Durante el análisis de cada modelo estructural, un ingeniero debe definir el tipo de cada unión entre elementos. Como el modelo debe representar el comportamiento real de la estructura, el ingeniero debe predecir qué tipo de unión es más adecuado.

Una buena aproximación del modelo a la estructura real es importante, especialmente en el campo de las estructuras de acero, donde los elementos lineales se utilizan con mayor frecuencia. Las estructuras de acero son ampliamente utilizadas por su eficacia.

Para obtener los mejores resultados, los proyectistas se ven a menudo obligados a optimizar no solo las secciones transversales de los elementos, sino también el diseño de las uniones.

En general, el ingeniero estructural debe elegir entre 3 tipos básicos de uniones clasificadas según la rigidez de la junta:

• Articulado – juntas que no desarrollan momentos flectores.
• Rígido – juntas con un cambio insignificante de los ángulos originales entre elementos
• y un número infinito de valores intermedios

En el modelo de análisis estructural global, las dos primeras opciones son las más utilizadas. Por el contrario, la mayoría de las uniones reales de estructuras de acero pertenecen al tercer grupo.

Esta clasificación está respaldada tanto por el Eurocódigo como por las normas AISC. Aunque la nomenclatura es diferente, el significado es el mismo.

Para ambos códigos, existe una serie de requisitos para una clasificación particular. Si desea conocer los detalles, puede seguir los fundamentos teóricos tanto para el Eurocódigo como para las normas AISC. Antes de entrar directamente en las evaluaciones, puede resultar muy útil consultar la teoría básica y la teoría avanzada.

Dos situaciones problemáticas principales

• Las juntas consideradas articuladas en el modelo de análisis global se comportan como semirrígidas en la realidad constructiva (transmiten momentos flectores al elemento conectado).
• Las juntas que se consideran rígidas no son suficientemente rígidas.

Principalmente por razones de fabricación y montaje, la primera situación se produce con mayor frecuencia.

Algunos podrían decir que esta imprecisión está del lado de la seguridad y, por tanto, no causa ningún problema. Y sí, los momentos flectores en el vano se reducen en la estructura real por los momentos de unión en los extremos.

Pero es necesario ir más lejos: ¡no es peligroso para la viga en sí, sino para el elemento al que está conectada la viga!

Demostración rápida

Mostremos la importancia de elegir la unión correcta para el propósito adecuado. (Y también las consecuencias de una unión inapropiada para el análisis global)

Si resuelve la unión estándar de la viga de techo a la viga principal, tendrá muchas alternativas de unión. He elegido tres muy comunes.

 Con IDEA StatiCa Connection, puede calcular la rigidez de la unión en pocos segundos. Para una mejor comparación, he añadido casos extremos con juntas Rígidas y Articuladas:

• Unión rígida
• Unión 1 (S_j,ini = 6,7 MNm/rad)
• Unión 2 (S_j,ini = 1,3 MNm/rad)
• Unión 3 (S_j,ini = 0,5 MNm/rad)
• Unión articulada

Impacto de la rigidez en los momentos flectores

Impacto de la rigidez en las tensiones efectivas (von Mises)

Como puede observarse, mientras que la viga se aprovecha menos al aumentar la rigidez de la unión, la viga principal puede sobrecargarse fácilmente en algunos casos.

La forma habitual de hacerlo

Cuando el ingeniero estructural decide que debe tenerse en cuenta la rigidez real de la unión (lo que debería ocurrir con bastante frecuencia), existen varias opciones de cálculo.

• manual
• en una plantilla de hoja de cálculo preparada
• cálculo mediante software especializado

Análisis de ejemplo

• se resuelve una estructura simple con 100 elementos lineales de acero,
• esto significa 200 extremos a conectar.
• dicha estructura puede contener 20 tipos diferentes de uniones,
• se tienen 10 casos de carga y 100 combinaciones de carga generadas.

Sería una pesadilla resolver todas las uniones para cada combinación de carga determinante. Por eso solo se calculan las más importantes. Aun así, pueden ser 10 uniones críticas con 2 - 6 elementos incluidos y el flujo de trabajo podría ser el siguiente: 

 1 ) Aunque requiere mucho tiempo, los modelos de uniones y los cálculos de su rigidez podrían ser factibles. Al menos para la primera iteración.

 2 ) Una vez realizado el análisis de rigidez, puede establecer la rigidez rotacional en las juntas del modelo de análisis global. Puede importarla

                    como un valor único:

• si M_Ed es inferior a 2/3 M_j,Rd puede utilizar directamente la Rigidez Inicial de la unión
• si M_Ed es superior a 2/3 M_j,Rd - proceso iterativo

                   o como una función no lineal:

 3 ) Con los parámetros de rigidez actualizados puede ejecutar el análisis global, donde por supuesto se calcularán nuevas fuerzas internas. La influencia de la nueva configuración puede ser menor, pero también muy significativa en algunos casos. Ya hemos resuelto algunos casos en el pasado, por lo que puede consultar nuestro artículo de la base de conocimiento sobre este tema.

 4 ) Ahora necesita verificar y revisar su sección transversal y el diseño de la unión. Si todo le parece correcto, tiene suerte y puede pasar al siguiente paso del diseño. Es más probable que sean necesarios algunos cambios en el diseño original, por lo que tendrá que volver al punto 1 ) y repetir el proceso iterativo hasta que todos los componentes del diseño satisfagan todos los requisitos.

La forma inteligente de hacerlo

La mejor herramienta para el cálculo de la rigidez de uniones en la actualidad es la aplicación IDEA StatiCa Connection. Para simplificar al máximo el flujo de trabajo y ahorrar mucho tiempo valioso, puede utilizar un enlace BIM para exportar el diseño de su unión desde su aplicación CAD a IDEA StatiCa Connection. 

A continuación, establezca el tipo de análisis como análisis de rigidez y en pocos segundos obtendrá sus parámetros de rigidez. Para ser lo más eficiente posible, en nuestro Centro de soporte puede encontrar algunos consejos útiles para el análisis de rigidez.

Cada análisis de rigidez proporciona inmediatamente estos valiosos resultados:

Todos los valores importantes en una tabla

Visualización gráfica de los valores calculados

¿Desea calcular la rigidez de la unión por su cuenta con IDEA StatiCa Connection? Siga el tutorial para EN o para la norma AISC. 

El proceso de verificación de la nueva aplicación ha finalizado y los estudios se publicaron junto con equipos universitarios. Puede consultar varios ejemplos de verificación.

Datos importantes

• Vale la pena recordar que la misma unión puede clasificarse de forma diferente dependiendo de la longitud del elemento

• La rigidez inicial (S_j,ini) no se ve influenciada por el momento flector de cálculo (M_Ed), mientras que solo tiene impacto en la rigidez secante (S_j,s)

• Los cambios en los parámetros de rigidez de las juntas siempre afectan a las fuerzas internas calculadas en el modelo de análisis global

• En el enfoque del Eurocódigo, debe distinguirse entre sistemas estructurales arriostrados y no arriostrados, ya que la misma unión podría clasificarse como Rígida o Semirrígida dependiendo del arriostramiento

• Si Sj,ini y Sj,s muestran rigidez infinita, esto significa que la curva de rigidez es tan pronunciada que en realidad forma 90° en el diagrama, de modo que la tangente resulta en infinito. Esto siempre indica una unión rígida muy alejada del límite de la clase semirrígida, por lo que los valores exactos no son importantes.

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