Tipos básicos de conexiones en la construcción de estructuras de acero
Los edificios con estructura de acero requieren la intervención de detallistas especializados en acero para garantizar conexiones estructurales robustas entre vigas y columnas, ya que deben abordar adecuadamente las fuerzas estructurales. Las conexiones constructivas entre pares de viga-columna pueden lograrse mediante soldadura, atornillado, remachado y empotramiento con pernos o empotramiento fijo. Los soldadores pueden fundir los materiales de acero entre sí para formar una trayectoria de carga restringida de acero robusta, lo cual es deseable al rigidizar una estructura frente a momentos flectores. En cambio, los tornillos resultan más adecuados cuando se requieren estructuras flexibles y móviles. Estos elementos de unión estructural, como los tornillos de grado 8.8, ofrecen grandes ventajas cuando los contratistas estructurales deben realizar ajustes en las conexiones sobre el terreno, lo cual resulta especialmente importante en la rehabilitación sísmica de estructuras o cuando las conexiones estructurales no encajan perfectamente. Las conexiones remachadas se consideran obsoletas y suelen encontrarse únicamente en estructuras históricas; no obstante, presentan la ventaja de resistir las oscilaciones gracias al proceso único de formación sin calentamiento. Las conexiones articuladas permiten cierta rotación de los elementos estructurales, lo cual es fundamental en puentes para absorber la dilatación y contracción provocadas por los cambios de temperatura. Por su parte, las conexiones fijas realizan exactamente lo opuesto a las articuladas, al inmovilizar los elementos estructurales en una posición determinada; esto es fundamental en rascacielos resistentes a cargas laterales para asegurar su estabilidad. Su valor estético es importante, pero los ingenieros estructurales deben considerar también una instalación más sencilla y rápida, los costes asociados a la estructura y el nivel previsto de mantenimiento futuro de la misma.
Conexiones soldadas frente a conexiones atornilladas entre vigas y columnas
La soldadura proporciona resistencia, un mejor control y el cumplimiento total de la norma EN 1993-1-8
La soldadura de vigas a columnas en estructuras de acero incrementa la rigidez global y permite una mejor distribución de las cargas a lo largo de toda la estructura. Las uniones soldadas con penetración total, cuando se ejecutan correctamente, resultan más eficaces para crear uniones sólidas que las uniones realizadas con múltiples tornillos, especialmente cuando dichas uniones están sometidas a cargas constantes a lo largo del tiempo. La norma EN 1993-1-8 se ha convertido en un referente industrial por numerosas razones destacables. Dichas especificaciones exigen la intervención de personal cualificado, con conocimientos sólidos sobre sus funciones y responsabilidades, incluida la inspección de las soldaduras. La mayoría de los talleres llevan a cabo ensayos ultrasónicos para detectar posibles defectos en las soldaduras. Este tipo de soldaduras elimina los problemas asociados al uso de tornillos (por ejemplo, el aflojamiento de los tornillos), pero su diseño y manipulación en obra exigen una mayor responsabilidad y cuidado por parte de los trabajadores. En particular, deben controlarse los cambios relacionados con las condiciones meteorológicas que se producen durante el proceso de soldadura.
Conexiones atornilladas: sistemas de placa terminal, de asiento y de placa de aleta
Desde el punto de vista del ensamblaje de módulos, la conexión atornillada ofrece las mayores ventajas en la construcción de estructuras de acero. Actualmente, los tipos de conexión más dominantes y ampliamente aceptados incluyen los siguientes tres:
- Conexiones con placa terminal que facilitan la transmisión del momento desde la tracción inferior a la superior o desde la compresión inferior a la superior (y viceversa).
- Conexiones de tipo asiento que proporcionan soporte vertical mediante una o varias escuadras angulares inferiores.
- Sistemas de conexiones con placa de aleta que permiten un montaje más rápido en obra mediante el plano de corte simple.
La mayoría de los sistemas, tal como se describen anteriormente, están diseñados para lograr el objetivo de abordar los cambios en las tolerancias estructurales y las modificaciones. En las recientes pruebas estructurales, las Placas Extremas Extendidas (EEP) han demostrado una mejora de hasta un 15 % en la resistencia a momentos en comparación con los diseños al ras. Los ajustes en obra permiten un mayor grado de variabilidad en la fabricación y el diseño estructurales de lo que normalmente se requeriría.
Factor de conexión Soldado Atornillado
Velocidad de instalación Lenta (soldadura en obra) Rápida (pre-fabricada)
Flexibilidad de modificación Limitada Flexible
Complejidad de inspección Requiere ensayos no destructivos (END) Comprobación visual
Resistencia a la vibración Superior Requiere tuercas de seguridad
Consideraciones de diseño para conexiones seguras y económicas de estructuras de acero
Transmisión de momentos, ductilidad y eficiencia de la unión
Las estructuras de acero alcanzan un rendimiento óptimo cuando las uniones proporcionan un equilibrio adecuado entre la transmisión de momentos y la deformación. Con uniones rígidas, debe existir un equilibrio entre evitar una excesiva deformación y, al mismo tiempo, distribuir suficientemente las cargas a otros elementos de la estructura. En el caso de uniones articuladas, los requisitos son, de hecho, aún más exigentes, ya que dichas uniones deben poseer suficiente flexibilidad rotacional para garantizar la ausencia de concentraciones de tensiones que provoquen rotura al someterse a presión. La ductilidad es de importancia fundamental en el diseño sísmico. Se requiere disipar energía mediante deformaciones controladas en las uniones hasta un modo de fallo predeterminado cuando la estructura esté sometida a movimientos sísmicos. La eficiencia general de las uniones está directamente relacionada con el coste total de la estructura. Con un buen diseño de uniones, se logra el rendimiento requerido utilizando menos material, manteniendo al mismo tiempo la rigidez necesaria. No es infrecuente que el diseño de uniones figure entre las principales prioridades de los ingenieros estructurales, especialmente cuando se desea que la resistencia a momentos de la unión sea del 90 %, permitiendo simultáneamente su rotación. Esto normalmente exige compromisos y equilibrios entre los distintos parámetros de rendimiento.
Documentación para el diseño y montaje de secciones en forma de H
En el montaje en obra, el protocolo consiste en apretar los elementos de fijación de alta resistencia hasta aproximadamente el 70 % del par máximo, asegurando que la alineación de la viga no supere un límite de L/500. Las estructuras requieren arriostramiento temporal hasta que el 75 % de las conexiones alcancen su resistencia total. Esto minimiza los problemas en obra, ya que el apriete de los tornillos suele agravar dichos problemas debido a una mala alineación. Una distribución uniforme de las cargas a través de la estructura garantiza un rendimiento óptimo.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son los tipos de conexiones para estructuras de acero?
Comúnmente, las conexiones se clasifican como soldadura, atornillado, remachado y articulaciones con pasadores o fijas.
¿Cuál es la ventaja de utilizar uniones soldadas en estructuras de acero?
La ventaja de las uniones soldadas radica en el aumento de la rigidez y, por ende, en un buen comportamiento de la sección bajo carga, gracias a una adecuada distribución de la carga ante una carga uniforme sostenida.
¿Cuáles son las ventajas de las uniones atornilladas en la construcción metálica?
Las ventajas de las uniones atornilladas derivan de la construcción modular, la flexibilidad para reconfigurarlas y las tolerancias estructurales, lo que facilita los ajustes in situ.
¿Cómo afectan los principios de diseño a las conexiones de los marcos en la construcción de acero?
Los principios de diseño en la construcción de acero se centran en equilibrar la transmisión de momentos, la ductilidad y la eficiencia de las uniones, de modo que la construcción sea segura, duradera y económica.