Héctor Soto Rodríguez. Director general del Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil.
Las diversas conexiones de acero estructural de un edificio constituyen una parte extremadamente importante de su estructura. De nada sirve efectuar un diseño engorroso de cada uno de los miembros estructurales de un edificio de acero, con apego a normas y especificaciones estrictas y restrictivas, si se tiene un descuido en la conceptualización, análisis, diseño, detallado y fabricación de las diversas conexiones.
Óscar de Buen López de Heredia, a quien el Colegio de Ingenieros Civiles de México otorgó el Premio Nacional de Ingeniería Civil, dijo: “El diseño de las conexiones estructurales trabe-columna de acero es, al mismo tiempo, un arte y una ciencia.”
En un edificio de acero, cada elemento estructural –columna, viga principal (trabe), viga secundaria, armadura, diagonal de contraventeo u otro– resiste las acciones que actúan sobre él directamente o mediante otros elementos, y las transmite a través de sus conexiones a aquellos en los que se apoya.
Si las conexiones no se diseñan correctamente, pueden representar el punto débil de la estructura, especialmente en edificios ubicados en zonas de moderada y alta sismicidad en las que las acciones horizontales o laterales inducidas por los sismos son significativas. Los casos de fallas de estructuras de acero durante varios temblores ocurridos en el mundo se atribuyen particularmente a diseños inadecuados de las conexiones o a deficientes procedimientos de ejecución de las uniones.
Elección de las conexiones
Seleccionar las diversas conexiones de acero constituye uno de los aspectos más importantes en el diseño de estructuras ordinarias y especiales (o de características poco comunes) de este material, pues define cómo se transmitirán las acciones internas (elementos mecánicos) de unos miembros estructurales a otros, lo que influye decisivamente en su forma de trabajo y en las dimensiones requeridas para acomodar los elementos de unión: soldaduras de filete, de penetración parcial, completa, de tapón o de ranura, y tornillos de alta resistencia ASTM A 325 (NMX-H-124) y A490 (NMX-H-124).
Los detalles de las juntas o conexiones estructurales con frecuencia gobierna el diseño de los miembros estructurales, por lo que las uniones son uno de los criterios de mayor importancia en la elección del tipo de perfil laminado o soldado adecuado (la magnitud de las fuerzas que ha de resistir un elemento estructural al igual que la mayor o menor dificultad con que puede unirse al resto de la estructura).
Este problema debe tenerse en mente en las primeras etapas de un proyecto estructural, ya que existe una relación entre el diseño de los diferentes miembros de la estructura y el tipo de conexión propuesto.
Las conexiones de acero estructural transmiten los momentos flexionantes, fuerzas cortantes y fuerzas normales entre vigas y columnas, diagonales de contraventeo-trabe-columna, con lo que se logra que todos los miembros de una estructura trabajen en conjunto.
Los detalles de las juntas o conexiones estructurales gobiernan frecuentemente el diseño de los miembros estructurales, por lo que las uniones son uno de los criterios más importantes en la elección del tipo de perfil laminado o soldado adecuado (la magnitud de las fuerzas que ha de resistir un elemento estructural y la mayor o menor dificultad con que puede unirse al resto de la estructura).
Un diseño correcto de las conexiones estructurales trabe-columna y de otras uniones garantiza seguridad, pero también representa una parte significativa del costo del edificio de acero, por lo que la mejor unión es aquella sencilla, práctica, económica y segura.
Es sabido por la comunidad ingenieros estructurales que una estructura de acero no tendrá un nivel de seguridad adecuado si las conexiones trabe-columna están mal concebidas, mal diseñadas y pobremente detalladas.
Comportamiento e importancia de las conexiones
El comportamiento de las conexiones trabe-columna es muy complejo; en muchos casos es imposible describirlo en términos de fórmulas simples. Por esta razón, las fórmulas que se derivan analíticamente a menudo requieren modificaciones para ser consistentes con los resultados de las pruebas de laboratorio.
La solución final de las conexiones trabe-columna depende de numerosos factores: criterio y experiencia del estructurista, tipo, forma y tamaño de las piezas que se van a unir, tipos de solicitaciones en los elementos afectados, tipos y características de los sujetadores empleados (tornillos de alta resistencia ASTM A325 y A490 y soldadura estructural) y tipo de acero con el que se fabrican los miembros estructurales. En la etapa de estructuración de un edificio de acero debe analizarse cuidadosamente el tipo de conexión que se utilizará: atornillada o soldada.
De manera general, se recomienda realizar la soldadura en el taller y reducirla en la obra. Sin embargo, hay casos especiales en que, de acuerdo con el tipo de estructura propuesto, el uso de la soldadura podría resultar más conveniente como principal medio de unión en las conexiones trabe-columna.
Normalmente la falla de una conexión representa un punto débil de la estructura o de un elemento estructural, lo que puede llevar incluso al colapso parcial o total del edificio. Por lo tanto, la concepción, análisis, diseño y detallado de las uniones trabe-columna, independientemente de que sean atornilladas o soldadas, requieren precauciones especiales por parte del diseñador.
En este sentido, el estructurista debe tener conocimientos profundos de los aspectos fundamentales del comportamiento, diseño y fabricación de las conexiones rígidas trabe-columna precalificadas por el Instituto Estadounidense de Construcción con Acero (AISC, por sus siglas en inglés).
Responsabilidad en el diseño de las conexiones
El diseño de las conexiones de la estructura de acero entraña una gran responsabilidad por parte del estructurista. Hay varios enfoques sobre a quién le compete esta actividad: diseñador o fabricante. Tradicionalmente en nuestro país, es común que la responsabilidad del diseño de las uniones se atribuya a los ingenieros estructurales, a diferencia de Estados Unidos, donde es usual que el proyectista o calculista sólo establezca los criterios de dimensionamiento y sea el fabricante quien diseñe las diversas uniones de acero estructural.
Universo de las conexiones de acero estructural
En estructuras elaboradas con acero, a diferencia de otros sistemas constructivos, existe una gran variedad de uniones o conexiones estándar. En vista de la diversidad de detalles que se pueden emplear en éstas, es fundamental que el diseñador tenga conocimientos profundos sobre su comportamiento, especialmente en zonas sísmicas.
Las conexiones se diseñan “a mano”, siguiendo las disposiciones del capítulo F, Diseño de conexiones, especificación ANSI-AISC-360-16, o por medio de programas de computadora reconocidos por la ingeniería estructural mundial (RAM Connection v11.0, Robot, STAAD PRO, ETABS, RISA 3D, etcétera).
A continuación se exponen los requisitos generales que deben satisfacer las conexiones de acero estructural.
Sencillez. Es deseable que la junta sea lo más sencilla posible para reducir aquellos puntos potenciales que atenten contra la seguridad de la estructura durante sismos fuertes o de intensidad moderada. El uso de columnas y trabes HSS (secciones estructurales huecas) en edificios de acero exige colocar refuerzos exteriores, que pueden resultan caros.
Precisión geométrica aceptable (tolerancias). Los elementos que integran la junta deben permitir la unión sencilla, sin tener que hacer ajustes que impliquen un costo adicional en campo.
Resistencia. La conexión debe ser capaz de resistir las acciones o elementos mecánicos que le transmiten los miembros estructurales (trabe, viga secundaria, columna, contraventeo) que une. La resistencia de la conexión de cada trabe debe ser suficiente para desarrollar la resistencia en flexión de las vigas.
Rigidez. La conexión debe tener la suficiente rigidez para conservar las posiciones relativas de los elementos que une. Esta característica está asociada al tipo de apoyo supuesto en el análisis de las conexiones. Un apoyo rígido es aquella columna que recibe una trabe en un marco rígido, mientras que un apoyo articulado corresponde a la unión de una viga secundaria con una trabe. En la bibliografía especializada se reconocen tres tipos de uniones según su rigidez: conexiones a momento (rígidas), semirrígidas y flexibles. En nuestro medio, prácticamente los dos tipos de uniones comunes son rígidas y flexibles. Debe aclararse que no existen conexiones cien por ciento rígidas, ni uniones cien por ciento flexibles; las primeras transmiten un porcentaje alto de momento flexionante, y las segundas, un momento flexionante relativamente bajo que suele despreciarse para fines de diseño estructural.
Continuidad. Las conexiones trabe-columna rígidas deben ser capaces de transmitir los elementos mecánicos calculados en los miembros que liguen (momento flexionante, fuerza cortante y fuerza axial), satisfaciendo al mismo tiempo las condiciones de restricción y continuidad supuestas en el análisis de la estructura.
El empleo de juntas que aseguren un determinado grado de continuidad supone un ahorro de acero debido a la posibilidad de diseñar una estructura como continua (conexiones a momento).
El análisis de los marcos rígidos de un edificio de acero (marcos resistentes a momento) se basa en la suposición de que hay continuidad completa en las conexiones entre trabes y columnas, las que transmiten los elementos mecánicos íntegros, sin desplazamientos lineales o angulares relativos entre los extremos de las barras que concurren en cada nudo.
Para que el comportamiento real de la estructura corresponda al supuesto no basta con analizar y diseñar vigas y columnas con gran precisión; se requiere también que las uniones entre ellas se diseñen y construyan de manera que se satisfaga esta suposición.
Las conexiones rígidas (a momento) desarrollan la capacidad total de los miembros conectados y mantienen los ángulos entre los ejes de las piezas sin cambio ante cualquier rotación de la junta. En el análisis de la estructura se considera que la conexión no admite rotaciones relativas, es decir, que el ángulo entre las tangentes a los miembros unidos, en el punto común, se conserva sin cambio significativo durante las deformaciones del sistema.
Capacidad de rotación. La conexión debe admitir rotaciones importantes conservando resistencia y rigidez suficiente de manera que se formen articulaciones plásticas en los elementos que conecta, preferentemente en trabes, y por lo tanto, permitir la capacidad de deformación plástica de la estructura.
Ductilidad. La ductilidad de una conexión trabe-columna y de la propia estructura de acero se puede lograr siempre y cuando se cumplan una serie de recomendaciones que permiten aprovechar las propiedades inherentes del material y de la estructura. El acero es un material particularmente dúctil, pero en ciertas condiciones especiales puede fallar de una manera frágil.
Economía. La decisión respecto a que las conexiones estructurales trabe-columna sean soldadas o atornilladas depende de varios factores, como se discute más adelante. No obstante, las uniones estructurales, independientemente del tipo de conector empleado (soldadura estructural, tornillos de alta resistencia ASTM A325 o A490), deben adecuarse a condicionantes económicas desde la etapa de su concepción. El costo de los elementos de unión (tornillos de alta resistencia, soldadura y remaches), así como de los perfiles que forman la junta (placas, ángulos, tes, etc.) y de los procesos de fabricación en taller debe ser económicamente razonable.
Transporte. Otro aspecto importante que influye en el costo de las conexiones trabe-columna es el transporte. En México, normalmente las columnas tipo árbol se enviaban a la obra en longitudes que representan cuatro o cinco niveles, longitud autorizada en las carreteras federales del país y dentro de las grandes ciudades.
Facilidad durante el montaje. Las juntas deben facilitar su posición definitiva en obra. Como se mencionó, las conexiones atornilladas son rápidas de armar en campo; sin embargo, ameritan mayor precisión geométrica y pueden conducir a soluciones preventivas o correctivas más inciertas que las que se adoptan en conexiones soldadas si no se toman en cuenta sus características.
Protección contra el intemperismo. Las conexiones deben protegerse contra la corrosión y los efectos de un incendio.
