Arriostramiento estructural de rodilla en edificios de acero: qué resiste y cuándo usarlo.

El arriostramiento estructural de rodilla es un elemento diagonal corto entre una columna y la viga superior, que forma un triángulo rígido en la esquina del marco. Su utilidad depende de la función que se le asigne en el diseño: resistencia a fuerzas laterales, arriostramiento para la estabilidad de los elementos, rigidización secundaria o arriostramiento durante el montaje. Estas funciones conllevan diferentes requisitos y normativas, y un mismo arriostramiento puede cumplir varias funciones a la vez. Identificar la función es fundamental antes de considerar cualquier detalle sobre el ángulo, la sección o la conexión.

Función del arriostramiento estructural en una estructura de acero

Un refuerzo de rodilla en una estructura de acero puede actuar como un elemento resistente a fuerzas laterales, un refuerzo de estabilidad de los elementos, un elemento de rigidización secundario o un refuerzo de montaje, y cuál de estas funciones cumpla dependerá de lo que le asigne el análisis de la estructura.

En un modelo idealizado con extremos articulados, el arriostramiento soporta tensión o compresión axial, y un cambio en la dirección del viento modifica esta relación. Los arriostramientos reales también generan flexión debido a la rigidez de la conexión, el desplazamiento de los elementos y la excentricidad en la placa de unión. Un solo ángulo atornillado a una cara soporta las tres fuerzas. El efecto del arriostramiento en la estructura es redistribuir la fuerza axial, el esfuerzo cortante y la flexión entre la viga, la columna, las conexiones y la cimentación, en proporciones que resultan de un modelo que representa la rigidez real de la conexión.

Esas cuatro filas no son excluyentes. Un mismo arriostramiento puede ubicarse en dos de ellas simultáneamente, soportando el esfuerzo cortante del pórtico y, al mismo tiempo, sosteniendo la columna en un punto. En ese caso, ambas demandas coexisten. Un plano típico no indica a qué fila pertenece un arriostramiento. La clasificación debe realizarse, no asumirse.

Un límite que conviene aclarar desde el principio: este artículo trata sobre aplicaciones de resistencia al viento y estabilidad de elementos en estructuras de acero convencionales. Un arriostramiento de rodilla, considerado como parte de un sistema de resistencia a fuerzas sísmicas, requiere un diseño independiente. La clasificación del sistema, los factores de respuesta y el detalle de ductilidad provienen del código de construcción vigente, ASCE 7, y de las disposiciones sísmicas del AISC. Gran parte de la literatura sobre estructuras arriostradas de rodilla que aparece en las búsquedas describe sistemas sísmicos de disipación de energía, no el ángulo estándar en un plano de almacén.

Por qué una rodillera puede sobrecargar el miembro al que se une.

Agregar un refuerzo a una estructura de acero desplaza la carga en lugar de eliminarla, por lo que es necesario verificar tanto el refuerzo como las conexiones de los extremos y el elemento que recibe la fuerza antes de aceptar el detalle.

Se presentan varios estados límite simultáneamente. El arriostramiento puede pandearse por compresión, ceder por tracción, fracturarse en la sección transversal o fallar por cortante en bloque. Las conexiones pueden fallar por cortante o aplastamiento de los pernos, en la soldadura o por pandeo de la placa de unión. La viga, columna o cordón de la cercha receptora puede ceder localmente o fallar por flexión del ala, fluencia del alma o pandeo del alma en la unión. El estado que rige se deduce de la geometría y los detalles. El dibujo no lo indica.

La fuerza que soporta el arriostramiento depende de su rigidez en relación con todo lo que actúa en paralelo. Una conexión más flexible que la supuesta en el modelo soporta menos fuerza de la calculada, y la conexión más rígida compensa la diferencia. El número de pernos por sí solo no determina esto. El grosor de la abrazadera, la longitud del cartel, el tipo de orificio, la distancia al borde, la deformación del apoyo y la rigidez del elemento detrás de la conexión influyen en el resultado. El caso problemático se presenta cuando, según el análisis, el arriostramiento proporciona una restricción que la conexión nunca ofrece, ya que nada en la construcción terminada evidencia esta deficiencia.

La distribución proporcional de la rigidez es también donde falla la suposición común sobre los edificios revestidos. En un sistema de construcción metálica, la carga transversal normalmente se dirige a los marcos rígidos, y la carga longitudinal a los arriostramientos designados de paredes y techos o a un pórtico en las aberturas. El revestimiento se convierte en un diafragma estructural solo cuando su resistencia, rigidez, fijaciones, colectores y anclajes de borde se han diseñado o probado en conjunto. La guía de la Asociación de Construcción Metálica sobre clips para techos de junta alzada señala que los clips deslizantes utilizados en muchos techos de junta alzada no proporcionan una rigidez de diafragma definida en el plano. Siguiendo esa lógica, se llega a una conclusión que ningún plano indica. Tomemos dos edificios idénticos, un techo diseñado como diafragma y otro no: el mismo arriostramiento de rodilla atrae una mayor proporción de la carga en el segundo. Cerrado no es lo mismo que arriostrado.

Las pruebas a gran escala de estructuras de postes, según informa Hansen Pole Buildings, apuntan en la misma dirección: la contribución medida del arriostramiento de rodilla disminuye a medida que aumenta la carga una vez instalado el techo de chapa. Dichas pruebas utilizaron postes y cerchas de madera, con uniones clavadas, por lo que los resultados no son aplicables al acero. Sin embargo, la necesidad de modelar cada trayectoria paralela sí lo es.

Una segunda brecha se ubica en el ala que toca el arriostramiento. Arriostrar una viga contra el pandeo lateral-torsional requiere controlar la torsión, y la investigación de AISC sobre vigas con puntos de inflexión muestra que el arriostramiento lateral aplicado a un ala no evita por sí solo ese modo. Un arriostramiento de rodilla en el plano del pórtico restringe el movimiento en el plano en el punto de conexión. No restringe el ala interior fuera del plano, razón por la cual los arriostramientos de ala y los arriostramientos de ala existen como un detalle separado que va desde la correa o el larguero hasta esa ala. Un arriostramiento de rodilla en el plano del pórtico no debe considerarse que reduce una longitud sin arriostramiento fuera del plano, ni que proporciona arriostramiento de ala de compresión o torsión, a menos que su geometría y sistema de soporte proporcionen la restricción requerida.

Arriostramiento de rodillas frente a vanos arriostrados, marcos rígidos y arriostramiento de bridas

La elección entre un arriostramiento de rodilla, un vano arriostrado en X, un pórtico rígido transversal, un pórtico longitudinal y un arriostramiento de brida depende de lo que deba permanecer libre dentro del vano y de la cantidad de desplazamiento lateral que la estructura pueda soportar.

Cuando un arriostramiento de rodilla y un vano arriostrado se superponen, el programa de aperturas suele ser determinante. Un vano que admite una puerta enrollable no puede soportar una X de altura completa. Un arriostramiento de rodilla que no obstruya el cabezal de la puerta es entonces una opción entre varias. Un pórtico o arriostramiento de pórtico en la abertura, un vano arriostrado reubicado, un vano resistente a momentos y arriostramientos por encima del cabezal también mantienen la abertura. Comparamos estas opciones con el programa de aperturas y el límite de deriva antes de fijar la disposición del pórtico, ya que la elección resulta costosa de revertir una vez que se detalla el vano. La decisión sobre qué vanos de un edificio llevan arriostramiento transversal se toma a nivel de edificio. Lo mismo ocurre con la disposición general del sistema de arriostramiento del pórtico de acero , y ninguna de las dos se decide esquina por esquina.

Variables que determinan el ángulo, el tamaño y el punto de fijación de la rodillera.

La geometría del soporte de rodilla viene determinada por cuatro variables que interactúan entre sí: el punto de fijación en la columna, el ángulo del soporte medido desde un eje determinado, la sección y la conexión en cada extremo, y la resistencia disponible del elemento que recibe la fuerza.

El ángulo no significa nada hasta que se nombra el eje. Considere θ como el ángulo con respecto a la horizontal y trate el arriostramiento como articulado. Para aplicar una fuerza horizontal H en la esquina, el arriostramiento soporta una fuerza axial de H / cos θ y ejerce una componente vertical de H · tan θ sobre la viga. Ambas aumentan a medida que el arriostramiento se vuelve más inclinado. Un arriostramiento menos inclinado es el elemento más largo, se extiende más a lo largo de la viga y ocupa más espacio libre bajo el alero. El elemento de trabajo se ubica donde no se muestra en el plano. Un arriostramiento inclinado protege la altura libre y genera una fuerza axial y un empuje vertical sobre la viga. Un arriostramiento plano reduce esas fuerzas y, en cambio, ocupa más espacio. Ninguno es la opción predeterminada. En una estructura real, la flexión de los elementos, la rigidez de las conexiones, la carga gravitatoria y la respuesta de segundo orden determinan las fuerzas que rigen el análisis, no un ángulo preferido.

Existen detalles prescriptivos de 45 grados. Las disposiciones del Código Residencial de Kentucky para estructuras de postes y entramados exigen un arriostramiento de 2x6 desde la columna hasta la cuerda superior de la cercha a 45 grados, con fijación y caída definidas mediante una tabla. Esta norma se aplica a la construcción residencial de estructuras de postes y madera en una jurisdicción específica. Un detalle prescriptivo escrito para madera clavada no tiene validez sobre una estructura de acero atornillada, y copiar el ángulo en diferentes materiales reproduce la geometría sin tener en cuenta las suposiciones subyacentes.

El punto de anclaje presenta el mismo problema a la inversa. Al desplazar la conexión hacia abajo en la columna, esta se divide en dos segmentos con longitudes y restricciones de extremo diferentes, y una distribución de momentos distinta: el inferior es más corto y el superior, más largo. El segmento y el modo de pandeo que predominan se determinan mediante la verificación de la estabilidad del elemento, no a partir de la suposición de que una conexión inferior implica una longitud sin arriostramiento menor.

Defina dos de las cuatro variables antes de analizar las demás. Confirme primero la función, ya que un arriostramiento de fuerza lateral y uno de estabilidad se evalúan según requisitos diferentes, y la clasificación modifica el aspecto de un detalle adecuado. A continuación, confirme la resistencia disponible del elemento sobre el que se apoya el arriostramiento, puesto que esta verificación es la que tiene más probabilidades de invalidar el detalle y la más costosa de corregir tras la fabricación. Aún es necesario definir el ángulo, la sección y el patrón de pernos, pero la revisión del plano tiene un coste mínimo. Por eso se abordan en segundo lugar.

Cabe aclarar que, en un edificio cerrado con un sistema de arriostramiento diseñado en ambas direcciones y una viga ya verificada para sus cargas, los arriostramientos de rodilla suelen ser un gasto innecesario que apenas modifica la estructura. Estos arriostramientos resultan útiles cuando no existe un sistema de arriostramiento específico o este está interrumpido, cuando un tramo debe permanecer abierto o cuando un elemento concreto necesita un punto de apoyo que ningún otro sistema proporciona.

Qué verificar antes de que se apruebe el diseño de una rodillera

La verificación de un detalle de una rodillera se realiza en el conjunto de planos y cálculos, porque la cuestión que lo determina es si el elemento receptor y sus conexiones fueron diseñados para soportar la fuerza que ejerce la rodillera.

• La función estructural asignada al arriostramiento y el modelo en el que se basa: solo tensión, elemento de celosía, elemento de marco o resorte.
• La fuerza de refuerzo y su dirección, escritas en la propia pieza.
• Se nombra la viga, columna o cordón de la cercha receptora, y su verificación aparece en algún lugar del conjunto de cálculos.
• Se detallan ambas conexiones de los extremos con un grupo de pernos o soldadura definidos, incluyendo cualquier excentricidad entre la línea central del refuerzo y la junta.
• En el dibujo se indican tanto la dimensión de caída en la columna como el ángulo de arriostramiento.
• Carga inversa contemplada: un arriostramiento capaz de soportar compresión necesita una comprobación de estabilidad, mientras que un arriostramiento que solo soporta tensión necesita un recorrido completo para la dirección opuesta.
• Se debe especificar la rigidez requerida del arriostramiento en cualquier punto donde este se considere un punto de apoyo para la estabilidad.
• La restricción fuera del plano del elemento que se muestra por separado, ya que la rodillera no la proporciona.
• Si el techo y las paredes son un diafragma diseñado o solo revestimiento, ya que eso determina qué otros elementos comparten la carga.

Dos condiciones del sitio modifican el significado de una omisión en esa lista. En un edificio con un sistema de arriostramiento diseñado, donde el arriostramiento es un elemento secundario, un cálculo faltante constituye una omisión en la documentación. En un cobertizo, marquesina o pabellón abierto que nunca recibe un sistema de arriostramiento de pared o techo, el arriostramiento y su conexión pueden ser la vía de carga, y la misma omisión constituye una omisión de diseño. Verificamos a cuál de los dos casos pertenece un edificio antes de aprobar el detalle. En la construcción de edificios metálicos prefabricados, el arriostramiento suele llegar como un ángulo estándar con una placa perforada, fácil de agregar en el sitio y también fácil de agregar sin verificación.

¿Por dónde empezar con el arriostramiento de rodillas en su edificio de acero?

Es importante especificar el arriostramiento estructural de rodilla cuando un vano debe permanecer abierto o cuando falta un sistema de arriostramiento designado, y conviene cuestionar dónde ya se está realizando el trabajo. Dos factores son determinantes: la función asignada al arriostramiento y la resistencia disponible del elemento sobre el que se apoya. El ángulo y la sección se derivan de estos, y ambos pueden modificarse fácilmente mientras el plano esté abierto.

El patrón que genera más retrabajos es un arriostramiento añadido tardíamente a una estructura cuyo cabrio se dimensionó sin él. Aclaramos la función del arriostramiento antes de enviar los planos de la estructura, ya que esa clasificación determina qué verificaciones debe superar el detalle.

Si en sus planos ya aparece un arriostramiento de rodilla, tres elementos indican si fue diseñado o heredado: la fuerza del arriostramiento indicada en el detalle, la caída y el ángulo dimensionados, y un cálculo que abarque la cuerda de la viga o cercha en el punto de fijación. Para un arriostramiento propuesto en una estructura ya existente, comience por determinar la resistencia disponible del elemento sobre el que se apoyaría. La sección y el ángulo se consideran posteriormente.

Preguntas Frecuentes