unión de estructuras de acero

1. Empalmes en estructuras de acero con secciones transversales uniformes
Ensamblaje en fábrica de estructuras de acero
Elementos sometidos a tracción: Se puede recurrir a la soldadura a tope directa (fig. a) o a placas de empalme con soldaduras en ángulo (fig. b). En el caso de la soldadura a tope directa, la calidad de la soldadura debe cumplir las normas de grado I o grado II; de lo contrario, se deberán emplear placas de empalme con soldaduras en ángulo.
Miembros de Compression: Se puede recurrir a la soldadura a tope directa (fig. a) o a placas de empalme con soldaduras en ángulo (fig. b).
Cuando se utilicen placas de unión y soldaduras en ángulo, las bridas y el alma del elemento deben estar provistas de placas de unión y soldaduras independientes para garantizar una transmisión directa y uniforme de la fuerza, evitando una concentración excesiva de tensiones. Al determinar la anchura de la placa de unión del alma, debe dejarse un espacio libre suficiente para facilitar el manejo del electrodo durante la soldadura longitudinal.

Empalme in situ de estructuras de acero
Elementos sometidos a tracción: Se pueden añadir placas de empalme con pernos de alta resistencia (fig. c), o bien placas de extremo con pernos de alta resistencia (fig. d).
Miembros de Compression: Se puede recurrir a la soldadura (Figs. e, f), o bien transmitir las fuerzas directamente a través del cojinete tras cepillar las superficies de contacto superior e inferior (Figs. g, h). Durante la soldadura, la parte superior del elemento debe ser biselada previamente en fábrica. La parte inferior (o tanto la parte superior como la inferior) está equipada con elementos de posicionamiento (perfil en U o ángulo) para garantizar una alineación adecuada durante la soldadura. Tras el cepillado de las superficies de contacto superior e inferior, si las fuerzas se transmiten directamente a través del apoyo, se debe añadir un pequeño número de soldaduras y pernos para evitar el desplazamiento. El empalme de elementos sometidos a tracción y compresión debe seguir el principio de resistencia igual, lo que significa que los materiales de empalme y los conectores deben ser capaces de soportar la fuerza interna máxima de la sección fracturada.

2. Empalme de vigas de acero
Debido a las diferentes condiciones de construcción, los métodos de empalme de vigas se dividen en empalmes en fábrica y empalmes in situ.

Ensamblaje en fábrica de estructuras de acero

1. Para evitar la concentración de soldaduras, es preferible que las posiciones de unión de la brida y el alma estén escalonadas.
2. La soldadura a tope se utiliza generalmente para las uniones de bridas y de alma.
3. En el caso de las soldaduras que cumplen las normas de inspección de calidad de soldadura de grado I y grado II, no es necesario realizar cálculos de verificación.
4. En el caso de las soldaduras que cumplen las normas de inspección de calidad de soldadura de grado III, es necesario realizar cálculos de verificación. Si la resistencia de la soldadura es insuficiente, se puede recurrir a la soldadura en inclinación. Cuando se cumple que tan θ ≤ 1,5, no es necesario realizar cálculos de verificación.

Empalme in situ de estructuras de acero

1. Durante el empalme in situ, la alma y el alma lateral suelen separarse en la misma sección transversal para facilitar el transporte por segmentos (fig. a). Para permitir cierta expansión y contracción de la placa del alma durante la soldadura, reduciendo así la tensión residual de la soldadura, es posible dejar sin soldar en fábrica un tramo de aproximadamente 500 mm.
2. Como se muestra en la figura b, el escalonamiento adecuado de las posiciones de empalme de la brida y el alma puede evitar la concentración de soldaduras en la misma sección transversal, aunque esto puede complicar el transporte.
3. En el caso de vigas remachadas sometidas a condiciones más exigentes o de vigas soldadas de grandes dimensiones sometidas a cargas dinámicas, se suelen utilizar pernos de alta resistencia para las uniones in situ.

3. Uniones entre vigas principales y vigas secundarias
Vigas secundarias en voladizo
1) Conexión solapada
Estructura: Los refuerzos de soporte deben colocarse en las posiciones correspondientes de la viga principal para evitar una presión local excesiva sobre el alma de la viga principal.
Características: Estructura sencilla, fácil instalación de las vigas secundarias, pero el sistema de vigas principales y secundarias ocupa un mayor espacio útil.
Cálculo: Por lo general, no es necesario realizar ningún cálculo, y los pernos se utilizan únicamente para la fijación.

2) Conexión lateral
Estructura: La viga secundaria se une al lateral de la viga principal, ya sea directamente al refuerzo de la viga principal (Figs. a, b) o a un ángulo de acero corto (Figs. c, d).
Características:

• Fig. a: Se fija al refuerzo mediante pernos; estructura sencilla y fácil instalación, pero es necesario cortar uno de los lados de las alas superior e inferior de la viga secundaria.
• Fig. b: Unión soldada in situ. Los pernos se utilizan únicamente para la fijación temporal, pero soldar en el extremo del alma de la viga secundaria resulta poco práctico.
• Figs. c, d: Se utiliza un ángulo de acero corto para las uniones atornilladas o soldadas entre las vigas principales y las secundarias. Para ello, es necesario recortar parte del ala superior.
  Cálculo:
• Figs. a, b: El número necesario de soldaduras o pernos debe calcularse en función de la fuerza de reacción de la viga secundaria. Dado que la unión no es ideal, la fuerza de reacción debe incrementarse en un 20%–30%.
• Fig. c: Al calcular el perno ①, el perfil angular y la viga secundaria pueden considerarse como un todo. Por lo tanto, el perno ① debe soportar la acción combinada de la fuerza de reacción R y el momento M = R·e. En cambio, el perno ② solo soporta R. Alternativamente, el perfil angular puede considerarse parte de la viga principal. En este caso, el perno ① solo soporta R, mientras que el perno ② debe soportar la acción combinada de R y M = R·e.
• Fig. d: El método de cálculo es similar al de la fig. c. Las soldaduras ① y ② también soportan la acción combinada de R o de R y M = R·e, respectivamente.

Vigas secundarias continuas
Las vigas en voladizo se solapan, pero la viga secundaria atraviesa la viga principal de forma continua, sin interrupción. Cuando es necesario empalmar la viga secundaria, la posición del empalme puede fijarse en un punto donde los momentos flectores sean menores. Para fijar las vigas principal y secundaria se utilizan pernos o soldaduras.
1) Conexión solapada
Las vigas en voladizo se solapan, pero la viga secundaria atraviesa la viga principal de forma continua, sin interrupción. Cuando es necesario empalmar la viga secundaria, la posición del empalme puede fijarse en un punto donde los momentos flectores sean menores. Para fijar las vigas principal y secundaria se utilizan pernos o soldaduras.
2) Conexión lateral:
Estructura: Para garantizar la continuidad de la viga secundaria de dos tramos con la viga principal, deben colocarse placas de unión en los alas superior e inferior.

• Fig. a: El alma de la viga secundaria está unida al refuerzo de la viga principal mediante pernos de alta resistencia. La placa de unión del ala inferior está dividida en dos partes y soldada a ambos lados del alma de la viga principal.
• Fig. b: Instalación in situ con unión soldada. La viga secundaria se apoya en el soporte de la viga principal. El ala superior de la viga secundaria está provista de una placa de unión, y la placa de unión del ala inferior se sustituye por una placa de apoyo.
  Cálculo:
  La reacción del apoyo se transmite desde el apoyo a la viga principal, mientras que las alas superior e inferior soportan el momento negativo en el extremo. La fuerza horizontal resultante del momento M, F = M/h (donde h es la altura de la viga secundaria), se transmite a través de los conectores, las placas de recubrimiento y las placas superiores. F se utiliza para calcular las dimensiones de la sección transversal y la conexión de soldaduras o pernos. Para evitar la soldadura en altura, la placa de cubierta de la conexión es más estrecha que el ala superior, y la placa de tracción es más ancha que el ala inferior.

4. Uniones viga-pilar
A la hora de diseñar uniones de conexión, deben respetarse los siguientes principios básicos:

• Seguridad y fiabilidad. El análisis de fuerzas debe ajustarse lo máximo posible a las condiciones reales de trabajo. El esquema de cálculo debe coincidir o aproximarse al estado real de unión de los elementos. La unión debe presentar una trayectoria clara de transmisión de fuerzas y ofrecer garantías estructurales fiables.
• Facilidad de fabricación, transporte e instalación. Reducir el número de tipos de uniones; permitir el ajuste de las dimensiones de los empalmes; simplificar al máximo las operaciones de construcción, por ejemplo, evitando la soldadura en altura, montando los soportes durante la instalación, etc.
• Racionalidad económica. El método más económico se determina tras un análisis minucioso de factores como los materiales, la producción y la construcción, y no debe interpretarse como una mera cuestión de ahorro de acero.

En función de la rigidez rotacional, las uniones viga-pilar se pueden clasificar en tres tipos: uniones flexibles (uniones articuladas), uniones rígidas y uniones semirrígidas.