28.6.13

ESTRUCTURAS DE ACERO DE PÓRTICOS CON NUDOS RÍGIDOS

ESTRUCTURAS DE PÓRTICOS CON NUDOS RÍGIDOS
En este tipo de estructuras, los soportes y vigas que concurren en un punto forman un nudo rígido. Es decir, las tangentes a las directrices de las diversas piezas (soportes o vigas), mantienen ángulos invariables después de la deformación.


Este tipo de estructura, tiene la ventaja de que los pórticos pueden resistir los esfuerzos horizontales en la dirección de su plano y para grandes luces suele tener mejor rendimiento que sus equivalentes de nudos articulados o de vigas continuas.
Cuenta con los inconvenientes de que tiene mayor repercusión la existencia de asientos diferenciales, y de que la ejecución y el montaje son mas caros que en los casos anteriores.
A continuación se muestra el esquema de este tipo de estructuras.


Las vigas que llegan a un nudo, de cualquiera de los tipos existentes. siempre han de estar niveladas en su parte superior para facilitar el apoyo del forjado.


Nudo rígido.
Las uniones rígidas con empotramiento perfecto sólo se pueden conseguir si los soportes tienen una gran inercia en relación con el la de la jácena (figura izquierda). En casos normales, una unión rígida va a introducir flexiones en los pilares (fig. centro), donde, para evitar esas deformaciones, harían falta pilares muy fuertes. Si la viga es muy importante, con relación al soporte, con sus esfuerzos de tracción y compresión puede producir deformaciones en las alas y alma del soporte (figura derecha).


Previamente al análisis y propuesta de soluciones a estos problemas vamos a efectuar un ligero recorrido sobre la forma de trabajo de las uniones, especialmente sobre su funcionamiento, transmisión de tensiones y deformaciones.
En el nudo o apoyo rígido se suelda al pilar todo el perímetro de la viga, con lo cual se consiguen coartar los tres posibles movimientos de la viga:
Impedir el desplazamiento horizontal en la dirección de la viga.
Impedir el desplazamiento vertical en la dirección del pilar.
Impedir el giro lateral de la viga (impedir el vuelco).


Los nudos rígidos o empotramientos penalizan al soporte, sometiéndolo a flexión, pero a su vez favorecen a la viga, que la "descargan" de flectores en su vano.
En el empotramiento vemos que el ala superior tira del soporte y la inferior lo empuja (tracciones en la cara superior y compresiones en la cara inferior).
Si las acciones son importantes y el espesor de las alas y el alma del soporte son pequeños, los esfuerzos de tracción y compresión que se producen en la unión pueden deformar el ala del soporte, tal como se indica en el dibujo adjunto, con lo cual el empotramiento no sería perfecto, puesto que la deformación del ala del soporte ha permitido un cierto giro a la jácena.
Para evitar esto, será necesario transmitir el tirón y el empuje de las al (tracción y compresión), mediante rigídizadores, al alma del soporte y al ala posterior, con lo cual los esfuerzos de tracción y de compresión, se reparten entre el ala anterior, el alma y el ala posterior del soporte, tal como se indica en el dibujo siguiente.


Los rigidizadores colocados en la figura anterior evitan que las alas se desplacen, que las alas se doblen hacia el interior (compresiones) o hacia el exterior (tracciones) y evitan el bombeo o abonamiento del alma.
Podría quedar un matiz sin resolver. Si los esfuerzos de tracción y compresión que tiene que absorber el alma del pilar son importantes en relación con su espesor, esta podría deformarse en dicho nudo, tal como se indica en la figura siguiente; de forma que la diagonal a-e se acortase (convirtiéndose en a'-e) y la diagonal d-h se alargara (convirtiéndose en la d-h'). Debido al poco espesor del alma, la diagonal a´-e puede abollarse y se acorta.


Esto se evita colocando rigidizadores en diagonal, a ambos lados del alma, en la dirección de los esfuerzos de compresión.


Las tracciones que puedan producirse en el nudo rígido no son problemáticas, pues el alma las absorberá sin ninguna dificultad.
Es importante recordar que las soluciones aportadas anteriormente, no siempre son necesarias; dependen del tipo de jácena, pilar, cargas, unión, etc.
Si el pilar es grande y la jácena es pequeña, no es necesario ningún rigidizador, puesto que las propias alas y alma del soporte son capaces de absorber los esfuerzos que le lleguen de la jácena.
Si los esfuerzos son importantes es necesario colocar los rigidizadores o conectores de tracción y compresión. Y si son muy importantes conviene colocar también el conector de compresiones inclinado.
Puede ocurrir que sea necesario rigidizar sólo las alas donde se unen el soporte y la jácena, no siendo necesario que la cartela abarque todo el pilar hasta unir ambas alas y alma. En ese caso puede ser suficiente con la colocación de cartelas triangulares, conectando el ala y el alma del soporte, tal como se detalla en el dibujo siguiente.


En los casos en que acometan dos vigas al soporte, una por cada lateral el sistema de rigidización de las alas-alma es similar: conectores de tracciones y de compresiones.


La resistencia a cortante en la zona del alma del soporte comprendida entre las alas comprimida y traccionada de la viga suele ser suficiente. Si no así, deberá reforzarse el alma del soporte, bien mediante una pareja de rigidizadores en diagonal (uno por cada lateral del alma), o bien mediante una chapa de refuerzo, que a su vez aumenta la resistencia de las tres zonas del alma: tracción, compresión y cortante.


En los nudos rígidos se suelda todo el contorno de la viga en su encuentro con el pilar pudiendo, además, existir angulares de apoyo, cartela de rigidización inferior, o bien cartela de rigidización inferior y superior. según el grado de empotramiento que queramos conseguir, tal como se detalla a continuación.




Las estructuras con nudos rígidos se utilizan poco en edificios para viviendas, por la dificultad de ejecución y por los problemas de asientos diferenciales. Excepcionalmente se utilizan en edificios, normalmente con mucha altura, en los cuales es imposible su estabilización, ante fuerzas horizontales, mediante el arriostramiento por triangulaciones.
La principal dificultad que hay que resolver cuando se trata de realizar un nudo rígido, es la forma de transmitir las tensiones de tracción, debido a que por superponerse a las tensiones residuales de soldadura, pueden originarse roturas frágiles.
En las siguientes figuras se desarrollan algunos sistemas de materializar en la práctica los nudos correspondientes.
En dichas soluciones se busca, bien pasar un elemento continuo de chapa sin soldaduras en las zonas de momentos flectores negativos máximos, o bien reducir las tensiones de tracción aumentando mucho el canto.
En el caso de que se trate de un nudo o encuentro con pilar de la serie I ó H, aparte de las cartelas de rigidización, debemos colocarle conectores de tracción en la parte superior (a nivel superior de la jácena) y conectores de compresión en la parte inferior, tal como se detalla en las figuras siguientes, para evitar que se doblen las alas del pilar.


Si la jácena IPN es del mismo canto en ambos lados del pilar, tendremos dos opciones: que se adopte la solución con un pilar pasante (pilar continuo) tal como vimos en el detalle anterior, ó bien con una viga pasante (viga continua y pilar cortado) como veremos más adelante.
Si existe importante diferencia entre el canto de ambas jácenas, resolveremos el nudo colocando las cartelas de rigidización de distinto canto o altura, para poderlas unir por su parte inferior mediante el conector de compresión, evitando con ello que se puedan doblar las alas del pilar. En el detalle siguiente se ha materializado esta solución.


Si la diferencia de canto entre ambas jácenas es pequeña, resolvemos el nudo colocando el conector de compresiones ligeramente inclinado, tal como se muestra a continuación.


Cuando los pilares no sean de la serie I ó H, no es necesario colocarle conectores de tracción, ni de compresión, puesto que no existe riesgo de que se doblen las alas de los mismos.
En caso de necesitar que la viga sea continua, cortaremos el pilar y, posteriormente, le colocaremos las cartelas necesarias para reconstruirlo, del modo en que se describe a continuación.


El procedimiento de ejecución de este nudo con viga pasante es el siguiente:
Cortamos el pilar.
Colocamos una cartela en la cabeza del mismo, del ancho necesario.
Colocamos la viga continua
Colocamos otra cartela en la parte superior de la viga, más ancha que el pilar.
Colocamos el pilar de la parte superior.
Entre las cartelas horizontales colocamos unas pletinas verticales que mantienen la forma del pilar, dándole continuidad al mismo.
Una vez completada la ejecución y con toda la soldadura, el nudo está resulto y el pilar reconstruido.
La viga es continua Si pilar fuese más estrecho que la viga, no haría falta colocar las dos cartelas horizontales (debajo y encima de la viga), ya que el pilar apoyaría directamente encima de la viga y se soldaría directamente a ella, reconstruyendo posteriormente el pilar cortado.