Una conexión de estructura de acero es la unión que transfiere la fuerza de un elemento a otro, y la eficacia con que lo hace determina si la estructura se mantiene estable o tiembla. Las conexiones se agrupan de dos formas independientes, que resultan fáciles de confundir aunque responden a preguntas distintas. La primera clasificación es el método de unión: qué sostiene físicamente los elementos entre sí, es decir, tornillos, soldaduras o remaches. La segunda es el comportamiento estructural: cuánto restringe la rotación la unión, lo que determina si solo resiste cortante, momento flector completo o carga axial. Una unión puede ser atornillada o soldada y aun así ser una unión simple o una unión a momento; por lo tanto, el tipo de herrajes por sí solo no indica cómo se comportará la conexión.
Este artículo aborda esos tipos de conexiones y la lógica para elegir entre ellos. No explica paso a paso las especificaciones de procedimientos de soldadura, el diseño detallado según el código cláusula por cláusula, ni cómo se colocan los pernos de anclaje en el hormigón en obra.
Lo que debe hacer una conexión de estructura de acero
Toda conexión de acero soporta una combinación de tres tipos de fuerzas entre los elementos: cortante, momento flector y carga axial. Cuál de estas fuerzas debe transferir cada unión se decide en el modelo estructural, antes de que alguien elija un tornillo o encienda el arco eléctrico. Si se equivoca en esa intención, el detalle seguirá ese error, sin importar lo pulcro que parezca el trabajo de fabricación.
El error común consiste en considerar “atornillado versus soldado” y “articulado versus rígido” como la misma elección. Son dos ejes independientes. Atornillar y soldar describen cómo se une el acero; simple, a momento y con refuerzos describen cómo se comporta la unión bajo carga. Se puede soldar una unión destinada a girar libremente, y se puede atornillar una unión que debe transmitir momento completo. Por ejemplo, en un edificio con pórticos, las cumbreras y la cúspide se detallan como conexiones a momento, mientras que los tirantes de correas y vigas permanecen como conexiones simples. Esta división se mantiene tanto si el taller atornilla esas uniones como si las suelda. Por eso, la primera pregunta en cualquier nudo no es “tornillo o soldadura”, sino “¿qué debe resistir esta unión?”.
Tipos de conexiones de acero según el método de unión
Según el método de unión, las conexiones de acero se clasifican en tres categorías: atornilladas, soldadas y remachadas. Las dos primeras abarcan casi toda la construcción nueva; la tercera suele ser algo que se hereda.
Conexiones atornilladas
Las conexiones atornilladas sujetan los elementos mediante pernos de alta resistencia y constituyen la columna vertebral del montaje en obra, ya que los equipos pueden ejecutarlas rápidamente y verificarlas visualmente y mediante el par de apriete. Los grados comunes de alta resistencia son 8.8 y 10.9 según la designación europea, o los grados A325 y A490 en la práctica norteamericana. Las uniones atornilladas se comportan de una de dos maneras. En una unión de tipo de apoyo, el vástago del perno descansa contra el borde del orificio, lo cual es la opción económica por defecto. Una unión crítica al deslizamiento, o de tipo friccional, se pre-tensa para que las placas comprimidas soporten la carga por fricción antes de que se produzca cualquier deslizamiento; esta opción se especifica cuando la carga se invierte o cuando la fatiga es un factor importante. En ambos casos, la calidad de la unión depende únicamente de la tensión instalada, por lo que la pretensión se verifica mediante giros de tuerca o arandelas indicadoras de tensión directa, en lugar de asumirla.
Conexiones soldadas
Las conexiones soldadas unen los elementos mediante metal de aporte depositado y pueden alcanzar casi la resistencia completa de la sección unida. Dos tipos de soldadura cubren la mayoría de las aplicaciones. Las soldaduras de filete se realizan a lo largo del borde de las placas solapadas o unidas en T. Las soldaduras de ranura (de tope) llenan un hueco preparado y, cuando son de penetración total, transmiten la fuerza completa del elemento. La soldadura se prefiere en taller, donde el trabajo puede colocarse de manera plana, controlarse e inspeccionarse. La soldadura en obra enfrenta dificultades de posición, clima y acceso, por lo que se reserva para aquellas uniones que realmente lo requieren. Las soldaduras críticas se verifican más allá de la inspección visual, utilizando ensayos ultrasónicos o radiográficos, y la soldadura de acero estructural en sí está regulada por AWS D1.1 en la práctica norteamericana. Por ello, la mayoría de los fabricantes suelen soldar en taller y atornillar en obra, ya que la soldadura en taller se realiza bajo control, mientras que la soldadura en obra depende de las condiciones del sitio.
Conexiones remachadas
Las conexiones remachadas pertenecen principalmente a estructuras más antiguas, y los nuevos edificios de acero casi nunca las utilizan. Los remaches calientes solían cumplir la función que hoy desempeñan los pernos de alta resistencia, pero fueron sustituidos en gran medida porque atornillar es más rápido, menos ruidoso y más fácil de inspeccionar. Hoy en día, se encuentran remaches principalmente al evaluar o modernizar obras de acero patrimoniales, donde resulta más importante replicar el comportamiento original de la unión que el propio elemento de fijación.
Tipos de conexiones de acero según el comportamiento estructural
El comportamiento estructural clasifica las conexiones de otra manera: una unión es simple, de momento o de arriostramiento, dependiendo de cuánto limite los miembros, independientemente de si está atornillada o soldada. Este es el criterio que determina cómo el conjunto del pórtico resiste las cargas, por lo que conviene analizar una unión según su comportamiento antes que según sus elementos de fijación.
Una conexión simple transmite cortante y permite la rotación de los miembros unidos, de modo que soporta la carga vertical sin mantener el ángulo entre los miembros. Placas de refuerzo, placas finales flexibles y escuadras asentadas son típicas y resultan adecuadas para pórticos arriostrados, donde los arriostramientos o los muros de corte absorben la carga lateral. Una conexión de momento transmite tanto flexión como cortante y mantiene fijo el ángulo entre los miembros. Esta rigidez es la que permite que un pórtico resista el pandeo por acción del propio marco, como ocurre en los aleros de un pórtico portal. Las uniones de momento requieren más material y mayor elaboración, por lo que se especifican únicamente cuando son necesarias, no por defecto. Una conexión de arriostramiento transmite tensión o compresión axial a lo largo de la línea del arriostramiento y suele apoyarse en una placa de nudo en el extremo del arriostramiento. La disposición de estos arriostramientos a lo largo de un vano es objeto de arriostramiento de pórticos de acero. Ambos criterios están directamente relacionados: si un vano carece de arriostramiento, sus uniones viga‑columna deben ser de momento; de lo contrario, el pórtico se comportaría como un mecanismo. Por lo tanto, la decisión del modelo entre arriostrado y de momento determina las uniones que debes detallar.
Los códigos de diseño formalizan este concepto. El Eurocódigo 3 (EN 1993‑1‑8), por ejemplo, clasifica las uniones según su rigidez y resistencia, y permite considerar una unión como nominalmente articulada cuando su resistencia a momentos es pequeña en comparación con la de una unión de resistencia plena.
Ubicación de las conexiones en un pórtico de acero
La mayoría de los pórticos de acero reutilizan el mismo reducido número de ubicaciones para las conexiones, y cada una de ellas está vinculada a características específicas Componentes de la estructura de edificios metálicos en un camino de carga continuo. Nombrarlos es lo que hace legible un plano estructural.
- Viga‑columna: la unión cotidiana donde una viga se conecta a una columna, detallada como simple o rígida según el tipo de conexión.
- Viga‑viga: vigas secundarias que se conectan a vigas principales, generalmente con uniones de corte simples.
- Column splices: where one column length joins the next in taller frames, made with bolted cover plates or end plates.
- Bases de columnas: una placa base soldada a la base de la columna y anclada al hormigón mediante pernos de anclaje. La placa base distribuye la carga de la columna sobre el hormigón, mientras que los pernos de anclaje resisten el levantamiento y el corte. Este es el punto de transición entre el acero y el cimentación de edificios metálicos, y si la base se detalla como articulada o empotrada determina cuánto momento se transmite a la zapata.
- Conexiones de arriostramiento: elementos de arriostramiento que se unen a la estructura mediante placas de nudo, dimensionados para soportar cargas axiales.
Elección entre conexiones atornilladas y soldadas
La elección entre conexiones atornilladas y soldadas es, en gran medida, una cuestión de dónde se realiza el trabajo y qué debe resistir la unión. Estos dos métodos no son tanto rivales sino herramientas adaptadas a distintos contextos, y la mayoría de los edificios emplean ambos.
| Factor | Atornillado | Soldado |
|---|---|---|
| Mejor ajuste | Montaje en campo | Fabricación en taller |
| Velocidad en obra | Rápido, inmediato | Más lento; montaje, soldadura e inspección |
| Inspection | Verificación visual más torque o tensión | Visual más NDT en soldaduras críticas |
| Reversión de carga y fatiga | Los tornillos críticos para deslizamiento lo soportan bien | Bueno si se detalla para la fatiga; las bases de las soldaduras pueden agrietarse |
| Removability | Demountable | Permanent |
| Hogar típico | Vigas a columnas, empalmes, tirantes en obra | Secciones compuestas, placas de base, uniones a momento de resistencia total |
Para la mayoría de los edificios de acero, la solución práctica es combinar ambas opciones: soldar los elementos de conexión pesados en el taller y luego unir las piezas ensambladas con pernos en obra. A escala del edificio, esa misma compensación se manifiesta como la elección entre edificios de acero soldados o atornillados.
El costo es la razón por la cual esta elección resulta importante. Las conexiones añaden muy poco peso de acero pero una gran cantidad de mano de obra. En un pórtico multiescalonado con arriostramiento típico, las conexiones pueden representar menos del 5 % del peso de acero del pórtico, pero hasta el 30 % o más de su costo. La fabricación de conexiones por sí sola puede llegar a representar entre el 30 % y el 50 % del costo total de fabricación, según la guía de la industria siderúrgica del Reino Unido publicada en SteelConstruction.info. Por lo tanto, estandarizar y simplificar los detalles de las conexiones reduce el precio de un pórtico de acero más que reducir las dimensiones de las barras, razón por la cual se prefieren los detalles atornillados repetitivos frente a las soldaduras ocasionales en obra.
Dónde fallan las conexiones de acero y cómo se verifican
Las conexiones fallan de unas pocas formas previsibles, y la mayoría se detectan mediante controles cuyo costo es mucho menor que el de la reparación. Cada modo de fallo tiene una verificación correspondiente, y el patrón siempre es el mismo: una variable no confirmada se convierte en un defecto que habría sido identificado por un control rutinario.
- Los pernos demasiado flojos o de grado incorrecto pierden la fuerza de apriete en la que se basa una unión crítica al deslizamiento; por ello, se verifica la pretensión instalada y las marcas de los pernos en lugar de confiar en ellas.
- Los defectos de soldadura, como la falta de fusión, la porosidad o los filetes de soldadura de tamaño insuficiente, reducen la resistencia y favorecen la aparición de grietas por fatiga; por ello, las soldaduras de penetración total y las soldaduras críticas se someten a ensayos ultrasónicos o radiográficos además de una inspección visual.
- Fatigue and stress concentration gather at weld toes and re-entrant corners under repeated load, as under crane runways, so those details are designed for fatigue and ground smooth where the spec calls for it.
- La corrosión en las superficies de contacto reduce la sección estructural de manera invisible; por ello, las uniones expuestas a la humedad se sellan, recubren o galvanizan y se diseñan con drenajes adecuados. Cerca de la costa, las superficies de contacto y cualquier cavidad que retenga agua son los primeros lugares donde comienza la pérdida de sección, mucho antes de que se manifieste en la superficie.
- La desalineación y las tolerancias generan tensiones residuales en la unión; por ello, los detalles de conexión y sus tolerancias se verifican conforme a los planos estructurales antes de que el acero llegue al sitio. La interpretación de estas especificaciones está cubierta en la lectura de los planos estructurales de acero.
Conclusión
El diseño de una conexión de acero sigue un orden: primero se define su comportamiento, luego se selecciona el método y, por último, se realiza la verificación. Primero se determina qué función debe cumplir la unión, ya que es el modelo estructural, no el material, el que establece si un nudo solo resiste cortante o debe transmitir momentos y mantener la geometría del pórtico. En segundo lugar, se elige el método de unión, adaptándolo a la forma en que se construirá la obra: soldadura en taller para elementos armados y de plena resistencia, y pernos en obra para rapidez y desmontabilidad. Por último, se verifica la conexión, ajustando los controles de tensión de los pernos o los ensayos no destructivos de las soldaduras según la carga que soportará la unión.
Las mismas tres especificaciones subyacen a la forma en que usted diseña un edificio de acero, donde el esquema de conexiones se define junto con la estructura principal, en lugar de después de ella. En KAFA, las líneas de vigas H, secciones en caja y correas se cortan, perforan y sueldan los elementos de conexión —como placas base, placas de extremo y placas de ángulo— bajo un mismo techo, lo que deja prácticamente todo el trabajo en obra a cargo de los pernos. Es fundamental definir correctamente la especificación de momento frente a cortante en cada nudo; el resto, desde el grado de los pernos hasta el tipo de soldadura y el anclaje de la placa base, se deriva de esta decisión.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son los tres tipos principales de conexiones en estructuras de acero?
Según el método de unión, los tres tipos son las conexiones atornilladas, soldadas y remachadas; sin embargo, el remachado hoy en día se limita principalmente a estructuras más antiguas. Los edificios de acero modernos emplean principalmente uniones atornilladas y soldadas, y un mismo edificio suele utilizar ambas: los elementos suelen soldarse en el taller y luego unirse entre sí mediante tornillos en obra.
¿Cuál es la diferencia entre una conexión simple y una conexión de momento?
Una conexión simple transmite cortante y permite que los miembros giren, mientras que una conexión de momento también transmite flexión y mantiene fijo el ángulo entre los miembros. Las conexiones simples son adecuadas para pórticos con arriostramiento, donde el arriostramiento o los muros resisten las cargas laterales, mientras que las conexiones de momento se utilizan cuando el propio pórtico debe resistir el desplazamiento lateral, como en los aleros y en la cúspide de un pórtico.
¿Son más resistentes las conexiones atornilladas o las soldadas?
Ninguna de ellas es intrínsecamente más resistente, ya que una unión atornillada correctamente diseñada y una unión soldada correctamente diseñada desarrollan cada una la resistencia que requiere el elemento. Las verdaderas diferencias radican en el lugar donde se realizan: la soldadura se prefiere en el taller y el atornillado en obra, así como en la forma de inspección y en el comportamiento frente a la fatiga.
¿Qué conecta una columna de acero con su cimentación?
Una columna de acero se apoya sobre su cimentación mediante una placa base fijada al hormigón con pernos de anclaje. La placa base distribuye la carga de la columna sobre el hormigón, mientras que los pernos de anclaje resisten el levantamiento y el cortante; además, según se detalle la base como articulada o empotrada, varía la cantidad de momento que transmite a la zapata.
¿Puede una única conexión utilizar tanto pernos como soldaduras?
Yes, hybrid connections combine welds and bolts, typically welded in the shop and bolted on site. A common example is a beam with a shop-welded end plate that is then field-bolted to the column. The aim is to keep the load path clear, so that one method governs each force the joint carries.
Lecturas adicionales
- Sociedad Estadounidense de Soldadura (AWS D1.1 Código de Soldadura Estructural, Acero): la autoridad estadounidense que regula la soldadura de acero estructural, detrás de las conexiones soldadas descritas anteriormente.
- SteelConstruction.info: Simple connections (BCSA / SCI): guía de la industria del acero del Reino Unido sobre los tipos de conexiones, la clasificación entre simples y momentáneas, y la proporción del costo correspondiente a cada tipo de conexión.
- Eurocodes: EN 1993 (Eurocode 3, design of steel structures): el portal JRC de la Comisión Europea para el código que rige el diseño y la clasificación de uniones de acero (EN 1993-1-8).
