Tipos básicos de conexiones en la construcción de estructuras de acero
En las estructuras de marco, el diseño detallado de las uniones entre vigas y columnas incorpora una variedad de tipos de conexión para tener en cuenta las acciones aplicadas. En general, las uniones entre vigas y columnas se realizan mediante pernos o soldadura, o bien mediante uniones fijas tipo I/J. La selección del tipo de unión depende de los requisitos de la estructura. Por ejemplo, un marco sin rigidización, sometido a momentos flectores, puede utilizar uniones fijas tipo I/J completamente soldadas. En una estructura móvil, las uniones realizadas con pernos de clase 8.8 pueden proporcionar una restricción similar a la de los cinturones de seguridad; además, dichas uniones son fáciles de desmontar y reemplazar. Un enfoque de diseño similar puede adoptarse para incorporar uniones que contemplen movimientos potenciales, como por ejemplo uniones articuladas (pin connections). En estructuras de puentes, se emplean comúnmente uniones articuladas para permitir tales movimientos. Las uniones fijas en un marco se incorporan en marcos gigantes (mega frames) y rascacielos para resistir cargas laterales. Desde un punto de vista económico, otros marcos pueden requerir menos detalle en su diseño. Desde un punto de vista estético, los marcos gigantes incluyen un alto nivel de detalle. Para miembros de gran diámetro, las uniones soldadas cumplen más disposiciones de la norma EN 1993-1-8 que las uniones atornilladas.
El uso de soldaduras en las conexiones entre vigas de acero y columnas aumenta la rigidez general del entramado y ayuda a distribuir las cargas a lo largo de este. En el caso de soldaduras de penetración total, la unión se considera sólida. Las cargas se aplican sobre la unión durante un largo periodo y se mantienen asimismo durante mucho tiempo. Por tanto, se prefiere el uso de soldaduras de penetración total frente al uso de varios tornillos. La frase «Las disposiciones de la norma EN 1993-1-8 respaldan la participación de personas competentes» significa que dicha participación es recomendable. Es responsabilidad de tales personas competentes determinar y verificar si una soldadura se ha ejecutado conforme a las normas definidas. Un taller puede realizar ensayos ultrasónicos para detectar posibles defectos en una soldadura. Dichas soldaduras eliminan los problemas asociados al uso de tornillos. Sin embargo, desde una perspectiva de responsabilidad y gestión del estrés, los empleados deben extremar la precaución debido a los efectos del entorno circundante y de las condiciones meteorológicas, especialmente las variaciones que ocurren durante el proceso de soldadura.
Conexiones: Placas extremas, conexiones con asiento, sistemas de placas aleta
En el montaje de estructuras de acero, las conexiones atornilladas ofrecen numerosos beneficios. Los principales sistemas utilizados actualmente son:
- Conexiones con placas extremas, que facilitan la transmisión de momentos desde el alma inferior hasta el ala superior en tracción o desde el alma inferior hasta el ala superior en compresión.
- Conexiones con asiento, que proporcionan soporte vertical con la ayuda de una escuadra angular inferior.
- El uso de conexiones con placas aleta ha ganado cierta popularidad. Se afirma que este tipo de conexiones reduce el tiempo necesario en obra para conectar los elementos.
Como se indicó anteriormente, el propósito principal de todos estos sistemas de conexión es reducir los requisitos de tolerancias en diseño y construcción, afectados por diversas modificaciones. Recientemente se realizaron ensayos sobre placas extremas extendidas (EEP), que mostraron una mejora en la resistencia a momentos de hasta un 15 % en comparación con un diseño de espesor nulo. La variabilidad de los cambios en obra es mayor que la normalmente admitida en el diseño estructural.
Factor de conexión Soldado Atornillado
Velocidad de instalación: rápida (prefabricada) / lenta (soldadura in situ)
Flexibilidad de modificación: limitada (soldadura) / flexible (prefabricada)
Complejidad de la inspección: requiere ensayos no destructivos / inspección visual (prefabricada)
Una resistencia superior a las vibraciones requiere el uso de tuercas de seguridad
Diversas consideraciones de diseño para conexiones de acero eficientes y económicas (prefabricada)
Transmisión de momentos, ductilidad y eficiencia de la unión
En los marcos resistentes a momentos, se requiere ductilidad para controlar la cantidad de deformación lateral del marco. Para controlar la deflexión de las conexiones a momentos, la ductilidad de la conexión debe ser suficiente para absorber la deformación del marco. Las conexiones deben diseñarse para lograr el nivel requerido de ductilidad. Durante un evento sísmico, si las conexiones se diseñan de forma excesivamente rígida, podrían fallar de manera frágil y prematura. Esto no significa que se recomiende una conexión extremadamente flexible; es necesario encontrar un compromiso ideal.
Diseño y montaje de sección en forma de H
Durante el montaje en obra, el protocolo consiste en apretar los elementos de fijación de alta resistencia hasta aproximadamente el 70 % del par total, alineando las vigas dentro de un límite de L/500. Hasta que el 75 % de las uniones alcancen su resistencia total, las estructuras requieren arriostramiento temporal. Esto ayuda a minimizar los inconvenientes en obra. Una distribución uniforme de cargas contribuye a mejorar el desempeño de la estructura.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son los distintos tipos de uniones en una estructura de marco de acero?
Los distintos tipos de uniones en estructuras de marco de acero incluyen, entre otros, soldadura, atornillado, remachado y uniones con pasador.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar una unión soldada en una estructura de marco de acero?
El uso de una unión soldada produce una unión con mucha mayor rigidez y, por tanto, desempeña un papel fundamental en el desempeño de la estructura de marco. Además, una unión de marco permite que la estructura soporte la carga de forma uniforme, distribuyéndose esta sobre el área de la unión.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar uniones atornilladas en una estructura de marco de acero?
La principal ventaja de utilizar una conexión atornillada es que la estructura del bastidor se puede ensamblar, desmontar y transportar fácilmente. Las conexiones atornilladas de los elementos del bastidor se pueden transportar con facilidad si la estructura es grande.
¿Cuáles son las conexiones del bastidor para una estructura de acero y cómo se diseñan?
Los momentos de carga que actúan sobre un bastidor determinado se transfieren a los elementos adyacentes. Las uniones en las estructuras de acero se diseñan para facilitar y reducir los costos de construcción de las estructuras.