DETALLES CONSTRUCTIVOS DE VIGAS
EQUIPO #3 DETALLE DE CONSTRUCTIVOS CONSTRUCTIVOS DE VIGAS, COLUMNAS Y UNIÓN VIGA COLUMNA DE ACERO ESTRUCTURAL VÍCTOR SAAVEDRA GUTIÉRREZ CARLOS YOAB NÚÑEZ CRUZ LUIS RUBÉN CRUZ VELASCO GELACIO RAMOS RODRÍGUEZ MARÍA FERNANDA ALVARADO ALEMÁN
NORMATIVA DE CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS DE ACERO • • • • • • • • •
Nataciones Propiedades geométricas Resistencia Requisitos adicionales para el diseño Conexiones Estructuras dúctiles Estado limite de servicio Efectos de cargas variables repetidas Ejecución de obras
CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES • • • •
ACERO ORDINARIO ACERO AUTOPATINABLES ACEROS INOXCIDABLES ALUMINIO
CARACTERÍSTICA MECÁNICA DE LOS MATERIALES • •
LIMITE ELASTICO LIMITE DE RUPTURA
TIPOS DE VIGAS •
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Las vigas son miembros que soportan cargas transversales. Se usa generalmente en posición horizontal y quedan sujetas a cargas por gravedad o verticales; sin embargo, existe excepciones, por ejemplo, el caso de los cambios. Vigetas
CLASIFICACIÓN DE VIGAS Geometría y tamaño secciones rectangulares triangulares Circulares Canal Secciones en T y secciones I •
Clasificación de acuerdo a los soportes En voladizo Simplemente apoyadas Sobresaliendo En voladizo apoyado Fijo Continuo •
VIGAS EN EDIFICIOS Y PUENTES
Dinteles
Largeros
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Viguetas
Travesaños
VIGAS REFORZADAS Y SUS PERFILES
VIGAS PERFIL RECTANGULAR IPR IR
VIGAS EN CANAL CPS ( C )
ANGULOS APS (LI Y DL)
FLECHAS VERTICALES Y LATERALES
AGUJEROS EN LAS VIGAS •
El cortar un agujero en el alma de una viga no reducir notablemente su módulo de sección, o su momento resistente, un agujero grande en el alma, reducir bastante la capacidad al cortante de la sección de acero.
PERFIL EN T
SOPORTE LATERAL EN VIGAS •
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En una gran mayoría de vigas de acero, estas se usan de la misma manera que las patinas de compresión están protegidas contra el pandeo lateral. Los patines superiores de las vigas, que dan apoyo a losas de concreto de edificios y puentes, a menudo se cuelan condichos pisos de concreto. Patín compresión Patín tensión Cargas rodantes Cargas fijas
ENCHARCAMIENTO PANDEO Y APLASTAMIENTO EL ALMA •
Esto puede ocurrir si la distancia de la reacción o las placas de asiento de la carga que se usan para transmitir las columnas de un patín de la vida son muy estrechas.
TIPOS DE SOLDADURA •
Con el desarrollo de prácticas y procesos de soldadura se han podido crear métodos para conectar los perfiles de acero estructural. Prácticamente todas las soldaduras utilizadas para conectar acero estructural son de cualquiera de estos dos tipos: de filete o de ranura.
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La soldadura de ranura se utiliza para trasmitir fuerzas cortantes en juntas traslapadas, para evitar el pandeo de las partes conectadas y para unir elementos de miembros compuestos
TRABAJOS PRELIMINARES • • • • • • • •
Planos de detalle Enderezados Cortes Limpieza y cepillado Aplicación de pintura Transporte Montaje Inspección
ANCLAJES •
Antes de iniciar el montaje de la estructura se revisará la posición de las anclas, que deben ser colocadas previamente y en caso de que haya discrepancias, en planta o en elevación, con respecto a las posiciones mostradas en planos.
INSPECCIÓN •
Liquido de pruebas permanentes
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Radiografia
COLUMNAS
CONCEPTOS GENERAL •
LAS COLUMNAS SON LOS MIEMBROS VERTICALES A COMPRESION DE LOS MARCOS ESTRUCTURALES, QUE SIRVEN PARA APOYAR A LAS VIGAS CARGADAS. TRASMITEN LAS CARGAS DE LOS PISOS SUPERIORES HASTA LA PLANTA BAJA Y DESPUES AL SUELO, A TRAVES DE LA CIMENTACION.
FALLAS •
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LAS COLUMNAS SON ELEMENTOS A COMPRESION. LA FALLA DE UNA COLUMNA EN UN LUGAR CRITICO PUEDE CAUSAR EL COLAPSO PROGRESIVO DE LOS PISOS CONCURRENTES Y EL COLAPSO TOTAL ULTIMO DE LA ESTRUCTURA COMPLETA.
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EN TERMINOS ECONOMICOS Y DE PERDIDAS HUMANAS, LA FALLA ESTRUCTURAL DE UNA COLUMNA ES UN EVENTO DE PRINCIPAL IMPORTANCIA.
EL CALCULO DE LA RESISTENCIA DE LAS COLUMNAS •
1. EXISTE UNA DISTRIBUCION LINEAL DE LAS DEFORMACIONES EN LA SECCION TRANVERSAL DE LA COLUMNA.
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2. NO HAY DESLIZAMIENTO ENTRE EL ACERO Y EL CONCRETO(ESTO ES,LA DEFORMACION EN EL ACERO Y EN EL CONCRETO EN CONTACTO ES LA MISMA)
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3. PARA EL PROPOSITO DE LOS CALCULOS DE LA RESISTENCIA, LA DEFORMACION MAXIMA PERMISIBLE DEL CONCRETO EN LA FALLA ES = 0.003 IN/IN.
CLASIFICACION DE COLUMNAS LAS COLUMNAS SE PUEDEN CLASIFICAR CON BASE A SU FORMA Y LA DISPOSICION DEL REFUERZO, CON LA POSICION DE LA CARGA EN LA SECCION TRANSVERSAL Y POR LA LONGITUD DE LA COLUMNA EN RELACION CON SUS DIMENSIONES LATERALES.
TIPOS DE COLUMNAS •
1. COLUMNAS RECTANGULARES O CUADRADAS CON REFUERZO
LONGITUDINAL
DE
VARILLAS
Y
ESTRIBOS
LATERALES. •
2. COLUMNAS CIRCULARES CON REFUERZO LONGITUDINAL Y REFUERZO EN ESPIRAL O CON ESTRIBOS.
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EN BASE A LAS POSICION DE LAS CARGAS EN LA SECCION TRANVERSAL, SE PUEDEN CLASIFICAR
A LAS COLUMNAS COMO
CARGADAS AXIALMENTES O EXCENTRICAMENTE. •
1. COLUMNAS CARGADAS AXIALMENTE: NO SOPORTAN MOMENTO
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2. COLUMNAS CON CARGA EXCENTRICA: ESTAN SUJETAS A MOMENTO A DEMAS DE LA FUERZA AXIAL. EL MOMENTO SE PUEDE CONVERTIR EN UNA CARGA P Y UNA EXCENTRICIDAD e .
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LA FALLA EN LAS COLUMNAS SE PUEDE PRESENTAR COMO RESULTADO DE UNA FALLA EN EL MATERIAL POR LA FLUENCIA INICIAL DEL ACERO EN LA CARA DE TENSION O POR EL APLASTAMIENTO INICIAL DEL CONCRETO EN LA CARA DE COMPRESION, O POR LA PERDIDA DE LA ESTABILIDAD LATERAL ESTRUCTURAL (ESTO ES, POR PANDEO)
TIPOS DE COLUMNAS EN ACERO ESTRUCTURAL •
CUANDO SE HABLA DE TIPOS DE COLUMNAS SE CONSIDERAN UN TIPO DE PERFIL O VARIOS TIPOS DE PERFILES QUE HAN SIDO UNIDOS POR UN MEDIO
RIGIDO PARA ADOPTAR UNA FORMA GEOMETRICA ESFECIFICA QUE CUMPLA CON LAS AREAS DE SECCION REQUERIDAS Y CON LOS TRABAJO DE COMPRESION, TRACCION, PANDEO VERTICAL Y CIZALLADURA.
COLUMNAS SIMPLES •
SON AQUELLAS QUE ESRAN FORMADAS POR UN SOLO PERFIL SIMPLE EN FORMA DE H, FORMA DE I , OCASIONALMENTE EN FORMA DE DOBLE T Y TAMBIEN EN CELOSIA.
COLUMNAS COMPUESTAS •
SON AQUELLAS QUE ESTAN FORMADAS POR DOS O MAS PERFILES SIMPLES, DONDE LA UNION DE LOS ELEMENTOS SE REALIZA CON UNION O CORDON CONTINUO DE SOLDADURA.
COLUMNAS CRUCIFORMES •
SON AQUELLAS QUE ESTAN FORMADAS POR PERFILES EN ANGULO Y CHAPAS, UNIDOS ALGUNAS VECES POR CORDONES CONTINUOS DE SOLDADURA O POR CORDONES DISCONTINUOS CUANDO SE UTILIZAN PLATINAS COMO ELEMENTO DE ENLACE.
COLUMNAS TUBULARES •
SON AQUELLAS QUE ESTAN FORMADAS POR PERFILES TUBULARES DE SECCION CUADRADA O CIRCULAR, CON O SIN COSTURAS CON DIFERENTES PRESENTACIONES DE PAREDES DELGADAS O GRUESAS.
COLUMNAS MACIZAS •
SON AQUELLAS QUE ESTAN FORMADAS POR PERFILES COMPLETAMENTE MACIZOS, POR LO GENERAL CUADRADOS O RECTANGULARES, LOS QUE COMUNMENTE SE LLAMAN DE ALMA LLENA.
COLUMNAS ARMADAS •
SON AQUELLAS QUE ESTAN FORMADAS CON PERFILES DE LAMINA Y ANGULOS DE DIFERENTES DIMENSIONES, UNIDAS CON SOLDADURA. A ESTAS PERTENECEN LAS ARMADAS TIPO CELOSÍA.
COLUMNAS EXTERNAS •
SON AQUELLAS QUE UTILIZANDO DIFERENTES TIPOS DE PERFIL ESTAN UBICADAS
EN
LA
FACHADA
DE
LA
EDIFICACION,
QUE
EN
OPORTUNIDADES SE UTILIZAN PARA TRASLADAR CARGAS A LA CIMENTACION Y EN OTRAS HACEN EL TRABAJO DEL SOPORTE DE UN MURO CORTINA.
UNION VIGA COLUMNA
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Las uniones entre vigas y columnas es una de las conexiones mas frecuentes en las estructuras de acero y concebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no solo a una decisión de calculo estructural si no de manera muy significativa, a una decisión del proyecto y la construcción
En general, se podrían dividir las uniones en flexibles y rígidas, según que desde el punto de vista de cálculo no puedan transmitir un momento apreciable o sí lo transmitan. Las uniones también se pueden clasificar según los elementos que unan, por combinación de ambos conceptos, de la siguiente forma:
UNION VIGA-COLUMNA CON APOYO NO RIGIDIZADO •
Es el sistema más sencillo para apoyar una viga.
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El casquillo de angular se suelda al pilar en el taller y la viga se suelda en obra en el momento de montaje.
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La unión se considera flexible y, por tanto, equivale a un apoyo simple.
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Bajo la reacción mayorada N* el an gu lar t rab aj a a f lex ió n, considerándose como sección más solicitada
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Dada la gran rigidez a flexión de la viga en comparación con el angular, cuando la viga se apoya el angular flectará y sólo una parte de su ala estará sometida a la carga mayorada N* de reacción.
FIG. 1 UNION VIGA-COLUMNA CON APOYO NO RIGIDIZADO
A) UNION VIGA-COLUMNA SOBRE APOYO RIGIDIZADO •
Cuando la reacción de la viga es del orden de 15 toneladas no existen angulares suficientemente gruesos que sean capaces de trabajar como apoyo flexible. En estos casos se proyectan apoyos rigidizados formados por chapas.
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Este tipo de apoyos se realiza normalmente en taller utilizando para la sujeción lateral de la viga un angular en la parte superior.
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Pueden distinguirse dos variantes: · Que el alma de la viga sea perpendicular al rigidizado · Que el alma y el rigidizado estén en el mismo plano
FIG 2. UNION VIGA-COLUMNA SOBRE APOYO RIGIDIZADO
B) QUE EL ALMA DE LA VIGA SEA PERPENDICULAR AL RIGIDIZADO •
En este caso la posición de N* es fija y conocida, ya que ese dato de diseño. Se considera que sólo trabaja el triángulo ABC, despreciándose el resto.
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La línea de acción de la compresión F* es paralela a BC y se considera que la sección más desfavorable es la AA', perpendicular a la línea BC.
UNION DIRECTA DEL ALMA •
Es la unión más simple en cuanto a cálculo, pero en la práctica puede acarrear problemas para su ejecución y montaje, ya que el pequeño espesor del alma de los perfiles laminados exige gargantas de pequeño tamaño y, por tanto, tolerancias muy exigentes en el corte de las piezas.
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En general, estas uniones se consideran de tipo flexible, pero si la longitud de la soldadura h1 se aproxima a h, aparecen solicitaciones de momentos no tenidos en cuenta por el método de cálculo, que pueden acarrear el fallo de la soldadura.
Fig 3. unión directa por el alma
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Por ello, se recomienda que h1 esté comprendido entre los siguientes valores:
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Si por razones de cálculo hiciese falta aumentar la resistencia de la unión, es más conveniente aumentar el espesor de la soldadura que el valor de h1.
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Para llegar a un agotamiento simultáneo de la soldadura y del alma de la viga conviene aplicar valores próximos a:
La separación d para un correcto montaje según la AISC es:
UNION DEL ALMA MEDIANTE ANGULARES •
Se consideran uniones flexibles debido a la deformación que se produce en los angulares, por lo cual no deben emplearse los de espesor superior a 12 mm. Para (ha) suele tomarse un valor próximo a 0.7×h
Fig. 4 unión alma mediante angulares
UNIONES RIGIDAS DE VIGAS A COLUMNAS •
Para evitar esta concentración de esfuerzos, la solución más generalizada en los pórticos sin cartelas consiste en prolongar las alas de la viga y del pilar con objeto de dirigir las tensiones
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Con esta solución, si los rigidizadores DC y DB tienen la misma sección que las alas de los perfiles correspondientes, no resulta necesaria la comprobación de las alas en el nudo, como resulta evidente.
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Lo que sí es necesario es la comprobación del alma ABCD a esfuerzo cortante al que le someten las acciones F1, F2, F3 y F4.
Si el alma no pudiese soportar el esfuerzo cortante, la solución normal es reforzarla con un rigidizador diagonal, en lugar de aumentar su espesor.
Para grandes luces o solicitaciones se pueden proyectar nudos acartelados, en los que se suele disponer de rigidizadores en los cambios de dirección. Son dos los sistemas de cálculo normales de comprobación de nudos: En un cálculo elástico, el rigidizador debe cumplir la condición de compatibilidad de deformaciones con el alma del nudo, y así poder encontrar el reparto de tensiones. En un cálculo plástico se debe asegurar la deformabilidad del nudo con • objeto de que pueda producirse una rotura plástica •
COMPROBACION PLASTICA DE UN NUDO SIN CARTELA S Se admiten para este tipo de comprobación las siguientes hipótesis: •
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1º. Los momentos y fuerzas normales son absorbidos por las alas del perfil. 2º. Los cortantes son absorbidos por el alma. 3º. La influencia de la fuerza cortante y de la fuerza normal en la plastificación de la sección es despreciable respecto al momento.
COMPROBACION PLASTICA DE UN NUDO ACARTELADO Las razones de utili zar cartelas en los n udos son : •
- Mejorar la estética del perfil.
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- Reducir el perfil en la zona recta.
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- Disminuir los costes de material, aunque aumentan los de mano de obra. Comprobar un nudo acartelado cons iste en:
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- Comprobar las alas a momento flector.
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- Comprobar el alma a esfuerzo cortante.
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- Comprobar la estabilidad lateral de los cordones comprimidos DF y DH.
NUDOS RIGIDOS EN EDIFICIOS (UNIONES VIGAS-COLUMNAS) •
Los nudos rígidos de los edificios son similares a los de los pórticos rígidos y los fenómenos que en ellos se presentan también son similares; sin embargo, al existir momentos en más de dos direcciones, las acciones F1, F2, F3 y F4. son menores, especialmente cuando los momentos están compensados
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Es la unión rígida másUNION simple y laDIRECTA más utilizada.DE VIGA A COLUMNA Se realiza mediante soldadura directa del perímetro de la viga al ala de la columna
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a) Abollamiento del alma del columna contigua al ala comprimida de la viga, pudiendo presentar este Abollamiento B)Falta de resistencia a tracción del alma de la columna en la zona donde acomete el ala traccionada en la viga c) Por exceso de deformación del ala de la columna (figura 50) en la zona donde acomete el ala traccionada de la columna. Tipos de Abollamiento
Fallo de soldadura por exceso de deformación del ala de la columna
