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UNIDAD DIDÁCTICA 16.

DISEÑO DE UNIONES ECONÓMICO

DISEÑO Y CÁLCULO DE UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

En la elaboración de este texto han colaborado: D. Luis Miguel Ramos Prieto D. Alfonso Fuente García D. Rodrigo del Río Miguel

Este texto es propiedad integral de la Asociación Española de Soldadura y Tecnologías de Unión, en adelante CESOL. Queda terminantemente prohibida cualquier reproducción del mismo sin autorización expresa por parte de CESOL.

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 1 2. COSTES EN UNA ESTRUCTURA DE ACERO ......................................................................................... 5 3. CONSEJOS PARA UN DISEÑO ECÓNOMICO ..................................................................................... 11 3.1. CONSIDERACIONES GENERALES DEL PROYECTO ............................................................................ 11 3.2. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA ........................................................................................................... 17 3.3. DISEÑO DE UNIONES ...................................................................................................................... 21 3.4. ELECCION DEL MATERIAL ............................................................................................................... 29 3.5. FABRICACIÓN ................................................................................................................................. 31 3.5.1. SOLDADURA ............................................................................................................................ 35 3.5.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN .................................................................................... 48 3.6. MONTAJE ........................................................................................................................................ 51 3.6.1. TORNILLOS .............................................................................................................................. 57 ANEXO A. RESUMEN DE CONSIDERACIONES EN LA FASE DE DISEÑO .................................................. 60 ANEXO B. DEFINICIÓN DE ACERO ESTRUCTURAL ................................................................................ 61 ANEXO C. NORMAS RELATIVAS A TOLERANCIAS ................................................................................. 64 ANEXO D. BASE DE DATOS DE COSTES ................................................................................................ 66

Curso de formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura–IWE

Revisión 2–Agosto 2016

Módulo V. Unidad didáctica 16. III


1. INTRODUCCIÓN Existen varios conceptos erróneos acerca de los costes de una estructura de acero, el más común es que la solución más económica para realizar una estructura de acero es la que se ejecuta con menos toneladas de acero. Sin embargo, menos peso normalmente va acompañado de mayor complejidad, porque se añaden puntos de la estructura donde es necesario rigidizar, y elementos con mayor dificultad para fabricar y montar, mayores tiempos de ejecución, y mayores elementos para fabricar y montar. Como es lógico cualquier ahorro en los costes de mano de obra tiene una mayor influencia en los costes de la estructura de acero que el ahorro en material. Es importante tener en cuenta la relación entre coste por kg de acero y coste por hombre y hora. Teniendo en cuenta que en el coste por hombre y hora se incluyen los conceptos salariales, costes de la maquinaria, consumibles e instalaciones empleadas, y costes indirectos, tendríamos que por cada hora ahorrada en taller, se podrían añadir 60-80kg de acero a la estructura, y que por cada hora ahorrada en montaje se podrían añadir 80-100kg de acero a la estructura sin ningún incremento en el coste de la estructura. Exponemos a continuación varios ejemplos sencillos para entender que un ahorro en el material no implica directamente el coste mínimo: Ejemplo 1: En las placas base representadas en la siguiente figura, es evidente que la placa base de mayor espesor sin rigidizadores es la solución más económica.

Figura 1.1. Ejemplos de placas base. (a) placa base sin rigidizar (b) placa base rigidizada

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Modulo V. Unidad didáctica 16. 1


Placa base espesor 30mm

Placa base espesor 20mm

Peso placa base = 68kg Ml soldadura= 1,5ml

Peso placa base y rigidizadores =75kg Ml soldadura = 7,2ml

Número de piezas = 1

Número de piezas = 7

Podemos comprobar que con un espesor de la placa base menor tenemos un aumento de peso debido a los rigidizadores, y que los metros lineales de soldadura se multiplican por 5, pero además hay que añadir las siguientes inconvenientes de la solución b): •

La fabricación es más complicada debido al mayor número de piezas

•

La dificultad de para la ejecución de las soldaduras

•

El montaje del pilar es también más costoso debido a los peores s a los anclajes

•

La placa base ite menores desviaciones en el montaje

•

Acumulan agua cuando se disponen a la intemperie, o hacen necesario realizar taladros para permitir desaguar, incrementando así el coste de fabricación.

•

Tienen mayor altura, requieren de mayor una cota inferior de cimentación, si no se desea dejar las cartelas por encima de la solera.

Ejemplo 2: Entre las vigas representadas en la figura, la primera opción representa una viga más ligera a la que es necesario realizar una contraflecha, para que cumpla con los criterios de deformación establecidos, implicando a pesar de su menor peso, un mayor coste de fabricación.

Figura 1.2. Ejemplo de vigas. (a) con contraflecha (b) sin contraflecha

Ejemplo 3: Para un edificio de viviendas se presentan dos posibilidades para ejecutar los pilares: •

Realizar un pilar “escalonado” cambiando de perfil en cada planta, con la sección de menor peso que obtenemos del cálculo estructural.


Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Unidad didáctica 16.

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•

Realizar un pilar con la misma sección para varias plantas, de forma que el número de pilares a fabricar y montar disminuye considerablemente, y el coste de la estructura se reducirá. Como es lógico, los plazos de fabricación y montaje de la estructura se verán beneficiados con esta opción.

Figura 1.3. Pilares escalonados

Ejemplo 4: En una unión rígida tenemos la opción de colocar rigidizadores a continuación de las alas de la viga como refuerzo para cumplir la resistencia de ala como se muestra en la solución a, o la opción de aumentar la sección del pilar con el fin de incrementar el espesor del ala y evitar colocar rigidizadores siendo esta solución la más económica.

Figura 1.4. Ejemplo de ménsula para viga carril (a) rigidizada (b) no rigidizada Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




Ejemplo 5: Para la ejecución de las uniones entre vigas-pilar podemos adoptar un tipo de unión semirrígida que sea alternativa a la concepción habitual de uniones rígidas – articuladas Las uniones semirrígidas, si se comparan con las uniones rígidas y articuladas, son las que presentan un mayor equilibrio entre el coste de mano de obra y del material (Cabrero, 2006).

Figura 1.5. Uniones viga-pilar articuladas, semirrígidas y rígidas



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2. COSTES EN UNA ESTRUCTURA DE ACERO Cuando un fabricante elabora un presupuesto para un proyecto, valora los siguientes conceptos: •

Medición de los materiales cuyo pago se basa en peso (perfiles estructurales, chapa industrial…) incluyendo el material sobrante.

•

Costes de los materiales suplementarios, cuyo coste no está basado en peso (tornillería, útiles de montaje, consumibles, pintura…)

•

Mano de obra para cada operación, incluyendo los gastos generales.

•

Coste de todos los servicios externos necesarios, como pueden ser galvanizado, transporte y montaje.

•

Coste de la elaboración de los planos de fabricación

•

Coste de otros materiales comerciales, como pueden ser chapa de forjado, correas…

•

Posibles contingencias de la obra, la planificación de la misma, los riesgos y los costes financieros, y se realiza una valoración económica de todos estos aspectos El beneficio

•

Todos estos costes incluidos en el presupuesto anterior se pueden clasificar en cuatro categorías: Costes de materiales: Incluyendo perfiles estructurales, placas, chapas de forjado, tornillería, materiales de aporte, pintura y cualquier otro producto que se necesite comprar e incorporar al trabajo. También se incluye en este apartado los sobrantes de material (despuntes) que se producen en el proceso de fabricación, por ejemplo por el ajuste de longitudes que hay que realizar para obtener las longitudes necesarias a partir de los largos comerciales de las barras. El coste de los materiales ha descendido respecto al coste total en los últimos años. Costes de fabricación: Incluyendo los costes necesarios para preparar y realizar el armado y soldadura en taller de todos los conjuntos para su transporte y montaje en obra. Dentro de este coste se incluye la protección contra la corrosión aplicada en el taller. Es decir en esta categoría se incluye simplemente el coste necesario para preparar y ensamblar la estructura en taller. Este coste a pesar de la automatización de los talleres ha aumentado en los últimos 25 años. Durante las últimas décadas el precio del acero ha aumentado considerablemente menos que el precio de la mano de obra. Esta tendencia, junto con los desarrollos en la tecnología de fabricación, significa que los proyectos estructurales que eran óptimos hace unos años puede que actualmente no sean competitivos. A menudo es mejor ahorrar mano de obra aunque haya que poner más material. Costes de montaje: Esta categoría incluye los costes necesarios para descargar, elevar, situar y unir los conjuntos que forman la estructura de acero. Estos costes incluirán los gastos generales





y el beneficio. El coste de montaje ha incrementado su influencia en el coste total de la estructura, desde un 20% hace 25 años a un 30% en la actualidad. Otros costes: Esta categoría incluye todos las partidas no incluidas específicamente en las tres categorías anteriores, incluyendo los servicios externos como planos de taller y los costes adicionales asociados con el riesgo, la necesidad para contingencias, y las exigencias de planificación especificas del proyecto. Los costes típicos para esta categoría han incrementado en los últimos 25 años. En el mercado actual [según ITEA,2000] el trabajo, la fabricación y el montaje suponen normalmente el 60% del coste de la estructura de acero. Por contra, los costes de materiales suponen el 40% del coste de la estructura de acero. Claramente, menos peso no significa menos coste. De esta forma, la economía en el proyecto se maximiza cuando el diseño está configurado de forma que simplifica el trabajo asociado a la fabricación y el montaje. El 60% del coste de la estructura es función exclusiva del trabajo (diseño, fabricación y montaje) y es posible desglosarlo de la siguiente manera: •

10% diseño

•

30% fabricación

• •

20% montaje 10% protección contra la corrosión

Las uniones tienen una influencia sobre el 60% del coste de la estructura aproximadamente. Por lo tanto deberían tener un papel importante durante el diseño de la estructura.

Figura 1.6 Costes de una estructura de acero. Según Rachel Oldham (associate) and Alastair Wolstenholme (partner) of Gardiner & Theobald. The Steel Insight Series

Las uniones pueden ser caras, y conlleva mucho esfuerzo realizarlas durante el proceso de diseño y de ejecución. Revisión 2 –Agosto 2016


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El desarrollo correcto de todas las estructuras de acero depende tanto de sus uniones como de las secciones de sus perfiles. Las uniones atornilladas, y más concretamente las uniones rígidas tienen un comportamiento complejo. La distribución de las tensiones y las fuerzas dentro de la unión depende de la capacidad de las soldaduras, tornillos, secciones y de la ductilidad relativa de las partes conectadas. Por tanto, es necesario que el diseño de las conexiones sea coherente con las hipótesis del ingeniero de diseño sobre el comportamiento de la estructura del acero .Al elegir las uniones el ingeniero debe considerar siempre los requisitos básicos la rigidez / flexibilidad de la conexión, la resistencia y la capacidad de giro necesarias. La reducción del coste desde un punto de vista integral del diseño de la estructura y de las uniones, sólo se puede realizar implicando al fabricante de la estructura desde la fase de licitación de la estructura. Los tipos de uniones y las consideraciones de diseño deben quedar claramente indicadas en los planos. Las decisiones en el diseño que afectan al tiempo de ejecución son tan importantes como las que afectan al material. El diseñador de la estructura deberá seguir los siguientes principios generales: Realizar a cabo un diseño detallado El diseño completo de la estructura (cálculo de la estructura y de las uniones) debería estar finalizado antes del comienzo de la fabricación. Esto no sucede en la mayoría de los casos, por lo que hay que intentar minimizar los posibles cambios, especialmente si estos cambios implican modificaciones a realizar en obra. El diseño tendrá en cuenta cómo se va a montar la estructura (el método de montaje, la necesidad de arriostramientos temporales, cuando es posible quitar los arriostramientos, la estabilidad durante la secuencia de montaje, riesgos potenciales durante el montaje) Repetición y estandarización Con el aumento de la automatización en los procesos de diseño y fabricación, puede pensarse que la repetición, que es una forma de normalización, es menos importante hoy que en el pasado. Sin embargo, utilizar detalles estándar es quizás hoy más importante, se deben tomar detalles simples siempre que sea posible con el fin de reducir el trabajo de fabricación y realizar un montaje sencillo y seguro. Por ejemplo aumentar la sección de un elemento para permitir tomar una unión estándar, sin necesidad de rigidizar, puede traer beneficios económicos Realizar detalles para las tolerancias reales Tomar especial atención al resto de elementos que forman la construcción, para no realizar especificaciones superiores a las necesarias para el proyecto.





2.1. INGENIERIA DE TALLER Mediante la fabricación de la estructura en taller se consigue un alto control de la fabricación, alta calidad y reducción de errores de ejecución. Se consiguen además plazos muy reducidos de ejecución y montajes rápidos. Antes de comenzar las operaciones de fabricación, la oficina técnica del taller realizará una serie de tareas que se denominan ingeniería de taller, destinadas a obtener la información necesaria para la ejecución de la estructura. Para la realización de la ingeniería de taller está extendido el uso de software BIM, para disminuir la pérdida de tiempo y recursos en el diseño y la construcción. Este proceso produce el modelo de información del edificio (BIM), que abarca la geometría del edificio, las uniones entre los diversos componentes, las calidades de materiales, el tratamiento superficial, soldaduras, cerramientos, información de fabricación y costes…, posibilitando la realización de mejoras y cambios fácilmente, y la ejecución de estructuras complejas.

Figura 2.1. Las características del acero y la utilización de modelos BIM, permiten realizar geometrías complejas.

A partir del modelo BIM, se extrae toda la información necesaria para la fabricación, entre la que tendremos: Planos de taller, planos de montaje, listados de material y ficheros NC



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a) Plano de fabricación

b) Plano de montaje Figura 2.2 Ejemplos de planos de taller y planos de montaje





a) Lista de material

b) Fichero NC

Figura 2.3 Ejemplos de listado de material y de fichero NC



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3. CONSEJOS PARA UN DISEÑO ECÓNOMICO 3.1. CONSIDERACIONES GENERALES DEL PROYECTO Al inicio de un proyecto, existe una gran tentación de saltar de inmediato al diseño de la estructura. Generalmente, se invierte poco tiempo en la planificación del diseño, que normalmente viene impuesta por los plazos generales del proyecto, y se la sitúa en paralelo con otros tareas del proyecto creyendo que esto mejorará la productividad. Sin embargo, el tiempo dedicado a la planificación de las tareas siempre puede conllevar beneficios para el proyecto: planificación más ajustada, reducción de incertidumbre y de ahorro global de costes. Cuando se trabaja sobre una estructura de acero, el Jefe de Proyecto responsable de la estructura de acero realizará una estructura económica que se fabrica y monta más fácilmente, especialmente con una buena comunicación con el equipo de diseño del proyecto y con el equipo de construcción. Estos son los consejos generales a tener en cuenta a la hora de abordar la ejecución de una estructura de acero: La comunicación es crucial. Desarrollar un equipo de diseño para una ejecución de un proyecto que incluya al diseñador, al fabricante y al montador de la estructura, y que marque claramente las responsabilidades de cada uno. El intercambio de ideas y de experiencia es fundamental para el éxito del proyecto. Los principales beneficios serán: •

Las necesidades del diseño se conocen con exactitud, no existirán perdidas de información

•

Se aprovecha la experiencia de cada uno de los integrantes del equipo, pero principalmente los fabricantes y montadores cuya experiencia es esencialmente práctica adquirida en el día a día del desarrollo de proyectos anteriores

•

El desarrollo de los detalles puede comenzar rápidamente

•

Se evita la realización de trabajo duplicado

•

Se evitan de la realización de revisiones-aprobaciones de forma iterativa

•

El trabajo de oficina se minimiza

•

Es posible ahorrar costes

Los fabricantes y montadores están en la mejor posición para evaluar las siguientes cuestiones no estructurales: •

Capacidades del personal

•

Limitaciones de longitudes, ancho y peso en taller y en el montaje

•

Situación del entorno del montaje

•

Disponibilidad del material





Definir las responsabilidades de cada uno de los subcontratistas del proyecto. Los productos estructurales y no estructurales deben estar claramente definidos. Responder a la cuestiones del diseñador de forma ágil, los costes del diseño están en función directa del tiempo invertido. El desarrollo de un proyecto en el cual el diseñador, el fabricante y el montador están en sintonía puede ahorrar tiempos de forma significativa y de esta forma, la planificación del proyecto no se verá afectada. El Jefe de Proyecto responsable del diseño puede contribuir a una construcción eficiente revisando los planos de taller y respondiendo las cuestiones del fabricante y montador en un tiempo adecuado “Tiempo es dinero” La aprobación de las uniones debe ser de forma rápida Proporcionar respuestas claras y completas a las peticiones de información: Cuando el fabricante solicita una aclaración, una respuesta ágil, clara, y completa, dentro de las limitaciones de información disponible, beneficia a todas las partes. Si la petición de información se refiere a los planos de taller, lo más rápido es que la respuesta se realice sobre los propios planos. Minimizar cambios: Todos los cambios afectan en tiempo y dinero al proyecto. La aprobación de los planos de taller se deberá ajustar a las necesidades del proyecto. Permitiendo de esta forma una mejor organización del trabajo del taller. La planificación de los envíos y aprobaciones debe establecerse en las fases iniciales del proyecto. Identificar claramente todos los cambios y revisiones en los planos de diseño: La oficina técnica del fabricante necesita los detalles de las uniones para el desarrollo del proyecto. Realizar comentarios sobre las aprobaciones de forma clara, anotaciones confusas provocan malas interpretaciones y más trabajo de oficina. Los cambios y revisiones que se emiten después de la fecha del contrato en general tienen algún coste asociado con ellos. Estos cambios pueden generar situaciones críticas, por ejemplo, rehacer un pedido de material que se haya emitido, que los planos de taller se tengan que volver a realizar e incluso pueda existir material fabricado que se tenga que reformar. No se deben realizar revisiones durante el proceso de aprobación de los planos de taller. Si se requiere algún tipo de revisión sobre la estructura se indicarán en la respuesta de los planos de aprobación, y de esta forma se podrá incorporar incluyendo el resto de los comentarios. Evitar comentarios que estén sujetos a interpretación. Anotaciones en los planos que indiquen “suministrar tornillería, en caso de ser necesario”, “tornillería estándar”, o “según normativa vigente”.



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Evitar especificaciones generales, que no sean concretas. Como podría ser ”el fabricante y el montador suministrarán todo lo necesario para la ejecución de la estructura”, pueden tratarse de una expresión válida para cubrir aspectos legales, pero para llevarla desde el punto de vista del diseño implica un coste económico mucho mayor, debido a la incertidumbre en el alcance del suministro. Incluir toda la información acerca de la estructura de acero, en los planos de estructura. Eliminar referencias a los planos de arquitectura, eléctricos o mecánicos, suministrar toda la información necesaria en los planos de estructura. Esto proporciona claridad, y se evita pérdidas de información. Los planos referenciados se pueden utilizar como información suplementaria a los planos de estructura, por ejemplo como aclaración de un detalle constructivo, pero en todos los casos los perfiles estructurales, su disposición y las uniones, deben quedar definidas en los planos de estructura. Los planos de estructura deben ser revisados previamente a su emisión. Esta revisión incluirá la comprobación de la geometría, los perfiles estructurales, los detalles de uniones (tornillería, soldaduras, chapas…) Esta revisión deberá realizarse por una segunda persona, “Second set of eyes review” Avanzar cuestiones importantes en el precontrato. Cuando exista duda acerca de un detalle de la estructura o una práctica de ejecución consultar al fabricante y/o al montador, que aceptarán formar parte del equipo en estas etapas previas a la firma del contrato, puesto que se tratan cuestiones fundamentales para el desarrollo de la obra. Las reuniones previas a la licitación pueden comunicar los requisitos del proyecto y evitar malentendidos que pueden ser costosos. En muchas ocasiones se proporcionan sugerencias que ahorran costes sin recortar en calidad. Todas las uniones deben ser acordadas con el diseñador, y estar dispuestas en la fecha del contrato. Como hemos establecido claramente las uniones afectan enormemente al precio de la estructura, por lo tanto debemos tener disponible esta información para realizar las valoraciones económicas iniciales. Los calculistas de la estructura deben proporcionar todos los esfuerzos en los extremos, incluyendo cortante, momentos, torsores y esfuerzos axiales. Los planos que no muestren los esfuerzos pueden inducir a uniones más caras al realizarse el diseño de la unión de forma más conservadora, y con más riesgo de elegir un tipo de unión no coherente con los esfuerzos de cálculo. Los esfuerzos se deben agrupar por perfil e identificarlas como esfuerzos en estado límite de servicio o estado límite último. Preferiblemente entregar los esfuerzos en los extremos mayoradas (ELU) en lugar de esfuerzo sin mayorar (ELS). Al proporcionar los esfuerzos claramente identificados se reducen las peticiones de información. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




No ser excesivamente conservador – las uniones solamente necesitan resistir los esfuerzos de cálculo. Cumplir los valores mínimos de esfuerzos que establece la normativa, se indica a continuación los valores recogidos en el Artículo 56 de la EAE. NOTA: se indican en este apartado de la norma que si no tienen los esfuerzos o estos presentan incertidumbres, se tomen las uniones para los máximos esfuerzos que pueda resistir la unión. Este es un criterio de diseño antieconómico, siempre será conveniente resolver las incertidumbres y si fuese necesario re-calcular la estructura para obtener los esfuerzos reales. EAE§Artículo 56 Determinación de esfuerzos en las uniones y reparto entre los medios de unión 56.1 Esfuerzos en las uniones. Los esfuerzos que recibe una unión se determinarán a partir del análisis global de la estructura, realizado de acuerdo con lo dispuesto en los Capítulos II, Bases de proyecto, y V, Análisis estructural, de esta Instrucción. En dicho análisis global se tendrán explícitamente en cuenta los efectos de segundo orden y los de las imperfecciones de la estructura, cuando sean relevantes; y la propia flexibilidad de las uniones en cualquier caso. Las uniones se dimensionarán para resistir, al menos, los esfuerzos que reciben, calculados según se acaba de indicar. En ningún caso los esfuerzos a considerar, N Ed , M Ed ó V Ed se tomarán como inferiores a: - La mitad del esfuerzo axil plástico de la sección de la pieza, N Ed = 1/2 N p = 0,5Af y en piezas sometidas predominantemente a esfuerzos axiles, tales como soportes, tirantes, piezas de celosías, etc. - La mitad del momento elástico de la sección de la pieza, M Ed = 1/2 M el = 0,5 W e f y y una tercera parte del cortante plástico de la misma, V Ed = 1/3 V p ≈ 0,2A w f y en puntos interiores de piezas flectadas. Si la unión se encuentra a una distancia inferior a dos cantos del lugar donde se prevea la formación de una rótula plástica, se sustituirá la mitad del momento elástico M el por el momento plástico completo, M Ed = M pl = 2S y f y , salvo estudio detallado - Una tercera parte del cortante plástico de la sección de la pieza V Ed = 1/3V p ≈ 0,2A w f y en extremos articulados de piezas flectadas Se recomienda que, salvo que dichos esfuerzos hayan sido determinados con precisión y no puedan ser aumentados por la introducción de elementos nuevos en la construcción o por la presencia de elementos no considerados, las uniones se dimensionen para los máximos esfuerzos que las piezas puedan transmitir, en función de la forma de trabajo prevista para las mismas.



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Evitar uniones sobredimensionadas Las uniones deben de estar diseñadas para los esfuerzos de cálculo. El encargado del diseño no debería especificar que las uniones tienen que ser diseñadas para la máxima capacidad de sus perfiles si no es necesario. Las uniones sobredimensionadas incrementan el coste de la construcción y la posibilidad de problemas en obra. Una soldadura exagerada puede ocasionar problemas. Diseñar con cargas reales nos permite un uso más generalizado de uniones estándar lo cual siempre implica una mayor economía. Utilizar esfuerzos estándar puede ser excesivamente conservador en muchas ocasiones. Si el fabricante diseña las uniones, tiene que emitir un informe de cálculo para su revisión por el calculista. Además, el criterio de esfuerzos se ha de determinar en los documentos de contrato. Para las uniones cargadas axialmente y a momento se entrega un esfuerzo en el extremo real. Para las uniones a cortante, se pueden utilizar uno de los siguientes métodos (o una combinación): •

Entregar la esfuerzos reales de la viga en los extremos

•

Entregar una esfuerzo cortante agrupando las vigas por su canto

•

El ingeniero responsable de la estructura especifica que el cortante se determinará en base a un porcentaje de la capacidad de carga uniformemente distribuida de la viga.

En muchas ocasiones el criterio de diseño de las vigas es el Estado Límite de Servicio (deformaciones, vibraciones, aptitud al servicio), y se procura situar la unión en puntos de la viga donde los esfuerzos son menos desfavorables, por lo que si utilizamos esfuerzos en la unión tabulados puede resultar uniones excesivamente conservadoras.

Figura 3.1. Posición adecuada para situar una unión En muchas ocasiones también tenemos pilares y vigas en los cuales no es posible arriostrar, y los esfuerzos son muy inferiores a la capacidad resistente de las secciones, con lo cual utilizar esfuerzos en la unión tabulados resultaría conservador.





Detalles constructivos de última hora significan normalmente la revisión de numerosas piezas. Por ejemplo los huecos en forjados y cerramientos para las instalaciones, pueden llegar a costar una pequeña fortuna si no se tienen en cuenta previamente. Emitir documentos contractuales completos, cuando sea posible. Los planos de estructura y las especificaciones son el medio por el cual el propietario, el arquitecto y la ingeniería, comunica las necesidades y requerimientos de la estructura de acero al fabricante y al montador. Para saber que constituyen documentos contractuales completos, se puede tomar como referencia lo indicado en el AISC Code of Standard Practice, Section 3. Cuando el propio trabajo haga imposible detallar todos los documentos contractuales, se deberá indicar como mínimo, el alcance y el tipo de los trabajos, la envolvente de la estructura y el tipo de uniones que se realizarán. Definir claramente las partidas que incluyen elementos estructurales y no estructurales, Para evitar que se incluyan partidas a realizar por diferentes suministradores o partidas que no están claramente asignadas a un proveedor. Elementos como marcos para los huecos, estructuras para el ascenso, estructuras de cerramiento… pueden ser suministrados por más de un subcontratista. AISC Code of Standard Practice Section 2 nos indica que los elementos estructurales serán los que forman el marco estructural, para los cuales se indica expresamente su sección en los planos de estructura y tienen como función fundamental soportar las acciones sobre la estructura. No olvidar incluir los puntos básicos en los planos: •

Situar el norte en cada plano.

•

Representar la modulación de los ejes principales y los niveles.

•

Representar la disposición de los pilares.

•

Incluir las notas generales que cubren todas las especificaciones de pintura, uniones, tornillos

Revisar los planos de estructura para hacer detalles constructivos. Depurar las especificaciones generales para hacer proyectos específicos. Como es normal, se deberán indicar los detalles especiales con especificaciones mínimas Evitar especificaciones excesivamente restrictivas Realizar especificaciones de diseño realistas que unan las necesidades del diseño y los requerimientos a los proveedores. Especificar requerimientos innecesarios añade costes al proyecto. Indicar claramente los requisitos de la inspección en las especificaciones Deben indicarse el alcance y el tipo de inspección en el Plan de Puntos de Inspección (PPI). Revisión 2 –Agosto 2016


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Asegurarse de que los requerimientos de la inspección son apropiados para la estructura, como se indica en: UNE-EN 1090-1:2011§5.6.3 Características de fabricación 5.6.3 Características de fabricación Las características de fabricación deben evaluarse en relación con los requisitos que figuran en la especificación del componente. La fabricación de los componentes debe inspeccionarse y evaluarse conforme a los requisitos de inspección para la clase de ejecución especificada y los requisitos de tolerancia conforme a las disposiciones que figuran en la Norma EN 1090-2 para estructuras de acero o en la Norma EN 1090-3 para estructuras de aluminio. Es necesario programar las inspecciones en taller para reducir las interrupciones del proceso de fabricación. Asegurarse de que los planos indican los requisitos propios del proyecto. Esto evitará confusión. Es bastante frecuente encontrarse con planos que incluyen notas generales heredadas de otros proyectos y que no corresponde con las especificaciones del proyecto, pudiendo generar errores muy graves y confusión.

3.2. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA A la hora de calcular la estructura el calculista debe tener presente dos principios: •

Se diseña para cumplir las condiciones de servicio, y sobre ese diseño se comprueba la resistencia: Hay que hacer hincapié en que la estructura cumpla las especificaciones de uso de la misma, y

•

El cálculo de la estructura debe ser coherentes con el diseño de las uniones: Es necesario seleccionar las secciones y calidades del material adecuadas para adaptarse a la geometría de las uniones, y que las uniones sean coherentes con el modelo estructural en resistencia y ductilidad.

Elegir secciones de pilares suficientes para realizar las uniones Evitar el uso de perfiles HEA200 – HEB200 como pilares principales de en estructura de una envergadura significativa, y eludir totalmente el uso de los perfiles inferiores (



Evitar realizar uniones empotradas en el eje débil de los pilares. Los detalles de uniones empotradas con el eje débil de los pilares son complejos de diseñar, es complejo rigidizar el perfil en su eje débil, y no podemos considerar una idealización de la unión como empotrada. La poca rigidez del pilar en el eje débil resulta poco eficaz para crear un marco rígido en dicho eje Las dificultades para realizar la unión empotrada en el eje débil aumentan en gran medida cuando utilizamos secciones pequeñas de pilares. Utilizar vigas de canto mínimo 300mm para forjado, utilizar vigas de mayor canto en el caso que las vigas secundarias requieren encastres excesivos. Se recomienda para poder utilizar uniones estándar que se puedan unir al alma de la viga principal. Ser realista cuando se especifiquen contraflechas. No especificar contraflechas en la medida de lo posible. Exigir la contraflecha si es igual o mayor de 20mm, las contraflechas pequeñas no son prácticas. No indicar contraflechas por encima de los valores reales, las contraflecha son aproximadas debido a la que las uniones articuladas planteadas en los modelos de cálculo son ideales, y en la realidad, las uniones tienden a reducir las deformaciones. En cualquier caso, hay que tener cuidado al redondear la contraflecha calculada, y comprobar las contraflechas en vigas adyacentes, especialmente en vigas mixtas. Evitar vigas con un ancho del ala inferior a 100mm en las siguientes situaciones: • Vigas que requieren uniones atornilladas en las alas • Vigas sobre las que se apoyan correas de cubierta a ambos lados • Vigas perimetrales • Vigas se soporta la chapa de forjado, • Vigas sobre las que sea necesario soldar pernos. Considerar la revisión del esquema unifilar de barras en caso de uniones muy extremas. Colocar un apoyo extra para una viga o desplazar los extremos de las diagonales o montantes de una celosía, para realizar una fabricación y montaje más sencillo. Para el diseño de celosías con perfiles cerrados y de arriostramientos tener en cuenta en el cálculo las posibles excentridades.



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Figura 3.2. Es posible considerar excentricidades en celosías realizadas con perfil tubular para evitar realizar dobles cortes. Este desplazamiento tiene las limitaciones que establece la norma, que para el caso de la CTE serían las siguientes CTE SE-A§8.9.2 Análisis (Apartado 2) Pueden despreciarse las excentricidades que permanezcan dentro de los límites siguientes: -0,55 do ≤ e ≤ 0,25 do -0,55 ho ≤ e ≤ 0,25 ho siendo e es la excentricidad (figura 8.23); do es el diámetro del cordón; ho es la altura del cordón en el plano de la viga de celosía.





Considerar aumentar el canto de los perfiles que forman los cordones de una celosía, para realizar uniones con un solo corte en el extremo: Utilizar perfiles tubulares para los arriostramientos Es habitual el uso de perfiles angulares para arriostramientos en cubiertas y fachadas, dificultando en exceso su encuentro con los perfiles principales. Los perfiles tubulares permiten realizar la unión mediante cartelas, pudiéndola orientar para adaptarla a cada encuentro óptimamente. Reducir la separación entre correas en las zonas de acumulación de nieve: Esto es más económico que variar el espesor de la cubierta. Diseñar la estructura teniendo en cuenta las longitudes de barra comerciales, por ejemplo si diseñamos con un distancia entre pórticos de 6m, los perfiles entre pórticos (correas, vigas de forjado…) tendrán un aprovechamiento óptimo solicitando barras de 12m con fácil suministro en el mercado. Evitar encuentros de barras en ángulos agudos. Cuando se producen es imposible realizar las uniones de forma coherente. Es necesario tenerlo en cuenta a la hora de diseñar celosías y arriostramientos.



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3.3. DISEÑO DE UNIONES En el diseño de uniones debemos tener en cuenta aspectos generales entre los que se encuentran definir la tipología de uniones a realizar; estudiar, analizar y si es necesario ofrecer alternativas a las especificaciones del proyecto… Además tendremos que considerar las condiciones particulares de cada unión como puede ser asegurar un buen para efectuar las soldaduras y el atornillado en la obra. Planificación del diseño de uniones. El tiempo dedicado al diseño de las uniones debe ser equiparable con el tiempo dedicado al diseño de los perfiles. Siempre hay que tener en mente que la mayoría del trabajo de taller y de montaje está influenciado con las uniones, aproximadamente el 40% es relativo al coste de material. Las decisiones en el diseño de la estructura deben tomarse en consonancia con el diseño de las uniones. Para realizar un diseño de uniones debe existir una compatibilidad con el diseño de la estructura. No es posible diseñarlos independientemente Maximizar el trabajo en taller y reducir el trabajo en obra. Utilizar uniones atornilladas frente a uniones soldadas. Esto reduce los costes de montaje porque está menos influenciado por las condiciones climatológicas, y los costes de ejecución son mayores en obra. Utilizar uniones estándar cuando sea posible. Para uniones simples como uniones articuladas con doble casquillo de angular, o con cartela simple. Esto simplifica enormemente el trabajo reduciendo costes y dudas, puesto que todo el equipo de diseño, de fabricación y de montaje está familiarizado con estas uniones. Para uniones simples a cortante, permitir al fabricante elegir el estándar de uniones a cortante que le sea más económico para su taller. Cada fabricante tiene una preferencia por unas uniones a cortante, basada en su maquinaria de taller, la facilidad de montaje y las cargas cortantes indicadas en los planos. Usar uniones por un solo lado cuando sea posible. Normalmente no es posible diseñar utilizando uniones con chapa lateral (“fin plate”, “single plate”) o uniones con un único casquillo de angular en vigas sin arriostrar lateralmente debido a la baja resistencia a torsión de estas uniones. Sin embargo, la mayoría de las vigas están lateralmente arriostradas debido al plano arriostrado que forme con la estructura de cubierta o con vigas perpendiculares, y en estas ocasiones si podemos utilizar estos tipos de unión por un solo lado, cuando estas uniones satisfacen los esfuerzos de diseño.





En este punto podemos comprobar que es muy importante evitar esfuerzos en los extremos sobredimensionados, y trabajar con reacciones reales.

Figura 3.3. Las uniones por un solo lado facilitan el montaje Agrupa uniones similares en lugar de tener varias uniones diferentes. Las uniones en un proyecto deben ser tan uniformes como sea posible para ahorrar tiempo de fabricación y reducir la posibilidad de errores. Realizar un diseño simple, la simplicidad del diseño evita errores. Limitar el número métricas de los tornillos a una métrica (como máximo se utilizarán 3 métricas si es necesario) Esto reduces errores en obra y también errores en fabricación en líneas de taladrado que tienen que cambiar los husos manualmente. Algunos fabricantes/montadores guardan siempre por lo menos una diferencia de 5mm entre métricas de tornillos para impedir equivocaciones. Dejar un espacio libre adecuado para las uniones atornilladas y soldadas Asegurar un buen para que sea fácil efectuar: •

Las soldaduras, incluyendo su inspección

•

La protección contra la corrosión

•

El montaje

•

El mantenimiento

Utilizar uniones a cortante por un solo lado en perfiles cerrados. Utilizar uniones con un solo casquillo de angular o chapa simple, en lugar de realizar una ranura e insertar una chapa. Es preferible esta opción puesto que estos perfiles tienen una pared delgada Evitar las uniones a flexión en perfiles cerrados (HSS), estas uniones son muy caras



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Proporcionar detalles que representen claramente la idea del diseño. Esto eliminará malas interpretaciones y ahorrará tiempo. Evitar indicar el tipo de unión por el canto de las vigas: Las uniones se pueden suministrar a través de una tabla, sin embargo se debe evitar realizar uniones muy generales. Por ejemplo no es conveniente asignarle a las vigas IPE240 la misma unión, se trata de una viga que fácilmente podría tener la misma unión que otras vigas del similar canto. Evitar tablas vinculadas: En ocasiones las tablas están referenciadas a números de los extremos de las barras o a tablas difícilmente interpretables. La presentación de los requisitos de la unión deben ser lo más sencillo posible para minimizar o eliminar los errores. Agrupar las uniones en función del esfuerzo, no de la sección. A la hora de diseñar las uniones normalmente se agrupan los perfiles y se calcula por tipo de unión. Los esfuerzos se entregan en muchas ocasiones en tablas, será necesario ordenar la tabla según el esfuerzo en la unión. Por ejemplo, en el caso que tenemos una viga IPE300 con un cortante en el extremo de 100kN, y una viga IPE240 con el mismo esfuerzo en el extremo, resulta lógico diseñar la misma unión para las dos vigas, en lugar de agrupar la viga IPE240 con otras de su misma sección, pero de menor reacción. A la hora de agrupar uniones, tener en cuenta la repetitividad. Siempre tendremos en cuenta el criterio de la repetición, si tenemos un número de vigas IPE300 muy reducido será conveniente unificar aunque alguna unión en particular resulte excesivamente conservadora, sin embargo si la mayoría de las vigas de una planta son IPE300 y tiene esfuerzos muy diferentes las agruparemos en función del esfuerzo. Cuando se produce un error en taller o en obra que requiere reparación: 1. Solicitar un informe as-built. Esto muestra claramente el problema y elimina equivocaciones y malas interpretaciones 2. Plantear soluciones posibles conjuntamente con el fabricante y montador 3. Recordar siempre: el trabajo es caro, el material es relativamente barato 4. Decisiones y aprobaciones rápidas son necesarias para no interrumpir trabajos 5. Recordar que no todos los errores requieren corrección, comprobar que no superan las desviaciones permitidas y que las prestaciones de la estructura se mantienen. Revisar el tamaño de los perfiles para que las uniones en sus extremos sean fáciles de ejecutar: •

Preferiblemente las vigas principales deben tener por lo menos el mismo canto que las vigas secundarias.

•

Utilizar secciones HEB260 y HEB240 para pilares típicos. La distancia entre las alas hace que las uniones al alma sean más fáciles

•

Considerar utilizar perfiles mayores para eliminar rigidizadores





•

No unir vigas secundarias de canto menor de 200mm dentro del alma de grandes vigas principales. El espesor del ala de la sección principal hace que sea necesario encastres excesivo en la viga menor.

•

Proveer vigas con un ancho de alas adecuados para las vigas perimetrales. Sobre estas vigas se soporta la chapa de forjado, o es posible que sea necesario soldar pernos.

Cuando sea posible, utilizar las tolerancias estándar Las tolerancias muy ajustadas aumentan el coste y el tiempo de construcción de forma substancial. Permitir tolerancias que no perjudiquen la aptitud al servicio, puede facilitar enormemente el trabajo. Conocer las tolerancias es necesario para realizar un diseño realista, no es posible diseñar ciertos elementos de la estructura sin tener en cuenta las desviaciones que se producen en el material base, en la fabricación o en el montaje, para ello será necesario estudiar las tolerancias indicadas en la EN 1090-2:2008+A1:2011 y las relativas a los perfiles estructura. Los valores más importantes son los relativos a las dimensiones en altura de los perfiles, las inclinaciones de las alas del perfil y los giros de las chapas de cabeza. Para tener holguras para las desviaciones, diseñaremos huecos para rellenar con forros o cuñas, taladros sobredimensionados y taladros rasgados. Utilizar tolerancias más restrictivas, debe estar debidamente justificado por un ajuste más preciso con el resto de los elementos de la obra. Por ejemplo, para el diseño de una placa base de un pilar HEB300 de 12m de longitud, debemos tener presentes las siguientes tolerancias: •

Tolerancias de laminación para la sección del material (según EN10034 para perfiles I y H de acero estructural)

•

Tolerancias de laminación para la rectitud del pilar (según EN10034 para perfiles I y H de acero estructural)

•

Tolerancias de fabricación del pilar (según UNE-EN 1090-2:2011)

•

Tolerancia del replanteo de los pernos en obra (según UNE-EN 1090-2:2011)

Las tolerancias de laminación para la altura de la sección, y para el caso de una sección HEB300 tendríamos una tolerancia en altura de +4/-2mm: Para la rectitud de la barra tendremos que para una longitud de 12m, la desviación máxima permitida es de 0,0015x12000mm=18mm. Para la posición de la placa base respecto al pilar tendríamos 5mm. Revisión 2 –Agosto 2016


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Para la posición de los pernos en obra ±10mm Siendo estas las tolerancias permitidas por la norma, la experiencia nos indica que es posible encontrarse situaciones aún más desfavorables, con lo cual para una placa base es conveniente tener holguras mínimas en la posición de los taladros de los mismos de 15-20 mm. Tolerancia altura sección

Tolerancias rectitud barra

Tolerancias de posición de la placa respecto del pilar

Tolerancias del replanteo de pernos en obra

Cuantas más piezas hay en un detalle de unión más cara es para fabricar y para montar. Reducir el material suelto.“loose material” Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




A la hora de diseñar uniones con cubrejuntas: •

No especificar: “la unión debe resistir el máximo momento flector del menor perfil”

•

Reducir el número de cubrejuntas, especialmente para perfiles de sección cerrada. Algunas veces es más económico alargar una de las barras hasta otro nivel que añadir una unión con cubrejuntas

•

Para cubrejuntas de pilares-con perfil H, en los cuales las alas se unen mediante soldadura en obra (con soldaduras de penetración parcial o de penetración completa) es preferible utilizar una unión en el alma atornillada, para evitar utilizar elementos de auxiliares (orejetas). Esto hace el diseño, la fabricación y el montaje más fácil

•

Los cubrejuntas no deben tener el mismo ancho que el ala de la viga, por lo menos habrá que dejar libre un centímetro en cada lado de la viga en las uniones atornilladas con cubrejuntas en las alas. Si los agujeros de los tornillos están desalineados en obra, tendremos suficiente espacio libre para depositar una soldadura en ángulo longitudinal para compensar los tornillos perdidos.

Limitar la métrica de los tornillos a 24 o menor. Los tornillos mayores requieren equipos especiales, mayores distancias entre tornillos y al borde, y mayor dificultad para asegurar el apriete de tornillos pretensados. Utilizar, por ejemplo, tornillos M20 de calidad 8.8 (resistencia a la rotura 800 N/mm2 y límite elástico de 640 N/mm2) Nunca usar tornillos de la misma métrica y diferente calidad en un trabajo – esto podría inducir a errores Para facilitar a las uniones: utilizar para las uniones atornilladas taladros sobredimensionados, rasgados cortos y rasgados largos, y para uniones soldadas dejar espacio extra. Nunca usar tornillos de distinta métrica para la misma unión. Se utilizará una sola métrica por unión. Cuando las cargas son importantes, considerar tornillos de mayor métrica y/o tornillos de calidad 10.9 El coste del material del tornillo es aproximadamente proporcional a la calidad. Los tornillos de mayor calidad ahorran en el material de la unión, la realización de taladros y el coste de la instalación A la hora de diseñar uniones empotradas: •

Evitar cuando sea posible. Por ejemplo, para pequeños voladizos puede utilizar una viga apuntalada, utilizando uniones articuladas.

•

Proporcionar momentos reales o envolvente de momentos reales y reacciones verticales en los extremos

•

Soldar en taller las pequeñas vigas en voladizo



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•

Las uniones empotradas sobre perfiles huecos tubulares son normalmente muy caras

Los rigidizadores pueden complicar las uniones con las vigas •

Indicar únicamente cuando sea necesario

•

Donde sea posible, utilizar rigidizadores parciales, (“Tipo boca de perro”).

Proveer medios para soportar de forma segura el peso propio del conjunto, y poder así liberar la grúa rápidamente • •

Conseguir un fácil ajuste por alineación Tomar en consideración el mantenimiento e inspección, cuando sea necesario

Diseñar placas base que permitan el montaje de pilares sin necesidad de arriostramientos. Utilizando como mínimo cuatro pernos, y teniendo un espesor y dimensiones adecuadas para soportar durante el montaje el peso propio del pilar y las cargas de viento sobre el mismo, comprobando igualmente la situación de vuelco del pilar durante la fase de montaje. Simplificar cuando sea posible. Realizar detalles de placas base de forma repetitiva, para ello tendremos que fabricar las placas base simétricas, utilizar distancias entre anclajes y a los bordes uniformes, agrupar longitudes para los anclajes y reducir el número de tamaños de tacos a cortante. Esto agiliza la fabricación y el proceso de montaje y reduce enormemente el número de posibles errores y costes de reparación. Los pernos transmiten los esfuerzos de tracción a la cimentación de varias formas: mediante la adherencia del acero – hormigón, por arrancamiento del cono de hormigón, por o directo con bastidores colocados en la cimentación… Podemos encontrarnos los siguientes tipos de pernos: • • • •

Pernos en prolongación recta Pernos rematados sobre un bastidor colocado en la parte inferior Pernos con una arandela en la parte inferior Pernos con gancho

Desde el punto de vista de la fabricación es aconsejable utilizar barras rectas con los extremos roscados o totalmente roscadas, con una arandela en la parte inferior. También es posible utilizar pernos con gancho. Para la nivelación del pilar y aplomado del pilar permitir que el montador elija el método para el que esté más habituado. Normalmente se utilizan tuercas de nivelación por debajo de la placa base, o forros de acero (mecanizados en forma de cuña o planos), pero las prácticas varían mucho en función de la región.





Errores comunes en obra, derivados del diseño: • • •

Placas base con separaciones entre pernos muy similares Utilizar placas base para perfiles HEA con una diferencia entre pernos en ejes perpendiculares de 10mm Placas base de iguales dimensiones con distintas longitudes de anclaje

Minimizar el número de pernos para las placas base, Si aumentamos el número de pernos en una placa base las posibilidades de que existan problemas de alineación de los pernos aumentan (más cantidad de pernos y menor diámetro), por lo que será conveniente utilizar menos pernos y de un diámetro mayor, siempre teniendo en cuenta que el número mínimo de pernos de una placa base debe ser 4 para asegurar su montaje sin necesidad de medios auxiliares. Utilizar uniones con chapa de cortante en vigas uniones viga-columna soldadas rígida en obra. Si se pretende realizar una unión rígida realizando en obra la soldadura de las alas de la viga al pilar, es conveniente usar una unión con una chapa a cortante, para posicionar la viga durante la soldadura en obra En uniones totalmente empotradas, la chapa a cortante puede ser diseñada solamente a cortante (la excentricidad en la unión debida al cortante puede ser ignorada). Se considera que el giro de la unión es resistido únicamente por la unión de las alas.

Figura 3.4. Unión viga-pilar rígida, soldada en obra. Se realiza una unión del alma a cortante atornillada para facilitar el montaje y la ejecución de la soldadura en obra.



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3.4. ELECCION DEL MATERIAL De forma general, a la hora de elegir materiales deberemos siempre tener presente los siguientes aspectos: •

Consultar al fabricante local acerca del rango y calidades habituales de perfiles, tornillería… y adaptarse en la medida de lo posible, para tener mejor disponibilidad y precio.

•

No especificar pequeñas partidas de material, agrupar perfiles y tornillería

•

Evitar restringir las opciones de compra de material, añadiendo especificaciones innecesarias o marcas comerciales.

Racionalizar el rango de perfiles estructurales y calidades utilizados En el diseño de la estructura se debe racionalizar el rango de secciones y calidades utilizadas para cada estructura. Esto facilitará la compra y suministro de material y el manejo durante toda la fabricación, transporte y montaje. Es posible que realizando pedidos mayores se obtengan mejores tiempos de suministro del material e incluso un precio reducido. Servirá además para un mejor aprovechamiento del material y evitará material sobrante. Siempre consultar al fabricante acerca de la disponibilidad local del material, siempre se mejorará el suministro de material, y evitarán largos tiempos de suministro o en ocasiones el cambio de secciones por no encontrase disponible en el mercado en el tiempo planificado.

Figura 3.5 Acopio de perfiles Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




No utilizar un perfil más ligero solamente porque sea posible. Evitar el uso de pilares escalonados cambiando de sección en cada planta. Tener presente que la productividad y la ausencia de errores son proporcionales al número de conjuntos diferentes. Utilizar preferentemente S355 como la mayor calidad del material para las secciones principales. Normalmente es un 10-15% más caro que el S275, pero resiste un 30% más. Si el criterio de diseño son las deformaciones se elegirá el S275 Evitar siempre utilizar pequeñas partidas de material de diferente calidad a la utilizada en el conjunto del proyecto, especialmente cuando tienen peores características de calidad, o menores resistencias. La elección de la calidad de las piezas sueltas deber ser consultada con el fabricante siempre que sea posible. Agrupar los espesores de las chapas en lugar de usar chapas de diferentes espesores. Esto simplificará los detalles y su fabricación. Por ejemplo, limitar a uno o dos espesores para las placas base, al igual que para los rigidizadores de los pilares Los perfiles cerrados son aproximadamente 60-80% más caros que los perfiles abiertos equivalentes, y tienen mayores dificultades para realizar sus uniones. Hay que tener en cuenta también las limitaciones en cuanto a las longitudes. Sin embargo considerar su utilización debido a las ventajas que presentan respecto a los perfiles en I: • • •

Tienen menos superficie a proteger frente a la corrosión y al fuego Mayor modulo resistente en el eje débil y mejor comportamiento a compresión Excelente comportamiento a torsión.

Evitar indicar marcas comerciales específicas Esto no limitará la compra del material al fabricante, puesto que tendrá opción de solicitar productos equivalentes. Cuando sea necesario indicar el nombre de la marca comercial para una mejor descripción, asegurarse de que sea fácilmente disponible y siempre que sea posible, y dejar siempre abierta la opción a otro producto indicando “o similar", asegurando en todo caso que el producto especificado está disponible. Por ejemplo, los tacos mecánicos y químicos. No indicar un material con especificaciones fuera de la normativa. Esto aumentará costes del proyecto, y los plazos de ejecución, también variará los procesos de fabricación y de montaje (por ejemplo, que procedimiento de soldeo es compatible con ese material no estándar) Utilizar tornillos de calidad 8.8 donde sea posible. Proporcionan resistencia, mejor ductilidad que los tornillos 10.9, y buena disponibilidad en el mercado. Para los pilares utilizar la longitud máxima permitida Hay múltiples opciones para elegir la posición de las uniones de los pilares. Revisión 2 –Agosto 2016


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El uso de pilares con la misma sección para varias plantas es más económico que cambiar de sección para cada planta. Se limitará el uso de pilares con la misma sección a 3 plantas, puesto que para alturas mayores es complicado estabilizar columnas de mayor altura durante el montaje y también es necesario aplomarlas. Si las uniones entre pilares son soldadas el efecto de la contracción de las soldaduras puede dificultar aún más el montaje de los pilares, por lo que puede ser conveniente limitar a dos plantas la altura de los pilares.

3.5. FABRICACIÓN En el diseño de las uniones soldadas se deben tener en cuenta la soldabilidad de los materiales, el a las soldaduras y la inspección, y los efectos de deformación, y los posibles defectos como el desgarro laminar. El a la soldadura es algo primordial porque no se puede realizar una buena soldadura sin un buen .

Figura 3.6 Taller de estructuras de acero

Lanzar los pedidos de material y de fabricación solo cuando estén completos Si no están completos, se deberá informar claramente las zonas que no están completas. Clasificar información que se emite indicando claramente si solamente informativa, válido para oferta o válido para compra/fabricación. Acelerar un proyecto implica en muchas ocasiones que se produzcan revisiones y costes extra por dichos cambios, alargando la planificación del mismo. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




La maquinaria de fabricación basada en el control numérico por ordenador (CNC) es más efectiva siguiendo los siguientes puntos: • Cortes rectos, perpendiculares a la longitud del perfil. • Un solo diámetro del taladro para cada pieza, evitando los cambios de broca del taladro • Alineación de taladros en cada eje perpendicular al eje del perfil. Los taladros en el alma y en la alas no alineados o colocados al tresbolillo, aumentan los movimientos. • Utilizando distancias libres adecuadas de los taladros en el alma hasta las alas • Para producir eficientemente las piezas sueltas hay que tener en cuenta: o Racionalizar el rango de piezas sueltas, usar un rango limitado de secciones. o Permitir el punzonado y la cizalla donde sea posible • Si es posible elegir un tipo de uniones en el que se evite realizar soldadura y taladrado en la misma pieza. Esto evitará duplicar el traslado de los perfiles en la fabricación.



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Taladrado de perfiles

Punzonadora de angulares y pletinas

Máquina de corte y taladrado con varias unidades de cabezales verticales y horizontales. Figura 3.7 Distintas máquinas de un taller Evitar taladros rasgados en chapas de menor espesor que el diámetro del tornillo Taladros rasgados en chapas delgadas son difíciles de punzonar y deben ser cortadas con soplete/arco sumergido, siendo difícil y costoso. Es preferible utilizar taladros nominales y taladros sobredimensionados Utilizar los taladros de los tornillos de la forma más racional posible Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




• •

• •

No utilizar diferente tamaño de tornillos en la misma pieza. Esto induce a errores y frena la fabricación por las piezas No especificar taladros en material de espesor mayor que el diámetro del tornillo, para que sea posible realizarlos mediante punzonado. Una alternativa podría ser sobredimensionar taladros. Utilizar los mismos taladros sobredimensionados en todos las chapas si es posible Utilizar taladros rasgados largos en las vigas y en todos los elementos que deben ser alineados en obra a otros elementos que tengan diferentes tolerancias de montaje (por ejemplo, uniones con muros de hormigón, con cerramientos…)

Según indica la norma UNE EN-1090-2 en su apartado 6.6.3 UNE EN-1090-2§6.6.3 El punzonado está permitido siempre que el espesor nominal del componente no sea mayor que el diámetro nominal de agujero, o para agujeros no circulares, que su dimensión mínima. Focalizar los trabajos de taller sobre un conjunto, evitar realizar diferentes operaciones sobre el mismo conjunto Los fabricantes prefieren diseños que concentren operaciones dentro del taller, evitando movimientos innecesarios del material, en muchas ocasiones las diferentes líneas del taller se encuentran separadas (corte, taladrado, soldadura, pintura), y es preferible evitar alguna de estas operaciones concentrado los trabajos en otra. Esto significa que si sobre un conjunto tenemos que soldar una única pieza, es preferible realizar una unión atornillada, para evitar el movimiento en taller. Para el ejemplo siguiente tenemos una viga en la que es necesario ejecutar dos uniones con vigas secundarias y la unión de la viga en sus extremos, se plantean tres opciones: •

• •

La opción 1 no presenta soldaduras. Esto puede significar que la circulación del material en el taller es más sencilla, porque no hay que efectuar ninguna parada en el área de soldadura. Normalmente, la operación de corte y taladrado se realizará en la misma zona. La opción 2 no presenta taladrado en el perfil. Esta opción se podría adoptar en un taller que no tenga medios automáticos para el taladrado del perfil. La opción 3 será necesario realizar 3 operaciones, e implicar más medios de personal y maquinaria, por lo que está totalmente desaconsejada.



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Figura 3.7 Varias opciones de ejecución de uniones, que implican diferentes recorridos del conjunto en taller.

3.5.1. SOLDADURA La cantidad de soldadura tiene una influencia importante en el coste total de la fabricación. Hay que tener siempre en cuenta el principio, que siempre es mejor evitar una soldadura, y si no es posible, reducir el material de aportación. Evitar soldaduras excesivas La soldadura más económica es la que requiere menos metal de aportación, minimizando la soldadura se reduce también los posibles defectos de la misma. • • •

La soldadura no necesita resistir más que el material base en ningún caso Soldaduras excesivas pueden causar serios problemas (embridamiento, fisuración, fatiga…). Esto puede inducir a reparaciones caras e incluso rechazos La soldadura se debe dimensionar para los esfuerzos reales

Intentar usar soldaduras en ángulo en lugar de soldaduras de penetración parcial o soldaduras de penetración completa Soldaduras en ángulo más económicas, puesto que no es necesario preparación del material base. Además, las soldaduras de penetración parcial y total requieren, normalmente, más aportación de material de soldadura y mayor nivel de inspección.





Limitar la garganta máxima de la soldadura en ángulo (especialmente en obra) Normalmente se toma 8mm como la garganta máxima de soldadura que puede ser completada en una sola pasada usando electrodo revestido (SMAW). Pero es preferible considerar 6mm en ángulo como la mayor soldadura de una sola pasada. Utilizando otros procesos de soldadura es posible conseguir unas gargantas mayores para una sola pasada, pero siempre teniendo en cuenta que es preferible realizar cordones de menor garganta y de mayor longitud, que cordones de una garganta mayor y de menor longitud. Gargantas de soldadura mayores que requieren múltiples pasadas también requieren aumentar los niveles de inspección siendo complicadas de detectar los defectos, y en el caso de que fuese necesario realizar reparaciones, estos serían más caros. Usar soldaduras en ángulo de una sola pasada cuando sea posible. Un soldadura de 10mm requiere 56% más material y un 100% más de trabajo, pero solo es un 20% más resistente que un soldadura en ángulo de 8mm Comparamos, igualmente, una soldadura de 6mm y de longitud 100mm, con una soldadura de 12mm y de longitud 50mm. Ambas soldaduras resisten lo mismo pero la soldadura de 12mm requiere como mínimo dos veces mayor cantidad de metal de aportación. Utilizar soldaduras en ángulo de múltiples pasadas en lugar de soldaduras con penetración parcial o completa, Las soldaduras en ángulo requieren menos preparación que las soldaduras con penetración. Evitar soldaduras de techo La posición preferida para soldar es plana, (soldar en horizontal, depositando el metal de aportación desde encima). En esta posición la gravedad permite mantener el baño de fusión en su posición, facilitando la soldadura y aumentando la tasa de deposición. La soldadura de techo es difícil, cara y generalmente genera soldaduras de baja calidad. El coste una soldadura en techo para soldaduras en ángulo de una sola pasada con electrodo revestido (SMAW), se multiplica por cuatro respecto a posición plana u horizontal. Utiliza soldadura de penetración completa solo donde sea necesario Las soldaduras de penetración completa cuestan más que las soldaduras de penetración parcial o soldaduras en ángulo debido al incremento de preparación de material, la necesidad de ensayos, el volumen de material de aportación y las tensiones residuales de soldadura. Utilizar soldadura en ángulo (siempre que el fabricante no decida que es una soldadura de garganta muy grande) o soldadura de penetración parcial donde el esfuerzo en la unión es suficiente para la carga aplicada. Permitir el uso de uniones con penetración parcial con una preparación que reduzca el volumen de material de aportación Revisión 2 –Agosto 2016


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Seleccionar una soldadura de penetración con preparación que minimice el volumen de material de aportación. Dependiendo del espesor, una combinación adecuada entre abertura de raíz y ángulo del chaflán puede reducir la cantidad de metal aportado. La combinación adecuada será la que requiera menos cantidad de metal aportado. Considerar preparación por ambos lados para reducir en el volumen de metal de aportación

Figura 3.8 Comparación entre la cantidad de metal de aportación para una soldadura con penetración total con preparación de bordes en V y en X

Potenciar soldaduras con penetración parcial sobre soldaduras con penetración completa Para soldaduras con penetración, utilizar preferentemente penetraciones parciales sobre penetraciones completas. La penetración parcial requiere menos material de aportación y menor preparación de bordes. Esto provoca que se reduzca la energía aportada a la soldadura, el embridamiento y los efectos de la contracción de la soldadura. Reducir la aportación de material en las soldaduras de penetración parcial y completa La soldadura con menos volumen de soldadura es la más económica. La preparación de bordes puede estar compensada si ahorra costes de aportación de material. Para soldaduras de penetración completa, es aconsejable preparar los bordes por un solo lado cuando el espesor de las chapas es menor que 25mm, y realizar la preparación de bordes ambos lados con un espesor mayor o igual a 25mm, como se representa en la siguiente figura

Figura 3.9 Comparación del coste relativo de la unión para uniones en ángulo, con preparación de los bordes por un solo lado, y con preparación de bordes por ambos lados Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




Dejar un espacio libre adecuado para las uniones atornilladas y soldadas Comprobar que existe un adecuado para la soldadura, dejar los huecos para acceder a soldar abiertos. El ángulo mínimo necesario para acceder con el electrodo es 30º, siendo recomendable un ángulo de 45º para tener un adecuado.

a – zona sin para soldar Figura 3.10 Dejar un adecuado para las soldaduras



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Figura 3.11 Posiciones de soldadura que deberían evitarse por la dificultad de ejecución.

Especificar solamente soldaduras homologadas La especificación de los procesos de soldadura (WPS) para una soldadura no homologada tiene un coste y un tiempo de adaptación para los soldadores. Para evitar el coste, el tiempo y los problemas de homologación, utilizar únicamente soldaduras homologadas Soldar en taller las pequeñas vigas Las pequeñas ménsulas se pueden soldar directamente al pilar, eliminando completamente la necesidad de montaje en obra. Las uniones atornilladas sobre las pequeñas vigas requieren más tiempo de diseño debido a que su tamaño dificulta la distribución de los tornillos. Siempre habrá que tener en cuenta que, si soldamos varios elementos al perfil principal, sea posible apilar y transportar los conjuntos fácilmente. Cuando los elementos no son simétricos frente al pilar o son de una magnitud importante, es posible que desequilibren el conjunto. Este punto tendrá que tenerse se cuenta por el montador. Soldar en taller los pequeños marcos de forjado, Los pequeños marcos que se realizan en un forjado pueden igualmente soldarse en taller para minimizar el número de conjuntos a montar y disminuir el material suelto en obra. Utilizar soldaduras discontinuas en ángulo cuando sea posible En soldaduras longitudinales, por ejemplo para formar un perfil a partir de dos UPN, las soldaduras discontinuas se pueden indicar reduciendo la cantidad de metal aportado. Esto no es posible en aplicaciones que impliquen fatiga, donde este tipo de uniones tienen una vida a fatiga menor que las soldaduras continuas. Evitar soldadura de sellado a no ser que sea necesario. La soldadura de sellado normalmente es innecesaria, a no ser que la unión necesite ser hermética o estanca. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




Incrementar la garganta de soldadura utilizando métodos de soldadura adecuados, Por ejemplo, para arco sumergido es posible aumentar la garganta 2mm para espesores mayores de 10mm. EAE§Artículo 59.7. Espesor de garganta Cuando el método de soldadura empleado permita conseguir una penetración apreciable, puede incluirse esta penetración en el valor del espesor de garganta, figura 59.7.b, siempre que se demuestre mediante pruebas que esta penetración puede conseguirse de una forma constante.

Cuando el cordón se ejecute por el método de arco sumergido, el espesor de garganta se puede aumentar en 2 mm si a >10 mm o en 0,2 a si a ≤ 10 mm sin necesidad de realizar pruebas. Especificar la dimensión de garganta efectiva o la fuerza exigida para las soldaduras Evitar el símbolo de soldadura perimetral. Esta soldadura es excesiva en la mayoría de los casos. Es cara, y en algunas veces esta incluso prohibido. Las especificaciones AISC indican que las soldaduras en los lados opuestos de un plano común deben ser interrumpidas en las esquinas. Cuando se utilicen casquillos de apoyo para una viga o correa, indicar una longitud de soldadura necesaria en lugar de indicar la soldadura perimetral alrededor de todo el casquillo de angular

Figura 3.12 Opciones de soldadura en casquillo de angular (a) todo el perímetro, solamente se utiliza en condiciones que sea necesario por estanqueidad (b) soldaduras horizontales, no adecuada al cálculo (c) soldaduras verticales, preferible. Revisión 2 –Agosto 2016


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Allí donde sea apropiado, limitar la cantidad de soldadura de las placas base únicamente de las alas como se sugiere en el AISC Manual of Steel Construction. Inspeccionar las soldaduras de penetración total utilizando ultrasonidos Evitar tener que girar las piezas en taller para soldar por la otra cara Hay muchas situaciones en las que es posible soldar por una sola cara realizando un pequeño cambio en la unión.

Figura 3.13 Situaciones en las que realizando una variación del detalle para evitar voltear la pieza en taller.





Evitar soldaduras en taller sobre superficies galvanizadas Cuando sea posible, evitar las situaciones de proyecto que requieren soldadura en superficies galvanizadas, sobre todo en taller. Es necesario ventilación especial para extraer los gases tóxicos que se producen. Además, el galvanizado debe ser eliminado mediante lijado en la zona a soldar, y normalmente, se solicita la galvanización en frío después de la soldadura y limpieza. Estas operaciones incrementan el coste y el número de operaciones a realizar en taller. Tener en cuenta los criterios de aceptación de la norma cuando existe una soldadura insuficiente Una reparación puede dejar en peor estado una soldadura que una soldadura insuficiente. La inspección de defectos en soldadura y los criterios de aceptación de defectos debe ser un punto a tener en cuenta a la hora del diseño La norma AWS D1.1 permite una garganta de 1/16" insuficiente, si el defecto se produce por debajo del 10% de la longitud de la soldadura. La norma EN ISO 5817 indica lo siguiente:

Limitar la soldadura de los rigidizadores a lo que sea necesario. Dos rigidizadores en un perfil IPE500 necesitan 2,5m de soldadura si se indica que se suelde alrededor en ambos lados. No utilizar para esta soldadura penetración completa, o penetración parcial. Coordinar las inspecciones para no afectar a la producción. Las inspecciones intermitentes pueden introducir interrupciones en el proceso de fabricación. La evolución de la normativa ha incrementado la cantidad de inspección, además gran parte de estas inspecciones se realizan por terceros. Concentrar el trabajo de inspección hace más fácil la coordinación de estos trabajos con el proceso de fabricación. Evitar soldaduras entre elementos con ángulos muy agudos. En estos encuentros se reduce la garganta eficaz de soldadura, y se limita el a las soldaduras



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Figura 3.14 Ángulos extremos reducen la garganta eficaz

Diseñar los pilares para eliminar rigidizadores Eliminar por completo las chapas de refuerzo del alma (doubler plates) y cuando sea posible los rigidizadores (transverse stiffeners) en las uniones empotradas. Las chapas de refuerzo del alma requieren mucho trabajo en taller, la soldadura se realiza con un difícil y el resultado puede exigir reparaciones. La soldadura de las chapas de refuerzo del alma equivale en coste a 120kg de acero, y cada pareja de rigidizadores transversales equivale en coste a 80kg de acero. De forma adicional su eliminación simplifica la unión en el eje débil del pilar. Estudiar utilizar series de perfiles más pesados, HEB, donde un espesor mayor del alma podría eliminar la necesidad de utilizar chapas de refuerzo del alma (doubler plates) y rigidizadores (transverse stiffeners). Para más información acerca de este punto consultar, AISC Design Guide No. 13 Wide Flange Column Stiffening at Moment Connections. Se muestra a continuación una tabla donde se realiza una estimación del coste de estos elementos





Tabla 3.1. Coste de varios detalles de columnas rigidizadas. Extraida de AISC Design Guide No. 13 Wide Flange Column Stiffening at Moment Connections.



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Figura 3.15 Tipos de rigidización utilizados para evaluar los costes de la tabla 3.1

Indicar claramente las especificaciones para los rigidizadores de los pilares Comprobar la necesidad de rigidizadores transversales y chapas de refuerzo del alma, y si es posible aumentar la sección del pilar para eliminar refuerzos. En ocasiones, el diseño de estos rigidizadores puede inducir a problemas como las siguientes: • • • •

Se indican rigidizadores innecesariamente No se indican la calidad del material No se indica la garganta de soldadura Se indican una soldadura excesiva

Si no se indica lo contrario, en los documentos contractuales, normalmente se tiende a rigidizar todas las uniones, siendo la solución económica más costosa. Se exponen a continuación varios ejemplos con soluciones alternativas para una reducción del coste de la soldadura. Ejemplo 1: Unión de un ángulo a una placa, el detalle b) normalmente es mejor debido a que solamente se necesitan dos soldaduras y son fácilmente accesibles, aunque el tamaño de la placa es mayor. La soldadura frontal indicada en el detalle a) contribuye de forma importante a la resistencia de la unión, pero por la dificultad de su ejecución debe ser evitada (a no ser que sea necesaria por la protección contra la corrosión)





Figura 3.16 El detalle b) es preferible (se suprime una soldadura de difícil )

Ejemplo 2: Unión atornillada en perfil UPN. Al utilizar una única placa tendremos que realizar 4 taladros extra y utilizar una placa de mayor peso, pero obtenemos las siguientes ventajas: • • •

Al compartir taladros la UPN y la placa, los taladros exteriores se alinean mejor La soldadura se ejecuta por un solo lado, y no es necesario voltear la pieza Evitamos la soldadura por el lado exterior de la placa cuya ejecución es más complicada

Figura 3.17 El detalle con una sola placa se ejecuta más fácilmente, aunque sea necesario más material



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Ejemplo 3: Uniones empotradas con chapa de cabeza: Es preferible utilizar el detalle b) que representa una chapa de cabeza de mayor espesor a la que no es necesario rigidizar. El detalle a) se utilizará para cuando sea necesario por el cálculo de la estructura

Figura 3.18 En el detalle b) aumentando el espesor de la chapa frontal, eliminamos rigidizadores.

Ejemplo 4: Soldadura en posiciones más desfavorables: Existen situaciones en las que es necesario realizar una variación del detalle para mejorar la soldabilidad., por ejemplo en el detalle mostrado la opción b) se adoptará para evitar una soldadura de penetración completa.

Figura 3.19 En el detalle b) evitamos una soldadura de más difícil ejecución.





Ejemplo 5: Utilizar perfiles que eviten soldaduras. Siempre es preferible no soldar, existen casos en que podemos utilizar un perfil conformado en frío o plegar una chapa como se muestra en la opción b) para evitar realizar una soldadura.

Figura 3.20 Utilizando otro tipo de perfil en la situación b), evitamos la soldadura longitudinal para formar un perfil

3.5.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN En ambientes corrosivos la protección contra la corrosión influye en mayor medida en el coste de la estructura. en estos ambientes se tendrán que evaluar el coste de los perfiles cerrados frente a los perfiles abiertos A la hora de elegir una protección contra la corrosión, el diseñador debe considerar el ambiente en el cual la estructura de acero va a ser situada y la vida útil del sistema de protección contra la corrosión. No especificar protección contra la corrosión donde no sea necesaria Si el ambiente no requiere un sistema de protección contra la corrosión o no lo exige la apariencia final, no se debe especificar. Por ejemplo, no se debe exigir pintar en las partes de la estructura que van a quedar embebidas en la construcción, o donde el sistema de protección contra el fuego no lo requiera, o en partes conectadas al hormigón. La especificación de la protección se realizará en función del ambiente Especificar cuando sea posible un sistema de protección de una sola capa para aplicar en taller. Si se necesita un sistema de protección tendremos múltiples ventajas si se especifica de una sola capa. Hay que tener en cuenta que la pintura de taller no es permanente y que tiene cualidades protectoras limitadas, necesarias para asegurar una protección durante la exposición desde que se fabrica la estructura hasta que se aplica la capa de acabado en obra. Asegurarse que la primera capa se aplica sobre una superficie adecuada y que además es compatible con las capas sucesivas.



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Los sistemas de protección contra el fuego, normalmente se adhieren mejor a estructuras sin pintar. Consultar al proveedor para realizar una preparación de las superficies y una capa de imprimación adecuadas para la posterior fijación del sistema de protección, sobre todo en la preferencia de superficie sin pintar o pintada. Estudiar la compatibilidad de ambos tratamientos y el coste combinado de los ambos. Evitar especificaciones de productos comerciales. Permitir al fabricante elegir su proveedor habitual o utilizar un sistema de revestimiento de igual protección. Las especificaciones de las condiciones de la superficie deben estar asociadas a las condiciones inmediatamente anteriores al tratamiento superficial, no sujeto por ningún límite de tiempo desde las operaciones de limpieza y granallado del material. Es decir, se debe procurar que la superficie a pintar debe estar en condiciones idóneas para aplicar el tratamiento, y estas condiciones no dependen exclusivamente del tiempo transcurrido desde la limpieza y granallado. Diseñar la estructura para que no se produzcan acumulaciones de agua, y suciedad a lo largo de la vida útil de la misma. Evitando colocar perfiles abiertos que provoquen balsas de agua. Evitar detalles de unión inadecuados que favorezcan la acumulación de agua, Es recomendable minimizar la extensión de la superficie de acero expuesta a la corrosión, reduciendo el número de irregularidades (superposiciones, bordes, esquinas), y disponiendo soldaduras continuas, en general (deberían emplearse soldaduras discontinuas y por puntos únicamente en caso de riesgo insignificante de corrosión). Seguir las recomendaciones de la norma EN 12944-3§ANEXO D. (Protección de estructuras de acero frente a la oxidación mediante sistemas de pintura protectores. Parte 3 Consideraciones en el diseño), que establece recomendaciones para evitar diseño que acumulen agua.

3.23 Detalles inadecuados porque favorecen la acumulación de agua





Evitar encuentros en los que sea difícil el de la pintura

Figura 3.24 Huecos, imperfecciones en soldaduras, y uniones sin sellar donde se produce la soldadura

Limitar la longitud de conjuntos galvanizados a 12m La mayoría de las cubas de galvanizado tienen una longitud de 12m. En casos excepcionales se podría realizar con doble inmersión, pero el solape no es aconsejable, por las molestias que conlleva.



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Figura 3.25 Doble inmersión en la cuba de galvanizado

Indicar específicamente las piezas pintadas o galvanizadas en los planos de estructura, al igual que se identifican los conectadores y las contraflechas.

3.6. MONTAJE Los errores en el proceso de diseño y de fabricación restan mucho rendimiento al montaje de la estructuras. Es en el montaje de la estructura donde los errores se detectan, y dónde exige más esfuerzo corregirlos. De todas formas, siempre hay que tener en cuenta que no todos los errores requieren corrección, puesto que la magnitud del error no siempre supera las desviaciones permitidas, o no afectan a las prestaciones o al uso de la estructura.

Figura 3.26 Charles C. Ebbets - Lunch Atop a Skyscraper. tomada durante la construcción del Rockefeller Center el 29 de septiembre de 1932. Los obreros estaban en la planta 69. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




Para reducir los posibles errores es necesario elegir las tolerancias adecuadas para cada estructura y la comunicación con el resto de los gremios que tienen influencia sobre la estructura de acero (hormigón, cerramientos…). Utiliza taladros sobredimensionados en empotradas y en uniones de arriostramientos con tornillos pretensados En uniones con cubrejuntas en las alas y en uniones de arriostramientos con tornillos pretensados, los taladros sobredimensionados son preferidos a los taladros nominales en muchas ocasiones. Los taladros sobredimensionados nos permiten más tolerancia de montaje y reducen los problemas en obra. Normalmente, los taladros sobredimensionados se utilizan en la chapa de unión y los taladros nominales en el perfil. Utilizar uniones atornilladas en lugar de uniones soldadas en obra Las uniones atornilladas son más rápidas para montar y menos costosas. Las uniones soldadas retrasan resultados por la ausencia de trabajadores cualificados, por uso de plataformas de soldadura o por el clima frío o con viento. Disponer elementos de montaje que se incorporen a la unión, sin necesidad de utilizar elementos adicionales en el montaje Asegurar que todas las vigas pueden ser colocadas en su posición si tener que separar los pilares. Es una medida de ahorro, pero también evita problemas de seguridad en obra.

Figura 3.27 Unión viga-pilar contra el eje débil. Evitar uniones rígidas para no dificultar el montaje.

Disponer arriostramientos permanentes en lugar de arriostramientos temporales En las uniones dobles a través del alma del pilar deben estudiarse su forma de montaje para asegurar la seguridad en todo momento. Ser consciente del proceso de montaje en la fase de diseño. Si existen tornillos comunes a ambas uniones, se debe asegurar que no existe posibilidad de caída de la primera viga mientras se está montando la segunda. Se presentan a continuación dos posibles soluciones para esta situación: Revisión 2 –Agosto 2016


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Figura 3.28 Unión doble a través del alma del pilar. Se realiza un detalle con los casquillos de angular a diferente altura para permitir montar las vigas en dos etapas.

Figura 3.29 Ejemplos de uniones dobles a través de un perfil.





Figura 3.30 Uniones con casquillo de angular, para apoyo durante el montaje

Comprobar que las tolerancias especificadas cumplen con los criterios de servicio: Por ejemplo las tolerancias que tenemos que establecer para la viga carril de un puente grúa son más restrictivas, que las necesarias para las correas de cubierta. Conocer las tolerancias de los materiales que se van a unir a la estructura de acero. Comprobar las tolerancias acumulativas La acumulación de tolerancias puede causar problemas de ajuste en obra. Apoyar las vigas de cubierta sobre los pilares cuando sea posible. Es un detalle más seguro para el montaje

Figura 3.31 El detalle b) es preferible para realizar un montaje más seguro Revisión 2 –Agosto 2016


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Particularmente, para una viga continua de varios vanos evitamos realizar una unión, si se apoya la viga sobre el pilar, resultando una unión más simple y segura como podemos ver en la siguiente figura.

Figura 3.32 En el detalle de viga continua apoyada se fabricarán menos elementos y se realizará un montaje más seguro.

Realizar taladros auxiliares que puedan servir de puntos de izado en el montaje Por ejemplo, para elevar los pilares de un edificio cuya unión se realiza con cubrejuntas atornillados, se añaden unos taladros en los cubrejuntas del ala para permitir el izado.

Figura 3.33 Detalle de unión con taladros en los cubrejuntas para izado de los pilares.





Realizar un montaje previo en taller (“montaje en blanco”) para estructuras complejas o en situaciones en obra extremas En ejecuciones donde sea necesario asegurar la correcta ejecución del montaje, por los riesgos que conlleva la operación de montaje en altura, condiciones climatológicas adversas, planificaciones ajustadas…

Figura 3.34 Montaje de prueba en taller para que el montaje de la estructura superior se ejecute correctamente en obra El montaje de estructura puede realizarse sin acopio provisional en obra, estudiar orejetas de montaje para su izado hasta la posición definitiva Tomando directamente los elementos del medio de transporte para su elevación hasta la posición definitiva en la estructura general. El montaje sin acopio provisional en obra, requiere una planificación muy precisa de la ejecución y una buena organización de las expediciones de los elementos desde taller, se podría utilizar donde existiese pocos espacios disponibles para acopios, como por ejemplo espacios urbanos.



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3.6.1. TORNILLOS Minimizar las uniones pretensadas, utilizar las uniones pretensadas solamente en los casos que sean necesarias, como son los siguientes: • • • •

Uniones de arriostramientos con taladros sobredimensionados y taladros rasgados Celosías ensambladas en obra con taladros sobredimensionados Perfiles con taladros rasgados cortos o largos cuando la fuerza esta aplicada paralelamente al rasgado Perfiles bajo cargas cíclicas

No requerir el pretensado de uniones atornilladas cuando “snug tight” fuese suficiente. Los tornillos pretensados, no siempre se necesitan en las uniones empotradas y las uniones de los arriostramientos, y los tornillos no pretensados son aceptables con taladros nominales. El RCSC (Research Council on Structural Connection) Sección 4.3 nos proporciona el criterio para las uniones con tornillos pretensados resistentes por rozamiento (slip-critical ts), que son más caras que las uniones a aplastamiento debido a la preparación de superficies, al apriete de los tornillos y a la inspección. Además, se necesitan mayor número de tornillos o de una métrica mayor para un mismo esfuerzo. En ciertas ocasiones los fabricantes/montadores prefieren los tornillos pretensados por los taladros sobredimensionados que permiten una tolerancia mayor de montaje. Si se necesitan tornillos pretensados, el proyectista debe indicarlo en los planos de montaje y de taller. No especificar un método de apriete concreto para el pretensado de los tornillos Donde sea necesario tornillos totalmente pretensados, permitir el uso de cualquier de métodos indicados por la UNE-EN- 1090 • • • •

Método del par torsor Método combinado Método del apriete HRC Método de indicador directo de tensión (DTI)

El montador de la estructura suele tener preferencias, debido a la experiencia adquirida por sus trabajadores, y es conveniente que tenga flexibilidad para elegir una de las anteriores opciones. Permitir ajustes en obra en uniones atornilladas solamente en una sola dirección Si se necesitan taladros rasgados en las uniones atornilladas para ajustes en obra, el ajuste debe ser solamente en una sola dirección. Esto permite el ajuste en una dirección mientras el ajuste en la otra dirección ya se produce directamente Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




Las arandelas no son necesarias por esfuerzos cuando utilizamos tornillos pretensados con taladros nominales, serán especificadas, en todo caso, para proporcionar un grado de protección superficial. No mezclar especificaciones de tornillería y anclajes. Existen múltiples diferencias entre las uniones entre elementos de acero, y las uniones al hormigón, como pueden ser las siguientes: • • • •

La tolerancias en los taladros de las placas base o elementos similares, son superiores para tener en cuenta la desviación de los pernos. Para los anclajes no es necesario pretensar Las arandelas son diferentes, para los anclajes serán de mayor espesor. Las calidades de los pernos deben ser también diferentes

Excluir los tornillos que trabajan en la zona de la rosca en los siguientes casos: • Uniones excesivamente cargadas, donde el tornillo de métrica habitual no nos da suficiente capacidad • Celosías ensambladas en taller • Uniones que trabajen con forros de pequeño espesor Limitar la métrica de los tornillos a 24 o menor. Los tornillos mayores requieren equipos especiales, mayores distancias entre tornillos y al borde, mayor dificultad para asegurar el apriete de tornillos pretensados y son más caros. Utilizar, por ejemplo, tornillos M20 de calidad 8.8 (resistencia a la rotura 800 N/mm2 y límite elástico de 640 N/mm2) Evitar el uso de tornillos de diferente calidad y el mismo diámetro en el mismo proyecto. Se pueden ahorrar costes directos e indirectos usando un rango limitado de tipos de tornillos. Los tornillos recomendados son los siguientes: • • • •

M20 calidad 8.8 para uniones a cortante M24 calidad 10.9 para uniones a momento Tornillos totalmente roscados para longitudes de hasta 70mm El uso de tornillos con rosca entera, implica que al unificar largos de tornillos, la zona de rosca que sobresale sea más visible, en las especificaciones de partida del contrato se deberá indicar en qué caso no es aceptable esta situación.

Permitir que el plano de corte y aplastamiento pase por la zona roscada del tornillo. Como mínimo toda unión llevará dos tornillos



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Acabado de los tornillos Los tornillos, tuercas y arandelas deberán ser suministrados con un acabado que no requiera realizar una protección superficial en obra. Deben evitarse los pares galvánicos (por ejemplo, entre acero inoxidable y acero al carbono)

Figura 3.35 Corrosión galvánica o bimetálica, en tornillos. Es necesaria una protección adecuada (superior a la estructura puesto que existe cierta tendencia a fenómenos de corrosión galvánica.)





ANEXO A. RESUMEN DE CONSIDERACIONES EN LA FASE DE DISEÑO Aspectos a considerar en la fase de diseño de uniones Diseño y cálculo

Fabricación

Montaje


Criterios de servicio: envolvente Elección del material (estandarización, restricción del número de calidades de perfiles y tornillería) Transferencia de esfuerzos a través de las uniones Excentricidades Normativa: Diseño: CTE, EAE, EN 1993-1-1 Uniones: CTE, EAE, EN 1993-1-8 Fabricación y montaje: EN 1090-1 Evaluación de experiencia Planos de taller (propuestas de mejora de fabricación) Restricciones en el manejo de cargas Corte, punzonado, taladrado, soldadura Protección contra la corrosión (pintura, galvanizado) Trasporte Elementos clave del montaje Tolerancias isibles Dimensiones y peso de los conjuntos Tornillería (número de tornillos, calidades, acabado, longitudes, arandelas) Método de apriete


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ANEXO B. DEFINICIÓN DE ACERO ESTRUCTURAL Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges, March 18, 2005 AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION 2.1 Definition of Structural Steel Structural Steel shall consist of the elements of the structural frame that are shown and sized in the structural Design Drawings, essential to the design loads and described as: Anchor Rods that will receive Structural Steel. Base plates. Beams, including built-up beams, if made from Standard Structural Shapes and/or plates. Bearing plates. Bearings of steel for girders, trusses or bridges. Bracing, if permanent. Canopy framing, if made from Standard Structural Shapes and/or plates. Columns, including built-up columns, if made from Standard Structural Shapes and/or plates. Connection materials for framing Structural Steel to Structural Steel. Crane stops, if made from Standard Structural Shapes and/or plates. Door frames, if made from Standard Structural Shapes and/or plates and if part of the Structural Steel frame. Edge angles and plates, if attached to the Structural Steel frame or steel (open-web) joists. Embedded Structural Steel parts, other than bearing plates, that will receive Structural Steel. Expansion ts, if attached to the Structural Steel frame. Fasteners for connecting Structural Steel items: permanent shop bolts, nuts and washers; shop bolts, nuts and washers for shipment; field bolts, nuts and washers for permanent Connections; and, permanent pins. Floor-opening frames, if made from Standard Structural Shapes and/or plates and attached to the Structural Steel frame or steel (open-web) joists. Floor plates (checkered or plain), if attached to the Structural Steel frame. Girders, including built-up girders, if made from Standard Structural Shapes and/or plates. Girts, if made from Standard Structural Shapes. Grillage beams and girders. Hangers, if made from Standard Structural Shapes, plates and/or rods and framing Structural Steel to Structural Steel. Leveling nuts and washers. Leveling plates. Leveling screws. Lintels, if attached to the Structural Steel frame. Marquee framing, if made from Standard Structural Shapes and/or plates Machinery s, if made from Standard Structural Shapes and/or plate and attached to the Structural Steel frame. Monorail elements, if made from Standard Structural Shapes and/or plates and attached to the Structural Steel frame. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero




Posts, if part of the Structural Steel frame. Purlins, if made from Standard Structural Shapes. Relieving angles, if attached to the Structural Steel frame. Roof-opening frames, if made from Standard Structural Shapes and/or plates and attached to the Structural Steel frame or steel (open-web) joists. Roof-screen frames, if made from Standard Structural Shapes. Sag rods, if part of the Structural Steel frame and connecting Structural Steel to Structural Steel. Shear stud connectors, if specified to be shop attached. Shims, if permanent. Struts, if permanent and part of the Structural Steel frame. Tie rods, if part of the Structural Steel frame. Trusses, if made from Standard Structural Shapes and/or built-up . Wall-opening frames, if made from Standard Structural Shapes and/or plates and attached to the Structural Steel frame. Wedges, if permanent. Commentary: The Fabricator normally fabricates the items listed in Section 2.1. Such items must be shown, sized and described in the structural Design Drawings. Bracing includes vertical bracing for resistance to wind and seismic load and structural stability, horizontal bracing for floor and roof systems and permanent stability bracing for components of the Structural Steel frame. 2.2. Other Steel, Iron or Metal Items Structural Steel shall not include other steel, iron or metal items that are not generally described in Section 2.1, even where such items are shown in the structural Design Drawings or are attached to the Structural Steel frame. Other steel, iron or metal items include but are not limited to: Bearings, if non-steel. Cables for permanent bracing or suspension systems. Castings. Catwalks. Chutes. Cold-formed steel products. Cold-rolled steel products, except those that are specifically covered in the AISC Specification. Corner guards. Crane rails, splices, bolts and clamps. Crane stops, if not made from Standard Structural Shapes or plates. Door guards. Embedded steel parts, other than bearing plates, that do not receive Structural Steel or that are embedded in precast concrete. Expansion ts, if not attached to the Structural Steel frame. Flagpole steel. Floor plates (checkered or plain), if not attached to the Structural Steel frame. Revisión 2 –Agosto 2016


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Forgings. Gage-metal products. Grating. Handrail. Hangers, if not made from Standard Structural Shapes, plates and/or rods or not framing Structural Steel to Structural Steel. Hoppers. Items that are required for the assembly or erection of materials that are furnished by trades other than the Fabricator or Erector. Ladders. Lintels, if not attached to the Structural Steel frame. Masonry anchors. Miscellaneous metal. Ornamental metal framing. Pressure vessels. Reinforcing steel for concrete or masonry. Relieving angles, if not attached to the Structural Steel frame. Roof screen frames, if not made from Standard Structural Shapes. Safety cages. Shear stud connectors, if specified to be field installed. Stacks. Stairs. Steel deck. Steel (open-web) joists. Steel joist girders. Tanks. Toe plates. Trench or pit covers. Commentary: Section 2.2 includes many items that may be furnished by the Fabricator if contracted to do so by specific notation and detail in the Contract Documents. When such items are contracted to be provided by the Fabricator, coordination will normally be required between the Fabricator and other material suppliers and trades. The provisions in this Code are not intended to apply to items in Section 2.2. In previous editions of this Code, provisions regarding who should normally furnish fieldinstalled shear stud connectors and cold-formed steel deck angles were included in Section 7.8. These provisions have been eliminated since field-installed shear stud connectors and steel deck angles are not defined as Structural Steel in this Code.





ANEXO C. NORMAS RELATIVAS A TOLERANCIAS EN 10017

Alambrón de acero para trefilado y/o laminado en frío. Dimensiones y tolerancias.

EN 10024

Productos de acero laminados en caliente. Sección en I con alas inclinadas. Tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10034

Chapas de acero laminadas en caliente, de espesor igual o superior a 3 mm. Tolerancias dimensionales y sobre la forma. Perfiles I y H de acero estructural. Tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10048

Fleje de acero laminado en caliente. Tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10051

Chapas, bandas y flejes laminados en caliente en continuo, de acero aleado y no aleado, no recubiertos. Tolerancias dimensionales y sobre la forma.

EN 10055

Perfil T de acero con alas iguales y aristas redondeadas laminado en caliente. Medidas y tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10029

EN 10056-1 EN 10056-2 EN 10058 EN 10059 EN 10060 EN 10061

Angulares de lados iguales y desiguales de acero estructural. Parte 1: Medidas. Angulares de lados iguales y desiguales de acero estructural. Parte 2: tolerancias dimensionales y de forma. Barras rectangulares de acero laminadas en caliente para usos generales. Dimensiones y tolerancias dimensionales y de forma. Barras cuadradas de acero laminadas en caliente para usos generales. Dimensiones y tolerancias dimensionales y de forma. Barras redondas de acero laminadas en caliente para usos generales. Dimensiones y tolerancias dimensionales y de forma. Barras hexagonales de acero laminadas en caliente para usos generales. Dimensiones y tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10131

Productos planos de acero laminados en frío, no recubiertos o recubiertos electrolíticamente de cinc o cinc-níquel, de acero de bajo contenido en carbono y de acero de alto límite elástico para conformado en frío. Tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10139

Flejes de acero bajo en carbono, no recubiertos para conformado en frío. Condiciones técnicas de suministro.

EN 10140

Fleje de acero laminado en frío. Tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10143

Chapas y bandas de acero con revestimiento metálico en continuo por inmersión en caliente. Tolerancias dimensionales y de forma.

EN 10210-2

Perfiles huecos para construcción, acabados en caliente, de acero no aleado y de grano fino. Parte 2: Tolerancias, dimensiones y propiedades de sección.

EN 10219-2

Perfiles huecos para construcción soldados, conformados en frío de acero no aleado y de grano fino. Parte 2: Tolerancias, dimensiones y propiedades de sección.

EN 10279

Perfiles en U de acero laminado en caliente. Tolerancias dimensionales, de la forma y de la masa.



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EN ISO 13920

Soldeo. Tolerancias generales en construcciones soldadas. Dimensiones de longitudes y ángulos. Forma y posición. (ISO 13920:1996).

EN ISO 9445-1

Acero inoxidable laminado en frío y en continuo. Tolerancias dimensionales y de forma. Parte 1: Flejes y flejes en tiras (ISO 9445-1:2009).

EN ISO 9445-2

Acero inoxidable laminado en frío y en continuo. Tolerancias dimensionales y de forma. Parte 2: Bandas anchas y chapas (ISO 9445-2:2009).

ISO 7976-1 ISO 7976-2

Tolerancias para edificación. Métodos de medición de edificios y de productos de edificación. Parte 1: Métodos e instrumentos. Tolerancias para edificación. Métodos de medición de edificios y de productos de edificación. Parte 2: Posición de los puntos de medición.





ANEXO D. BASE DE DATOS DE COSTES “Economics of steel-framed buildings in Europe (ESE)”, 2010



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