Cuando los ingenieros compiten: 6 formas de diseñar una unión de acero

Los equipos estaban formados por ingenieros estructurales de empresas de ingeniería y fabricantes de acero, y cada uno estaba guiado por un diseñador de uniones con experiencia. Después de que los grupos presentaron sus diseños, desde IDEA StatiCa tuvimos la oportunidad de modelar las uniones con la aplicación Connection. De esta manera, pudimos analizar los resultados de inmediato y discutirlos juntos.

A continuación explicamos los diseños y resultados con más detalle. El artículo está dividido en dos partes, una para cada desafío de diseño de unión de acero.

1 - Diseñar una unión compleja viga-columna con vigas de borde

En el primer desafío de diseño, nos centramos en una junta que conecta cuatro elementos. Las fuerzas internas y los perfiles hicieron de esta una tarea de diseño desafiante, como lo demuestra la variedad de soluciones: cada uno de los seis equipos adoptó un enfoque diferente. Esto es exactamente lo que hace que esta profesión sea tan fascinante: nunca existe una única solución correcta.

El mayor desafío surgió con la unión de las vigas de borde. Dos secciones huecas rectangulares (180/180/6) debían conectarse a una columna (HEA160) o viga principal (IPE400). Combinado con las cargas impuestas, esto creó una situación de diseño difícil.

A continuación se presenta una visión general de las uniones, bocetos y modelos desarrollados en el software de uniones de acero IDEA StatiCa. A continuación, analizamos cada unión y destacamos los puntos clave de los debates y resultados.

Grupo A

El Grupo A optó por prolongar la columna y conectar la viga principal (IPE400) con una placa de extremo. El desafío residía principalmente en conectar las vigas de borde RHS a la columna HEA160. Para ello, se propuso una unión con placa de unión y dos tornillos M36. Sin embargo, al modelar en IDEA StatiCa, rápidamente quedó claro que no había espacio suficiente para este tamaño de tornillo. Como enfatizaron los expertos durante el taller, es esencial dibujar a escala para comprender la fabricabilidad de una unión.

En lugar de una unión soldada directa, el grupo optó por prolongar la placa de conexión a través de una ranura en el alma de la columna para transferir mejor las fuerzas y reducir las tensiones en el alma de la columna.

Al calcular la unión en IDEA StatiCa, se producen grandes deformaciones plásticas en la unión de las vigas de borde. Debido a la elevada fuerza axial de compresión de 400 kN en las vigas de borde y una excentricidad en la placa de unión, se produce un momento flector en la unión. Utilizando una herramienta de análisis por el Método de los Elementos Finitos como IDEA StatiCa, esto se hace visible rápidamente a través de las deformaciones que se producen.

Aumentando los espesores de las placas, la unión puede cumplir los requisitos. Con una placa continua de 35 mm y 2x tornillos M33 8.8, se logra resistencia y rigidez suficientes.

Aunque la solución es satisfactoria, merece la pena considerar evitar la excentricidad, ya que probablemente sea más eficiente desde el punto de vista estructural.

Grupo B

El Grupo B tenía una unión similar, pero aquí se prolongó la viga principal. Elegir una unión simétrica de las vigas de sección hueca cuadrada (SHS) evita el momento flector adicional. Con los espesores de placa prescritos, la deformación plástica está justo por debajo del límite del 5%.

Aumentando el espesor de las placas y proporcionando soldaduras suficientes, se puede resistir la combinación de compresión axial y cortante horizontal, manteniendo la deformación plástica por debajo del 5%.

Solo los tornillos siguen siendo insatisfactorios al usar 4x M24 8.8. Sin embargo, simplemente reforzar los tornillos no resuelve el problema porque la verificación normativa está limitada por la resistencia al aplastamiento. Una solución alternativa es aumentar el grado del acero de las placas de unión a S355. Esto permite obtener resultados óptimos con solo incrementos mínimos en el espesor de las placas y el tamaño de los tornillos.

Grupo C

El Grupo C tiene una unión similar, pero a diferencia de los grupos A y B, es más adecuada para cargas horizontales porque la placa de unión está girada un cuarto de vuelta. Nos encontramos de nuevo con una excentricidad y nos topamos con los mismos problemas que en el Grupo A. El uso de cuatro tornillos en lugar de dos hace la junta más rígida, pero seguimos observando elevadas deformaciones plásticas y deformaciones. Soldar la placa de unión al rigidizador y aumentar los espesores de las placas ayuda a hacer la junta más rígida, pero la excentricidad siempre estará presente.

Aumentando los espesores de las placas de 15 mm a 30 mm, la junta puede cumplir los requisitos de diseño con 4x tornillos M24 8.8.

Este tipo de junta funciona de manera más segura sin excentricidades. Si una excentricidad es inevitable por razones prácticas, la unión será especialmente adecuada para transferir una fuerza transversal en una dirección, en la dirección donde la unión es más rígida. La combinación de una excentricidad con una gran fuerza normal de compresión y una fuerza transversal en la dirección débil de la unión provocará que el elemento se doble hacia afuera y corra el riesgo de pandeo.

Análisis de pandeo

Para evaluar correctamente este riesgo, tiene sentido realizar un análisis de pandeo adicional. Con IDEA StatiCa, se puede realizar un análisis lineal de pandeo, que muestra que para placas con espesor insuficiente puede producirse una forma de pandeo que se asemeja al pandeo global. Basándose en el factor de pandeo correspondiente, esto puede interpretarse como un fallo por pandeo.

Más información sobre esto y sobre cómo IDEA StatiCa realiza el análisis lineal de pandeo se puede encontrar en el siguiente artículo Pandeo global vs. pandeo local. ¿Qué significa?

Grupo D

El Grupo D adopta un enfoque diferente y los problemas observados en los tres primeros grupos se evitan directamente al continuar las vigas de borde. El IPE400 se conecta a la columna parcialmente continua con una placa de extremo y a la viga de borde con una pequeña placa de labio. Los resultados muestran que la unión funciona constructivamente bien y las fuerzas se transmiten de manera eficiente.

Dado que se trata de una unión a cortante, el grupo recomienda utilizar un agujero ranurado en la placa de aleta para evitar que se transmita una fuerza excesiva a través del tornillo durante la rotación de la viga. Esto evita tensiones elevadas en la placa de labio y en la pared de la sección hueca rectangular. Esta consideración de diseño también afecta a la rigidez rotacional de la junta.

Análisis de rigidez

Para determinar la rigidez exacta de la junta, se puede realizar un análisis de rigidez con IDEA StatiCa. Se genera el diagrama momento-rotación y, basándose en el Eurocódigo, la junta puede clasificarse como totalmente rígida, semirrígida o articulada.

Al analizar la unión de la viga de cubierta del Grupo D, IDEA StatiCa proporciona una rigidez rotacional que se considera semirrígida. Esta rigidez puede representarse en el modelo estructural global mediante una rigidez de muelle rotacional.

Sin embargo, si se requiere una unión simple, el detalle debe modificarse para que la unión quede clasificada efectivamente como articulada. Como se muestra en la figura siguiente, en la situación (2) se ha realizado una rótula bajando la fila superior de tornillos. 

Grupo E

El Grupo E prolongó la viga de cubierta y la colocó sobre la columna. Las vigas de borde se unieron a la viga de cubierta con placas de extremo, asegurando que las fuerzas se transmitan correctamente en la junta.

Para permitir el montaje de los tornillos, el grupo propuso un recorte en la pared de la sección hueca. Una solución reflexiva, ya que la practicidad es una preocupación importante. El corte crea una distribución de tensiones diferente en la entalla, pero aplicando un recorte redondo, las concentraciones de tensión se mantienen limitadas.

Grupo F

Como hemos visto, la unión de las vigas de borde crea desafíos de diseño. El Grupo F los resuelve sustituyendo las vigas de borde por secciones HEA160. Esto facilita la conexión de las vigas a la columna y proporciona espacio suficiente para el montaje de los tornillos. La unión funciona bien bajo compresión, y las placas de extremo canalizan eficientemente las fuerzas a través de la columna.

Sin embargo, las vigas de borde también pueden estar sometidas a una carga de tracción de 400 kN. En este caso de carga, la unión no es satisfactoria. Aumentando el espesor de las placas de extremo de 15 mm a 20 mm, se cumplen los requisitos de resistencia y la unión es adecuada para cargas de tracción y compresión.

Connection Library

¿No sabe cómo modelar una junta de acero específica? La Connection Library en IDEA StatiCa le da acceso instantáneo a docenas de ejemplos prácticos, ayudándole a encontrar la solución correcta más rápidamente. Es un recurso valioso que muchos ingenieros estructurales utilizan como inspiración al diseñar uniones de acero.

2 - Diseñar una unión de placa base de columna con arriostramiento

El segundo desafío de diseño implica una unión de placa base de columna. El arriostramiento diagonal puede realizarse en tres perfiles diferentes y está cargado con una fuerza de compresión de 500 kN. La propia columna experimenta una fuerza de compresión significativa de 2000 kN.

El enfoque se centra en la unión entre el diagonal y la columna, así como en el diseño de la placa base, incluyendo los anclajes y la cimentación. A partir de los bocetos y presentaciones enviados, las uniones fueron modeladas y analizadas en IDEA StatiCa. Una vez más, este diseño muestra que son posibles múltiples soluciones de unión: no existe una única respuesta correcta. A continuación, presentamos una visión general de los diferentes diseños, incluyendo los resultados de IDEA StatiCa. Luego analizamos las principales consideraciones de diseño, abordando los grupos de forma colectiva en lugar de individual.

Unión del arriostramiento a la columna

Para la unión del arriostramiento, tres grupos (A, C, E) eligieron una unión con placa de extremo y tramo corto, y los otros tres grupos (B, D, F) eligieron una placa de unión con unión atornillada.

El diseño de unión con tramo corto proporciona una transferencia directa de la fuerza de compresión sin complicaciones en la unión. Al optar por un perfil HEA, el montaje de los tornillos es fácilmente factible y el alma del elemento diagonal queda alineada con el alma de la columna. Como resultado, las tensiones se transmiten bien a la columna, como se observa en las soluciones de los grupos A, C y E (véase la figura).

Por el contrario, los Grupos B, D y F eligieron una unión con placa de unión. Esto contempló girar la columna un cuarto de vuelta para que el arriostramiento pueda conectarse dentro de la columna sin ocupar demasiado espacio. Sin embargo, en ese caso, la placa de unión se conecta directamente, pero transversalmente, al alma de la columna, y debido a las elevadas fuerzas de compresión, pueden producirse tensiones pico en el alma de la columna. Los cálculos en IDEA StatiCa muestran que el diseño está justo dentro de los límites aceptables, pero el ingeniero estructural debe mantenerse cauteloso. Si el alma comienza a deformarse plásticamente, es aconsejable girar la columna, aumentar el espesor del alma o añadir rigidizadores.

En los diseños con la unión de placa de unión, es ventajoso hacer la unión simétrica y no dejar que las placas sobresalgan demasiado, por las mismas razones que discutimos en el primer desafío de diseño. La unión B presenta una disposición asimétrica, pero la placa de 20 mm de espesor y el uso de seis tornillos resisten eficazmente el momento resultante, manteniendo las tensiones dentro de límites aceptables.

Diseño de la placa base de la columna

También hay consideraciones importantes en el diseño de la placa base y la cimentación de hormigón. Debido a las elevadas fuerzas de compresión, es crucial que las tensiones se distribuyan bien a través de la placa base hacia el hormigón. Esto puede lograrse eligiendo una placa más gruesa y haciéndola más ancha que el perfil de la columna para que las tensiones se distribuyan mejor.

La figura siguiente compara las tensiones en la placa base y las tensiones de contacto en el hormigón para una placa base de 40 mm y 10 mm de espesor. Si la placa base es demasiado delgada, las tensiones se concentran alrededor del perfil de la columna en lugar de distribuirse eficazmente. Como resultado, el área de contacto efectiva sobre el hormigón se vuelve demasiado pequeña, lo que lleva a tensiones de compresión que superan el límite permisible.

Cimentación de la columna

Observamos diferentes soluciones de cimentación, con o sin junta de mortero, y anclajes con o sin placas arandela. Los anclajes utilizados van desde M20 hasta M30.

Los cálculos en IDEA StatiCa muestran que ninguna de las uniones es satisfactoria para la verificación de los anclajes. Por defecto, las fuerzas cortantes están configuradas para transmitirse a través de los anclajes. Los anclajes M20 resultan ser insuficientemente resistentes y no pueden soportar las fuerzas cortantes. Por el contrario, los anclajes M30 8.8, en combinación con una placa arandela, son suficientemente resistentes para transferir las fuerzas cortantes. No obstante, la verificación normativa sigue siendo insatisfactoria, porque el problema ya no está en el acero, sino en el fallo del hormigón.

Las fuerzas cortantes sobre los anclajes provocan el fallo por borde del hormigón, con los anclajes arrancándose del hormigón. IDEA StatiCa Connection calcula con hormigón en masa, por lo que el fallo del hormigón a fuerzas más elevadas es inevitable.

Si las fuerzas no pueden reducirse, quedan cuatro posibles soluciones.

1. Optimizar la transferencia de fuerza cortante añadiendo un tetón de cortante. De esta manera, todo el cortante es transferido por la clave de cortante y se evita el fallo de los anclajes y el arrancamiento del hormigón.
2. Transferir las fuerzas cortantes mediante fricción en lugar de a través de los anclajes. La elevada fuerza de compresión en la columna proporciona suficiente resistencia friccional. 
3. Modificar el bloque de hormigón. Aumentando la distancia al borde o la clase de hormigón, el hormigón tiene menos probabilidades de arrancarse.
4. Diseñar armadura complementaria en el bloque de hormigón. De esta manera, la armadura de acero resiste las fuerzas de tracción y previene el arrancamiento del hormigón. Esta solución puede modelarse y analizarse utilizando IDEA StatiCa 3D Detail.

Como se muestra en los bocetos de los diseñadores, solo el Grupo E incluyó armadura en su diseño. Al añadir armadura de acero al elemento de hormigón, se pueden prevenir mecanismos de fallo como el arrancamiento en cono de hormigón y el fallo por borde del hormigón.

¿Curioso por saber cómo ahorrar tiempo en el diseño de armadura sin comprometer la seguridad?

• Vea este seminario web sobre el uso de armadura en el diseño de anclajes
• O consulte este tutorial de IDEA StatiCa sobre anclaje cargado excéntricamente en Detail.

Palabras finales

Las uniones de acero fueron diseñadas por 6 grupos, modeladas en IDEA StatiCa y discutidas con ingenieros estructurales experimentados. Utilizando IDEA StatiCa, pudimos analizar los resultados en detalle e identificar y discutir consideraciones de diseño importantes. Este taller demuestra que muchas uniones pueden diseñarse de un número infinito de maneras y que nunca existe una única solución correcta. Experimentamos la importancia de dibujar a escala y seguir el camino de las fuerzas en la unión. Analizar las rigideces y visualizar cómo se deformará la junta es un buen ejercicio mental para comprender cómo se comportará una junta.

"La imaginación es más importante que el conocimiento", dijo en su día un hombre llamado Albert Einstein. Y eso ciertamente se aplica también al diseño de uniones de acero. Quien pueda imaginar cómo es una junta, cómo se fabricará, si las proporciones son correctas, cómo fluirán las fuerzas y cómo se deformará la unión, ya está un paso más cerca de convertirse en el mejor diseñador de uniones de acero.