Arriostramiento en Estructuras de Acero: Tipos

Un sistema de arriostramiento es el conjunto de elementos estructurales que resisten las fuerzas laterales — viento, sismo y cargas nocionales — y las transfieren a la fundación. Sin un sistema de arriostramiento, un pórtico de acero colapsaría lateralmente bajo cargas laterales incluso moderadas.

Todo edificio necesita un sistema resistente a fuerzas laterales (SRFL) completo en al menos dos direcciones ortogonales. La elección del sistema afecta: - Rigidez: Cuánto se desplaza el edificio (deriva de entrepiso) - Resistencia: La carga lateral máxima que el pórtico puede resistir - Ductilidad: Cuánta energía puede absorber el pórtico antes de fallar - Arquitectura: Si se obstruyen aberturas y pasillos

Los tres sistemas principales son: 1. Pórticos arriostrados — Elementos diagonales transmiten las fuerzas laterales como cargas axiales 2. Pórticos resistentes a momento — Conexiones rígidas viga-columna resisten las fuerzas laterales mediante flexión 3. Muros de corte — Muros de placa de acero o concreto actúan como voladizos verticales

La mayoría de los edificios de acero utilizan pórticos arriostrados porque son rígidos, eficientes y económicos. Los pórticos resistentes a momento se usan cuando los requisitos arquitectónicos impiden el uso de diagonales.

Los pórticos arriostrados se clasifican según la geometría de los elementos diagonales:

Arriostramiento en X (arriostramiento cruzado) Dos diagonales forman una X en el vano. Una diagonal trabaja a tracción mientras la otra trabaja a compresión para cualquier dirección de carga lateral. Esta es la configuración más rígida porque ambas diagonales participan. Común en edificios industriales de baja altura donde las restricciones arquitectónicas son mínimas.

Arriostramiento en V (chevron o V invertida) Una sola V (o V invertida) conecta el punto medio de la viga con las columnas a nivel de piso (o viceversa). La viga debe diseñarse para la fuerza vertical desbalanceada cuando una diagonal pandea. AISC 341 (sísmico) requiere que la viga resista la fluencia total en tracción de una diagonal más el 30% de la capacidad post-pandeo de la otra.

Diagonal simple Una diagonal por vano, alternando dirección entre pisos para evitar deriva acumulada en una sola dirección. Simple pero menos rígida que el arriostramiento en X. Aceptable para diseño solo por viento (no sísmico).

Arriostramiento en K Las diagonales se encuentran a media altura de la columna. No permitido en diseño sísmico porque la falla de la columna en la intersección de las diagonales causaría colapso progresivo. Solo se usa en regiones de baja sismicidad donde el viento gobierna.

Arriostramiento excéntrico (EBF) La diagonal se conecta a la viga a cierta distancia de la columna, creando un segmento corto de "enlace" en la viga. El enlace fluye por corte, proporcionando ductilidad mientras el resto del pórtico permanece elástico. R = 8.0 — la misma ductilidad que los pórticos resistentes a momento pero mucho más rígido.

Las diagonales de arriostramiento transmiten el corte lateral como fuerza axial (tracción o compresión). El diseño depende de si la conexión permite que la diagonal resista tanto tracción como compresión (tipo aplastamiento) o solo tracción.

Diseño de diagonal a compresión (AISC Capítulo E)

La diagonal debe resistir la fuerza lateral factorizada resuelta a lo largo de la diagonal:

P_u = V_story / (n × cos θ)

Donde V_story es el corte de entrepiso, n es el número de diagonales en el entrepiso y θ es el ángulo de la diagonal respecto a la horizontal.

Ejemplo — Vano arriostrado en X de un piso

• Ancho del vano: 6 m, altura de entrepiso: 4 m
• Longitud de la diagonal: √(6² + 4²) = 7.21 m
• Ángulo de la diagonal: θ = arctan(4/6) = 33.7°
• Corte de entrepiso: V_u = 150 kN
• Fuerza en la diagonal: P_u = 150 / (2 × cos 33.7°) = 150 / 1.664 = 90.1 kN por diagonal

Para una diagonal a compresión, verificar pandeo: - Probar HSS 127×127×6.4: A = 2850 mm², r = 48.5 mm - KL/r = 1.0 × 7210 / 48.5 = 148.7 - F_cr (rango elástico): 0.877 × π²(200000)/(148.7)² = 0.877 × 89.3 = 78.3 MPa - φP_n = 0.90 × 78.3 × 2850 × 10⁻³ = 201 kN > 90.1 kN ✓

Arriostramiento solo a tracción

En algunas configuraciones, solo se considera efectiva la diagonal en tracción (la diagonal a compresión pandea y se ignora). Esto duplica la fuerza en la diagonal: P_u = 150 / (1 × cos 33.7°) = 180.3 kN. El arriostramiento solo a tracción usa elementos más livianos (tirantes o ángulos pequeños) pero requiere el doble de diagonales.

La deriva de entrepiso es el desplazamiento lateral de un piso respecto al piso inferior. Una deriva excesiva daña tabiques, revestimientos y causa incomodidad a los ocupantes.

Límites de deriva por viento

Ninguna norma específica establece límites obligatorios de deriva por viento, pero la práctica común sigue: - H/400 por entrepiso (mayoría de edificios de oficinas) - H/600 para ocupaciones sensibles (hospitales, laboratorios) - H/200 para edificios industriales con revestimiento flexible

Donde H es la altura de entrepiso.

Límites de deriva sísmica (ASCE 7-22 Tabla 12.12-1)

• Categoría de Riesgo I-II: 0.020 × h_sx (2% de la altura de entrepiso)
• Categoría de Riesgo III: 0.015 × h_sx
• Categoría de Riesgo IV: 0.010 × h_sx

La deriva sísmica se verifica usando desplazamientos amplificados: δ_x = C_d × δ_xe / I_e, donde C_d es el factor de amplificación de deflexión y δ_xe es el desplazamiento elástico bajo la fuerza sísmica reducida.

Cómo reducir la deriva

1. Rigidizar el arriostramiento — Usar secciones de diagonal más grandes o agregar más vanos arriostrados
2. Agregar pórticos de contraventeo exterior — Conectar el núcleo a las columnas perimetrales en pisos mecánicos
3. Aumentar la rigidez de las columnas — Columnas más grandes reducen la flexibilidad del pórtico
4. Usar sistemas duales — Combinar pórticos arriostrados y pórticos resistentes a momento; la interacción reduce la deriva por debajo de lo que cualquier sistema logra por sí solo

La deriva frecuentemente gobierna el diseño de edificios altos incluso cuando la resistencia está satisfecha. Para edificios de más de 10 pisos, las verificaciones de deriva deben hacerse tempranamente para evitar rediseños tardíos.

Los pórticos resistentes a momento resisten las fuerzas laterales mediante conexiones rígidas viga-columna (sin diagonales). Se usan cuando:

Razones arquitectónicas - Plantas libres sin obstrucciones entre columnas - Grandes vitrinas o muros cortina que no admiten diagonales - Pasillos que deben atravesar vanos arriostrados - Fachadas donde las diagonales no son aceptables estéticamente

Ventajas en diseño sísmico - Los Pórticos Especiales Resistentes a Momento (SMF) tienen R = 8.0, el factor de modificación de respuesta más alto - Alta ductilidad mediante fluencia controlada de rótulas plásticas en vigas - Sin problemas de pandeo de diagonales (una preocupación en CBFs durante sismos severos)

Desventajas - Mucho más flexibles que los pórticos arriostrados — la deriva frecuentemente gobierna - Se requieren secciones de viga y columna más pesadas para resistir la flexión - Conexiones rígidas soldadas costosas (soldaduras de penetración completa) - La zona del panel de la columna debe verificarse por corte (frecuentemente requiere placas de refuerzo)

Sistemas combinados

Muchos edificios combinan ambos sistemas: - Pórticos arriostrados en el núcleo (alrededor de ascensores/escaleras) - Pórticos resistentes a momento en el perímetro (para apertura arquitectónica)

Este sistema dual proporciona alta rigidez del núcleo arriostrado y alta ductilidad del pórtico resistente a momento. ASCE 7 permite un factor R mayor para sistemas duales cuando el pórtico resistente a momento puede resistir independientemente al menos el 25% de la fuerza sísmica de diseño.

Las conexiones de las diagonales deben transferir la fuerza total de la diagonal (tracción y compresión) y al mismo tiempo acomodar la rotación de la diagonal durante el pandeo. La placa gusset es el elemento crítico.

Diseño de placa gusset

La placa gusset conecta la diagonal al nudo viga-columna. Verificaciones de diseño:

1. Sección de Whitmore — El ancho efectivo al extremo del grupo de pernos o soldadura: W = 2 × L_g × tan(30°) + w_brace. Verificar fluencia en tracción: φR_n = 0.90 × F_y × W × t_g.

1. Pandeo del gusset — La longitud no arriostrada desde el extremo de la diagonal hasta el borde de la viga/columna. Usar el método de Thornton: promedio de L₁, L₂, L₃ (distancias a los apoyos más cercanos). Verificar compresión: φR_n = φ × F_cr × W × t_g.

1. Corte en bloque — A lo largo del patrón de pernos o grupo de soldadura.

1. Verificaciones en viga y columna — El gusset transfiere fuerzas a la viga y la columna. Verificar fluencia local del alma, aplastamiento del alma y flexión del ala en la interfaz del gusset.

Conexión diagonal-gusset

Para diagonales HSS: ranurar el extremo del tubo e insertar el gusset, luego soldar con filete en ambos lados. La longitud de soldadura debe desarrollar la fuerza de la diagonal con el factor de retraso por corte U aplicado.

Para diagonales de ángulo o perfil W: atornillar o soldar a la placa gusset. Verificar rotura de la sección neta con el factor U correspondiente.

Detallado sísmico

Para SCBF (Pórticos Especiales con Arriostramiento Concéntrico), AISC 341 requiere: - La conexión debe resistir la resistencia esperada a fluencia de la diagonal R_y × F_y × A_g en tracción - Debe acomodar la rotación por pandeo de la diagonal (holgura lineal de 2t desde la línea de plegado del gusset) - Refuerzo de sección neta cuando U × A_n < A_g

Más allá del sistema resistente a fuerzas laterales, los elementos individuales necesitan arriostramiento de estabilidad para prevenir el pandeo. El Apéndice 6 de AISC define dos tipos:

Arriostramiento relativo Un arriostramiento que controla el movimiento relativo entre dos puntos de un elemento. Ejemplo: puntales horizontales entre cordones inferiores de cerchas adyacentes.

Resistencia requerida: P_br = 0.004 × P_r (0.4% de la carga axial en el elemento arriostrado) Rigidez requerida: β_br = 2P_r / (φ × L_b)

Arriostramiento nodal (puntual) Un arriostramiento que previene el desplazamiento lateral en un solo punto. Ejemplo: un puntal diagonal desde una viga de piso al ala inferior de una viga carrilera.

Resistencia requerida: P_br = 0.01 × P_r (1% de la carga axial) Rigidez requerida: β_br = 8P_r / (φ × L_b)

Arriostramiento lateral de vigas Para vigas en flexión, el ala comprimida necesita arriostramiento lateral para prevenir el pandeo lateral-torsional. La fuerza de arriostramiento se basa en la fuerza máxima de compresión en el ala: C_f = M_r / h_o.

Elementos comunes de arriostramiento de estabilidad

• Correas y largueros arriostran vigas de techo y columnas de muro
• Diafragmas de piso (lámina metálica + concreto) arriostran todas las vigas de piso
• Arriostramiento volante (diagonales desde correas al ala inferior de vigas principales) arriostran columnas de pórticos
• Tirantes de arriostramiento arriostran correas y largueros entre pórticos

El arriostramiento de estabilidad frecuentemente se pasa por alto en el diseño, pero es esencial. Una viga diseñada con L_b = separación entre correas necesita que esas correas realmente proporcionen restricción lateral — si la conexión de la correa no puede resistir la fuerza de arriostramiento, la viga está sin arriostrar.

CalcSteel integra el diseño del sistema lateral en el flujo de trabajo de modelado y análisis 3D:

Entrada de arriostramientos Las diagonales se modelan como elementos estándar con liberaciones de extremo articuladas. El software identifica automáticamente los vanos arriostrados y clasifica el pórtico como arriostrado o no arriostrado para cada dirección.

Aplicación de cargas laterales Las cargas de viento (según ASCE 7, Eurocódigo 1 o NBR 6123) se generan automáticamente a partir de la envolvente del edificio. Las cargas sísmicas se calculan usando el método de fuerza lateral equivalente o análisis de espectro de respuesta modal.

Verificación de deriva La deriva de entrepiso se calcula y muestra para cada combinación de carga. El ingeniero establece el límite de deriva (H/400, H/600 o personalizado), y los resultados señalan cualquier entrepiso que lo exceda.

Diseño de diagonales Cada diagonal se verifica según AISC Capítulo E (compresión) y Capítulo D (tracción). Las fuerzas de conexión se reportan para el diseño de placas gusset. Para diseño sísmico, se reporta la resistencia esperada a fluencia (R_y × F_y × A_g) para el diseño por capacidad de la conexión.

Arriostramiento de estabilidad El motor identifica qué elementos actúan como arriostramiento de estabilidad y verifica que las fuerzas de arriostramiento del Apéndice 6 puedan transferirse a través de las conexiones.

Optimización Si la deriva excede el límite, el optimizador sugiere secciones de diagonal más rígidas. Si una diagonal falla a compresión, sugiere una sección con KL/r adecuado. El optimizador trabaja en todos los vanos arriostrados simultáneamente, encontrando la solución más liviana que satisface tanto resistencia como deriva.