El empalme de estructuras de acero incluye el empalme en el taller y en la obra. Los métodos de empalme incluyen la soldadura y el atornillado. Debemos implementar el empalme de la estructura de acero sobre la base de garantizar la resistencia de los componentes.

1. Empalme de estructuras de acero para una sección transversal uniforme

Empalme de estructuras de acero en fábrica

Elementos portadores de tensión: soldadura directa a tope (figura a) o la soldadura de placas y filetes (figura b) se puede utilizar. Cuando se suelda directamente a tope, la calidad de la soldadura debe cumplir las normas de calidad de la clase I o II; en caso contrario, deben utilizarse placas de empalme y soldaduras en ángulo.

Componentes a presión: soldadura directa a tope (figura a) o la soldadura de placas y filetes (figura b) se puede utilizar.

Cuando se utilicen placas de empalme y soldaduras de filete, las bridas y los almas de los componentes deben tener sus propias placas de empalme y soldaduras para que la transmisión de la fuerza sea lo más directa y uniforme posible para evitar una excesiva concentración de tensiones. Al determinar la anchura de la placa de empalme del alma, es necesario dejar espacio suficiente para el funcionamiento de la varilla de soldadura al soldar la soldadura longitudinal.

Empalme de estructuras de acero in situ

Componentes que soportan la tensión: las placas de empalme pueden añadir pernos de alta resistencia (Figura c) o placas finales para añadir pernos de alta resistencia (Figura d).

Componentes que soportan la presión: Las soldaduras (imágenes e, f) o las superficies de contacto superior e inferior pueden aplanarse y soportar directamente la fuerza de transmisión de la presión (imágenes g, h). Al soldar, la parte superior del componente debe ser biselada en la fábrica de antemano. La parte inferior (o las dos partes superior e inferior) tiene piezas de posicionamiento (acero en canal o acero en ángulo) para asegurar la posición correcta al soldar. Cuando las superficies de contacto superior e inferior están cepilladas y rematadas, deben completarse con un pequeño número de soldaduras y pernos cuando soportan directamente la presión y transmiten la fuerza para que no puedan moverse. El empalme de los componentes de tracción y compresión debe calcularse según el principio de igualdad de resistencia; es decir, los materiales y conectores de empalme pueden transmitir la fuerza interna máxima de la sección rota.

2. El empalme de las vigas de acero

El empalme de las vigas se divide en empalme en fábrica y empalme in situ debido a las diferentes condiciones de construcción.

Empalme de estructuras de acero en fábrica

1) Es mejor escalonar las posiciones de la brida y el alma para evitar la concentración de soldaduras.
2) Las soldaduras de empalme de las bridas y los almas suelen adoptar soldaduras a tope.
3) La comprobación y los cálculos no son necesarios para las soldaduras que cumplen los niveles de inspección de la calidad de la soldadura de las clases I y II.
4) La comprobación y los cálculos son necesarios para las soldaduras que cumplen el nivel de inspección de la calidad de la soldadura de Clase III. Cuando la resistencia de la soldadura es insuficiente, se pueden utilizar soldaduras oblicuas. Cuando θ satisface tgθ≤1,5, la comprobación y el cálculo no son necesarios.

Empalme de estructuras de acero in situ

1) Para el empalme in situ, generalmente, el ala y el alma deben desconectarse en la misma sección para facilitar el transporte segmentado (Figura a). Para que la placa de la brida tenga un cierto margen de expansión y contracción durante el proceso de soldadura para reducir la tensión residual de la soldadura, se puede reservar en la fábrica la longitud de unos 500 mm sin soldar.

2) Como se muestra en la figura b, el escalonamiento adecuado de las posiciones de empalme del ala y del alma puede evitar que las soldaduras se concentren en la misma sección, pero no es fácil de transportar.

3) Para las vigas remachadas y las grandes vigas soldadas que son más importantes o están sometidas a cargas dinámicas, se suelen utilizar pernos de alta resistencia para la unión en obra.

3. Conexión de las vigas primarias y secundarias

La viga secundaria se apoya libremente

1). Superposición de

Estructura: Los refuerzos de apoyo deben disponerse en las posiciones correspondientes de la viga principal para evitar una presión local excesiva en el alma de la viga principal.

Características: Estructura simple, instalación conveniente de las vigas secundarias, pero los sistemas de vigas principales y secundarias ocupan un gran espacio neto.

Cálculo: Por lo general, no es necesario ningún cálculo, y los tornillos sólo se utilizan para la fijación.

2). Conexión lateral

Estructura: La viga secundaria está conectada al lado de la viga principal y puede estar directamente conectada al rigidizador de la viga principal (Figura a, b) o el ángulo corto de acero (Figura c).

Características:

Figura a: Se conecta al rigidizador con pernos, la estructura es sencilla y la instalación es conveniente, pero hay que cortar un lado del ala superior y el ala inferior de la viga secundaria;

Figura b: Las soldaduras de obra lo conectan. En este momento, los pernos sólo se utilizan para la fijación temporal, pero la soldadura de las soldaduras en los extremos del alma de la viga secundaria no es conveniente;

Figura c, d: Para utilizar ángulos de acero de ángulo corto para conectar las vigas principales y secundarias para la conexión con pernos o soldaduras de instalación, es necesario cortar parcialmente el ala superior.

Cálculo:

Figura a, b: Las soldaduras o tornillos necesarios para la conexión deben calcularse en función de la fuerza de reacción de la viga secundaria. Teniendo en cuenta que la unión no es ideal, la fuerza de reacción de la viga secundaria debe aumentarse en un 20~30%.

Figura c: Al calcular el perno ①, el ángulo corto de acero puede considerarse como un cuerpo con la viga secundaria. Por lo tanto, el perno ① debe soportar la fuerza de reacción de soporte de acción combinada de la viga secundaria R y el momento M=Re. En cambio, el cerrojo ② sólo lleva el papel de R. A la inversa. El acero de ángulo corto también puede considerarse parte integrante de la viga principal. Entonces el perno ① sólo soporta la fuerza de reacción R, mientras que el perno ② debe soportar la acción combinada de la fuerza de reacción R del soporte de la viga secundaria y el momento M=Re.

Figura d: El método de cálculo es similar al de la figura c. La soldadura ① y la soldadura ② también asumen el papel conjunto de R o R y M=Re, respectivamente.

El haz secundario es continuo

La viga libremente apoyada se solapa, con la salvedad de que la viga secundaria pasa continuamente y no se rompe sobre la viga primaria. Cuando hay que empalmar la viga secundaria, la posición de empalme puede fijarse en un pequeño momento de flexión. Utilice pernos o soldaduras para fijar entre las vigas primarias y secundarias.

1). Superposición de

La viga libremente apoyada se solapa, con la salvedad de que la viga secundaria pasa continuamente y no se rompe sobre la viga primaria. Cuando hay que empalmar la viga secundaria, la posición de empalme puede fijarse en un pequeño momento de flexión. Utilice pernos o soldaduras para fijar entre las vigas primarias y secundarias.

2). Conexión lateral:

Estructura: Para garantizar la continuidad de la viga secundaria de dos vanos en la viga primaria, se deben prever placas de unión en las alas superior e inferior.

Figura a: Conectado con pernos de alta resistencia, el alma de la viga secundaria se conecta al rigidizador de la viga primaria, y la placa de conexión del ala inferior se divide en dos piezas, que se sueldan a ambos lados del alma de la viga primaria.

Figura b: Instalación en la obra, conexión soldada, la viga secundaria se apoya en el soporte de la viga principal, el ala superior de la viga secundaria está provista de una placa de conexión, y una placa de soporte sustituye a la placa de conexión del ala inferior.

Cálculo:

La fuerza de reacción del soporte se transmite desde éste a la viga principal, y las bridas superior e inferior soportan el momento flector negativo en el extremo. La conexión, la cubierta y la placa superior transmiten la fuerza horizontal de la descomposición M, F=M/h (h altura secundaria de la viga) F se utiliza para calcular el tamaño de la sección y la conexión de los pernos de soldadura. Para evitar la soldadura por encima de la cabeza, la placa de cubierta de conexión es más estrecha que la brida superior y la placa de tiro es más ancha que la brida inferior.

4. Conexión de vigas y columnas

Para conectar los nodos, se deben seguir los siguientes principios básicos:
Seguro y fiable. El análisis de fuerzas debe ser lo más parecido posible a las condiciones reales de trabajo. Deben adoptarse los diagramas de cálculo coherentes con el estado de conexión real de los componentes o cercanos a él; la conexión debe tener una ruta de transmisión de fuerzas clara y una garantía de estructura fiable.

Es fácil de hacer, transportar e instalar. Reducir el tipo de uniones; dejar espacio para el ajuste en el tamaño del empalme; tratar de facilitar las operaciones durante la construcción, como evitar la soldadura por encima de la cabeza de las soldaduras de la obra, montar e instalar los soportes, etc.

La economía es razonable. El método más económico se determina tras una cuidadosa consideración de los materiales, la producción, la construcción, etc., y no debe entenderse como un ahorro de acero.

La conexión viga-columna puede dividirse en tres tipos: conexión flexible (conexión articulada), conexión rígida y conexión semirrígida según las diferentes rigideces de rotación.

Conexión flexible de vigas y pilares

La conexión entre los pilares y las vigas de compresión axial suele ser articulada.

1). La viga se apoya en la parte superior de la columna

Figura a: La fuerza de reacción de apoyo de la viga se transmite directamente al ala del pilar. Deje un espacio entre las vigas adyacentes para que haya espacio para el ajuste durante la instalación. La estructura es simple y la construcción es conveniente. Sin embargo, cuando las fuerzas de reacción de dos vigas adyacentes no son iguales, causará la compresión excéntrica de la columna, y cuando la fuerza de reacción transmitida por una viga es grande, también puede causar el pandeo local del ala de la columna.

Figura b: Aunque las fuerzas de reacción de dos vigas adyacentes no sean iguales, el pilar se comprime cerca del eje. La parte inferior del refuerzo de la brida debe estar aplanada y rematada firmemente contra la placa superior del pilar; el alma del pilar es la parte principal que soporta la fuerza, y su grosor no debe ser demasiado fino; debajo de la placa superior del pilar, se deben proporcionar refuerzos, y los refuerzos deben tener una longitud suficiente para cumplir el requisito de la longitud de la soldadura y el requisito de la propagación uniforme de la tensión.

La viga se apoya en el lado de la columna

Figura a: Cuando la fuerza de reacción de la viga es pequeña, la viga puede colocarse directamente en la ménsula del pilar sin necesidad de apoyos y conectarse con pernos ordinarios; la estructura es relativamente sencilla, y la construcción es conveniente.

Figura b: Se utiliza cuando la fuerza de reacción de la viga es grande. La fuerza de reacción de la viga se transmite al soporte mediante el rigidizador del extremo; el soporte está hecho de una placa de acero gruesa (su grosor debe ser mayor que el del rigidizador) o de un ángulo de acero rigidizado, que se conecta al lado de la columna con una soldadura.

Figura c: Se utiliza cuando la fuerza de reacción de dos vigas adyacentes difiere mucho. La fuerza de reacción de la viga se transmite a través del alma del pilar, de modo que éste sigue estando cerca del estado de fuerza axial.

Conexión rígida de vigas y pilares

Las vigas y los pilares de acero suelen adoptar una conexión rígida.

Deben cumplirse los siguientes requisitos:

Garantizar que el momento de flexión y la fuerza de cizallamiento de la sección de la viga se transmiten de forma fiable al pilar; garantizar la rigidez de las juntas para que la conexión no produzca esquinas relativas evidentes; la estructura es sencilla y conveniente para la construcción;

Figura a, b: El momento de flexión y la fuerza de cizallamiento se transmiten directamente al pilar a través del cordón de soldadura. Se puede considerar que el momento de flexión del extremo de la viga se transmite en su totalidad al pilar por el cordón de soldadura de la conexión del ala, y el esfuerzo cortante se transmite al pilar por el cordón de soldadura del alma.

Para soldar la soldadura de conexión de la brida en la posición de soldadura plana, la placa de revestimiento debe soldarse en el lado de la columna, y al mismo tiempo, se reservan muescas por adelantado en el extremo del alma de la viga. La muesca superior permite la posición de la placa de revestimiento, y la muesca inferior es para cumplir con los requisitos de soldadura.

Figura c, d: El momento de flexión del extremo de la viga y el esfuerzo cortante se transmiten al pilar a través de pernos y soldaduras de alta resistencia. Dado que la fuerza puede transmitirse a la columna a través de la placa de conexión y el ángulo de acero, pertenece a la transmisión indirecta de la fuerza.

La viga puede estar provista de rigidizadores transversales, como se muestra en las figuras b y d, o no, como se muestra en las figuras a y c, dentro del rango en el que la viga está conectada a la columna. En este último caso, hay que comprobar la resistencia y la estabilidad del alma y el ala del pilar.