Proyecto básico: Detalles para estructuras que utilizan perfiles laminados en caliente

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1 Proyecto básico: Detalles para estructuras que utilizan perfiles laminados en caliente Este documento ofrece información y orientación sobre los componentes básicos de estructuras aporticadas que utilizan perfiles laminados en caliente. Índice. Introducción. Refuerzo del alero 4. Refuerzo de la cumbrera 8 4. Limitaciones 9 5. Componentes estructurales secundarios 6. Bibliografía 5 7. Agradecimientos 5 Registro de Calidad 6 Resumen de información 7 Página

2 . Introducción Los pórticos a dos aguas son una forma común y económica de construcción de edificios de una sola planta. Estos pórticos se utilizan en muchos aspectos de la vida moderna, como en comercios, almacenes de distribución, instalaciones de fabricación y centros de ocio.. Estructura aporticada de tejado a dos aguas (con perfiles en I) Una estructura aporticada de tejado a dos aguas simétrica de un único tramo (véase la Figura.) tendrá normalmente: Un tramo entre 5 m y 50 m Una altura de alero entre 5 m y 0 m Una pendiente de tejado de entre 5 y 0 grados (6 es lo comúnmente adoptado) Una separación de pórtico entre 5 m y 8 m (una separación mayor está asociada con las estructuras aporticadas de mayor luz) Refuerzos en los dinteles, en alero y cumbrera La mayoría de estas características están dictadas por la economía de los pórticos con relación a otras formas de construcción. El uso de refuerzos en el alero y cumbrera reduce el canto necesario del dintel y logra una conexión a momento eficiente en estos puntos. Leyenda: Cumbrera 6 Pilar Alero 4 Refuerzo de cumbrera 7 Pendiente del tejado Refuerzo de alero 5 Dintel Figura. Estructura aporticada simétrica de un único tramo En edificios aporticados de varios tramos, es una práctica habitual utilizar vigas de valle para eliminar algunas columnas (véase la Figura.). (a) Con columna interna (b) Con viga de valle Figura. Pórtico de varios tramos Página

3 . Tipos de tornillos Las opiniones sobre el tipo de tornillos a utilizar pueden variar. Para tornillos pretensados (en general tornillos de diámetro 0 mm o 4 mm) la clase de tornillos utilizada depende del país de construcción: en la mayor parte de Europa se utilizan tornillos de clase 0.9, aunque en Reino Unido se utilizan tornillos de clase 8.8 y los tornillos de clase 6.8 son utilizados en Francia. Los tornillos pretensados también pueden ser utilizados en aquellos casos en los que existan fuertes cargas dinámicas, como cuando el pórtico es diseñado para soportar puentes grúas. Dichos tornillos pueden ser utilizados en las conexiones que soportan directamente el puente grúa para evitar la corrosión de las conexiones y el aflojamiento de los tornillos. Otras conexiones que puedan verse afectadas por vibraciones, pueden ser provistas de tuercas de seguridad o arandelas de resorte para impedir el aflojamiento de los tornillos. En estructuras metálicas secundarias, normalmente se utilizan tornillos de clase 4.6 de mm de diámetro.. Tipos de soldadura En general, las soldaduras de solape suelen prefererirse a las soldaduras a tope. Las soldaduras al alma del dintel y en torno a los rigidizadores pueden ser casi siempre soldaduras de solape. Se recomienda un tamaño mínimo de garganta de 4 mm (es decir, tamaño de lado de 6 mm). Si el tamaño de las soldaduras de solape al ala traccionada del dintel es grande (mayor de 8 mm de espesor de garganta, es decir, espesor de lado de mm), en algunos países el fabricante prefiere utilizar una soldadura a tope de penetración total o parcial. El cortante a lo largo del refuerzo suele ser lo suficientemente bajo como para permitir que soldaduras de solape intermitentes, adecuadamente diseñadas, conecten el alma del refuerzo al ala del dintel, aunque se puede emplear soldaduras de solape continuas por razones estéticas o de corrosión. La soldadura entre el ala del refuerzo y el ala del dintel suele ser normalmente una soldadura de solape con un tamaño de lado igual al espesor del ala del refuerzo..4 Detalles de la unión Debe haber una relación apreciable entre la separación de tornillos, el diámetro del tornillo y el espesor de la chapa. Una solución eficaz es hacer que el espesor de la chapa sea aproximadamente igual al diámetro del tornillo. Para el dimensionado y detalles iniciales, puede ser necesario consultar la información disponible del país en particular. En Reino Unido, los cálculos preliminares de tamaños de conexión y detalles se pueden obtener en Joints in steel construction: Moment connections (P07/95)[], que presenta una Página

4 serie de conexiones estándar en forma de tablas sencillas de utilizar. En principio, el método está, por lo general, de acuerdo con la norma EN En Alemania, la publicación relevante es DStV/DASt: Typisierte Verbindungen im Stahlhochbau, Stahlbau-Verlags [], también conocida como DASt Ringbuch, la cual está totalmente de acuerdo con el Eurocódigo EN Refuerzo del alero. Aspectos generales El refuerzo de alero es necesario para realizar las siguientes funciones: Complementar la resistencia a flexión del dintel en el área de mayor momento, permitiendo el uso de un dintel menor Proporcionar un canto adecuado en la conexión dintel/pilar para lograr una conexión eficiente. El canto del refuerzo suele ser determinado por brazo de palanca a los tornillos requeridos, para lograr la resistencia necesaria a momento. El refuerzo del alero puede ser cortado a partir de un perfil laminado en caliente o fabricado en chapa. En general, son preferibles los cortes de perfiles laminados y es conveniente utilizar un perfil similar al pilar o dintel, aunque el tamaño real podría estar dictado por consideraciones de estabilidad y conexión. Si el perfil laminado elegido no es lo suficientemente profundo para proporcionar un canto del refuerzo suficiente, se puede utilizar una chapa de relleno. Debe tenerse en cuenta que si el refuerzo se fabrica con el mismo tamaño de perfil y peso que el dintel, no siempre será posible que la conexión logre su resistencia a flexión adecuada. En términos de diseño de conexión, puede ser más adecuado un refuerzo más profundo y pesado. Ello reduciría el esfuerzo de tracción en los tornillos y la fuerza en la zona de compresión en la parte inferior del refuerzo y reducirá, por lo tanto, el tamaño de los tornillos y requisitos de rigidización. También reducirá el esfuerzo cortante (provocado por la tensión en los tornillos) en la parte superior del pilar. Aumentar la sección a partir de la cual se corta el refuerzo también incrementa la estabilidad del refuerzo. El refuerzo puede afectar a la altura general de la estructura porque los clientes pueden exigir un canto libre en la parte inferior del refuerzo. Desde este punto de vista, es importante reducir al mínimo el canto del refuerzo. Es de aceptación general que el refuerzo será, por lo general, más eficiente en el cálculo del pórtico si: El canto del refuerzo debajo del dintel es aproximadamente igual al del dintel. La longitud del refuerzo desde el eje de la columna es aproximadamente el 0% del tramo del pórtico.. Unión de alero, chapa de borde En la Figura. se muestra una unión de alero de chapa de borde típica extendida y enrasada, para un pórtico reforzado. La Figura. muestra detalles de unión de alero alternativas. Página 4

5 La unión en el alero tiene que ser una unión resistente a momento y proporcionar tanto la rigidez adecuada como resistencia a flexión. El diseño de las uniones no tiene que ser realizado al detalle en las etapas de cálculo preliminares, aunque será necesario suministrar una unión de canto adecuado para que resista el momento aplicado. Igualmente, el pilar debe resistir el cortante inducido por las cargas de tracción de los tornillos en la parte superior del refuerzo. En algunos casos puede ser necesario el refuerzo del alma. El procedimiento de diseño para uniones del alero se da en el documento SN04, así como un ejemplo práctico en el documento SX0. Dado el mayor canto disponible, es posible ser más flexible con las trayectorias de carga a través de la unión. Los principales tornillos de tracción se desplazan hacia abajo de la unión como se indica en la Figura., transfiriendo la fuerza de tracción desde la línea del ala del dintel a la zona superior del alma del pilar y dintel. Ello significa, por lo general, que se puede evitar toda rigidización por tracción al alma gracias a la mayor distribución de la tracción en las almas del pilar y del dintel. Sin embargo, puede ser necesario utilizar pequeños rigidizadores para incrementar la resistencia a flexión del ala del pilar sujeta a las fuerzas del tornillo, en particular, si el pilar es un perfil laminado ligero VEd M j,ed VEd M j,ed (a) Unión de alero de chapa de borde Leyenda: Pilar 6 Tornillos traccionados Refuerzo del alero 7 Chapa de borde Dintel 8 Tornillos a cortante 4 Soldadura del ala 9 Rigidizadores para tracción opcionales 5 Soldadura de alma 0 Rigidizador de compresión (b) Unión de alero de chapa de borde extendida Figura. Unión de alero de chapa de borde típica en una estructura aporticada Página 5

6 4 5 5 Leyenda: Pilar 4 Rigidizador de tracción Refuerzo del alero 5 Rigidizador de compresión Dintel Figura. Unión de alero alternativa en un pórtico. Detalles Los detalles típicos de una unión de alero están indicados en la Figura.. Un detalle alternativo en el extremo afilado de la unión del alero está mostrado en la Figura.4 En P07/95[] se da una serie de tablas de diseño típicas de uniones reforzadas. Estas tablas no cubren todos los casos de diseño, pero son un punto útil de partida. El cálculo final puede ser realizado de acuerdo con el método simplificado y prudente dado en el documento SN04 o utilizando un paquete de software adecuado. Página 6

7 Leyenda: 6 Tornillos traccionados Pilar 7 Chapa de borde Refuerzo del alero 8 Tornillos a cortante Dintel 9 Rigidizadores traccionados 4 Soldadura del ala 0 Rigidizador de compresión 5 Soldadura de alma Rigidizador opcional Figura. Detalles de una unión del alero típica en un pórtico Figura.4 Detalle alternativo en el extremo del refuerzo del alero Página 7

8 . Refuerzo de la cumbrera. Aspectos generales El objeto del refuerzo de la cumbrera es lograr una unión eficiente entre los elementos del dintel. Por lo general, estará fabricado a partir de chapa y su cálculo detallado formará parte del cálculo de la unión. El tamaño y detalles no necesitan ser considerados en la etapa de diseño preliminar.. Unión de cumbrera, chapa de borde Las uniones en la cumbrera tienen que ser uniones resistentes a momento y proporcionar tanto la rigidez como resistencia a flexión adecuadas. El diseño de las uniones no tiene que ser realizado con detalle en las etapas de cálculo preliminares, aunque será necesario suministrar una unión de canto adecuada para que resista el momento aplicado. La Figura. muestra los tipos básicos de unión de chapa de borde extendida. En la Figura.(a) la chapa de borde está simplemente extendida hacia abajo. En la Figura.(b) hay un refuerzo de cartela simple en extensión y en la Figura. (c) se ha dispuesto refuerzos completos. (a) (b) (c) Figura. Unión de la cumbrera de chapa de borde típica en un pórtico Página 8

9 . Detalles Los detalles típicos de una unión de cumbrera están indicados en la Figura. En P07/95[] se da una serie de tablas de diseño típicas de las uniones reforzadas. Estas tablas no cubren todos los casos de diseño, pero son un útil punto de partida. El cálculo final puede ser realizado de acuerdo con el método simplificado y prudente dado en el documento SN04 o utilizando un paquete de software adecuado Leyenda: Dintel Refuerzo de cumbrera 0 Figura. Detalles de una unión de cumbrera típica en una estructura aporticada 4. Limitaciones 4. Aspectos generales Para pórticos diseñados plásticamente, siempre se debe aplicar una restricción de torsión en la parte superior del pilar, es decir, en la parte inferior del refuerzo del alero. De manera adicional, puede ser necesaria otra restricción de torsión en la longitud del pilar porque las correas están fijadas al ala traccionada (exterior) más que al ala comprimida. Restricciones similares deben contemplarse para pórticos diseñados elásticamente o alternativamente, la posición de la restricción superior puede ser colocada en la parte superior del pilar. 4. Sujeciones de torsión en la parte superior de la columna En posiciones de rótula plástica: Existe una serie de métodos para suministrar la restricción de torsión; a continuación, se indican algunos de ellos: Para columnas de cantos inferiores a 600 mm, se puede utilizar un tirante de pilar como se indica en la Figura 4.. A fin de asegurar la rigidez adecuada, se recomienda que el canto de la correa sea al menos el 5% del canto del pilar. Página 9

10 Para todos los tramos, un método posible es colocar un elemento longitudinal cerca del ala comprimida en la parte inferior del refuerzo que está fijado al arriostramiento vertical (véase la Figura 4. ). La resistencia a torsión puede ser suministrada por la sección circular hueca que actúa con las correas sobre la cara exterior del pilar. Es importante suministrar un arriostramiento entre estos componentes en algún punto a lo largo de la estructura. Para pórticos diseñados elásticamente: Si un pórtico se diseña elásticamente, la restricción a torsión en la parte superior del pilar puede ser calculada de la misma manera que se indica más arriba o alternativamente, la posición de la restricción superior puede ser colocada más arriba en el pilar. (Cortesía de Caunton Engineering Ltd) Leyenda: Pilar Correa Tirante de pilar Figura 4. Detalle del alero típico utilizando un tirante de pilar Página 0

11 Leyenda: Viga de alero conformada en frío Correa Perfil tubular de sección circular Figura 4. Detalle del alero típico utilizando un perfil tubular como elemento de arriostramiento longitudinal 5. Componentes estructurales secundarios 5. Viga del alero La viga de alero une los pórticos individuales a nivel del alero (véase la Figura 5.) La función principal de esta viga es soportar el cerramiento de la cubierta, paredes laterales y canalones a lo largo del alero, pero también puede ser utilizada para proporcionar arriostramiento lateral en la parte superior del ala exterior del pilar. 5 4 leyenda: Rigidizador Cerramiento tipo panel sandwich 4 Perfil tubular de sección circular que actúa como Viga de alero conformada en frío correa/tirante del alero 5 Tirante de dintel Figura 5. Detalle de refuerzo con viga de alero Página

12 5. Correa/tirante de alero Si se coloca un arriostramiento de pared lateral capaz de resistir la tensión y compresión en ambos extremos de la estructura, no es necesario colocar una correa de alero salvo en los vanos extremos. Sin embargo, es una buena práctica colocar un miembro entre los pilares para que actúe como sujeción durante el montaje y ofrecer una rigidez adicional a la estructura. Si se utiliza una sección circular hueca para fijar la rótula plástica en la parte inferior del refuerzo del alero (véase la Figura 5.), puede cumplir el papel de una correa/tirante además de fijar la rótula plástica. Si se coloca un elemento como correa/tirante de alero por encima de este nivel (véase la Figura 5.), resulta ineficaz para sujetar la rótula plástica en la parte inferior del refuerzo. Leyenda: Correa Correa/tirante de alero Tirante de pilar Figura 5. Detalle del alero en el que la correa/tirante de alero no ofrece sujeción en la parte inferior del refuerzo 5. Tirante de dintel y pilar Un tirante de dintel o pilar es un método conveniente para proporcionar arriostramiento a un ala comprimida que esté alejada del ala a la que están conectados las correas. Ofrece restricción a torsión en el emplazamiento cuando es conectado a una correa adecuadamente (véanse las Figura 5. y Figura 5.4). Se puede utilizar pletinas o angulares como tirantes. Si se utilizan pletinas como tirantes, debe asumirse que actuarán solamente a tracción. Son, por lo tanto, necesarias a cada lado del dintel o pilar. Si por razones de detalle, sólo se puede colocar un tirante, se utilizará una sección de angular de tamaño mínimo 40 x 40 mm. El tirante y sus uniones deben ser calculados para resistir una fuerza igual al.5% de la fuerza máxima en el ala comprimida del dintel o pilar entre restricciones adyacentes. Es importante que las correas sean lo suficientemente grandes para suministrar la rigidez necesaria para que actúen como restricciones del pilar/dintel. Como regla general, será adecuado suministrar una correa de al menos el 5% del canto del elemento que es empotrado. Página

13 4 5 Leyenda: Tirante de dintel Cerramiento tipo panel sandwich 4 Tirante de pilar Viga de alero conformada en frío 5 Rigidizador Figura 5. Detalles de unión y tirante de dintel y pilar Figura 5.4 Detalles de tirante de dintel (Cortesía de Caunton Engineering Ltd) Página

14 5.4 Arriostramiento El arriostramiento es necesario tanto en el plano de los dinteles como verticalmente en las paredes laterales (véase la Figura 5.5) a fin de suministrar: Estabilidad, tanto durante el montaje como con el edificio terminado Resistencia contra la carga de viento en la dirección longitudinal Un anclaje adecuado para las correas en su función de fijar dinteles y pilares. Figura 5.5 Detalles de arriostramiento (Cortesía de Caunton Engineering Ltd) Página 4

15 6. Bibliografía () Joints in Steel Construction Moment Connections (P07/95). The Steel Construction Institute and The British Constructional Steelwork Association Ltd., 995. () DStV/DASt: Typisierte Verbindungen im Stahlhochbau, Stahlbau-Verlags. GmbH, Köln, 984 (neu bearbeitete Auflage 00). 7. Agradecimientos Caunton Engineering Ltd (UK) por las Figura 4., Figura 5.4 y Figura 5.5 Página 5

16 Registro de Calidad TÍTULO DEL RECURSO Proyecto básico: Detalles para estructuras aporticadas que utilizan perfiles laminados en caliente Referencias(s) DOCUMENTO ORIGINAL Nombre Compañía Fecha Creado por A S Malik SCI Contenido técnico revisado por G W Owens SCI Contenido editorial revisado por Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEEL:. Reino Unido G W Owens SCI /5/06. Francia A Bureau CTICM /5/06. Suecia B Uppfeldt SBI /5/06 4. Alemania C Müller RWTH /5/06 5. España J Chica Labein /5/06 Recurso aprobado por el Coordinador técnico G W Owens SCI 5/04/07 DOCUMENTO TRADUCIDO Traducción realizada y revisada por: J Chica, Labein 7/0/07 Recurso de traducción aprobado por: Página 6