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9/2/2015

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.

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Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo

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  rayos­x  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.

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Uniones Rígidas: Reliance Control factory, Swindon (1967) Richard Rogers                              Uniones articuladas o flexibles: Aeropuerto Stansted        

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  momento­rotación  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.

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(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.

   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.

  

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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)

 

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)

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   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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Uniones y Conexiones

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.

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

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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  360­10  para  construcción  en  acero,  versión  oficial  en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en:  http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónANSIAISC360­10.aspx)  y, además en el documento anexo de ALACERO: MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS, departamento de Ingeniería Macro 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 http://www.arquitecturaenacero.org/soluciones­constructivas/41­uniones­y­conexiones

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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 360­10 para construcción en acero, versión oficial en español de ALACERO (que se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónANSIAISC360­10.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  360­10  para  construcción  en  acero,  versión  oficial  en  español  de  ALACERO  (que  se encuentra en los anexos y en: http://www.construccionenacero.com/noticias/Paginas/DescargagratuitaversiónenespañoldelaEspecificaciónANSIAISC360­10.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  1618­98),  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 360­10 para construcciones de acero; versión en español traducida para ALACERO por Ing. Carlos Aguirre y revisión Ing. Arnaldo Gutiérrez. f. Norma Venezolana Covenin 1618­1998; 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. grados de rigidez (siguiendo AISC) b. los medios de unión (soldados o apernados) c. las solicitaciones d. 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 VIGA­COLUMNA 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 VIGA­COLUMNA 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 VIGA­COLUMNA.  

I.A.1. CONEXIONES VIGA­COLUMNA, 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 viga­columna 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. 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

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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 VIGA­COLUMNA 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 viga­columna 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 VIGA­COLUMNA 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 viga­columna 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 viga­columna. Por el momento presentaremos sólo las conexiones de momento viga columna soldadas o apernadas   

I.B.3.  CONEXIONES VIGA­COLUMA 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: 

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STRUCTURE OF THE EVERYDAY;  Structural Steel Connections; D. Thaddeus 

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 VIGA­VIGA Las  conexiones  viga­viga  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 VIGA­VIGA 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 VIGA­VIGA 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 viga­viga 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 VIGA­VIGA 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 vigas­ Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 6

 

 

CONEXIONES BASE­COLUMNA 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.

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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. 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 anti­sismo. 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

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AISC_SeismicProvisions_2005­second_print_web.pdf

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ALACERO MODULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS.doc

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Covenin 1618­1998 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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