Placa de unión - ¿cuál es el gran problema?

Cuando necesitas crear una unión con placa de unión muy rápidamente, ¿qué harás? Simplemente añades una pieza rectangular de chapa metálica a la viga principal y conectas el elemento secundario a esta placa. Y listo. Entonces, ¿cuál es el gran problema?

No hay gran problema cuando 1. conectas un elemento bajo carga de tracción, 2. tienes suficiente espacio para todos los componentes de la unión, y 3. no tienes que lidiar con la estética de la unión. Toda la complejidad comienza con la complejidad de las uniones, con la compresión en los elementos, y con la presión sobre el coste y el aspecto visual de la tarea. 

Tipos básicos de disposiciones de uniones con placa de unión

En la siguiente figura, podemos ver las disposiciones transversales típicas de las placas de unión en las uniones de estructuras de acero. 

La aplicación más común de las placas de unión se puede encontrar en las vigas en celosía y en los sistemas de arriostramiento lateral, donde los elementos diagonales se conectan a través de las placas de unión.

Qué es la placa de unión y qué no lo es

Para un ojo inexperto, puede ser difícil encontrar la placa de unión (o placas de unión) entre todos los componentes de acero de la unión. Alguien podría preguntar, ¿no es simplemente otro rigidizador? Pues no. 

• Las placas de unión son las partes cruciales de la estructura, a través de las cuales se transmiten todas las fuerzas internas de los elementos conectados.
• Mientras que los rigidizadores son partes importantes necesarias para la correcta rigidez de la unión y para evitar el pandeo de la placa.
• En pocas palabras, si la placa de unión falla, el desastre está en el aire. Sin los rigidizadores, la estructura sobrevive (al menos durante algún tiempo). 

El término placa de unión a menudo sale a la luz solo después del colapso de una estructura o de una parte de ella. El colapso del puente Interstate 35W en 2007 fue uno de esos desafortunados eventos.

En este caso, el principal responsable fue identificado como el diseño insatisfactorio de las placas de unión de las vigas en celosía y la falta de control de estas partes de la unión durante el incontable número de inspecciones del puente. Simplemente se asumió que las placas de unión no serían el punto más débil del diseño y que las uniones con placa de unión son más resistentes que las vigas que confluyen en la unión. Desafortunadamente, no lo eran.

Los códigos de diseño nos proporcionan algunos manuales sobre cómo verificar el diseño de las uniones con placa de unión. Algunos ejemplos de códigos de diseño con especificaciones para placas de unión:

• AISC 360-16 (Estados Unidos)
• CSA-S16-09 (Canadá)
• EN 1993-1-8 (entorno europeo)

Estos manuales se basan en un enfoque analítico, que es bastante fácil de aplicar pero puede ser muy laborioso con el creciente número de tipos de uniones o alternativas.

Elementos en tracción

Las uniones de elementos en tracción son, digamos, las más sencillas. Pero el ingeniero todavía tiene que realizar una serie de verificaciones en las placas de unión. Como ejemplo, la sección transversal de Whitmore debe verificarse para las fuerzas de tracción.

Cómo se ve sobre el papel:

Y en la estructura real:

Otra verificación está relacionada con el fallo por desgarro en bloque en una unión, que implica componentes tanto de cortante como de tracción y está especificada en AISC 360 Sec. J4.3. Como diseñador de uniones, debes verificar todos los posibles caminos de fallo por cortante en los grupos de tornillos, como puedes ver en el ejemplo que se muestra a continuación.

Puedes encontrar un ejemplo bien preparado de evaluación de resistencia al desgarro en bloque en este artículo de verificación.

Elementos en compresión

El diseño de la unión con placa de unión puede convertirse en un "deporte" completamente diferente cuando se trata de elementos en compresión. Todavía tenemos que verificar todos los fallos por cortante, pero el problema del pandeo comienza a desempeñar un papel mucho más importante. 

Un parámetro crucial en el diseño de la unión de elementos en compresión es el hecho de si el elemento puede o no desplazarse fuera del plano de la placa de unión. Esto influirá en el comportamiento del mecanismo de fallo y en la formación de las rótulas plásticas en las placas. En IDEA StatiCa Connection, puedes establecer este comportamiento para cada elemento particular simplemente seleccionando el Tipo de modelo correcto.

Los modos de fallo para estas dos situaciones diferentes se muestran en la siguiente figura.

Esto también podría resolverse mediante un enfoque analítico, pero probablemente pasarás mucho tiempo con cada disposición de unión individual. Más probablemente, el ingeniero ahorrará tiempo valioso simplemente evitando esta situación, y añadirá algunos rigidizadores. Es una solución comprensible, pero costosa.

Usar alguna herramienta inteligente que proporcione la verificación de estabilidad para tales uniones es otra forma. El análisis de pandeo es una parte elemental de la aplicación IDEA StatiCa Connection y te proporciona formas de pandeo y factores de carga para un número de formas definido por el usuario.

Investigación

En el desarrollo de IDEA StatiCa, no hay lugar para un enfoque de prueba y error. Todos los métodos utilizados en las aplicaciones y modelos de cálculo se verifican en ensayos de estructuras reales y se analizan posteriormente en cooperación con universidades de prestigio.

Una de estas investigaciones estuvo dedicada también al diseño de uniones con placa de unión. Los resultados de los ensayos se compararon con el modelado CBFEM con una muy buena correlación. Aquí puedes encontrar nuestro artículo de verificación con los resultados de la investigación.

Cómo ser eficaz y competitivo

¿Cuáles son tus opciones cuando se trata de la necesidad de diseño de uniones de acuerdo con las normas, pero también cuando necesitas realizar tus diseños y verificaciones no en meses sino en semanas? Además, necesitas ser flexible para las revisiones durante el proyecto y quieres comparar varias disposiciones en un tiempo razonable. ¿También quieres que tus uniones sean fáciles de montar y no cuesten una fortuna?

Ya conoces la respuesta correcta, necesitamos usar algunas herramientas del siglo XXI, que harán la mayor parte del trabajo no creativo por nosotros. Si queremos tener las manos realmente libres en el diseño, el número de opciones se reduce significativamente. 

Podrías simplemente intentar usar IDEA StatiCa Connection y descubrirías que es todo lo que necesitas para el trabajo. O puedes seguir el camino de aprendizaje estándar: 

• Primero, simplemente usa algunas hojas de cálculo de Excel, 
• luego prueba algún software de uniones más sofisticado basado en hojas de cálculo, 
• cuando estés en los límites, dedica algo de tiempo a experimentar con algo aún más sofisticado, 
• quizás crea algunos modelos detallados de láminas en tus aplicaciones de MEF 
• y después de todas estas pruebas, opta por la aplicación IDEA StatiCa Connection de todos modos.

Después de este camino, apreciarás plenamente todos sus beneficios.  

Breve videotutorial dedicado a la unión con placas de unión

Cuando se trata de la estimación de costes, puede ser realmente complicado calcular el precio de cada unión hoy en día. En la aplicación IDEA StatiCa, esta información surge casi como un agradable efecto secundario. En este artículo, encontrarás todos los consejos necesarios sobre cómo usar esta función.

Otro uso típico de las placas de unión

Gracias a la llegada del mecanizado CNC también a los talleres de construcción civil, las placas de unión son una de las principales formas de conectar no solo elementos de acero sino también elementos de madera. En lugar de tallar complicadas formas en los extremos de los elementos, podemos simplemente introducir una placa de acero con agujeros. Los elementos de madera se preparan con agujeros y ranuras realizados con CNC, y la unión se monta finalmente con pasadores y tornillos de acero.

El siguiente nivel en la evolución del diseño estructural es combinar materiales estructurales y aprovechar lo mejor de sus propiedades en el lugar adecuado. Así es como surgieron las estructuras híbridas de madera y acero. Además de su belleza visual natural, hay muchas otras razones para su uso, como la reducción de costes, la menor necesidad de protección contra incendios o la reducción de la huella de carbono.

Para aquellos interesados en el diseño acero-madera, lee más sobre las uniones de madera resueltas en IDEA StatiCa Connection en nuestro Centro de soporte.

IDEA StatiCa se enorgullece de estar en la vanguardia del diseño de uniones y elementos estructurales. Si tienes alguna idea sobre cómo podría mejorarse el diseño de la placa de unión, háznos saber.