Conexiones típicas en estructuras de acero

Conexiones típicas en estructuras de acero

Como se comenta en el documento de Conexiones de acero publicado en este sitio en febrero 2013, los tipos de conexiones para las estructuras de acero se clasifican principalmente en función de su grado de rigidez las que -siguiendo a AISC2010 - son básicamente tres: conexiones simples o de corte, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR). En este documentomostraremos algunas soluciones de conexiones típicasque se presentan en la construcción de estructuras de acero. Para mayor precisión recordamos algunas definiciones básicas de términos que se usan en la explicación. Así, entenderemos por conexión (inglés connection) la combinación de elementos estructurales y elementos de unión para transmitir fuerzas entre dos o más miembros (AISC 360/2010, traducción oficial al español por ALACERO); por junta (inglés joint) el área donde se unen dos o más extremos, superficies o bordes, y que incluye las planchas, angulares, pernos, remaches y soldaduras empleados. Se clasifican en juntas soldadas y juntas empernadas y por nodo (inglés connection assembly, node) la zona completa de intersección de columnas y vigas, incluyendo las planchas de continuidad y las planchas adosadas. El nodo comprende las conexiones (estas últimas definiciones según Covenin 1618-98), lo que se grafica en el esquema siguiente:

 

 

Los documentos tenidos a la vista están disponibles en forma completa en este sitio y son:

  • 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)
  • Módulo de Uniones apernadas y soldadas elaborado para ALACERO por Meta Steel Proyect 2010 (link)
  • Clases Teóricas desarrolladas para ALACERO, por parte del Prof. Maino (link)
  • Manual de conexiones de CBCA, cuya versión en portugués también entregamos adjunta en este sitio (link)
  • Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcciones de acero; versión en español traducida para ALACERO por Ing. Carlos Aguirre y revisión Ing. Arnaldo Gutiérrez.
  • Norma Venezolana Covenin 1618-1998; Estructuras de acero para edificaciones, método de los estado límites
  • Todos estos documentos sugieren distintas formas de clasificación de las conexiones, cada una de las cuales tiene un orden y un sentido lógico y riguroso, aunque todas hacen referencia a los tipos de conexiones que menciona AISC ya comentados.

El Manual del CBCA presenta distintos tipos de conexiones ordenados y clasificados según:

  • grados de rigidez (siguiendo AISC)
  • los medios de unión (soldados o apernados)
  • las solicitaciones
  • lugar de la ejecución: en Obra o en Taller

Todas las variables mencionadas son relevantes en la toma de decisión del proyecto (análisis, diseño y detallado), la fabricación, el montaje, la inspección y el control y el aseguramiento de la calidad, partiendo por el concepto estructural. Las ventajas y desventajas de los medios de unión y las preferencias de lugares de ejecución han sido comentadas, pero se deberán tener especialmente en cuenta en consideración de las condiciones específicas y locales del proyecto, como accesibilidad, transporte, visibilidad de la conexión, disponibilidad de talleres, mano de obra calificada, equipamiento local y muchos otros largos de enumerar.

Por su parte, las Clases Teóricas desarrolladas para ALACERO por el Prof. S. Maino, ordena las conexiones según los miembros conectados:

  • Viga con columna
  • Viga con viga
  • Columna con columna
  • Columna con fundación
  • Arriostramientos
  • Tubulares

Esta aproximación nos parece importante desde el punto de vista del proyecto, puesto que permite visualizar la conexión no sólo como un punto crítico desde la perspectiva de la estructuración del edificio si no como un nudo, visible (o no), puesto en el espacio y que forma parte de la expresión de edificio.

Con el objeto de facilitar la comprensión de las conexiones, hemos organizado la presentación de estas soluciones típicas a partir tres variables concurrentes que permitan seleccionar la conexión deseada: por miembros que vincula (I.); por tipo de conexión (A) y según el medio de unión utilizado (1). La idea es presentar, en esta primera oportunidad, algunas de las soluciones típicas para los nudos que se señalan en el índice que presentamos a continuación. Sin embargo, en las ediciones siguientes las iremos completando progresivamente, incorporando soluciones estandarizadas que respondan a la clasificación y, asimismo, agregando nuevos detalles y ejemplos que surjan de los propios proyectos comentados. Este índice se ordena como sigue:

I. CONEXIONES VIGA-COLUMNA

 

A. DE CORTE

1. Apernadas

2. Soldadas

3. Apernadas o soldadas

B. DE MOMENTO

1. Apernadas

2. Soldadas

3. Apernadas o soldadas

 

II.  CONEXIONES VIGA – VIGA

A. DE CORTE

1. Apernadas

2. Soldadas

3. Apernadas o soldadas

B. DE MOMENTO

1. Apernadas

2. Soldadas

3. Apernadas o soldadas

C. EMPALMES

1. Apernadas 

2. Soldadas

3. Apernadas o soldadas

 

III. CONEXIONES DE EMPALME COLUMNA–COLUMNA

1. Apernadas

2. Soldadas

3. Apernadas o soldadas

IV. CONEXIONES COLUMNA - FUNDACIÓN 

 

V. ARRIOSTRAMIENTOS 

 

VI. CONEXIONES EN MIEMBROS TUBULARES 

 

VII. CONEXIONES ESPECIALES

 

Antes de presentar los ejemplos y detalles es preciso destacar que no se hace énfasis en los requisitos y detalles sismo resistentes de las conexiones, las que se encuentran en los documentos de AISC 358 (Conexiones precalificadas) y 341 (provisiones sísmicas) anexos, pero desgraciadamente sólo disponibles en inglés. Además, es preciso mencionar que por facilitar la exposición se utiliza un modelo simplificado, actualmente superado, según el cual el alma de las vigas transfiere solo fuerza cortante y las alas el momento flector. Para graficar el glosario hay que atenerse al gráfico siguiente:

 

I. CONEXIONES VIGA-COLUMNA

Las conexiones entre las vigas y las columnas son una de las conexiones más frecuentes en las estructuras de acero y concebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no sólo a una decisión de cálculo estructural sino de manera muy significativa, a una decisión del proyecto y la construcción. La conexión entre vigas y columnas se puede resaltar expresivamente en el edificio, dependiendo de su visibilidad.

 

A. Conexiones de corte:

Ya hemos comentado los atributos de las conexiones de corte el documento Conexiones en Acero… ¿apernadas o soldadas? publicado en este mismo sitio (link). Valga sólo agregar algunas consideraciones adicionales:

Las conexiones de corte sonmuy utilizadas en las estructuras de acero.

Se pueden materializar conectando sólo al alma del miembro soportado, dejando las alas no conectadas.

Las conexiones de asiento son las únicas que conectan a las alas del miembro soportado

Los ángulos de las conexiones de corte se pueden conectar indistintamente por soldadura o apernados.

Las conexiones con ángulos simples tienden a tener menor capacidad de carga que las conexiones con doble ángulo.

Aunque las conexiones con planchas de corte son más económicas, su aplicación debe ser evaluada cuidadosamente.

A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones típicas de CONEXIONES DE CORTE VIGA-COLUMNA.

 

I.A.1. CONEXIONES VIGA-COLUMNA, DE CORTE APERNADAS

a) Con DOBLE ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna

Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte. 

 

Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 8

Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller.

Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la columna (o de la viga principal, según corresponda).

Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria

Fuente: Gerdau; LIGAÇÕES PARA ESTRUTURAS DE AÇO; Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados

Las perforaciones para los pernos se pueden desfasar o desplazar a fin de no quedar enfrentadas para facilitar la instalación.

Existe una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo).

 

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.

I.A.2. CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS

a) Con DOBLE ÁNGULO soldado en taller al alma de la viga y soldado en obra al alma de la columna (o de la viga principal): (AISC d. 23 y 24)

Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y la columna.

Los ángulos dobles son soldados en taller al alma de la viga

Si las alas de las vigas son muy anchas para calzar entre las alas de la columna se deberán rebajar las alas de la viga.

Existe la posibilidad de cierta rotación entre la viga y la columna debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna. Esto se debe a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo conector).

La soldadura vertical transfiere las cargas del alma de la viga al alma de la columna.

La soldadura alrededor del perímetro del ala sobresaliente del ángulo de fijación inhibirá la flexibilidad de la conexión.

La soldadura de retorno se dispone en la parte superior de cada angular

 

I.A.3. CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS O APERNADAS

a) Con DOBLE ÁNGULO - soldado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna (o de la viga principal): 

Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte.

Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller.

Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.

Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Si se trata de una conexión viga columna, se apernan al alma de la columna.

Igualmente que en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).

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

 

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.

 

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.

B. CONEXIONES DE MOMENTO

Las conexiones de momento proveen continuidad entre los miembros soportantes y los soportados. Las alas del miembro soportado se fijan indistintamente a un elemento de conexión o directamente al miembro soportante. A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones típicas de conexiones de momento viga-columna.

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

I.B.3.  CONEXIONES VIGA-COLUMA DE MOMENTO SOLDADAS O APERNADAS

a) Con planchas (cartelas) soldadas en taller a la columna y vigas apernadas en obra: 

Se trata de una conexión de momento ya que las alas superiores e inferiores soldados a la columna evitan la rotación del extremo de la viga.

La plancha de corte (single plate) se aperna en taller al alma de la viga.

Las planchas, superior e inferior, se apernan a las alas de la viga.

La plancha de corte es soldada al alma de la columna y trasfiere la fuerza de corte.

Las planchas evitan la rotación de la viga y transfieren los momentos a la columna.

Fuente: Material Educativo AISC:   STRUCTURE OF THE EVERYDAY;   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.

 

II.  CONEXIONES VIGA-VIGA

Las conexiones viga-viga son muy frecuentes en estructuras de acero y permiten aprovechar las ventajas estructurales del acero aplicando de una modulación de columnas distanciadas conectadas mediante vigas principales y conectar los componentes que conforman los planos de piso directamente a las vigas principales.

II. A.1. CONEXIONES VIGA-VIGA DE CORTE APERNADAS

a) Con DOBLE ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma la viga principal

Esta conexión es aplicable para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal), aunque también se aplica en conexiones viga-columna, como se muestra en I.A.1. Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte.

Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller

Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la viga principal

Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.

 

 

II.A.3. CONEXIONES VIGA-VIGA DE CORTE SOLDADAS O APERNADAS

a)  Con DOBLE ÁNGULO - soldado en taller al alma de la viga secundaria y apernado en obra al alma de la viga principal: (AISC d.21 y 22)

Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-viga como para conexiones viga a columna, según se muestra en I.A.3 . Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte.

Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller.

Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.

Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal.

 Igualmente que en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).

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.

 

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.

La plancha de corte es perforada o punzonada y luego soldada en taller al alma de la viga principal

Luego, las vigas secundarias con las perforaciones hechas en taller, se fijan mediante pernos a la plancha de corte que está soldada a la viga principal

 

II.C.1.  CONEXIONES VIGA-VIGA EMPALMES DE MOMENTO APERNADO

Las conexiones de empalme de vigas son situaciones que se presentan con frecuencia en la construcción de estructuras de acero debido a que las piezas se fabrican de largos establecidos por razones comerciales y de transporte.

a) Empalme de momento apernado en obra (s. AISC d. 37 y 38)

Las planchas conectoras de las alas restringen la rotación, haciendo de esta conexión una conexión de momento.

Todas las perforaciones de esta conexión se hacen en taller.

Asimismo, se hacen en taller las perforaciones de las alas y el alma de las vigas a conectar.

Las planchas de corte se apernan en obra a las alas superiores e inferiores.

Las dos planchas que fijan el alma de las vigas son responsables de transferir la fuerza de corte.

Los pernos que fijan las planchas de alma de la viga trabajan a corte

Las planchas que fijan las alas son responsables de transferir el momento de flexión.

Detalle de conexión de empalme de momento apernado de vigas- Fuente: ALACERO; MÓDULO DE UNIONES APERNADAS Y SOLDADAS; Macro Steel Project – Anexo 6

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