Uniones de arriostramiento e IDEA StatiCa

Este artículo es la continuación del artículo sobre cerchas escrito por mi colega – Ralph Pullinger. En primer lugar, la pregunta fundamental es: ¿cuál es la diferencia entre arriostramiento y cercha? Hay cierto solapamiento entre estos temas, como puede imaginarse. 

Esencialmente, un arriostramiento es un elemento único que soporta, refuerza o consolida algo, mientras que una cercha suele ser una parte completa de la estructura y está formada por muchos elementos. En otras palabras, el arriostramiento puede ser parte de una estructura de cercha. Por supuesto, algunos sistemas de cerchas necesariamente requieren arriostramientos para completarlos – especialmente en el mercado de la vivienda. Incluso los elementos dentro de algunas cerchas actúan como arriostramientos.

Pero, ¿dónde se encuentran, y se utiliza el sistema de arriostramiento solo en estructuras de acero? En absoluto. Normalmente los encontrará tanto en edificios de acero como en edificios con estructura de madera. Menos en una estructura de hormigón, a menos que existan razones específicas, como una rehabilitación o un refuerzo.

Sistemas de arriostramiento utilizados en estructuras de acero

En los sistemas estructurales de acero, un arriostramiento se define generalmente como un elemento que solo soporta carga axial (ya sea compresión o tracción). Si un arriostramiento tuviera que soportar un momento, esto significaría que debería definirse como una viga o un pilar. Los arriostramientos no están restringidos al eje horizontal o vertical. También se utilizan en planos inclinados (como un plano de cubierta). Los arriostramientos transfieren invariablemente acciones. Principalmente, su objetivo es transferir cargas horizontales, como el viento, hacia un mecanismo de apoyo – generalmente las cimentaciones.

Los arriostramientos pueden adoptar la forma de cables, pletinas, angulares, barras, secciones huecas e incluso secciones en I. Tradicionalmente siempre se concibieron para estar ocultos, pero también existen varios ejemplos en los que quedan expuestos y se realzan.

Un hermoso ejemplo de simbiosis entre arquitectura e ingeniería estructural que revela los arriostramientos y los detalles de sus uniones en la fachada se puede encontrar en España en el edificio conocido actualmente como el Hotel Arts Barcelona. Aquí, las uniones de acero estructural están casi al alcance de la mano y son observables por los huéspedes del hotel. Vea cómo realizamos este cálculo de diseño de arriostramiento en uno de nuestros webinars.

En los viejos tiempos del 2D (tanto analógico como digital) y, debido al plano en el que operan, los arriostramientos también eran frecuentemente olvidados hasta que se detectaban pasando por delante de una ventana (involuntariamente) o bloqueando el acceso a una puerta. ¿Cuántos recuerdan esas situaciones?

Ahora, con la llegada del BIM, estos problemas de coordinación han desaparecido casi por completo (esperemos). La adopción del Método de los Elementos Finitos también ha permitido un uso más eficiente del material, y los métodos de análisis más rigurosos permiten a los ingenieros ubicar los sistemas de arriostramiento donde funcionarán mejor.

En su forma más simple, un arriostramiento es un elemento que va de un punto a otro. Puede ser un arriostramiento único o formar parte de un sistema de arriostramiento más amplio que forma un patrón. Por supuesto, existe una gran variedad de sistemas de arriostramiento utilizados en las estructuras, desde los típicos arriostramientos en X hasta sistemas avanzados que respetan los requisitos arquitectónicos.

La formación y experiencia de un ingeniero generalmente le guiarán para encontrar posiciones y formas adecuadas de arriostramiento. Esto puede refinarse aún más con el análisis. Es durante este análisis cuando se asume que los efectos adicionales, como las excentricidades, son despreciables. Como siempre mantengo – al ingeniero le gusta mantener las cosas simples.

En el análisis estructural global (pórticos 2D o 3D), verá vigas, pilares y arriostramientos convergiendo en un nodo. En la realidad, esto no puede ser así, ya que siempre hay alguna excentricidad involucrada. Esto también puede modelarse en el Método de los Elementos Finitos y en BIM para que se consideren estos efectos – normalmente, un pequeño desplazamiento hacia arriba/abajo o izquierda/derecha será suficiente.

Lea más en el blog de Jan Kubicek sobre las excentricidades estructurales y sus problemas – ¿Qué pasa si no va en la dirección correcta?

Tipos de uniones de arriostramiento en estructuras de acero

Ahora bien, tenemos una serie de arriostramientos que pueden soportar la carga de cálculo – ¿cómo los conectamos a la estructura principal? Aquí es donde entra en juego el arte de los delineantes y su conocimiento. ¿Cuáles son las limitaciones aquí? En pocas palabras, cuántos tipos de uniones en estructuras de acero tiene almacenados el delineante en su hipocampo, por supuesto su creatividad, pero también cuáles son las limitaciones de las herramientas de software utilizadas.

Existen muchos ejemplos de disposiciones típicas que realizan esta tarea. La mayoría no destacan entre la multitud, pero algunos sí. El ejemplo a continuación está tomado del caso de estudio y webinar Uniones de fachada en el hospital Midland Metropolitan.

El cliente quería destacar el sistema de arriostramiento y utilizó IDEA StatiCa para crear una unión funcional y atractiva.

Este sería un gran ejemplo de cómo IDEA StatiCa podría utilizar tanto un modelo geométrico (BIM) de, por ejemplo, Tekla Structures para obtener el posicionamiento de los elementos y las formas de las distintas placas, utilizando los efectos de carga mediante el Método de los Elementos Finitos de, por ejemplo, SCIA Engineer (otras soluciones CAD y de Método de los Elementos Finitos están disponibles😊). Pero oye, ¡esto realmente es posible!

Detalles de uniones de arriostramiento en IDEA StatiCa

La aplicación para el diseño y la verificación normativa de uniones IDEA StatiCa Connection es, por supuesto, totalmente capaz de proporcionar cualquier tipo de geometría y carga, comenzando con uniones simples como las del típico sistema de arriostramiento en V. El punto fuerte aquí en comparación con, por ejemplo, hojas de cálculo Excel es la rápida generación de la forma del detalle, la posibilidad de una optimización rápida, el control visual completo y, no menos importante, ¡el análisis de pandeo!

Lea más sobre el pandeo no solo para uniones de arriostramiento en el artículo ¡El pandeo requiere pensamiento crítico! de la autora Jana Kaderova.

Además de las estándar, nuestra aplicación ha demostrado sus capacidades frente a uniones de nivel avanzado también. Aquí es donde el arquitecto hace realidad sus sueños, y el ingeniero estructural sufre una pesadilla. Estos anillos centrales de arriostramiento en X se utilizan en muchas variantes, desde los fabricados y ensayados de forma estandarizada hasta los absolutamente personalizados que necesitan ser completamente analizados y verificados normativamente.

Dentro del apartado de arriostramientos, también vemos una de las razones frecuentes de los mensajes a nuestro servicio de asistencia. Los ejemplos anteriores también muestran una unión con un solo tornillo desde el arriostramiento hasta la estructura. Como tal, este elemento no puede soportar ningún momento, sino solo una fuerza normal y fuerzas cortantes.

En el software de uniones de acero IDEA StatiCa Connection, el parámetro del elemento de arriostramiento denominado Tipo de modelo debe cambiarse del valor predeterminado N-Vy-Vz-Mx-My-Mz a N-Vy-Vz (sin momentos). De lo contrario, se producirá una singularidad debido al mecanismo formado alrededor del tornillo.

Solución ampliamente verificada

Hace unos días, como parte de mi turno en el servicio de asistencia, estaba resolviendo un problema con una unión que era estándar/no estándar. Eso depende del punto de vista. El modelo de unión era una unión K de secciones huecas rectangulares (RHS) completamente soldadas, y el cliente estaba discutiendo la menor capacidad portante de esta unión de arriostramiento calculada en la aplicación Connection en comparación con los cálculos manuales.

En esta parte de la historia, es importante señalar que la solución basada en CBFEM del software está completamente verificada en múltiples niveles, incluyendo ensayos de laboratorio y numerosos ejemplos utilizados. No obstante, reaccionamos con una inspección exhaustiva del problema y proporcionando un modelo independiente de elementos finitos compuesto por elementos sólidos 3D con comportamiento elastoplástico geométricamente no lineal en el software midas FEA NX.

Las hipótesis para ambos modelos:

• Acero S355 – diagrama bilineal con endurecimiento
• Análisis no lineal geométrico y material

En general, los cálculos manuales proporcionados por la normativa tienden a ser bastante conservadores. En este caso concreto, ocurre lo contrario, y la solución de elementos finitos doblemente verificada que proporciona un modelo preciso simplemente muestra una capacidad inferior en aproximadamente un 20% en ambos modelos numéricos en comparación con los cálculos manuales. En conclusión, esto se debe a las deformaciones espaciales y al punzonamiento de la viga principal.

Además, en nuestro Centro de soporte entre la lista de artículos de verificación e investigación, también hay algunos que tratan exclusivamente sobre arriostramientos.

Uno de ellos, Secciones huecas rectangulares, también incluye el ejemplo de la unión K soldada diseñada según el Eurocódigo. El trabajo muestra los resultados de la investigación de la comparación de los resultados de la aplicación Connection frente al método tradicional, es decir, la resistencia determinada por CBFEM frente a FMM para la unión K de SHS uniplanar.

Para el código estadounidense AISC, hay un par de ejemplos de verificación preparados por Mahamid Mustafa en un proyecto conjunto entre la Universidad de Illinois en Chicago e IDEA StatiCa. El texto Unión de arriostramiento Chevron en un pórtico arriostrado (AISC), así como los demás, revela muy bien el concepto seguro y eficiente del método CBFEM.

¿El final?

Gracias por tomarse el tiempo de leer este artículo, y esperamos volver a verle pronto en nuestro blog de IDEA StatiCa.

PD: Un quiz de bonificación 😊. ¡Intente contar cuántos arriostramientos de acero puede encontrar en nuestra galería de proyectos de muestra!

3,2,1,...

... bien, aquí está la lista filtrada completa para descargar, inspeccionar y usar de forma gratuita.