Diseño de Uniones en Acero

1. Acerca de este artículo

Este artículo explica el diseño de uniones en el módulo de acero pesado de StatiCAD: uniones de extremo de diagonal, uniones de extremo de viga (articuladas y de momento), base de columna y hoja de detalle de uniones. Se indica por orden dónde se define cada tipo de unión, qué magnitudes se introducen, qué verificaciones hace el programa y con qué hipótesis trabaja. Para un ejemplo paso a paso, véase el artículo Ejemplo resuelto: pórtico de acero con arriostramientos concéntricos.

info

Versión: El diseño de uniones se puede usar en las versiones en que están activas las funciones de acero pesado (Ultimate e Hybrid); en las demás versiones no se hace cálculo de uniones. En la versión Demo solo se dan las líneas de cálculo y el dibujo de detalle de las 3 primeras uniones (extremos de viga / diagonal y bases de columna en conjunto). Este artículo está escrito para la versión V.10.1.2.0.

Tabla 1 – Tipos de unión

Código	Unión	Dónde se usa	Fundamento
CB1	Diagonal de caja / tubo ranurada, soldada a la cartela	Extremo de diagonal	ÇYTHYE 13; TBDY 9.6.6 / 9.7.5
CB2	Diagonal de ángulo / perfil U, atornillada a la cartela	Extremo de diagonal	ÇYTHYE 13
CB3	Diagonal I / H, atornillada por las alas con cuatro ángulos	Extremo de diagonal	ÇYTHYE 13
KB1	Con placa de cortante simple	Extremo de viga articulado	ÇYTHYE 13
KB2	Con doble ángulo, atornillada	Extremo de viga articulado	ÇYTHYE 13
KB3	Con placa de extremo (altura parcial)	Extremo de viga articulado	ÇYTHYE 13
KM1	Con placa de extremo extendida, atornillada	Extremo de viga de momento	TBDY Anexo 9B.2
KM2	Con placa de ala atornillada	Extremo de viga de momento	TBDY Anexo 9B.3
KM3	Con soldadura a tope de penetración completa	Extremo de viga de momento	TBDY Anexo 9B.4
KA1	Placa base y pernos de anclaje	Base de columna	ÇYTHYE 13.7 / 13.8

2. Principios generales

2.1 Dónde se define la unión

Cada familia de uniones tiene un valor por defecto del proyecto y, si se desea, se puede personalizar para un solo elemento.

• Valores por defecto del proyecto: junto al cuadro Diseño de Uniones de Acero (ÇYTHYE 13) de la pestaña Ajustes Generales del Proyecto > Selección de Normativa hay dos botones. "Çapraz birleşimi…" abre el valor por defecto de los extremos de diagonal. El botón "Kiriş / kolon ayağı ▾" abre un menú: Kiriş ucu – mafsallı (KB1 – KB3), Kiriş ucu – moment aktaran (KM1 – KM3) y Kolon ayağı (KA1).
• Específica del elemento: el botón "Uç birleşimi…" de las propiedades de la viga edita por separado los extremos izquierdo y derecho de esa viga (o diagonal): "usar el valor por defecto del proyecto", "específica de este extremo" o "sin unión". En la base de columna, la columna se elige en la lista Kapsam de la ventana de base de columna.

El programa determina qué valor por defecto se aplica al extremo de una viga: a las vigas cuyo extremo es articulado se les aplica el valor por defecto de extremo de viga articulado, y a las vigas cuyo extremo transmite momento (sin articulación) y se unen a una columna de acero de la misma planta, el valor por defecto de momento.

2.2 Unión no definida e insuficiente

• Una unión no definida no afecta al elemento. Si el valor por defecto se deja "no definido", esa familia no se verifica; el resultado del elemento no cambia.
• Una unión insuficiente hace que el elemento sea "Insuficiente". Al final del análisis, en la lista de avisos se enumeran los elementos con unión insuficiente con sus mayores relaciones.
• Los casos fuera del alcance (el tipo no corresponde a la sección, un tipo de momento asignado a un extremo articulado, la viga se une al alma de la columna) se comunican con una línea informativa aparte; el resultado del elemento no se ve afectado.

2.3 Relación admitida

El valor "Oran ≤" del mismo cuadro (por defecto 0,90) es la mayor relación demanda / resistencia admitida en todas las verificaciones de unión; deja un margen para que la unión no se agote antes que el elemento. Las condiciones geométricas (distancia mínima al borde, separación, espesor de soldadura, límites de las tablas) son independientes de la relación: si no se cumplen, la unión se considera insuficiente y en el aviso aparece una nota de "geometría".

2.4 Disposición de la ventana

Todas las ventanas de unión tienen la misma disposición: a la izquierda las entradas, arriba a la derecha el esquema a escala y debajo la tabla de verificación (estado límite, demanda, resistencia, relación). Al cambiar un valor, la tabla y el esquema se actualizan de inmediato; las demandas se toman del último análisis. Si no se ha hecho el análisis, solo se muestran la geometría y las resistencias. En las ventanas de valor por defecto del proyecto, la fila inferior da el resumen de todos los elementos que usan el valor por defecto (cuántos son insuficientes, la mayor relación).

3. Uniones de extremo de diagonal (CB1 – CB3)

Se verifican la unión de la diagonal a la cartela y la de la cartela a la viga / columna. CB1 es la unión en que una diagonal de caja o tubo ranurada se une a la cartela con cuatro cordones de soldadura en ángulo longitudinales; CB2 es la unión en que una diagonal de ángulo simple o de perfil U se atornilla a la cartela, y CB3 aquella en que una diagonal I / H se atornilla a la cartela por sus dos alas con cuatro ángulos de conexión. Con "Çapraz tam kapasitesine göre" marcado, la demanda es la capacidad probable de la diagonal (TBDY 9.6.6); si se desmarca, se usan las fuerzas D·E. Para el detalle y la verificación a mano, véase la Sección 7.8 del ejemplo resuelto.

4. Uniones de extremo de viga articuladas (KB1 – KB3)

Son las uniones de cortante de vigas de acero con extremo articulado (viga – columna o viga – viga). La demanda es el esfuerzo cortante de la envolvente de combinaciones de carga y (en vigas de vano con diagonales) la fuerza axial.

4.1 KB1 – con placa de cortante simple

Figura 1 – KB1: extremo de viga con placa de cortante simple

La placa se une al apoyo (ala / alma de la columna o alma de la viga principal) con soldadura en ángulo a ambos lados y al alma de la viga con una sola fila vertical de pernos.

Entradas: espesor y material de la placa; diámetro y clase del perno; número de pernos; separación s; distancia al extremo e₁ y distancia al borde e₂; espesor de soldadura a_w; en la unión viga – viga, la profundidad y la longitud del recorte del ala superior.

Verificaciones: grupo de pernos (con la excentricidad entre la línea de soldadura y el eje de los pernos, perno más exterior), aplastamiento del agujero en el alma de la viga y en la placa, fluencia por cortante, rotura por cortante, rotura por bloque de cortante y flexión en la placa, soldadura placa – apoyo; si hay recorte, cortante, rotura por bloque de cortante y flexión en la sección del recorte del alma recortada.

4.2 KB2 – con doble ángulo

Figura 2 – KB2: extremo de viga con doble ángulo (ejemplo con recorte)

Dos ángulos de alas iguales se unen al alma de la viga con n pernos (doble cortante) y al apoyo con 2×n pernos; no hay soldadura. El segundo cuadro de la fila "Aralık s / kol b" es la longitud del ala del ángulo; el cuadro de espesor es el espesor del ángulo.

Además de las verificaciones de KB1, se verifican los pernos del apoyo (efecto combinado de cortante + tracción) y, si hay fuerza axial, la flexión del ala del ángulo. En los pernos del alma se tiene en cuenta la excentricidad (eje del perno – cara del apoyo); esta es una hipótesis del lado de la seguridad.

4.3 KB3 – con placa de extremo

Figura 3 – KB3: extremo de viga con placa de extremo

Una placa de altura parcial se une al alma de la viga con soldadura en ángulo a ambos lados y al apoyo con dos filas verticales de pernos (separación horizontal g). El ancho de la placa se toma como g + 2·e₂. Además de las verificaciones de pernos del apoyo y de flexión de la placa de KB2, se verifica el cortante del alma de la viga a lo largo de la soldadura.

4.4 Otomatik öner

El botón "Otomatik öner", conservando el tipo seleccionado, busca la unión con menos pernos y la placa más delgada que sirva en todos los extremos de viga que usan el valor por defecto (diámetro del perno, número, separación, dimensión de la placa / ángulo, espesor de soldadura). El resultado se escribe en los cuadros y se puede modificar a mano.

peligro

Atención: En las uniones de extremo de viga articuladas, el lado del apoyo (alma de la columna, alma de la viga principal) no se verifica por separado. No se exige un espesor máximo de la placa de extremo para su flexibilidad al giro.

5. Uniones de extremo de viga de momento (KM1 – KM3)

Son los detalles de unión viga – columna de los pórticos de momento dados en el Anexo 9B de TBDY 2018. Solo se verifican los extremos en que una viga de sección I / H se une al ala de una columna I / H (en la dirección del eje fuerte de la columna).

5.1 Demanda

La unión se diseña con el momento plástico probable de la viga (Anexo 9B.1.4):

• M_pr = C_pr·R_y·F_y·W_p; C_pr = (F_y + F_u) / 2F_y ≤ 1,2; en la unión soldada (KM3) 1,4.
• La distancia ℓ_h de la rótula plástica a la cara de la columna se toma, según el tipo, de las tablas del Anexo 9B.
• V_uc = (número de rótulas)·M_pr / (luz entre rótulas) + cortante de carga vertical; en la cara de la columna M_uc = M_pr + V_uc·ℓ_h.
• Coeficientes de resistencia: 1,00 en los estados límite dúctiles y 0,90 en los no dúctiles (Anexo 9B.1.4).

5.2 KM1 – con placa de extremo extendida

Figura 4 – KM1: unión de momento con placa de extremo extendida (ventana de valor por defecto del proyecto)

En cada ala hay cuatro pernos (dos fuera del ala y dos dentro). Si "Rijitlik levhası t_s" es mayor que cero, se verifica la unión con rigidizador; si es cero, la unión sin rigidizador.

Entradas: espesor, ancho (0: automático) y material de la placa de extremo; diámetro y clase del perno; p_fo y p_fi (de la cara exterior / interior del ala a la fila de pernos); distancia al extremo d_e; separación horizontal de pernos g; soldadura alma – placa de extremo a_w (0: penetración completa); espesor de la placa de continuidad de la columna t_sl (0: no hay).

Verificaciones: tracción de los pernos, flexión de la placa de extremo (línea de rotura), en la unión sin rigidizador cortante en la parte extendida, cortante y aplastamiento del agujero en los pernos del ala comprimida, soldadura del alma, flexión del ala de la columna; si no hay placa de continuidad, fluencia local, pandeo y arrugamiento del alma de la columna; si la hay, la fuerza que resiste la placa de continuidad.

5.3 KM2 – con placa de ala atornillada

Figura 5 – KM2: unión de momento con placa de ala atornillada (específica del elemento)

Las placas de ala se unen al ala de la columna con soldadura a tope de penetración completa y al ala de la viga con dos filas de pernos; en el alma hay una placa de cortante con una sola fila de pernos.

Entradas: espesor y ancho de la placa de ala (0: el ala de la viga); número de pernos del ala en una fila y número de pernos del alma; separación s y separación horizontal g; distancia al extremo e₁ y s₁ desde la cara de la columna al primer perno; espesor de la placa del alma; soldadura placa del alma – columna a_w; t_sl.

Verificaciones: pernos del ala (cortante + aplastamiento), fluencia por tracción, rotura, rotura por bloque de cortante y compresión en la placa de ala, rotura por bloque de cortante en el ala de la viga, placa de cortante del alma; además la condición del mayor diámetro de perno de la Ec.(9B.3).

5.4 KM3 – con soldadura a tope de penetración completa

Figura 6 – KM3: unión de momento con soldadura a tope de penetración completa

Las alas y el alma de la viga se unen al ala de la columna con soldadura a tope de penetración completa. El espesor de la placa de cortante del alma no puede ser menor que el del alma de la viga (9B.4.7a); la resistencia de la soldadura placa – columna se exige con la condición 9B.4.7(b) (a_w = 0: penetración completa, no se exige); entre los agujeros de acceso de soldadura se verifica el cortante del alma de la viga.

5.5 Límites de aplicación y placa de continuidad

Se controlan los límites de aplicación de las Tablas 9B.1 – 9B.3 del Anexo 9B (espesor y ancho de placa, separaciones de pernos, altura de viga y espesor de ala, altura de columna, relación luz / altura, clase de perno); la magnitud que queda fuera del límite se muestra en la fila "Geometri" con la nota "fuera del límite de la tabla" y la unión se considera insuficiente. Si TBDY 9.3.4.3 exige placa de continuidad y no se ha definido t_sl, la unión también se considera insuficiente.

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Alcance: Si la viga se une al alma de la columna (eje débil), el extremo se comunica como "fuera del alcance". En columna cajón, KM2 y KM3 se verifican sin exigir el lado de la columna; KM1 queda fuera del alcance. No existen la placa de extremo de ocho pernos ni la unión con sección de viga debilitada (9B.5). La zona de cortante no se exige dentro de la unión; se da en la línea TBDY 9.3.4.2 del informe de la columna.

5.6 Otomatik öner

El botón "Otomatik öner", conservando el tipo seleccionado, busca la unión más ligera que sirva en todos los extremos de momento que usan el registro. Orden de búsqueda: espesor de la placa de continuidad → (KM1) rigidizador → diámetro del perno → (KM2) número de pernos → espesor de placa → separación de pernos g → placa de cortante del alma y soldadura. En KM3 solo se buscan la placa de cortante, la soldadura y la placa de continuidad. El resultado se escribe en los cuadros y se puede modificar a mano.

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Si no se encuentra solución: La búsqueda solo cambia las dimensiones de la unión; no toca la sección de la viga ni de la columna. Si el ala de la columna es delgada o estrecha (p. ej. unir una viga IPE 400 a una columna HEB 300 con KM1), no pasa ninguna combinación de placa / pernos; la ventana muestra la nota "çözüm bulunamadı" y los cuadros no cambian. En ese caso debe aumentarse la sección de la columna o cambiarse el tipo de unión (KM3 no exige la flexión del ala de la columna). En KM2, la Ec.(9B.3) limita el diámetro del perno según el ancho del ala de la viga; en vigas de ala estrecha (p. ej. como máximo M16 en S275 IPE 400), los pernos del ala y la placa de cortante del alma con una sola fila de pernos muchas veces no bastan y la propuesta no encuentra solución.

6. Base de columna (KA1)

Figura 7 – Ventana de base de columna: valor por defecto del proyecto

Se verifican la placa base y los pernos de anclaje de las columnas de acero de sección I / H, cajón y tubo en la planta de cimentación. La ventana se abre por la ruta Ajustes Generales del Proyecto > Kiriş / kolon ayağı ▾ > Kolon ayağı (KA1).

6.1 Alcance y entradas

Con "Proje varsayılanı" seleccionado en la lista Kapsam, los valores introducidos se aplican a todas las columnas no personalizadas; "Önizleme kolonu" determina con las fuerzas de qué columna se calculan la tabla y el esquema. Al seleccionar una columna de la lista, en el cuadro contiguo se elige para esa columna "usar el valor por defecto del proyecto", "específica de esta columna" o "sin base de columna".

Tabla 2 – Entradas de la base de columna

Entrada	Explicación
Espesor tp	Espesor de la placa base
Longitud Lp / ancho Bp	Lp está en la dirección del eje fuerte de la columna. 0: automático (dimensión de la columna + 4·ea)
fck, A2/A1	Resistencia del hormigón de la cimentación y relación de la superficie de hormigón mayor que la placa (aumenta la resistencia al aplastamiento; como máximo 4 es efectivo)
Diámetro / clase, anclajes por borde	Los anclajes están en disposición de esquina; el número por borde es el mismo en las dos direcciones
Anclajes que transmiten cortante	Número de anclajes que se supone resisten el cortante (0: todos). En una placa con agujeros grandes puede que no trabajen todos los anclajes a la vez
Distancia al borde ea	Distancia del eje del anclaje al borde de la placa
Coeficiente de rozamiento μ	Cortante que resiste el rozamiento de la base en la columna comprimida (0: no se toma; mortero 0,55, hormigón 0,70)
Soldadura en ángulo aw	Soldadura columna – placa (0: penetración completa, no se exige)
Longitud de empotramiento hef	Longitud del anclaje dentro del hormigón. 0: no se exige el lado del hormigón
Extremo del anclaje	Recto, con gancho o con placa / tuerca
Placa de extremo bh	Lado de la placa de extremo cuadrada en el anclaje con placa
Borde de la cimentación ck	Distancia del eje del anclaje al borde de cimentación más próximo (0: ilimitado). Limita el perímetro del cono

Figura 8 – Ventana de base de columna: registro específico de la columna

6.2 Verificaciones y método

La demanda es la fuerza axial, los momentos y el cortante simultáneos de cada combinación de carga en el extremo inferior de la columna. Cada combinación se verifica por separado en el eje fuerte y en el eje débil de la columna; se muestra el resultado más desfavorable (en la tabla figuran la combinación y el eje determinantes).

• Aplastamiento del hormigón (ÇYTHYE 13.7): 0,85·f_ck·A₁·√(A₂/A₁), φ = 0,65.
• Flexión de la placa base: en el lado comprimido, el voladizo de la placa que sobresale de la columna; en el lado traccionado, entre el anclaje y el ala de la columna.
• Tracción y cortante del anclaje (ÇYTHYE 13.8 → 13.3.9, efecto combinado). Con excentricidad pequeña no se produce tracción en los anclajes; se produce con momento grande o cuando la columna está traccionada.
• Soldadura columna – placa.
• Geometría: distancia mínima al borde, separación de anclajes, que el anclaje quede fuera de la sección de la columna, espesor mínimo de soldadura.

6.3 Lado del hormigón del anclaje (TS 500)

Al introducir la longitud de empotramiento h_ef, también se exige la resistencia del anclaje dentro del hormigón. Las resistencias de diseño se toman f_ctd = 0,35·√f_ck / 1,5 y f_yd = F_yb / 1,15.

• Anclaje por adherencia (anclaje recto y con gancho; TS 500 Artículo 9.1.2): l_b = 0,12·(f_yd / f_ctd)·φ ≥ 20φ; si φ > 32 mm se aumenta con 100 / (132 − φ). El anclaje de extremo recto se trata como una barra corrugada (roscada en toda su longitud) y el anclaje con gancho como una barra lisa; en el de gancho l_b se multiplica por 1,5. La longitud necesaria se reduce con la relación entre la fuerza de tracción en el anclaje y la fuerza de fluencia (como mínimo l_b / 2 y 20φ). Relación = longitud necesaria / h_ef.
• Cono de hormigón (anclaje con placa; analogía con el punzonamiento de TS 500 Artículo 8.3.1): la tracción total del grupo de anclajes del lado traccionado se compara con la resistencia V_pr = f_ctd·u_p·h_ef, con el perímetro u_p a una distancia h_ef / 2 de las placas de extremo. El borde de la cimentación c_k limita el perímetro.
• Aplastamiento de la placa de extremo (anclaje con placa; ÇYTHYE 13.7): aplastamiento del hormigón en el área neta de la placa.

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Adaptación: TS 500 no tiene un artículo aparte para la barra de anclaje. Los controles de aquí son una adaptación a los anclajes de las reglas de anclaje de armaduras y de punzonamiento; así se indica también en la línea del informe. No se exigen la rotura de borde del grupo de anclajes bajo cortante, el desprendimiento lateral ni la transmisión de fuerza a la armadura de la cimentación; en anclajes cercanos al borde o con tracción alta deben evaluarse aparte.

6.4 Otomatik öner

"Otomatik öner" busca la solución que sirva en todas las columnas que usan el registro: número de anclajes por borde → diámetro del anclaje → espesor de placa → distancia al borde → soldadura → (si h_ef está definida) la longitud de empotramiento suficiente más corta. La longitud / ancho de la placa se deja automático (0). El resultado se escribe en los cuadros y se puede modificar a mano.

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Lo que no se exige: No están en el alcance la llave de cortante, la interacción de flexión biaxial ni las bases de columna fuera de la planta de cimentación. Si se cambia el nombre de la columna, el registro de base de columna específico de esa columna no coincide y la columna vuelve al valor por defecto del proyecto.

7. Informe de cálculo

Los resultados de las uniones se añaden a los informes de elementos de acero: en las páginas de viga y diagonal, para cada extremo, una línea de unión (tipo, dimensiones, demanda, relación de todos los estados límite, estado de la geometría, UYGUN / X), y en la página de columna la línea de base de columna. En los elementos con los dos extremos iguales se escribe una sola línea. Las relaciones que superan el límite se muestran en rojo.

8. Hoja de detalle de uniones

Figura 9 – Hoja de detalle: detalles de extremo de diagonal y de extremo de viga articulado

El comando "Çelik Birleşim Detay Paftası Çiz" del menú del botón derecho en la pantalla del modelo (con un elemento seleccionado o en un área vacía) abre un dibujo nuevo en la pantalla de dibujo y dibuja los detalles de todas las uniones verificadas en el último análisis. Los extremos con las mismas dimensiones se reúnen en un solo detalle; bajo cada detalle se escriben los elementos a que se aplica. El detalle contiene el elemento, la placa / ángulo, el patrón de pernos, las soldaduras, las cotas y una columna de explicaciones. La base de columna se dibuja en planta y en vista lateral.

Figura 10 – Hoja de detalle: extremos de viga de momento y bases de columna

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Reglas de dibujo: Los detalles están a escala. Los extremos de diagonal que se unen a la esquina columna – viga (CB1, CB2) se dibujan con la geometría real de la esquina: la cara de la columna y de la viga, el ángulo θ de la diagonal, el polígono de la cartela y las longitudes de borde L_b / L_k en las dos caras. Los nudos con ángulo o longitudes de borde distintos son detalles distintos. En las soldaduras hay un símbolo de soldadura: en la soldadura en ángulo un triángulo y la cota a, en la soldadura a tope de penetración completa un signo V. Las soldaduras se dibujan con doble línea morada y los pernos en rojo; para ello se abren las capas CelikBulon y CelikKaynak. La hoja no se dibuja si no se ha hecho el análisis o no hay uniones verificadas.

9. Hipótesis y límites conocidos

• Para las uniones de momento, TBDY Anexo 9B da solo el alcance, los coeficientes de resistencia, el momento plástico probable, la posición de la rótula plástica y los límites de aplicación; las relaciones de los estados límite se han tomado de los pasos de ANSI/AISC 358 en que se basa el Anexo 9B.
• En la base de columna, ÇYTHYE da solo el aplastamiento del hormigón y la verificación de tracción + cortante del anclaje; el dimensionamiento de la placa base es por el método del bloque rectangular de tensiones de AISC Design Guide 1.
• El lado del hormigón del anclaje se exige con la adaptación de las reglas de TS 500 y solo cuando se introduce la longitud de empotramiento (Sección 6.3).
• En el extremo de viga articulado no se exige el lado del apoyo (Sección 4.4).
• En la hoja de detalle los símbolos de soldadura están simplificados (no hay distinción de soldadura de obra / taller ni signo de soldadura perimetral); en los detalles de CB3 y de extremo de viga el apoyo es esquemático.
• Los resultados de las uniones son del último análisis; al cambiar la unión o el modelo debe repetirse el análisis.

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Responsabilidad: La adecuación de los detalles de unión a las condiciones de fabricación y montaje, las cualificaciones de soldadura y las reglas de práctica local deben ser evaluadas aparte por el ingeniero responsable del proyecto.