27 Sep CONEXIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

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Ing. MARIO ABRAHAM MONTAÑO MOLINA 27 de septiembre de 2021. Hermosillo, Sonora, México.

En el mundo de la ingeniería estructural existen muchas vertientes las cuales son muy diversas y tienen un amplio margen de estudio.

Particularmente la vertiente que a mí me apasiona es la de estructuras de acero, donde con ayuda de perfiles estándar o secciones armadas trabajan en conjunto para dar soporte y seguridad a nuestra estructura, lograr que cada pieza tenga una función específica y haga su trabajo de una manera eficiente.

Para que todo esto funcione es muy importante que las piezas estén conectadas unas a otras y es ahí donde encontramos el interesante tema de las CONEXIONES DE ACERO.

Gran parte de las fallas graves que se dan en las estructuras de acero es por un mal diseño o una mala ejecución en las conexiones, es por eso que se debe cuidar a detalle cada uno de los pasos necesarios para definir nuestras conexiones.

A lo largo de una serie de publicaciones que llamaremos “CONECTANDO” iremos analizando el tema cada vez más a detalle, pero en esta ocasión hablaremos de los puntos importantes a tomar en cuenta para caracterizar que tipo de unión tenemos y decidir el tipo de conexión que será requerida.

El primer punto que hay que entender antes de definir como se unirán nuestros elementos de acero es muy importante saber si se trata de una unión empotrada, articulada o parcialmente empotrada. Esta información la debe de tener muy clara el ingeniero calculista, ya que dependerá de la complejidad y costo de la conexión. En una conexión empotrada se concentran diferentes esfuerzos en diferentes direcciones, pero en el mismo punto, es decir, esa conexión debe estar preparada para soportar momentos flexionantes, esfuerzos cortantes, esfuerzos axiales, torsiones, etc. Para esto debemos conocer cada uno de ellos y su magnitud.

Por ejemplo, en la imagen se muestra que se propone hacer una conexión empotrada viga-columna, por lo que se considera el esfuerzo de cortante indicado como “V2” y una dirección hacia abajo, también se indica el esfuerzo a momento como “M33” con el sentido de giro indicado considerado como positivo y también aparece el esfuerzo “Axial” que se indica a lo largo del eje longitudinal de la viga.

Entonces en este caso, la viga le va a transmitir todos esos esfuerzos a la columna por lo que hay que proponer los elementos suficientes para que la conexión no falle.

Para una conexión articulada como se muestra en el siguiente diagrama, los esfuerzos de momento tienen un valor de cero en los apoyos, por lo que la conexión solo transmitirá esfuerzos de cortante.

Como vimos anteriormente, el esfuerzo de cortante se representa con la nomenclatura V2, considerando su valor positivo hacia abajo. En este caso como el esfuerzo a momento es cero, no se contemplará ningún esfuerzo de momento para la nomenclatura M33.

Naturalmente, una conexión empotrada deberá cumplir también en la mayoría de los casos con las solicitaciones de esfuerzos de una conexión articulada, es decir, los esfuerzos a cortante.

A continuación, se muestran algunos ejemplos para proponer una solución para esta conexión tipo empotrada.

Ambas conexiones dan solución a las solicitaciones de esfuerzos de una conexión empotrada. Particularmente estas dos conexiones mostradas en las imágenes anteriores se consideran como “conexiones precalificadas” según ANSI/AISC-358-16 (en futuros artículos abordaremos la utilidad de trabajar con este tipo de conexiones).

La primera imagen muestra placas de momento en los patines superior e inferior de la viga (color morado), estas placas transmitirán el momento a la columna por medio de sus patines y a su vez, en la columna se tiene placas atiesadoras soldadas al alma (color verde), esto para evitar una falla local en el alma de la columna. Para dar solución a los esfuerzos de cortante se tiene un ángulo soldado del patín de la columna al alma de la viga. Este elemento se encargará de transmitir y soportar los esfuerzos cortantes.

Al momento del montaje, las placas de momento y el ángulo de cortante tendrán que ser soldados en sitio. Las placas atiesadores pudieran ser soldadas en taller.

La segunda imagen muestra una conexión tipo “End Plate” en la cual se suelda una placa al final de la viga en todo su perímetro, con lo que garantiza la unión de los patines a la columna que son quienes transmitirán los esfuerzos de momento a la columna. La columna tendrá que tener esos barrenos en uno de sus patines para recibir la viga con tornillería. De igual manera que en la primera imagen, se proponen placas atiesadoras (color verde) en el alma de la columna para evitar fallas locales en el alma de la misma.

Para el montaje se requiere solamente de la tornillería, toda la soldadura de estos elementos puede ser aplicada en taller.

Solo ejemplificando las conexiones articuladas, se muestran a continuación dos ejemplos, en los que podemos ver que se cuenta solo con los elementos que soportan los esfuerzos a cortante y no es necesario la disposición de placas atiesadores ni de momento. Este tipo de conexiones suelen ser muy sencillas.

Como podemos darnos cuenta en las conexiones ejemplificadas, dan solución a los esfuerzos, pero tienen una manera diferente de fabricarse y sobre todo un método de montaje distinto. He aquí la importancia de conocer a detalle la disposición que tenemos de los tipos de conexiones para hacer su buen diseño y poder proponer la que más nos convenga dependiendo de los recursos con los que se contarán en la obra.

Por ejemplo, para un proyecto donde en obra se tiene mano de obra calificada a la mano, y la aplicación de soldadura no son en partes muy elevadas, pudiera convenir la propuesta de la conexión de la primera imagen.

En cambio, si tenemos una obra donde no se cuenta con energía eléctrica disponible, o se requiera hacer un montaje muy rápido de las piezas por algún colado de losa de entrepiso o alguna situación similar, pudiera convenir proponer la conexión de la segunda imagen, donde los trabajos en sitio no requieren soldadura calificada, solo la revisión del torque de la tornillería.

Puede que los precios de hacer una conexión u otra pudiera variar dependiendo de costo de la mano de obra del lugar de los trabajos, la disponibilidad de la misma, los tiempos requeridos de ejecución, el tipo de sistema constructivo, etc.

En conclusión, el primer paso para la determinación de un tipo de conexión es saber que tipos de esfuerzos soportará y saber la disponibilidad de recursos tanto en taller como en obra para poder proponer conexiones que aporten mayor eficiencia a nuestros proyectos.

Ing. MARIO ABRAHAM MONTAÑO MOLINA

Ingeniero Civil egresado de la Universidad de Sonora, con estudios de posgrado de Maestría en Estructuras en la Universidad La Salle Noroeste. Miembro del Colegio de Ingenieros Civiles de Sonora. Director Responsable de Obra DGDU/DRO-263 ante el Ayuntamiento de Hermosillo. Capacitador acreditado CYPE. Empresario.

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