FA

ESTRUCTURACIÓN DE

EDIFICIOS EN MARCOS DE

ACERO CONSTRUCCIÓN VI

MENDOZA CAMPOS MARINO

NTRODUCCION

El empleo de este sistema se debió al desarrollo de nuevos materiales y sistemas

de construcción (concreto armado, acero soldado) y a nuevos métodos de análisis

y dimensionamiento. El sistema convencional Losa_Trabe_Columna (Marco

Rígido) ha sufrido variaciones, ejemplo: el desarrollo de la losa plana que al no

contener vigas o trabes redunda en una mayor economía en cimbra, acabados,

peralte, alturas de entrepisos lográndose de esta manera adicionar un entrepiso

por cada 10 construidos.

Los marcos forman parte de la estructura, ya sea la que esta compuesta por

columnas y trabes o la que esta compuesta por muros y losas.

Es por eso que los marcos nos ayudan a entender el funcionamiento lógico de las

cargas y como estas actúan de acuerdo factores externos como son vientos,

sismos, nieve, etc.

¿QUE SON LOS MARCOS RÍGIDOS?

Un tipo de estructura son los marcos rígidos que actualmente han ido tomando

fuerza debido a que facilitan la estructuración de los edificios y más con el uso del

acero posibilita cubrir grandes luces.

TIPOS DE MARCOS ORTOGONALES

DE SOPORTE LATERAL Muros y Tirantes cruzados

DE SOPORTE VERTICAL Columnas y muros

DE ESPACIAMIENTO HORIZONTAL Pisos, Losas, Armaduras, vigas.

FUNCIONAMIENTO DE LOS MARCOS RÍGIDOS

Los marcos formados por columnas y trabes están unidos, formando uniones

rígidas capaces de transmitir los elementos mecánicos en la viga sin que haya

desplazamientos lineales ó angulares entre sus extremos y las columnas en que

se apoya.

Sobre las vigas principales, que además de resistir las cargas verticales ayudan a

resistir las cargas laterales, se apoyan en algunos casos las vigas secundarias

encargadas de soportar el sistema de piso.

Entreejes

Es la división interna de un marco estructural repetitivo definido por los claros de

las columnas.

Columnas centrales Mayor carga

Columnas Laterales Media carga

Columnas esquinadas Un cuarto de carga

Un marco rígido transfiere el momento de una viga a las columnas de apoyo que

dan como resultado que las columnas comportan la resistencia a la flexión con la

viga.

Esta interacción entre los entreejes significa que la resistencia a la flexión

resultante de una F, se comparte entre diversos entreejes.

USOS DE MARCOS RÍGIDOS:

Son ideales para:

Gimnasios

Supermercados

Hangares,

Bodegas o cualquier aplicación, donde el espacio interior libre es necesario.

BENEFICIOS O VENTAJAS DE UTILIZAR MARCOS RÍGIDOS DE ACERO

Interior libre o espacio universal

Flexibilidad en el aprovechamiento del espacio interior.

Rápida construcción.

Diseño flexible incomparable

Menor Costo

Variedad de columnas

Mínima pendiente de la cubierta

CARACTERISTICAS DE LOS MARCOS RÍGIDOS

Los Marcos Rígidos pueden ser diseñados con una cumbrera centrada, excéntrica

o de una sola pendiente. La pendiente de techo puede ser tan baja como 2%.

Los Marcos Rígidos también pueden ser usados con otros sistemas estructurales,

incluyendo estructura de acero tradicional y madera. Esta sólida red estructural de

acero laminado en caliente, según norma ASTM.

Opción de columnas rectas, semirectas (tipo supermercado), o de sección variable

Luces de hasta 90 m. o más con alturas de hombro de hasta 24 m.

Las luces libres pueden fluctuar entre 9 y 90 metros.

El Sistema de Marcos Rígidos acepta cualquier carga de viento, sismo, nieve,

puente grúa o equipos propios del proyecto. Puede darse cualquier distribución en

Columa semirecta(tipo supermercado)

Columna de sección variable

Columna recta

SISTEMA BALLOOM

En el cual los montantes de los muros corres continuos desde la comentacion al

techo, las viguetas intermedias del piso se arman a los lados de los montantes de

los muros.

UNIONES Y CONEXIONES

La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el

lugar de montaje, tiempo disponible, etc.). Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas. Remaches en caliente o roblones Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. (El coeficiente de expansión lineal del acero es 0,0000251 x longitud del elemento x diferencial de temperatura = contracción/expansión de la pieza).

En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas. Soldadura La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras. Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor

cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras. Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer conexiones apernadas en obra. Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009

Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el siguiente esquema:

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar:

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009

Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar:

Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas.

Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.

Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding) Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.

Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo

Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding)

Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola. El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura.

Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo

La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura. En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo. La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años.

Conexiones apernadas

Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes resultados.

Pernos y uniones apernadas: Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo

Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones soldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un ambiente controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o con los operadores en posiciones suficientemente cómodas para garantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho más factible el someter las soldaduras a un exigente control de calidad, que incluye la certificación mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que en terreno frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar. En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y creciente es a realizar las uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra es mucho más fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller. Aún así, la construcción y materialización de estas uniones apernadas requiere de un cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de fabricación, cuya precisión milimétrica debe ser estrictamente respetada en la maestranza a fin de evitar descalces o problemas en el montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas se cuenta con que existe una amplia gama de dimensiones y resistencia, no se necesita una especial capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje y simplica los procesos de reciclado de los elementos.

Tornillos Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero livianas, para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor de tornillos (hay que tener presente que los tornillos deben ser utilizados preferentemente para unir chapas delgadas). Los tornillos pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan de perforación guía y se pueden utilizar para metales más pesados). Entre las ventajas de estas conexiones hay que destacar que son fáciles de transportar, existe una gran variedad de medidas, largos, diámetros y resistencia; y finalmente, que son fáciles de remover, factor importante para el montaje y desmontaje de los componentes de la estructura.

Diseño de Uniones

Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación, que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulo de los ejes entre las barras que se están conectando, en tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotación entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rígidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos, barras de conexión, nervaduras de refuerzo, etc.), las posición de los elementos de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de un elemento respecto del otro.

Uniones Rígidas: Reliance Control factory, Swindon (1967) Richard Rogers Uniones articuladas o flexibles: Aeropuerto Stansted