Conexiones en acero…¿Apernadas o soldadas?

Conexiones en acero…¿Apernadas o soldadas?

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.

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

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)

 

 

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.

 

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

 

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 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.

 

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).

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.

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.

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.

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