Diseño de Conexiones en Estructuras de Acero

INTRODUCCIÓN

Para el diseñador de estructuras de acero es tan importante optimizar los perfiles  a emplear como unirlos adecuadamente para que el conjunto trabaje  armoniosamente. No hay estructura segura si las uniones no funcionan  apropiadamente, en especial en zonas donde las cargas laterales son significativas;  una demostración de ello es que en el terremoto de Northridge, 1994, en donde no  se produjeron caídas de edificios de acero pero sí se notaron fallas significativas en las conexiones que pondrían en riesgo a las construcciones si hubiera otro sismo similar. Es por ello que el Instituto Americano de Construcción en Acero, AISC, emprendió un trabajo de investigación en la década pasada que se refleja en sus normas actuales. Esto significa que el diseñador en zonas símicas debe tener en mente conceptos de ductilidad que se consigue con detalles adecuados.

 En nuestros días cuando un ingeniero entra a un proceso de diseño estructural cuenta con un arsenal de programas de estructuras que permiten que el diseñador consiga soluciones ajustadas a la economía y factibilidad. El modelo matemático se establece en base, entre otros parámetros, a un determinado comportamiento de los nudos de la estructura para que en un caso real este comportamiento aproximadamente coincida con el pensado. En las construcciones de acero se tienen muchos tipos de conexiones en consideración a la geometría y cargas. Cada conexión tiene que cumplir una serie de requisitos para asegurar su ductilidad, rotación y capacidad de tomar momentos, cortes y cargas axiales.

OBJETIVOS

1. Objetivo general

Capacitar a en el diseño de las conexiones de estructuras metálicas más usadas

2. Objetivo Específico

Comprender las filosofías de diseño de conexiones en estructuras metálicas

Conocer los requisitos de diseño para conexiones exigidos Conocer el diseño de conexiones en pórticos sísmicos.

CONEXIONES EN ARMADURAS

Para un mejor seguimiento veamos una Armadura convencional y su forma para explicar un procedimiento para el diseño de las conexiones.

3. TIPOS DE CONEXIONES

En las conexiones de acero laminado en frío se usa generalmente la soldadura, los tornillos, los remaches fríos, las pijas, la costura de metal y los adhesivos. La Sección E del AISI 1996 solo considera conexiones a base de soldadura, tornillos y pijas. 

Tradicionalmente se han usado las conexiones atornilladas y soldadas para unir miembros estructurales de acero. Las conexiones atornilladas requieren del habilitado previo de agujeros en los miembros a conectar para la colocación de tornillos. El tornillo estructural típico es el tornillo de alta resistencia que consiste normalmente de una cabeza hexagonal con vástago roscado para recibir una tuerca. Las conexiones soldadas requieren de procedimientos estandarizados de aplicación de calor para fundir los extremos de los miembros a conectar, formando una unión homogénea. La fuente de calor normalmente la origina la resistencia del metal al paso de la corriente eléctrica.

3.1 CONEXIONES SOLDADAS

 Las soldaduras usadas en la construcción de estructuras pueden ser clasificadas en soldadura de fusión o de resistencia. 

La soldadura de fusión (o de arco) es un grupo de procesos donde los extremos de los miembros (metal base) son unidos mediante la aplicación de un metal aportado durante el proceso (electrodo) a gran temperatura (en estado de fusión), sin la aplicación de presión o golpes.

 3.2 SOLDADURA DE FUSIÓN

 Las soldaduras de fusión se usan comúnmente durante el montaje de la estructura para conectar a los perfiles laminados en frío entre si o para conectar a los perfiles laminados en frío a perfiles laminados en caliente. Los tipos principales de soldadura de fusión usados en estructuras de acero laminado en frío son

a). Soldaduras de penetración

b). Soldaduras de punto

c). Soldaduras de costura

d). Soldaduras de filete

e). Soldaduras de penetración abierta

De acuerdo a las Especificaciones AISC-LRFD o AISC-ASD se definen tres Tipos de

Conexiones, que dependen del grado de restricción que someten a los nudos:

1. COMPLETAMENTE RESTRINGIDO

Llamado también de Conexión Rígida, de Pórtico Continuo o Conexión Continua y se designa con las letras FR.

Lo que se pretende con este tipo de conexión es que los ángulos originales entre los Miembros que concurren a un nudo, se mantengan sin variación cuando se aplican las Cargas, es decir que haya completa continuidad entre sus miembros. Si se tratara, por Ejemplo, de una conexión de empotramiento de una viga se requeriría que se evitara la Rotación del nudo hasta llegar, por lo menos, a un 90% del momento de empotramiento.

2. SIN RESTRICCIÓN.

Llamada también Extremo Libre o de Pórtico no Continuo, o Apoyo Simple o Extremo Articulado. Esta situación ocurre cuando se tiene una conexión donde se prevé una rotación libre entre sus miembros del orden de un 80% del caso teórico en que se usara una unión con pin sin fricción. Para el caso de vigas se pretende que sólo haya transferencia de corte, así las mismas se consideran como vigas simplemente apoyadas. En el caso de aplicación del Diseño Plástico, donde se aprovecha la continuidad de la estructura para la formación de Rótulas Plásticas justo en los nudos, este tipo de conexión no correspondería a lo requerido.

3. CONEXIÓN SEMI-RÍGIDA:

Llamada propiamente Parcialmente Restringida PR y cubre

aquellos casos en que se puede predecir la rotación de una conexión cuando se conoce el

momento aplicado. Para comprender mejor los distintos tipos de conexiones AISC, se puede aplicar el criterio llamado de la "Línea de Viga" que desarrollaron Batho y Rowan, para poder comparar lo que se llama grado de restricción en relación a la variación de la rotación con el momento.

METODOLOGÍA DEL DISEÑO:

Todas las conexiones que se emplean en la práctica han sido ensayadas para acciones estáticas y/o dinámicas y de acuerdo a sus resultados se ha establecido la forma de verificar sus diversos elementos para que cumplan su función. Se presenta, a manera de ejemplo, los pasos a seguir para la verificación de tres tipos de conexiones:

Viga-trabe: Conexión por corte

Pasos:

Definir los elementos: Perfiles, pernos, soldaduras y ángulos clip, y dimensiones del copado.  Plantear una solución, número de pernos, tamaño de ángulo clip, tipo de soldadura, y verificar distancias libres entre pernos y bordes.

Teniendo el corte V aplicado (definir si es corte de servicio, ASD o corte último, LRFD), Proceder entonces de acuerdo al método de diseño correspondiente. Verificar la capacidad de los pernos al corte y aplastamiento; soldaduras, tamaños máximos y mínimos, seleccionar el tamaño y encontrar su capacidad. 

1. Chequear la capacidad de la viga al corte, resistencia del alma de la viga al pandeo por copado y verificar su resistencia a la flexión por haber sido copada.

2. Verificar la capacidad al corte de los ángulos clip.

3. Dibujar el esquema respectivo.

CONCLUSIONES:

Se ha presentado en forma breve el conocimiento que se tiene de las conexiones que se emplean en estructuras de acero haciendo notar aspectos del diseño sísmico y procedimientos, basado en las Especificaciones AISC, FEMA y ASCE últimas, para que las conexiones presenten un buen comportamiento y sean confiables. Se han mostrado los diversos y más comunes tipos de conexiones en Armaduras y Pórticos de edificios y se ha establecido una metodología para su diseño. También se plantea la automatización de los cálculos para aliviar el trabajo del diseñador.

REFERENCIAS:

1- Diseño Estructural en Acero, 1997. Luis F. Zapata Baglietto

2- An Investigation of Steel Welded Pipe Connections, L. Zapata

3- Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment Frames Buildings,

FEMA- 350

4- AISC 2005, Manual.

5- Diseño de Conexiones de Edificios. Conic 2003. L. Zapata y Karina Carvajal.