Estructuras de perfiles ligeros de acero

Cálculo de uniones, según EAE-2011

A la hora de calcular estructuras de perfiles ligeros de acero, la mayor complejidad la encontramos sin duda en las uniones. La normativa es muy estricta en lo que respecta a la resistencia de los propios elementos de unión, así como en lo referente a las distancias mínimas a respetar entre elementos de unión y entre éstos y los bordes de los perfiles ligeros. Se consigue de este modo que trabajen adecuadamente, evitando desgarros en las chapas.

En uniones solicitadas, la geometría de la propia unión determina el dimensionamiento de los perfiles, para poder respetar las distancias mencionadas. Tampoco es infrecuente invertir los esfuerzos en las cerchas (comprimiendo las diagonales y traccionando los montantes) dado que la geometría de las uniones es más estricta para las piezas traccionadas, en lo que respecta a las distancias a respetar.

Todo ésto queda perfectamente definido en el Ártículo 73.13 de la Instrucción de Acero Estructural, que pasamos a analizar:

UNIONES (EAE Artículo 73.13):

Dado que en este tipo de estructuras la estabilidad local es determinante, en el diseño debe garantizarse que las uniones de elementos sometidos a compresión se realicen a través de la parte efectiva de la sección, teniendo en cuenta las posibles excentricidades locales.

La capacidad resistente de las uniones y empalmes a tracción es siempre, al menos, la mitad de la correspondiente a la de la sección neta.

En los elementos sometidos a compresión, independientemente de la magnitud del esfuerzo, la unión es capaz de resistir la capacidad a pandeo de los mismos. De este modo se asegura que en el agotamiento fallará antes el elemento que la unión o empalme.

Uniones con fijaciones mecánicas (EAE Artículo 73.13.3):

Las uniones se realizan mediante tornillos roscachapa, cumpliendo con la norma UNE-EN ISO 10666 “Tornillos autotaladrantes y autorroscantes. Características mecánicas y funcionales” y el resto de normas específicas aplicables a su geometría particular.

La disposición de elementos de fijación debe ser tal que permita el montaje y el mantenimiento posterior.

La rotura debe ser dúctil, es decir, que la capacidad a cortante del tornillo es superior a la correspondiente a cualquier otro modo de fallo.

Tornillos roscachapa (EAE Artículo 73.13.3.1):

Es habitual utilizar para todas las uniones entre perfiles ligeros tornillos roscachapa de 6,3mm de diámetro nominal.

Deben seguirse las instrucciones de montaje del fabricante en cuanto a colocación. El par de apriete aplicado debe ser ligeramente superior al necesario para formar el roscado e inferior al de rotura por torsión de la cabeza del tornillo. Dicho par de formación de roscado deberá ser inferior a los dos tercios del correspondiente a rotura de espiras de rosca y de cabeza del tornillo a torsión.

Las distancias a borde libre “e1” y mutua entre fijaciones en ambos sentidos “p1” y “p2” debe ser superior a tres diámetros nominales (18,90mm para tornillos de 6,3mm de diámetro nominal). En el sentido transversal la distancia “e2” mínima al borde es de vez y media el diámetro nominal (9,45mm para tornillos de 6,3mm de diámetro nominal).

La cabeza del tornillo debe situarse, siempre que sea posible, en contacto con la chapa más fina. Deben estar dotados de una arandela de rigidez suficiente como para movilizar la capacidad resistente de la unión frente a dos tipos clásicos de fallo:

  1. Por extracción o arranque de la parte roscada.
  2. Por perforación o punzonado de la chapa en contacto con la cabeza del tornillo.

Todas las uniones estructuralmente comprometidas se han de diseñar a cortante, ya que es como mejor se comporta este sistema. Para esfuerzos cortantes, en el plano de la chapa, la resistencia frente a aplastamiento de la fijación contra la chapa depende de la relación de espesores entre ambas chapas.

Para tornillos roscachapa de 6,3mm de diámetro nominal y perfiles de acero S 280 GD+ZA, la resistencia de cálculo frente a aplastamiento del tornillo contra la chapa “Fb,Rd”, por cada tornillo, es de 1,72kN cuando la chapa más fina es de 0,9mm, de 3,71kN cuando la chapa más fina es de 1,5mm y de 5,71kN cuando la chapa más fina es de 2mm de espesor.

La resistencia a cortante del propio tornillo “FV,Rd”, garantizada por el fabricante, debe ser un 20% superior a la de aplastamiento “Fb,Rd”.

Vista la complejidad en el cálculo de uniones de perfiles ligeros, conviene tenerlas presentes desde el principio en los tanteos de dimensionamiento, para asegurarnos que los perfiles utilizados, además de tener la resistencia necesaria, geométricamente son capaces de alojar los elementos de unión.

Perfiles ligeros de acero
Detalle de unión con tornillos roscachapa
Plano de ejecución de estructura de perfiles ligeros
Plano de ejecución de estructura de perfiles ligeros
Perfiles ligeros. Apoyo de paneles
Unión de perfiles ligeros en arranque e paneles
Perfiles ligeros. unión a cortante
Unión a cortante con tornillos roscachapa