CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS

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3 CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS Pascual Urbán Brotóns Profesor de Construcción de Estructuras de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. (Arquitectura Técnica).

4 Construcción de Estructuras Metálicas Pascual Urbán Brotons ISBN: e-book v.1.0 ISBN edición en Papel: Edita: Editorial Club Universitario. Telf.: C/. Cottolengo, 25 San Vicente (Alicante) Maqueta y diseño: Gamma. Telf.: C/. Cottolengo, 25 San Vicente (Alicante) gamma@gamma.fm Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información o siste ma de reproducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

5 ÍNDICE INTRODUCCIÓN... 7 TEMA 1.- GENERALIDADES SOBRE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO Introducción Normativa y disposiciones sobre la construcción metálica Características de los materiales Tipos de acero Productos laminados Perfiles y chapas de sección llena laminados en caliente Perfiles huecos laminados en caliente Medios de unión Durabilidad de las estructuras de acero Perfiles utilizados en estructuras metálicas Sistemas de protección del acero Ventajas e inconvenientes de la estructura metálica Soldadura Uniones soldadas Clasificación de las soldaduras Sistemas de inspección en la construcción soldada: Detalles constructivos: soldadura a tracción y a cortante TEMA 2.- TIPOLOGIA ESTRUCTURAL EN ACERO Esquemas estructurales Enlace viga-soporte. Forma de trabajo Estructuras totalmente isostáticas (nudos articulados) Formas de reducir el momento al mínimo en estos nudos Estructuras con vigas continuas Estructuras de pórticos con nudos rígidos Estructuras especiales Estabilidad horizontal. Arriostramientos Juntas de dilatación en estructuras metálicas Prescripciones para estructuras metálicas frente al sismo TEMA 3.- BASES DE SOPORTES Introducción Forma de trabajo de las bases

6 4 Descripción de los elementos de una base Disposiciones y recomendaciones generales de las bases Tipología de bases de soportes TEMA 4.- SOPORTES. SUS CLASES Introducción Soportes, sus clases Soportes simples de un solo perfil Soportes simples de varios perfiles Soportes simples acoplando perfiles y chapas Soportes armados (de chapas yuxtapuestas) Soportes compuestos Refuerzo de soportes Soportes metálicos rellenos de hormigón Soportes mixtos Cambios de perfil Detalles constructivos TEMA 5.- VIGAS. SUS TIPOS Jácenas o vigas Clasificación de las vigas Vigas simples Vigas múltiples Vigas reforzadas (perfiles con refuerzos) Vigas o jácenas armadas Vigas o jácenas aligeradas Disposiciones constructivas Brochales Vigas continuas Cambios de perfil Empalme de vigas Uniones de vigas y pilares.- detalles constructivos TEMA 6.- VIGAS DE CELOSÍA Introducción Tipos de vigas de celosía Principios constructivos y de cálculo de las celosías indeformables Elementos componentes de las vigas de celosía

7 Organización de nudos y barras Disposiciones constructivas de nudos Nudos de apoyo Detalles constructivos Vigas de celosía tubulares TEMA 7.- APOYOS Y APARATOS DE APOYO Introducción Apoyo de vigas Aparatos de apoyo Apoyos o uniones entre si, de elementos metálicos en dilatación Apoyos en dilatación controlada en zona sísmica Apoyo en dilatación de una viga metálica inclinada en el lateral de un pilar TEMA 8.- ESTRUCTURA METÁLICA EN NAVES INDUSTRIALES Introducción Elementos de una cubierta Disposiciones que puede adoptar la estructura de cubierta Correas Arriostramientos Entramado de naves industriales Naves industriales dotadas de puente grúa Naves con estructura de pórticos Cubiertas de estructura en forma de arcos Marquesinas Cubiertas de estructura espacial Estructuras de altillos o entreplantas TEMA 9.- ESTRUCTURA METÁLICA EN EDIFICIOS DE VIVIENDAS Introducción Entramados horizontales Viguetas. Disposición Apoyos de viguetas metálicas en muros Apoyo de jácenas metálicas sobre muros de fábrica de ladrillo Apoyo de vigas o jácenas y viguetas metálicas sobre hormigón Apoyo de viguetas metálicas en jácenas o vigas

8 Forjados de viguetas metálicas enrasados con la parte inferior de las jácenas Sección de un forjado con viguetas metálicas Apoyos de viguetas de hormigón en jácenas o vigas metálicas Uniones de jácenas metálicas con forjados empotrados de viguetas de hormigón Forjados de viguetas de hormigón apoyados en jácenas metálicas en zona sísmica Forjados de viguetas metálicas apoyados en jácenas metálicas en zona sísmica Enlace de soportes metálicos con forjados de hormigón armado Disposiciones de una estructura metálica en edificios para viviendas Voladizos. Disposición y ejecución Escaleras. Disposiciones Peldaños Uniones de jácenas metálicas y pilares de hormigón armado Estructuras mixtas Estructuras colgadas con uniones soldadas Estructuras con elementos colgados sin utilizar soldadura Otras uniones BIBLIOGRAFÍA

9 INTRODUCCIÓN El objetivo que se pretende alcanzar con esta publicación es la exposición, de forma sencilla y detallada, de un conjunto de criterios sobre el funcionamiento de las estructuras de acero, enfocado estrictamente hacia su construcción, sin entrar en el estudio de los cálculos. El libro se ha adaptado, en los apartados que ha sido posible, a la Instrucción EA-95, a la Instrucción EAE, al Eurocódigo 3, a la Instrucción EHE y a la Norma Sismorresistente NCSE-O2, y se ha concebido pensando en los estudiantes de Arquitectura Técnica, sin olvidar la posible utilidad para otros estudios relacionados con la Construcción de Edificios. Para resolver con acierto la estabilidad estructural de un edificio, es imprescindible entender el funcionamiento de su estructura, conocer la disposición estructural, las solicitaciones que le llegan y el material utilizado, con el fin de elegir los detalles y disposiciones constructivas más adecuados, así como resolver los puntos singulares de la misma. El acero es el material estructural por excelencia para grandes alturas, puesto que resuelve con éxito los planteamientos estructurales de: soportar el peso con pilares de dimensiones reducidas, resistir el empuje ante el vuelco y evitar movimientos debidos a la acción del viento, auxiliado en ocasiones por algún núcleo de hormigón armado. En el contenido del libro se incluyen gran número de perspectivas y detalles constructivos que, unidos al texto escrito, ayudan a comprender el funcionamiento de la estructura y con ello tener la oportunidad de elegir las opciones idóneas para resolver cada encuentro, de acuerdo a las exigencias estructurales. Se analiza la estructura completa del edificio, tanto si se trata de un edificio industrial como si es para uso administrativo o de viviendas. Se estudia el encuentro del edificio con la cimentación, las placas de anclaje, pilares, jácenas, forjados, vigas de celosía, cubiertas con estructura metálica, analizando y detallando las uniones y arriostramientos, completando su contenido con un amplio apartado sobre estructuras mixtas. Para completar el programa de contenidos del mismo se han utilizado algunas ideas, dibujos y conceptos, similares a los existentes en libros de reconocida prestigio y solvencia relacionados en la Bibliografía y especialmente de las Instrucciones EAE y EA-95, de Estructuras de Acero, de Ramón Arguelles y otros, de Biblioteca de Detalles Constructivos de CYPE y Los pilares: criterios para su proyecto, cálculo y reparación, de Florentino Regalado. A todos ellos quiero expresar mi 7

10 Introducción especial agradecimiento, ya que sin la valiosa ayuda proporcionada por sus excelentes textos, no hubiese sido posible completar el presente libro. Mi sincero agradecimiento a los alumnos de la Escuela de Arquitectura Técnica de Alicante que han colaborado en la informatización de los dibujos. No puedo dejar de agradecer a mi familia por el tiempo que les he robado, dedicándolo a escribir estas páginas. Finalizo con la esperanza de que este libro pueda serle útil, además de a los estudiantes de Arquitectura Técnica, a los Profesionales, Técnicos y estudiosos, interesados en el atractivo campo del conocimiento técnico. Es mi modesta aportación a su progreso. Gracias a todos. Alicante, febrero de Pascual Urbán Brotóns 8

11 TEMA 1.- GENERALIDADES SOBRE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO. INTRODUCCIÓN. Las estructuras metálicas, al igual que los prefabricados de hormigón, presentan un buen porvenir, ya que a medida que aumenta el nivel de vida de un país, van siendo más económicas las técnicas que requieren menor cantidad de mano de obra. Las construciónes ejecutadas con estructuras metálicas permiten luces mayores, especialmente interesante para locales comerciales, industrias, donde se requieran edificios sin pilares intermedios, así como para edificios de grandes alturas, sin pilares excesivamente gruesos, evitando ocupar espacios importantes. El mercado de estructuras está muy diversificado, siendo muy importantes los capítulos de edificación en altura, naves industriales y cubiertas, estructuras para los grandes bienes de equipo (centrales térmicas y nucleares, soportes de hornos y de silos), etc. NORMATIVA Y DISPOSICIONES SOBRE LA CONSTRUCCIÓN METÁLICA. Norma Básica de la Edificación NBE EA-95 Estructuras de acero en edificación (Aprobada por Real Decreto 1929/1995). Norma Española Experimental. Eurocódigo 3: Proyecto de estructuras de acero. Instrucción de Acero Estructural EAE (en trámite de aprobación definitiva), que posiblemente elimine la normativa anterior. Esta instrucción es aplicable a las estructuras y elementos de acero estructural de edificios y obras de ingeniería civil. Expresamente se excluyen del campo de aplicación de esta instrucción: 1.- Las estructuras realizadas con aceros especiales tales como los aceros de alto límite elástico, superior a 46º N/mm2., salvo en elementos de unión (tornillos, bulones, etc.) y los aceros provenientes de aleaciones especiales como el acero inoxidable. 9

12 Generalidades sobre la construcción en acero 2.- Los elementos estructurales mixtos de acero estructural y hormigón y, en general, las estructuras mixtas de acero y otro material de distinta naturaleza con función resistente. 3.- Los elementos estructurales de hormigón que formen parte de una estructura metálica de acero, como por ejemplo: forjados, núcleos y muros. Dichos elementos deberán ser dimensionados y comprobados de acuerdo con lo que prescribe la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) y la Instrucción para el proyecto y la ejecución de forjados unidireccionales de hormigón estructural realizados con elementos prefabricados (EFHE). En obras especiales, tales como algunas estructuras industriales, pórticos grúa, etc. se adoptarán las medidas derivadas de las características de la propia obra y de su utilización. Con el fin de no detener el avance de la tecnología del acero y permitir la adaptación de la obra a circunstancias y condicionantes de carácter local, la Instrucción permite que el Autor del Proyecto y la Dirección de obra, que están obligados a conocer y tener en cuenta las prescripciones de la presente Instrucción, en uso de sus atribuciones puedan, bajo su personal responsabilidad y previa justificación de que no se reducen los niveles de prestaciones, emplear sistemas de cálculo o disposiciones constructivas diferentes. En el ámbito de esta Instrucción sólo podrán utilizarse los productos de construcción (acero, productos de acero, etc.) legalmente comercializados en países que sean miembros de la Unión Europea o bien que sean parte del Acuerdo sobre el Espacio Económico Europeo. Dichos productos deberán estar en posesión del marcado CE y deberán disponer del correspondiente certificado de conformidad CE. 10 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES. Metales empleados en estructuras metálicas. Los metales que se emplean en estructuras metálicas son principalmente el acero ordinario, el acero autopatinable, el acero inoxidable y el aluminio. El Acero Ordinario Es el más empleado. Existen los sigiuentes tipos (según la norma EN 10027):

13 Construcción de estructuras metálicas S235JR S235J0 S235J2 S275JR S275J0 S275J2 S355JR S355J0 S355J2 S355K2 La primera sigla es una S (de 'steel' acero en lengua inglesa) La siguiente cantidad numérica es el límite elástico en MPa. en elementos cuyo espesor no supere los 16mm. En espesores superiores la resistencia de cálculo es menor. Las últimas siglas indican su sensibilidad a la rotura frágil y su soldabilidad. JR para construciónes ordinarias. J0 cuando se requiere alta soldabilidad y resistencia a la rotura frágil. J2 cuando se requiere exigencias especiales de resilencia, resistencia a la rotura frágil y soldabilidad. Con objeto de que no sean excesivamente frágiles, uno de los parámetros que se exige a estos aceros es que su alargamiento de rotura sea superior al 15%. En España, excepto el S275JR todos los demás se suministran bajo pedido. Las normas EN y EN establecen otros aceros de mayor resistencia: S420 y S460 de raro uso en nuestro país. Los aceros autopatinables Los aceros autopatinables tienen la misma nomenclatura y composición que los aceros ordinarios y tienen como característica que en su composición entra una pequeña cantidad de cobre. También se sirven bajo pedido. Observaciones: Estos aceros tienen un buen comportamiento ante la corrosión atmosférica, dado que se produce en su superficie una capa de óxido que es la que los protege. Por tanto hay que procurar que a lo largo de su vida útil no estén en contacto con elementos que les produzcan roces y limpien esta capa. Así mismo en zonas de circulación de personas son susceptibles de manchar a los transeúntes con dicho óxido. 11

14 Generalidades sobre la construcción en acero Los Aceros Inoxidables Se emplean en estructuras sometidas a ambientes agresivos. En edificación se emplean los siguientes tipos: Nomenclatura europea (EN ) Nomenclatura en EEUU Tipo Composición Resistencia de cálculo fleje laminado en frio (MPa) Resistencia de cálculo fleje o chapa laminado en caliente (MPa) Alargamiento de rotura Coeficiente de dilatación térmica (10-6 / ºC) AISI 304 austenítico Fe+Cr+Ni % AISI 304L austenítico Fe+Cr+Ni % AISI 316 austenítico Fe+Cr+Ni+Mo % a 45% AISI 316L austenítico Fe+Cr+Ni+Mo % a 45% AISI 321 austenítico Fe+Cr+Ni+Ti % AISI 316Ti austenítico Fe+Cr+Ni+Mo+Ti % 16, duplex Fe+Cr+Ni+N % a 25% duplex Fe+Cr+Ni+Mo+N % a 25% 13 Los más habitualmente empleados y fáciles de encontrar en stock son los y Comercialmente se venden en chapas, flejes y barras lisas, roscadas o corrugadas. Los perfiles estructurales corrientes existentes en el mercado son a base de chapas conformadas en frío. La nomenclatura americana se adjunta porque es la habitualmente empleada por los industriales y almacenistas. Los y se prestan a ser empleados en ambientes benignos rurales y urbanos con poca contaminación atmosférica. Los y se emplean en ambientes marítimos y con atmósfera contaminada. El en ambientes marítimos o contaminados muy agresivos. Los y tienen la particularidad de que tienen poco carbono y así las soldaduras son menos sensibles a la corrosión. Los y contienen una pequeña cantidad de titanio, consiguiendo un efecto similar. Los aceros inoxidables austeníticos, a pesar de tener poca resistencia, comparados con un acero corriente, tienen un alargamiento de rotura muy 12

15 Construcción de estructuras metálicas grande (40-45%) y por tanto son muy apropiados para uso estructural por la seguridad que ofrecen. Los aceros inoxidables dúplex tienen la misma resistencia mecánica que los aceros ordinarios de uso estructural más resistentes (S420 y S460) y un alargamiento de rotura más que aceptable (20-25%) Algunas precauciones a tener en cuenta: No emplear herramientas, discos de corte u otro utillaje que sirviera para trabajar otros metales. No poner en contacto directo las partes de hierro o acero de cadenas, ganchos, grúas, camiones, transpalets, etc. con el material. Evitar la suciedad. Evitar diseñar piezas y uniones con superficies susceptibles de acumular suciedad. Los elementos estructurales en forma de cajón cerrado deben tener un desagüe. Uniones atornilladas: Se deberán hacer obligatoriamente con tornillos de acero inoxidable. (La norma EN ISO3506 indica los tipos de acero a emplear). Uniones soldadas: Se realizarán con material de aporte de acero inoxidable. Si se empleara una atmósfera de gas inerte éste no deberá contener dióxido de carbono. Si los aceros a soldar son dúplex el gas tampoco contendrá nitrógeno. El Aluminio Aún que ha tenido un gran desarrollo en la industria aeronáutica, en edificación se limita por el momento a carpas y construciónes desmontables, dada su ligereza. Características mecánicas de los aceros. Los dos valores fundamentales para el diseño de las piezas de acero son: 1.- El límite elástico. 2.- El límite de rotura. 13

16 Generalidades sobre la construcción en acero 1.- El límite elástico σe es la carga unitaria para la que se inicia el escalón de cedencia, es decir a partir del cual las deformaciones no son recuperables. Esta deformación remanente es del 0,2 por El límite de rotura σr (también denominado resistencia a tracción) es la carga unitaria máxima soportada por el acero en el ensayo de tracción. El límite de rotura define un índice de la calidad del mismo. La curva tiene una parte recta OP donde las tensiones son proporcionales a las deformaciones, las cuales, a su vez, son recuperables una vez desaparecida la carga. La tensión σp se llama límite de proporcionalidad. La zona PE se caracteriza por el hecho de ser recuperables las deformaciones, aunque no exista proporcionalidad entre éstas y las tensiones. La tensión σe se llama límite elástico. Y a veces es difícil de determinar. En estos casos se define como límite elástico el correspondiente a una deformación permanente del 0,2%. ε Al aumentar las tensiones, el diagrama presenta una zona EFF' en la que las deformaciones se incrementan bajo carga prácticamente constante. Todo ocurre como si el material se debilitase de pronto. Al desaparecer la carga en la probeta, ésta presenta una deformación permanente. El valor máximo σf se llama límite de fluencia o cedencia. 14

17 Construcción de estructuras metálicas Al aumentar la carga de tracción, después de la fluencia, el material parece adquirir de nuevo resistencia. La tensión alcanza un máximo σr llamado límite de rotura, a partir del cual los alargamientos en la probeta, en lugar de repartirse uniformemente, se concentran en su zona central, produciendo una estricción que hace que la tensión del diagrama baje, hasta producirse la rotura con una carga σ inferior a σr. El alargamiento de la probeta viene dado en % por la expresión: d = - Lr - Li Li 100 Lr = longitud entre los extremos después de la rotura. Li = longitud entre los extremos antes del ensayo. El alargamiento nos indica la plasticidad del material. Características tecnológicas del acero. La soldabilidad es la aptitud de un acero para ser soldado mediante los procedimientos habituales sin que aparezca fisuración en frío. Es una característica tecnológica importante, de cara a la ejecución de la estructura. La resistencia al desgarro laminar del acero se define como la resistencia a la aparición de defectos en piezas soldadas sometidas a tensiones de tracción en dirección perpendicular a su superficie. La aptitud al doblado es un índice de la ductilidad del material y se define por la ausencia o presencia de fisuras en el ensayo de doblado. 15

18 Generalidades sobre la construcción en acero TIPOS DE ACERO. La Instrucción EAE contempla los siguientes tipos de acero utilizables en perfiles y chapas para estructuras de acero. - Aceros laminados en caliente. Se entiende por tales los aceros no aleados, sin características especiales de resistencia mecánica ni resistencia a la corrosión, y con una microestructura normal. - Aceros con características especiales. Se consideran los siguientes tipos: a.- aceros normalizados de grano fino para construcción soldada. b.- aceros de laminado termomecánico de grano fino para construcción soldada. c.- aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica (aceros autopatinables) d.- aceros templados y revenidos. e.- aceros con resistencia mejorada a la deformación en la dirección perpendicular a la superficie del producto. - Aceros conformados en frío. Se entiende por tales los aceros cuyo proceso de fabricación consiste en un conformado en frío, que les confiere unas características específicas desde los puntos de vista de la sección y la resistencia mecánica. PRODUCTOS LAMINADOS. Los productos laminados se clasifican en función de sus características de forma en: - Productos longitudinales. - Productos planos. Los productos longitudinales son aquellos en los que una dimensión es determinante sobre las dos restantes. Se subdividen a su vez en: - Perfiles estructurales. Son los perfiles I, H, L, T, O, con una altura o anchura igual o mayor a 80 mm., en ocasiones denominados perfiles pesados. 16

19 Construcción de estructuras metálicas - Perfiles comerciales. Incluyen los del grupo anterior con dimensión inferior a 80 mm. e igualmente redondos, cuadrados, hexagonales y pletinas. También se denominan perfiles ligeros. Los productos planos son aquellos en los que dos de sus dimensiones predominan sobre la tercera. El producto plano utilizado normalmente es la chapa laminada en caliente, que puede ser obtenida por procedimientos discontinuos o bien por troceo de bobinas. La chapa laminada se clasifica según su espesor en: Fina: espesor inferior a 3 mm. Media: espesor igual o superior a 3 mm. hasta 4,75 mm. Gruesa: espesor superior a 4,75 mm. PERFILES Y CHAPAS DE SECCIÓN LLENA LAMINADOS EN CALIENTE. Perfiles y chapas de sección llena laminados en caliente, a los efectos de esta Instrucción, son los productos obtenidos mediante laminación en caliente, de espesor mayor o igual a 3 mm., de sección transversal llena y constante, empleados en la construcción de estructuras o en la fabricación de elementos de acero estructural. Las series de perfiles y chapas de sección llena laminados en caliente son: Perfil IPN, Perfil IPE, Perfil HEB (base), Perfil HEA (ligero), Perfil HEM (pesado), Perfil U Normal (UPN), Perfil U comercial (U), Angular de lados iguales (L), Angular de lados desiguales (LD), Perfil T, Redondo, Cuadrado, Rectangular, Hexagonal y Chapa. PERFILES HUECOS LAMINADOS EN CALIENTE. Son los perfiles huecos estructurales de sección transversal constante, de espesor igual o mayor que 2 mm. Producidos por laminación en caliente, o por conformado en frío seguido por un tratamiento térmico para obtener unas condiciones metalúrgicas equivalentes a las del laminado en caliente, empleados en la construcción de estructuras. Las series de perfiles huecos laminados en caliente son: Sección circular, sección cuadrada, sección rectangular y sección elíptica 17

20 Generalidades sobre la construcción en acero MEDIOS DE UNIÓN. Los medios de unión que contempla esta Instrucción son los constituidos por tornillos, tuercas y arandelas, para uniones atornilladas, y el material de aportación, para uniones soldadas. Los tornillos, tuercas y arandelas, deberán estar normalizados y corresponder a los mismos grados del material que unen: límite elástico y resistencia a tracción. El material de aportación utilizable para la realización de soldaduras (electrodos) deberá ser apropiado para el proceso de soldeo, teniendo en cuenta el material a soldar y el procedimiento de soldeo; además deberá tener unas características mecánicas, en términos de límite elástico, resistencia a tracción, deformación bajo carga máxima etc. no inferiores a las correspondientes del material de base que constituye los perfiles o chapas que se pretende soldar. DURABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO. La durabilidad de una estructura de acero es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. Una estructura durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura. Una estrategia correcta para la durabilidad debe tener en cuenta que en una estructura puede haber diferentes elementos estructurales sometidos a distintos tipos de ambiente. La durabilidad no incumbe sólo a los elementos estructurales. A veces son los elementos no estructurales los que conllevan problemas importantes de cara a la durabilidad. Estrategia de durabilidad. Para conseguir la durabilidad adecuada será necesario seguir una estrategia que contemple todos los posibles mecanismos de degradación, 18

21 Construcción de estructuras metálicas adoptando medidas específicas en función de la agresividad a la que se encuentre sometido cada elemento. Deberán incluirse, al menos, los siguientes aspectos: - Selección de la forma estructural, definiendo en proyecto los esquemas estructurales, las formas geométricas y los detalles que sean compatibles con la consecución de una adecuada durabilidad de la estructura. Se facilitará la preparación de las superficies, el pintado, las inspecciones y el mantenimiento. - Se procurará evitar el empleo de diseños estructurales que conduzcan a una susceptibilidad elevada a la corrosión, eligiendo formas de los elementos sencillas. - Se reducirá al mínimo el contacto directo entre las superficies de acero y el agua. - Cuando la estructura presente áreas cerradas (interiores inaccesibles) o elementos huecos, debe cuidarse que estén protegidos de manera efectiva contra la corrosión, mediante soldadura continua. En casos de especial agresividad, cuando las medidas normales de protección no se consideren suficientes, se podrá recurrir a la disposición de sistemas especiales de protección (materiales de recubrimiento en polvo, productos para tratamiento químico de las superficies, protección catódica, etc.) La Instrucción EHE recomienda evitar los detalles constructivos indicados como INADECUADOS en las figuras siguientes, empleando los considerados ADECUADOS en las mismas. 19

22 Generalidades sobre la construcción en acero 1.- Prevención de la acumulación de agua y suciedad Suciedad y agua retenidas Apropiado Inadecuado Discontinuidad para salida del agua 20

23 Construcción de estructuras metálicas 2.- Realización de soldaduras. 3.- Tratamiento de huecos. Hendidura Inadecuado (Hendidura estrecha de difícil protección) Soldaduras continuas Hendidura cerrada Mejor 21

24 Generalidades sobre la construcción en acero 4.- Eliminación de bordes agudos Sistemas de pintura protectores d r Acero Acero Acero Borde agudo Inadecuado d = 1 mm. Borde biselado Mejor d r > 2 mm. Borde redondeado Apropiado 5.- Eliminación de imperfecciones en la superficie de las soldaduras Sistemas de pintura protectores Irregularidades Superficie insuficientemente plana Suciedad acumulada Superficie soldada lisa Inadecuado Mejor Apropiado 22

25 Construcción de estructuras metálicas 6.- Diseño recomendado de refuerzo para la protección frente a la corrosión, con entalla para evitar cruces de soldadura y acumulación de agua. PERFILES UTILIZADOS EN ESTRUCTURAS METÁLICAS. La denominación de las partes de un perfil es la siguiente: ALAS ALMA ALAS ALMA ALAS 23

26 Generalidades sobre la construcción en acero Los perfiles más utilizados en estructuras son los siguientes: PERFIL IPN.- Su sección tiene forma de I (doble T). Caras exteriores de las alas normales al alma. Caras interiores inclinadas un 14%. Bordes redondeados interiormente. Dimensiones desde 80 hasta 600 mm. Forma de trabajo: resiste perfectamente a flexión. No mucho a compresión. PERFIL IPE.- Sección en forma de doble T. Caras exteriores e interiores de las alas paralelas y normales al alma. Espesor constante. Dimensiones desde 80 hasta 600 mm. Forma de trabajo: resiste muy bien a flexión. Soporta pequeñas compresiones. PERFIL HE.- Su sección semejante a la del perfil IPE pero la relación b/h es mayor en el HE que en el IPE. Dimensiones desde 100 hasta 600 mm. Existen tres series: normal (HEB), ligera (HEA) y pesada (HEM). Forma de trabajo: muy bien a flexión y a compresión. PERFIL UPN.- Sección en forma de U. Caras interiores con inclinación del 8%. Dimensiones desde 80 hasta 300 mm. Forma de trabajo: Unido a otro perfil igual, trabaja muy bien a compresión. Individualmente soporta tracciones y pequeñas compresiones. PERFIL L.- Sección en forma de ángulo recto, con las alas de igual longitud. Dimensiones desde el 25-3 hasta el Forma de trabajo: soporta tracciones y pequeñas compresiones. PERFIL LD.- Sección en ángulo recto. Alas de distinta longitud. Dimensiones desde hasta Forma de trabajo: soporta tracciones y pequeñas compresiones. PERFIL T.- Sección en forma de T simple. Tiene un canto igual al ancho del ala (a=b). Dimensiones desde hasta mm. Forma de trabajo: soporta tracciones, flexiones no muy grandes y pequeñas compresiones. A continuación se detallan las secciones de los mencionados perfiles. 24

27 Construcción de estructuras metálicas h IPN 14% L Lados iguales e h b b h IPE LD Lados diferentes e h b b h HE b T 2% h b h UPN b 25

28 Generalidades sobre la construcción en acero La designación de los perfiles se efectúa en función de su tipo y sus dimensiones. En general para los perfiles de la serie I y U es suficiente con indicar el tipo y su altura. Por ejemplo: IPN 180 nos indica el tipo (IPN) y su altura total (180 mm.). UPN 200 nos indica el tipo (UPN) y su altura total (200 mm.). Para los perfiles de tipo angular (L) debemos indicar si se trata de perfiles de lados iguales o de lados desiguales, así como el espesor de las alas. Por ejemplo: L 40x40x4 nos indica que mide 40 mm. cada lado y que el espesor del ala es de 4 mm. L 90x60x7 nos indica que un lado mide 90 mm., el otro mide 60 mm. y el espesor del ala es de 7 mm. En los perfiles HE hay que tener en cuenta que h=b hasta el perfil h=30, y a partir de ahí h > b. Inercia en los perfiles metálicos. Para los efectos de una correcta colocación en obra de los perfiles metálicos, especialmente en pilares, es indispensable conocer en qué sentido tiene más inercia, con el fin de disminuir los posibles pandeos de los mismos. Como concepto general elemental, podríamos decir que la inercia es el producto de la masa de acero multiplicada por la distancia de ésta hasta el eje. De tal modo que, para efectos estructurales, consideramos que la máxima inercia coincide con la máxima dimensión del perfil, a pesar de que el eje de máxima inercia, puramente entendida, estará en la otra dirección. Por ejemplo un perfil IPN 300, cuyas dimensiones son 300 mm. de alto (alma) y 125 mm. de ala, la máxima inercia (máxima dimensión, máxima resistencia a torsión y flexión), para efectos geométricos estructurales, estará en el sentido de los 300 mm. Exactamente igual ocurre con pilares formados por dos o más perfiles. Su máxima inercia coincide con la mayor dimensión de ambos perfiles juntos. Posteriormente, al estudiar los distintos tipos de vigas, se verá la inercia de cada una de ellas. No obstante, a modo de avance, podemos indicar que los perfiles metálicos para vigas de mayor inercia, en sentido descendiente son: Viga armada, perfil HEB, perfil IPE, perfil IPN, viga void o alveolada y viga de celosía. 26

29 SISTEMAS DE PROTECCION DEL ACERO. Construcción de estructuras metálicas Una vez finalizada la construcción de las estructuras metálicas pueden aparecer problemas por alguna de las siguientes causas: - efectos del calor, como consecuencia de incendios. - oxidación excesiva y consiguiente corrosión. Protección contra incendios. Aunque el hierro no es combustible, no se puede considerar como resistente al fuego, no sólo porque disminuye su resistencia en cuanto pasa la temperatura de 300º (a los 500º queda reducida a la mitad), sino que por efecto de su dilatación sufre grandes deformaciones que producen empujes, retorciéndose las piezas, las cargas se desplazan del eje de las piezas y se produce el colapso, que puede agravarse por los choques con el material que se derrumba. Por cada 100º se dilata 1/833 de la longitud, por lo que si las piezas tienen grandes luces y en incendios corrientes (se suele producir 1000º y superiores) los empujes pueden provocar el derrumbamiento de la obra. Para protección de las piezas metálicas expuestas al fuego se emplean los revestimientos con materiales que impidan que el fuego entre en contacto con el hierro. Como revestimientos se deben emplear elementos no inflamables que son los que bajo la acción del fuego o del agua, no pierden esencialmente su resistencia, e impiden la propagación durante un tiempo comprendido entre 1 y 3 horas, necesario para desalojo del inmueble e inicio de la extinción del fuego por parte de los bomberos. Los materiales de protección del acero que pueden utilizarse son: granito, mármol, hormigón, fábrica de ladrillo cerámico con mortero de cemento, placas de yeso, mortero de vermiculita, placas de base silicatada en general, placas de perlita o vermiculita, fibra mineral proyectada, pinturas intumescentes, etc. En caso de utilizar revestimiento de hormigón, se emplea vertiéndolo dentro de un encofrado que envuelve al elemento metálico, o bien envolviendo el elemento metálico, viga o soporte, con una tela metálica o cercos que evitan que se desconche el hormigón, debiendo tener la capa protectora al menos 6-7 cm. para que sea eficaz. 27

30 Generalidades sobre la construcción en acero Protección contra la corrosión. La oxidación constituye el peor enemigo de las construciónes metálicas. La acción del aire húmedo o del agua contenida en la atmósfera, en contacto con el hierro, da lugar a la formación del hidrato férrico, cuyo aumento de volumen facilita la propagación. La oxidación es más rápida cuando el Fe está en presencia de ácidos diluídos y soluciones salinas, como ocurre con el aire húmedo de las costas. Por el contrario, en aire completamente seco se conserva el Fe durante más tiempo. El mortero de cal y sobre todo el de yeso, atacan activamente al hierro, mientras que el mortero de cemento lo conserva y hasta lo protege. Para evitar la destrucción del hierro por oxidación, o reducir a un mínimo su acción corrosiva, se cubre con un revestimiento protector, que, para que resulte eficaz es condición indispensable que ese revestimiento esté en contacto con el hierro, sin que existan entre ambos partículas de óxido, cuya formación continuaría y que, con el consiguiente aumento de volumen, hace saltar la corteza que forme la sustancia protectora. Por ello es indispensable que la superficie a tratar esté limpia de suciedad, óxido y manchas. La Instrucción EAE en sus artículos 30 y 79 especifica los tratamientos y sistemas de protección para las estructuras metálicas, tanto para las tratadas en taller como en obra. El Pliego de Prescripciones Técnicas debe definir el sistema de protección contra la corrosión y los requisitos adicionales para obtener una vida de servicio acordes con la vida útil de la estructura. Las piezas deben diseñarse evitando zonas donde pueda depositarse humedad y suciedad, tanto en elementos interiores como exteriores. Deberá considerarse conjuntamente el tratamiento de protección frente a incendio, ya que los requisitos del mismo pueden determinar un grado de defensa frente a la corrosión muy superior al estrictamente necesario, especialmente en el caso de pinturas intumescentes y morteros proyectados. El Pliego de Condiciones deberá definir el sistema de tratamiento, especificando: preparación de las superficies, tipo y espesor de la capa de imprimación anticorrosivo, de las capas intermedias y de las capas de acabado. 28

31 Construcción de estructuras metálicas La preparación de las superficies que hayan de ser pintadas se limpiará y preparará de forma adecuada al tratamiento de pintura correspondiente, eliminando la suciedad, cascarilla de laminación, restos de escoria de soldadura, grasa y la humedad superficial. Si existieran revestimientos anteriores, deben ser igualmente eliminados. Los métodos de protección utilizados son: Metalización. La protección se consigue mediante proyección de cinc o aluminio pulverizado, realizado según UNE EN Las superficies metalizadas deben ser tratadas con una imprimación anticorrosiva especial, de naturaleza sellante y tapaporos para evitar la formación de ampollas antes de revestirse de pintura. Galvanización en caliente. Consiste en la formación de un recubrimiento de cinc o aleaciones de cinc-hierro por inmersión de las piezas y artículos fabricados de hierro y acero en un baño de zinc fundido a una temperatura de 450 ºC, según norma UNE EN ISO Pintado. El art. 30 de la Instrucción EAE establece los tipos de pintura y sistemas de pintura que pueden utilizarse para la protección de estructuras de acero, así como las prescripciones técnicas que deben cumplir, según la durabilidad requerida del sistema de pintura protector. Pueden emplearse los siguientes tipos de pintura: -pinturas de secado al aire. -pinturas de curado físico (en base disolvente o en base agua). -pinturas de curado químico (epoxídicas, de poliuretano, por humedad). Las pinturas de secado al aire endurecen por evaporación de los disolventes orgánicos o del agua, seguida por la reacción del ligante con el oxígeno del aire. Las pinturas en base disolvente secan por evaporación de los disolventes. Las pinturas de curado químico constan de un componente base y un agente de curado, secando por evaporación de los disolventes, y reacción química entre la base y el agente de curado. 29

32 Generalidades sobre la construcción en acero Los sistemas de pintura están constituidos por un conjunto de capas de imprimación (1 o 2 según los casos) y de capas de acabado (entre 1 y 4) de pintura con espesores nominales de película seca definidos que, aplicados sobre una superficie de acero con un grado de preparación preestablecido, conducen a una durabilidad determinada del sistema de pintura protector. La durabilidad de un sistema de pintura protector depende del tipo de sistema de pintura, del diseño de la estructura, del estado de la superficie de acero, de la calidad de la aplicación, de las condiciones durante la aplicación y de las condiciones de exposición en servicio. Por ello, el grado de durabilidad de un sistema de pintura es un concepto técnico útil para seleccionar el sistema a emplearen un caso concreto y para definir el programa de mantenimiento correspondiente, pero no puede, en ningún caso, tomarse como un período de garantía. Se establecen tres grados de durabilidad de los sistemas de pintura. - Durabilidad baja: de 2 a 5 años. - Durabilidad media: de 5 a 15 años. - Durabilidad alta: más de 15 años. La pintura debe ser aplicada de acuerdo con la hoja de datos del fabricante del producto. Se deberá comprobar, previamente, que la superficie está limpia y exenta de manchas, así como la compatibilidad de las distintas capas de pintura. Es recomendable utilizar productos del mismo fabricante. Las fracciones de piezas que vayan a quedar embebidas en el hormigón no necesitan protección, a partir de 30 mm. por debajo del nivel del mismo (recubrimiento), siempre que a su vez la superficie de hormigón esté a salvo de procesos de carbonatación. Debe prevenirse la dificultad de pintado de elementos inaccesibles y proceder a su ejecución antes del montaje. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA ESTRUCTURA METÁLICA. Ventajas: - Las estructuras metálicas, al tomar grandes deformaciones, antes de producirse el fallo definitivo avisan. 30

33 Construcción de estructuras metálicas - El material es homogéneo y la posibilidad de fallos humanos es mucho más reducida que en estructuras construidas con otros materiales. El material resiste por igual en todas las solicitaciones. - Ocupan poco espacio. Los soportes molestan muy poco, para efectos de la distribución interior, por lo que se le obtiene buena rentabilidad a toda la superficie construida. Los cantos de las vigas son reducidos y los anchos aún son menores. En general las estructuras metálicas pesan poco y tienen elevada resistencia. - Las estructuras metálicas no sufren fenómenos reológicos que, salvo deformaciones térmicas, deban tenerse en cuenta. Conservan indefinidamente sus excelentes propiedades. - Estas estructuras admiten reformas, por lo que las necesidades y los usos pueden variar, adaptándose con facilidad a las nuevas circunstancias. Su refuerzo, en general, es sencillo. - Las estructuras metálicas se construyen de forma rápida, ya que al ser elementos prefabricados, en parte, pueden montarse en taller. Asimismo tienen resistencia completa desde el instante de su colocación en obra. - Al demolerlas todavía conserva el valor residual del material, ya que es éste es recuperable. Inconvenientes: - Son necesarios dispositivos adicionales para conseguir la rigidez (diagonales, nudos rígidos, pantallas, etc.) - La elevada resistencia del material origina problemas de esbeltez. - Es necesario proteger las estructuras metálicas de la corrosión y del fuego. - El coste, en principio, es más elevado que el de las estructuras de hormigón armado. - El resultado de las uniones soldadas es dudoso, especialmente en piezas trabajando a tracción. SOLDADURA. Un acero se considera soldable según un grado, un procedimiento determinado y para una aplicación específica, cuando mediante la técnica apropiada se puede conseguir la continuidad metálica de la unión y ésta cumpla con las exigencias requeridas. 31

34 Generalidades sobre la construcción en acero Descripción característica de una junta: ÁREA METAL APORTADO ÁREA METAL DE BASE FUNDIDO ÁREA ZONA AFECTADA TÉRMICAMENTE (Z.A.T.) Borde inicial de la junta Línea de fusión Línea de transformación Metal de soldadura Parte transformada de Z.A.T. Parte de baja temperatura de la Z.A.T. Metal base Zona de soldadura Z.A.T. Metal de base: es el material que no queda afectado por la operación de soldadura, cuyas características corresponden a las de partida. Metal de soldadura: es el metal fundido, cuya composición química y estructura corresponden a las proporcionadas por la fusión del metal de aportación. 32

35 Construcción de estructuras metálicas Zona afectada térmicamente: (Z.A.T.) es la zona del material de base que ha permanecido durante un cierto tiempo en una gama de temperaturas en las que puede producirse transformaciones o modificaciones estructurales. Energía de aportación: es la energía aportada en el proceso de soldeo (en soldadura oxiacetilénica y en la soldadura de arco eléctrico). Tipos de uniones para barras corrugadas. Existen tres tipos de uniones: a tope, a solape y en cruz. UNIÓN A TOPE 2-3 mm. aprox. 3 mm. 30 Soldadura 2-3 mm. aprox. 2-3 mm. aproxim. Barras corrugadas 33

36 Generalidades sobre la construcción en acero UNIÓN A SOLAPE Soldadura 2-3 mm aprox. Barras corrugadas Soldadura Barras corrugadas UNIÓN EN CRUZ Soldadura Barras corrugadas UNIONES SOLDADAS. Las uniones soldadas amparadas por la Instrucción EAE deberán ejecutarse de acuerdo a los procedimientos indicados y el material de aportación habrá de tener características mecánicas, límite elástico y tensión de rotura, no inferiores a las del metal base. Las piezas a unir deberán tener como mínimo 3 mm. de espesor. 34

37 Construcción de estructuras metálicas Métodos de soldadura autorizados. Se autoriza el empleo de los siguientes métodos de soldadura en las estructuras de acero objeto de esta Norma. - Soldadura manual con electrodo recubierto, con recubrimientos de tipo rutilo o básico. - Soldadura semiautomática bajo protección gaseosa, con hilo macizo o tubular relleno de flux, con transferencia de lluvia. - Soldadura semiautomática con hilo tubular relleno de flux, sin protección gaseosa, con transferencia de lluvia. - Soldadura automática con arco sumergido. Para el empleo de otros procedimientos, o de electrodos con otros recubrimientos, se requerirá la autorización del Director de Obra; y siempre las características mecánicas del metal de aportación serán iguales o superiores a las del acero de las piezas a soldar. Tipos de uniones y de cordones. Por la posición de las piezas a unir, las uniones soldadas pueden ser a tope, en T (en cruz) o a solape, similar a las del dibujo anterior. Los cordones de soldadura a depositar entre las piezas a unir para formar una unión soldada se dividen en cordones en ángulo y cordones a penetración. En las uniones a solape, los cordones en ángulo se denominan laterales cuando son paralelos a la dirección del esfuerzo que transmiten, frontales cuando son normales a dicho esfuerzo y oblicuos en casos intermedios. En cualquier caso pueden ser continuos o discontinuos. Cordón frontal Cordón lateral Cordón oblicuo N N N Los cordones a tope pueden ser de penetración completa o de penetración parcial. 35

38 Generalidades sobre la construcción en acero Disposiciones constructivas para cordones en ángulo. Los cordones en ángulo pueden usarse para unir piezas en T, ó a solape cuyas caras a fundir formen ángulos comprendidos entre 60º y 120º, y serán de penetración total. Uniones en T Unión en solape a a a Si el ángulo está comprendido entre 45º y 60º, el cordón se considerará de penetración parcial. Si el ángulo es superior a 120º ó inferior a 45º, el cordón se considerará que es de simple atado y sin capacidad para resistir esfuerzos. Espesor de garganta. Es espesor de garganta a debe tomarse igual a la altura del mayor triángulo que pueda inscribirse en la sección de metal de aportación, medida normalmente al lado exterior de dicho triángulo, tal como se detalla en las figuras siguientes. Soldadura a a a = espesor de garganta a a 36

39 Construcción de estructuras metálicas El modo de medir el espesor de la garganta es siempre la misma, con independencia de la forma geométrica de la soldadura: recta, cóncava, convexa, lados sensiblemente distintos, etc. a a a a plano ligero colmado En el caso de soldadura muy abollada, el procedimiento es el mismo. Cuando los cordones de soldadura tengan los lados desiguales, con diferencia importante entre ambos, es conveniente formar el triángulo con ambos lados iguales al menor de ellos. CORDON DE SOLDADURA "ABOLLADA" CORDON DE SOLDADURA DE LADOS DESIGUALES b b Cuando el método de soldadura empleado permita conseguir una penetración apreciable, puede incluirse esta penetración en el valor del espesor de garganta, siempre que se demuestre que esta penetración es constante. 37

40 Generalidades sobre la construcción en acero a Cuando sea preciso depositar un cordón de soldadura entre dos superficies curvas, tales como las de: redondos, zonas de esquinas de perfiles tubulares, o entre una superficie plana y una curva, el espesor de garganta deberá determinarse a partir de soldaduras de prueba ejecutadas sobre probetas de la misma sección que vaya a ser usada en producción. a a a a 38

41 Construcción de estructuras metálicas Cordones discontinuos. En las uniones, que por cuestión de carga y de grado de corrosividad, podamos utilizar cordones de soldadura discontinuos, la luz libre entre extremos de cordones parciales no será superior al menor de los siguientes valores: mm veces el espesor de la pieza más delgada, si ésta está comprimida veces el espesor de la pieza más delgada, si ésta está traccionada. - una cuarta parte de la distancia entre rigidizadores. La longitud de cada cordón parcial no será menor que el mayor de los siguientes valores: 40 mm. ó 5 veces la garganta del cordón. En los extremos de las piezas a unir siempre se dispondrán cordones parciales. Excentricidades. Los cordones en ángulo se dispondrán de forma que se evite la aparición de momentos flectores que tengan por eje el propio del cordón de soldadura. En las dos figuras siguientes, de la parte superior, la unión es correcta, mientras que en las de la parte inferior la unión es incorrecta, puesto que la tracción es excéntrica respecto a la soldadura. Nt Nt Nt Nt 39

42 Generalidades sobre la construcción en acero Longitud mínima para cordones laterales. Los cordones de soldadura en ángulo laterales, que transmitan esfuerzos axiles de barras, tendrán una longitud no inferior a quince veces su espesor de garganta, ni inferior al ancho de la pieza a unir. Longitud efectiva de un cordón de soldadura en ángulo. La longitud efectiva de un cordón de soldadura en ángulo es igual a su longitud total, incluyendo las prolongaciones de esquina, tal como se detalla en el dibujo siguiente. No se considerarán efectivos para transmitir esfuerzos aquellos cordones con longitudes inferiores a 40 mm. ó a 6 veces el espesor de garganta. 0 40

43 Construcción de estructuras metálicas Otras disposiciones de uniones soldadas de piezas a tope, en prolongación, en ángulo, en esquina, de diferentes espesores, con chapa dorsal, etc. G G en ángulo en ángulo G G en esquina en solape 41

44 Generalidades sobre la construcción en acero E E H Sin preparación E Y Preparación en V bilateral E V Preparación en V E X Preparación en X Z Preparación en V unilateral E = 25 % Con chapa dorsal 42

45 Construcción de estructuras metálicas a Procedimientos de soldadura. En las estructuras metálicas existen, esencialmente, dos procedimientos: las soldaduras por fusión y las soldaduras por presión. En las soldaduras por fusión, el calor origina la fusión en una zona concreta de las piezas, con lo cual éstas se unen. Esta unión puede efectuarse con aportación de material o sin dicha aportación. En las soldaduras por presión se calientan las dos piezas, hasta lograr hacerlas plásticas, e inmediatamente se unen mediante una fuerte presión mecánica, sin electrodo y sin aportación de material. Tipos de soldadura para elementos metálicos en general. En las construciónes metálicas se utilizan los siguientes tipos de soldadura: 1.- Soldadura por arco manual con electrodos revestidos: Es el tipo de soldadura utilizado normalmente a pié de obra para unir dos piezas metálicas, al provocarse el arco entre ellas. El procedimiento es muy sencillo. Existe un generador del que salen dos cables eléctricos (polos) que finalizan con una pinza cada uno. Se conecta una de las pinzas o polo a las piezas que pretendemos unir, y el soldador coge el electrodo con las otras pinzas. La soldadura se inicia cuando el soldador toca ligeramente, con el extremo del electrodo, la pieza a soldar, formando el arco. El calor producido por el arco, hace 43

46 Generalidades sobre la construcción en acero que se funda el extremo del electrodo y se queme el revestimiento, produciéndose una transferencia de gotas de metal fundido desde el alma del electrodo hasta el baño de fusión en el material base, logrando la unión de ambas piezas. La temperatura alcanzada durante la soldadura oscila alrededor de grados centígrados, lo que origina que se funda el metal base y el extremo del electrodo, que al enfriarse queda una unión perfecta, formando una pieza única. El metal de aporte que se utiliza se denomina electrodo y consiste en una varilla metálica de acero recubierto, de unos 6-8 mm. Existen varios tipos de electrodos, según el tipo de revestimiento: electrodos de acero básicos, ácidos, celulósicos, oxidantes, de rutilo y de gran rendimiento. Los electrodos autorizados en la Instrucción EAE ya los vimos en el apartado de métodos de soldadura autorizados. Los voltajes deben ser bajos, ya que con arcos cortos se consiguen mejores soldaduras. El diámetro de los electrodos está en función del espesor de las chapas que hay que unir, siendo en general el diámetro del electrodo un poco menor que el espesor de la chapa. A título orientativo, en la tabla adjunta se indican algunos de estos valores. Diámetro del electrodo Espesor de las chapas 2,5 a 3 mm. 2 a 4 mm. 3 a 4 mm. 4 a 6 mm. 4 a 5 mm. 6 a 10 mm. 6 a 8 mm. más de 10 mm. La soldadura obtenida debe tener, al menos, las mismas características resistentes que el metal base, por lo cual es necesario seleccionar el tipo adecuado de electrodo. 2.- Soldadura por arco bajo gas protector, con electrodo consumible: Este tipo de soldadura, normalmente utilizada en taller, es un proceso en que el arco se establece entre un electrodo de hilo continuo y la pieza a soldar, estando esto protegido de la atmósfera circundante por un gas inerte, o por un gas activo. Existen otros tipos de soldadura, específicos para determinadas uniones, que no se van a describir. 44

47 CLASIFICACION DE LAS SOLDADURAS. Construcción de estructuras metálicas Existen los siguientes tipos: soldadura a tope (penetración completa y penetración parcial), soldadura de cordones, soldadura en tapón, soldadura de ranura y soldadura de bordes curvados. Se describirán las primeras, puesto que son las más utilizadas. Soldadura a tope de penetración completa. Consiste esencialmente en unir las chapas situadas en un mismo plano, por un solo lado. Para espesores de chapa inferiores a 4 mm. no es necesaria la preparación de los bordes, sin embargo, para espesores superiores a 6 mm. se necesita preparar los bordes, para conseguir una buena penetración de la soldadura sobre el metal. En las figuras siguientes se representan los tipos de preparación de bordes más usuales (en V, U, X, doble U), así como la forma de rellanar la junta, cuando las dimensiones de las chapas son grandes, siendo necesario efectuar varias pasadas con cordones de soldadura (figuras derecha). a) Sin preparación de bordes 0 a 4mm 4 a 10mm 0 a 4mm 2 a 4mm c) Cordones y zonas de una soldadura a tope 1) Zonas Escamas b) Con preparación de bordes en V en X 60º a 80º 5 a 20 mm 15 a 40 mm Penetración de flancos Capa de cobertura Capa media Cordón de cierre en U en doble U 2) Cordones d d/2 a d/3 20 a 40 mm >40mm Soldaduras a tope de penetración completa de chapas situadas en un mismo plano. 45

48 Generalidades sobre la construcción en acero En las siguientes figuras, en las de la parte superior, se representan las soldaduras a tope en forma de T y a tope en ángulo (L), cuando las chapas no están en el mismo plano. En los dibujos inferiores se detalla la preparación de los bordes para la soldadura de penetración completa. a) Soldadura a tope en T b) Soldadura a tope en L c) Preparaciones de bordes 1) Chaflán sencillo en V 2) Chaflán doble en V 3) Chaflán sencillo en J 4) Chaflán doble en J Soldaduras a tope de penetración parcial. Las soldaduras de penetración parcial, son similares a las descritas anteriormente, con menor penetración de la soldadura. Las piezas pueden disponerse en prolongación o en forma de T. En todos los casos conviene que ambas piezas estén en contacto lo más estrecho posible, para conseguir una buena unión. 46

49 Construcción de estructuras metálicas Clasificación de los cordones de soldadura según su posición. Según su posición durante la ejecución los cordones de soldadura se clasifican en: - Cordones horizontales. Puede tratarse de unir dos piezas horizontales (en suelo o en techo), dos piezas verticales, o bien una pieza vertical y otra horizontal, en ángulo (en suelo o en techo). - Cordones verticales. - Cordones inclinados. La ejecución más recomendable es la horizontal en suelo (prolongación o ángulo), ya que el metal de aportación, fundido, se vierte desde encima, y por gravedad se coloca en la posición deseada. Los cordones en techo son los más difíciles de realizar, debiendo utilizarse en las mínimas ocasiones y, en caso de tener que ejecutarlas, serán realizadas por un soldador con la capacitación profesional adecuada. Orden de ejecución de las uniones con cordones de soldadura. En las figuras siguientes se indica, de forma numérica el orden de ejecución de las soldaduras, y con una flecha se indica la dirección de las mismas, tanto para encuentros de piezas en T, solapadas, etc. (figuras superiores), como para uniones planas (figuras inferiores). 47

50 Generalidades sobre la construcción en acero Cruce de cordones Cuando la longitud de soldadura es inferior a 500 mm. es recomendable que se ejecute toda ella continua, sin más interrupción que la necesaria, cada vez que se termina un electrodo, para cambiarlo. Para casos longitud comprendida entre 500 mm. y 1000 mm. se recomienda comenzar por el centro e ir avanzando hacia cada uno de los extremos, tal como se indica en las figuras siguientes. <500 mm mm

51 Construcción de estructuras metálicas Para longitudes de soldadura superiores a 1000 mm. deben tenerse presente dos factores: la lentitud (realizarse a paso de peregrino ) y la alternancia, de modo que cada cordón parcial, cuya longitud debe ser la que corresponda al material depositado con cada electrodo, termine donde comenzó el cordón parcial anteriormente ejecutado. Tensión residual. Al realizar un cordón de soldadura, las zonas próximas al mismo tienen tendencia a alargarse, como consecuencia de las altas temperaturas que se originan. Estos alargamientos están coartados porque el resto del material, más alejado de la propia soldadura, permanece más frío. Y justamente lo mismo ocurre al enfriarse, que el material frío impide el acortamiento. Esto provoca unas tensiones residuales de tracción en la soldadura y zonas próximas. Por esta razón, al soldar a pié de obra un pilar metálico sobre su placa de anclaje, debe seguirse el procedimiento de puntear inicialmente los 4 laterales, con cordones pequeños, hasta que el pilar esté arriostrado por su parte superior, para evitar inclinaciones del mismo y entonces se completa la soldadura. Defectos de las soldaduras. Entre los defectos internos más importantes se distinguen: 1.- Falta de penetración, originada porque la unión entre el metal base y el de aportación no es perfecta en algún punto o zona, quedando alguna oquedad dentro de la zona de material de aportación. Puede producirse por excesivo espesor, incorrecta preparación de los bordes, electrodos inadecuados, mal proceso de ejecución. 2.- Falta de fusión, originada porque las superficies que se sueldan no están limpias (tienen restos de otra capa de protección, etc.) 3.- Poros y oclusiones, debida a inclusiones de pequeñas bolsas de gas en el metal depositado por el electrodo, ocasionada por utilizar una técnica inadecuada en cuanto a amperaje o longitud de arco excesiva. 4.- Inclusiones de escoria, procedente de óxidos metálicos, o por restos de soldaduras de enfriamiento rápido. 49

52 Generalidades sobre la construcción en acero 5.- Grietas, procedentes de fisuras internas o externas, debidas a tensiones residuales o esfuerzos mecánicos, y son debidas fundamentalmente a la mala calidad del electrodo utilizado. Defectos superficiales: mordeduras, picaduras y desbordamientos Los fallos más peligrosos, a efectos resistentes son los internos. En la figura izquierda se detallan los defectos internos y en la del lateral derecho se detallan los defectos superficiales. Mordedura Poros Grieta Picadura Desbordamiento Falta de penetración SISTEMAS DE INSPECCIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN SOLDADA: En la totalidad de la estructura metálica se seguirán las directrices de la Instrucción EAE y demás normativa vigente al respecto, tanto en cuanto a materiales, uniones, ejecución, etc. Para controlar la ejecución, especialmente de las soldaduras, existen diversos sistemas, que se relacionan a continuación; no obstante es conveniente efectuar una inspección ocular previa al inicio de las labores de soldadura. 1.- Inspección visual: Inspeccionar los materiales que se pretende unir, asegurándose así de que cumplen con la calidad requerida, no llevan óxidos, laminaciones, etc. Se comprobará la preparación de bordes de alineación y limpieza de éstos, también hay que comprobar los electrodos, gases, fluxes y demás, 50

53 Construcción de estructuras metálicas verificando que esté en buenas condiciones térmicas, de acuerdo a las instrucciones del fabricante. Se observarán los cordones de soldadura, sobre todo el de raíz, ya que es el que más tendencia tiene a fisurarse, y los demás cordones para ver la temperatura de precalentamiento entre pasadas. En los aceros de límite elástico muy alto y en los templados y revenidos, la inspección visual deberá posponerse al menos hasta las 48 horas desde la finalización de la soldadura, puesto que son aceros propensos a la fisuración diferida. 2.-Inspección por líquidos penetrantes: Es un ensayo no destructivo en el cual es posible detectar discontinuidades que afloran en los sólidos no porosos. Se aplica un líquido que penetra por capilaridad en las discontinuidades, una vez eliminado el exceso de éste, el retenido exuda y con la ayuda de un revelador podemos observarlo en la superficie de la pieza. El ensayo se puede clasificar según el tipo de líquido penetrante en ensayo con penetrantes fluorescentes y ensayo con penetrantes coloreados. Los fluorescentes incorporan pigmentos que permiten que el líquido emita una fluorescencia muy intensa cuando se ilumina con luz negra. Los coloreados incorporan un pigmento de color rojo brillante que produce un buen contraste con el revelador de color blanco. El proceso es el siguiente: utilizando detergentes, intentaremos eliminar los óxidos, escoria, cascarilla, pintura, etc. Aplicar el penetrante y dejarlo en la superficie para que se introduzca en todas las discontinuidades, eliminar el exceso de penetrante, aplicar el revelador, evaluar los resultados y proceder a la limpieza final con agua a presión o disolvente. 3.- Inspección por partículas magnéticas: Es un ensayo no destructivo que se emplea en materiales ferromagnéticos permitiendo detectar grietas y otras discontinuidades. La sensibilidad es muy buena en discontinuidades superficiales y disminuye a medida que aumenta la profundidad, siendo imposible detectarlas cuando éstas alcanzan profundidades de 5 o más mm. El proceso será descrito a continuación: una vez limpias las superficies, se crean campos magnéticos en la dirección e intensidad previstos por 51

54 Generalidades sobre la construcción en acero medio de imanes, a continuación se aplican las partículas magnéticas, se avalúan los resultados y finalmente se procede a la desmagnetización. 4.- Inspección radiográfica: Es la más utilizada. Este ensayo consigue una imagen nítida y establece los defectos que puedan existir en la soldadura. Es un ensayo no destructivo donde la inspección radiográfica goza de gran aceptación al ser el único que proporciona una documentación real de la inspección. Los rayos X y los Y son radiaciones electromagnéticas al igual que la luz visible. Cuando la radiación atraviesa una soldadura, la absorción depende del espesor y la naturaleza del material y del tipo y longitud de onda de la radiación. Una vez que la radiación ha atravesado la unión soldada es capaz de impresionar una partícula radiográfica. Es similar a la utilizada en fotografía, procediendo posteriormente al revelado y fijado de la imagen. Los resultados se clasifican en grados del 1 al 5, siendo 1 una soldadura perfecta y 5 una soldadura pésima. 5.- Inspección por ultrasonidos: El método consiste en un ensayo no destructivo que utiliza la propagación del sonido. Al comunicar una presión determinada al primer plano de partículas comunicará la energía recibida a las partículas siguientes. Se producirá una oscilación que tendrá la misma frecuencia y amplitud que la presión ejercida desde el exterior, y debido a que el medio es un cuerpo elástico, se requiere un determinado tiempo para permitir la propagación de la presión ejercida, por lo que en planos sucesivos se produce un retraso en su movimiento. En la respuesta de una chapa a las ondas transversales se producirá una propagación de ondas, una reflexión en el borde, barrido de la sección transversal y determinación de la situación de un defecto. 52

55 Construcción de estructuras metálicas DETALLES CONSTRUCTIVOS: SOLDADURA A TRACCIÓN Y A CORTANTE. Con el fin de dar cumplimiento a lo especificado en la Instrucción EAE, y con referencia a las placas de anclaje, existen unas matizaciones que es indispensable conocer y que, aunque con posterioridad se insista sobre ellas, se van a relacionar ya en este punto. En cuanto a la unión de pernos con la placa de anclaje, existen las siguientes puntualizaciones: La resistencia a tracción de un perno es correcta si, aparte de un buen dimensionado, va soldado a la placa en todo su contorno. En la figura siguiente, el perno de la izquierda sólo tiene soldadura en 2 laterales, por lo que la opción no es totalmente correcta, especialmente si las cargas son importantes. El perno de la derecha está soldado en todo su contorno, por lo tanto es la opción correcta. PLACA DE ANCLAJE SOLDADURA SOLO EN 2 LATERALES DEL PERNO OPIÓN CORRECTA PERNOS DE ANCLAJE SOLDABLES OPIÓN REGULAR Según la Instrucción EAE, se prohíbe terminantemente soldar los pernos a la placa de base mediante cordones en ángulo dados sobre patilla formada en el extremo del mismo que va a soldarse a la placa, tal como se detalla en el dibujo siguiente. 53

56 Generalidades sobre la construcción en acero PLACA DE ANCLAJE PROHIBIDO SOLDAR ASÍ PERNO Unión soldada de un pilar y una jácena, metálicos. Soldadura a cortante JÁCENA JÁCENA PILAR PILAR COLGADO Soldadura a tracción Angulares por si falta cordón de soldadura JÁCENA Soldadura a las alas jácena Pletina metálica para colgar el pilar PILAR COLGADO Soldadura a cortante 54

57 Construcción de estructuras metálicas En el dibujo anterior izquierdo la jácena está unida con soldadura al pilar, trabajando la soldadura a cortante. En el dibujo superior derecho, el pilar está colgado de la jácena, trabajando la soldadura a tracción. Inicialmente debemos evitar, en lo posible, soldaduras a tracción para cargas importantes. En el dibujo tercero, vista lateral del mismo detalle anterior, el pilar continúa colgado de la jácena, si bien se han añadido pletinas metálicas para colgarlo lateralmente, con lo cual hemos convertido la soldadura a tracción en soldadura a cortante. Unión de dos perfiles metálicos mediante soldadura. En las dos perspectivas siguientes se detalla la unión de dos perfiles metálicos, uno de ellos trabaja a tracción (tira en la dirección de la flecha). En la primera figura la soldadura trabaja a tracción, mientras que en la segunda, gracias a la pletina lateral añadida, la soldadura trabaja a cortante. 55

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59 TEMA 2.- TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL EN ACERO. ESQUEMAS ESTRUCTURALES. Las estructuras metálicas para edificios están formadas fundamentalmente por: - Pilares o soportes, que apoyan sobre la cimentación. - Vigas o jácenas, que cargan sobre los soportes. - Forjados, que transmiten sus cargas a las vigas. - Arriostramientos y correas de atado, para evitar desplazamientos y deformaciones. Algunas vigas pueden transmitir su reacción por uno o por sus dos extremos, no a un pilar, sino a otra jácena. Esta unión se denomina brochal. También puede ocurrir que algún soporte no llegue a la cimentación, bien porque esté colgado, bien porque descanse en un elemento en flexión (viga), denominándose pilar apoyado sobre jácena o pilar apeado. Las diversas formas en que pueden quedar enlazados las vigas y los soportes dan lugar a diferentes tipos de estructuras: - Estructuras totalmente isostáticas. - Estructuras con vigas continuas. - Estructuras de pórticos con nudos rígidos. - Estructuras especiales. En el siguiente esquema se relacionan los diferentes elementos que constituyen la planta de estructura metálica de un edificio. 57

60 Tipología estructural en acero Todo el contorno de la planta, patios, huecos y escalera deben quedar unidos mediante jácenas o correas de arriostramiento. Si las viguetas de forjado son de acero, no necesitaremos correas de atado, puesto que podemos soldar las viguetas de los extremos a los pilares, cumpliendo con ello ambas funciones: soportar carga y arriostramiento. 58

61 ENLACE VIGA-SOPORTE. FORMA DE TRABAJO. Construcción de estructuras metálicas Antes de iniciar el estudio a fondo de cada uno de los tipos estructurales y de sus uniones, partiremos de la base de que los enlaces viga-soporte, se pueden clasificar en dos grandes grupos: apoyos rígidos y apoyos articulados o flexibles, cuyo funcionamiento vamos a estudiar a continuación, de forma muy sencilla, con independencia de que, posteriormente, se completen con el estudio más profundo de los nudos y enlaces. La forma de trabajo de la jácena, en su unión con el soporte, depende del tipo de enlace. El apoyo rígido impide el giro del extremo de la viga, por lo tanto trabaja a tracción la parte alta de la viga y a compresión la parte inferior de la misma. El apoyo articulado o flexible permite el giro del extremo de la viga, por lo que la parte alta de la misma trabaja a compresión y su parte inferior lo hace a tracción, tal como puede observarse en las figuras siguientes. SOPORTE COMPRESIONES JÁCENA TRACCIONES En el nudo rígido, se suelda todo el perímetro de la viga con la cara del pilar y se consigue eliminar todos los posibles movimientos de la viga. En estas uniones rígidas, la transmisión de esfuerzos al pilar es muy importante y pueden ocasionarle deformaciones en el alma, alas, etc. tal como se muestra en los dibujos siguientes, y cuyas soluciones estudiaremos más adelante. 59

62 Tipología estructural en acero 90º Zona traccionada F t F c Zona comprimida 60

63 Construcción de estructuras metálicas ESTRUCTURAS TOTALMENTE ISOSTÁTICAS (NUDOS ARTICULADOS). Es el tipo de construcción más utilizado, puesto que tiene mayor rendimiento tanto en taller como en montaje en obra, por consiguiente resulta el de menor costo por kg. de acero en estructura terminada. En este tipo de estructura, los soportes están sometidos fundamentalmente a compresión y las vigas se articulan sobre ellos, no importando cual sea su dirección en el plano horizontal, por lo que este tipo es de la mayor flexibilidad en lo que se refiere a las necesidades arquitectónicas. El esquema siguiente representa una estructura con nudos articulados. 61

64 Tipología estructural en acero Los soportes de las diversas plantas, por su forma de enlace, pueden considerarse como articulados unos con otros en la base. La estructura así concebida es un mecanismo, por lo que para oponerse a los esfuerzos horizontales producidos por sismos, viento u otras causas, han de disponerse unos elementos estructurales capaces de resistir estas solicitaciones. Para ello se utilizan diagonales (arriostramientos), tal como veremos más adelante. El cálculo de las jácenas se realiza en la hipótesis de la viga articulada en sus dos extremos aunque, como veremos cuando se estudien los detalles constructivos, los enlaces puedan transmitir un cierto momento flector al soporte, debido a que no se consigue una perfecta unión isostática. Los soportes se pueden también calcular como articulados en sus dos extremos, con carga axil la mayor parte de las veces, y con carga excéntrica en algunos casos. En el siguiente apartado, puede verse de qué forma pueden enlazarse los extremos de la viga para poder suponer que está articulada en los soportes, es decir, como se materializan en la práctica las rótulas teóricas. Nudo articulado. Para efectuar un apoyo articulado de una viga en un soporte, ha de adoptarse una disposición que impida el movimiento de la viga en dirección del eje del soporte, o sea impedir su desplazamiento vertical, permitiendo, sin embargo, un giro en sentido longitudinal de la viga, lo suficientemente grande para conseguir que el momento flector que pueda inducirse en la unión sea despreciable. Esos nudos articulados, apoyos flexibles o uniones simples, los podemos conseguir por cualquier procedimiento que facilite el giro de la sección extrema de la viga al tiempo que impide las traslaciones verticales u horizontales. Veamos algunos procedimientos: 1º.- Soldando directamente el alma de la viga. Para que la unión pueda ser considerada flexible la longitud de los cordones de soldadura no debe ser mayor que los 2/3 de la altura del alma, tal como se detalla en las figuras siguientes: alzado, sección y perspectiva. 62

65 Construcción de estructuras metálicas L < 2 3 ha Una solución muy buena, variante de la anterior, es la indicada en la figura siguiente. Consiste en cortar las 2 alas de la jácena en forma de chaflán, con lo cual al flectar la jácena no transmite momentos al pilar, puesto que sus alas no llegan a él. 63

66 Tipología estructural en acero Una vez soldados los 2/3 del alma, se elimina el angular de apoyo y queda un buen nudo con jácena articulada. JÁCENA ARTICULADA Alas cortadas en chaflán para evitar transmisión de momentos al pilar Soldadura 2 3 alma JÁCENA PILAR Angular de apoyo 2º.- Apoyando o soldando la viga sobre un angular soldado al soporte. Para impedir el vuelco de la viga se colocan pequeños angulares en la parte alta del alma, por ambos laterales de la viga, soldados sólo al pilar. El giro se produce por deformación del ala libre del angular. Para evitar movimientos verticales hacia arriba, se puede colocar un angular encima del ala superior de la viga, soldado sólo al pilar. Ver figuras siguientes. 64

67 Construcción de estructuras metálicas 3º.- Uniendo el alma de la viga con el soporte, mediante angulares soldados sólo en los extremos de las alas. La flexibilidad de la unión se confía a la deformación de los angulares en sus partes libres de soldadura. Obsérvese que en la unión de angular y soporte sólo se ha soldado los bordes verticales de los angulares, dejando libre su extremo superior e inferior, tal como se detalla en las siguientes figuras. El angular de montaje es provisional. Una vez colocada la jácena, dicho angular se elimina. 65

68 Tipología estructural en acero 4º Efectuando una unión similar a la anterior, pero uniendo los angulares al soporte por medio de tornillos que garantizan el giro de la viga, al ser la unión menos rígida que la soldadura y poder trabajar los tornillos a tracción. 66

69 Construcción de estructuras metálicas En todos los casos la reacción de la viga produce un cierto momento flector en el soporte, producto de la distancia entre el punto de apoyo de la jácena y el eje del alma del soporte (descentramiento de la carga). 67

70 Tipología estructural en acero Para reducirlo, una posible solución consiste en colocar la viga contra el alma del soporte, tal como se detalla en las siguientes figuras, disminuyendo así el brazo de palanca. FORMAS DE REDUCIR EL MOMENTO AL MÍNIMO EN ESTOS NUDOS. En los casos de soportes de un solo perfil, ya hemos visto procedimientos para reducir los momentos en los nudos (soldar sólo 2/3 del alto del alma de la jácena, efectuar la unión de la jácena sobre el alma del soporte, etc.). Si se trata de soportes formados por dos perfiles separados, puede evitarse todo momento flector, por descentramiento de la carga, mediante la disposición de viga pasante, tal como se indica a continuación. Esencialmente consiste en que la viga sea continua, pasante por el espacio que queda entre los dos perfiles del pilar, apoyada sobre un trozo de casquillo IPN que va soldado por la parte interior de los dos perfiles del pilar. En la primera perspectiva de las insertadas a continuación se detalla una viga pasante en un pilar de última planta. Los soportes formados por 2 UPN empresilladas con las alas hacia el exterior. En la segunda perspectiva el pilar está ubicado en una planta intermedia, formado por 2 UPN empresilladas, con las alas hacia el interior. 68

71 Construcción de estructuras metálicas 69

72 Tipología estructural en acero La opción de viga pasante es muy buena porque favorece tanto a la viga como al soporte. La viga, al ser pasante, se calcula como continua, con menores momentos flectores. El pilar, excepto los de medianera o esquina, recibe carga por ambos lados, por tanto puede considerarse que sólo recibe carga axil, por compensación de cargas. Solución de viga pasante en apoyo con el pilar. Es importante que las presillas existentes junto a la viga pasante, tanto la superior como la inferior, no estén en contacto con ella, para evitar que al flectar la viga pueda transmitir esfuerzos al pilar, fundamentalmente flexiones. Si el apoyo de la viga pasante se efectúa sobre una superficie horizontal, tal como ocurre cuando se apoya sobre el ala superior de un trozo de perfil IPN, que es lo habitual, puede ocurrir que la viga pasante flecte más de un lateral que del otro, con lo cual está transmitiendo sobre dicho apoyo horizontal, una tendencia al giro del mismo, transmitiendo al pilar una cierta flexión. 70

73 Construcción de estructuras metálicas Para evitarlo, es necesario que el apoyo de la viga pasante sea puntual, para lo cual, se suelda un trocito de redondo longitudinalmente encima de la mini-viga que hemos introducido dentro del pilar, y la viga pasante apoyará encima del redondo, con lo que se considera simplemente apoyada. Cuando los apoyos de la jácena son puntuales y todas las cargas que soporta la jácena se transmiten verticalmente a dicho apoyo, y especialmente si las cargas son importantes, es necesario colocar en la jácena cartelas de rigidización verticales, uniendo alas y alma, para evitar abollamientos, tal como se observa en la siguiente perspectiva, correspondiente a una viga pasante, con apoyo puntual. CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN 71

74 Tipología estructural en acero ESTRUCTURAS CON VIGAS CONTINUAS. En las estructuras con vigas continuas existe una ventaja para las vigas y un inconveniente para los pilares. Las vigas se calculan como continuas, con lo que disminuyen notablemente sus momentos flectores y, por tanto, su sección y peso, lo que supone una economía importante. Para que las vigas sean continuas hay que cortar los soportes, lo que implica que, una vez se haya colocada la viga continua sobre el soporte inferior, hay que colocar el soporte superior encima de la viga y se reconstruye el trozo de soporte que falta, hasta conseguir la continuidad del mismo. Para ello es necesario suplementarle al nudo cartelas de las mismas dimensiones del soporte inferior cortado, a modo de rigidizadores, para reconstruir la zona que falta. De este modo se consigue dar continuidad al pilar y evitar que el alma de la jácena continua pueda aplastarse por el peso del pilar superior. Esta solución es costosa porque necesita mucha mano de obra. En la figura siguiente se representa de forma esquemática una estructura de este tipo. En el lateral derecho puede observarse la diferencia entre los diagramas de momentos flectores de las 3 vigas independientes y los de la viga continua de 3 tramos, para un mismo tipo de perfil. Gráficamente queda demostrada la conveniencia de la utilización de vigas continuas, en cuanto a su economía. 72

75 Construcción de estructuras metálicas La utilización de refuerzos en alguna zona de la viga junto con el empleo del cálculo en plasticidad, conducen a un aprovechamiento excelente del material. Nudo de vigas contínuas. La forma más usual de realizar un apoyo de viga continua, consiste en proyectar el soporte a base de dos perfiles empresillados separados lo suficiente para que las vigas puedan pasar entre ellos con cierta holgura. El apoyo se realiza directamente sobre un casquillo de perfil, generalmente IPN, soldado a los dos perfiles que constituyen el fuste del soporte; o bien, si la viga es muy importante, interponiendo entre ella y el casquillo un cuadradillo o un trozo de barra redonda, con lo cual conseguimos que se cumpla de manera más perfecta la hipótesis de apoyo puntual. En la siguiente figura se indica cual puede ser la disposición de un nudo de este tipo. Para que el montaje de esta unión sea fácilmente realizable, es preciso que la separación interior entre los dos perfiles componentes del soporte sea lo suficientemente amplia. Puede ser conveniente colocar el par de presillas de cabeza en obra, después de montada la viga. 73

76 Tipología estructural en acero Normalmente los pilares se solapan o empalman en la parte superior de los forjados. Si por alguna razón no puede adoptarse esta solución, porque sea necesario que el pilar solape en la parte inferior del forjado, o dentro del mismo y, en ese caso, molesten las placas de cabeza y base, puede adoptarse la disposición que se indica en la siguiente figura que, en cierto modo es de más difícil realización. Esencialmente la diferencia consiste en que, en lugar de colocar placas de cabeza y de base, unimos ambos soportes mediante cartelas o chapas metálicas verticales, soldadas por la parte exterior de las alas de los perfiles UPN que conforman los pilares, para darle continuidad a los mismos. Si existe diferencia entre anchos de soportes, es necesario intercalar pletinas para igualar dichas dimensiones, tal como se detalla a continuación. 74

77 Construcción de estructuras metálicas También puede resolverse tal como se indica en la figura siguiente. Se efectúa el empalme de pilares, con placa de base y de cabeza, en la parte inferior del forjado. Esta solución conlleva el riesgo de que, al hormigónar el forjado, se hormigónen también parcialmente las placas de base, impidiendo la posterior colocación del pilar superior. Para evitarlo existen dos soluciones: colocar el pilar superior antes de hormigónar el forjado o bien proteger dichas placas para evitar que al hormigónar se queden recubiertas de hormigón. Existe otra solución consistente en desdoblar el perfil de la jácena en dos equivalentes y pasar uno de ellos por cada lado del soporte, apoyados sobre casquillos (trozos de perfil metálico IPN), a modo de mésulas. Esta solución, que como las anteriores tampoco transmite momentos al soporte, tiene el inconveniente de que el rendimiento del material empleado es algo menor, lo que redunda en un coste algo más elevado. Tiene la ventaja, además de las constructivas, de reducir el canto de las jácenas, puesto que se colocan dos en vez de una sola. En la figura siguiente se detalla este tipo de unión, en alzado y en planta. 75

78 Tipología estructural en acero También pueden solucionarse los nudos de vigas continuas con un perfil I que pase junto al soporte, por uno sólo de sus lados, en donde se resuelve el apoyo en él. Es quizás el sistema más sencillo, pero introduce en el soporte un momento flector igual al producto de la reacción por la distancia hasta el eje que, aunque es pequeño, deberá tenerse en cuenta al dimensionar el soporte. En la figura siguiente se materializa este tipo de apoyo. Posiblemente fuese conveniente colocar el soporte al revés, orientado con la máxima inercia hacia el lateral de apoyo de la jácena INP. 76

79 Construcción de estructuras metálicas ESTRUCTURAS DE PÓRTICOS CON NUDOS RÍGIDOS. En este tipo de estructuras, los soportes y vigas que concurren en un punto forman un nudo rígido. Es decir, las tangentes a las directrices de las diversas piezas (soportes o vigas), mantienen ángulos invariables después de la deformación. Este tipo de estructura, tiene la ventaja de que los pórticos pueden resistir los esfuerzos horizontales en la dirección de su plano y para grandes luces suele tener mejor rendimiento que sus equivalentes de nudos articulados o de vigas continuas. 77

80 Tipología estructural en acero Cuenta con los inconvenientes de que tiene mayor repercusión la existencia de asientos diferenciales, y de que la ejecución y el montaje son más caros que en los casos anteriores. A continuación se muestra el esquema de este tipo de estructuras. Las vigas que llegan a un nudo, de cualquiera de los tipos existentes, siempre han de estar niveladas en su parte superior para facilitar el apoyo del forjado. 78

81 Construcción de estructuras metálicas Nudo rígido. Las uniones rígidas con empotramiento perfecto sólo se pueden conseguir si los soportes tienen una gran inercia en relación con el la de la jácena (figura izquierda). En casos normales, una unión rígida va a introducir flexiones en los pilares (fig. centro), donde, para evitar esas deformaciones, harían falta pilares muy fuertes. Si la viga es muy importante, con relación al soporte, con sus esfuerzos de tracción y compresión puede producir deformaciones en las alas y alma del soporte (figura derecha). Previamente al análisis y propuesta de soluciones a estos problemas vamos a efectuar un ligero recorrido sobre la forma de trabajo de las uniones, especialmente sobre su funcionamiento, transmisión de tensiones y deformaciones. En el nudo o apoyo rígido se suelda al pilar todo el perímetro de la viga, con lo cual se consiguen coartar los tres posibles movimientos de la viga: - Impedir el desplazamiento horizontal en la dirección de la viga. - Impedir el desplazamiento vertical en la dirección del pilar. - Impedir el giro lateral de la viga (impedir el vuelco). 79

82 Tipología estructural en acero SOPORTE TRACCIÓN JÁCENA COMPRESIÓN Los nudos rígidos o empotramientos penalizan al soporte, sometiéndolo a flexión, pero a su vez favorecen a la viga, que la descargan de flectores en su vano. En el empotramiento vemos que el ala superior tira del soporte y la inferior lo empuja (tracciones en la cara superior y compresiones en la cara inferior). Si las acciones son importantes y el espesor de las alas y el alma del soporte son pequeños, los esfuerzos de tracción y compresión que se producen en la unión pueden deformar el ala del soporte, tal como se indica en el dibujo adjunto, con lo cual el empotramiento no sería perfecto, puesto que la deformación del ala del soporte ha permitido un cierto giro a la jácena. SOPORTE TRACCIÓN JÁCENA COMPRESIÓN 80

83 Construcción de estructuras metálicas Para evitar esto, será necesario transmitir el tirón y el empuje de las alas (tracción y compresión), mediante rigidizadores, al alma del soporte y al ala posterior, con lo cual los esfuerzos de tracción y de compresión, se reparten entre el ala anterior, el alma y el ala posterior del soporte, tal como se indica en el dibujo siguiente. RIGIDIZADOR SOPORTE T1 T3 TRACCIÓN TOTAL = T1 + T2 + T3 T2 JÁCENA C2 C1 C3 COMPRESIÓN TOTAL = C1 + C2 + C3 RIGIDIZADOR Los rigidizadores colocados en la figura anterior evitan que las alas se desplacen, que las alas se doblen hacia el interior (compresiones) o hacia el exterior (tracciones) y evitan el bombeo o abollamiento del alma. Podría quedar un matiz sin resolver. Si los esfuerzos de tracción y compresión que tiene que absorber el alma del pilar son importantes en relación con su espesor, ésta podría deformarse en dicho nudo, tal como se indica en la figura siguiente; de forma que la diagonal a-e se acortase (convirtiéndose en a -e) y la diagonal d-b se alargara (convirtiéndose en la d-b ). Debido al poco espesor del alma, la diagonal a -e puede abollarse y se acorta. 81

84 TRACCIÓN Tipología estructural en acero SOPORTE a a b b' d e JÁCENA COMPRESIÓN Esto se evita colocando rigidizadores en diagonal, a ambos lados del alma, en la dirección de los esfuerzos de compresión. RIGIDIZADOR TRACCIONES (alas) RIGIDIZADOR COMPRESIONES (alma) SOPORTE TRACCIONES JÁCENA COMPRESIONES RIGIDIZADOR COMPRESIONES (alas) Las tracciones que puedan producirse en el nudo rígido no son problemáticas, pues el alma las absorberá sin ninguna dificultad. 82

85 Construcción de estructuras metálicas Es importante recordar que las soluciones aportadas anteriormente, no siempre son necesarias; dependen del tipo de jácena, pilar, cargas, unión, etc. Si el pilar es grande y la jácena es pequeña, no es necesario ningún rigidizador, puesto que las propias alas y alma del soporte son capaces de absorber los esfuerzos que le lleguen de la jácena. Si los esfuerzos son importantes es necesario colocar los rigidizadores o conectores de tracción y compresión. Y si son muy importantes conviene colocar también el conector de compresiones inclinado. Puede ocurrir que sea necesario rigidizar sólo las alas donde se unen el soporte y la jácena, no siendo necesario que la cartela abarque todo el pilar hasta unir ambas alas y alma. En ese caso puede ser suficiente con la colocación de cartelas triangulares, conectando el ala y el alma del soporte, tal como se detalla en el dibujo siguiente. SOPORTE CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN JÁCENA PLANTA SOPORTE CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN JÁCENA ANGULAR DE APOYO ALZADO 83

86 Tipología estructural en acero En los casos en que acometan dos vigas al soporte, una por cada lateral, el sistema de rigidización de las alas-alma es similar: conectores de tracciones y de compresiones. La resistencia a cortante en la zona del alma del soporte comprendida entre las alas comprimida y traccionada de la viga suele ser suficiente. Si no es así, deberá reforzarse el alma del soporte, bien mediante una pareja de rigidizadores en diagonal (uno por cada lateral del alma), o bien mediante una chapa de refuerzo, que a su vez aumenta la resistencia de las tres zonas del alma: tracción, compresión y cortante. 84

87 Construcción de estructuras metálicas SOPORTE JÁCENA CARTELA RIGIDIZACIÓN EN DIAGONAL JÁCENA JÁCENA CHAPA DE REFUERZO SOPORTE 85

88 Tipología estructural en acero En los nudos rígidos se suelda todo el contorno de la viga en su encuentro con el pilar pudiendo, además, existir angulares de apoyo, cartela de rigidización inferior, o bien cartela de rigidización inferior y superior, según el grado de empotramiento que queramos conseguir, tal como se detalla a continuación. Las estructuras con nudos rígidos se utilizan poco en edificios para viviendas, por la dificultad de ejecución y por los problemas de asientos diferenciales. Excepcionalmente se utilizan en edificios, normalmente con mucha altura, en los cuales es imposible su estabilización, ante fuerzas horizontales, mediante el arriostramiento por triangulaciones. La principal dificultad que hay que resolver cuando se trata de realizar un nudo rígido, es la forma de transmitir las tensiones de tracción, debido a que por superponerse a las tensiones residuales de soldadura, pueden originarse roturas frágiles. 86

89 Construcción de estructuras metálicas En las siguientes figuras se desarrollan algunos sistemas de materializar en la práctica los nudos correspondientes. En dichas soluciones se busca, bien pasar un elemento continuo de chapa sin soldaduras en las zonas de momentos flectores negativos máximos, o bien reducir las tensiones de tracción aumentando mucho el canto. En el caso de que se trate de un nudo o encuentro con pilar de la serie I ó H, aparte de las cartelas de rigidización, debemos colocarle conectores de tracción en la parte superior (a nivel superior de la jácena) y conectores de compresión en la parte inferior, tal como se detalla en las figuras siguientes, para evitar que se doblen las alas del pilar. Si la jácena IPN es del mismo canto en ambos lados del pilar, tendremos dos opciones: que se adopte la solución con un pilar pasante (pilar continuo) tal como vimos en el detalle anterior, ó bien con una viga pasante (viga continua y pilar cortado) como veremos más adelante. 87

90 Tipología estructural en acero Si existe importante diferencia entre el canto de ambas jácenas, resolveremos el nudo colocando las cartelas de rigidización de distinto canto o altura, para poderlas unir por su parte inferior mediante el conector de compresión, evitando con ello que se puedan doblar las alas del pilar. En el detalle siguiente se ha materializado esta solución. Si la diferencia de canto entre ambas jácenas es pequeña, resolvemos el nudo colocando el conector de compresiones ligeramente inclinado, tal como se muestra a continuación. Cuando los pilares no sean de la serie I ó H, no es necesario colocarle conectores de tracción, ni de compresión, puesto que no existe riesgo de que se doblen las alas de los mismos. 88

91 Construcción de estructuras metálicas En caso de necesitar que la viga sea continua, cortaremos el pilar y, posteriormente, le colocaremos las cartelas necesarias para reconstruirlo, del modo en que se describe a continuación. El procedimiento de ejecución de este nudo con viga pasante es el siguiente: 89

92 Tipología estructural en acero - Cortamos el pilar. - Colocamos una cartela en la cabeza del mismo, del ancho necesario. - Colocamos la viga continua. - Colocamos otra cartela en la parte superior de la viga, más ancha que el pilar. - Colocamos el pilar de la parte superior. - Entre las cartelas horizontales colocamos unas pletinas verticales que mantienen la forma del pilar, dándole continuidad al mismo. - Una vez completada la ejecución y con toda la soldadura, el nudo está resulto y el pilar reconstruido. La viga es continua. Si pilar fuese más estrecho que la viga, no haría falta colocar las dos cartelas horizontales (debajo y encima de la viga), ya que el pilar apoyaría directamente encima de la viga y se soldaría directamente a ella, reconstruyendo posteriormente el pilar cortado. ESTRUCTURAS ESPECIALES. En ocasiones, las necesidades arquitectónicas o particulares requieren el uso de estructuras diferentes a las tradicionales, que las denominamos estructuras especiales. Un ejemplo de estas estructuras podría ser es del dibujo siguiente donde, por necesidades de uso, existe una planta baja sin pilares intermedios. Dichos pilares pueden arrancar a nivel de la planta primera, desde encima de una gran jácena, o bien pueden quedar colgados de una gran jácena colocada en la parte alta del edificio o a nivel intermedio. 90

93 Construcción de estructuras metálicas También es frecuente el caso de las estructuras de sótanos cuyas vigas, además de resistir la flexión propia de su función, deben transmitir la compresión que el empuje del terreno confiere a los muros laterales. ESTABILIDAD HORIZONTAL. ARRIOSTRAMIENTOS. Los tipos estructurales a los que nos hemos referido en los apartados de estructuras totalmente isostáticas (articuladas) y estructuras con vigas continuas (pasantes), no son capaces de resistir esfuerzos horizontales. Si las uniones entre vigas y soportes fueran verdaderas rótulas, la estructura, más que tal, sería un mecanismo. En la realidad los enlaces pueden resistir pequeños momentos, pero son incapaces de asegurar la estabilidad del edificio, pudiendo deformarse tal como se indica en el dibujo siguiente. 91

94 Tipología estructural en acero Por consiguiente, es necesario introducir en dichas estructuras algunos elementos que puedan hacer frente a los empujes horizontales que producen el viento y los sismos, a los que denominamos arriostramientos. En caso de viento, éste actúa directamente sobre la fachada y, normalmente, ésta es capaz de transmitir la presión del viento a los diversos forjados. Los forjados, en su plano, son muy rígidos y pueden considerarse en la práctica como un sólido indeformable. Basta, por consiguiente, que estén enlazados a unos elementos verticales capaces de transmitir al terreno el empuje del viento, para conseguir la estabilidad horizontal del edificio. Estos elementos verticales de arriostramiento pueden ser, fundamentalmente, de tres tipos: a) Jácenas trianguladas metálicas, con una o dos diagonales. b) Pórticos de nudos rígidos. c) Pantallas de hormigón. Cuando se utilizan las jácenas trianguladas ó las pantallas de hormigón, se presenta el problema de encontrar una parte de la estructura en la que la colocación de los mismos no perturbe la función del edificio. Suelen elegirse, por tanto, para su ubicación, lugares tales como los muros de las cajas de ascensores o escaleras, los paños ciegos de fachada, las divisiones de propiedad, las medianeras, etc. El arriostramiento vertical en Cruz de San Andrés es el más utilizado, por su sencillez y facilidad de ejecución. Sin embargo, con el fin de que las diagonales cruzadas no atraviesen los huecos de puertas y ventanas, se recurre a otros arriostramientos, en los cuales las diagonales son quebradas, buscando siempre la línea más próxima a la línea recta, y cruces intermedios, tal como se ve en las siguientes figuras. 92

95 Construcción de estructuras metálicas 93

96 Tipología estructural en acero Deben hacerse hipótesis de empuje horizontal en dos direcciones ortogonales, siendo habitual que haya dos jácenas en cada una de las dos direcciones predominantes del edificio, o de las partes del mismo entre juntas de dilatación. Como se ha dicho anteriormente, los forjados suelen ser elementos lo suficientemente rígidos, en su plano, como para poder transferir el empuje del viento, que reciben de las fachadas, a los arriostrados o jácenas contraviento situadas en planos verticales. El arriostramiento vertical contra viento, funciona de forma similar a una viga de celosía colocada en posición vertical. Esas jácenas contra viento están constituidas, en su forma más general, por tres clases de elementos diferentes: - Las "cabezas" (c), que son los soportes de la estructura. - Los "montantes" (m), que suelen ser las jácenas/vigas del propio forjado. - Las "diagonales" (d), que suelen ser los arriostramientos. 94

97 Construcción de estructuras metálicas Haciendo un símil con las vigas de celosía, que estudiaremos con profundidad en temas posteriores, la nomenclatura empleada para la misma es: Al colocar vertical dicha viga, tendríamos el arriostramiento contraviento indicado. Para el cálculo de los soportes es necesario añadir, a los propios esfuerzos del edificio, los esfuerzos que se produzcan por efecto del viento. Los montantes deben calcularse teniendo en cuenta que puede existir, además de la compresión o tracción que le induce el efecto del viento, la flexión propia que, como jácenas de la estructura le pueda corresponder. Debe observarse que el pandeo, de dichas montantes (jácenas), en el plano horizontal quedará, generalmente, impedido por el forjado que apoye sobre ellas. Las formas más usuales para las secciones de cabeza son las que se utilizan en soportes. Las diagonales, cuando se disponen en cruz de San Andrés, pueden calcularse suponiendo que sólo actúa la que está solicitada a tracción. En esta hipótesis pueden admitirse esbelteces mayores que en compresión y, por consiguiente, elementos más planos que ocupan menos espacio en sentido horizontal. La opción ideal es que el arriostramiento contra viento se coloque verticalmente en toda la altura del edificio, sin desplazamientos. Sin embargo, en ocasiones pueden existir dificultades con respecto a los lugares de ubicación de las jácenas contraviento, ante la imposibilidad de darle continuidad en todo el alto del edificio. El dibujo siguiente muestra un caso diferente, que puede ayudarnos para fijar criterios con relación a la ubicación de las mismas. 95

98 Tipología estructural en acero Supóngase que el entramado de la figura siguiente (de la derecha) forma parte de la estructura de un edificio, y que desde la planta primera a la cubierta, la zona entre los soportes 3 y 4 es perfectamente utilizable para colocar la jácena contraviento; pero en cambio es absolutamente imprescindible que el espacio entre dichos soportes 3 y 4 sea diáfano, en planta baja, pudiéndose en su lugar utilizar los planos entre soportes 1-2 y 5-6. Las tres jácenas verticales y la jácena horizontal que se indican en la figura anteriormente citada, pueden resolver el problema muy económicamente. En la perspectiva siguiente puede observarse con mayor detalle la ubicación de los arriostramientos, así como sus uniones a la estructura. 96

99 Construcción de estructuras metálicas SOPORTES VIGAS ARRIOSTRAMIENTO VERTICAL (CRUZ DE SAN ANDRÉS) SOPORTE EMPRESILLADO ARRIOSTRAMIENTO HORIZONTAL CRUZ DE SAN ANDRÉS ARRIOSTRAMIENTO (CRUZ DE SAN ANDRÉS) 97

100 Tipología estructural en acero En las figuras siguientes, se dan dos tipos diferentes de jácenas contraviento: En las perspectivas insertadas a continuación pueden observarse distintos tipos de arriostramientos, así como su ubicación en la estructura. - Estructuras arriostradas con Cruces de San Andrés. - Estructuras con muros cruzados. - Estructuras con núcleo central reforzado. - Estructuras con núcleo y cerramiento reforzado. 98

101 Construcción de estructuras metálicas - Estructuras con pórticos de rigidez en las 4 fachadas. - Estructuras con núcleo lateral reforzado. - Estructuras con uniones rígidas de hormigón. - Estructuras con muros de rigidez cruzados y en caja de escalera. - Estructuras con Cruces de San Andrés en zonas centrales. - Estructuras con cerramientos rígidos. - Estructuras con núcleo central y tubo exterior porticado. - Estructuras con tubo exterior porticado. - Estructuras con nudos rígidos y núcleo escalera rígido. - Estructuras con exterior arriostrado y escalera rígida. - Estructuras con arriostramiento exterior por fuera del edificio. Vanos arriostrados Muros cruzados y Arriostrados Estructura reforzada con arriostramiento con Cruces de San Andrés Estructura de muros cruzados 99

102 Tipología estructural en acero Núcleo reforzado Cerramiento Núcleo Estructura con núcleo reforzado Estructura con núcleo y cerramiento reforzado 100

103 Construcción de estructuras metálicas Distribución modulada de pilares y vigas. Disposición de pórticos de rigidez. Pórticos de rigidez Longitudinal Transversal A B C D Planta Pórtico de rigidez o arriostramiento Pórtico transversal de rigidez A B C D A B C D Pórtico transversal de rigidez Pórtico de rigidez o arriostramiento 101

104 Tipología estructural en acero Edificios de altura. Núcleos de rigidez. Núcleo 102

105 Construcción de estructuras metálicas 103

106 Tipología estructural en acero Edificios altos. Tubo porticado y núcleo central (tubo en tubo). a) Planta Tubo porticado Núcleo central b) Perspectiva 104

107 Construcción de estructuras metálicas Edificios altos. Tubo perimetral porticado. Fachada sotavento Viento Fachada barlovento b) Perspectiva c) Distribución de esfuerzos axiles 1.- Todo el tubo resiste como ménsula (teórica) Real

108 Tipología estructural en acero 106

109 Construcción de estructuras metálicas Edificios altos. Grandes celosías incorporadas a las fachadas 107

110 Tipología estructural en acero JUNTAS DE DILATACIÓN EN ESTRUCTURAS METÁLICAS. Las juntas son las divisiones estudiadas de las estructuras para evitar fisuraciones por asiento, por retracción y por dilatación. Las juntas pueden realizarse de varias formas: 1.- Cuando la dirección del forjado sea paralela a la de la junta, pueden hacerse, bien duplicando los soportes o bien disponiendo las jácenas con apoyos deslizantes, tal como se detalla a continuación. 108

111 Construcción de estructuras metálicas En las perspectivas siguientes se muestran las dos soluciones para efectuar la junta de dilatación con el forjado paralelo a la misma. 109

112 Tipología estructural en acero JUNTA DE DILATACIÓN EN FORJADO PARALELO A LA JUNTA. DOS PILARES Y DOS JÁCENAS. DETALLE A ORIFICIO QUE PERMITE LA DILATACIÓN A 110

113 Construcción de estructuras metálicas 2.- Cuando la dirección del forjado sea perpendicular a la de la junta, podrán resolverse duplicando las jácenas y disponiendo una de ellas con apoyo deslizante, o bien disponiendo los forjados con apoyos deslizantes. a).- Duplicando soportes y duplicando jácenas. El sistema es muy bueno pero resulta caro. b).- Con un sólo soporte y duplicando jácenas y disponiendo apoyo deslizante del forjado sobre una de ellas. Es un buen sistema. c).- Con un sólo soporte y una sola jácena: disponemos el forjado de uno de los laterales con apoyo deslizante y en el otro con apoyo fijo. Este sistema funciona bien, pero tiene el inconveniente de que la junta no podrá ser completamente recta. En los apartados b) y c) es importante tener en cuenta que, en la zona de forjado que hayamos elegido como apoyado en dilatación, los zunchos perimetrales tendrán que unirse igualmente en dilatación con el pilar, siendo conveniente establecer un límite de dilatación, para lo cual utilizaremos cualquiera de los sistemas de dilatación controlada. En la perspectiva insertada al final de este apartado se refleja esta unión en dilatación del zuncho de borde con el pilar. Los apoyos deslizantes pueden realizarse con placas de material plastomérico (plomo) o elastomérico (caucho, cloropreno). Cuando se trate de naves o edificios industriales, se siguen los mismos criterios citados. A continuación se detallan esquemáticamente las 3 opciones indicadas anteriormente. 111

114 Tipología estructural en acero 112

115 Construcción de estructuras metálicas 113

116 Tipología estructural en acero En las siguientes perspectivas podemos observar los tres sistemas de ejecución de una junta de dilatación, cuando el forjado es perpendicular a la misma. JUNTA DE DILATACIÓN EN FORJADO PERPENDICULAR A LA JUNTA. 114

117 Construcción de estructuras metálicas PRESCRIPCIONES PARA ESTRUCTURAS METÁLICAS FRENTE AL SISMO. La Instrucción de Acero Estructural EAE, en su artículo 49 hace referencia al proyecto y ejecución de estructuras metálicas frente al sismo. En la edificación es frecuente el empleo de configuraciones estructurales isostáticas (uniones simples entre vigas y pilares, rigidizadas por núcleos o pantallas de hormigón armado. Aunque, convencionalmente, la estructura del edificio se defina como metálica, la parte resistente ante acciones horizontales es una estructura de hormigón armado y debe ser comprobada mediante la correspondiente Instrucción. La única comprobación requerida para la estructura metálica es, en estos casos, la relativa a la capacidad de deformación, que vendrá dada por la capacidad de giro de las uniones. Idéntica comprobación se requiere en los elementos no proyectados como resistentes, cuya misión es el arriostramiento estructural ante las acciones horizontales. En la figura a (izquierda) el arriostramiento se ha confiado a la pantalla o núcleo de hormigón armado, mientras que en la figura b (derecha) el arriostramiento se resuelve con perfilaría metálica colocada en diagonal, en forma de Cruces de San Andrés. Pilares y jácenas con uniones isostáticas Nucleo o Pantalla de H.A. fig. a Arriostramiento fig. b En las juntas de dilatación, en edificios situados en zona sísmica, debe dimensionarse el ancho de la junta de acuerdo a la norma NCSE-02, para evitar choques entre bloques colindantes. 115

118 Tipología estructural en acero Los únicos tipos de pórticos admisibles en estructuras situadas en zonas sísmicas son rígidos y arriostrados. No se admiten los pórticos semi-rígidos, duales o mixtos, que combinen las rigideces de sistemas resistentes diferentes. En el caso de los pórticos arriostrados se adoptarán las medidas constructivas necesarias para que los elementos de la triangulación no soporten las cargas permanentes. La unión entre tramos sucesivos de pilares conviene situarla en una altura intermedia entre las plantas, para alejarla de los nudos. En las figuras siguientes se representan los sistemas de arriostramiento para edificios con estructura metálica situados en zonas sísmicas. La elección del más adecuado depende del grado sísmico y de las posibilidades de su utilización, en función de las necesidades constructivas. Pórticos rígidos Pórticos arriostrados (triangulación incompleta) Pórticos arriostrados (triangulación completa) Sistemas duales Sistemas mixtos 116

119 TEMA 3.- BASES DE SOPORTES. INTRODUCCIÓN. Las "bases" son elementos estructurales que tienen como objeto hacer que la transición del acero al hormigón (o eventualmente a la fábrica de ladrillo) se realice sin que en ningún punto se sobrepasen las tensiones admisibles en estos materiales. El material que constituye el cimiento (casi siempre hormigón) es menos resistente que el acero, por lo que la base debe ampliar la sección del soporte de acero hasta conseguir una superficie adecuada de contacto con el hormigón o material de que se trate. La base debe poseer una rigidez suficiente para que la transmisión de esfuerzos de uno a otro material sea lo más uniforme posible. La base debe estar sujeta al cimiento mediante unos pernos de anclaje que quedan embebidos en el hormigón, y que al fraguar y endurecer éste trabajan por adherencia. Los elementos que constituyen una base del tipo generalmente utilizado en edificación son: - Placa de base o de reparto. - Cartelas de rigidez. - Pernos de anclaje. En la perspectiva siguiente se muestran estos elementos. PILAR CARTELAS DE RIGIDEZ PERNOS DE ANCLAJE PLACA DE BASE O REPARTO 117

120 Bases de soportes FORMA DE TRABAJO DE LAS BASES Salvo en el caso excepcional de que el pie del soporte sea articulado, los soportes se consideran empotrados en la cimentación, lo que hace que la base deba prepararse para resistir los siguientes esfuerzos: 1.- Esfuerzo axil de compresión (menos frecuente el de tracción). 2.- Momento flector según un eje principal de inercia, o según los dos ejes. 3.- Esfuerzo cortante según uno o los dos ejes. 4.- Más raramente un momento torsor. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE UNA BASE Las tensiones admisibles en el acero son mucho mayores que las admisibles en el hormigón, y por esto, en las bases de los pilares, las fuertes fuerzas concentradas en sus delgadas paredes deben repartirse en una superficie mayor, a fin de no sobrepasar la tensión admisible en el hormigón, en la zona de las concentraciones. Para ello, en el extremo inferior de los pilares se pone una PLACA DE ASIENTO, también denominada placa de base, placa de reparto o placa de anclaje, tal como se detalla en el dibujo siguiente. PLACA DE ASIENTO SOPORTE PLACA b RESPUESTA HORMIGÓN ACCION ACERO a SOPORTE PLACA 118

121 Construcción de estructuras metálicas a) La presión sobre el hormigón bajo la placa de asiento de acero es menor en el borde y crece debajo del soporte hasta un máximo. b) Para el cálculo estático se supone, en general, que la presión sobre el hormigón bajo la placa de asiento esté uniformemente repartida. Problema de la deformabilidad de la placa: En la placa de asiento se producen esfuerzos de flexión. Por lo tanto, debe tener espesor suficiente para resistir dichos esfuerzos, o bien debe llevar los nervios, denominados cartelas de rigidización. SOPORTE CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN PLACA DE ANCLAJE Cuando la tensión admisible sobre el hormigón sea tal que el espesor de placa necesario sea muy grande, la base puede resultar antieconómica, también puede llegar a ocurrir esto mismo cuando el fuste del soporte tenga una gran masa de acero concentrada en poco espacio. Entonces es conveniente disponer de rigidizadores. Según sean las dimensiones a, b, c, y d, podrán ser necesarios también rigidizadores en la otra dirección o no. Puede ocurrir que los trozos de chapa entre dos rigidizadores y entre las esquinas se deformen, como se indica en la figura siguiente, lo que indicará que la chapa todavía no tiene suficiente rigidez. 119

122 Bases de soportes d c SOPORTE METALICO PLACA DE ANCLAJE a b CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN En estos casos suele colocarse un reborde, como se indica en la misma figura, constituyendo uno de los tipos más corrientes de bases. SOPORTE METALICO PLETINA O ANGULAR PARA REFUERZO PERIMETRAL DE LA PLACA PLACA ANCLAJE CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN Placa de base. Las placas de base se confeccionan a partir de chapas, cuyos espesores suelen ser de mm., pudiendo utilizarse espesores mayores o menores, en función de las cargas, momentos, y esfuerzos que le lleguen a la placa. 120

123 Construcción de estructuras metálicas Pernos de anclaje. Un empotramiento, además de la carga vertical, tiene que resistir un momento flector. Puede ocurrir que el momento flector sea pequeño respecto a la carga vertical, o que sea grande. Cuando el momento flector es grande, en el borde de la placa de asiento se producen esfuerzos de tracción que deben ser absorbidos por los pernos de anclaje, tal como se muestra en la siguiente figura. Es imprescindible hacer constar que la Instrucción EAE prohibe terminantemente la unión soldada entre pernos y placa de anclaje, cuando los pernos acaban en patilla y es precisamente dicha patilla la que se suelda a la placa. Pese a ello, con el fin de que el concepto de pernos de anclaje quede entendido, se deja dicha figura, tal como está detallada en el siguiente dibujo. MOMENTO CARGA Pilar metálico placa de base pernos de anclaje fuerzas de tracción producidas por momentos flectores del pilar. 121

124 Bases de soportes Cuando el canto del cimiento no es suficiente para albergar el conjunto de pernos, o bien tienen que soportar ligeras tracciones, se colocan anclados a elementos embebidos en el macizo, como vemos en las dos figuras siguientes. En las obras de construcción se utilizan pernos unidos a la placa metálica. Es muy importante que todo el conjunto sea capaz de soportar los esfuerzos que puedan llegarle. Por ello la chapa metálica debe ser de suficiente espesor y dimensión, los pernos deben ser de suficiente diámetro y longitud, y finalmente el sistema de unión entre ambos debe ser el adecuado: una soldadura correcta o bien una unión atornillada bien ejecutada. En los dibujos siguientes vemos una unión atornillada entre placa de anclaje y pernos, con tuercas niveladoras en la parte inferior y con tuerca de fijación en la parte superior. En la parte superior en lugar de una sola tuerca, pueden colocarse dos: tuerca y contratuerca. 122

125 Construcción de estructuras metálicas En las figuras siguientes se ven diferentes formas de efectuar la unión soldada de pernos a la placa de anclaje: - Soldadura directa: pernos rectos y pernos con patilla. - Pernos rectos soldados directamente a la placa, auxiliados con angulares metálicos soldados a perno y placa, para aumentar longitud de soldadura. - Pernos rectos que atraviesan la placa de anclaje, con soldadura por la cara inferior y por la superior. - Pernos de mayor sección, tipo angular, cuadradillo, etc. Soldados directamente a la placa. - Pernos del mismo tipo del apartado anterior, en cuya unión con la placa se utilizan angulares metálicos para aumentar la longitud de soldadura. FORMAS DE EFECTUAR LA UNIÓN SOLDADA DE LOS PERNOS A LA PLACA. SOLDADURA DIRECTA PERNO RECTO SOLDADURA DIRECTA PERNO CON PATILLA ANGULARES SOLDADOS A PLACA Y PERNO SOLDANDO SUPERIOR E TALADRANDO PLACA Y INFERIORMENTE 123

126 Bases de soportes 124

127 Construcción de estructuras metálicas En las dos figuras siguientes se detalla la unión del perno con la placa de anclaje, atornillada o soldada, con las recomendaciones generales de tipos de acero, doblados, longitudes, soldadura, atornillado, etc. Siendo la longitud mínima recomendable del perno 80 cm. 125

128 Bases de soportes En función de la carga y esfuerzos que lleguen a la base del pilar y del espesor de la placa de anclaje, la unión puede efectuarse: sin cartelas, con cartelas de rigidización en una dirección y con cartelas de rigidización en dos direcciones, tal como se refleja en los siguientes detalles: 126

129 Construcción de estructuras metálicas ANCLAJE DE SOPORTE METÁLICO DE CIMENTACIÓN pilar metálico macizo de cimentación cordón de soldadura 0,05 tuercas de nivelación taladro para rebosadero del hormigón ^ 800mm 0,05 placa de anclaje pernos de anclaje ALZADO PLANTA (Ø ^ 20mm) SIN CARTELAS pilar metálico cartela de rigidización cordón de soldadura cartela de rigidización en una dirección tuercas de nivelación macizo de cimentación ^ 50mm 0,05 taladro Ø50mm ^ 800mm placa de anclaje pernos de anclaje (Ø 20mm) ^ 0,05 ALZADO CON CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN EN UNA DIRECCIÓN PLANTA pilar metálico cartelas de rigidización cartelas de rigidización en 2 direcciones cordón de soldadura tuercas de nivelación macizo de cimentación ^ 50mm 0,05 taladro Ø50mm ^ 800mm placa de anclaje pernos de anclaje (Ø ^ 20mm) ALZADO 0,05 CON CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN EN DOS DIRECCIONES PLANTA 127

130 Bases de soportes En función del grado de empotramiento del pilar con la placa de cimentación, existen las tres tipologías que se muestran en las figuras siguientes: - Unión articulada, cuando sólo se suelda total o parcialmente el contorno del pilar, sin cartelas. - Unión semi-rígida, cuando aparte del contorno del pilar, se sueldan cartelas en los laterales del pilar. - Unión rígida, en los casos en que además se sueldan cartelas en las esquinas del pilar. 128

131 Construcción de estructuras metálicas DISPOSICIONES Y RECOMENDACIONES GENERALES DE LAS BASES. Las bases de los soportes podrán ser simples o dobles, ya que el soporte puede soldarse directamente sobre la base existente o bien tener en su extremo inferior otra placa soldada. Lo habitual es utilizar bases simples, que podrán disponerse con o sin cartelas, según sean sus dimensiones, espesor y carga que soportan. En las cuatro perspectivas siguientes vemos algunas disposiciones de las cartelas de rigidización. 129

132 Bases de soportes 130

133 Construcción de estructuras metálicas La máxima dimensión de la placa de base, así como la situación de los pernos de anclaje, siempre se colocarán en sentido de la máxima inercia del pilar, por ser éste el sentido en el que le vienen las máximas cargas y momentos. CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DE UNA BASE DE PILAR. La construcción de una base de pilar se puede efectuar, fundamentalmente, de tres formas diferentes: a) Con placa simple. b) Con placa doble atornillada. c) Con placa doble soldada. En cualquier caso es fundamental que la superficie de hormigón o mortero sobre la que se apoya la estructura metálica esté perfectamente nivelada. A continuación vamos a analizar los tres sistemas de construcción de bases de pilar. a) Con placa simple: con el sistema de placa simple, el proceso se realiza de la siguiente forma: 1.- Se hormigóna la zapata o muro dejando embebida en ella los pernos de anclaje, con la ayuda de una plantilla. 2.- Se colocan las tuercas de nivelado, de la parte inferior de la placa, con objeto de tener una base perfectamente horizontal. 3.- Se monta sobre ellos el pilar, que ya tiene su placa de base soldada. 4.- Una vez fraguado el mortero, se colocan las tuercas y contratuercas. 5.- Se inmoviliza la unión mediante picado de la tuerca o mediante soldadura. 131

134 Bases de soportes orificio rebosadero hormigón placa tuerca y contratuerca tuerca de nivelado de 5 a 10 cm Mortero de nivelación Pernos de anclaje El sistema de placa simple más utilizado es el de pernos soldados; es decir que las placas llegan a obra con los pernos soldados. Una vez hormigónada la zapata, la placa metálica debe quedar embebida en el hormigón del cimiento, enrasados por su cara superior. Para evitar que debajo de la placa queden coqueras, a ésta se le hace un orificio central para que por él expulse el aire y fluya el hormigón. Posteriormente, para evitar que queden coqueras debajo de la placa puede añadirse lechada de cemento, por el mencionado orificio de la placa. PILAR CARTELAS DE RIGIDIZACION NIVEL DE HORMIGON ORIFICIO EN LA PLACA PLACA DE ANCLAJE HORMIGON ARMADO INFERIOR ZAPATA PERNOS DE ANCLAJE 132

135 Construcción de estructuras metálicas b) Con placa doble atornillada: El sistema de placa doble utiliza más material, pero es más cómoda su colocación. La operación se realiza de la siguiente forma: 1.- Se hormigóna la zapata o muro, dejando embebida en ella los pernos de anclaje, con sus extremos preparados con rosca. 2.- Se nivela mediante un mortero rico la parte superior de la zapata. 3.- Se coloca una primera placa de asiento, regularizando la posición de los pernos sujetándolos en su posición con soldadura. 4.- Se monta el pilar, con su placa de base taladrada, sobre la primera placa de asiento, haciendo coincidir los taladros, para poderlas atornillar. 5.- Se colocan la tuerca y contratuerca. 6.- Se inmoviliza la unión mediante picado y soldado. pilar cartela doble placa atornillada pernos c) Con placa doble soldada: Se utiliza únicamente para pilares de tamaño medio o pequeño, sometidos a compresión simple, compresión compuesta o flexo-compresión de poca excentricidad. La operación se realiza de la siguiente forma: 133

136 Bases de soportes 1.- Se hormigóna el macizo de cimentación dejando embebidos en él los pernos de anclaje. 2.- Se nivela mediante un fratasado de mortero rico la parte superior de la zapata. 3.- Se coloca la primera placa de asiento y se sueldan los pernos, que la atraviesan, en su perímetro. 4.- Se corta el exceso de pernos que sobresale por la parte superior de la placa. 5.- Se monta el pilar con su base, soldando ésta a la placa de anclaje sujeta a la cimentación. Puede resultar más práctico y cómodo, que la primera placa de anclaje llegue a obra totalmente montada, con sus pernos soldados. Y sobre ella, posteriormente, se suelda el pilar con su base. doble placa soldada la placa de encima tiene que ser más pequeña para poderse soldar perimetralmente con la placa inferior pernos unidos a la placa mediante orificio en la placa y soldadura Con cualquiera de los sistemas de placa de anclaje que utilicemos, debemos tener en cuenta (al igual que vimos en estructuras de hormigón armado) que la zapata lleva su correspondiente parrilla, y vigas centradoras o zunchos de arriostramiento, tal como se detalla en el dibujo siguiente. 134

137 Construcción de estructuras metálicas PILAR METÁLICO CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN PLACA DE ANCLAJE ZUNCHO O VIGA CENTRADORA PERNOS DE ANCLAJE HORMIGÓN DE LA ZAPATA HORMIGÓN DE LIMPIEZA ZUNCHOS DE ARRIOSTRAMIENTO DE CIMENTACIÓN PARRILLA DE CIMENTACIÓN Si los pernos de anclaje tienen suficiente longitud para apoyar sobre la parrilla de cimentación, no es necesario colocarle armadura de espera o enanos a los pilares, que enlacen la parrilla con los pernos. En caso contrario sí que conviene colocarlos, para enlazar parrilla y pernos de anclaje. TIPOLOGÍA DE BASES DE SOPORTES Según sea la forma de trabajo del soporte, así como las cargas y momentos que puedan llegarle a su base, éstas se clasifican en los siguientes tipos: - Bases de soportes en compresión. - Bases de soportes en tracción. - Bases de soportes en flexión. - Bases de soportes articuladas. Bases de soportes en compresión. Según sea el material sobre el que descanse un soporte, es decir, según sea su tensión admisible, las dimensiones de la placa de base serán distintas, ya que cuanto más resistente sea dicho material, menor dimensión podrá tener la mencionada base. 135

138 Bases de soportes En este tipo de bases, la placa metálica está sometida a una carga concentrada por la cara superior (soporte), y a otras tensiones uniformemente repartidas por su cara inferior (hormigón). Debemos procurar que la placa no tenga deformabilidad en su zona central, con el fin de evitar que lleguen tensiones diferentes al macizo de hormigón existente en la parte inferior de la placa. Al principio de este tema ya vimos la forma de rigidizar la placa para evitar deformaciones. En función de la carga que le llega a las bases, éstas se clasifican en tres grupos: bases a compresión para cargas pequeñas, para cargas medianas y para cargas grandes. 1) PARA CARGAS PEQUEÑAS 2) PARA CARGAS MEDIANAS 136

139 Construcción de estructuras metálicas Cuando se trate de grandes compresiones y sea necesaria una mayor superficie de apoyo, puede adoptarse una disposición como la que se especifica a continuación, en la que mediante perfiles metálicos UPN soldados a la placa y al pilar se realiza una distribución de cargas sobre una superficie mayor. 3) PARA GRANDES COMPRESIONES PILAR METÁLICO PLETINA DE UNIÓN DE LOS PERFILES DE REFUERZO UPN PERFILES UPN DE REPARTO DE CARGAS SOLDADOS A LA PLACA Y AL PILAR (1 Y 2 DIRECCIONES) PLACA DE ANCLAJE PERNO S PILAR PLACA DE ANCLAJE PLETINA DE UNIÓN DE LOS UPN PERFILES UPN 137

140 Bases de soportes Bases de soportes en tracción. Con relativa frecuencia se presenta el caso de tener que anclar un soporte que está sometido permanentemente o eventualmente a un esfuerzo de tracción. En estos casos es necesario buscar un sistema de anclaje que transmita dicha tracción a la zapata de cimentación. En las figuras siguientes se realiza este anclaje por adherencia entre el acero y el hormigón, utilizando pilares empresillados. También puede aumentarse dicha adherencia, para tener un mayor coeficiente de seguridad soldando a la porción de fuste que se introduce en el hormigón unos perfiles transversales (en una o en dos direcciones) a modo de conectores, los cuales pueden ser: angulares, perfiles UPN, redondos, etc. soldados al pilar metálico. Cuando las tracciones sean muy importantes, es imprescindible comprobar que el macizo de cimentación, con sus arriostramientos, es capaz de soportar dichas tracciones. PILAR METALICO P ANGULARES L SOLDADOS AL PILAR METALICO PARA CONEXION CON EL HORMIGON (2 DIRECCIONES) ZAPATA HORMIGÓN DE REGULARIZACIÓN 138

141 Construcción de estructuras metálicas PILAR METALICO P HORMIGÓN DE REGULARIZACIÓN REDONDOS SOLDADOS AL PILAR EN 2 DIRECCIONES Bases de soportes en flexión. La base de un soporte flectado, que normalmente también está sometido a compresión, puede estudiarse como una sección de hormigón armado que tuviera la misma forma que la planta de la base del soporte. Suele interesar alargar este tipo de bases en la dirección del momento para aumentar el brazo mecánico, reduciendo así los esfuerzos de anclaje y, consiguientemente, los redondos o elementos en tracción, como puede verse en la figura siguiente. 139

142 Bases de soportes M N En las dos figuras siguientes se representan algunos de los tipos más comunes de bases de soportes en flexión. Cuando las tracciones sean importantes se colocarán mayor número de pernos y de mayor resistencia. 140

143 Construcción de estructuras metálicas BASES PARA SOPORTES CON FLEXIONES MEDIANAS (TRACCION MAS COMPRESION) PILAR METALICO CARTELA RIGIDIZACION PERNOS A COMPRESION/TRACCION PLACA ANCLAJE BASES PARA SOPORTES CON GRANDES FLEXIONES (TRACCION MAS COMPRESION) PILAR METALICO PERFILES UPN COMPRESIONES DIRECCION DE LAS FLEXIONES DIRECCION DE LAS FLEXIONES PLACA DE ANCLAJE PERNOS A TRACCION/COMPRESION Cuando por alguna razón la profundidad del macizo de cimentación no sea suficiente para poder anclar por adherencia los pernos para las tracciones, se recurre a disponer de unos perfiles cruzados en el fondo de la zapata, soldados a los pernos de anclaje, como podemos observar en la siguiente figura. 141

144 Bases de soportes PERFILES (ANGULARES) PARA MAYOR ANCLAJE DE LOS PERNOS A TRACCION Especialmente en este tipo de base a flexión, es muy importante que, tanto la mayor dimensión de la placa como el máximo número de pernos de anclaje, están colocados en el sentido de la máxima inercia del pilar, que coincidirá con la dirección de las máximas flexiones. Bases de soportes articulados. Cuando nos interese que en la base del pilar exista una cierta movilidad o articulación, la unión del mismo con la placa de base la efectuaremos de cualquiera de los sistemas que se detallan a continuación. PERFIL SOLDADO AL IPE DE BASE TORNILLO DE ALTA RESISTENCIA ARTICULACIÓN SOBRE PIVOTE. (TORNILLO DE ALTA RESISTENCIA). PILAR SOLUCIÓN ARTICULADA MAS ECONÓMICA (SE CONSIGUE CON AYUDA DEL PERFIL IPE). TORNILLO DE ALTA RESISTENCIA 142

145 Construcción de estructuras metálicas ARTICULADO SOPORTE QUE NO APOYA SOBRE LA PLACA. PILAR HEB PASADOR Y TORNILLO DE ALTA RESISTENCIA QUE SOPORTA EL PESO DEL SOPORTE. ARANDELA REFUERZO UPN SOLDADO SOLO A LA PLACA DE ANCLAJE, CON TALADRO PARA EL PASADOR. PERNOS PLACA ANCLAJE UPN SOLDADO A LA PLACA PILAR HEB QUE NO APOYA EN LA PLACA TORNILLO PASADOR DE ALTA FRESISTENCIA ARANDELA REFUERZO 143

146

147 TEMA 4. SOPORTES. SUS CLASES. INTRODUCCIÓN. Los soportes son elementos lineales o piezas prismáticas sometidas principalmente a compresión y a flexión pequeña o nula. Son los elementos que transmiten las cargas verticales al terreno a través de los cimientos y las bases. Están sometidos a esfuerzos axiles. Entre ellos podemos considerar los soportes que actúan a compresión y las barras que actúan a tracción. En los soportes a compresión, las uniones con empotramientos y la excentricidad de las cargas verticales son causa de esfuerzos adicionales de flexión. Para dimensionar un soporte se tendrá en cuenta: - El tipo de acero: - El tipo de carga que va a recibir el perfil. - La longitud del soporte, por si hubiese pandeo. - La carga axial a compresión. SOPORTES, SUS CLASES. Soportes simples Soportes compuestos Formados por un solo perfil Formados por varios perfiles Dos o más perfiles Perfiles y chapas yuxtapuestas Chapas yuxtapuestas SOPORTES SIMPLES DE UN SOLO PERFIL. Un soporte formado por un sólo perfil exige mucho menor trabajo de preparación que otro formado por dos o más perfiles, por lo que se elegirá a igualdad de condiciones. El soporte simple más utilizado es el HEB, pudiendo también utilizarse el IPN y el IPE. Con ellos se obtiene gran aprovechamiento y son muy aptos para formar pilares en pórticos rígidos, obteniendo el máximo aprovechamiento del material si colocamos el perfil de forma que el plano Y-Y coincida con el pórtico. 145

148 Soportes. Sus clases La dirección del pórtico siempre debe de ser perpendicular al eje de máxima inercia de los pilares. En la mayoría de los soportes simples de un sólo perfil, el eje de máxima inercia es el X-X, por lo tanto, la dirección del pórtico será en el eje Y-Y, es decir, las jácenas acometerán al soporte en el sentido del eje Y-Y (mayor dimensión del soporte), tal como se detalla a continuación. Los perfiles de la serie H, especialmente el HEB, son los más utilizados para soportes, ya que al tener su sección abierta, los nudos se resuelven con mucha facilidad y poca mano de obra. Además concentran gran cantidad de masa de acero en muy poco espacio, por lo que se obtienen ventajas de tipo arquitectónico. 146

149 Construcción de estructuras metálicas Por su facilidad de montaje pueden utilizarse en cualquier tipo de pórticos, ya que las jácenas pueden acceder a las alas, al alma, o a ambos conjuntamente, tal como vemos en las perspectivas siguientes 147

150 Soportes. Sus clases SOPORTES SIMPLES DE VARIOS PERFILES. Uniendo a tope, con soldadura, dos o más perfiles se obtienen secciones que presentan más ventajas respecto al perfil único, a costa de mayor trabajo en taller. Los perfiles normales U ó I tienen el radio de giro con respecto al eje y-y mucho más pequeño que el correspondiente al eje x-x; por ello no son aptos para resistir esfuerzos a compresión, ya que pandean en el plano x-x con cargas muy inferiores a las de agotamiento por plastificación. El perfil HE sí que es capaz de soportar compresiones. Con la finalidad de obtener un buen rendimiento en la utilización de estos perfiles, especialmente de los UPN, y con menor frecuencia de los IP, se unen mediante soldadura a otros perfiles, obteniendo la inercia requerida. A continuación se detallan distintas formas de unir con soldadura soportes simples con varios perfiles. 148

151 Construcción de estructuras metálicas De los tipos que se indican anteriormente, los más utilizados son los a) y b), o sea 2 UPN y 2 IPN. Ambos son de fácil construcción si los perfiles están bien enderezados. El cordón de soldadura de unión debe de ser continuo, aunque puede ser muy fino, pues no hay posibilidad de pintar por el interior y, por consiguiente, puede producirse oxidación al ser factible la entrada de aire húmedo. Cuando los perfiles UPN van soldados a tope con las alas hacia el interior, se denomina soporte "en cajón", tal como se ve en la figura a). Ambos tipos son muy aptos para utilizarlos con estructuras isostáticas, y además, el tipo a), por tener un aspecto agradable, puede dejarse visto. Los tipos c) y b) pueden ocultarse con facilidad en los gruesos muros o tabiques dobles, tanto es esquina como en muros perpendiculares o divisorios, tal como se muestra en los dos dibujos siguientes. 149

152 Soportes. Sus clases El tipo c) puede ser útil en los casos en que se cruzan en un punto dos pórticos de nudos rígidos. No conviene, debido a las dificultades que entraña encontrar y realizar una forma correcta de transmisión de esfuerzos, cambiar de forma de perfil de unas plantas a otras. Por ello si se comienza con un tipo de perfil, es conveniente mantener ese tipo de perfil en ese soporte desde el comienzo hasta la cubierta. SOPORTES SIMPLES ACOPLANDO PERFILES Y CHAPAS. Este tipo de soportes se consigue uniendo dos o más perfiles con chapa continua y soldadura. Pueden llegar a alcanzar una gran resistencia a compresión y a flexión y, si es necesario, conseguir una carga portante muy grande con dimensiones reducidas, en función del tipo de perfil y de la sección de la chapa que los une. 150

153 Construcción de estructuras metálicas SOPORTES ARMADOS (DE CHAPAS YUXTAPUESTAS). Están formados, generalmente, por chapas continuas unidas por soldadura. La forma más usual es la I. Sin embargo también pueden utilizarse secciones en cajón que, por su buen aspecto, pueden interesar, si el soporte va a quedar visto, existiendo asimismo otras formas de colocar las chapas, dando lugar a diferentes secciones. El mayor coste de la mano de obra se compensa en muchas ocasiones por la adaptación exacta de los perfiles a las solicitaciones exigidas por la estructura. Por otra parte, la resistencia de estos soportes no está limitada por ningún concepto, pues pueden hacerse tan resistentes como sea preciso, siendo ésta la solución más recomendable para edificios de gran altura con pórticos de nudos rígidos. Para evitar abollamientos en las alas o en el alma, deben cumplirse las dos relaciones siguientes: h e < 45 b e <

154 Soportes. Sus clases SOPORTES COMPUESTOS. Son soportes obtenidos acoplando perfiles separados enlazados por medio de elementos transversales discontinuos. Cada uno de los perfiles es un cordón, y su enlace se realiza mediante presillas o celosía. a). Unión mediante presillas. Las presillas son chapas o perfiles resistentes a flexión con una unión rígida a los cordones, mediante soldadura. La separación entre las presillas debe de ser constante. Placa de cabeza Presilla de cabeza IPN UPN UPN Perfil UPN Angular de apoyo de la jácena soldado al pilar Presilla de base Placa de base En los extremos de toda pieza enlazada con presillas siempre se colocará una presilla junto a la placa de base y otra junto a la de cabeza, unidas rígidamente, que serán un poco más grandes que las intermedias. 152

155 Construcción de estructuras metálicas Conviene colocar presillas frente a las vigas que acometen al pilar. Las presillas deben llegar, como mínimo, hasta el centro del ala de los perfiles que unen. No conviene que llegue hasta la cara exterior del soporte, porque eliminaría el espacio necesario para la soldadura. 153

156 Soportes. Sus clases La denominación de las presillas se efectúa en función de sus tres dimensiones: largo x ancho x espesor (por ejemplo: 200 x 100 x 10 mm.). b) Unión mediante celosía. La celosía es una red triangular formada por montantes y diagonales, tal como se definen en la figura siguiente. El cordón superior y el cordón inferior serían los dos perfiles metálicos que conforman el soporte y las montantes y diagonales serían el nexo de unión entre dichos perfiles. El enlace mediante triangulaciones es de poca aplicación en construcción de edificios, ya que no suelen tener que soportar ni grandes esfuerzos transversales, ni momentos, que son los casos en los que una triangulación resulta más eficaz. Además, los elementos de una triangulación que suele estar formada por angulares, molestan más, desde el punto de vista arquitectónico, que las presillas. Las triangulaciones (celosía) se emplean en los soportes de naves de gran altura, donde están sometidas a fuertes momentos, en puentes y postes eléctricos, etc. A continuación se detalla la unión, mediante triangulaciones, de los dos perfiles de un soporte. 154

157 Construcción de estructuras metálicas En las perspectivas siguientes se detalla la unión de dos perfiles UPN por los sistemas descritos anteriormente (presillas y triangulaciones ó celosía). 155

158 Soportes. Sus clases De toda la gama de soportes compuestos, los más frecuentemente empleados en edificación son los constituidos por 2 UPN o 2 IPN empresillados. La mejor solución desde el punto de vista de resistencia y de economía se obtiene dando a los perfiles una separación tal que la esbeltez mecánica del soporte sea la misma respecto a los dos ejes: el eje material x-x y el eje libre y-y, de modo que dx=dy, siendo d la esbeltez mecánica. 156

159 Construcción de estructuras metálicas Este tipo de soportes permite dar continuidad a las jácenas, pasándolas entre los perfiles (cordones), lo cual supone una importante economía para la viguería y el centrado de la carga, evitando momentos procedentes de cargas excéntricas. Si la jácena es pasante se apoya sobre un casquillo, generalmente de IPN, soldado a las 2 UPN, lo que aconseja disponer hacia afuera las alas de los UPN. No obstante el soporte trabaja en condiciones similares con las alas de los perfiles UPN hacia el interior. 157

160 Soportes. Sus clases Si las alas de los perfiles UPN que forman el soporte, van hacia el interior, para colocar el casquillo IPN para apoyo de la viga pasante existen dos opciones: a).- Si existe espacio suficiente entre las alas para acceder al alma de las UPN, se suelda directamente sobre el alma. b).- En el supuesto de que no podamos acceder para soldar directamente, se colocan pletinas uniendo los extremos de las alas, a modo de tapadera, soldadas a las alas. El casquillo se suelda directamente sobre dichas pletinas, tal como se muestra en la figura siguiente. Cuando la jácena no sea pasante, se apoya sobre un angular de apoyo soldado al soporte, colocado justamente a la altura de la parte inferior de la jácena. Posteriormente, se unirán jácena y pilar mediante soldadura, rigidizadores, etc. dependiendo del tipo de unión que necesitemos conseguir. 158

161 Construcción de estructuras metálicas El espacio entre las alas del perfil UPN podría aprovecharse para la colocación de bajantes u otras conducciones. REFUERZO DE SOPORTES. La necesidad de reforzar soportes se presenta generalmente en obras de reforma, cuando necesita modificarse la sobrecarga de uso o cuando las dimensiones exteriores de los soportes vienen limitadas. El procedimiento más general de refuerzo, en estos casos, consiste en adosar chapas u otros perfiles donde sea necesario, teniendo siempre en cuenta la situación de las vigas. Este proceso puede hacerse de varias formas, algunas de las cuales se indican a continuación. 159

162 Soportes. Sus clases La principal dificultad de los refuerzos estriba en la correcta transmisión de los esfuerzos de una planta a otra, ya que en ocasiones será difícil darle continuidad de cada planta a la siguiente. Lo ideal, por cuestión de inercia del conjunto pilar-viga, sería que los refuerzos pudiesen colocarse en la misma dirección de las vigas, pero en esa posición resulta más difícil la continuidad de dichos refuerzos para transmitir los esfuerzos entre plantas. Cualquiera de los refuerzos indicados en la figura anterior podría ejecutarse con relativa facilidad en el caso de que las vigas que apoyan sobre el soporte están colocadas en la dirección y-y. Si éste no fuera el caso, sino que por el contrario se encontrasen en la dirección x-x, el refuerzo podría realizarse de cualquiera de las dos formas que se indican en las figuras siguientes. Debe tenerse en cuenta que, en todos los detalles, se han dibujado unos refuerzos (pletinas, perfiles, etc.) que tan sólo indican el lugar de su colocación y no el tipo de refuerzo. Por último, si existen vigas en ambos sentidos habrá que recurrir a soluciones más o menos artificiosas, como las indicadas en los siguientes detalles. 160

163 Construcción de estructuras metálicas Cualquier refuerzo que cumpla las dos funciones requeridas (aumentar la capacidad resistente del soporte y transmitir esfuerzos entre plantas consecutivas) se considerará correcto. Deben evitarse refuerzos muy laboriosos y complicados. Cuando sea necesario efectuar el refuerzo con la estructura en servicio, hay que realizar las operaciones de soldadura con cuidado, dando el menor calor posible a los perfiles, a fin de que no se produzcan fluencias localizadas del material. Para ello será conveniente que los cordones de soldadura que se depositen sean los mínimos necesarios y, a ser posible, ejecutados alternativamente. SOPORTES METÁLICOS RELLENOS DE HORMIGÓN. Como anteriormente hemos dicho, se utilizan con frecuencia soportes formados por dos perfiles unidos con presillas, siendo práctica corriente rellenar y revestir estos soportes de hormigón, con lo que se consigue una buena protección contra el fuego. A falta de una reglamentación que permitiera tener en cuenta la colaboración de este hormigón en la resistencia, venía despreciándose dicha posibilidad. Sin embargo, y para aprovecharla, se ha determinado mediante una serie de ensayos la carga total que pueden resistir los soportes revestidos o rellenos de hormigón y se ha obtenido que la colaboración del hormigón no es nada despreciable. SOPORTES MIXTOS. Son soportes formados por un pilar metálico y un pilar de hormigón armado. Normalmente el pilar metálico lo conforma un perfil tipo HE colocado en el interior de un pilar de hormigón armado, formado por redondos y cercos, enlazando el conjunto de armaduras. No existe normativa reguladora de este tipo de pilares. Sin embargo existen una serie de recomendaciones generales, que son las siguientes: 1.- La calidad del hormigón y la disposición de armaduras cumplirá la instrucción EHE. 161

164 Soportes. Sus clases 2.- No deberá quedar ningún espacio menor de 5 cm. entre los perfiles y las armaduras, cercos, etc. para posibilitar un buen hormigónado. 3.- Si la sección de los perfiles metálicos es hueca, se rellenarán con hormigón. 4.- Si el soporte metálico está formado por dos o más perfiles, éstos deberán separarse como mínimo 5 cm. y se unirán mediante presillas. soporte metálico soporte de hormigón armado cercos principales cercos secundarios soldados al perfil metálico soporte metálico soporte de hormigón armado CAMBIOS DE PERFIL. Cuando los perfiles que forman el fuste de un mismo soporte, en dos plantas contiguas, son consecutivos de la misma serie, es decir, difieren en menos de 2 cm. y su solicitación es predominantemente a compresión axial, la unión de ambos puede hacerse por la simple interposición de las respectivas placas de cabeza y base. Cuando las diferencias sean mayores, pueden adoptarse alguna de las disposiciones que se indican a continuación. 1.- Para cargas pequeñas y medianas, y con diferencia de perfiles que no sea excesivamente grande, es suficiente con darle mayor espesor a las placas de cabeza y 162

165 Construcción de estructuras metálicas base, o bien una única placa de mayor espesor, capaz de soportar las cargas que le llegan del pilar superior. En cualquier caso la soldadura debe ser correcta. 2.- Para cualquier tipo de carga, existen dos disposiciones correctas: a).- Colocar pletinas soldadas a los pilares, por la parte exterior y/o por la parte interior, para darle continuidad a los mismos, con objeto de que la transmisión de esfuerzos sea correcta. 163

166 Soportes. Sus clases b).- Desviando las alas de los perfiles, para darle continuidad en ambas plantas. Para ello se elimina un trozo de alma del pilar inferior y se acoplan nuevamente las alas al alma, de forma sensiblemente inclinada, tal como se observa en los dibujos siguientes. Esta opción ofrece más dificultad de ejecución y mayor coste de mano de obra. En todos los casos siempre se colocará como mínimo una placa intermedia entre ambos soportes. Para cargas medianas y grandes, es necesario colocar cartelas de rigidización horizontales, justamente donde empieza el desvío de las alas, para evitar abollamientos o arrancamiento de la soldadura a tracción de las alas, tal como se detalla en los 2 últimos dibujos. 164

167 Construcción de estructuras metálicas c).- Colocar cartelas de rigidización debajo de la placa de cabeza. Cuando la diferencia entre pilares es importante, para evitar que el pilar superior se cuele dentro del inferior se colocan cartelas verticales, en el interior del pilar inferior, soldadas a dicho pilar, colocadas justamente debajo de la placa de cabeza, para refuerzo de la misma y así evitar el riesgo de que el pilar superior se cuele dentro del inferior. 165

168 Soportes. Sus clases 166

169 Construcción de estructuras metálicas En las perspectivas siguientes pueden observarse algunos tipos de enlace de soportes con cambios de perfil. 2 UPN 2 UPN empresillados empresillados rigidizadores rigidizadores chapas de refuerzo chapas de refuerzo presilla de base presilla de base placa de base placa de base placa de cabeza placa de cabeza 2 IPE empresillados 2 IPE empresillados presilla de base presilla de base presilla de cabeza presilla de cabeza 2 UPN empresillados pilar HEB pilar HEB chapa de chapa refuerzo de refuerzo placa de cabeza placa y de base cabeza y base 167

170 Soportes. Sus clases Podría ocurrir que, en dos plantas consecutivas, el pilar de la planta inferior fuese de menores dimensiones que el de la planta superior, por tener esta última gran altura libre, ó que no llegasen a ella todos los pilares de la planta inferior, etc. En este caso la solución al cambio de perfil es idéntica a la vista anteriormente, pero colocando el refuerzo interior dentro del pilar de la planta superior, para evitar que el soporte inferior "se cuele" dentro del superior, tal como se observa en la siguiente perspectiva. DETALLES CONSTRUCTIVOS. En caso de que la jácena sea más ancha que el pilar, como en el caso de una viga múltiple, la unión se efectúa intercalando una chapa metálica entre el soporte y la jácena. Para evitar que se doble el trozo de chapa que sobresale del pilar, como consecuencia de las tracciones y compresiones que le transmite la jácena, se colocan unos rigidizadores que la enlazan por la parte posterior al pilar, tal como se observa en la perspectiva siguiente. 168

171 Construcción de estructuras metálicas 169

172

173 TEMA 5.- VIGAS. SUS TIPOS. JÁCENAS O VIGAS Las jácenas o vigas son elementos lineales en las que una dimensión predomina sobre las otras dos. Su forma de trabajo es casi exclusivamente a flexión, por ello suelen adoptar forma de I, para tratar de obtener la máxima inercia y el mayor módulo resistente con el material disponible, tratando de mejorar el rendimiento. Función de las vigas. Las vigas son los elementos sustentantes horizontales, o como en las cubiertas, ligeramente inclinados, que reciben las cargas verticales y las transmiten, trabajando a flexión, a los pilares o apoyos. Las cargas que la viga recibe producen en sus secciones los siguientes esfuerzos: - Momento flector. - Esfuerzo cortante. - Torsiones (algunas veces). CLASIFICACIÓN DE LAS VIGAS. Atendiendo a su constitución las vigas de acero se clasifican de la siguiente manera: Vigas De alma llena De alma aligerada De celosía De perfiles Armadas Perfil simple Viga múltiple Perfil reforzado En I En cajón 171

174 Vigas. Sus tipos VIGAS SIMPLES. En vigas, siempre que sea posible, se utilizarán perfiles laminados IPN, pues su costo de mano de obra es mínimo, ya que, en muchas ocasiones será suficiente con el corte del perfil a la medida deseada. Los rendimientos en flexión son muy buenos en los IPN, ya que conviene resistir las flexiones con el mayor canto posible. Es decir, que es más interesante económicamente para resistir un esfuerzo de flexión una sola viga que dos equivalentes. Los perfiles empleados son IPN, IPE o HE (cuando es preciso canto reducido). El empleo de los perfiles IPE resulta más económico en general, tanto por su mayor rendimiento mecánico como por la simplificación que, en empalmes y uniones, proporciona el espesor uniforme de las alas. Las principales diferencias en cuanto a forma de los perfiles IPE con relación a los IPN son: - El paralelismo de sus caras. - La reducción en el espesor del alma. - La mayor anchura de las alas. El paralelismo de las alas elimina todos los inconvenientes que en construcción y en montaje presentan los perfiles de alas ataluzadas, al tener que intercalar cuñas de ajuste para que la tornillería encaje correctamente. 172

175 Construcción de estructuras metálicas Los perfiles simples laminados tienen la ventaja sobre la viga armada, que para igual resistencia su coste es menor. VIGAS MÚLTIPLES. Son las vigas constituidas por dos o más perfiles I adosados, unidos a través de elementos de unión, tales como perfiles, presillas, tornillos, pasantes, etc., que solidaricen eficazmente los perfiles componentes, del modo en que se detalla a continuación. Los medios de unión habituales son: - Perfiles UPN, IPN, HE con soldadura o con tortillería. - Pletinas o presillas soldadas o atornilladas. 173

176 Vigas. Sus tipos 174

177 Construcción de estructuras metálicas MÉTODOS DE UNIÓN DE LAS VIGAS MÚLTIPLES UNIÓN SOLDADA 175

178 Vigas. Sus tipos 176

179 Construcción de estructuras metálicas MÉTODOS DE UNIÓN DE LAS VIGAS MÚLTIPLES UNIÓN ATORNILLADA PLANTA DE LA FIGURA VISTA ISOMÉTRICA DE LA FIGURA ALZADO DE LA FIGURA PERFIL DE LA FIGURA 177

180 Vigas. Sus tipos VIGAS REFORZADAS (PERFILES CON REFUERZOS). La utilización de refuerzos, con chapa o pletina, en las estructuras metálicas es de gran eficacia para conseguir ahorro de material. Que un refuerzo sea económico o no, depende de los valores relativos de la chapa, el perfil y el cordón de soladura. El elemento de refuerzo más utilizado es la chapa o platabanda. Se utilizan estos refuerzos cuando queramos módulos resistentes (W) mayores que los existentes en el mercado, o cuando exista limitación de canto, porque la altura libre entre plantas sea reducida. 178

181 Construcción de estructuras metálicas Debe tenerse en cuenta, que los momentos resistentes no son magnitudes que puedan sumarse, es decir, que para calcular refuerzos hay que trabajar con momentos de inercia. Por lo general, el refuerzo más económico de las vigas se hace colocando dos pletinas simétricas en ambas alas. Si el refuerzo se hace en taller, puede indiferentemente adoptarse cualquiera de las formas que se indican en la figura siguiente, ya que a las piezas se les puede dar fácilmente la vuelta para soldar, ya que siempre que sea posible debe soldarse de arriba hacia abajo. Por el contrario, si se han de colocar en obra, debe evitarse en lo posible soldar hacia arriba, por lo que la disposición más conveniente es la que se indica en la siguiente figura. 179

182 Vigas. Sus tipos En ocasiones hay que reforzar una viga por razón de la flecha y puede ser conveniente disponer el refuerzo sólo por la parte inferior, ya que el aumento del momento de inercia es casi el mismo con dos chapas simétricas, y sin embargo, la mano de obra es mucho menor. Además, si se trata de estructuras en servicio, es mucho mayor la ventaja desde el punto de vista de facilidad de ejecución. Cuando en un edificio construido hay que reforzar una viga debido a que han aumentado las cargas previstas, puede recurrirse a una de las soluciones que se indican en las siguientes figuras. Puede darse mayor resistencia a un perfil adaptando su forma a la distribución de momentos flectores. Para ello se dan al perfil I los cortes que se indican en la primera figura, recomponiéndolo como se representa en la figura insertada a continuación. Esta disposición es muy útil en vigas simplemente apoyadas que deban recibir una cubierta de pequeña pendiente, tal como se detalla a continuación. 180

183 Construcción de estructuras metálicas En el prontuario ENSIDESA se dan los valores estáticos de estas vigas. De igual modo puede actuarse para formar vigas en ménsulas para marquesinas. VIGAS O JÁCENAS ARMADAS. Las vigas armadas están formadas por varias pletinas o chapas, unidas con cualquiera de los medios de unión: soldadura, roblones, angulares y tornillos, etc. Estas chapas pueden tener las dimensiones que se quiera, tanto en ancho como en espesor, salvo en las limitaciones que más adelante se mencionarán. Como vigas armadas se entiende, en contraposición con las vigas laminadas, aquellas que se constituyen, ensamblan o arman partiendo de chapas o de chapas y angulares. Aunque teóricamente la unión de las chapas entre sí puede hacerse por roblonado o tornillería (izquierda) o por soldadura (derecha) puede decirse que actualmente sólo se emplean las vigas armadas soldadas. Para unas solicitaciones determinadas, siempre es posible encontrar una viga armada de menor peso que el perfil laminado que correspondería a esas solicitaciones. Sin embargo, aun con mayor peso, los perfiles laminados son siempre más económicos que las vigas armadas, debido al menor coste de fabricación. 181

184 Vigas. Sus tipos Por estas razones, en construcción metálica en general, el empleo de las vigas armadas suele limitarse a casos especiales de grandes luces o de grandes cargas. Las vigas armadas también pueden confeccionarse partiendo de perfiles I o H cortados a la mitad del alma y vueltos a soldar intercalando una chapa entre las dos mitades, tal como se muestra en la figura siguiente (izquierda). Con esto se reducen los cordones de soldadura y se evita uno de los principales inconvenientes que suelen presentar las vigas armadas y que consiste en que debido al efecto de la retracción de la soldadura y del calentamiento localizado, las alas suelen tomar la deformación como se indica a continuación (figura de la derecha), salvo que se tomen precauciones especiales. Para evitar el abollamiento del alma, en los puntos donde existan cargas concentradas sobre dicha jácena, se colocarán rigidizadores verticales, en ambos laterales, soldados al alma y alas de la jácena, tal como se detallan en el dibujo siguiente. carga concentrada cartelas de de rigidización por ambos por ambos lados de la jácena lados de la jácena 182

185 Construcción de estructuras metálicas A pilar metálico jácena IPN A cartelas de rigidización Condiciones de una viga armada. La sección de una viga armada debe reunir diversas condiciones: - Suficiente resistencia a la flexión, determinada por su módulo resistente. - Suficiente rigidez a la deformación, determinada por su momento de inercia. - Capacidad de resistencia a las tensiones cortantes, determinada por el área de su alma. - Dimensiones adecuadas para evitar el abollamiento del alma, determinado por la relación espesor/altura del alma. En algunos casos, el canto total no debe sobrepasar un determinado valor, por cuestión de necesidades constructivas. La elección de las alas y el alma no debe implicar dificultades constructivas adicionales (espesores no habituales o demasiado elevados, dimensiones no comerciales, etc.). Una viga será eficiente si satisface todas esas condiciones con el mínimo peso, y será económica si además el coste de fabricación es mínimo. Esto supone que, a veces, la viga más económica no es la de menor peso. Por ejemplo, puede fijarse el espesor del alma de una viga de manera que no sean necesarios rigidizadores con el mínimo espesor admisible para ello, o con un espesor más delgado y colocar rigidizadores. Seguramente, en este último caso la viga pesaría menos, pero la construcción y la soldadura de los 183

186 Vigas. Sus tipos rigidizadores harían que fuese menos económica que si se hubiese adoptado el espesor de alma mínimo para que éstos no fuesen necesarios. Formas más usuales de vigas armadas. Existen básicamente dos formas de construcción de una viga armada: con un alma y con dos almas (denominadas vigas cajón). Las de un alma pueden ser de diversas formas, algunas de las cuales se detallan a continuación. Si las vigas armadas tienen dos almas se denominan vigas cajón. 184

187 Construcción de estructuras metálicas Las vigas armadas se emplean, en general, cuando los perfiles laminados no alcanzan las características mecánicas necesarias. A continuación se detallan diversas disposiciones de vigas armadas, pudiendo efectuarse la unión soldada o atornillada. 185

188 Vigas. Sus tipos VIGAS O JÁCENAS ALIGERADAS. Son vigas de alma aligerada. Cuando pueda adoptarse el canto que se estime más conveniente, y cuando la flexión predomine sobre el esfuerzo cortante, es decir, cuando se trate de luces grandes y de cargas moderadas, las soluciones de vigas aligeradas pueden resultar muy económicas. En la figura siguiente vemos varios tipos de ellas, así como su proceso constructivo. 186

189 Construcción de estructuras metálicas En la primera figura se detalla la línea de corte de una viga IPN para, posteriormente confeccionar una viga void. Se corta el perfil, se desplaza un vano una de las mitades y se vuelve a soldar, con lo cual obtenemos la viga de la figura central. Se las conoce con el nombre de vigas alveoladas o vigas void (del inglés void= vacío, hueco). La de la tercera figura es una viga aligerada de mayor canto, obtenida del mismo perfil anterior, peraltado con interposición de suplementos de chapa, se la denomina void peraltada. En las vigas void, con el mismo peso del perfil base, se consigue una viga más resistente, al ser mayor el momento de inercia y el módulo resistente, ya que aumentamos su altura. Las vigas de alma aligerada se obtienen por corte y soldadura de vigas en doble T (IPN, IPE, HE), con o sin interposición de chapas rectangulares. En proceso de confección de estas vigas, cortar y desplazar la mitad de arriba respecto a la de abajo, en los extremos sobra medio módulo, que hay 187

190 Vigas. Sus tipos que cortar, para los extremos de la misma queden verticales. En las siguientes figuras se detalla el procedimiento seguido. Este trozo de viga sobra Este trozo de viga sobra (Sin chapa) Aligeraminetos hexagonales (6 lados) Este trozo de viga sobra Este trozo de viga sobra (Con chapa intercalada) Aligeraminetos octogonales 188

191 Construcción de estructuras metálicas A esta clase de vigas se les ha dado diversas denominaciones: vigas alveoladas, vigas void, en panal de abeja, etc. Cuando existe interposición de elementos de chapa se obtienen vigas con aligeramientos octogonales. La confección de estas vigas no es muy costosa si se realiza en serie, en el taller y presentan ventajas sobre el perfil inicial de procedencia. Con el mismo peso por metro lineal de viga, al tener mayor canto, tiene mayor inercia, con lo cual puede soportar más carga. Estos tipos de vigas son particularmente adecuados para la realización de estructuras ligeras, solicitadas por cargas uniformes o cargas concentradas poco importantes, sobre todo cuando la elección de perfil está condicionada por la flecha más que por las tensiones, como sucede frecuentemente en los elementos de forjado de piso y cubiertas. Con cargas pequeñas, los esfuerzos cortantes en los apoyos no son grandes, puede ser interesante macizar el primero o los dos primeros alvéolos o huecos. Cuando existan fuerzas puntuales o pilares sobre estas vigas, tendremos que cegar o macizar los huecos y poner rigidizadores. Cegaremos el hueco sobre el que incide la carga puntual y los dos de los lados. Los podemos cegar con chapa hexagonal soldada o con una chapa por cada lado del alma, como se indica en la siguiente figura. 189

192 Vigas. Sus tipos Igualmente cegaremos, al menos, un hueco en el encuentro de estas vigas con los pilares. Unión de forjado apoyado con viga void. Cuando un forjado, de viguetas metálicas o de hormigón, se apoya encima de una viga void, no es necesario tapar los huecos, puesto que no existe carga puntual importante, ya que la carga está uniformemente repartida, tal como se indica en la figura de la izquierda. En caso de que el forjado acometa lateralmente a la viga void, como se indica en la figura derecha, existen dos opciones: - Tapar los huecos de la viga void para soldar trozos de angular de apoyo para el forjado. - No tapar huecos y colocar un angular continuo, para apoyo del forjado, soldado a las zonas macizas de la viga void. 190

193 Construcción de estructuras metálicas DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS. Vigas apoyadas. Para materializar en la práctica una articulación, puede hacerse como se indica en la siguiente figura, al tratarse de pequeños perfiles y estructura soldada. Se suelda como máximo 2/3 del alma de la viga. Si se trata de una estructura atornillada, o en raras ocasiones roblonada, puede hacerse como se indica en la siguiente figura. Cuando se trata de vigas de mayor importancia, pueden adoptarse las disposiciones de las siguientes figuras. 191

194 Vigas. Sus tipos Debe tenerse en cuenta que la unión del angular, tanto a la viga como al elemento que la sustenta, ya sea jácena o soporte, debe ejecutarse soldando únicamente los extremos de las alas de dicho angular, y no debe soldarse los extremos superior e inferior de las del angular. De esta forma puede producirse la deformación del angular tal y como se ve en la siguiente figura, consiguiéndose que la transmisión de momento flector sea prácticamente nula. Si la unión fuese roblonada o atornillada en vez de ser soldada, tendría por su misma naturaleza suficiente deformabilidad, sin contar, además, con la propia del angular. 192

195 Construcción de estructuras metálicas BROCHALES. Es la unión de dos perfiles a través de sus almas, con la condición de no ser colineales. La que recibe el extremo de la que transmite la carga se llama principal y la que la transmite secundaria. En los dibujos siguientes vemos diversas opciones para resolver el encuentro o embrochalamiento entre vigas de igual canto y vigas de distinto canto. viga principal viga secundaria viga principal viga secundaria angular de apoyo 1)Ambas vigas del mismo canto 2)viga principal de mayor canto que la secundaria 3)viga principal de menor canto que la secundaria viga secundaria viga principal 4)otras opciones viga principal viga secundaria 30º viga principal viga secundaria 193

196 Vigas. Sus tipos En los dibujos siguientes se detallan los casos de vigas embrochaladas siguientes: - Embrochalado entre vigas metálicas del mismo canto. - Embrochalado entre vigas metálicas de distinto canto. - Embrochalado en continuidad entre vigas metálicas del mismo canto. - Embrochalado en continuidad entre vigas metálicas de distinto canto, con torsión. - Embrochalado entre vigas metálicas de distinto canto (viga principal menor que la viga secundaria). EMBROCHALADO ENTRE VIGAS METALICAS DEL MISMO CANTO SOLDADURA 2/3 del alma VIGA METALICA B VIGA METALICA A VISTA FRONTAL VISTA LATERAL VISTA FRONTAL VIGA METALICA B VISTA LATERAL VIGA METALICA B H 2/3 H 2/3 H H VIGA METALICA A 194

197 Construcción de estructuras metálicas EMBROCHALADO ENTRE VIGAS METALICAS DE DISTINTO CANTO SOLDADURA 2/3 del alma VIGA METALICA B VIGA METALICA A VISTA FRONTAL Angular de apoyo provisional ó de montaje VISTA LATERAL VISTA FRONTAL VIGA METALICA B VISTA LATERAL VIGA METALICA B H 2/3 H H 2/3 H VIGA METALICA A 195

198 Vigas. Sus tipos EMBROCHALADO EN CONTINUIDAD ENTRE VIGAS METALICAS DE DISTINTO CANTO PLETINA DE TRANSMISION DE TRACCIONES SOLDADURA Todo el alma VIGA METALICA B Cortada VIGA METALICA A Continua VISTA FRONTAL Angular de apoyo provisional ó de montaje VISTA LATERAL EMBROCHALADO EN CONTINUIDAD ENTRE VIGAS METALICAS DEL MISMO CANTO CON TORSION PLETINA DE TRANSMISION DE TRACCIONES SOLDADURA Todo el alma y ambas alas VIGA METALICA B Cortada VIGA METALICA A Continua VISTA FRONTAL VISTA LATERAL 196

199 Construcción de estructuras metálicas SOLDADURA DEL ALMA VIGA METÁLICA B B A VIGA METÁLICA A VIGA METÁLICA A VISTA FRONTAL VIGA METÁLICA B VISTA LATERAL 197

200 Vigas. Sus tipos Disposición Gerber de las vigas o correas. La disposición Gerber tiene por objeto disminuir el momento flector con que se calcularían las vigas o correas si estuviesen simplemente apoyadas en los extremos. Esa disminución de momentos lleva consigo la disminución de sección, y por tanto, de peso y costo del material; sin embargo, la mayor mano de obra necesaria, puede contrarrestar la economía del material. Si consideramos la viga o correa como pieza continua (hiperestática) apoyada en las cerchas o vigas intermedias, y en las secciones de momentos nulos colocamos articulaciones, queda dividida en tramos isostáticos en que unos apoyan en los voladizos de los otros. El número de articulaciones será igual al número de apoyos menos 2. Con la utilización de esas articulaciones impuestas en puntos determinados, conseguimos que la ley de momentos flectores pueda adoptar la forma más conveniente. Con una adecuada disposición se consigue igualar los momentos de apoyo y los de los tramos centrales. Si el número de tramos fuese impar, se consigue una completa simetría, tal como se detalla en la figura siguiente. Los tramos extremos quedan constituidos por una viga suspendida o por una viga con brazo en voladizo. En cualquier caso, si la luz entre cerchas o apoyos es constante, los tramos extremos tienen mayor momento, por lo que habrá que reforzar la correa en dichos tramos. Las articulaciones o rótulas se realizan uniendo con dos pletinas (una en cada lateral) ambos extremos de vigas. Dicha pletinas van soldadas o atornilladas al extremo de una de las vigas, y mediante tornillos se unen al extremo de la otra viga, tal como se indica a continuación. 198

201 Construcción de estructuras metálicas Cuando se utilizan estas vigas en forjados, existe el inconveniente de que puede manifestarse una grieta en el piso, a menos que se deje prevista una junta. Formas de resolver la transmisión de las compresiones. Cuando a una jácena le acometen vigas por ambos laterales, y éstas son de distinto canto, es necesario transmitir las tracciones y compresiones que generan las dos vigas laterales, tal como se muestra en la siguiente figura: B Conector de tracciones VISTA B-B A A B Angular de apoyo Conector de compresiones Pletina de conexión de compresiones procedentes del ala de la viga izquierda Angular de montaje SECCIÓN A - A Conector de compresiones 199

202 Vigas. Sus tipos En el caso en que las compresiones no sean excesivamente grandes, en la figura siguiente se detalla un sistema muy sencillo de efectuar la transmisión de compresiones, mediante una cartela que enlace las alas inferiores de ambas vigas Conector de compresiones VIGAS CONTINUAS. Para conseguir la continuidad entre dos vigas embrochaladas a otra, una por cada lateral, es necesario lograr una correcta transmisión de esfuerzos (tracciones, compresiones y cortante) entre ambos laterales. Si las vigas de ambos laterales son del mismo canto, no existe ninguna dificultad en la transmisión de compresiones, puesto que sus alas inferiores están enfrentadas. Si los cantos son distintos, es necesario colocar conectores de compresiones. En las dos figuras siguientes se detalla la transmisión de todos los esfuerzos. La chapa superior, del tamaño necesaria, es la encargada de transmitir las tracciones producidas por el momento flector negativo, con soldadura trabajando a cortante. Los cordones de soldadura verticales, que unen las dos almas, absorben el esfuerzo cortante. No existen compresiones puesto que el canto de ambas vigas es igual. Obsérvese que en la primera figura la parte superior de las vigas no se han soldado. Se han confiado todas las tracciones a la chapa superior. En la segunda figura se ha soldado toda la superficie en contacto de ambas vigas y se le añade pletina para transmisión de tracciones. 200

203 Construcción de estructuras metálicas Chapa superior para transmitir tracciones Angular de montaje Pletina de transmisión de tracciones Soldadura a tracción Angular de apoyo o montaje provisional En caso de necesitar conector de compresiones, la solución se detalla en el dibujo siguiente: conector de tracciones, conector de compresiones y soldadura vertical para cortantes. 201

204 Vigas. Sus tipos 202

205 Construcción de estructuras metálicas CAMBIOS DE PERFIL. Si en alguna ocasión interesa adaptar el perfil a las leyes de momentos flectores, puede resultar interesante utilizar diferentes perfiles en diversas zonas de la misma viga. Para que el cambio se haga sin brusquedad y sin efecto de entalla, conviene adoptar soluciones similares a la siguiente. La reducción se efectúa de tal modo que las caras exteriores de las alas de ambos perfiles queden enrasadas, tal como se observa en los detalles 1 y 2. Detalle 1 Detalle 2 Detalle 1 Detalle 2 EMPALME DE VIGAS. Los empalmes a tope vigas de igual canto, se efectuarán entre 1/4 y 1/5 de la luz, que es la zona donde el momento flector es mínimo. La inclinación del empalme será de 60 grados. Ambas vigas también pueden cortarse verticales, soldarlas a tope y colocarles pletinas soldadas lateralmente. 203

206 Vigas. Sus tipos 1) Cortando la viga con un ángulo de 60º y soldando ambas partes Alzado 1) Cortando la viga en vertical, soldando y colocando una pletina/chapa en uno ó en los dos laterales de la viga empalmada Soldadura Viga Pletina 204

207 Construcción de estructuras metálicas Para empalmar vigas de distinto canto, se le realizará un corte con una pendiente del 25% en la viga de canto mayor, volviendo a soldarle el ala. 25% En las perspectivas siguientes se detalla el empalme de vigas metálicas de distinto canto, con pletinas de continuidad de las alas y pletinas para fuertes tracciones. 205

208 Vigas. Sus tipos PLETINA OPCIONAL PARA FUERTES TRACCIONES PLETINA OPCIONAL PARA FUERTES TRACCIONES VIGA METÁLICA VIGA METÁLICA ALAS DISCONTINUAS PLETINA OPCIONAL PARA FUERTES TRACCIONES PLETINA OPCIONAL PARA FUERTES TRACCIONES VIGA METÁLICA SOLDADURA VIGA METÁLICA SOLDADURA VIGA METÁLICA VIGA METÁLICA 206

209 Construcción de estructuras metálicas UNIONES DE VIGAS Y PILARES.- DETALLES CONSTRUCTIVOS. Detalle constructivo del enlace de un soporte metálico formado por 2 UPN empresilladas y una viga Void, confeccionada a partir de IPN 30. En el dibujo puede observarse: la correcta colocación del pilar en el sentido de la máxima inercia, canto de la viga void, primer agujero junto al pilar cegado con chapa metálica, angular de apoyo o montaje, arriostramiento horizontal UPN, arriostramiento en Cruz de San Andrés con perfiles L en planta superior e inferior, presillas frente a las alas de la viga en su unión con el pilar. 207

210 Vigas. Sus tipos Pilares metálicos que arrancan desde encima de diversos tipos de jácenas metálicas. Nótese que en todos ellos se han colocado, justamente debajo del pilar, cartelas de rigidización uniendo las alas superiores e inferiores de las jácenas, con el alma. PILAR METÁLICO PILAR METÁLICO CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN VIGA HEB Ó IPN VIGA ARMADA PILAR METÁLICO SOLDADURA CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN AGUJEROS TAPADOS VIGA VOID 208

211 Construcción de estructuras metálicas Apoyo de un pilar metálico encima de una viga. El pilar es más ancho que las alas de la viga donde apoya. Es necesario colocar, encima de la jácena, una pletina intermedia un poco más ancha que el pilar, para apoyarlo. Para evitar el pandeo de esa pletina, se colocan cartelas de rigidización verticales, a ambos lados, uniendo la pletina intermedia, alas superiores, alma y alas inferiores. Pilar metálico Soldadura Pletina intermedia para apoyo del pilar Soldadura Cartelas de rigidización Viga para apoyo del pilar 209

212 Vigas. Sus tipos Detalle de pilar metálico colgado de una viga metálica, con las alas más anchas que el pilar. Para pequeñas tracciones se suelda el pilar directamente al ala inferior de la viga y se colocan conectores para evitar pandeos del ala inferior. Para tracciones más importantes el cuelgue se efectúa con angulares y tornillos de alta resistencia, utilizando cartelas de rigidización de cualquiera de las dos opciones indicadas en el dibujo inferior. Posibles cartelas de rigidización para evitar pandeos en el ala inferior Soldadura Pilar metálico colgado PEQUEÑAS TRACCIONES Cartelas de rigidización rectangulares conectando ambas alas y el alma (Opción 1) Soldadura Angulares Cartelas de rigidización triangular conectando ala inferior y alma (Opción 2) Tornillos de alta resistencia (Tracciones) Pilar metálico colgado FUERTES TRACCIONES 210

213 Construcción de estructuras metálicas Pilar metálico colgado de una viga con el ala inferior más estrecha que el pilar Para pequeñas tracciones todo irá soldado: pletina intermedia de cuelgue, unión pilar-pletina y cartelas de rigidización. Para fuertes tracciones todo irá atornillado. Viga metálica Cartelas de rigidización para evitar pandeos en el ala inferior Piletina para colgar el pilar metálico Soldadura Pilar metálico colgado PEQUEÑAS TRACCIONES Viga metálica Cartelas de rigidización Pletina intermedia Soldadura Angulares y tornillos de alta resistencia Pilar metálico colgado FUERTES TRACCIONES 211

214 Vigas. Sus tipos Pilar metálico colgado de jácena metálica, con alas más estrechas que el pilar. Tracciones muy importantes. Para evitar soldaduras trabajando a tracción, se resuelve utilizando angulares y tornillos alta resistencia, para todas las uniones, incluso para la unión de las cartelas de rigidización con el alma de la viga. Tornillos de alta resistencia Cartelas de rigidización Viga metálica Angulares y tornillos de alta resistencia para unión de cartelas de rigidización con la viga (evitar soldadura a tracción) Angulares y tornillos de alta resistencia para unión pilar - pletina - viga Pletina intermedia Pilar metálico colgado FUERTES TRACCIONES 212

215 Construcción de estructuras metálicas Detalles de unión pilar-viga, utilizando pletinas soldadas para los elementos procedentes de taller y colocar tornillería a pié de obra. Orificios para atornillar Pilar metálico HEB Cartelas soldadas al pilar, con orificios para atornillar la viga metálica Viga metálica Cartela soldada en el extremo de la viga, con orificios para unir al pilar con tornillos Orificios en el pilar para atornillar la viga Pilar metálico Viga metálica 213

216 Vigas. Sus tipos Dos angulares atornillados al pilar para sujetar la viga Orificios en la viga para la unión con el pilar Pilar metálico Dos angulares atornillados al pilar para sujetar la viga Viga metálica Angular de apoyo atornillado al pilar Orificios en el ala de la viga y en el angular de apoyo para la unión de ambos 214

217 Construcción de estructuras metálicas Cartela de rigidización Viga embrochalada Pilar metálico Viga en ménsula para apoyo de la jácena Placa soldada en el extremo de la viga para unir con el pilar Tornillos soldados al pilar para sujeción de la viga Viga metálica Viga metálica Pletina soldada al pilar para apoyo de la viga y refuerzo de la unión Pilar metálico 215

218 Vigas. Sus tipos Orificios para atornillar la viga al pilar Cartela pasante por el pilar metálico, con orificios para sujetar la viga Pilar metálico circular Viga metálica Pilar continuo Cartela de conexión de tracciones y refuerzo de las alas del pilar Cartela de conexión de compresiones y refuerzo de las alas del pilar Viga atornillada al pilar Unión soldada al pilar atornillada a la viga 216

219 TEMA 6.- VIGAS DE CELOSÍA. INTRODUCCIÓN. Las vigas de celosía y en general las estructuras trianguladas son de gran utilidad en las construciónes metálicas, especialmente en edificación industrial y para grandes luces. Para luces de cierta importancia el peso de estas vigas es inferior al de vigas de alma llena equivalentes. El coste de una estructura es el resultado de tres sumandos: coste del material, de la fabricación y del montaje. Estos últimos, varían notablemente según las circunstancias. El mejor aprovechamiento, a efectos resistentes, de las vigas de celosía con relación a las de alma llena, se refleja en que mientras que en una viga de alma llena las tensiones máximas de agotamiento se alcanzarán sólo en dos puntos de su sección, en una barra triangulada puede conseguirse que toda la sección, tanto los cordones como las diagonales, se agoten uniformemente, teniendo en cuenta que las barras a compresión deben dimensionarse teniendo en cuenta el pandeo. Las vigas de celosía suelen estar constituidas por: cordón superior, cordón inferior, elementos de relleno (montantes y diagonales) y medios de unión (cartelas, soldadura, tornillería, etc.). En las siguientes figuras se reflejan los elementos de las vigas de celosía. 217

220 Vigas de celosía A CORDÓN SUPERIOR DIAGONALES DETALLE A Los cordones pueden ser paralelos o no. A aquellas cuyos cordones son paralelos, se les llama "vigas de celosía", mientras que las que tienen dichos cordones inclinados, se les denomina "cerchas". AUSENCIA DE MONTANTES AUSENCIA DE DIAGONALES 218 TIPOS DE VIGAS DE CELOSÍA. Por su utilización, pueden considerarse dos tipos principales de vigas de celosía: Vigas: Cordones paralelos y conviene que el elemento corto trabaje a compresión. Cerchas: El cordón superior sigue la inclinación de la cubierta. Las vigas están destinadas a soportar cargas importantes con grandes luces (vigas principales de puentes, naves con grandes luces con cubierta horizontal, forjados intermedios, etc.). Las vigas suelen ser celosías robustas con uniones directas con soldadura o con cartelas dobles en los nudos, y cordones constituidos por perfiles H, I, y por secciones en cajón o compuestas.

221 Construcción de estructuras metálicas Las cerchas de cubierta, por el contrario, suelen ser estructuras más ligeras, con cartelas simples y barras constituidas por angulares, o simples T. Las posibilidades y variedades de las vigas de celosía es prácticamente infinita, según el trazado de los cordones y la disposición de la triangulación. Sin embargo, existen unos tipos que podríamos llamar clásicos, algunos de los cuales vienen reflejados a continuación. Las vigas PRATT, HOWE Y WARREN son las más corrientes. La viga PRATT es más práctica que la HOWE, porque en la PRATT las barras cortas trabajan a compresión y no hay que calcularlas a pandeo. Las variantes de Pratt y de Howe se construyen cuando el número de vanos sea impar, duplicando diagonales en el vano central. La viga CRUZ DE SAN ANDRES se utiliza para arriostramientos y como viga principal para cubiertas en diente de sierra. La viga VIERENDEEL está formada por nudos rígidos y es la única hiperestática. Recomendaciones generales. 1.- Debe procurarse que las barras largas estén traccionadas y no comprimidas, por la reducción de compresión eficaz debida al pandeo. 2.- El ángulo de 45 grados o los próximos a él son los más convenientes para la inclinación de las diagonales. 3.- La separación entre las montantes debe ser aproximadamente igual al canto de la viga de celosía. 219

222 Vigas de celosía 220

223 Construcción de estructuras metálicas PRINCIPIOS CONSTRUCTIVOS Y DE CÁLCULO DE LAS CELOSÍAS INDEFORMABLES. El cálculo simplificado de las celosías indeformables (que es normalmente utilizado), se rige por tres principios simplificatorios, suficientemente sancionados por la experiencia. a) Primer principio. Los ejes (líneas de centros de gravedad) de los perfiles que concurren en un nudo, deben coincidir en el mismo punto. 221

224 Vigas de celosía b) Segundo principio. Las cargas deben de estar contenidas en el plano de la viga y la colocación de los perfiles debe ser simétrica respecto el plano de la cercha. Esta condición resulta fácil de cumplir, formando cada cordón con dos perfiles simétricos. En ocasiones, en cerchas o vigas de celosía de poca importancia, sería suficiente con un solo perfil. Sin embargo es preferible colocar 2 perfiles y así logramos la simetría respecto al plano vertical de la celosía. La colocación de dos perfiles juntos exige más mano de obra en los detalles constructivos, pero con la ventaja de que así se reduce el riesgo de que los elementos comprimidos puedan pandear por flexión-torsión. c) Tercer principio. Los sistemas de cálculo de las estructuras trianguladas (Cremona, Wiliot, etc.), exigen que las cargas estén apoyadas directamente en los nudos. Si esto no ocurre, la descomponemos en varias cargas, yendo cada una a un nudo distinto, de tal modo que la suma de cargas coincida con la carga total. Otra opción consiste en dimensionar el cordón superior para que sea capaz de soportar dichas cargas, en cualquier punto del mismo. 222

225 Construcción de estructuras metálicas ELEMENTOS COMPONENTES DE LAS VIGAS DE CELOSÍA. Tanto las vigas de celosía propiamente dichas, como las cerchas, están constituidas por cordones (superior e inferior) y elementos de relleno (montantes y diagonales). A continuación vamos a estudiar los perfiles habitualmente utilizados para cada elemento. Para los cordones se utilizan los perfiles siguientes: a).- En construcción atornillada se emplean: dos angulares, dos UPN, etc. La unión puede efectuarse atornillando directamente los perfiles o bien con cartela intermedia. Ver detalle en el esquema de la derecha de la figura siguiente. b).- En construcción soldada se emplean, además de los perfiles indicados para la construcción atornillada, los perfiles en T simple, IPN, HE, así como cualquiera de los que se detalla a continuación. 223

226 Vigas de celosía Para los montantes y diagonales se utilizan los perfiles siguientes: a).- En construcción atornillada suelen emplearse: uno o dos angulares (de lados iguales, de lados desiguales, con o sin cartela intermedia), uno o dos UPN (con o sin cartela intermedia). b).- En construcción soldada pueden utilizarse: uno o dos angulares (colocados en la posición que interese), cuadradillo, redondos, tubulares, T simple, IPN, UPN, etc. ORGANIZACIÓN DE NUDOS Y BARRAS. Organización de nudos. Denominamos nudos a los puntos de encuentros de barras. La unión entre barras puede realizarse a tope, por solape y mediante cartela. Uniones a tope: 224

227 Construcción de estructuras metálicas Cuando las barras son IPN sometidas a esfuerzos importantes, debe comprobarse el abollamiento del alma y de las alas del perfil principal (si existe la posibilidad de que pueden abollarse, se dispondrá de rigidizadores). RIGIDIZADORES Uniones por solape: Es el tipo de unión más sencilla cuando lo permite la disposición constructiva del cordón (cajón, medio IPN, medio IPE, etc.). Conviene que las soldaduras a ambos lados de la unión sean iguales, a fin de que la resultante pase por el centro de gravedad. 225

228 Vigas de celosía Uniones por cartelas o platabandas: En general, las cartelas se utilizan cuando la longitud de los cordones de soldadura posibles, tanto a tope como por solape, no es suficiente, o cuando la disposición constructiva de los perfiles no permite otro tipo de uniones. Las cartelas deben dimensionarse para que sean capaces de soportar holgadamente todos los esfuerzos que le puedan llegar. Organización de barras. Una vez determinados los esfuerzos en las barras, se procede a dimensionarlas y organizarlas. Las bases de una estructura triangulada son piezas de directriz recta sometidas a compresión/tracción simples. En general las cerchas y vigas trianguladas deben disponerse simétricamente respecto a su plano medio. Cuando las barras se disponen lateralmente respecto a las cartelas, la condición de simetría obliga a formar las barras con dos perfiles iguales. Actualmente se tiende a eliminar las cartelas soldando directamente los montantes y diagonales al alma del cordón, si su perfilaría es apta para ello, tal como se indica en la figura siguiente. 226

229 Construcción de estructuras metálicas Esta solución se facilita si todas las barras tienen sección en cajón. Esta solución presenta dificultades constructivas para conseguir la concurrencia de los ejes de las barras en un punto. También pueden colocarse las barras con un sólo perfil simétrico, dispuesto de manera que los ejes de simetría de los perfiles se encuentren en el plano de la estructura. 227

230 Vigas de celosía A continuación se indican algunas soluciones utilizadas en los cordones, a base de doble perfil. En las figuras siguientes, se representan algunas soluciones de cordón a base de un sólo perfil. 228

231 Construcción de estructuras metálicas Para montantes y diagonales se utilizan las secciones representadas en las figuras siguientes. La más generalizada es la a). Si las solicitaciones son pequeñas se recurre a la c). La disposición b) es estéticamente menos agradable. En la figura siguiente se reflejan soluciones a barras comprimidas compuestas (formadas por dos perfiles). 229

232 Vigas de celosía DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS DE NUDOS. Actualmente la casi totalidad de los nudos se solucionan mediante soldadura, por lo que efectuaremos un estudio más detallado de los mismos. Cuando los nudos se solucionan con platabanda intermedia, conviene que los perfiles se acerquen lo máximo posible a los cordones superior e inferior, para evitar posibles abollamientos de la cartela, por excesivas compresiones. Cuando, por cualquier circunstancia, lo mencionado en el párrafo anterior no sea posible, y exista peligro de abollamiento o pandeo de la cartela, es necesario colocarle unos elementos verticales de rigidización (angulares o platabandas), que nos garanticen la inmovilidad de la misma, tal como veremos en los detalles constructivos insertados al final del tema. En cualquier tipo de unión, siempre conviene que exista suficiente longitud de contacto o de solape, para que el cordón de soldadura tenga la longitud necesaria para poder soportar todas las solicitaciones que pudieran llegarle. Al solucionar los nudos con cartela, puede utilizarse una cartela intermedia entre los perfiles, o dos (una por cada lado del perfil), en función del tipo de perfiles utilizados o de las disposiciones constructivas que nos interesen. En el detalle siguiente se observa la unión soldada de varios perfiles en T, con doble platabanda (una por cada lado del alma). MONTANTE DOBLE PLATABANDA DOBLE PLATABANDA DIAGONAL CORDON INFERIOR A continuación vemos el mismo nudo, formado por perfiles en L con cartela intermedia. 230

233 Construcción de estructuras metálicas MONTANTE CARTELA DIAGONAL DIAGONAL CARTELA INTERMEDIA CORDÓN INFERIOR NUDOS DE APOYO. Los ejes de todas las barras que lleguen al apoyo han de coincidir con el eje vertical del pilar o elemento de apoyo. El siguiente dibujo refleja el apoyo de una cercha encima de un pilar metálico, con las dos opciones: con cartela intermedia y sin ella. En el apoyo de una viga de celosía, encima de un pilar metálico, tanto si el apoyo es de extremo de viga como si es intermedio, deberán colocarse cartelas de refuerzo verticales, por ambos lados de la viga de celosía, con el fin de macizar el apoyo y evitar deformaciones por compresiones o por cortantes. a) con cartela intermedia b) sin cartela intermedia CORDÓN SUPERIOR CARTELA CORDÓN SUPERIOR PILAR CORDÓN INFERIOR PLACA CABEZA PILAR PLACA CABEZA PILAR PILAR CORDÓN INFERIOR 231

234 Vigas de celosía MACIZO DE CHAPA CARTELA DE REFUERZO Siempre que sea posible, el apoyo de la viga de celosía, debe efectuarse lateralmente al pilar, para evitar esos refuerzos y el peligro de que las vigas se vuelquen lateralmente. Si la viga de celosía acomete lateralmente al pilar deben soldarse a tope con el pilar el cordón superior y el inferior. El montante extremo no se suelda al pilar, excepto cuando falte longitud de cordón de soldadura, en cuyo caso dicho montante será de la dimensión adecuada, para evitar que se doble en la unión con el pilar. Si existen tracciones importantes podrá colocarse una cartela, en la parte superior de la viga de celosía, soldada a viga y pilar. En la figura siguiente pueden observarse ambas cuestiones. CARTELA PARA TRACCIONES IMPORTANTES CORDÓN SUPERIOR PILAR SOLDADURA ANGULAR DE MONTAJE CORDÓN INFERIOR Si se trata del apoyo de una cercha o de una viga de celosía sobre un pilar de hormigón armado o sobre un muro, es necesario colocar sobre el pilar o muro una placa metálica de anclaje (placa base), con pernos de anclaje para, posteriormente, apoyar y soldar encima dicha cercha, tal como se detalla en el dibujo siguiente. 232

235 Construcción de estructuras metálicas RIGIDIZADOR RIGIDIZADOR PLACA BASE PLACA BASE HORMIGÓN APOYO SOBRE MURO DETALLES CONSTRUCTIVOS. A continuación vemos varios nudos solucionados con uniones a tope, por solape y con cartelas. Obsérvese que en el primero de los detalles (unión a tope de perfiles HE) se han colocado cartelas de rigidización en el cordón superior, para evitar el abollamiento de las alas. A TOPE POR SOLAPE 233

236 Vigas de celosía CARTELAS A TOPE POR SOLAPE CARTELAS En las perspectivas siguientes podemos observar nudos con la unión a tope de perfiles T con L y con IPN. En ocasiones es necesario efectuarle cortes o vaciados al alma de los perfiles para que encajen unos con otros, tal como se detalla a continuación. 234

237 Construcción de estructuras metálicas 235

238 Vigas de celosía En el nudo representado en las perspectivas siguientes, se detalla el encuentro del cordón inferior de una viga de celosía con las montantes y diagonales, todos ellos perfiles HE o similares. En las dos primeras perspectivas el cordón inferior, HE, tiene el alma vertical, por lo que directamente acometen el resto de perfiles sobre el ala superior, directamente soldados, con o sin cartelas de rigidización de las alas. 236

239 Construcción de estructuras metálicas Si el cordón inferior (HE) tiene el alma horizontal, las montantes y diagonales pueden acometer al alma del cordón, para lo cual se han cortado los extremos de las alas, para permitir que el resto del perfil H penetre en el interior del cordón inferior (HE) y tenga mayor superficie de soldadura, tal como se detalla en los dos dibujos siguientes. HEB MONTANTE/DIAGONAL ALMA ALA (recortada) soldadura CORDÓN INFERIOR HEB 237

240 Vigas de celosía En el supuesto de que no existan tracciones muy importantes, las montantes y diagonales, pueden apoyar directamente sobre las alas del cordón inferior, tal como se indica en el detalle siguiente. Existe el inconveniente de que los cordones de soldadura son cortos, puesto que sólo están en contacto las alas de ambos perfiles HE. MONTANTE ó DIAGONAL HEB CORDÓN INFERIOR HEB ó SIMILAR 238

241 Construcción de estructuras metálicas En los siguientes dibujos se detallan dos soluciones para cada uno de los nudos A, B y C, de una cercha triangular. La primera de las soluciones corresponde a una cercha constituida por perfiles T simples, resuelta con 2 platabandas en cada nudo (una por cada lado del alma de los perfiles T) y la segunda solución corresponde a una cercha cuyos elementos están formados por 2 L, resulta con una platabanda intermedia entre ambos angulares. B A C 2 Pletinas NUDO A NUDO A NUDO B 239

242 Vigas de celosía NUDO B NUDO C NUDO C 240

243 Construcción de estructuras metálicas A continuación se detallan las soluciones para el apoyo de una cercha sobre un pilar metálico y el de una viga de celosía sobre un pilar de hormigón. En ambos casos se ha utilizado nudos con cartela intermedia grande (sobresaliendo por la parte inferior del cordón), habiéndole colocado unos rigidizadores verticales para evitar el pandeo vertical de dicha platabanda. RIGIDIZADORES PLACA BASE RIGIDIZADORES RIGIDIZADORES RIGIDIZADORES PLACA BASE PLACA BASE HORMIGÓN 241

244 Vigas de celosía Seguidamente se muestran detalles de apoyo de una cercha sobre una viga y sobre un soporte, en ambos casos con apoyo lateral. Siempre es necesario un angular de apoyo o de montaje, que una vez soldada la cercha puede optarse por dejarlo o quitarlo. APOYOS SOBRE VIGAS APOYOS SOBRE SOPORTES 242

245 Construcción de estructuras metálicas VIGAS DE CELOSÍA TUBULARES. Si las barras están formadas por piezas tubulares, de sección cilíndrica, la viga resulta más ligera, ya que el tubo tiene la mayor inercia en todos los sentidos y, a igualdad de sección, posee mayor radio de giro mínimo que cualquier tipo de perfil. Normalmente las uniones se efectúan uniendo directamente las barras entre sí, a tope, con soldadura, realizando previamente una preparación de los extremos de los tubos, de tal modo que se adapten entre sí (fig. izquierda). Cuando al trazar los ejes concurrentes en un punto se cortan las piezas, a la pieza comprimida se le dan dos cortes y se apoya sobre la traccionada (fig. centro). Si ambas piezas están traccionadas o comprimidas, se interpone entre ellas una cartela (fig. derecha). fácil ejecución cartela Cuando, debido a los esfuerzos que soporta la viga, se necesita mayor cordón de soldadura de la que ofrece la línea de contacto de las piezas, se colocan cartelas, tal como se detalla a continuación. Estas cartelas, además, eliminan el riesgo de ovalización del tubo en los ensambles directos, como consecuencia de las fuerzas que soportan. Cartela introducida en los tubos para rigidización y ganar longitud de soldadura (fácil ejecución) 243

246 Vigas de celosía Si los cordones soportan grandes esfuerzos, y sobre todo cuando están sometidos a flexión como consecuencia de las fuerzas aplicadas fuera de los nudos, pueden resolverse los cordones en cajón, con perfiles o con medios perfiles. e sección e-e f sección f-f rigidizador e cordón inferior HEB f cordón inferior perfil en T introducido en ranura del tubo En las páginas siguientes se detalla: - Denominación de los diversos tipos de uniones de perfiles huecos. - Nudo de celosía de tubo circular con unión en boca de perro (Nudo K). - Empalme de perfiles circulares. - Perspectivas de nudos de perfiles huecos soldados directamente y con cartelas intermedias. - Perspectivas de unión, sin cartelas y con cartelas, de celosías de perfiles laminados y huecos. - Uniones de tubos de igual diámetro; de distinto diámetro con chapa. - Unión de varios tubos en esquina. - Uniones con ayuda de perfiles metálicos. - Uniones de vigas de celosía a pilares, directas y con platinas. - Empalmes entre piezas, cambios de sección, etc. 244

247 Construcción de estructuras metálicas Denominación de los diversos tipos de uniones de perfiles huecos Nudo en K Nudo en KT Nudo en N Nudo en T Nudo en X Nudo en Y Nudo en DK Nudo en KK Nudo en X Nudo en TT Nudo en DY Nudo en XX 245

248 Vigas de celosía El apoyo de vigas de celosía sobre pilares, especialmente si son vigas triangulares, se efectúa colocándole una pieza intermedia, tal como la indicada a continuación, con canal para encajar el perfil tubular inferior de la viga de celosía. "CANAL" PARA ENCAJAR PERFIL TUBULAR PIEZA METÁLICA Nudo de celosía de tubos circulares con uniones en boca de perro y sin cartela. Empalme de perfiles huecos circulares Manguito interior 246

249 a) Nudos de perfiles huecos soldados directamente 1) Celosía de alma con separación Construcción de estructuras metálicas 2) Celosía de alma con solape b) Nudos con cartelas 1) Celosía de perfiles huecos 247

250 Vigas de celosía 2) Celosía de perfiles laminados c) Nudos sin cartelas de celosías de perfiles laminados y huecos 1) Celosía de perfiles laminados 2) Cordones de perfiles laminados 3) Nudos con cartelas de celosías de perfiles laminados y huecos 248

251 Construcción de estructuras metálicas pletinas cartelas o aletas Unión de tubos de de igual diámetro tornillos Union de tubos de de distinto diámetro Pletinas utilizadas para las uniones Unión de dos tubos por medio de bridas atornilladas: a) de igual diámetro b) de distinto diámetro Reforzando al menor con aletas chapa Unión de dos tubos de de distintas dimensiones por medio de chapas y sodadura Unión a tope de tubos de igual dimension exterior soldados a tope Union de tubos iguales por medio de manguito interior Union roscada para tubos circulares Unión de tubos iguales por medio de manguito exterior 249

252 Vigas de celosía Unión en V de tubos redondos, con rigidizador frontal Unión en V de tubos redondos con casquillo y chapa frontal. sección 1-1 Unión en V de tubos redondos con rigidizadores central y frontal Unión en V de tubos redondos, por medio de chapa. Unión en ángulo recto de tubos de dimensiones diferentes, por medio de chapa. Quiebro en un tubo, conseguido por cortes y doblado. a) b) Unión en ángulo de tubos diferentes, por medio de chapa. Esquina de pórtico, reforzada contra la ovalización, a) con rigidizador, b) con hormigonado. 250

253 Construcción de estructuras metálicas Abocinamiento troncocónico de la extremidad del tubo, realizado en caliente, para evitar la ovalización. Extremo de tubo, con tronco de cono soldado en sus bordes, en evitación de fenómenos de ovalización. TRACCIÓN Unión en ángulo, para tubos cuadrados o rectangulares, reforzado con casquillo. COMPRESIÓN Cruce de dos barras en X admisible siempre que la relación de diámetros sea d/d > 3/4 Unión de esquina de pórtico, por medio de bridas atornilladas. Unión de esquina de pórtico, con bridas verticales. a) b) Unión de tubos en esquina, por medio de angulares a) atornillados, b) soldados. 251

254 Vigas de celosía Unión por aplastamiento, prevista para cruce de tubos atornillados. Aplastamiento de tubo para formar quiebro. a) b) c) Ejemplos de aplastamiento en extremo a) de tubo simple, b) con un segundo tubo interior, enfilado antes del aplastamiento c) detalle de enganche. 1 1' sección 1-1' a) sección 2-2' 2 2' b) Unión de dos tubos en ángulo recto, por medio de angular a) exterior, b) en prolongación. 252

255 Construcción de estructuras metálicas B A Distintas incidencias de una diagonal en celosía. El angulo a debe de estar comprendido entre 30º y 60º por el difícil acceso de A o B. Unión correcta de diagonal de celosía, cortada a inglete. Unión de diagonal, por medio de casquillo tubular. Unión de montante de celosía, por medio de 1/2 IPE. compresión tracción x < D/3 Ejemplo de montante de celosía con unión de aplastamiento, para pequeños esfuerzos. B Caso de excentricidad superior El tubo cortado, deberá ser siempre el traccionado. A Unión de montante de celosía, por medio de 1/2 IPE. Unión correcta de diagonal de celosía, cortada a inglete. 253

256 Vigas de celosía Uniones de barras de celosías (continuación) Unión de tres tubos, por cartelas laterales. No es muy recomendable desde el punto de vista de la corrosión. Unión de tres tubos con rigidizador transversal, cuando el ángulo formado es muy agudo. Unión de varios tubos concurrentes por medio de chapas, para alejar a los centrales, del nudo. Disposición con angular para tubos incidentes a 45º. Se recomienda tapar los extremos del angular. Cordón continuo Unión de tres tubos por medio de chapa, cuando dos de ellos forman ángulo muy abierto. Unión de tres tubos por medio de 1/2 IPE. 254

257 Construcción de estructuras metálicas Uniones de barras de celosía (continuación) Unión atornillada de vértice superior de celosía. Unión soldada de vértice superior de celosía, con pendolón atornillado. Unión articulada de vértice superior de celosía. 255

258 Vigas de celosía UNIONES DE VIGAS DE CELOSÍAS A PILARES chapas de apoyo Trozo de perfil HEB Unión de cordones de celosía a pilar, mediante perfil en H. Unión de cordones de celosía a pilar, mediante chapa y rigidizadores. 256

259 Construcción de estructuras metálicas viga de celosia chapa frontal cartelas de rigidizacion pilar Unión de celosía de cordón superior horizontal, a pilar. chapa frontal cartelas rigidizacion Unión de celosía, apilar laminado en doble T, por mediode chapa frontal. 257

260 Vigas de celosía UNIONES DE CELOSIA A PILARES Apoyo simple de cercha sobre pilar tubular, por prolongación del cordón inferior. No son necesarios rigidizadores. Tipo de unión de cercha a pilar laminado para conseguir empotramiento. canaleta superior bajante de aguas Cercha de cordones casi paralelos formando pórtico en continuidad con pilar en H. Soporte central previsto para desagüe. 258

261 Construcción de estructuras metálicas Uniones de celosía a pilares (continuación) 1/2 Tubo circular soldado en obra Tubo con corte rasgado para permitir apoyo y atornillado. Apoyo de cercha sobre soporte no tubular. Apoyo de cercha con tubo circular en soporte también circular, por medio de medio tubo en el cordón superior y tubo sesgado en cordón inferior. 1 ó 2 Rigidizadores Unión de cordón inferior de cercha mediante dos 1/2 IPE y taladros rasgados. Apoyo de cercha sobre soporte tubular, con angular de cabeza. 259

262

263 TEMA 7.- APOYOS Y APARATOS DE APOYO. INTRODUCCIÓN Se incluyen en este apartado, bajo este título, las uniones de vigas sobre otros elementos, generalmente no metálicos, tales como muros, pilares de hormigón armado, pilares de ladrillo, etc. El apoyo de elementos metálicos entre sí, ya se ha visto anteriormente al estudiar las uniones. APOYO DE VIGAS. En este apartado se estudia el apoyo de vigas sobre muros o macizos de fábrica, bien directamente o por interposición de una placa de reparto. Cuando los apoyos son muy importantes, porque proceden de vigas muy cargadas, es necesario crear un aparato de apoyo o mecanismo. El apoyo viene condicionado por la resistencia de la fábrica, pudiéndose admitir la hipótesis de reparto uniforme de la presión de apoyo. Existen dos tipos de apoyos de vigas: directos e indirectos. Apoyos directos sobre fábrica. La viga apoya directamente sobre el muro, con interposición de una capa de mortero. Este tipo de apoyo se emplea únicamente en el caso de reacciones poco importantes y se suele utilizar en obras de restauración, refuerzos y reformas. 261

264 Apoyos y aparatos de apoyo a= entrega de la viga sobre la fábrica. b= ancho de la base de apoyo (viga) R= carga total de la viga sobre apoyo. b= R/a * Tensión máxima admisible. Para que la reacción pueda considerarse uniforme, no conviene que la entrega sea muy grande, pudiendo fijarse, como valor recomendable: 10+h/3 < a (cm.) < 20+h/3 donde h = canto perfil (cm.). a > 15 cm. En el supuesto de que la tensión resultante en el apoyo fuese superior a la tensión máxima admisible para el muro, tendremos que aumentar la superficie de apoyo de dicha viga sobre el muro, para lo cual se pueden colocar debajo de la viga elementos pétreos, con valores más elevados de dicha presión, tales como sillares de piedra, placas de hormigón, etc. Para obtener un mejor apoyo, la viga debe asentarse sobre una capa de mortero de 1 a 2 cm. de espesor. Apoyos indirectos (con placas de reparto intermedias). Para cargas más importantes, teniendo en cuenta la limitación de la entrega de la jácena en el muro, posiblemente no se pueda utilizar el apoyo directo. En este caso puede aumentarse el ancho b, de apoyo, por medio de una placa de asiento. Para evitar roturas del mortero de apoyo, en la esquina, como consecuencia de la flecha de la jácena, debe dejarse de 3 a 5 cm. sin mortero. 262

265 Construcción de estructuras metálicas Jácena IPN b R 3-5 Cotas en cm Perfil empotrado en el mortero capa de mortero de cemento Muro de obra Para aumentar la superficie de apoyo suele utilizarse una chapa laminada, el ala cortada de una I o una H, un perfil simple T, etc. aprovechando el nervio constituido por el trozo de alma cortada, o el alma, para mejorar el anclaje. A veces hay que colocar varias placas escalonadas para aumentar la superficie de apoyo y repartir cargas, hasta conseguir que al muro le llegue una tensión inferior a la máxima admisible. Perfil laminado IPN Jácena IPN PLETINAS ALZADO PLANTA Pletinas para apoyo jácenas 263

266 Apoyos y aparatos de apoyo Si las cargas fuesen muy grandes y fuese necesaria una mayor superficie de reparto, podrían adoptarse disposiciones consistentes en apoyar la jácena sobre perfiles metálicos anclados al muro, tal como se detalla a continuación. Jácena R Perfiles metálicos IPN anclados al muro Muro Pernos de anclaje APARATOS DE APOYO. Se denominan aparatos de apoyo a aquellos elementos cuya misión es transmitir las cargas desde la estructura a la cimentación o infraestructura, limitando la movilidad de la estructura al grado que nos interese. Según la forma de trabajo del aparato de apoyo, éstos pueden ser: - Apoyos a compresión. - Apoyos a tracción (o tracción y compresión). - Apoyos especiales para esfuerzos horizontales. Según su modalidad, pueden ser: - Apoyos fijos. - Apoyos articulados. - Apoyos deslizantes o móviles. - Apoyos elastoméricos. 264 Apoyos fijos. Los apoyos fijos no permiten el desplazamiento ni el giro en ningún eje, para lo cual será necesario soldar las piezas o inmovilizarlas totalmente con tornillos apretados a tope, tal como se indica en los detalles siguientes.

267 Construcción de estructuras metálicas Cartela Placa anclaje Espárragos (pernos) jácena IPN A tornillo aparato de apoyo mortero de cemento A' tornillo orificio circular en el ala inferior alma de la jácena ala inferior de pitón soldado al la jácena IPN aparato de apoyo SECCIÓN A - A' 265

268 Apoyos y aparatos de apoyo Apoyos articulados. Se utilizan rótulas cilíndricas que permiten el giro en torno al eje del cilindro. Se consideran como apoyos fijos al no permitir el desplazamiento. El apoyo más sencillo de este tipo se representa en la siguiente figura y consiste en una placa inferior de superficie cilíndrica convexa sobre la que descansa una placa plana. R La placa inferior convexa se fija a la infraestructura (cimentación, pilar, muro, etc.) y la placa plana superior se fija a la estructura (jácena, etc.). La placa superior se inmoviliza frente a todo desplazamiento, mediante un pitón oculto en el centro de la superficie de la placa inferior. El extremo superior del pitón se rebaja de manera que permita el giro libre de la placa superior. Estos apoyos no suelen utilizarse en edificación de viviendas. Se utilizan en naves industriales y construciónes especiales. En las figuras siguientes se representan otros tipos de aparatos más perfectos. 266

269 Construcción de estructuras metálicas TORNILLO NO A TOPE jácena IPN 2a = b A tornillo aparato de apoyo mortero de cemento A' 15b Rijidizador tornillo orificio circular en el ala inferior alma de la jácena ala inferior de pitón soldado al la jácena IPN aparato de apoyo SECCIÓN A - A' Permite el giro en el eje del cilindro El orificio es circular, pero si el tornillo no lo apretamos del todo permitiremos un pequeño giro Apoyos deslizantes. Estos apoyos permiten el desplazamiento longitudinal de la jácena, pudiendo utilizarse para luces inferiores de 40 metros con cargas moderadas, siendo suficiente el apoyo oscilante móvil en forma de placa de tangencia. La pieza inferior es cilíndrica convexa, de la que sobresale un pitón que se aloja en una ranura alargada de la placa recta superior. Esta unión permite desplazamientos longitudinales de la jácena, pero impide el desplazamiento lateral. El anclaje de estas piezas a la estructura es idéntico al visto anteriormente, para los apoyos articulados, puesto que 267

270 Apoyos y aparatos de apoyo esencialmente el aparato es el mismo, excepto que la placa superior posee una ranura alargada para alojar el pitón. Si las cargas son muy importante o las luces muy largas, pueden aparecer en el apoyo tensiones tangenciales que dificulten el deslizamiento de la jácena. Para evitar este inconveniente pueden utilizarse los carros de rodillos. En la figura de la parte inferior de la página, se representa esquemáticamente un carro de dos rodillos, en el que la pieza inferior va anclada a la obra y la superior se ancla a la jácena o elemento que necesitamos que deslice. En la figura inferior se detalla el apoyo de una jácena sobre aparato de apoyo, del cual sobresale un pitón, que se aloja en un orificio ovalado que se ha efectuado en el ala inferior de la jácena, con lo cual se permite el deslizamiento longitudinal. A mortero de cemento A' Orificios ovalados para el deslizamiento longitudinal Sección A - A' y para los giros o flexiones para las jácenas 268

271 Construcción de estructuras metálicas Apoyos elastoméricos. Estos apoyos son paralelepípedos constituidos por varias capas de caucho sintético (neopreno) separadas por chapas de acero, que permiten el desplazamiento longitudinal de la jácena. Las capas de caucho y acero deben estar firmemente pegadas entre sí, ya que la función de las chapas de acero es reducir la dilatación transversal del caucho, con lo cual se reduce también el aplastamiento, ya que el caucho se deforma prácticamente a volumen constante. Estos apoyos permiten el giro de los extremos de las piezas apoyadas en ellos. APOYOS O UNIONES ENTRE SI, DE ELEMENTOS METÁLICOS EN DILATACIÓN. En este apartado vamos a estudiar los apoyos, enlaces y uniones entre sí, de elementos metálicos en dilatación. Entre ellos podemos incluir los 269

272 Apoyos y aparatos de apoyo apoyos de cualquier tipo de jácena metálica (IPN, viga void, vigas de celosía, cerchas, etc.) sobre un soporte metálico. Algunos de los apoyos de jácenas sobre soportes metálicos ya se han incluido en el tema de uniones de estructuras metálicas, si bien en dicho tema se han detallado como uniones articuladas, rígidas, etc. y en este tema se estudian como uniones en dilatación. Suelen utilizarse en edificios construidos con estructuras metálicas, con grandes dimensiones, que requieran juntas de dilatación, o bien en cualquier tipo de unión donde sea necesario un apoyo en dilatación. Distinguimos claramente dos tipos de apoyos en dilatación: - Apoyos en dilatación libre. - Apoyos en dilatación controlada. En ambos casos necesitamos intercalar entre el soporte y la jácena una chapa de plomo o similar, que impida que, al oxidarse las mismas, se pierda la dilatación. Apoyos en dilatación libre. En este apartado podemos incluir cualquier tipo de apoyo de un elemento metálico (jácenas o cerchas) sobre otro elemento metálico (soporte), en el que exista una total movilidad entre ambos, sin ningún tipo de limitación, permitiéndole un giro en el plano vertical y un deslizamiento o dilatación en el sentido longitudinal. Simplemente se ha efectuado el apoyo de la jácena sobre el soporte colocándola encima. Es importante limitarle el movimiento lateral, para evitar que se "salga" lateralmente del apoyo, mediante la colocación de angulares o cualquier perfil metálico, soldado lateralmente sobre el apoyo, que limite su deslizamiento transversal. El apoyo de la jácena sobre el pilar puede efectuarse directamente encima del soporte (figura izquierda) o bien con apoyo lateral, colocándole soldado al soporte un perfil metálico o un casquillo, sobre el cual apoyaremos directamente la jácena (fig. derecha), tal como vemos en los detalles siguientes. 270

273 Construcción de estructuras metálicas jácena jácena jácena soporte trozo de IPN casquillo soporte APOYO DE JÁCENAS LATERALMENTE AL SOPORTE APOYO DE JÁCENA SOBRE EL SOPORTE El apoyo detallado en el dibujo anterior tiene el inconveniente de que las jácenas podrían desplazarse lateralmente o volcarse. Para evitarlo pueden colocarse angulares metálicos, a ambos lados de la jácena, soldados sólo al pilar, con lo cual se impide es desplazamiento lateral y el vuelco, tal como se indica en las figuras siguientes. Angulares antivuelco soldados al pilar (por Angulares antivuelco ambos soldados lados al pilar de (por la jácena) ambos lados de la jácena) jácena jácena jácena jácena angular Angular para impedir lateral movimiento lateral Soporte soporte trozo de IPN trozo de IPN Soporte soporte casquillo APOYO DE DE JÁCENAS LATERALMENTE AL SOPORTE LATERALMENTE AL SOPORTE APOYO DE JÁCENA SOBRE EL SOPORTE SOBRE EL SOPORTE 271

274 Apoyos y aparatos de apoyo Apoyo en dilatación controlada (zona no sísmica). Este tipo de apoyo, como su nombre indica, nos permite controlar y limitar la dilatación o deslizamiento entre ambas piezas. Es necesario que exista un deslizamiento longitudinal, tan largo como convenga y, si fuese necesario, un cierto giro vertical. Asimismo hay que impedir que la jácena pueda deslizar lateralmente, para evitar el riesgo de "salirse" de su base de apoyo. Existen diversos sistemas para la ejecución de un apoyo en dilatación controlada, basados siempre en la colocación de unos topes que limiten la dilatación hasta el punto deseado, y que impidan que la jácena vuelque lateralmente o se pueda elevar. Sistemas de dilatación controlada para apoyo de jácena encima del pilar. A continuación se inserta uno de los sistemas mencionados, consistente en efectuarle, a las alas inferiores de la jácena, unos orificios ovalados, a través de los cuales pasa un eje o pitón metálico soldado a la base de apoyo (soporte) que sirve para atornillar ambas piezas. Dichos tornillos no se aprietan a tope, dejando una pequeña holgura que permita que la jácena deslice longitudinalmente, sirviendo dichos tornillos de eje de deslizamiento. El vuelco lateral de la jácena queda controlado por la existencia de un eje atornillado en cada lado de la misma. El orificio ovalado debe ser tan largo como interese, en función de la dilatación requerida, y un poco más ancho que el pitón o tornillo, para facilitar el deslizamiento. En los apoyos en dilatación es necesario intercalar entre ambas piezas una chapa de plomo. 272

275 Construcción de estructuras metálicas jácena IPN A chapa de plomo tornillo pitón metálico soldado al soporte A' Soporte ALZADO tornillo sin apretar a tope para permitir la dilatación pitón soporte jácena alma de la jácena orificio ovalado PLANTA - SECCIÓN A - A' El apoyo descrito anteriormente, es igualmente útil para cualquier tipo de pieza metálica: viga de celosía, cercha, viga void, etc. En caso de que el mencionado cordón inferior sea cerrado (2 UPN a tope en cajón, etc.) será necesario soldarle, a dicho cordón, un trozo de angular en cada lateral que nos facilite la ejecución del sistema. 273

276 Apoyos y aparatos de apoyo Otra forma de limitar la dilatación y el vuelco es la indicada en las dos figuras siguientes. Para limitar la dilatación se suelda encima del pilar un trozo de perfil UPN (distancia interior entre alas similar a la dilatación), con las alas hacia arriba. A la jácena se le suelda un perfil o pitón metálico que al tropezar con las alas del perfil UPN limita la dilatación. Para evitar el vuelco de la jácena, se le coloca a la UPN una chapa o tapadera que impida dicho vuelco. A chapa de plomo Soporte redondo soldado a la jácena (ó pasante) que hace tope en ambos lados de la UPN al dilatar trozo UPN soldado al soporte para limitar la dilatación de la jácena A' ALZADO jácena soporte SECCIÓN A - A' 274

277 Construcción de estructuras metálicas VARIANTE: con cartela antivuelco VARIANTE: con cartela antivuelco chapa para evitar el vuelco jácena IPN A Soporte A' redondo soldado a la jácena que hace tope en ambos lados de la UPN al dilatar trozo UPN soldado al soporte para limitar la dilatación de la jácena ALZADO Los mencionados apoyos pueden efectuarse encima del soporte, tal como hemos visto anteriormente, o bien lateralmente, apoyando sobre un IPN, casquillo, etc. Sistemas de dilatación controlada para vigas apoyadas en el lateral del pilar. Se considera correcto cualquier sistema que resuelva los problemas que pueda plantear dicho apoyo: controlar la dilatación longitudinal, evitar el desplazamiento lateral y evitar el vuelco. En la figura siguiente para control de dilatación se utiliza un tornillo o pasador soldado a la cartela de apoyo y se introduce por el orificio alargado efectuado en las alas de la jácena, limitando su dilatación. El vuelco se resuelve colocando angulares metálicos a ambos laterales del alma, soldados al pilar. 275

278 Apoyos y aparatos de apoyo Angulares para evitar el vuelco de la jácena soldados sólo al pilar (uno por cada lado) PILAR JÁCENA Plomo Pasador/tornillo soldado sólo a la cartela Orificios alargados en ambas alas (limitador de dilatación) Cartela de apoyo de la jácena Planta-sección: En los apoyos en dilatación, que todas las cargas que repercuten sobre la jácena se transmiten verticalmente al apoyo, y especialmente si las cargas son importantes, es necesario colocar cartelas de rigidización, conectando las alas y el alma de la jácena, para evitar abollamientos, tal como se indica en la siguiente perspectiva. 276

279 Construcción de estructuras metálicas en dilatación controlada Cartelas de rigidización A continuación se detalla dicho control de dilatación mediante un trozo de UPN soldado a la cartela de apoyo de la jácena y un redondo o perfil pequeñito soldado a la jácena, que hará tope con las alas de la UPN limitando la dilatación. 277

280 Apoyos y aparatos de apoyo VARIANTES PARA CONTROL DE DILATACIÓN Angulares para evitar el vuelco de la jácena soldados sólo al pilar (uno por cada lado) JÁCENA PILAR Redondo o perfil soldado a la jácena Trozo de UPN soldada a la cartela de apoyo Cartela de apoyo de la jácena Como variante de la anterior está la opción de sustituir el perfil UPN por dos trozos de perfil pequeño o barras soldadas al casquillo, con la separación necesaria, que con la barra soldada a la jácena limitan la dilatación. angular para evitar el vuelco de la jácena, soldado al soporte jácena A ALZADO Soporte A' lámina de plomo perfil o barra soldado a la jácena perfiles o barras soldadas al casquillo casquillo soldado al soporte angulares antivuelco SECCIÓN A - A' 278

281 Construcción de estructuras metálicas En el detalle siguiente, se resuelve utilizando dos angulares metálicos, soldados por un ala al pilar y el otro al ala de la jácena, con las otras alas de los angulares separadas una distancia igual a la dilatación requerida. Angular soldado al pilar Angular soldado a la jácena. JÁCENA PILAR Plomo Cartela de apoyo de la jácena El mismo control podemos efectuarlo soldando al pilar un angular metálico en cada lateral del alma de la jácena. Mediante orificios alargados (en la jácena o en los angulares) y un pasador o tornillo, se consigue limitar la dilatación, tal como se indica en la figura siguiente. Angulares para evitar el vuelco de la jácena soldados sólo al pilar (uno por cada lado) Orificio alargado en jácena (no en angulares) para la dilatación PILAR JÁCENA Plomo Tornillo pasador para control de dilatación Cartela de apoyo de la jácena 279

282 Apoyos y aparatos de apoyo APOYOS EN DILATACIÓN CONTROLADA EN ZONA SÍSMICA. En zona sísmica es necesario coartar, aparte de los movimientos especificados para zona normal, aquellos movimientos verticales que el sismo pudiera transmitirle. Es decir, hay que impedir que la jácena se mueva en vertical, tanto hacia abajo como hacia arriba, impedir que gire lateralmente (vuelco) e impedir la libre dilatación. Según sea la altura del edificio, el grado sísmico, luces libres, cargas, etc. los limitadores que se han indicado en el párrafo anterior podrán ser sencillos (angulares y tortillería) o se requerirá perfiles más importantes y varias filas de tornillos que garanticen la inmovilidad de la unión en las direcciones no deseadas, dejando libre solamente la dilatación longitudinal. En la figura siguiente se coartan los movimientos del siguiente modo: En sentido vertical hacia abajo con la cartela de apoyo para la jácena, soldada al pilar. Verticalmente hacia arriba con un angular o cartela, soldada sólo al pilar, colocada justamente encima del ala superior de la jácena. El giro o vuelco se evita con un angular colocado en cada lateral de la jácena, junto al alma, soldado al pilar. El limitador de dilatación es un tornillo/pasador, soldado a la cartela de apoyo y que pasa por el orificio ovalado del ala de la jácena. (soldado sólo al pilar) Angulares para evitar el vuelco de la jácena soldados sólo al pilar (uno por cada lado) JÁCENA PILAR Plomo Pasador/tornillo soldado sólo a la cartela Orificios alargados en ambas alas (limitador de dilatación) Cartela de apoyo de la jácena 280

283 Construcción de estructuras metálicas En el detalle siguiente, se coartan todos los movimientos con tornillos o pasadores soldados a la cartela de apoyo y al angular superior, que atraviesan los orificios alargados de las alas de la jácena. (soldado sólo al pilar) JÁCENA PILAR Plomo Orificios alargados en ambas alas (limitador dilatación) con pasador/tornillo Cartela de apoyo jácena En el detalle insertado a continuación, en la zona inferior se coarta el movimiento vertical hacia abajo y se limita la dilatación, tal como hemos visto anteriormente. El movimiento vertical hacia arriba y el vuelco, se coartan con un trozo de perfil UPN con las alas hacia abajo, soldado al pilar, colocado justamente encima de la jácena, el cual impide que la jácena se suba y que vuelque. Trozo de UPN soldado al pilar, con las alas hacia abajo ( ) que abraza a la jácena impidiendo su vuelco y su movimiento vertical JÁCENA PILAR Plomo Pasador/tornillo soldado sólo a la cartela Orificios alargados en ambas alas (limitador de dilatación) Cartela de apoyo de la jácena 281

284 Apoyos y aparatos de apoyo APOYO EN DILATACIÓN DE UNA VIGA METÁLICA INCLINADA EN EL LATERAL DE UN PILAR. Para que la dilatación funcione bien, es necesario que las superficies de apoyo sean horizontales. Por lo tanto es imprescindible horizontalizar el apoyo, para lo cual se le suelda a la parte inferior de la jácena una cartela reforzada o un trozo de perfil, cuyo remate inferior sea horizontal, para apoyarlo sobre la ménsula soldada al pilar metálico, y así conseguir un buen apoyo en dilatación, tal como se muestra en el siguiente dibujo. JÁCENA INCLINADA PILAR METÁLICO Soldadura Recrecido metálico para horizontalizar el apoyo de la viga inclinada sobre la ménsula y permitir la dilatación Plomo Ménsula La misma solución adoptada para el apoyo lateral sirve para el apoyo de la viga o elemento inclinado encima del pilar. Partiendo del apoyo del dibujo anterior, se puede conseguir apoyos con las limitaciones deseadas: dilatación libre, dilatación controlada, sismo, etc. utilizando los sistemas vistos anteriormente. 282

285 TEMA 8.- ESTRUCTURA METÁLICA EN NAVES INDUSTRIALES. INTRODUCCIÓN. En los edificios para naves industriales o almacenes, suele predominar su extensión sobre su altura, ya que suelen tener alturas aproximadas de 8-9 m. pudiendo intercalarse, si interesa, alguna planta intermedia. En la construcción de naves suelen existir tres tipos característicos de cubierta, ya que los soportes son similares, y son: - Cubierta formada por cerchas o cuchillos. - Cubierta en diente de sierra. - Cubierta tipo pórtico. Posteriormente efectuaremos el estudio de cada una de ellas, analizando previamente los distintos conceptos comunes para todas. Las cubiertas de naves industriales se proyectan para cumplir simultáneamente las siguientes funciones: 1.- Cubrir un espacio, generalmente amplio, con el menor número posible de soportes intermedios. 2.- Tener las pendientes adecuadas para la evacuación de aguas de lluvia. 3.- Posibilitar la colocación de cristales que suministren a la nave iluminación cenital. ELEMENTOS DE UNA CUBIERTA. Los elementos de una cubierta son: 1.- Techumbre. 2.- Correas. 3.- Estructura sustentante (cerchas o cuchillos, vigas de celosía, pórticos, etc.) 4.- Arriostramientos. Techumbre: Es la parte de la cubierta destinada a cerrar el edificio por su parte superior. Va directa o indirectamente apoyada sobre las correas y ha de soportar y transmitir a éstas su peso propio, así como los esfuerzos debidos al peso de la nieve y la acción del viento. Se procura que el material de cobertura sea lo más ligero posible, con objeto de reducir su peso propio. 283

286 Estructura metálica en naves industriales Por esta razón se utilizan planchas onduladas de fibrocemento cuya ondulación mejora su módulo resistente. Actualmente se suelen utilizar con preferencia las planchas de acero galvanizado. Cuando estas planchas se apoyan directamente sobre las correas, se disponen a distancias tales que la plancha sea capaz de resistir, además de su peso propio, una carga de 100 Kp. aplicada en el punto medio de dicha distancia. Los fabricantes indican la separación entre correas en sus catálogos. techumbre correas Correas: Reciben el peso de la techumbre y lo transmiten a la cercha. Suelen emplearse perfiles IPN, simple T, perfil Z, o vigas de celosía. Doble correa en cumbrera correa Las correas van colocadas sobre el cordón superior del perfil inclinado que conforma la estructura de la cubierta (cercha, viga de celosía inclinada, pórtico, etc.), siendo variable su separación, dependiendo del material de cubierta, etc. 284

287 Construcción de estructuras metálicas Estructura sustentante de cubierta. En caso de utilizar cerchas o cuchillos, la cubierta está formada por una estructura triangulada que recibe el peso de las correas y lo transmite a los muros o a los soportes. En caso de cubierta en diente de sierra, éste puede estar formado por cerchas, o por un conjunto de vigas de celosía principales (horizontales) y otras vigas secundarias (inclinadas) sobre las que apoyan las correas. El sistema de transmisión de cargas es similar; las correas reciben el peso de la techumbre y lo transmiten a las vigas inclinadas, éstas a las vigas de celosía principales y a través de ellas a los soportes. En caso de utilizar pórticos, las correas transmiten el peso a esas vigas inclinadas y éstas a los soportes. La separación entre las crujías de la estructura de una nave industrial suele ser aproximadamente de 5 m., por lo tanto la separación entre los soportes será igualmente de 5 m. Arriostramientos: Tienen por misión asegurar la indeformabilidad general del edificio. En temas anteriores ya hemos estudiado el arriostramiento vertical entre pilares, consistente en colocar Cruces de San Andrés entre ellos, impidiendo con ello su deformación en el sentido longitudinal de la nave. A continuación vamos a estudiar con más profundidad el arriostramiento de cubierta. Normalmente los arriostramientos se colocan en el plano inclinado de la cubierta, en forma de Cruz de San Andrés, el cual impide que las cerchas, o elementos de la cubierta, se vuelquen o se desplacen. Del mismo modo se arriostran los pilares de dichos pórticos, en sentido perpendicular a las cerchas o vigas, para impedir el vuelco de los mismos. Según sean las dimensiones de las naves, los arriostramientos se colocan en los siguientes lugares. - En naves pequeñas, se colocan en uno o en ambos extremos de la nave, uniendo las 2 últimas cerchas o pórticos de cada extremo. - En naves de tipo medio, los arriostramientos se colocan en los extremos y en el centro de la misma. - En naves grandes se colocan en los extremos, en el centro y en algunos vanos intermedios, siendo una solución aceptable colocar un pórtico arriostrado y dos o tres sin arriostrar. 285

288 Estructura metálica en naves industriales - En naves para puentes grúa, o aptas para cualquier uso imprevisto, se arriostran todos los pórticos, con perfiles de mayor sección, puesto que la acción del puente grúa sobre los pilares, en sentido longitudinal, es grande. Estos arriostramientos se complementan con las correas de arriostramiento horizontal, colocadas a nivel inferior del apoyo de las cerchas o pórticos, uniendo las cabezas de los pilares. Estas correas de arriostramiento horizontal suelen ser perfiles UPN o IPN. En la figura siguiente se representan todos estos elementos. Doble correa en cumbrera Cercha Arriostramiento en plano cubierta correa de arriostramiento horizontal Correas Pórtico longitudinal Pared entramada Muro hastial entramado Obsérvese en la figura anterior, que en el muro frontal o muro hastial se ha colocado un entramado formado por soportes y correas de arriostramiento horizontal, no siendo necesaria la colocación de cercha, ya que la cubierta la sostienen los soportes, de distinta altura según la pendiente, y una pequeña jácena inclinada, colocada en la parte superior de los mismos, justamente al mismo nivel que el cordón superior de las cerchas, pórticos, etc. que sirve de apoyo a las correas de cubierta. 286

289 Construcción de estructuras metálicas El muro frontal queda trabado a los pilares con el entramado de correas horizontales. Seguidamente analizaremos con profundidad los tres elementos que conforman la estructura de la cubierta: armadura, correas y arriostramientos. DISPOSICIONES QUE PUEDE ADOPTAR LA ESTRUCTURA DE CUBIERTA. La estructura de cubierta puede adoptar las siguientes disposiciones: - Con cerchas o cuchillos (a dos aguas y en diente de sierra). - En diente de sierra, con vigas de celosía principales y secundarias. - Con pórticos de nudos rígidos. Estructura de cubierta a dos aguas con cerchas o cuchillos. Es la solución más sencilla. La estructura está constituida por cerchas, generalmente simétricas, colocadas según planos paralelos y enlazadas por las correas que soportan los faldones. Las cerchas salvan la luz entre soportes. La iluminación se consigue intercalando entre las planchas de fibrocemento o de chapa metálica otras chapas con igual forma, pero de material traslúcido a base de P.V.C. En las naves así cubiertas, la separación entre los muros laterales debe ser igual a la luz que son capaces de salvar las cerchas, lo que limita su anchura u obliga a cerchas de altura excesiva. A continuación se muestran diversas disposiciones de lucernarios en cubiertas de naves industriales. 287

290 Estructura metálica en naves industriales LINTERNA EN EL PLANO DEL TEJADO LINTERNA EN LA CUMBRERA cristal cristal LINTERNA EN LA CUMBRERA MANSARDA cristal cristal cristal cristal cristal cristal cristal 288

291 Cubiertas en diente de sierra, con cerchas o cuchillos. Construcción de estructuras metálicas Están formadas por yuxtaposición de un número ilimitado de cubiertas a dos aguas asimétricamente dispuestas. Una de las aguas se dispone según un plano vertical o casi vertical, en el cual se coloca la cristalera; la otra es el faldón que llevará el material de cobertura. La cristalera se orienta al Norte para evitar la entrada directa del sol. La cristalera vertical es peor en cuanto a iluminación que la inclinada, pero en cambio es mejor contra la adherencia de hielo y nieve. SUPERFICIE ACRISTALADA Los cuchillos en forma de diente de sierra se apoyan directamente en ambos extremos, en los soportes de la nave. Las correas se ponen a su vez sobre los cuchillos. Es una solución sencilla que presenta el inconveniente del gran número de soportes que exige, tal como hemos visto en los dibujos anteriores. Si se quisieran eliminar algunos pilares intermedios en una nave de este tipo, ya construida, pueden unirse varios cuchillos para formar una viga triangulada de luz igual a la suma de sus luces, como se indica a continuación. 289

292 Estructura metálica en naves industriales cordón superior (suplementado) macizado con chapa Cordón inferior reforzado soportes eliminados Ello se consigue enlazando los nudos superiores de los cuchillos con una barra que será el cordón superior de la viga de celosía, que se apoyará en los pilares extremos, puesto que los pilares centrales se eliminan. Esta disposición obliga a cuidar la estanqueidad de la intersección de dicha cordón con la cubierta y a protegerla de la acción atmosférica, puesto que quedará al aire. El cordón superior presenta, al trabajar a compresión, el problema de su gran longitud y consiguiente esbeltez. Debe calcularse a compresión compuesta teniendo en cuenta la flexión debida al peso propio. El cordón inferior está formado por el conjunto de cordones primitivos, a los que, si es necesario, se le suplementarán los refuerzos necesarios. Con esta solución de una gran viga de celosía formada por el cordón superior suplementado, el inferior reforzado y las montantes/diagonales existentes, se permite eliminar pilares intermedios y aumentar las luces en la dirección nortesur, es decir, perpendicular a los lucernarios. Estructura de cubierta en diente de sierra con vigas de celosía. Este sistema estructural consiste en colocar unas vigas de celosía principales de un extremo a otro de la nave, a ser posible sin pilares intermedios. Sobre estas vigas se colocan las vigas de celosía secundarias, inclinadas, apoyadas sobre el cordón superior de una viga principal y sobre el cordón inferior de la viga principal contigua. Con este sistema se pueden aumentar las luces en dirección Este-Oeste, es decir, paralelamente a la cristalera. En el plano de ésta (que debe ser vertical), se situará una viga Pratt, Howe, o similar, que es la viga de celosía principal, que descansa sobre los soportes. 290

293 Construcción de estructuras metálicas Esta solución se utiliza normalmente cuando no tenemos el edifico construido y tenemos total libertad para diseñar la cubierta. A continuación vemos dos perspectivas de cubiertas en diente de sierra, la primera de ellas sin ningún pilar intermedio y la segunda con pilares intermedios en algunas crujías. En los dibujos siguientes se observa la planta y el alzado-sección de una cubierta en diente de sierra. 291

294 Estructura metálica en naves industriales correas cubierta PLANTA vigas de celosía principal (tipo Pratt, Howe) vigas de celosía secundaria SECCIÓN opcional ( se puede colocar o no) Las vigas secundarias o vigas inclinadas se apoyan sobre los nudos del cordón superior de la vigas de celosía principal (Pratt, Howe, etc.) y en los inferiores de la siguiente. Pueden ser celosía o de alma llena y sobre ellas se apoyan las correas. La separación entre vigas de celosía principal suele ser la misma que la de los pilares sobre los que apoya, y es de 5 m. aproximadamente, al igual que la separación entre vigas de celosía secundarias. No obstante ello, en caso de interesar separaciones diferentes, no existe ningún inconveniente en variarlas, siempre que se calculen correctamente. A continuación se detallan las uniones de la viga de celosía secundaria con las vigas de celosía principales: apoyo superior y apoyo inferior. 292

295 Construcción de estructuras metálicas P/2 P/2 Correas Viga de celosía seundaria P/2 Viga de celosía principal P/2 Viga de celosía secundaria CORDON SUPERIOR Viga de celosía principal APOYO SUPERIOR Viga secundaria CORDÓN SUPERIOR Perfil UPN soldado al cordón inferior de la viga de celosía principal APOYO INFERIOR 293

296 Estructura metálica en naves industriales En la perspectiva siguiente se detallan dos sistemas del apoyo de la viga secundaria en el cordón inferior de la viga de celosía principal. 1 UPN de apoyo de la viga secundaria Perfil en L de apoyo Cordón inferior de la viga secundaria Rigidizadores de transmisión de tensiones de viga 2 a cordónde viga 1 SECCION 1-1' ALZADO 1 ' Montante Diagonal Platabanda de nudo yapoyo UPN de apoyo de la viga secundaria Angular de montaje y apoyo Cordón inferior de la viga principal 294

297 Construcción de estructuras metálicas Cada viga Pratt o Howe intermedia recibe la mitad de la carga de una de estas vigas inclinadas en cada nudo superior, y otro tanto en cada nudo inferior. P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 Estructura de cubierta con pórticos. Dada la singularidad y características específicas de este tipo de estructuras, efectuaremos su estudio detallado más adelante. CORREAS. Las correas reciben el peso propio de la techumbre y las cargas de nieve y viento que actúan sobre ellas, transmitiendo a la cercha los esfuerzos correspondientes. Hasta luces (separación entre cerchas o cuchillos) de 8 a 10 metros, las correas que se utilizan suelen ser: IPN, IPE, HE, UPN, perfiles tipo Z. Para luces mayores se utilizan, a fin de reducir su peso, vigas trianguladas. IPE HEB IPN UPN VIGAS ZETA TRIANGULADAS 295

298 Estructura metálica en naves industriales Las correas se apoyan sobre los cordones superiores de las cerchas, generalmente con el plano de alma situado normalmente a la dirección del cordón. La colocación vertical de dicho plano es más favorable para resistir las cargas gravitatorias, pero es constructivamente más complicada. Las correas deben apoyar encima de los nudos de la cercha y sobre ellas se coloca el material de cubierta anclado a las mismas. La forma más usual de unión de correa y cordón superior es la consistente en soldar directamente ambos perfiles con puntos de soldadura. Pletina antivuelco Correa tipo Z Correa IPN CORDÓN SUPERIOR Punto de soldadura para inmovilizar y antivuelco 296

299 Construcción de estructuras metálicas Existen otras formas de unión entre correa y cordón superior, tales como: utilizar un angular de apoyo y casquillo nivelador, utilizar pletinas antivuelco, soldadura total de ambos perfiles, etc. angular correa casquillo metálico nivelador Cordón superior de la cercha PLETINA ANITVUELCO CORREA SOLDADURA CORREA CORDÓN SUPERIOR CORDÓN SUPERIOR CORDÓN SUPERIOR 297

300 Estructura metálica en naves industriales La separación entre correas viene fijada generalmente por la resistencia del material que apoya sobre ellas. La cumbrera se resuelve de la forma más sencilla con doble correa, como remate de la pendiente de ambos laterales. Para la determinación de momentos se consideran las correas como vigas apoyadas sobre las cerchas o cuchillos. La solución de que cada correa sea un tramo independiente da lugar a momentos y deformaciones que pueden reducirse haciéndolas continuas. En cualquier caso los tramos extremos resultan más desfavorables y es buena solución reforzarlos sin aumentar su altura, a fin de no gravar los tramos intermedios. Este refuerzo puede hacerse como se indica en las figuras siguientes, o bien disponiendo en dichos tramos perfiles HE de igual canto. Para que la correa sea continua en toda su longitud, deben realizarse empalmes con soldadura a tope. En correas de luces importantes puede recurrirse a solucionarlas como vigas Gerber, colocando articulaciones de manera que los momentos positivos en los vanos tengan igual valor máximo que los momentos negativos en los apoyos, para lo cual utilizaremos articulaciones Gerber, consistentes en unir las correas en las zonas de momento nulo, con pletinas soldadas o atornilladas en un extremo de la correa y con un tornillo pasante en dilatación, en el otro extremo. La articulación tipo Gerber también suele utilizarse en las juntas de dilatación, solucionando la continuidad de las correas de cubierta y los arriostramientos. 298

301 Construcción de estructuras metálicas ARRIOSTRAMIENTOS. Consideremos una nave de planta rectangular en la que la armadura de cubierta esté constituida por cerchas sobre las que se apoyan las correas. En el esquema de nave que se inserta a continuación, las fuerzas verticales F1 (gravitatorias y componente vertical del viento) serán resistidas por las cerchas y las correas que se habrán calculado para ello. La componente horizontal del viento, actuando en cualquier dirección, o la del sismo, puede descomponerse en F2 (paralela al plano de las cerchas) y F3 (normal al plano de las cerchas). La cercha se habrá calculado para viento soplando en dirección F2, por lo que la componente en este sentido será resistida por ella. La componente F3 (que puede ser igual a la fuerza total del viento si sopla en esta dirección), tratará de volcar las cerchas haciéndolas girar sobre su cordón inferior. Las correas transmiten este movimiento desde la más solicitada (piñón sobre el que sopla el viento) a las demás, conservando su longitud. A este movimiento se opondrá únicamente la rigidez de la unión de la correa con la cercha que, al ser muy pequeña, no podrá impedir la deformación del ángulo de la pendiente. El conjunto de cerchas es un castillo de naipes incapaz de oponerse a su abatimiento. Al colocar los arriostramientos en el plano de la cubierta, que posteriormente se explicará con mayor detenimiento, se pretende evitar el giro o abatimiento de las cerchas, para lo cual colocaremos perfiles o elementos metálicos formando triangulaciones en el plano de la cubierta, uniendo la cumbrera de la cercha con la cabeza del pilar anterior o posterior. Esa triangulación o arriostramiento puede efectuarse de un tramo, en forma de cruz, en ambos faldones de la cubierta, tal como se indica en la opción 1 de la nave de la figura siguiente. Igualmente podría ejecutarse uniendo todas las correas de ambos faldones, formando triangulaciones más pequeñas, opción 2 del 299

302 Estructura metálica en naves industriales esquema siguiente, que en conjunto cumplen la misma función, puesto que ambas impiden el vuelco de las cerchas. Estos arriostramientos no es necesario que vayan en todas las crujías, ya que una vez se ha inmovilizado una cercha, las contiguas quedan inmovilizadas, ante el vuelco, a través de las correas de la cubierta que las unen. p' F1 CORREAS L' CERCHA F2 m' CORREA p m CERCHA Arriostramiento (opción 1) CORREA F2 m' CERCHA m F2 Arriostramiento (opción 2) Fn F3 F3 p VIGAS PRATT (arriostramiento) formadas por los cordones superiores de las cerchas (CORDONES), correas (MONTANTES) y por las DIAGONALES que es el arriostramiento; colacadas en el plano de la cubierta. 300

303 Construcción de estructuras metálicas Los puntos de apoyo de las correas sufren desplazamientos diferentes en sentido horizontal, siendo máximo en cumbrera y nulo en apoyos. En el abatimiento B'C<BC, AD'>AD, de la figura siguiente, vemos el desplazamiento "d" de cada correa al girar (volcar las cerchas por el empuje del viento). Los apoyos de la cercha y el cordón inferior no se desplazan, sólo giran sobre un eje, tal como se observa en el esquema siguiente. A C C' ß ß * A ß B B D Cordón superior cercha D' Cordón inferior cercha d d = Desplazamiento de cada correa al girar (volcar las cerchas por empuje del viento). Los apoyos de cercha y el cordón inferior no se desplazan, sólo giran sobre un eje. Si disponemos las barras según BC y según AD, la primera se opondrá a su acortamiento, quedando comprimida, mientras que la segunda se opondrá a su alargamiento, quedando traccionada. En la medida en que dichas barras sean capaces de oponerse a su cambio de longitud, se opondrán también al abatimiento de las cerchas. Lo dicho para el rectángulo ABCD puede decirse para cualquier otro comprendido entre correas, inmediatas o no. Las cerchas quedarán estabilizadas ante fuerzas horizontales normales a su plano, disponiendo barras diagonales que enlacen extremos de correas diferentes. Naturalmente, se prefieren diagonales que trabajen a tracción, que pueden ser muchos más esbeltas que las sometidas a compresión. Generalmente, dichas diagonales se disponen en forma de "Cruz de San Andrés", como se ve en la siguiente figura. 301

304 Estructura metálica en naves industriales Correas Cerchas Entramado principal Arriostramiento en el plano del faldón Entramado lateral Así, cualquiera que sea el sentido de la fuerza normal al plano de la cercha, habrá siempre una barra traccionada, despreciándose por su esbeltez, el efecto de la comprimida. Estas diagonales acostumbran a ser perfiles L o tirantes de redondo formando con los cordones superiores de las cerchas (cordones) y con las correas (montantes) vigas Pratt, cuyo plano coincide con los de los faldones. Estas Pratt transmiten los esfuerzos a los muros laterales en los que apoyan las cerchas en dirección de la longitud de los mismos. Las correas deben ser capaces de resistir la compresión que recibirán como montantes de dichas Pratt. En las perspectivas siguientes se detalla gráficamente el proceso de deformación de la cubierta de una nave, así como su arriostramiento. 302

305 Construcción de estructuras metálicas FALDON ESTRUCTURA INICIAL DEFORMADA CORREA CERCHA 1 CERCHA 2 EFECTO VIENTO BARRA TRACCIONADA BARRA COMPRIMIDA CORREA CERCHA 2 CERCHA 1 ESTRUCTURA ARRIOSTRADA 303

306 Estructura metálica en naves industriales ENTRAMADO DE NAVES INDUSTRIALES. En este apartado se analizan a fondo los arriostramientos en las naves industriales, distinguiendo fundamentalmente dos tipos de entramados: entramados frontales o muros piñones y entramados laterales. En naves pequeñas, los muros se suelen realizar de fábrica de ladrillo o bloque de hormigón y la estructura apoya sobre los mismos, siendo los propios muros los que absorben todas las acciones, sin necesitar arriostramientos. En naves de mayores dimensiones, o cuando se coloque cerramiento ligero, es necesario ejecutar un entramado resistente de perfiles laminados, que es el que soporta y transmite a la cimentación las cargas procedentes de la cubierta, acciones del viento y demás que graviten sobre el sistema. Normalmente la cubierta de las naves es ligera y la acción más importante es la del viento, que se transmite a la estructura general de las siguientes formas. Caso de viento en muros frontales. 1.- Disponiendo una viga horizontal contraviento, cuya misión es transmitir a los entramados laterales las fuerzas del viento que actúan sobre el muro frontal. Estas vigas horizontales, tipo celosía, se sitúan normalmente dentro de la nave y según la altura de la nave, se coloca una sola viga a nivel de coronación de la nave, o bien se colocan dos vigas, una en coronación y otra a nivel intermedio. Los esfuerzos producidos por el viento son absorbidos por los pilares 1, 2,3 y 4, con la ayuda de la viga de arriostramiento horizontal contraviento, que ayuda a absorber los esfuerzos de vuelco de los pilares (primera perspectiva de las insertadas a continuación) siendo éstos transmitidos a la cimentación, la cual trabajará a flexo-compresión. En el esquema siguiente vemos el estado de trabajo de la zapata. 304

307 Construcción de estructuras metálicas Cualquier viga horizontal uniendo cabezas de pilares, o cualquier arriostramiento en Cruz de San Andrés que los una, contribuye a absorber los esfuerzos de vuelco de los pilares, como consecuencia de los empujes del viento. En las tres perspectivas siguientes se detalla el arriostramiento con una viga de celosía horizontal a nivel de coronación, y con dos vigas horizontales, una a nivel de coronación y otra a nivel intermedio. CORREA DE CUMBRERA CERCHAS CORREA DE CORONACIÓN VIGA HORIZONTAL CONTRA VIENTO 305

308 Estructura metálica en naves industriales VIGA DE ARRIOSTRAMIENTO DE CUBIERTA VIGA DE ARRIOSTRAMIENTO HORIZONTAL INTERMEDIO (NIVEL ALTILLO) VIGA ARRIOSTRAMIENTO HORIZONTAL Cercha Viga cortaviento en el plano del faldón Viga vertical contra viento Cuelgues viga Viga carril para puente grúa Pilares intermedios Viga cortaviento horizontal Arriostramiento en el propio entramado Arriostramiento horizontal intermedio Arriostramiento en doble diagonal 306

309 Construcción de estructuras metálicas 2.- Disponiendo la viga contraviento en el mismo plano de la cubierta, aprovechando parte de la estructura con las correas utilizadas para la cubierta de la nave. La forma de transmitir los esfuerzos a los pilares es la misma que se especifica en el caso anterior. CORREAS DE CUBIERTA ARRIOSTRAMIENTO HORIZONTAL ARRIOSTRAMIENTO INCLINADO EN EL PLANO DE LA CUBIERTA ARRIOSTRAMIENTO EN CRUZ DE SAN ANDRÉS ENTRE PILARES 3.- Si la altura total del muro frontal, es preciso constituir el entramado combinando ambos sistemas de esquemas estructurales: colocar vigas contraviento a la mitad de la altura de los pilares y otra viga confundida con la cubierta y los laterales. Si existe algún altillo, éste actúa como elemento rigidizador y transmisor, evitando colocar vigas de celosía. Caso de viento en entramados o muros laterales. Las acciones del viento sobre los muros frontales y las fuerzas de frenado longitudinal de los puentes-grúa deben ser absorbidos por las paredes laterales. Si el material de cierre y anclajes, son capaces de soportar dichas acciones, no es necesario disponer arriostramientos. 307

310 Estructura metálica en naves industriales Cuando el cerramiento sea ligero, o incapaz de soportar esas solicitaciones, es preciso dar rigidez longitudinal a las paredes, organizando arriostramientos. Existen de diversos tipos. En los dibujos siguientes (alzado y perspectiva) se detallan los arriostramientos. El tipo A, con doble diagonal formando cruces de San Andrés es el más utilizado, porque las diagonales interesa que trabajen a tracción, para evitar pandeos El tipo B utiliza diagonales en una dirección. El tipo C permite la circulación entre naves contiguas. También existe el arriostramiento en forma de K, para salvar huecos. ARRIOSTRAMIENTO CUBIERTA EN X.S.A. ARRIOSTRAMIENTO VERTICAL EN CRUZ DE SAN ANDRÉS ARRIOSTRAMIENTO CUBIERTA CON DIAGONALES ARRIOSTRAMIENTO VERTICAL CON DIAGONALES 308

311 Construcción de estructuras metálicas ESPACIO PARA CIRCULAR VEHÍCULOS FORMA DE K Posibles arriostramientos transversales del cordón inferior de una viga de celosía. El cordón superior siempre queda arriostrado por las propias correas, o por arriostramientos de la cubierta. Sin embargo el cordón inferior queda sin arriostramiento en sentido transversal. En las dos figuras siguientes puede observarse el arriostramiento de dicho cordón inferior, mediante vigas de celosía transversales (aprovechando las correas de la cubierta y los montantes de las propias vigas de celosía) y la opción de arriostrarlo mediante diagonales unidas al cordón superior de dichas vigas. 309

312 Estructura metálica en naves industriales En la perspectiva siguiente se detallan la nave completa: pilares, cerchas, tres niveles de arriostramiento horizontal entre pilares, arriostramiento en forma de Cruz de San Andrés entre pilares y en cubierta. 310

313 Construcción de estructuras metálicas En el caso de elegir el arriostramiento en el plano vertical de la cubierta, para evitar el vuelco de las cerchas, se colocan dos piezas en forma de cruz (Cruz de San Andrés) para que trabajen a tracción y no a compresión. Puede disponerse en cualquier parte de la cubierta, pero funciona mejor si el arriostramiento se hace coincidir con los montantes, tal como se detalla a continuación. Obsérvese que este arriostramiento continuo, uniendo todas las cerchas, esencialmente es una viga de celosía, que para formarla aprovechamos los montantes de las cerchas y las correas de la cubierta, que ya las tenemos, y le añadimos la correa inferior y las diagonales. 311

314 Estructura metálica en naves industriales Correa cumbrera Viga celosía arriostramiento cubierta Cercha Correa arriostramiento horizontal El arriostramiento horizontal se coloca a nivel de coronación de la nave, uniendo los extremos superiores de los pilares. Cuando las naves tienen bastante altura se suele colocar doble arriostramiento horizontal, uno de ellos uniendo los soportes por su parte superior y el otro colocado a nivel intermedio. Si las naves tienen ventanales grandes, estos arriostramientos horizontales se hacen coincidir justamente con la parte superior de los ventanales, sirviendo de dintel o cargadero de los mismos, ayudando a soportar y trabar el muro de cerramiento. Con el fin de facilitar la ejecución del muro de cerramiento, el arriostramiento que se coloca encima de los ventanales está formado por dos viguetas paralelas, que sirven para apoyar sobre ellas el muro de cerramiento. Para que el muro de cerramiento y los pilares queden más trabados, se suelen colocar garras que son trozos de perfiles metálicos, angulares, redondos, etc. soldados a los pilares y metidos dentro del muro. En la perspectiva siguiente se puede observar el doble arriostramiento sobre los ventanales, así como la doble correa de cumbrera de cubierta. 312

315 Construcción de estructuras metálicas Doble correa en cumbrera Correas cubierta Cercha Soporte Ventanal Correa arriostramiento horizontal Doble correa arriostramiento horizontal En las páginas siguientes se detallan las uniones de los arriostramientos de naves, pudiendo observarse la unión de dichos arriostramientos con la base del pilar, a nivel de cimentación, unión a nivel intermedio y en la cubierta. 313

316 Estructura metálica en naves industriales ANCLAJE DE SOPORTE METÁLICO DE FACHADA EN CIMENTACIÓN CON ARRIOSTRAMIENTO EN UN LATERAL perfil de arriostramiento pilar metálico cartela cordón de soldadura macizo de cimentación pernos de anclaje (Ø 20 mm) ALZADO tuercas de nivelación 0,05 cartela perfil de arriostramiento placa de anclaje 0,05 PLANTA 314

317 Construcción de estructuras metálicas ANCLAJE DE SOPORTE METÁLICO CENTRAL EN CIMENTACIÓN CON ARRIOSTRAMIENTO EN DOS LATERALES pilar metálico perfil de arriostramiento cartela cordón de soldadura macizo de cimentación pernos de anclaje (Ø 20 mm) ALZADO tuercas de nivelación 0,05 placa de anclaje cartela perfil de arriostramiento 0,05 PLANTA 315

318 Estructura metálica en naves industriales UNIÓN RÍGIDA INTERMEDIA VIGA-PILAR DE FACHADA CON ARRIOSTRAMIENTO HORIZONTAL Y VERTICAL cartela placa de continuidad angular de unión arriostramiento horizontal viga 2/3H H tirante de arriostramiento horizontal angular del tirante arriostramiento vertical perfil de arriostramiento vertical ALZADO SECCIÓN angular de unión pilar placa de continuidad arriostramiento horizontal PLANTA 316

319 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN RÍGIDA INTERMEDIA VIGA-PILAR CENTRAL CON ARRIOSTRAMIENTO HORIZONTAL Y VERTICAL cartela placa de continuidad viga angular de unión arriostramiento horizontal 2/3H H angular del tirante tirante de arriostramiento horizontal arriostramiento vertical ALZADO perfil de arriostramiento vertical SECCIÓN arriostramiento horizontal angular de unión pilar placa de continuidad PLANTA 317

320 Estructura metálica en naves industriales UNIÓN EN CUMBRERA Y ARRIOSTRAMIENTO EN DOS LATERALES correa par cartela arriostramiento en faldón perfil acartelado ALZADO SECCIÓN correa cartela par arriostramiento en faldón PLANTA 318

321 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN EN CABEZA DE PILAR CON ARRIOSTRAMIENTO EN DOS LATERALES correa par arriostramiento en faldón cartela pilar arriostramiento longitudinal ALZADO SECCIÓN arriostramiento horizontal pilar cartela par arriostramiento en faldón PLANTA 319

322 Estructura metálica en naves industriales En la figura siguiente podemos observar: - El pilar metálico de 30 cm. de ancho. - El muro de cerramiento exterior de 20 cm. de ancho alineado a la cara exterior - La cercha metálica apoyada encima del pilar. - El arriostramiento de la cubierta en diagonales, en forma de Cruz de San Andrés, con pletina metálica soldada a la cara inferior del angular del cordón superior de la cercha. Se suelda a la cara inferior del angular para que no moleste para la colocación de las correas, que apoyan encima del angular. En el detalle A, dibujo inferior se detalla la soldadura. - El arriostramiento horizontal con perfil UPN soldado en la coronación del pilar metálico. - El arriostramiento en diagonal entre pilares (Cruz de San Andrés). Este arriostramiento debe ir colocado por la parte inferior del horizontal, para evitar que se crucen. 320

323 Construcción de estructuras metálicas Arriostramiento de la cubierta en cruz de San Andrés DET. A CERCHA Arriostramiento horizontal Arriostramiento en cruz de San Andrés 20 cm Muro de cerramiento 30 cm Pilar DETALLE A: Cordón superior cercha Arriostramiento de la cubierta en cruz de San Andrés Soldadura a cortante 321

324 Estructura metálica en naves industriales NAVES INDUSTRIALES DOTADAS DE PUENTE GRÚA. Es muy corriente en las naves industriales, tanto de fabricación como de almacenamiento, la utilización de puente-grúa para transportar dentro de ellas los elementos pesados, así como para la carga y descarga sobre vehículos. Esencialmente consiste en una grúa suspendida de una gran jácena (a modo de puente entre ambos laterales de la nave), ambas con movilidad en una dirección (el puente grúa desliza longitudinalmente y la grúa, suspendida del mismo, desliza en sentido transversal, con lo cual conseguimos alcanzar cualquier rincón de la nave, para cargar y descargar mercancía. Dichos puentes-grúa se trasladan o deslizan sobre vigas carril, que apoyan sobre ménsulas cortas soldadas a los soportes metálicos. En las figuras siguientes vemos detalladamente el sistema y su unión con los soportes. Puente grúa A Ménsula corta Soporte 322

325 Construcción de estructuras metálicas Arriostramiento horizontal Arriostramiento en cruz de San Andrés Soporte Puente grúa Rodamientos Pérfil metálico para desplazamiento puente grúa Ménsula corta Detalle A El arriostramiento de estas naves, dada su peculiaridad, la estudiaremos ampliamente. En cubierta se efectúa un arriostramiento similar al visto para el resto de cubiertas de edificios industriales. Donde se requiere un arriostramiento especial es entre pilares, verticalmente, en el sentido del desplazamiento del puente grúa, ya que éste transporta mucho peso y, al arrancar y frenar, produce empujes muy importantes, que tienden a volcar los pilares en el sentido longitudinal de la nave. Este arriostramiento deberá colocarse en todas las crujías, en forma de Cruz de San Andrés, y estará formado por perfiles metálicos de gran sección, capaces de soportar las compresiones y tracciones que le produce el mencionado puente grúa. Normalmente se suelen colocar perfiles UPN. 323

326 Estructura metálica en naves industriales Cubierta Soporte Arriostramiento de nave con puente grúa sentido del desplazamiento NAVES CON ESTRUCTURA DE PÓRTICOS. Como su nombre indica son estructuras que adoptan la forma de pórtico. Clasificación. Esencialmente se clasifican en pórticos simples y pórticos múltiples, según consten de uno o varios vanos. En función de su forma de unión, los pórticos simples pueden clasificarse, tal como se indica en el esquema siguiente, en: 1.- Articulados, biarticulados y triarticulados. 2.- Empotrados y biempotrados. 324

327 Construcción de estructuras metálicas BIARTICULADO TRIARTICULADO BIEMPOTRADO PÓRTICOS MÚLTIPLES Pórtico (Jácena inclinada) Refuerzo (catelas rigidización) Soporte DIRECTRIZ RECTA DIRECTRIZ QUEBRADA 325

328 Estructura metálica en naves industriales En función de su sección, unión y refuerzos, los pórticos pueden ser: 1) Pórticos biempotrados Acartelamiento viga Acartelamiento pilar y viga a) Sección constante b) Sección constante con refuerzos c) Sección constante con refuerzos 2) Pórticos biarticulados Acartelamiento Pilar de sección variable a) Sección constante b) Sección variable y refuerzos Dintel y pilar de sección variable c) Sección variable d) Sección variable grandes luces 3) Pórticos triarticulados Acartelamiento Pilar de sección variable a) Sección variable y refuerzos Dintel y pilar de sección variable b) Sección variable 326

329 Construcción de estructuras metálicas Pórticos de nudos rígidos. En estos pórticos los nudos son rígidos, dando continuidad a la forma y a la distribución de los esfuerzos. En la organización de las cubiertas, sustituyen a las cerchas, por lo que la estructura de la nave se compone de pórticos enlazados por correas. Suelen ser pórticos a dos aguas, adaptándose a la inclinación de los faldones, con lo que se aprovecha más el interior al no existir tirantes. La sustentación del pórtico puede ser con dos articulaciones, con dos empotramientos, que son hiperestáticos, o con tres articulaciones, que es isostático. El trabajo de un pórtico es el de una viga apoyada por medio de empotramiento, en dos soportes. Los elementos que lo forman suelen ser de alma llena, siendo las secciones más utilizadas los perfiles en doble T o en H, formándose, cuando el pórtico es de sección variable, cortando el perfil y soldando palastros, o bien con tres chapas soldadas. Otras secciones interesantes son las de cajón, más favorables por su mayor resistencia a la torsión y que se forman, o por acoplamiento de perfiles simples (2 UPN, etc.) o mediante perfiles y palastros soldados. El tipo de pórtico más utilizado es el directriz recta en la zona inclinada, pudiendo también utilizarse los de directriz quebrada, cuyos esquemas hemos visto anteriormente. Los encuentros se refuerzan, para darle mayor rigidez, con cartelas formadas por trozos de perfiles (cartelas en forma de punta de flauta), que rigidizan el nudo y ayudan a contrarrestar el empuje que ejerce el pórtico hacia el exterior, ya que carece de tirantes interiores. Las correas, al igual que en las cubiertas con cerchas, apoyan sobre los perfiles inclinados que conforman la cubierta. La disposición de los arriostramientos, asimismo, es similar a la estudiada para la cubierta con cerchas. A continuación se detallan las uniones de los perfiles de estos pórticos. C B D A 327

330 Estructura metálica en naves industriales El detalle A del pórtico del esquema anterior se ha resuelto con unión rígida y con unión articulada. DETALLE A RIGIDO ARTICULADO CARTELAS DE RIGIDIZACION HEB 300 SOPORTE QUE NO APOYA SOBRE LA PLACA orificio HEB 300 PASADOR Y TORNILLO DE ALTA RESISTENCIA QUE SOPORTA EL PESO DEL SOPORTE ALZADO UPN 200 SOLDADO A AMBOS LADOS Y CON TALADRO PARA EL PASADOR PLANTA 328

331 Construcción de estructuras metálicas Para el detalle B se han elegido cinco soluciones diferentes. DETALLE B( TODAS LAS UNIONES POR SOLDADURA) 1ª SOLUCION CHAPA JACENA INCLINADA CONECTOR COMPRESIONES CONECTOR TRACCIONES SOPORTE IPN CARTELA (PUNTA DE FLAUTA) 1 PIEZA 2 PIEZAS (CUANDO LA CARTELA ES MUY GRANDE) CONECTOR COMPRESIONES 2ª SOLUCION 3ª SOLUCION POSIBLE CONECTOR TRACCIONES CONECTOR COMPRESIONES CARTELA RIGIDIZACION CONECTOR COMPRESIONES CONECTOR COMPRESIONES 4ª SOLUCIÓN 5ª SOLUCIÓN 329

332 Estructura metálica en naves industriales DETALLE C pletina Posible cartela rigidización (tracciones) caso necesario Jácena pórtico cartela de rigidización UNIÓN SOLDADA CON PLETINA INTERMEDIA cartela tracciones cartela de rigidizacion UNIÓN SOLDADA SIN PLETINA INTERMEDIA cartela de rigidización UNIÓN ATORNILLADA PARA MONTAR EN OBRA 330

333 A continuación se detallan las 4 soluciones del detalle D. Construcción de estructuras metálicas DETALLE D (4 SOLUCIONES) cartelas de rigidización conector compresiones conector compresiones cartelas de rigidización conector compresiones NOTA: - TANTO VIGAS COMO SOPORTES SON PERFILES DOBLE T - TODAS LAS UNIONES VAN POR SOLDADURA CUBIERTAS DE ESTRUCTURA EN FORMA DE ARCOS. Son estructuras de cubierta que adoptan la forma de arco, pudiendo ser, al igual que los pórticos, biempotrados, biarticulados y triarticulados. Las uniones de los perfiles que forman el arco, al igual que su unión con los soportes, es similar a la que ya hemos estudiado para las vigas de celosía y cerchas. 331

334 Estructura metálica en naves industriales Arco tipo viga de celosía Soporte MARQUESINAS. Son estructuras triangulares en ménsula, similares a las cerchas a un agua, empotradas por un extremo y enlazadas entre sí por las correas. Suelen utilizarse para formar aleros, cobertizos, etc. en la parte exterior de las naves industriales. 332

335 CUBIERTAS DE ESTRUCTURA ESPACIAL. Construcción de estructuras metálicas Para conseguir grandes espacios cubiertos sin necesidad de apoyos intermedios, se recurre a las mallas o cubiertas espaciales. Al contrario de lo que ocurre en los entramados planos, en las mallas las tensiones se reparten por distintas barras y en distintas direcciones. Constituyen un sistema de alto grado de hiperestaticidad lo que hace complicado su cálculo. Este sistema permite cubrir grandes espacios con una mínima cantidad de material. Las barras que se usan son perfiles normales industriales (IPN, UPN, T, L, etc.), aunque con preferencia los perfiles tubulares (por su relación inercia/peso) y de éstos preferentemente los de sección circular. Para las uniones en los nudos existen diversos sistemas. El sistema más sencillo, no puramente espacial, es el bi-planario formado por vigas de celosía que se cruzan ortogonalmente (figura izquierda) y el tri-planario formado por dos capas unidas por barras rectas en diagonal que unen los centros de sus bases (figura derecha). BARRAS SUPERIORES BARRAS INFERIORES DIAGONALES Los dos tipos de cubiertas espaciales más normales son aquellas cuyo sistema sustentante está formado por cubos (figura izquierda) y el formado por semioctaedros y tetraedros (figura derecha). 333

336 Estructura metálica en naves industriales Existen cubiertas espaciales con otros sistemas sustentantes, con formas derivadas de los anteriores, tales como pirámides de base hexagonal regular. MALLA SUPERIOR MALLA INFERIOR DIAGONALES 334

337 Construcción de estructuras metálicas En las figuras siguientes vemos algunos detalles de los nudos con barras de sección circular, aparte de los que ya vimos al estudiar las vigas de celosía tubulares. En el detalle de la izquierda vemos la unión soldada directamente. También puede hacerse la unión por medio de rosca atornillada a la esfera. En el de la derecha la unión se efectúa aplastando la terminación. Aplastamiento de perfiles tubulares y atornillado Soldadura directa a la esfera Perfiles con rosca atornillada a la esfera Los apoyos de la estructura sobre los soportes puede efectuarse en el cordón superior o en el cordón inferior, tal como se observa en las figuras siguientes. 335

338 Estructura metálica en naves industriales ESTRUCTURAS DE ALTILLOS O ENTREPLANTAS. Si en el interior de las naves se construyen altillos o entreplantas, las uniones del forjado con las jácenas o vigas admite varias soluciones, en función del tipo de forjado ( viguetas de hormigón, viguetas metálicas, etc.) del tipo de jácena (perfil IPN, viga void, perfil HEB, viga de celosía, etc.) y del tipo de unión que convenga utilizar (soldadura, tornillería, nudos rígidos, vigas pasantes, etc.) Estos detalles los estudiaremos con amplitud en el tema siguiente. 336

339 TEMA 9.- ESTRUCTURA METÁLICA EN EDIFICIOS DE VIVIENDAS. INTRODUCCIÓN. La estructura metálica de un edificio está formada por elementos verticales (soportes) y elementos horizontales (jácenas, correas y forjados). Los soportes y las jácenas se han estudiado en temas anteriores, así como sus uniones. Los forjados de hormigón igualmente han sido estudiados. En este tema se va a profundizar en el estudio de los forjados de viguetas metálicas, sus uniones con las jácenas, uniones de forjados de hormigón con jácenas metálicas, uniones en estructuras mixtas hormigón-acero, etc. ENTRAMADOS HORIZONTALES. Los suelos están formados fundamentalmente por elementos horizontales simples (viguetas de forjado), que apoyan en los muros resistentes o enlazan con otros elementos horizontales de mayor importancia (jácenas) que se encargan de transmitir las cargas a los elementos verticales (muros o soportes) que, a su vez, las transmiten a los cimientos. VIGUETAS. DISPOSICIÓN. Son elementos que trabajan a flexión y por consiguiente, sus secciones tienen que resistir el momento flector y el esfuerzo cortante que se produzcan. El perfil más idóneo es el I. Las viguetas se colocan normalmente a distancias comprendidas entre 0,60 y 0,80 m. entre ejes (tamaño de bovedillas prefabricadas), aunque la separación puede ser mayor, dependiendo de las cargas que deban resistir y del posible espesor del forjado. El perfil de la vigueta se calcula por la fórmula de la flexión simple: W= Mmáximo σ admisible. 337

340 Estructura metálica en edificios de viviendas donde: W es el módulo resistente del perfil, expresado en cm3., cuyo valor viene dado en los catálogos, obteniendo directamente el canto el perfil. M máximo es el momento flector máximo, obtenido por la luz de cálculo de la vigueta. Como luz de la vigueta se considera la distancia entre los muros más un 5%. Si se apoya en jácenas, la luz de la vigueta se mide entre los ejes de las dos jácenas en que apoya ésta. La luz, para que la vigueta sea económica, no debe sobrepasar los 5,50 m. σ admisible es la tensión admisible del acero, en kp./cm2. Las viguetas se colocan paralelas entre sí y normales a las jácenas o muros donde se apoyan, separadas en función de anchos de las bovedillas. APOYOS DE VIGUETAS METÁLICAS EN MUROS. El apoyo tiene como misión transmitir al muro las reacciones verticales de las viguetas. A falta de normativa reguladora de este tipo de apoyos, siguiendo la tradición, si el muro es de suficiente espesor y de buena fábrica de ladrillo, se suele apoyar las viguetas directamente sobre él, asegurándolas contra el posible movimiento lateral con la fábrica de ladrillo continua entre ellas, como se indica en la figura siguiente. 338

341 Construcción de estructuras metálicas La longitud de apoyo de las viguetas sobre el muro suele oscilar entre una vez y vez y media su altura, tomando como mínimo 12 cm. y como máximo 1/20 de la luz libre. Para determinar dicha longitud de apoyo es fundamental tener en cuenta las cargas, luz de la vigueta y tipo de material de apoyo. Si el muro ofrece un asiento desigual, antes del apoyo se enrasa la fábrica con mortero de cemento para conseguir la planeidad del mismo. Para enlaces y apoyos, la normativa vigente de forjados, marca unas recomendaciones de tipo general, de acuerdo a la buena construcción. 1.- Las flechas deben limitarse, en función del tipo de elementos verticales que apoyen sobre los forjados, tales como tabiques, muros, etc. 2.-Condición de monolitismo, en que se determina el enlace de las viguetas entre sí y con las vigas de atado perimetral a través del relleno de nervios y senos con hormigón, unidos por una losa de espesor mínimo de 4 cm., por encima de cualquier elemento del forjado. > 4 cm. 3.- En todo el contorno del forjado se colocarán zunchos de hormigón armado para enlazarlo con los muros en que se sustenta y con los transversales. Perimetralmente deben colocarse armaduras de pequeño diámetro que sirvan de conexión entre zunchos, muros y forjado, tal como se detalla en la figura anterior. APOYO DE JÁCENAS METÁLICAS SOBRE MUROS DE FÁBRICA DE LADRILLO. A).- Cuando el ancho del muro disminuye en la planta superior. La jácena metálica apoya parcialmente encima del ladrillo, añadiendo unas armaduras de conexión soldadas a la jácena y ancladas al zuncho de hormigón armado perimetral, tal como se detalla en la figura siguiente. 339

342 Estructura metálica en edificios de viviendas B).- Cuando el ancho del muro es constante. El sistema es similar al descrito anteriormente, con la única diferencia de la proximidad entre zuncho y jácena, tal como se indica en la figura siguiente. 340

343 Construcción de estructuras metálicas APOYO DE VIGAS O JÁCENAS Y VIGUETAS METÁLICAS SOBRE HORMIGÓN. En función de la carga que soporten las vigas o viguetas existen tres grupos: cargas pequeñas, cargas grandes y cargas muy grandes. A.- Cargas pequeñas y medianas. Es suficiente con la colocación de un angular metálico o similar, anclado al muro con pernos de anclaje, para evitar el apoyo directo del acero sobre el hormigón y, al propio tiempo, evitar desconchados en las esquinas como consecuencia de las flechas de las vigas. En la figura siguiente se detalla en planta y en alzado; además se ha añadido limitador de movimiento o dilatación, para caso de apoyo en dilatación controlada. 341

344 Estructura metálica en edificios de viviendas B.- Con cargas grandes. Al tratarse de cargas puntuales grandes, es necesario repartir dicha carga puntual, para lo cual se coloca sobre el hormigón una placa metálica de apoyo, anclada al muro o pilar de hormigón, con pernos. En el dibujo siguiente se detalla la unión mencionada. C.- Con cargas muy grandes. Para repartir la gran carga se utilizan dos trozos de perfil metálico colocados encima de las placas de anclaje, con lo cual el reparto de cargas se efectúa entre una zona de apoyo mayor, tal como se muestra en el dibujo siguiente. 342

345 Construcción de estructuras metálicas APOYO DE VIGUETAS METÁLICAS EN JÁCENAS O VIGAS. Se puede establecer una primera clasificación, según el lugar de colocación de las viguetas sobre la jácena: viguetas apoyadas encima de la jácena y viguetas apoyadas lateralmente a ella. Posteriormente se estudiará, dentro de cada grupo, el tipo de unión o enlace: apoyo libre, articulación, empotramiento, etc. Apoyo de viguetas metálicas encima de la jácena. La forma de colocación más sencilla es que las viguetas del forjado apoyen directamente encima de las vigas o jácenas (sean éstas de cualquier tipo: IPN, IPE, HEB, vigas void, vigas de celosía, etc.), tal como se observa en el siguiente detalle. 343

346 Estructura metálica en edificios de viviendas Cuando a una jácena le acometen, por ambos lados, viguetas de forjado apoyadas encima, éstas pueden disponerse una junto a otra, cruzándose encima de la jácena (figura siguiente izquierda) o bien ir enfrentadas (figura derecha). En este caso, para darles continuidad, puede interesar soldar los extremos de las mismas, o bien soldarle una pletina de unión, colocada en la parte superior, que sirve de transmisor de tracciones. pletina de continuidad (conector de tracciones) viguetas de forjado viguetas viguetas jácena IPN jácena jácena IPN ALZADO ALZADO pletina de continuidad viguetas viguetas viguetas viguetas viguetas jácena jácena PLANTA VIGUETAS NO ENFRENTADAS PLANTA VIGUETAS ENFRENTADAS 344

347 Construcción de estructuras metálicas Las viguetas metálicas enfrentadas, apoyadas encima de la jácena, también pueden colocarse independientes, sin ningún nexo de unión entre ambas, como se indica en el dibujo siguiente. Forjado IPN apoyado encima de la jácena Jácena IPN Una vez que estén colocadas las viguetas justamente en su sitio, para evitar su desplazamiento lateral, durante la colocación de las bovedillas, se unen éstas a las jácenas con unos puntos de soldadura, con lo cual se consigue inmovilizarlas. El mencionado desplazamiento también se podría evitar colocando una bovedilla en cada extremo de la crujía de viguetas. En los dibujos siguientes se detallan ambas opciones. Si se quiere conseguir una mayor conexión entre las viguetas apoyadas y la jácena, en vez de colocar unos simples puntos de soldadura para inmovilizarlas, como se ha indicado anteriormente, se puede efectuar un cordón continuo de soldadura, que abarque el ala completa de la vigueta en contacto con la jácena, tal como se detalla en el dibujo siguiente. Si fuera necesario, también podría soldarse por la parte inferior toda la superficie de contacto entre ambas. 345

348 Estructura metálica en edificios de viviendas Vigueta contínua Vigueta metálica de extremo Soldadura Soldadura Alzado Jácena central Alzado Jácena extemo Apoyo de viguetas metálicas en el lateral de la jácena. Si queremos disminuir el cuelgue de las jácenas, se disponen las viguetas apoyadas lateralmente constituyendo un embrochalado. Con esta opción, además, se consigue el arriostramiento transversal de las jácenas. Si interesa que las alas superiores de jácena y vigueta queden enrasadas, hay que cortarle a las viguetas un trozo de su ala superior. En caso de no cortársela, la jácena sobresaldrá ligeramente por encima de las viguetas, lo que no implica ninguna complicación, puesto que el saliente superior de la jácena queda embebido en el hormigón de la capa superior. En las figuras siguientes se detallan ambas soluciones. En los casos de viguetas de forjado apoyado o empotrado lateralmente a una jácena metálica, siempre es necesario colocar un angular de apoyo o montaje, que sirve para el apoyo de las viguetas de forjado. En caso de que las viguetas vayan soldadas a la jácena, dicho angular podrá eliminarse una vez finalizada la soldadura de unión entre ambas. vigueta forjado vigueta forjado angular de montaje angular de montaje ALAS SUPERIORES NIVELADAS ALAS SUPERIORES DESNIVELADAS 346

349 Construcción de estructuras metálicas VIGUETA EMPOTRADA NIVELADA POR LA PARTE SUPERIOR JÁCENA Cuando el forjado apoya lateralmente a la jácena el angular metálico, de apoyo del mismo, no se puede eliminar. Dicho angular puede ser continuo o con trozos para apoyo individual de cada vigueta. Forjado apoyado lateralmente Jácena IPN Angular de apoyo En las figuras siguientes se detallan uniones diversas: - Forjados apoyados con desnivel: un apoyo lateral y otro encima. - Forjados empotrados nivelados con la cara superior de la jácena. - Forjados empotrados con desnivel, unidos a la misma jácena o bien - recreciendo la jácena para conseguir el desnivel necesario. - Embrochalamiento empotrado con cartela de rigidización. - Apoyos de viguetas metálicas de distinto canto, con taco nivelador. 347

350 Estructura metálica en edificios de viviendas Desnivel Forjado apoyado encima de la jácena Forjado apoyado lateralmente Jácena IPN Angular de apoyo UNIONES DE FORJADOS EMPOTRADOS NIVELADOS POR ENCIMA CON JÁCENAS METÁLICAS Viguetas metálicas Viguetas metálicas Angular de apoyo Jácena IPN Cortando el ala superior Viguetas metálicas Viguetas metálicas Angular de apoyo Jácena IPN 348

351 Construcción de estructuras metálicas FORJADOS EMPOTRADOS CON DESNIVEL Desnivel Viguetas metálicas Viguetas metálicas Angular de apoyo Jácena IPN Perfil recrecido para conseguir mayor desn Viguetas metálicas Desnivel Angular de apoyo Viguetas metálicas EMBROCHAMIENTO EMPOTRADO cartela de rigidización del alma (compresiones) pletina de empotramiento del brochal viga embrochalada jácena metálica 349

352 Estructura metálica en edificios de viviendas APOYO DE VIGUETA METÁLICA DE DISTINTO CANTO SOBRE VIGA METÁLICA viguetas de forjado taco metálico nivelador de altura jácena metálica Cuando las jácenas están formadas por perfiles de alma llena, cualquier solución es válida, puesto que dispones de todo el alma para que las viguetas puedan acometer. En caso de utilizar vigas void o vigas de celosía, presentan la dificultad de que dicha unión debe efectuarse soldando las viguetas sobre las zonas donde exista alma, en el caso de vigas void y sobre las montantes en caso de vigas de celosía. En la primera de las tres figuras siguientes el forjado de viguetas metálicas apoya encima de la viga void, sin tapar orificios. En la segunda de ellas, el forjado apoya lateralmente, sin tapar orificios, con la ayuda de un perfil auxiliar (angular de apoyo), atornillado o soldado a la viga. Y en la tercera el forjado va empotrado, con orificios tapados, y con angular de apoyo. 350

353 Construcción de estructuras metálicas 351

354 Estructura metálica en edificios de viviendas En el detalle siguiente vemos la el embrochalado de viguetas metálicas con una viga de celosía, cuyos cordones son perfiles T simple, con las viguetas de forjado apoyadas o soldadas a los montantes de la misma. 352

355 Construcción de estructuras metálicas Cuando las vigas de celosía sean importantes, por soportar muchas cargas o tener mucha longitud, normalmente sus cordones superior e inferior suelen ser dos perfiles UPN soldados a tope, en cajón, las uniones del forjado se pueden efectuar por alguno de los siguientes sistemas, cuyos dibujos se insertan a continuación. - forjado apoyado encima de la viga de celosía. - forjado apoyado o empotrado lateralmente al cordón superior, con ayuda de un angular metálico de apoyo o montaje. - la misma opción anterior, son las viguetas de forjado de mayor canto que el del cordón superior. Se coloca una pletina intermedia soldada al cordón superior de la viga de celosía y a ella se une, apoyada o soldada, la vigueta de forjado, con ayuda de angular de apoyo. Para evitar el pandeo de la pletina intermedia, se le coloca por la parte posterior una cartela de rigidización soldada al cordón superior y a la propia pletina. UNIONES DE FORJADO DE VIGUETAS METÁLICAS CON VIGAS DE CELOSÍA 353

356 Estructura metálica en edificios de viviendas 354

357 Construcción de estructuras metálicas Otros tipos de uniones de viguetas metálicas de forjado con las jácenas. Si buscamos una unión con cierto grado de articulación, evitando transmisión de esfuerzos, fundamentalmente torsiones, del forjado a la jácena, la unión puede efectuarse con angulares metálicos, soldados a la jácena y atornillados a la vigueta de forjado. En las uniones en las que el cordón de soldadura sólo va en la parte inferior y con longitud menor de los 2/3 del alma, se consideran como apoyos simples con libertad de giro, como se indica en la figura siguiente, en la que ya se ha eliminado el angular de apoyo para evitar que limite el giro del forjado. El mencionado cordón de soldadura es el que absorbe el esfuerzo cortante. En caso de no tener suficiente capacidad para soportarlo, puede 355

358 Estructura metálica en edificios de viviendas añadirse más cordón de soldadura, pero no directa entre ambas piezas, sino colocando angulares soldados sólo con cordones verticales la unión entre jácena y vigueta, confiando a su deformabilidad la flexibilidad de la unión, como se indica a continuación. Esta unión puede funcionar también sin necesidad de soldar directamente el alma de la vigueta. En los apoyos con uniones soldadas, podemos conseguir un empotramiento más o menos rígido, lo que permitiría, al disminuir los momentos máximos de flexión, disminuir así mismo la sección de perfil empleado. Sin embargo, al tener en cuenta las flechas mínimas, vemos que no es una solución interesante. Por otra parte, en los apoyos extremos, si la unión es rígida, la flexión de la vigueta produce torsión en la jácena, como consecuencia del giro que la vigueta le impone al flectar, como se indica en la siguiente figura. 356

359 Construcción de estructuras metálicas Desde el punto de vista económico, puede ser interesante conseguir que las viguetas trabajen como continuas, logrando una importante reducción de momentos positivos, apareciendo momentos negativos, y una gran reducción de la flecha, por lo que podrán utilizarse perfiles de menor canto, con la consiguiente economía para la obra. Cuando el apoyo de las viguetas se efectúa encima del ala superior de la jácena, la continuidad se consigue, de las dos formas siguientes: colocando la vigueta continua de una pieza, tal como se indica en el dibujo anterior o bien empalmando las viguetas en los puntos de momentos mínimos, soldándole platabandas a ambos lados de las mismas, y si fuese necesario en la parte superior e inferior, para conseguir dicha continuidad, tal como se detalla en el dibujo siguiente. Cuando la unión apoyo es embrochalado, las tracciones se transmiten con platabandas uniendo las alas superiores de las viguetas, mientras que las compresiones se transmiten a través del alma de la viga que actúa de placa de reparto, como se indica en los dibujos siguientes. 357

360 Estructura metálica en edificios de viviendas Angular de apoyo Platabanda Vigueta Vigueta Angular de apoyo Cuando dos tramos de forjado, de igual canto, acometen empotrados a una jácena metálica, la transmisión de tracciones suele efectuarse, tal como hemos indicado anteriormente, con una pletina de continuidad, uniendo la parte superior de la jácena con la de las viguetas. Dicha pletina quedará recubierta por la capa de hormigón de 4 cm. que se coloca en la parte superior del forjado, con su correspondiente mallazo, tal como se detalla en el dibujo siguiente. 358

361 Construcción de estructuras metálicas mallazo pletina de continuidad capa de hormigón 4 cm. vigueta metálica de forjado angular de montaje soldaduras jácena metálica Los forjados de viguetas metálicas normalmente no necesitan armadura de momentos negativos nunca. No obstante, en caso de no poderle colocar pletinas de conexión de tracciones, o que éstas sean insuficientes, o que se pida sólo un cierto grado de empotramiento, podemos colocar la armadura de momentos negativos necesaria, tal como se indica en la siguiente figura. ØMom. negativo mallazo Lb II capa de hormigón 4 cm. vigueta metálica de forjado angular de montaje soldaduras jácena metálica Existe un caso claro en el cual el forjado de viguetas metálicas empotradas necesita armadura de momentos negativos, y es el especificado en el dibujo adjunto. Las viguetas del forjado van enrasadas con la cara inferior de la jácena, soldadas lateralmente. Al ser el canto total del forjado bastante alto, para que la jácena quede totalmente embebida en el mismo, la vigueta metálica se queda en la mitad inferior del forjado, con lo cual está toda ella en zona de compresiones. En la parte alta del forjado 359

362 Estructura metálica en edificios de viviendas no existe ningún tipo de armadura para absorber los momentos negativos del empotramiento. Es necesario, por tanto, colocar armadura de momentos negativos, anclados de acuerdo a la Instrucción de forjados. ØMom. negativo Lb II Lb II mallazo canto total del forjado vigueta metálica de forjado soldaduras jácena metálica Si los cantos de las viguetas que acometen a la jácena, son distintos en ambos lados de la misma, y las cargas que llegan a la jácena son pequeñas, es suficiente con unir ambas viguetas a la jácena, sin cartelas de rigidización. En caso de que las luces sean grandes, o las cargas sean importantes, las compresiones producidas sobre el alma de la jácena por la vigueta de menor canto es necesario transmitirlas a la vigueta de mayor canto, para evitar abollamientos en el alma de la jácena. Para ello se emplean las disposiciones de las figuras siguientes. En la figura izquierda la transmisión de compresiones de la vigueta menor a la mayor se puede realizar de las dos formas indicadas en el dibujo: colocar en el alma de la vigueta de mayor canto una pletina o conector de compresiones dando continuidad al ala de la vigueta menor; o bien colocarle como apoyo de la vigueta menor un trozo de perfil, a modo de conector de compresiones, que llegue hasta el nivel del ala inferior de la vigueta de mayor canto. En la figura derecha se corta el ala de la vigueta de menor canto y se le suplementa chapa para, posteriormente, volverle a soldar el ala, nivelándola con la de mayor canto. En ambos casos conviene unir las viguetas por la parte superior con una pletina, como conector de tracciones. 360

363 Construcción de estructuras metálicas pletina (conector de traciones) pletina vigueta conector de compresiones vigueta vigueta conector de compresiones ó angular de apoyo vigueta de mayor canto jácena jácena Para evitar la transmisión de tracciones y compresiones, desde ambas viguetas, a la jácena, se puede adoptar la solución del dibujo siguiente, consistente en cortarle a ambas viguetas de forjado un trozo de las alas superiores e inferiores. Según la longitud de ala que se corte, el apoyo de las viguetas sobre el angular de apoyo será como se indica en el forjado izquierdo, que todavía apoya el ala inferior sobre el angular, o como se indica en el forjado derecho, donde sólo apoya el alma. 361

364 Estructura metálica en edificios de viviendas FORJADOS DE VIGUETAS METÁLICAS ENRASADOS CON LA PARTE INFERIOR DE LAS JÁCENAS. En ocasiones puede ser necesario que las jácenas y viguetas queden enrasadas por su parte inferior, como podría ocurrir en el antepecho de un anfiteatro, en el frente de una marquesina volada, etc. Si las jácenas son de alma llena, el procedimiento de ejecución es similar al que hemos visto para jácenas y forjados nivelados por la parte superior, tal como se detalla en los dibujos siguientes. Si se trata de vigas de celosía, las viguetas metálicas de forjado apoyarán sobre el cordón inferior de la misma, con la ayuda de unas pletinas de apoyo o montaje de las viguetas, soldadas en la parte inferior de la viga de celosía, como se detalla en el dibujo siguiente. 362

365 Construcción de estructuras metálicas Cordón superior e inferior de la viga de celosía vista de perfil viguetas pletina para apoyo de la vigueta (montaje) Vigueta IPN Pletina SECCIÓN DE UN FORJADO CON VIGUETAS METÁLICAS IPN. En los dibujos siguientes se representan las dos secciones típicas de forjado de viguetas metálicas IPN, con bovedilla cerámica, con las opciones de colocar o no la pieza cerámica especial de protección del ala inferior de la vigueta de forjado, para evitar contactos con enlucidos. 363

366 Estructura metálica en edificios de viviendas APOYOS DE VIGUETAS DE HORMIGÓN EN JÁCENAS O VIGAS METÁLICAS. Apoyo de las viguetas encima de las jácenas. La mejor solución es la de apoyo de las viguetas de hormigón directamente encima de la jácena metálica. En las jácenas centrales las viguetas deberán apoyarse una junto a la otra, ya que el ala superior de la jácena, normalmente, es muy estrecha y no hay espacio suficiente para el apoyo enfrentado de ambas viguetas. 364

367 Construcción de estructuras metálicas Si el ala superior de la jácena tiene suficiente anchura, el apoyo puede efectuarse enfrentando las viguetas. Ver dibujo siguiente. Forjado apoyado encima de la jácena Jácena IPN 365

368 Estructura metálica en edificios de viviendas Apoyo de las viguetas de hormigón en los laterales de las jácenas metálicas. Si la jácena de apoyo es un perfil HEB, que tiene las alas de mayor dimensión y los lados paralelos, la unión puede efectuarse introduciendo las viguetas del forjado lateralmente dentro de la jácena. En el caso de que exista esfuerzo cortante de cierta importancia, y el apoyo sea arriesgado para soportarlo, se puede macizar una zona de unos cm. junta a la jácena metálica, quitando la primera bovedilla y encofrando por la parte inferior, con lo cual las viguetas de hormigón quedan embebidas en el hormigón y toda la franja hormigónada queda apoyada en la jácena, con lo que se absorbe la totalidad de esfuerzo cortante sin ningún riesgo. También podríamos apoyar las viguetas del forjado lateralmente a cualquier jácena, colocándole un angular de apoyo suficientemente ancho que nos garantice un buen apoyo. 366

369 Construcción de estructuras metálicas En el caso de necesitar que exista un desnivel entre los forjados de ambos laterales de la jácena, puede solucionarse de forma similar a como vimos para viguetas metálicas. No obstante se adjuntan algunos dibujos con posibles soluciones. Desnivel Forjado apoyado encima de la jácena Forjado apoyado lateralmente Jácena IPN Angular de apoyo Desnivel Forjado apoyado lateralmente Angular de apoyo Forjado apoyado lateralmente Jácena IPN En caso de que las viguetas de hormigón hayan quedado cortas y no lleguen para apoyar en la jácena, se puede adoptar la solución indicada en el dibujo siguiente, consistente en colocar unas armaduras inclinadas de cuelgue de las viguetas, que conectan la parte inferior de las viguetas con la parte superior de la jácena. Se le añade a las viguetas, en la parte inferior, unas armaduras de conexión con la jácena, y se hormigóna el conjunto, con lo cual las viguetas quedan embebidas en el hormigón y conectadas a la jácena. 367

370 Estructura metálica en edificios de viviendas UNIONES DE JÁCENAS METÁLICAS CON FORJADOS EMPOTRADOS DE VIGUETAS DE HORMIGÓN. Para conseguir el empotramiento de las viguetas de forjado de hormigón, es necesaria la correcta colocación de la armadura de momentos negativos, que precisen las viguetas, y que la misma quede suficientemente anclada, para que sea capaz de absorber los momentos negativos existentes. La unión entre ambas puede efectuarse con forjado lateral o encima de la jácena metálica. Unión con viguetas de hormigón que acceden lateralmente a la jácena metálica. En los dibujos siguientes se detallan las formas correctas de colocación de la armadura de momentos negativos que necesitan las viguetas de hormigón. En todos los casos el forjado se apoya encima del angular soldado a la jácena. 1.- La armadura de momentos negativos pasa por encima de la jácena, con longitud de anclaje suficiente a ambos lados. Estas armaduras quedan embebidas dentro del hormigón de la capa superior del forjado. En el caso de vigueta de extremo de forjado, la armadura podría soldarse a la jácena. 368

371 Construcción de estructuras metálicas de la jácena Viguetas de hormigón Viguetas de hormigón Angular de apoyo Jácena IPN 2.- La armadura de negativos atraviesa la jácena metálica, por unos orificios que, previamente, se le han efectuado a la misma. Ø M atraviesa por un agujero la jácena IPN Viguetas de hormigón Viguetas de hormigón Angular de apoyo Jácena IPN 3.- La armadura de momentos negativos se suelda a la jácena, con patilla. Ø M soldado a la jácena Viguetas de hormigón Viguetas de hormigón Angular de apoyo Jácena IPN 369

372 Estructura metálica en edificios de viviendas 4.- Los redondos de armadura de momentos negativos acaban en patilla y se anclan al otro lateral de la jácena, para lo cual es necesario la existencia de hormigón en dicha zona, para poder anclar dicha armadura. Ø M con patilla anclada al otro lado de la jácena IPN (necesario que exista hormigón) Viguetas de hormigón Hormigón Angular de apoyo Jácena IPN 5.- En el caso de que las viguetas hayan quedado cortas, tanto en apoyo central como en extremo, se coloca armadura inclinada de cuelgue, que conecte la vigueta con la jácena. Por la parte superior de la jácena se coloca el armado de momentos negativos. Ø M (empotramiento) Vigueta de hormigón corta Armaduras de cuelgue ancladas ó soldadas a la jácena Jácena IPN Zona macizada Unión con viguetas de hormigón apoyadas encima de la jácena metálica. Para conseguir un buen empotramiento, con forjado sobre jácena metálica, la solución de mayor garantía es la utilización de una viga mixta, formada por la jácena metálica en la zona inferior y un zuncho o viga de 370

373 Construcción de estructuras metálicas hormigón armado, en la zona superior. Normalmente la pieza de hormigón armado lleva poca armadura, puesto que la forma de trabajo del conjunto es la siguiente: las tracciones (zona inferior de la viga) las absorbe la jácena metálica y las compresiones (zona superior) las soporta la jácena de hormigón. En los extremos puede ser necesaria armadura de refuerzo de momentos negativos. La viga mixta puede ejecutarse de dos formas: 1.- Ambas vigas son independientes y la conexión entre ellas se efectúa mediante conectores soldados a la jácena metálica e introducidos en la de hormigón. Los conectores pueden ser: redondos, trozos de perfil, cartelas con garras abiertas, angulares, etc. 2.- La parte superior de la jácena metálica se introduce en la jácena de hormigón. Los cercos se sueldan a la jácena metálica, con lo cual no son necesarios los conectores. En los tres dibujos siguientes se detallan las uniones mencionadas. El primero es la unión empotrada en extremo de forjado. En el segundo y tercer dibujo se detalla la misma unión, con forjado empotrado por ambos lados de la viga mixta. Obsérvese que las vigas mixtas de los dos últimos dibujos son de cada uno de los tipos mencionados anteriormente. Ø M soldado a la jácena Conector soldado a la jácena IPN Zuncho H.A Jácena IPN 371

374 Estructura metálica en edificios de viviendas 372

375 Construcción de estructuras metálicas FORJADOS DE VIGUETAS DE HORMIGÓN APOYADOS EN JÁCENAS METÁLICAS EN ZONA SÍSMICA. En zonas sísmicas es necesario anclar el forjado a la jácena, con el fin de que no pueda desplazarse, ni elevarse, como consecuencia de las acciones del sismo sobre la estructura. Si el grado sísmico es importante, se recurre a la unión empotrada, vista anteriormente, utilizando vigas mixtas. Para zonas con sismo poco importante, cualquier sistema que le confiera al forjado conexión con la jácena será suficiente. La opción de forjado simplemente apoyado no se considera aceptable. Las viguetas de hormigón apoyadas encima de la jácena podrán colocarse enfrentadas, o no enfrentadas, tal como se detalla en los dibujos siguientes. Existen tres elementos que finalmente han que quedar unidos entre sí: jácena metálica, hormigón vertido sobre la jácena y forjado. La unión de la jácena con el hormigón existente en su parte superior se efectúa mediante conectores metálicos soldados a la jácena e introducidos dentro del hormigón. Estos conectores pueden ser: redondos, trozos de perfil, etc. y se suelen colocar uno o dos entre cada crujía de viguetas. Los conectores pueden soldarse encima de la jácena (soldadura trabajando a tracción: primera figura siguiente) o a los laterales de las alas de la jácena (soldadura trabajando a cortante: segunda figura). Conector que une la viga Conector metálica con que el une hormigón Vigueta de hormigón JÁCENA IPN Hormigón sobre la jácena JPN 373

376 Estructura metálica en edificios de viviendas No se coloca la bovedilla sobre la jácena y se maciza de hormigón Viguetas de hormigón Conectores soldados a la jácena La conexión de las viguetas con el hormigón se consigue introduciéndolas dentro del hormigón y uniendo las armaduras inferiores de las viguetas o bien colocándole unas armaduras suplementarias que conecten las viguetas de ambos laterales. Esta conexión es necesaria para el caso de viguetas enfrentadas. En el caso de viguetas que se cruzan, no es necesaria dicha conexión, puesto que todas las viguetas quedan introducidas dentro del hormigón, tal como se detalla en las siguientes figuras. 374

377 Construcción de estructuras metálicas 375

378 Estructura metálica en edificios de viviendas 376

379 Construcción de estructuras metálicas La conexión de las viguetas de hormigón con la jácena metálica también puede efectuarse con conexión directa, mediante conectores en forma de U, que envuelvan a la vigueta por la parte superior y soldados a las alas de la jácena, tal como se detalla a continuación. Conector metálico para evitar que se levante el forjado, soldado al ala de la jácena para evitar soldadura a tracción JÁCENA IPN Igualmente puede efectuarse la conexión del conjunto colocando, por la parte superior del forjado, un perfil pequeño o un redondo grueso, transversalmente a las viguetas, justamente por encima de la jácena y conectado a la misma con conectores soldados, como se detalla en la figura siguiente. Conectores de la jácena metálica y la armadura que sujeta el forjado por encima soldada a la jácena Armadura gruesa o perfil metálico Armadura pasante por gruesa encima o perfil de todas m las por viguetas encima del de forjado todas las vig Vigueta de hormigón JÁCENA IPN Hormigón sobre la jácena FORJADOS DE VIGUETAS METÁLICAS APOYADOS EN JÁCENAS METÁLICAS EN ZONA SÍSMICA. Es imprescindible unir jácena y vigueta para evitar movimientos verticales y desplazamientos. Para zonas sísmicas no excesivamente elevadas, es suficiente con soldar ambas piezas, tal como se detalla en el dibujo siguiente. Si el sismo fuese muy importante, sería necesario añadir perfiles soldados o atornillados para reforzar dicha unión. 377

380 Estructura metálica en edificios de viviendas Soldadura Forjado IPN apoyado encima de la jácena Soldadura Forjado IPN apoyado encima de la jácena Jácena IPN JÁCENA Vista lateral Vista frontal Otra opción aceptable sería la utilización de viga mixta, con buenos conectores y las viguetas metálicas del forjado se empotrarían a la jácena de hormigón, con la ayuda de placas metálicas de anclaje. Ver figura siguiente. FORJADO DE VIGUETAS METÁLICAS EMPOTRADO EN VIGA MIXTA Placa de anclaje Conector Viguetas metálicas soldada a la placa de anclaje Zuncho / viga H.A Angular de apoyo Jácena IPN ENLACE DE SOPORTES METÁLICOS CON FORJADOS DE HORMIGÓN ARMADO. Estos enlaces se utilizan normalmene en los forjados sin vigas, tales como forjados reticulares, placas de hormigón armado, etc. Se sueldan al pilar perfiles cruzados que quedan embebidos en el hormigón. Pueden utilizarse perfiles UPN, angulares, etc. El enlace de jácenas de hormigón armado con pilares metálicos también puede efectuarse con este tipo de unión, asegurando el cortante junto al pilar y la buena conexión de estos perfiles con el armado de la jácena de hormigón. 378

381 Construcción de estructuras metálicas Para forjados con pocas cargas y poco importantes, la conexión puede efectuarse con perfiles angulares L, tal como se detalla en el dibujo siguiente. 379

382 Estructura metálica en edificios de viviendas Para conexión con forjados reticulares o losas con cargas normales, los perfiles de conexión con el pilar metálico tienen que ser más importantes. Suelen utilizarse perfiles UPN, que por cuestiones de comodidad conviene que tengan el alma junto al soporte, para facilidad de soldadura. A continuación se describen estas uniones, con cinco perspectivas. En las dos primeras se detalla esta unión para el caso de pilar central y de medianera, siendo el pilar un perfil HEB, la conexión se efectúa con perfiles UPN y se añaden pletinas para dar continuidad a los perfiles UPN que se cortan en los cruces. HEB 300 Pilar central Pletina soldada para dar continuidad al perfil UPN formando cruceta punzonamiento 380

383 Construcción de estructuras metálicas HEB 300 Pilar Medianera Pletina soldada para dar continuidad al perfil UPN formando cruceta punzonamiento En las tres perspectivas siguientes, con pilares formados por 2 UPN en cajón, se detalla la conexión del pilar metálico con el forjado reticular, en los casos de pilar central, de medianera y de esquina. Obsérvese que, en los pilares de medianería y de esquina, a los perfiles UPN que van por la parte posterior del pilar se les corta un trozo de alas para poderlo unir con el alma al pilar y disponer de más espacio para soldadura. 381

384 Estructura metálica en edificios de viviendas PILAR CENTRAL 382

385 Construcción de estructuras metálicas 383

386 Estructura metálica en edificios de viviendas DISPOSICIONES DE UNA ESTRUCTURA METÁLICA EN EDIFICIOS PARA VIVIENDAS. Entre múltiples disposiciones de una estructura, podemos considerar como más normales, en edificios de viviendas: a) Sistema tradicional por combinación de entramados horizontales y verticales. b) Sistemas en voladizo. c) Sistemas colgados. 384

387 Construcción de estructuras metálicas a).- Sistema tradicional: Las cargas que recogen los entramados horizontales o pórticos se transmiten a los entramados verticales (soportes y pórticos) y a través de ellos, a la cimentación y al terreno. Los pórticos se pueden disponer en sentido paralelo a la fachada principal, en sentido transversal, o combinando ambos, tal como se detalla en las 3 figuras siguientes. De las 3 opciones, la tercera es la que más rigidiza el conjunto, porque combina ortogonalmente los pórticos. La distancia entre ejes de soporte (luz de viga) varía entre amplios límites, aunque lo más normal, en edificios de viviendas, es de 5 a 6 metros, y la distancia entre entramados verticales (luz de vigueta o forjado) de 4 a 5,50 metros. Ambas dimensiones están dentro de los límites prudentes y económicos. 385

388 Estructura metálica en edificios de viviendas b).- Sistema en voladizo: pueden ser de de dos tipos. Un gran núcleo central de hormigón armado (figura izquierda) del cual salen en voladizo todas las jácenas que soportan en forjado, o bien con dos núcleos centrales de hormigón armado, con una o varias crujías intermedias (figura derecha), transmitiéndose a ellos las cargas de los voladizos, como puede observarse en las figuras siguientes. Núcleos centrales de H.A. Núcleo central de H.A. Jácenas voladas crujías intermedias c).- Sistemas colgados: Tal como indica el enunciado, el sistema consiste esencialmente en que los pilares van colgados. Existen dos sistemas de ejecución y en ambos se queda la planta baja y el sótano exentos de pilares. 386

389 Construcción de estructuras metálicas En la solución de la izquierda, se disponen dos filas de pilares o núcleos de hormigón armado, unidos por su parte superior mediante una gran jácena de hormigón armado, de la cual van colgados los soportes metálicos o elementos verticales que sostienen la estructura del edificio. En la opción de la derecha, se dispone de un gran núcleo de hormigón armado, con una plataforma de hormigón armado en su coronación, a modo de seta, de la que, al igual que en el sistema anterior, van colgados los soportes metálicos. Debe cuidarse la unión de los nudos, ya que los soportes metálicos trabajan a tracción y la resistencia a tracción de la soldadura es limitada. Conviene colocarle, aparte de la soldadura, tornillos de alta resistencia. Tanto en los sistemas en voladizo como colgados, los núcleos y cabezas se construyen de hormigón armado, consiguiendo de esta forma tanto la rigidez necesaria a los esfuerzos horizontales, como la protección contra el fuego, aprovechando los núcleos centrales para la ubicación de los transportes verticales (ascensores y escaleras). Jácenas H.A Plataforma H.A Núcleo Soportes tracción suspendidas de la jácena Núcleo pilares de H.A. Soportes tracción suspendidos de la plataforma P.baja Sótano 1 Sótano 2 Sótano 3 P.baja Sótano 1 Sótano 2 Sótano 3 pilares de H.A. VOLADIZOS. DISPOSICIÓN Y EJECUCIÓN. Si la longitud del voladizo es pequeña, existen tres sistemas para solucionar el vuelo: 387

390 Estructura metálica en edificios de viviendas a).- Prolongar las jácenas, soldándolas a los pilares, por la parte exterior. Esta solución es válida solamente para voladizo pequeños, puesto que la jácena volada no tiene contrapesa o continuidad en el interior del vano, y toda su resistencia se confía a la soldadura de unión con el pilar, que al ser voladizo existen tracciones importantes. Jácena interior Pilar IPN Jácena voladizo Forjado a)-prolongar las vigas soldándolas a los pilares Jácena interior Pilar IPN Jácena voladizo PLANTA 2 UPN A TOPE IPE IPE ALZADO 388

391 Construcción de estructuras metálicas b).- Soldar las viguetas del voladizo a los pilares y a la viga de fachada. Jácena interior Pilar IPN Jácena fachada (torsión) zuncho de borde Forjado Viguetas soldadas a la jácena e fachada(torsión) Vigueta soldada al pilar b)-soldar trozos de viguetas a pilares y viga de borde Esta solución tiene el inconveniente de producir importantes torsiones a la jácena de fachada, ya que las viguetas del voladizo van soldadas lateralmente a ella, sólo por el lado exterior. Al efectuar el cálculo debemos tener presente dichas torsiones. Para evitar o, al menos, disminuir esas torsiones, se colocan pletinas metálicas que enlazan la vigueta en voladizo con un par de viguetas del interior. Estas pletinas se suelen colocar en viguetas voladas alternas, con lo cual el tirón de torsiones sobre la jácena de fachada se reparte parcialmente entre las viguetas de forjado interiores. Pletina (viguetas alternas) Voladizo Jácena 389

392 Estructura metálica en edificios de viviendas c).- Si las jácenas son paralelas a la fachada, se pueden prolongar las viguetas de forjado para que trabajen como continuas, en la zona interior y en el voladizo. Jácena interior Pilar IPN Jácena fachada c)-prolongar las viguetas del forjado Forjado En caso de que las viguetas de forjado vayan embrochaladas a las jácenas, al quedar la vigueta dividida en 2 tramos (interior y voladizo), si el voladizo es grande, con tracciones importantes en la zona soldada, existe la opción de soldarle a dichas viguetas una pletina por su parte superior, que actúa como conector de tracciones, solidarizando dicha unión (vigueta interior, jácena y vigueta volada), tal como se detalla a continuación. Voladizo Vigueta IPN Jácena Pletina (conector tracciones) Voladizo Vigueta IPN Jácena 390

393 Construcción de estructuras metálicas En el extremo de los voladizos se coloca una correa perimetral o de borde, que une las puntas de todas las viguetas de forjado, pudiendo disponerse un perfil UPN, un angular, pletina, o bien un zuncho de borde de hormigón armado, con sus armaduras soldadas al extremo de las viguetas voladas. Vigueta IPN Voladizo jácena IPN Correa de borde UPN angular Vigueta IPN Voladizo jácena IPN 391

394 Estructura metálica en edificios de viviendas Pletina (Conector tracciones) Cercos soldados a la vigueta metálica Voladizo Jácena Zuncho de borde de H.A. vigueta IPN voladizo Jácena IPN Zuncho de borde de H.A. con 3 En caso de voladizos mayores y de gran peso en los extremos (soportan cerramientos de fachada, etc.) se originan grandes momentos de vuelco que intentaremos compensar anclando las vigas una longitud suficiente dentro del edificio. Para ello tenemos dos opciones: 1).- Colocar una viga pasante por dentro del pilar, si el tipo de pilar nos lo permite, con lo cual tendríamos una viga volada continua de una pieza, sobre la que apoyaría el forjado. 392

395 Construcción de estructuras metálicas SOPORTE 2 UPN VIGA PASANTE EN VOLADIZO PRESILLAS AS JÁCENA PARA APOYO DE LA VIGA PASANTE ALZADO SECCIÓN TROZO DE VIGA PARA APOYO DE LA VIGA PASANTE VIGA PASANTE FORJADO VIG EN PILAR 2 UPN EMPRESILLADAS VIGA PASANTE PRESILLAS 393

396 Estructura metálica en edificios de viviendas 2).- Si la opción anterior no fuese posible, debemos disponer dos vigas voladas, una por cada lado del soporte, apoyadas sobre ménsulas cortas o sobre jácenas colocadas entre pilares, tal como se ve en los dos esquemas siguientes. VOLADIZO CON VUELO BASTANTE GRANDE (1ª solución) Vigas Z. Borde Viguetas PILAR VIGAS VOLADAS FORJADO PILAR VIGA QUE PASA POR DEBAJO DE LAS DOS VIGAS PERPENDICULARES VOLADAS SOPORTE VIGA PASANTE VIGA VIGA UNIÓN DE VIGAS PASANTES Y VIGA TRANSVERSAL CON SOPORTE ALZADO FRONTAL 394

397 Construcción de estructuras metálicas VOLADIZO CON VUELO BASTANTE GRANDE (2ª solución) Vigas Z. Borde Viguetas FORJADO MENSULAS JÁCENAS SOPORTE VIGAS PASANTE UNIÓN DE VIGAS PASANTES Y VIGA TRANSVERSAL CON SOPORTE ESCALERAS. DISPOSICIONES. La disposición que se dé a la estructura metálica de la escalera dependerá del resto de la estructura del edificio, del hueco que quede para su formación, etc. 395

398 Estructura metálica en edificios de viviendas Los elementos estructurales sustentantes de las escaleras pueden ser: a).- De tramos inclinados apoyados sobre dos jácenas, con los rellanos volados (figura izquierda). b).- De tramos quebrados apoyados, en sus extremos, sobre jácenas (figura central). c).- Formados por vigas zancas paralelas (figura derecha). En los dos primeros casos, la losa está formada normalmente por dos perfiles metálicos UPN en los extremos y un perfil IPN en el centro, siguiendo la directriz de la escalera. Según sea el canto de la losa de escalera, el espacio que queda entre los perfiles metálicos que conforman la losa inclinada se soluciona: - colocando bovedillas de poco canto. - colocando bardos cerámicos y encima hormigón. - colocando un emparrillado metálico entre los perfiles y hormigonando toda la losa. - disponiendo perfiles metálicos cruzados entre zancas, que sirven de apoyo a los bardos. En las figuras siguientes se muestra una sección de las soluciones indicadas. 396

399 Construcción de estructuras metálicas La unión de los perfiles metálicos IPN y UPN de la losa de escalera, con las jácenas que la sustentan, puede efectuarse: apoyada, empotrada, etc. tal como vimos en temas anteriores. Las vigas zancas pueden ser rectas, tal como se muestra en el detalle siguiente, con las soluciones a ambos nudos. Constructivamente es más interesante solucionar el nudo B como se resuelve en la última figura, con un tramo corto horizontal, para evitar la componente horizontal, la cual queda absorbida por el codo, el cual, si es necesario, se rigidiza. CONSTRUCTIVAMENTE ES INTERESANTE SOLUCIONAR EL NUDO B ASI La solución indicada el las figuras siguientes corresponde a la unión de la viga zanca con las jácenas a las que accede, con un tramo horizontal, correspondiente al rellano. 397

400 Estructura metálica en edificios de viviendas NUDO B (otra opción) NUDO A (otra opción) Para luces normales las zancas se construyen con perfiles IPN o UPN si quedan ocultos, o bien en cajón cerrado si la zanca queda vista como en el caso de peldaños volados sobre zanca central. TIPOS DE ZANCAS Para luces normales: con perfiles IPN o UPN, si quedan ocultos En cajón cerrado si la zanca queda vista 398

401 Construcción de estructuras metálicas Para grandes luces se emplean vigas armadas. o bien vigas de celosía (en las que prolongando las barras horizontales y verticales se forma el apoyo del peldaño). Cuando se trate de luces muy grandes, o escaleras al aire libre, pueden utilizarse, como zancas las vigas de celosía, en las que prolongando las barrar horizontales y verticales de la propia celosía, forman el apoyo para los peldaños, tal como se observa en la siguiente figura. En edificios para viviendas las losas de escalera, aunque la estructura sea metálica, pueden construirse con hormigón armado, efectuando una unión correcta entre ambos, siendo aceptable la solución mediante soldadura de las barras longitudinales de la losa a las jácenas metálicas, tal como se detalla seguidamente. 399

402 Estructura metálica en edificios de viviendas REPARTO De la losa de escalera soldados a la jácena Armadura principal soldado a la jácena REPARTO PELDAÑOS. Los peldaños pueden tener sus huellas apoyadas en las zancas con laterales vistos, encajados en las zancas o apoyados sobre la propia losa, como vemos en los dibujos siguientes. Los peldaños pueden ser de chapa metálica, de madera (4 cm. espesor), o revestidos (cerámica, mármol, piedra natural, etc.). En edificios para viviendas se utiliza cualquier tipo de revestimiento, colocado sobre el peldañeado de ladrillo. 400

403 Construcción de estructuras metálicas En las perspectivas siguientes vemos una de las soluciones para escalera metálica en un edificio de varias plantas. La estructura sustentante está constituida por soportes. A nivel de rellano se han dispuesto jácenas formadas por perfiles UPN, con las alas hacia el interior. La zanca está formada por tres perfiles (perfil UPN en caras exteriores y perfil IPN en el centro). 401

404 Estructura metálica en edificios de viviendas 402

405 Construcción de estructuras metálicas En la siguiente perspectiva se detalla la solución de la escalera a base de tres vigas zancas (UPN en extremos y perfil IPN en el centro), así como el armado de la misma. 403

406 Estructura metálica en edificios de viviendas LOSA DE H.A. VIGA ZANCA IPN VIGA ZANCA UPN UNIONES DE JÁCENAS METÁLICAS Y PILARES DE HORMIGÓN ARMADO. Este tipo de estructuras, denominadas mixtas, cada vez se utilizan menos, fundamentalmente por la problemática de su unión, rigideces, etc. No obstante, en zonas rurales y edificios poco importantes, todavía se sigue utilizando. Igualmente es un método muy socorrido para intercalar plantas o altillos, en estructuras de hormigón armado ya construidas. Seguidamente vamos a estudiar las distintas formas de solucionar la unión entre ambos elementos, distinguiendo claramente dos tipos de uniones: la jácena apoya encima del pilar o apoya lateralmente. En ambos casos también distinguiremos si se trata de: - Unión en fase de construcción. - Unión con los pilares de hormigón armado ya construidos. 404 Unión en fase de construcción de la estructura. El objetivo fundamental es conseguir que exista buena conexión entre la jácena metálica y el pilar de hormigón armado, con el fin de que no se produzcan movimientos horizontales por falta de adherencia entre ambos. Para cargas pequeñas y edificios poco importantes, el sistema más usual, por resultar más cómodo y económico, consiste en apoyar directamente el perfil metálico sobre el pilar, sin utilizar placa metálica de anclaje, tal como se detalla en la figura siguiente. Presenta dos inconvenientes: la falta

407 Construcción de estructuras metálicas de conexión entre ambos materiales y, si la jácena metálica es grande, el estrangulamiento que se produce en el pilar, perdiendo continuidad, careciendo de cercos, etc. Se puede conseguir una mejor unión entre ambos elementos efectuando un taladro a la jácena y colocarle un redondo que atraviese por dicho orificio y se ate a las armaduras verticales del pilar, como se detalla a continuación. Armadura para anclar la viga IPN al pilar 405

408 Estructura metálica en edificios de viviendas Mejoramos dicha unión, soldando unas pletinas de unión entre la jácena y la armadura del pilar (en caso de pilar de medianería) o bien uniendo con una pletina soldada ambas jácenas (caso de pilar central). Pletina soldada a ambas jácenas Pilar H.A. Colocando, al mismo tiempo que construimos el pilar de hormigón, unas placas metálicas ancladas al mismo para, posteriormente, soldar la jácena sobre ellas, con las 3 opciones siguientes: - que se trate del pilar de última planta, en cuyo caso la placa de anclaje se colocará en la parte alta del pilar. - que la jácena acometa al pilar en un tramo intermedio, con placa de anclaje lateral. - que la jácena apoye encima del soporte, a nivel intermedio, con la placa de anclaje dentro del mismo. 406

409 Construcción de estructuras metálicas JÁCENA METÁLICA IPN PLACA Y PERNOS ANCLAJE JÁCENA IPN PILAR HORMIGÓN PLACA DE ANCLAJE EMBEBIDA EN EL HORMIGÓN arm.pilar H.A. IPN placa de anclaje Si la viga metálica es de una pieza, pasante, con carga importante y apoya encima del pilar de hormigón armado, la placa metálica colocada en la cabeza del pilar debe ir atornillada, para permitir un buen hormigónado del pilar, puesto que primero se colocan los pernos y una vez vertido el hormigón, se atornilla la placa. Para evitar transmisión de momentos al pilar se suplementa encima de la placa metálica otra placa más estrecha o un redondo soldado. Para evitar el posible pandeo del alma de la jácena se colocan cartelas de rigidización. 407

410 Estructura metálica en edificios de viviendas CARTELA DE RIGIDIZACIÓN (AMBOS LADOS DEL APOYO) VIGA METÁLICA IPN DE UNA PIEZA PLACA DE APOYO INTERMEDIA (OPCIONAL) PARA EVITAR TRANSMISIÓN DE MOMENTOS AL PILAR PLACA DE REPARTO O ANCLAJE MORTERO DE NIVELACIÓN (OPCIONAL) PILAR DE H.A. CARTELA DE RIGIDIZACIÓN POR AMBOS LATERALES VIGA METÁLICA PASANTE IPN TUERCA Y CONTRATUERCA MORTERO DE NIVELACIÓN PERNO DE ANCLAJE PLACA DE ANCLAJE O REPARTO PLACA DE APOYO INTERMEDIA SOLDADA A PALCA DE ANCLAJE CERCOS PILAR MÁS ESPESOS ARMADO PILAR (EXTREMO SUPERIOR DOBLADAS) PILAR DE HORMIGÓN 408

411 Construcción de estructuras metálicas Unión de 2 vigas metálicas con un pilar continuo de H.A., sin utilizar placas de anclaje para las vigas. Esencialmente el método consiste en introducir ambas vigas unos 10 cm. dentro del pilar, antes del hormigonado. Para anclaje de las mismas al pilar se le sueldan armaduras en la parte superior e inferior de las vigas. Para rigidizar la unión y evitar que al hormigonar el pilar, se salga el hormigón, se suelda, en cada lateral de jácena, un rigidizador vertical, que cumple ambas funciones. Ver figuras siguientes. 409

412 Estructura metálica en edificios de viviendas DETALLE DEL REMATE VIGA Y ARMADO DE ANCLAJE 410

413 Construcción de estructuras metálicas Unión cuando la estructura de hormigón está terminada. Previamente a la ejecución, debemos comprobar que los pilares son suficientemente resistentes para soportar la carga que vamos a suplementarle, existiendo dos posibilidades: a).- Que los pilares sean de suficiente resistencia. Existen fundamentalmente dos soluciones. Una consistente en anclar al soporte una placa metálica mediante tornillos de alta resistencia, con resinas epoxi o cualquier otro sistema. Sobre dicha placa soldaremos la jácena correspondiente, con ayuda del angular de apoyo. 411

414 Estructura metálica en edificios de viviendas Placa metálica de anclaje IPN Angular de apoyo Tornillos de alta resistencia Pilar de hormigón armado La otra solución consiste en la colocación de un collarín metálico que envuelve al pilar, sobre el cual soldaremos las jácenas. La unión del collarín y el soporte puede efectuarse con taladros, tornillos y resinas. Como medida de seguridad se le puede efectuar un pequeño cajeado al pilar, para que el collarín quede parcialmente embutido en el hormigón y no pueda deslizar verticalmente, tal como se detalla en las figuras siguientes. 412

415 Construcción de estructuras metálicas 413

416 Estructura metálica en edificios de viviendas b).- Que los pilares no tengan suficiente resistencia. Para reforzar el soporte el sistema más utilizado consiste en suplementarle cuatro angulares metálicos, uno en cada esquina, unidos con pletinas horizontales soldadas a los mismos. En base y coronación de los mismos, se colocan angulares metálicos horizontales, apoyados sobre la base inferior y base superior de dicho refuerzo, para asegurarnos del buen apoyo sobre el cimiento, jácena, etc. Sobre esa estructura suplementaria, mediante la colocación de presillas mayores, soldamos las correspondientes jácenas. Una vez finalizada la operación y acabada la soldadura, dichos refuerzos se revisten con mortero de cemento reparador, sin áridos, con lo cual se consigue que no se vea el refuerzo y que el mortero, al introducirse entre los angulares y el pilar primitivo de hormigón, maciza todo el conjunto y disminuye el posible pandeo de los perfiles hacia el interior. 414

417 Construcción de estructuras metálicas En el dibujo siguiente se detalla la unión del refuerzo con la jácena superior y con la zapata de cimentación, mediante angulares metálicos con las alas hacia el exterior, soldados a los angulares de refuerzo colocados en las esquinas, y anclados a la jácena y al cimiento con tornillos de alta resistencia. 415

418 Estructura metálica en edificios de viviendas ESTRUCTURAS MIXTAS. UNIÓN DE UN PILAR MIXTO CON VIGA DE HORMIGÓN ARMADO POR UN LATERAL Y CON VIGA METÁLICA POR EL OTRO. Las armaduras de la viga de hormigón armado que coincidan con el pilar metálico se soldarán al mismo y el resto se colocarán pasantes, que se anclarán con el pilar de hormigón armado. La viga metálica se soldará al perfil metálico del pilar mixto. Ver dibujos siguientes. pilar de hormigón armado pilar metálico Ø pasantes anclados en el hormigón armado Ø soldados al pilar metálico viga metálica IPN soldado al perfil metálico del pilar mixto viga de H.A. ALZADO SECCIÓN perfil metálico pilar mixto viga metálica viga de H.A. PLANTA 416

419 Construcción de estructuras metálicas ARRANQUE DE PILAR METÁLICO SOBRE PILAR, O ENANO, DE HORMIGÓN ARMADO. La placa de anclaje, para soldar el pilar metálico, se coloca encima del pilar de H.A. o del enano, con sus correspondientes pernos de anclaje y cartelas de rigidización en su unión con el pilar, tal como se detalla a continuación. 417

420 Estructura metálica en edificios de viviendas 418

421 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE DOS VIGAS METÁLICAS QUE ACCEDEN AL PILAR METÁLICO INFERIOR, CON PILAR SUPERIOR DE HORMIGÓN ARMADO MAS ANCHO QUE EL METÁLICO. La viga metálica está dividida en dos partes, puesto que el pilar metálico es continuo. Para darle continuidad a la viga en ambos lados, se colocan conectores de tracción y de compresión, frente a las alas de la jácena. En la parte superior de la misma, para asegurar su continuidad se le añade una cartela o conector de tracciones que una ambos laterales de la jácena. Para que la placa de anclaje del pilar superior, que es más ancha que la jácena, no vuelque, se añaden cartelas de rigidización verticales que unan el ala superior de la viga con el soporte inferior, del modo que se indica a continuación. 419

422 Estructura metálica en edificios de viviendas 420

423 Construcción de estructuras metálicas 421

424 Estructura metálica en edificios de viviendas UNIÓN DE VIGA METÁLICA CON VIGA DE HORMIGÓN ARMADO, PILAR INFERIOR DE H.A. Y PILAR SUPERIOR METÁLICO. Es necesario colocar placa de anclaje lateral para la viga metálica y placa de anclaje superior para el pilar de hormigón armado. Para esta placa de anclaje pueden aprovecharse las armaduras del pilar de H.A. para pernos de anclaje. 422

425 Construcción de estructuras metálicas 423

426 Estructura metálica en edificios de viviendas APOYO DE VIGA PLANA CONTINUA DE HORMIGÓN ARMADO SOBRE PILAR METÁLICO CENTRAL. La placa de anclaje que se coloca en la cabeza del pilar será de las dimensiones necesarias y dispondrá de los pernos de anclaje que necesite. La viga plana de H.A. dispondrá de cercos más espesos en el encuentro. VIGA DE H.A. PLACA DE ANCLAJE PARA VIGA H.A. PERNOS DE ANCLAJE SOLDADOS 424

427 Construcción de estructuras metálicas 425

428 Estructura metálica en edificios de viviendas 426

429 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE VIGA CONTINUA DE HORMIGÓN ARMADO CON PILAR METÁLICO DISCONTINUO INFERIOR Y SUPERIOR. Es necesario darle continuidad al pilar metálico, puesto que si en la parte inferior y superior de la viga plana existe pilar metálico, podría aplastarse el hormigón existente entre ambos pilares metálicos. La continuidad del pilar metálico se consigue colocando unos pernos de conexión vertical entre ambas placas de anclaje, soldados a ellas. 427

430 Estructura metálica en edificios de viviendas 428

431 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE VIGA PLANA CONTINUA DE H.A. CON PILAR INFERIOR DE H.A. Y PILAR SUPERIOR METÁLICO. Encima de la viga de hormigón se coloca la placa de anclaje para el pilar metálico, con sus cartelas de rigidización, y los pernos pueden ser independientes o bien utilizar la propia armadura del pilar inferior. 429

432 Estructura metálica en edificios de viviendas 430

433 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE VIGA PLANA CONTINUA DE H.A. SOBRE PILAR INFERIOR METÁLICO Y PILAR SUPERIOR DE HORMIGÓN ARMADO. Sobre el pilar metálico inferior se coloca la placa metálica de anclaje, con sus cartelas de rigidización y sus pernos de anclaje para el pilar superior. La jácena de H.A. va unida a la base del pilar de H.A. y llevará los cercos más juntos en dicho encuentro. 431

434 Estructura metálica en edificios de viviendas 432

435 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE VIGA METÁLICA, VIGA PLANA DE H.A., PILAR INFERIOR METÁLICO Y PILAR SUPERIOR DE HORMIGÓN ARMADO. Sobre el pilar metálico inferior se colocará la placa de anclaje con pernos que cruzarán la jácena plana y servirán de anclaje para el pilar superior de H.A. Se colocará una placa metálica vertical con sus pernos de anclaje, para sobre ella soldar la jácena metálica. 433

436 Estructura metálica en edificios de viviendas 434

437 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE VIGA PLANA CONTINUA DE H.A. CON PILAR METÁLICO CONTINUO. OPCION 1. Se sueldan al pilar metálico dos perfiles UPN, en la misma dirección que la jácena, que servirán para conexión pilar-viga de H.A. A la viga de H.A. se le colocarán los cercos más espesos en el encuentro, ya que la viga quedará colgada de los perfiles metálicos mencionados. Si existe diferencia entre tamaños de pilar inferior y superior, se colocará placa de anclaje superior. 435

438 Estructura metálica en edificios de viviendas PLANTA 436

439 Construcción de estructuras metálicas 437

440 Estructura metálica en edificios de viviendas UNIÓN DE VIGA PLANA CONTINUA DE H.A. CON PILAR METÁLICO CONTINUO. OPCION 2. La conexión entre ambos, que son continuos, se efectúa soldando al pilar metálico las armaduras de la jácena que coincidan con él. El resto de armaduras son pasantes y se conectan al pilar mediante cercos importantes soldados a él. 438

441 Construcción de estructuras metálicas UNIÓN DE VIGA PLANA CONTINUA DE H.A. CON PILAR METÁLICO CONTINUO. OPCION 3. Se suelda una placa metálica en cada lateral del pilar para anclaje de las jácenas metálicas. Para evitar pandeos de dichas placas se colocan cartelas de rigidización uniendo ambas con el pilar. 439

442 Estructura metálica en edificios de viviendas UNIÓN DE VIGA PLANA CONTINUA DE H.A. CON PILAR METÁLICO CONTINUO. OPCION 4. La solución es similar a la anterior, con la diferencia de que sólo se coloca placa de anclaje en un lateral, a la cual acometen ambas jácenas, una por cada lado. Para evitar pandeos se dispone, igualmente, de cartelas de rigidización que la conectan al pilar. 440

443 Construcción de estructuras metálicas ESTRUCTURAS COLGADAS. Soldadura a tracción y a cortante. Previamente al inicio del estudio de las estructuras colgadas de elementos situados en la parte superior, vamos a matizar la diferencia entre ambos tipos de soldadura. En la soldadura a tracción, la pieza colgada tira de la superior, con tendencia al arrancamiento de la soldadura. Para cargas importantes no es conveniente confiar toda la resistencia a la misma, por lo que es conveniente añadirle tornillos de alta resistencia, auxiliándonos de angulares y pletinas. En las piezas soldadas a cortante, la pieza desliza. En las figuras siguientes se observa la soldadura a cortante y a tracción. Soldadura a cortante JÁCENA JÁCENA PILAR PILAR COLGADO Soldadura a tracción Para evitar la soldadura a tracción y transformarla en soldadura a cortante, basta con añadir unas pletinas metálicas verticales uniendo ambos elementos y soldarlos. Si además se necesita más cordón de soldadura, pueden suplementarse en la parte alta angulares metálicos o cualquier otro perfil metálico, de unión entre ambos, para aumentar la longitud del cordón de soldadura, tal como se detalla en la figura siguiente. Si ambos perfiles no son del mismo ancho, es necesario recrecer el menor de ellos con elementos metálicos, hasta igualar los anchos. 441

444 Estructura metálica en edificios de viviendas Angulares por si falta cordón de soldadura JÁCENA Soldadura a las alas jácena Pletina metálica para colgar el pilar PILAR COLGADO Soldadura a cortante Pilar metálico colgado de viga metálica. Para cargas que no sean excesivamente grandes puede utilizarse la soldadura a tracción, tal como se observa en la figura siguiente. El pilar colgado tracciona el alma de la jácena, por lo tanto no hay abolladura de la misma. Sin embargo sí que puede existir doblado de las alas. Para evitarlo se colocan cartelas de rigidización en las alas, uniendo con soldadura éstas con el alma de la viga. Dichas cartelas podrán ser más o menos altas en función de cargas y dimensiones de los perfiles. cartelas de rigidización viga viga pilar colgado pilar NO HAY ABOLLADURA DEL ALMA (TRACCIONES) PERO SI QUE PUEDE HABER DOBLADO DE LAS ALAS INFERIORES. NECESARIO CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN ALAS. 442

445 Construcción de estructuras metálicas ESTRUCTURAS CON ELEMENTOS COLGADOS SIN UTILIZAR SOLDADURA. Pilar colgado de jácena. Con independencia de que el ancho de ambos elementos sea el mismo o sea diferente, un pilar se puede colgar de una jácena de la parte inferior o de la parte superior, siendo necesario colocar unas pletinas gruesas o perfiles verticales, una por cada lateral, para unir el pilar con la jácena, colocando pasadores metálicos que sean capaces de soportar los esfuerzos en la unión, tal como se observa en los dibujos siguientes. En el caso de el pilar se cuelgue del ala inferior de la jácena, si ésta es un perfil IPN, es necesario añadirle a la parte superior del ala inferior unas cuñas metálicas para horizontalizar el apoyo. Si las cargas del pilar fuesen más importantes, sería necesario colocar rigidizadores del alma y alas, para evitar abollamientos, tal como veremos más adelante. Perfil metálico UPN ó pletina gruesa JÁCENA Cuñas metálicas para horizontalizar el apoyo Perfiles ó pasadores metálicos fuertes PILAR COLGADO JÁCENA Pasadores importantes (1 ó 2) ó perfiles metálicos Perfil metálico UPN ó pletina gruesa PILAR COLGADO 443

446 Estructura metálica en edificios de viviendas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA METÁLICA, AMBOS DEL MISMO ANCHO. En la primera opción se utilizan pletinas o perfiles de cuelgue, pasadores metálicos y cartelas de rigidización. Y en la segunda se utilizan: pletina horizontal más ancha que ambos para unirlos con angulares y tornillos de alta resistencia. Las cartelas de rigidización de alma y alas se atornillan igualmente con la ayuda de angulares. Ver figuras siguientes. JÁCENA METÁLICA Pletinas o perfiles de cuelgue Carteles de rigidización Pasadores PILAR METÁLICO JÁCENA METÁLICA Tornillos de alta resistencia Cartelas de rigidización atornilladas Angulares atornillados PILAR METÁLICO 444

447 Construcción de estructuras metálicas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA METÁLICA. (PILAR MAS ESTRECHO QUE LA JÁCENA). Si utilizamos pletinas o perfiles de cuelgue, es necesario añadir elementos metálicos de relleno (pletinas, perfiles, etc.) para igualar los anchos. En la opción de utilización de tornillos y angulares no es necesario recrecer puesto que, la diferencia de anchos, favorece para la unión, puesto que se puede atornillar sin añadir cartelas intermedias. JÁCENA METÁLICA Cartelas de rigidización Pletinas o perfiles de cuelgue Pasadores PILAR METÁLICO JÁCENA METÁLICA Tornillos de alta resistencia Cartelas de rigidización atornilladas Angulares atornillados PILAR METÁLICO 445

448 Estructura metálica en edificios de viviendas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA METÁLICA (El PILAR MÁS ANCHO QUE LA JÁCENA). En la primera opción es necesario intercalar cartelas de rigidización, para igualar anchos, entre la jácena y las pletinas o perfiles de cuelgue. En la segunda opción se necesita cartela horizontal intermedia más ancha que el pilar, para disponer de espacio para colocar los angulares y tornillos de unión entre ambas piezas. JÁCENA METÁLICA Cartelas de rigidización hasta igualar anchos Pletinas o perfiles de cuelgue Pasadores PILAR METÁLICO JÁCENA METÁLICA Cartelas de rigidización atornilladas Tornillos de alta resistencia Angulares atornillados PILAR METÁLICO 446

449 Construcción de estructuras metálicas JÁCENA METÁLICA COLGADA DE PILAR METÁLICO (AMBOS DEL MISMO ANCHO). La solución es similar a las vistas anteriormente. En la primera opción, se conecta directamente ambas piezas con la pletina de cuelgue y con la ayuda de pasadores y cartelas de rigidización se ejecuta la unión. En la segunda opción es necesario intercalar una pletina horizontal, entre ambas piezas, para lograr espacio para colocar los angulares y tornillos de unión. Se necesita cartelas de rigidización para evitar abollamientos de: alas, alma y pletina horizontal intercalada. PILAR METÁLICO Pasadores Pletinas o perfiles de cuelgue Cartelas de rigidización JÁCENA METÁLICA PILAR METÁLICO Tornillos de alta resistencia Angulares atornillados Cartelas de rigidización atornilladas JÁCENA METÁLICA 447

450 Estructura metálica en edificios de viviendas JÁCENA METÁLICA COLGADA DE PÌLAR METÁLICO (PILAR MÁS ESTRECHO QUE LA JÁCENA). En la primera opción se necesitan cartelas o perfiles para igualar ambos anchos y cartelas de rigidización para evitar abollamientos de la alas o alma. En la segunda opción la unión es directa, sin intercalar pletinas entre ambos, puesto que al ser más anchaz la jácena, ya existe espacio para colocar los angulares. Igualmente necesita cartelas de rigidización en la jácena. PILAR METÁLICO Pasadores Pletinas o perfiles de cuelgue Cartelas de rigidización JÁCENA METÁLICA PILAR METÁLICO Tornillos de alta resistencia Angulares atornillados Cartelas de rigidización atornilladas JÁCENA METÁLICA 448

451 Construcción de estructuras metálicas JÁCENA METÁLICA COLGADA DE PILAR METÁLICO (PILAR MÁS ANCHO QUE LA JÁCENA). Para la opción primera es necesario colocar, en ambos laterales de la jácena, cartelas de rigidización, para igualar los anchos de ambos perfiles y poder colocar las pletinas verticales de cuelgue, con sus pasadores. En el segundo caso se necesita una pletina horizontal, más ancha que ambos perfiles, para poder colocar los angulares y las cartelas atornillados. PILAR METÁLICO Pasadores Pletinas o perfiles de cuelgue Cartelas de rigidización hasta igualar anchos JÁCENA METÁLICA PILAR METÁLICO Angulares atornillados Tornillos de alta resistencia Cartelas de rigidización atornilladas JÁCENA METÁLICA 449

452 Estructura metálica en edificios de viviendas JÁCENA METÁLICA COLGADA DE PILAR METÁLICO (PILAR MÁS ANCHO QUE LA JÁCENA), SIN UTILIZAR SOLDADURA, NI PASADORES O TORNILLOS. En ambos casos la jácena metálica atraviesa el pilar metálico, vaciando en el pilar el hueco necesario para que la jácena pueda ser pasante. Dicho hueco podrá adaptarse a la forma geométrica de la jácena o ser rectangular. PILAR METÁLICO Jácena pasante PILAR METÁLICO JÁCENA PASANTE 450

453 Construcción de estructuras metálicas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO (AMBOS DEL MISMO CANTO). En la solución atornillada, las pletinas verticales, una en cada lateral de las piezas, sirven de conexión para el cuelgue con tornillos. Para el cuelgue con pasadores, conviene colocar dos trozos de angular en las esquinas superiores de la jácena para evitar que el pasador de cuelgue esté en contacto con el hormigón. Las pletinas laterales y pasadores completan el cuelgue del pilar. JÁCENA DE H.A. Placa de anclaje Pasadores con terminación en rosca Pletinas o perfiles de cuelgue PILAR METÁLICO JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO Angulares embebidos en el hormigón Pletinas o perfiles de cuelgue Pasadores PILAR METÁLICO 451

454 Estructura metálica en edificios de viviendas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO (PILAR MÁS ESTRECHO QUE LA JÁCENA). Para colgar el pilar de la parte superior de la jácena, el sistema es idéntico al visto anteriormente, siendo necesario, en este caso, recrecer con pletinas o perfiles para igualar los anchos, para poder colgar con pletinas verticales y pasadores. En caso de colgar el pilar de la parte inferior de la jácena de H.A., se le coloca a ésta una placa de anclaje, con pernos atornillados, de la cual se cuelga el pilar metálico, mediante angulares y tornillos de alta resistencia. JÁCENA DE H.A. Angulares embestidos en el hormigón Pletinas o perfiles de cuelgue Pasadores Recrecido para igualar ancho con pletinas o perfiles PILAR METÁLICO JÁCENA DE H.A. Pernos atornillados Placa de anclaje Tornillos de alta resistencia Angulares para atornillar pilar placa anclaje PILAR METÁLICO 452

455 Construcción de estructuras metálicas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO (PILAR MÁS ESTRECHO QUE LA JÁCENA). Se introducen en la jácena, verticalmente por la parte inferior, unas pletinas o perfiles de cuelgue, entre los cercos, sin interrumpirlos, ancladas a la jácena con angulares y tornillos. De dichas pletinas, mediante pasadores, se cuelga el pilar metálico. JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO Angulares atornillados a la pletina Pletinas o perfiles de cuelgue introducidas en la jácena de H.A. entre cercos, sin interrumpirlos Pasadores PILAR METÁLICO 453

456 Estructura metálica en edificios de viviendas PILAR METÁLICO COLGADO DE JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO (PILAR MÁS ANCHO QUE JÁCENA) Para igualar el ancho de pilar y jácena, es necesario recrecer en los laterales de ésta, con pletinas o perfiles. Las pletinas verticales de cuelgue y los pasadores resuelven el resto de la unión. JÁCENA DE H.A. Angulares embebidos en el hormigón Recrecido para igualar ancho con pletinas o perfiles Pletinas o perfiles de cuelgue Pasadores PILAR METÁLICO 454

457 Construcción de estructuras metálicas JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO COLGADA DE PILAR METÁLICO (AMBOS DEL MISMO ANCHO). Las dos pletinas laterales de cuelgue y los tornillos o pasadores resuelven el encuentro, en ambas opciones. PILAR METÁLICO Pletinas o perfiles de cuelgue Pasadores con terminación en rosca Placa de anclaje JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO PILAR METÁLICO Pasadores Pletinas o perfiles de cuelgue Angulares embebidos en el hormigón JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO 455

458 Estructura metálica en edificios de viviendas JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO COLGADA DE PILAR METÁLICO (EL PILAR ES MAS ESTRECHO QUE LA JÁCENA. Existen tres opciones. En la primera el cuelgue de la jácena se efectúa por la parte exterior de ésta, a modo de abrazadera, mediante pletinas y pasadores. Es necesario recrecer el pilar con pletinas, para igualar anchos. PILAR METÁLICO Pasadores Recrecido para igualar ancho con pletinas o perfiles Pletinas o perfiles de cuelgue Angulares embebidos en el hormigón JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO Para la segunda opción, se coloca una placa de anclaje en la parte superior de la jácena de H.A. anclada con pernos atornillados, y con la ayuda de angulares y tornillos de alta resistencia se unen jácena y pilar. PILAR METÁLICO Angulares para atornillar pilarplaca anclaje Tornillos de alta resistencia Placa de anclaje Pernos atornillados JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADA 456

459 Construcción de estructuras metálicas Para la tercera opción, se colocan pletinas verticales por ambos laterales del pilar metálico, ancladas a la jácena de hormigón introduciéndolas en su interior, ancladas con angulares metálicos y tornillos. Las pletinas no deben interrumpir ni cortar los cercos de la jácena. Los pasadores que cruzan pletina y pilar metálico completan la unión. PILAR METÁLICO Pasadores Pletinas o perfiles de cuelgue introducidas en la jácena de H.A. entre cercos, sin interrumpirlos Angulares atornillados a la pletina JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO 457

460 Estructura metálica en edificios de viviendas JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO COLGADA DE PILAR METÁLICO (PILAR MÁS ANCHO QUE JÁCENA) Es necesario recrecer con pletinas en ambos laterales de la jácena, con objeto de igualar los anchos de ambos elementos. Posteriormente con pletinas de cuelgue y pasadores se completa la unión. PILAR METÁLICO Pasadores Pletinas o perfiles de cuelgue Recrecido para igualar ancho con pletinas o perfiles Angulares embebidos en el hormigón JÁCENA DE HORMIGÓN ARMADO 458

461 Construcción de estructuras metálicas OTRAS UNIONES. UNIÓN DE PILAR METÁLICO INCLINADO CON ZAPATA DE CIMENTACIÓN. La carga soportada por el pilar inclinado, al llegar a la zapata de cimentación, se descompone en dos, una de ellas de componente vertical, que es absorbida por el propio terreno y la otra inclinada, que es necesario absorber. Para lograr el equilibrio del conjunto es necesario estabilizar los siguientes puntos: - estabilidad vertical de la zapata, que se consigue con sus dimensiones y armadura necesarias. - estabilidad horizontal de la zapata en dirección del esfuerzo que le transmite el pilar. Se consigue con las dos vigas de arriostramiento, una de ellas trabajaría a tracción y la otra a compresión. - impedir que la placa de anclaje deslice, como consecuencia del empuje horizontal del pilar. Se logra con los propios pernos de anclaje, y además se le añade angulares metálicos soldados a la placa e introducidos en el hormigón, para refuerzo del conjunto. - inmovilizar la unión del pilar con la placa de anclaje, añadiéndole las cartelas de rigidización necesarias, soldadas a ambos elementos. Cartelas de rigidización PILAR INCLINADO Placa de anclaje Pernos de anclaje Angulares para evitar el deslizamiento de la placa de anclaje y rotura de pernos Viga de H.A. a compresión Zuncho Viga de H.A. a tracción Hormigón Parrilla de cimentación 459

462 Estructura metálica en edificios de viviendas ANCLAJE DE SOPORTE DE INERCIA VARIABLE CON LA CIMENTACIÓN. Normalmente los soportes de inercia variable están situados en las medianerías, por lo tanto son excéntricos respecto a la zapata de cimentación. En el detalle siguiente se puede observar que se le añade un trozo de perfil acartelado, uniendo la base del pilar y la placa de anclaje, con soldadura. pilar metálico cordón de soldadura perfil acartelado macizo de cimentación pernos de anclaje (Ø 20mm) ^ ALZADO taladro Ø50mm 0,05 tuercas de nivelación perfil acartelado placa de anclaje 0,05 PLANTA 460

463 Construcción de estructuras metálicas ENLACE DE PILAR METÁLICO APOYADO SOBRE VIGA METÁLICA. Las cargas que el pilar transmite a la viga, en su parte alta, pueden producirle abolladuras en el alma y doblado de sus alas. Para evitarlo es necesario colocar, a ambos lados de la viga, justamente debajo del apoyo del pilar, unas cartelas de rigidización, uniendo con soldadura ambas alas y el alma. pilar pilar cartelas de rigidización viga viga PUEDE PRODUCIRSE ABOLLADURA DEL ALMA Y DOBLADO DE ALAS. NECESARIO CARTELAS DE RIGIDIZACIÓN EN AMBOS CASOS. En el supuesto de que el pilar fuese más ancho que la propia viga, sería necesario intercalar entre ambos una pletina horizontal para apoyo del pilar. Para evitar pandeos de las alas y pletina, las cartelas de rigidización deben unir, por su parte inferior dicha pletina con las alas y alma de la viga. 461

464 Estructura metálica en edificios de viviendas EMPOTRAMIENTO DE VIGA METÁLICA EN SOPORTE METÁLICO. En capítulos anteriores se ha detallado la unión empotrada de ambos elementos, soldando toda la superficie en contacto entre ellos. Si era necesario un mayor empotramiento se recurría a añadirle cartelas de rigidización verticales, en su parte inferior y superior, uniendo ambos perfiles. El empotramiento indicado en el dibujo siguiente se basa en que, una vez soldada la totalidad de superficie de contacto entre ambos, se añade una pletina horizontal encima y otra debajo de la jácena, soldadas a jácena y pilar. Obsérvese que las pletinas añadidas abrazan lateralmente al pilar, con lo cual se consigue mayor longitud de soldadura, y al mismo tiempo, se evita que toda la soldadura trabaje a tracción, puesto que lateralmente al pilar, la misma trabaja a cortante. Pletina para refuerzo del empotramiento Pilar metálico 2 UPN Jácena metálica HEB Jacena Planta 462

465 Construcción de estructuras metálicas ENLACE DE JÁCENA Y PILAR METÁLICOS (JÁCENA MÁS ANCHA QUE EL PILAR). Si el pilar es de extremo, se añade una pletina vertical soldada al mismo, de ancho suficiente para el apoyo de la jácena. Se colocan los conectores de tracción y compresión necesarios, soldando todo el conjunto. Ver figura siguiente. En caso de tratarse de pilar central, si la viga es pasante, una vez colocada la viga y el pilar superior, se añaden las cartelas verticales de rigidización o continuidad del pilar. El espesor de estas cartelas debe ser como mínimo el mismo que las alas del propio pilar. 463

466 Estructura metálica en edificios de viviendas 464

467 Construcción de estructuras metálicas ENLACE DE PILARES DE DISTINTA SECCIÓN EN PLANTAS CONTIGUAS. Estos enlaces, para cargas importantes, ya se describió en temas anteriores, en el apartado de cambios de perfil en soportes. Si las cargas de los soportes no son excesivas, la unión o enlace mencionado, puede resolverse de forma más sencilla, tal como se indica en las páginas siguientes, donde se detallan las uniones en los casos más frecuentes: pilares forjados por 2 UPN a tope en cajón, formados por 2 UPN empresilladas y formados por un perfil HEB. En todos los casos, en las opciones de pilar central y de extremo. La solución adoptada para todos ellos, puesto que las cargas no son excesivas, consiste en intercalar una placa de transición, horizontal, en la unión entre ambos pilares y añadir las cartelas de rigidización necesarias. Todo ello de las dimensiones y con la soldadura que se requieran. 465

468 Estructura metálica en edificios de viviendas ENLACE DE PILARES EN PLANTAS CONTIGUAS DE DISTINTA SECCIÓN 466

469 Construcción de estructuras metálicas 467

470 Estructura metálica en edificios de viviendas ENLACE DE PILARES EN PLANTAS CONTIGUAS DE DISTINTA SECCIÓN 468

471 Construcción de estructuras metálicas 469

472 Estructura metálica en edificios de viviendas UNIÓN DE PILARES DE DISTINTA SECCIÓN EN PALNTAS CONTIGUAS 470

473 Construcción de estructuras metálicas 471

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475 BIBLIOGRAFÍA Estructuras de Acero en Edificación EA-95. Serie Normativas.- Ministerio de Fomento Instrucción de Acero Estructural. Instrucción EAE (pendiente de aprobación definitiva) Serie Normativas.- Ministerio de Fomento. Norma Española Experimental. Eurocódigo 3: proyecto de estructuras de acero. Aenor Estructuras de acero Ramón Argüelles Álvarez y otros Bellisco Ediciones Técnicas y Científicas Biblioteca de Detalles Constructivos. Estructuras de acero generales y estructuras de acero mixtas. Cype Ingenieros Los pilares: criterios para su proyecto, cálculo y reparación. Florentino Regalado Tesoro Cype Ingenieros Enlace viga-soporte. Un repaso intuitivo sobre su funcionamiento. Manuel Jiménez Domínguez Universidad de Granada Estructuras metálicas de edificios Juan Batanero y otros Altos Hornos de Vizcaya Guía de diseño para estructuras de celosía resueltas con perfiles tubulares. Iglesias Gorka y otros Banco de detalles constructivos Francisco Alcalde Pocero Marsay Ediciones S.L. 473

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