DISEÑO DE UNIONES EN MARCOS.pdf

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Alberto Maccioni Q. [email protected]

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DISEÑO DE UNIONES EN MARCOS DE NAVES LIVIANAS CON SECCIONES TUBEST

1. General idades Las uniones entre elementos de marcos de acero livianos estructurados mediante secciones TUBEST, se han diseñado en Chile tradicionalmente mediante conexiones apernadas dadas las ventajas que este sistema presenta en el montaje de las naves. Es bien conocido que las uniones apernadas minimizan el trabajo de terreno, facilitan el montaje y son más seguras que las uniones soldadas de terreno en que siempre existe un grado de incerteza en la calidad de la ejecución. Sin embargo, hay un factor que se debe considerar en este tipo de uniones, como lo es el mayor control y exactitud de trabajo de taller que requieren para que el ajuste en terreno sea adecuado. Realizar reparaciones de sistemas apernados que no calzan, normalmente significa un daño mayor a la estructura. Por esta razón, es importante que el fabricante se encuentre capacitado para ejecutar en forma correcta uniones apernadas en terreno, de otra forma, a nuestro juicio es preferible diseñar uniones soldadas en obra e inspeccionar las soldaduras resultantes. El diseño de las uniones mencionadas no se encuentra normado ya que estos perfiles son un invento chileno, que se desarrolló para dar solución a los requerimientos de nuestra industria en forma económica y segura. Probablemente los requerimientos de la industria Latinoamericana sean muy similares sino los mismos que se han detectado en Chile, transformándose esta solución en un sistema económico y funcional aplicable en el resto de los países de la Región. Las ventajas del TUBEST son la limpieza de la solución, la esbeltez de los marcos resultantes frente a otras alternativas, contar con una sección cerrada que requiere poco volumen de pintura, con una alta masividad para su peso lo que disminuye los requerimientos de protección ignífuga, y no acumula elementos volátiles, por lo que además es una solución ideal para la industria alimenticia. La facilidad de montaje dada la gran estabilidad de las secciones cajón, unido a la velocidad del trabajo en terreno constituye un conjunto de ventajas importantes respecto a otros sistemas alternativos. Como es conocido, este tipo de estructuras funciona estructuralmente basado en la flexión de las piezas, siendo el esfuerzo de compresión muy bajo. Por otro lado, el esfuerzo de corte existente dada la flexión, es reducido ya que las piezas son muy largas respecto de su altura. El esfuerzo de corte en general no es significativo, salvo en las uniones, y es muy importante tomar ese efecto mediante elementos distintos al alma que es atiesada y por lo tanto puede tener una falla de corte y/o compresión, no investigada actualmente en profundidad desde el punto de vista teórico.



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En este documento se utilizará la especificación del AISC “Specification for Structural Steel Buildings” de 1989 para el dimensionamiento de uniones basado en el método de tensiones admisibles o ASD.

2. Un ión V iga Colu mna La unión viga columna es el punto neurálgico del sistema estructural ya que corresponde al lugar de máximo esfuerzo en el caso de marcos articulados en la base, y para el caso de marcos empotrados en la base, en muchos casos corresponde al esfuerzo máximo o a un valor algo menor al que se produce en la base. En Chile en general se ha tratado de articular la base de este tipo de marcos, de tal modo de no generar zapatas demasiado grandes, por lo tanto las secciones quedan determinadas dados los esfuerzos del nudo de unión viga-columna. Podemos decir que hay dos formas de solucionar el problema del diseño de la unión viga-columna: la primera, realizando una unión soldada en taller en el nudo, desplazando el empalme a cierta distancia lejos del punto de máximo momento, o bien conectando la viga y la columna en dicho punto, según se muestra en la figura siguiente. En el primer caso, la distancia al empalme queda determinada por la posibilidad de trasporte o por el tamaño de la piscina de galvanizado para el caso de que la estructura tenga una protección de galvanizado, muy común en naves que se ubicarán en zonas costeras u otros lugares de alta corrosión.



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En este informe se analiza únicamente el caso de unir la viga directamente a la columna, ya que el caso de empalmar a cierta distancia puede ser abordado de una forma similar. Cuando se une con pernos la viga y la columna en el nudo, se trata de trasmitir todas las fuerzas presentes mediante planchas o perfiles. Se muestra en la figura de la página siguiente la distribución de las fuerzas en los elementos de trasmisión de acuerdo a las hipótesis que se señalan. La suposición para la determinación de las línea de fuerzas es que la flexión y esfuerzos axiales de las piezas se trasmiten a través de las alas de las secciones y se entregan a planchas de traspaso co nectadas mediante pernos. El esfuerzo de corte en la zona panel de la columna se debe traspasar mediante elementos auxiliares al alma como lo pueden ser planchas o ángulos. Estos elementos trabajan en compresión y su longitud de pandeo se supone igual al largo de la pieza entre las alas de la sección TUBEST con un factor de longitud efectivo igual a 1,0. Las fuerzas F3 y F4 de la figura siguiente, no se utilizan para el diseño de elementos de la unión, ya que corresponde a los esfuerzos en las alas producto de la flexión y cargas axiales en la columna, ya considerados en el diseño de ésta.

Mediante las fuerzas F1 y F2 se diseñan las placas de unión de alas y sus pernos, debiéndose chequear de acuerdo al AISC la fluencia en el área neta efectiva y la fractura en el área bruta de la placa, el corte-



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aplastamiento de los pernos de unión, el aplastamiento de la placa y la falla de bloque. También se deberá chequear la soldadura de unión de placa a sección TUBEST de vigas. En el ejemplo de diseño se muestra las verificaciones indicadas. Mediante las fuerzas Fd y F2 se calcula los atiesadores necesarios para trasmitir el corte y compresión respectivamente sin hacer trabajar la placa atiesada del alma de la sección TUBEST de la columna. Para determinar la fuerza Fd se procede por equilibrio de la siguiente forma:

3. Uni ón Cumbrera En la figura siguiente se muestra el esquema típico de una unión apernada de vigas en cumbrera para marcos con secciones TUBEST.



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En esta unión, las vigas concurrentes presentan esfuerzos menores que en caso de la unión vigacolumna ya discutida, y por lo tanto en general las capacidades de los elementos serán muy superiores a las demandas producto de las fuerzas actuantes. El diseño de esta unión tiene un tratamiento similar al de la unión viga-columna, pero se recomienda diseñar las piezas de traspaso para esfuerzos no menores al 50% de la capacidad de los elementos concurrentes. Análogamente, para el caso sísmico que corresponde a una respuesta de la estructura y nó a fuerzas reales, se recomienda amplificar los esfuerzos normativos por un factor que nos asegure respuesta elástica de la unión. Los americanos lo llaman factor de sobreresistencia (Ω0), en Chile la práctica es amplificar por dos la acción sísmica en la combinación correspondiente. Si los esfuerzos provenientes de la combinación con el sismo amplificado, aún resulta inferior al 50% de la capacidad de las piezas, se diseña con los esfuerzos correspondientes al 50% de la capacidad de las vigas. No obstante lo anterior, es raro que el efecto sísmico tenga alguna importancia en este tipo de edificios, que son sumamente livianos, pero es importante tener presente el comentario anterior para casos especiales. Se muestra en la figura siguiente la unión típica apernada para el encuentro de vigas en la cumbrera, y las líneas de fuerzas determinadas según la hipótesis conservadora de que las placas son absolutamente rígidas, en tanto los pernos completamente elásticos.

De acuerdo a la suposición anterior, con un giro de cuerpo rígido de la placa, es posible compatibilizar las deformaciones y por tanto las tensiones según se muestra, pudiéndose determinar la posición del eje neutro mediante esta suposición y las ecuaciones de equilibrio. Las tensiones de tracción σ1 y σ2 corresponden a la posición de los pernos, en tanto σ corresponde a la tensión de compresión máxima en la placa. La posición del eje neutro no es conocida inicialmente, por



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lo que será necesario estimar dicha posición, determinar la distancia “y” indicada y chequear que dicho valor sea compatible con la suposición inicial, y en caso contrario reubicar el eje neutro y realizar el procedimiento nuevamente. Este cálculo se simplifica notoriamente si no se utiliza pernos en el alma, lo que es posible normalmente cuando se trata de marcos de dimensiones moderadas (hasta los 20 metros de luz aproximadamente). Una vez conocidas las fuerzas de tracción en los pernos superiores, y las fuerzas distribuidas de compresión de las placas inferiores, es posible calcular los espesores requeridos de las placas extremas calculando los momentos internos con la ayuda de tablas de placas, o bien mediante una modelación unilineal conservadora o con modelos más sofisticados de emparrillados o elementos finitos.

4. Placa Base El dimensionamiento de la placa base de este tipo de estructuras, sigue los mismos procedimientos tradicionales utilizados para secciones doble-té incorporados en la especificación del AISC. Se muestra en la figura siguiente el esquema típico de bases articuladas y empotradas.



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En el caso bases articuladas, se ubica los pernos sobre la línea del eje neutro de la sección, de tal forma que pueda pivotear. En esta condición, la placa base trabaja como elemento plano con flexión en su plano perpendicular con carga uniforme, que se puede solucionar mediante tablas de placas o por modelación unilineal equivalente. Los pernos se dimensionan para las tracciones que pueden tener para combinaciones de viento. El uso de placas de cizalle evita que los pernos trabajen a corte. En el caso de utilizar pernos al corte, se debe calcular la distribución de esfuerzos en el hormigón que fallará por aplastamiento. En Chile lo tradicional es utilizar placas de cizalle, salvo naves de luces muy reducidas. Las placas de cizalle se dimensionan mediante una carga de aplastamiento distribuida que no puede ser mayor a F p=0,35 f´c del hormigón. En el caso de bases rígidas o empotradas, se debe calcular la distribución de esfuerzos de compresión en la base y la tracción de los pernos. Como normalmente la flexión es alta y la carga normal pequeña, se va a producir tracciones en los pernos de anclaje. Un método muy utilizado en Chile es suponer que la resultante de compresiones en el hormigón se ubica bajo el ala comprimida de la columna, con lo cuál la longitud del diagrama triangular de compresiones queda definido, faltando determinar únicamente dos incógnitas: T que es la tracción en los pernos y σ que es la compresión en el hormigón, para lo cuál se cuenta con dos ecuaciones de equilibrio, y por lo tanto el problema está resuelto. En las placas bases empotradas, se acostumbra a colocar los pernos con sillas, lo que permite la inspección de éstos después de ser sometidos a esfuerzos, y rigidizar la placa base y mejorar la trasmisión de fuerzas desde la sección hacia los pernos. Tanto la placa base como las placas de sillas se dimensionan modelando como placas o vigas, en tanto los atiesadores verticales se dimensionan como columnas en compresión.

5. Ejemplo de Diseño Se muestra a continuación un ejemplo completo de diseño de las uniones de este tipo de marcos, en que se ha utilizado las hipótesis ya señaladas, y métodos aceptados en la práctica profesional.



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