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• Milagros Danitza

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REPRESENTACION GRAFICA DE CONEXIONES I. CONCEPTO

Conexión: Una conexión es el conjunto de elementos que unen cada miembro estructural a la junta: placas o ángulos por patines o alma, soldaduras, tornillos. Junta es la zona completa de intersección de los miembros estructurales. En la mayoría de los casos, esta zona es la parte de la columna que queda comprendida entre los planos horizontales que pasan por los bordes superior e inferior de la viga de mayor peralte, incluyendo atiesadores y placas de refuerzo del alma, cuando los haya. Junta: zona de intersección de los miembros estructurales. Tipos de conexiones que se pueden encontrar en edificios industriales y urbanos estructurados como marcos rígidos. 1. Conexión viga-columna de esquina 2. Conexión viga-columna 3. Conexión de viga secundaria a viga principal 4. Empalme de columna y de cabezal 5. Placa base de columna 6. Conexión de larguero de techo y de fachada

Las conexiones se pueden clasificar de acuerdo a varios criterios:  Por tipo de conectores 

Remaches (en desuso)



Soldadura



Tornillos de alta resistencia ASTM A325 y ASTM 490

 Por rigidez de la conexión 

Flexible



Semi-rígida



Rígida

 Por elementos de conexión 

Ángulos



Placas y ángulos



Ángulos de asiento



Perfiles Te

 Por fuerza que transmiten   rígida)

Fuerza cortante (conexión flexible) Fuerza cortante y momento flexionante (conexión rígida o semi-

 Fuerzas internas de tensión y compresión (armaduras y contraventeos)  Por lugar de fabricación 

Conexiones de taller (hechas en el taller de fabricación de estructuras metálicas)

 Conexiones de campo (fabricadas en el taller y armadas en el sitio de la obra)  Por mecanismo de resistencia de la conexión 

Conexiones por fricción



Conexiones por aplastamiento

COMPORTAMIENTO DE CONEXIONES Todas las conexiones tienen alguna restricción, o sea, alguna resistencia a cambios en los ángulos originales formados por los miembros conectados cuando se aplican cargas. Dependiendo de la magnitud de la restricción, la Especificación (B3.6) del AISC clasifica las conexiones como totalmente restringidas (tipo FR) y como parcialmente restringidas (tipo PR). Estos dos tipos de conexiones se describen con más detalle a continuación:  Las conexiones tipo FR comúnmente se designan como conexiones rígidas o continuas propias de marcos. Se supone que son suficientemente rígidas o que tienen un grado de restricción tal, que los ángulos originales entre los miembros permanecen virtualmente sin cambio bajo cargas.



Las conexiones tipo PR tienen una rigidez insuficiente para mantener sin cambio a los ángulos originales bajo carga. Se incluyen en esta clasificación las conexiones simples y semirrígidas. Una conexión simple es una conexión tipo PR en la cual se ignora la restricción. Se supone completamente flexible y libre para rotar y por ello, sin capacidad resistente a momentos.

Una conexión semirrígida, o conexión de momento flexible, es también una conexión tipo PR cuya resistencia a cambios en los ángulos queda entre las de los tipos simple y rígida.

Ya que no existen conexiones perfectamente rígidas o completamente flexibles, en realidad todas las conexiones son parcialmente restringidas, o PR, en mayor o menor grado. En el pasado se acostumbraba clasificar las conexiones basándose en el cociente del momento desarrollado en una conexión específica entre el momento que se desarrollaría en una conexión completamente rígida. Una regla aproximada era que las conexiones simples tenían una rigidez del 0% al 20%, las conexiones semirrígidas tenían una rigidez del 20% al 90%, y que las conexiones rígidas tenían una rigidez del 90% al 100%.

Curvas típicas momento-rotación para conexiones La Figura muestra un grupo de curvas típicas momento-rotación para estas conexiones. Note que las líneas se curvan porque cuando los momentos aumentan, las rotaciones se incrementan con una mayor rapidez.

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.

Características rotacionales de los tipos de conexiones del AISC. La figura muestra un diagrama de la ecuación de la línea de la viga, así como el comportamiento momento-relativo de las conexiones Tipo FR y PR, así la típica conexión rígida tendría que soportar un MI de alrededor del 90% de MFa; una conexión simple tendría que resistor únicamente un momento M2 del 20% o menos del momento MFa, y una conexión semirrígida algún momento M3 de valor intermedio. Las conexiones simples (tipo PR) son muy flexibles y se supone que permiten a los extremos de la viga girar hacia abajo cuando están cargados, como sucede con las vigas simplemente apoyadas. Aunque las conexiones simples tienen cierta resistencia al momento (o resistencia a la rotación del extremo), se supone que es despreciable, y se consideran capaces de resistir solamente fuerza cortante.  Algunas conexiones simples: Observe cómo estas conexiones se colocan orientadas hacia los patines superiores de modo que proporcionen estabilidad lateral en los patines de compresión en los apoyos de la viga.

En esta figura, cada conexión se muestra como si se hubiese realizado en su totalidad con el mismo tipo de sujetador –es decir, toda atornillada o toda soldada– en tanto que en la práctica real se usan con frecuencia dos tipos de unión diferentes para la misma conexión. Por ejemplo, una práctica muy común es soldar en taller los ángulos al alma de la viga y atornillarlos en la obra a la columna o la trabe.

Las conexiones semirrígidas o conexiones de momento flexible (tipo PR) son aquellas que tienen una apreciable resistencia a la rotación del extremo, desarrollando así momentos de extremo de consideración. En la práctica de diseño, es muy común que el proyectista, para simplificar el análisis, considere todas estas conexiones como simples o rígidas sin considerar situaciones intermedias. Si se formulara esta hipótesis para una conexión verdaderamente semirrígida, se pasaría por alto una oportunidad de reducir momentos en forma apreciable. Para entender esta posibilidad, se remite al lector a los diagramas de momentos que se muestran en la Figura para un grupo de vigas con carga uniformemente repartida, con conexiones de diferentes porcentajes de rigidez. Esta fotografía muestra que los momentos máximos en una viga varían bastante según el tipo de conexiones en sus extremos. Por ejemplo, el momento máximo de conexión semirrígida de la parte (d) de la fi gura, es solamente

(a) Conexiones de extremo simples (rigidez de 0%)

(c) Conexiones semirrígidas (Rigidez de 50%)

(b) Conexiones rígidas (Rigidez de 100%)

(d) Conexiones semirrígidas (Rigidez de 70%)

El 50% del momento máximo en la viga simplemente apoyada de la parte (a) y solamente el 75% del momento máximo en la viga empotrada en sus extremos de la parte (b). Las conexiones semirrígidas reales se usan con frecuencia, pero por lo general, al calcular, no se aprovechan sus posibilidades de reducción de momentos. 

Algunas conexiones semirrígidas o de momento flexible

En la Figura se muestran tres conexiones prácticas semirrígidas o conexiones PR capaces de proporcionar una considerable resistencia por momento. Si la conexión con placa de extremo mostrada en la parte (a) de la figura se prolonga hacia arriba de la viga y se instalan más tornillos, la resistencia por momento de la conexión puede incrementarse apreciablemente. La parte (c) de la figura muestra una conexión semirrígida que ha resultado muy satisfactoria en pisos compuestos de acero y concreto. La resistencia por momento en esta conexión es proporcionada por barras de refuerzo colocadas en la losa de concreto arriba de la viga y por el ala horizontal del ángulo de asiento. El uso de conexiones parcialmente restringidas con aproximadamente 60 a 75 por ciento de rigidez está aumentando gradualmente. Cuando sea posible predecir exactamente el porcentaje de rigidez para diversas

conexiones y se disponga de mejores procedimientos de diseño, este tipo de conexión probablemente se volverá muy común. Las conexiones rígidas (tipo FR) son aquellas que teóricamente no permiten rotación en los extremos de la viga y transfieren casi el 100% del momento al empotramiento. Las conexiones de este tipo se pueden usar para edificios altos en los que se desarrolla resistencia al viento. Las conexiones proporcionan continuidad entre los miembros de la estructura del edificio.

En la Figura se muestran varios tipos de conexiones tipo FR, que proporcionan una restricción casi del 100%. Se observa en la figura que se requieren atiesadores en las almas de las columnas en algunas de estas conexiones para proporcionar suficiente resistencia a la rotación. La conexión de momento mostrada en la parte (d) es muy popular entre los fabricantes de estructuras y la conexión con placa de extremo mostrada en la parte (e) se ha usado también con frecuencia en años recientes.

FIGURA: Conexiones resistentes a momento

Notará usted el uso de placas de relleno en las partes (a) a la (c). Estas placas de relleno son soleras delgadas de acero que se usan para el ajuste de las conexiones. Pueden ser de dos tipos: convencionales o de dedos. Las placas de relleno convencionales son aquellas que se instalan con los tornillos pasando por ellas, mientras que las placas de relleno de dedos se pueden instalar después que se han colocado los tornillos.

La figura ilustra el comportamiento de conexiones rígidas, semi-rígidas y flexibles. Como se explicó anteriormente, las conexiones rígidas no permiten rotaciones apreciables en la conexión y soportan el máximo momento que pueda transferir la viga. Las conexiones semi-rígidas permiten mayor rotación en la conexión, ya sea por inelasticidad o cambio de rigidez elástica. Las conexiones flexibles o simples, por último, tienen una capacidad de momento que no es considerable y permiten la rotación casi libre de los extremos de la viga. CONEXIONES VIGA-COLUMNA  Conexión flexible

La figura muestra dos ejemplos de conexiones flexibles. La conexión de la izquierda utiliza ángulos para servir de apoyo a la viga. La conexión mostrada en el centro y a la derecha utiliza ángulos para conectar el alma de la viga a la columna. Las conexiones flexibles se tratan como si fueran articulaciones y se diseñan para trasmitir solamente la reacción vertical.  Conexiones rígidas

La figura muestra dos tipos de conexiones rígidas. En la conexión de la izquierda, las alas de la viga están directamente soldadas al ala de la columna y el alma puede estar soldada directamente o conectada a través de una placa o ángulo para transmitir el cortante. En la conexión de la derecha, se utilizan placas para conectar tanto las alas como el alma. Las conexiones rígidas transmiten momento flexionante y fuerza cortante. II. CONEXIONES TIPICAS

CONEXIONES VIGA TRABE  Ángulos dobles atornillado-atornillado

A continuación se presentan algunas de las conexiones típicas utilizadas en estructuras de acero. Las conexiones están agrupadas por los tipos de miembros que conectan y por el tipo de esfuerzo que transmiten. El primer grupo es el de conexiones entre vigas principales (trabes) y vigas secundarias. Estas conexiones se diseñan para transmitir sólo cortante. El esquema y las fotos muestran una conexión donde la viga secundaria se conecta al alma de la viga principal a través de ángulos, los que están apernados al alma de ambas vigas. Dependiendo de la altura de la viga secundaria, puede ser necesario cortar el ala superior o ambas alas de esta viga. En la conexión de la foto superior, los pernos que conectan el ángulo a la viga secundaria se han desplazado con respecto a los que conectan el ángulo a la viga principal para facilitar su instalación.

 Ángulos dobles soldado atornillado

La misma conexión anterior se puede realizar atornillando el ángulo al alma de la viga principal y soldándolo al alma de la viga secundaria. Se debe tener cuidado con la especificación de la soldadura para no generar una conexión muy rígida que genere esfuerzos de flexión importantes, para los que la conexión no está diseñada.

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA  Ángulos Dobles Conexión al patín de la columna

El siguiente grupo de conexiones es el de conexiones entre vigas y columnas. Estas conexiones se pueden a la vez dividir en conexiones que transmiten sólo cortante (conexiones simples) y conexiones que transmiten cortante y momento. Las conexiones simples viga-columna son similares a las conexiones viga-trabe vistas antes. Tenemos entonces la conexión a través de ángulos, donde los ángulos pueden ser atornillados o soldados a la viga y al ala de la columna.  Ángulos dobles: Conexión al alma de la columna

Este mismo tipo de conexión se puede realizar cuando la viga conecta con el eje débil de la columna. En este caso, los ángulos de conexión se conectan directamente al alma de la columna. 

Placa simple (Placa de cortante)

Otro tipo de conexión similar al caso de viga secundaria a viga principal, es la conexión a través de placa de cortante. En el caso de utilizar este tipo de conexión con columnas tubulares rectangulares, es necesario verificar que el tubo no se desgarre por efecto de la carga.  Ángulo de asiento

Otro tipo de conexión simple viga-columna consiste en utilizar ángulos de asiento. En este tipo de conexión, la viga se apoya sobre un ángulo, el que puede estar atornillado o soldado a la columna. Para estabilizar la viga su utiliza un ángulo en la parte superior de ésta, el que puede ser soldado o atornillado a la viga y a la columna. Este ángulo es de dimensiones mucho menores que el ángulo de asiento para no inducir una restricción significativa a la rotación de la viga. La figura muestra el caso del ángulo superior conectado al ala superior de la viga.

 Ángulo de asiento

La figura ilustra una conexión con ángulo de asiento donde el ángulo superior está conectado al alma. Esto puede ser por razones arquitectónicas o de limitación de espacio.  Conexión atornillada con perfil T atiesado

Es posible que debido a la magnitud de la reacción el ángulo de asiento no sea suficientemente rígido o resistente. En estos caso es posible atiesar el ángulo o utilizar un perfil T como asiento, como se muestra en la figura. CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA  Placas horizontales en patines de la trabe

A menudo es necesario transferir cortante y momento flexionante de la viga a la columna. Una conexión de este tipo es la conexión con placas. En esta conexión las alas de la viga se conectan a la columna a través de placas, la que están soldadas a esta última y pueden ser soldadas o apernadas a la viga, mientras que el alma se conecta usando una placa de cortante a la columna. Las placas de las alas se encargan de transferir el momento y la placa del alma, el cortante. 

Patines de la trabe soldados a la columna

También es posible evitar el uso de placas y soldar directamente las alas a la columna. Esto involucra, sin embargo, tener que cortar parte del alma cerca de las alas de la viga para permitir el paso del electrodo sin interrupciones al hacer la soldadura. En el caso de una conexión al eje débil de la columna, es necesario instalar atiesadores, como se muestra en la foto de la derecha. CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO

Un tercer grupo de conexiones lo constituyen aquellas que conectan las diagonales de contraventeo al resto de la estructura. La configuración más común es conectar la diagonal (a través de tornillos o soldadura) a una placa, la que a su vez está soldada a la viga y la columna. La figura muestra este tipo de conexión para una diagonal tubular. En este caso se hace una ranura en el tubo para insertarlo en la placa y se conectan ambas partes con soldadura.

En el caso de contraventeos en X con diagonales tubulares, una solución es interrumpir una diagonal para dejar pasar al otra e insertar una placa a través de una ranura en la diagonal continua para conectar las dos partes de la diagonal interrumpida, como se muestra en la figura de la izquierda. La figura de la derecha muestra el detalle de conexión de la diagonal a una columna en la base de la estructura. En este caso, la placa de conexión está soldada a la columna y la placa base.



Conexión de contraventeos en edificios

En edificios altos, a veces es necesario utilizar diagonales de contraventeo que cubren más de un piso. La figura ilustra una solución a este problema de conexión, en que la diagonal es continua en dos pisos y la viga se interrumpe. Las dos partes de la viga se conectan a las diagonales con conexiones simples.

Otro tipo de conexión cuando se usan diagonales de contraventeo consiste en dividir la estructura en partes, donde una sección de la diagonal es conectada a la viga y la otra a la columna en taller. Luego en terreno, se unen con tornillos ambas partes.

 Empalme atornillado de tramos de columnas Otro grupo de conexiones lo constituyen aquellas que permiten dar continuidad a un miembro estructural cuando hay cambios de sección o cuando la longitud de los miembros disponibles no permite cubrir toda la longitud del miembro estructural. Este tipo de conexiones se conoce como empalmes y su uso más común es en columna de edificios de varios pisos de altura. La figura muestra un empalme de columna completamente atornillado.

altos

 Empalme soldado de columna Los empalmes también pueden hacerse a través de soldaduras. En la figura se muestra un empalme entre dos secciones de columna donde las alas están unidas con soldadura de penetración completa y las almas está apernadas

 Placa base de columna

Por último, existe un grupo de conexiones cuya función es conectar la estructura de acero a la fundación de hormigón. Este tipo de conexiones se materializa normalmente usando placas base, las que son soldadas al extremo de la columna y atornilladas a las barras roscadas de fundación, embebidos en el hormigón. La figura de la izquierda muestra una conexión donde no se esperan grandes esfuerzos de tracción. El detalle de la derecha es usado cuando la tracción es significativa en la base, de modo de proveer una longitud deformable a la barra de fundación.