Tecnologia Estructural : Criterios para estructuras un edificio en acero II parte - Héctor Soto Rodriguez /México)

Criterios para estructuras un edificio en acero - Héctor Soto Rodriguez /México)

49. Anteriormente entregamos recomendaciones para estructuración en general. Aquí se entregan recomendaciones aplicables en particular a la estructuración de edificios.

Poco peso: en general, menor peso significa menores fuerzas inerciales, por lo que una estructura más liviana será menos solicitada ante terremotos. Sin embargo, si el menor peso se logra usando miembros estructurales más pequeños, se pueden producir problemas de excesiva deformación a nivel de servicio ante cargas de viento y sismos frecuentes.

Sencillez, simetría y regularidad en planta: la idea es evitar excentricidades en planta, para evitar la torsión y sus indeseables efectos.

Plantas poco alargadas: a mayor largo o ancho la magnitud de la posible excentricidad accidental aumenta y la rigidez torsional de la planta disminuye, por lo que un edificio con plantas alargadas es más vulnerable a la torsión.

Uniformidad en altura: la uniformidad está relacionada con la forma de la solicitación lateral. Esta recomendación apunta a evitar la formación de pisos débiles en un edificio.

Hiperestaticidad y líneas escalonadas de defensa estructural: proveen mayor seguridad de la estructura ante fallas de algunos de sus miembros estructurales.

50. Formación de articulaciones plásticas en miembros horizontales antes que en los verticales para sismos excepcionales: es lo que se conoce comúnmente como criterio de viga débil-columna fuerte. La formación de articulaciones plásticas en miembros verticales (columnas) puede llevar a la formación de pisos débiles.

Propiedades dinámicas de la estructura adecuadas al terreno: si las frecuencias de vibración del edificio son muy cercanas a las del suelo, se puede producir resonancia con efectos catastróficos para la estructura.

51. La estructuración en acero provee varias ventajas, entre las cuales se puede destacar:

1.Variedad de secciones estructurales: permite una mayor libertad en la selección de miembros.

2.Alta resistencia: permite utilizar elementos más livianos

3.Ductilidad: provee una mayor capacidad de deformación inelástica

4.Rapidez constructiva: debido a la variedad de secciones y la forma de conectar miembros estructurales, la construcción en acero es mayormente ensamblaje, por lo que avanza mucho más rápido que la construcción en otros materiales.

52. 

5.La alta resistencia del acero permite tener espacios libres mayores entre columnas.

6.Esta misma alta resistencia permite obtener estructuras más livianas que una similar de concreto.

7.El tipo de conectividad entre miembros de acero permite ampliar o remodelar con mayor facilidad que estructuras de concreto.

53.

Estas son algunas recomendaciones para maximizar las ventajas de estructurar en acero:

1.Usar distancia entre columnas estándar: normalmente 9 metros es un valor óptimo, sin embargo, debe adaptarse a la realidad de los diferentes países y proyectos.

2.Ubicar muros de cortante y arriostramientos en lugares donde no interfieran con la arquitectura. Como alternativa, los marcos rígidos ofrecen amplios espacios abiertos sin interferencia.

3.Salvo que el tamaño del proyecto lo justifique, es mejor utilizar secciones disponibles en el mercado y evitar la fabricación de secciones especiales.

54.

4.Cuando sea posible, aprovechar la sección compuesta formada por la viga de acero y la losa colaborante para resistir las sobrecargas de uso.

5.Tratar de lograr un diseño modular con repetición de tamaños de elementos. El costo del material adicional se recupera con creces con el menor costo de construcción y la minimización de la ocurrencia de errores en el montaje.

55.

6.Simplificar los detalles de conexiones evitando al máximo las soldaduras en obra, las que generalmente no son de la calidad de las ejecutadas en maestranza. Esto además simplifica el proceso de montaje e la estructura y disminuye la cantidad de andamiaje requerido.

56.

Con toda la información que se ha entregado hasta este punto, es posible ahora entrar en los detalles de la estructuración de edificios en acero.

La estructuración tiene dos objetivos principales:

1.Lograr un nivel de confiabilidad estructural contra la falla de la estructura adecuado para proteger la vida de los ocupantes del edificio, en el caso de sismos severos.

2.Lograr un comportamiento estructural que no interfiera con las condiciones de servicio del edificio para sismos frecuentes y condiciones normales de operación.

57.

Asociado con estos dos objetivos principales, la responsabilidad principal del diseñador es:

1. Evitar poner en riesgo a los ocupantes del edificio durante un sismo severo. Esto significa:

a.Evitar daños severos a elementos estructurales y no estructurales cuya falla pudiera afectar a las personas en el edificio.

b.Diseñar las instalaciones vitales para que inmediatamente después de un sismo severo están en pleno funcionamiento para poder atender la emergencia.

58.

A continuación, entramos más en el detalle de estructuración para cada miembro estructural. Empezaremos con la columnas.

La separación más conveniente entre columnas de edificios ordinarios varía de 9 a 12 m. En este rango el acero resulta la solución óptima. Dentro de lo posible, se debe tratar de tomar ventaja de esto durante la estructuración.

59.

Es recomendable utilizar perfiles comerciales que estén disponibles en el medio. Se privilegia el uso de perfiles W o I robustos debido a su buen desempeño en flexo-compresión, que es el estado de carga más frecuente en columnas, así como por su facilidad de fabricación.

Si la columna está principalmente comprimida y tiene una longitud importante, la solución con perfiles W o I puede resultar en miembros muy grandes y pesados donde el área no se aprovecha en forma eficiente. En estas condiciones, puede ser más económico utilizar secciones compuestas formadas por perfiles unidos por placas o ángulos intermitentes. Se debe evaluar, eso sí, el costo de fabricación de estos elementos versus el costo del acero extra requerido por el perfil W.

60.

Las vigas son los elementos horizontales de los sistemas de resistencia ante fuerzas laterales.

Con respecto a las vigas, también se recomienda utilizar perfiles comerciales que estén disponibles en el medio. En este caso, los perfiles utilizados deben maximizar la inercia y el momento plástico, lo que se logra concentrando el área de la sección en las alas.

La mayoría de las vigas son fabricadas en largos suficientes para cubrir distancias normales entre columnas. Se recomienda evitar empalmes debido al mayor costo de fabricación que representan y la introducción de mecanismos de falla adicionales asociados a dicha conexión.

La recomendación de utilizar la misma calidad de acero en vigas y columnas intenta evitar posibles errores de construcción donde una sección de viga se utiliza como columna, propiciando la falla prematura de esta columna y la formación de un piso débil.

En marcos rígidos es común que la viga quede dimensionada por requisitos de deformación más que resistencia. Si el diseño considera solo resistencia, es posible que la viga resultante sea muy esbelta, con los consiguientes problemas de deflexión excesiva y vibraciones.

61.

Las normas sísmicas modernas privilegian una estructuración que asegure un mecanismo de falla “viga débil-columna fuerte”, es decir, que en la intersección de vigas y columnas se produzcan las articulaciones plásticas en los extremos de las vigas y no en las columnas. Este es un mecanismo global de falla que tiene una capacidad mucho mayor que el mecanismo local de falla de piso débil que resulta de aplicar un criterio de “viga fuerte-columna débil”.

62.

En términos del detallamiento de vigas, se recomienda privilegiar el diseño basado en la flexión y reforzar los lugares donde hay acciones concentradas, como los puntos de apoyo y de aplicación de carga, usando atiesadores del alma.

63.

Cuando estos atiesadores son requeridos, se recomienda ponerlos en ambos lados del alma de la viga para evitar distribuciones de esfuerzos asimétricas que pueden causar una falla local prematura.

64.

En sistemas de piso compuestos, las vigas secundarias distribuyen la carga de las losas a las vigas principales. Además, proporcionan soporte lateral a las vigas principales, evitando con ello el pandeo lateral de éstas.

65.

Las secciones utilizadas comúnmente como vigas secundarias son perfiles laminados tipo W o soldados tipo I, secciones canal (usadas como largueros), secciones I armadas a partir de dos canales y vigas armadas.

Las vigas secundarias actúan como vigas simplemente apoyadas, por lo tanto es recomendable aprovechar la capacidad adicional provista por la losa encima del ala superior que está siempre comprimida, lo que permite usar secciones más pequeñas.

Sin embargo, se debe considerar los requisitos de deflexión y vibración máxima, los que limitan el tamaño más pequeño de viga que se puede utilizar.

Las vigas secundarias son elementos que no tienen ningún grado de redundancia, por lo tanto es importante diseñar cuidadosamente las conexiones entre estos elementos y las vigas primarias, y, si es que existen, los empalmes entre vigas secundarias.

66.

Dependiendo de los requisitos constructivos, en ocasiones se utilizan vigas de alma perforada. Estos elementos permiten el paso de los ductos a través del alma y son muy útiles cuando existen limitaciones de altura. Es recomendable revisar si es necesario reforzar las aberturas debido a las condiciones de carga.

67.

Otro tipo de elementos que se utilizan como vigas secundarias son las vigas tipo joist o de alma enrejada. Su inconveniente es su baja capacidad de carga, lo que obliga a colocar un gran número de joist con separaciones reducidas. Cuando se emplean perfiles tipo W, las separaciones convenientes varían de 2.2 a 4 m y sus claros son similares a los de las vigas principales.

68.

En sistemas de piso de edificios convencionales, es recomendable repetir perfiles para reducir errores y costo de fabricación. En este tipo de edificios, la carga de diseño en niveles intermedios es la misma por lo que la repetición de perfiles de un piso a otro es un resultado natural.

69.

La figura muestra los componentes principales de un sistema de piso. Los sistemas de piso consisten en láminas de acero acanaladas calibre 22 o 24, malla electrosoldada, pernos conectores de cortante y capa de concreto. Se puede ver también la viga que soporta la losa y los conectores de cortante que se requieren para hacer actuar la viga y la losa como una sola sección compuesta.

Donde sea posible, se recomienda usar diseño compuesto. Conviene colocar conectores de cortante, aunque las vigas no se diseñen como secciones compuestas. Sin embargo, no se deben colocar en regiones de alta demanda de deformación inelástica, como los extremos de las vigas principales, donde pueden ser generadores de fracturas prematuras de los miembros estructurales.

Se reitera la necesidad de revisar las deflexiones y vibración del sistema de piso.

70.

Las conexiones son muy importantes en estructuras de acero. Normalmente, la falla de una conexión significa el colapso de un elemento estructural lo que puede llevar incluso al colapso de parte o toda la estructura. Por lo tanto, el detallamiento y la concepción de las conexiones merece una atención especial.

Podemos clasificar las conexiones en tres tipos:

1.Simples: transmiten solo cortante

2.Rígidas: Transmiten cortante y momento. La capacidad es mayor que el mayor momento que se desarrolle en la conexión y la rigidez es muy alta, de modo que la rotación del extremo de la viga es similar a la del nudo.

3.Semi-rígidas: similares a las rígidas, pero con una capacidad menor, de forma que las deformaciones inelásticas se concentren en la conexión. Deben poseer una ductilidad significativa.

71.

Existen algunas recomendaciones generales que se pueden seguir al diseñar conexiones:

La recomendación principal en el caso de las conexiones es evitar a toda costa la falla de la conexión. En el caso de conexiones rígidas y simples, se debe proveer suficiente capacidad para que la falla se produzca en el miembro estructural y no en la conexión. En el caso de las conexiones semi-rígidas, se debe proveer suficiente capacidad de deformación a la conexión para prevenir la falla.

Incluso si la conexión está diseñada para tener mayor capacidad que la requerida, es importante identificar todos los posibles modos de falla y propiciar aquellos modos que tienen más ductilidad. De este modo, si se produce una sobredemanda la conexión no fallará.

En lo posible, se recomienda utilizar detalles de conexión sencillos desde el punto de vista de la construcción y del camino que sigan los esfuerzos a través de ésta. Así se minimizan los problemas asociados a la materialización de una conexión muy complicada en terreno.

Se recomienda aumentar el empleo de soldadura en taller y reducirla en obra. Las conexiones atornilladas presentan mejores ventajas cuando se emplean en obra.

72.

La figura muestra esquemáticamente distintos tipos de conexiones utilizadas para unir vigas y arriostramientos a columnas W.

La forma abierta de las secciones tipo W, utilizadas como columnas, facilita las conexiones con las vigas, ya que se tiene acceso para depositar la soldadura, e instalar los pernos y los elementos de unión por varios lados.

73.

Las secciones tipo cajón empleadas como columnas, dificultan las conexiones con las vigas que unen, por su sección cerrada. Se deben colocar placas de continuidad (atiesadores horizontales) en la columna en conexiones a momento para evitar fallas por punzonamiento o desgarramiento de la pared del tubo.

La figura muestra un detalle donde los atiesadores son externos al tubo. Este detalle proporciona una mayor rigidez a la conexión continua de viga a columna.

74.

En esta conexión las placas atraviesan la columna para una continuidad total sin afectar las paredes de la columna.  Las vigas llegan a las placas. Los extremos de las ménsulas están perforados para la conexión atornillada de las vigas

75.

Detalle igual al detalle anterior, excepto que la viga llega a la columna, en el alma, el patín superior llega al tope con la placa superior, en tanto que el patín inferior se monta sobre la placa inferior.

76.

El acartelamiento del muñón incrementa la rigidez de la conexión.

77.

En esta sección se dan recomendaciones y se muestran detalles estructurales típicos que sirvan como apoyo en la estructuración.

La primera recomendación es preferir el uso de soldaduras de filete siempre que sea posible. Otros tipos de soldadura requieren preparación de las partes a unir, como por ejemplo, biselado, en el caso de soldaduras de penetración, o perforación de placas, en el caso de soldaduras de tapón o de ranura.

78.

La figura muestra dos alternativas a la soldadura de penetración cuando la sección se forma soldando cuatro placas para forman el cajón.

79.

Si es necesario usar atiesadores internos en perfiles rectangulares soldados, soldar primero tres lados con soldadura de filete, luego soldar la cuarta cara con soldadura de filete a las caras perpendiculares y con soldadura de tapón o ranura al atiesador interno.

80.

Cada pasada de soldadura introduce imperfecciones que pueden generar fractura. Por eso es recomendable, siempre que sea posible, especificar tamaños de filete que puedan ser depositados en una sola pasada.

Por otro lado, el proceso de soldadura es un proceso de modificación del material base. El indicar tamaños de soldadura más grandes que los requeridos puede causar un sobrecalentamiento de las piezas a soldar, el que puede causar que el material pierda ductilidad. Además, el calor excesivo puede distorsionar y deformar las piezas haciéndolas inutilizables.

81.

Un ejemplo de utilización de soldadura de filete en una sola pasada es en una viga de sección constante formada por tres placas (de alma delgada) para naves industriales.

82.

La viga también puede ser de sección variable.

83.

Cuando se trata de unir placas más gruesas, es recomendable usar filetes por ambos lados para obtener una unión sólida.

84.

En el caso de vigas secundarias, el uso óptimo de éstas ocurre cuando se orientan según el lado largo de la losa y cuando la losa trabaja en sus dos direcciones.

La utilización de conexiones apernadas entre vigas secundarias y vigas principales es recomendable debido a que se pueden absorber las tolerancias de construcción.

85.

La figura muestra un detalle de conexión de una viga secundaria a una viga principal utilizando una conexión de corte con dos ángulos y rebajando el ala superior de la viga secundaria.

86.

La figura muestra otro detalle de conexión entre la viga secundaria y la principal, el cual no requiere del rebaje del ala superior. Sin embargo, esta conexión tiene una excentricidad más significativa con respecto al alma de la viga principal, por lo que puede inducir esfuerzos de torsión importantes a ésta, los que deben ser evaluados.

87.

En el caso de que el eje de la viga secundaria forme un ángulo distinto a 90 grados con el eje de la viga principal, la mejor solución es una variante del detalle anterior, donde la placa se instala en ángulo.

88.

La figura muestra dos tipos de conexiones tipo end-plate, para el caso de columnas I y para el caso de columnas cajón. En ambos casos las placas del muñón son soldadas usando filetes de soldadura. Además, en el caso de la columna cajón, en general será necesario instalar un atiesador interno.

89.

Dependiendo del espesor de las alas del perfil, será necesario utilizar soldadura de filete o de penetración para unir el perfil a la placa de conexión (end-plate). La soldadura debe ser capaz de transferir todos los esfuerzos generados en el extremo de la viga a la placa base.

90.

Estas son algunas recomendaciones relacionadas con los distintos miembros estructurales:

En edificios de más de dos pisos es siempre necesario empalmar dos o más secciones para formar cada línea de columnas. Cada empalme es un punto de transferencia de esfuerzos en el que puede originarse la falla de la columna. Por eso se recomienda mantener los empalmes al mínimo necesario.

En el caso de columnas, es recomendable aumentar un poco el tamaño de la sección si esto redunda en eliminar gran parte de los atiesadores que serían requeridos para la sección más pequeña. El costo adicional de material es menor que el costo de fabricación asociado a la colocación de los atiesadores, los que además pueden dificultar el hacer las conexiones.

Por una razón similar, el refuerzo de las zonas perforadas en el alma de vigas debe ser mantenido al mínimo requerido.

Finalmente, es recomendable utilizar perfiles de sección cajón o tubular como arriostramientos, debido a su excelente capacidad al pandeo. Las láminas siguientes muestran los detalles típicos de conexión de este tipo de arriostramiento.

91.

La figura muestra el detalle típico de la conexión de un arriostramiento tubular a la viga y columna en un marco arriostrado. La soldadura entre el arriostramiento y la placa de conexión debe necesariamente hacerse en la obra.

92.

En el caso de arriostramientos en V o V invertida, es necesario soldar una placa a la viga para conectar los arriostramientos. La soldadura del arriostramiento a la placa de conexión puede hacerse en obra o en taller. En el segundo caso, el montaje de la viga con los arriostramientos soldados puede hacerse más complicado.