sentido perpendicular al eje de los pernos de anclaje. Por el contrario, 4 o más pernos dispuestos en próximos a las esquinas de la placa base, generarán una conexión más rígida. Para mejorar la rigidez en la base se pueden incluir cartelas en los vértices de la columna. Otra solución posible es agregar una cartela horizontal puesta en una altura superior a la placa base y conectar la columna mediante pernos que pasan tanto a través de la placa base como de esta segunda cartela. Presentamos a continuación algunos ejemplos de conexiones de columnas a fundaciones extraídos del libro “Edificio de acero en altura media” publicado por el ICHA en 2006, cuyo proyecto de cálculo estructural fue desarrollado por Luis Leiva y Asociados.
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Como se puede apreciar, se trata de columnas de soldadas de una sección muy esbelta que se apoyan en sendas fundaciones de hormigón armado.
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Uno de los aspectos interesantes de comentar se refiere al proceso constructivo. Con frecuencia, las barras de anclaje se instalan en la fundación antes de vaciar el concreto, por lo que su posicionamiento y alineación es un aspecto que se debe cuidar.
Por otra parte, la nivelación de la base de la fundación debe ser perfecta de manera de asegurar una superficie de contacto continua y perfecta entre la placa base y el hormigón. Por ello, se suele dejar un espacio de 50mm (según diseño) que se rellenará con un mortero tipo grout con posterioridad a la colocación de la columna. Este mortero autonivelante y con aditivos ocupa y rellena completamente el espacio entre la placa base un el concreto de la fundación. Ocasionalmente se instalan tuercas de nivelación en las barras de anclaje por debajo de la placa base. Girándolas éstas permiten la nivelación y apoyo transitorio de la columna antes de la ejecución del mortero grout.
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Unión anti-sismo. SOM Patente US6681538.
Editado por Tectónica Blog - NuriaPrieto La patente diseñada por SOM para resolver uniones bajo cargas sísmicas define un detalle constructivo para estructuras de acero. El detalle propone una rótula que permite unir vigas y soportes de acero en situaciones de carga sísmica elevada. Ésta resiste los momentos y cortante generados por las cargas a través de elementos metálicos estandarizados, sin embargo puede utilizarse también en estructuras de hormigón o estructuras mixtas de acero y otro material.
La unión plantea una parte atornillada al soporte y otra unida mediante una pletina soldada (por puntos). Ambas piezas se conectan mediante un pasador metálico. Para asegurar la conexión a pesar de los movimientos de corte en sentido perpendicular a la rótula, todos los elementos se curvan en sus aristas. La tornillería utilizada para la unión de los elementos es de alta resistencia. La pieza fue probada mediante exámenes en laboratorios de mecánica aplicada a la construcción desde 2010, obteniendo resultados positivos, que garantizan su funcionamiento en terremotos muy fuertes.
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vía http://tectonicablog.com/?p=79989
Adjuntos: Archivo
AISC 358-10 conexiones precalificadas.pdf AISC-Connections in Steel.ppt
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ALACERO MODULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS.doc
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Covenin 1618-1998 Estructuras de acero para edificaciones (1).pdf Especificación AISC 2010.pdf Manual CBCA -Uniones y Conexiones.pdf
2729 Kb 12719 Kb 803 Kb
Manual GERDAU - uniones y conexiones.pdf
2885 Kb
MÓDULO UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS.pdf
1741 Kb
Arquitectura en Acero, sitio patrocinado por ALACERO (Asociación Latinoamericana del Acero) www.alacero.org /
[email protected]
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