Este documento describe los marcos rígidos de acero y sus características. Explica que los marcos rígidos están compuestos de columnas y vigas unidas rígidamente que transmiten cargas mecánicas. También describe los tipos de marcos, su funcionamiento, usos comunes y ventajas. Finalmente, explica los diferentes tipos de uniones y conexiones que se usan en la construcción de marcos rígidos de acero, incluyendo soldadura y conexiones apernadas.

1. FA
ESTRUCTURACIÓN DE
EDIFICIOS EN MARCOS DE
ACERO
CONSTRUCCIÓN VI
MENDOZA CAMPOS MARINO

2. NTRODUCCION
El empleo de este sistema se debió al desarrollo de nuevos materiales y sistemas
de construcción (concreto armado, acero soldado) y a nuevos métodos de análisis
y dimensionamiento. El sistema convencional Losa_Trabe_Columna (Marco
Rígido) ha sufrido variaciones, ejemplo: el desarrollo de la losa plana que al no
contener vigas o trabes redunda en una mayor economía en cimbra, acabados,
peralte, alturas de entrepisos lográndose de esta manera adicionar un entrepiso
por cada 10 construidos.
Los marcos forman parte de la estructura, ya sea la que esta compuesta por
columnas y trabes o la que esta compuesta por muros y losas.
Es por eso que los marcos nos ayudan a entender el funcionamiento lógico de las
cargas y como estas actúan de acuerdo factores externos como son vientos,
sismos, nieve, etc.
¿QUE SON LOS MARCOS RÍGIDOS?
Un tipo de estructura son los marcos rígidos que actualmente han ido tomando
fuerza debido a que facilitan la estructuración de los edificios y más con el uso del
acero posibilita cubrir grandes luces.
TIPOS DE MARCOS ORTOGONALES
DE SOPORTE LATERAL Muros y Tirantes cruzados
DE SOPORTE VERTICAL Columnas y muros
DE ESPACIAMIENTO HORIZONTAL Pisos, Losas, Armaduras, vigas.
FUNCIONAMIENTO DE LOS MARCOS RÍGIDOS
Los marcos formados por columnas y trabes están unidos, formando uniones
rígidas capaces de transmitir los elementos mecánicos en la viga sin que haya
desplazamientos lineales ó angulares entre sus extremos y las columnas en que
se apoya.
Sobre las vigas principales, que además de resistir las cargas verticales ayudan a
resistir las cargas laterales, se apoyan en algunos casos las vigas secundarias
encargadas de soportar el sistema de piso.
Entreejes
Es la división interna de un marco estructural repetitivo definido por los claros de
las columnas.

3. Columnas centrales Mayor carga
Columnas Laterales Media carga
Columnas esquinadas Un cuarto de carga
Un marco rígido transfiere el momento de una viga a las columnas de apoyo que
dan como resultado que las columnas comportan la resistencia a la flexión con la
viga.
Esta interacción entre los entreejes significa que la resistencia a la flexión
resultante de una F, se comparte entre diversos entreejes.
USOS DE MARCOS RÍGIDOS:
Son ideales para:
Gimnasios
Supermercados
Hangares,
Bodegas o cualquier aplicación, donde el espacio interior libre es necesario.
BENEFICIOS O VENTAJAS DE UTILIZAR MARCOS RÍGIDOS DE ACERO
Interior libre o espacio universal
Flexibilidad en el aprovechamiento del espacio interior.
Rápida construcción.
Diseño flexible incomparable
Menor Costo
Variedad de columnas
Mínima pendiente de la cubierta
CARACTERISTICAS DE LOS MARCOS RÍGIDOS
Los Marcos Rígidos pueden ser diseñados con una cumbrera centrada, excéntrica
o de una sola pendiente. La pendiente de techo puede ser tan baja como 2%.
Los Marcos Rígidos también pueden ser usados con otros sistemas estructurales,
incluyendo estructura de acero tradicional y madera. Esta sólida red estructural de
acero laminado en caliente, según norma ASTM.
Opción de columnas rectas, semirectas (tipo supermercado), o de sección variable
Luces de hasta 90 m. o más con alturas de hombro de hasta 24 m.
Las luces libres pueden fluctuar entre 9 y 90 metros.
El Sistema de Marcos Rígidos acepta cualquier carga de viento, sismo, nieve,
puente grúa o equipos propios del proyecto. Puede darse cualquier distribución en
Columa semirecta(tipo supermercado)

4. Columna de sección variable
Columna recta
SISTEMA BALLOOM
En el cual los montantes de los muros corres continuos desde la comentacion al
techo, las viguetas intermedias del piso se arman a los lados de los montantes de
los muros.

13. UNIONES Y CONEXIONES
La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por
excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una
estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el
comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las
conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La
selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento
de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones
constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de
equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y
aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de
levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el

14. lugar de montaje, tiempo disponible, etc.).
Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el
concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas.
Remaches en caliente o roblones
Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del
siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las
uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de
uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se
determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas
igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas
adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los
roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se
colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las
perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza.
Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre
los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la
enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente
cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los
1.200ºC hasta la temperatura ambiente. (El coeficiente de expansión lineal del
acero es 0,0000251 x longitud del elemento x diferencial de temperatura =
contracción/expansión de la pieza).
En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del
acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos
procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una
estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas.
Soldadura
La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste
en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en
presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a
bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se
están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es
utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de
estructuras.
Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos
que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades
mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la
unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces
de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las
ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las
conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor

15. cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en
las estructuras.
Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la
posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que
debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del
soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente
recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer
conexiones apernadas en obra.
Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza;
y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:

16. Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el
siguiente esquema:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas
a soldar:
Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009
Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar:

17.  Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una
mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los
bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte
proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio
de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el
corte de planchas.
 Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco
eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla
del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta
3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo,
generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico,
evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso
puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.
Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding)
Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que
se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la
pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el
vacío entre las partes, soldándolas.
Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding)
Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un
alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al
generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente
es depositado sobre la soldadura, protegiéndola.
El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le
confiere mayor calidad a la soldadura.

18. Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo
La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos
electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una
resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las
une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como
soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos
generando una soldadura de costura.
En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la
longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o
comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros
lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible
de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para
suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo
único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de
soldadura requerido para el nudo.
La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un
operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y
expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido
diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación
de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada
cierta cantidad de años.
Conexiones apernadas
Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura
metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido
fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes
resultados.

19. Pernos y uniones apernadas: Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino
Ansaldo
Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones soldadas se
realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un ambiente
controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o
con los operadores en posiciones suficientemente cómodas para garantizar un
buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho más factible el someter
las soldaduras a un exigente control de calidad, que incluye la certificación
mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que en terreno
frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar.
En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y creciente es a realizar las
uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra es mucho más
fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller. Aún así, la
construcción y materialización de estas uniones apernadas requiere de un
cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de fabricación, cuya precisión
milimétrica debe ser estrictamente respetada en la maestranza a fin de evitar
descalces o problemas en el montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas
se cuenta con que existe una amplia gama de dimensiones y resistencia, no se
necesita una especial capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje
y simplica los procesos de reciclado de los elementos.
Tornillos
Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero livianas,
para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Las
fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son comparativamente bajas, por
lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor de tornillos (hay
que tener presente que los tornillos deben ser utilizados preferentemente para unir
chapas delgadas). Los tornillos pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no
necesitan de perforación guía y se pueden utilizar para metales más pesados).
Entre las ventajas de estas conexiones hay que destacar que son fáciles de
transportar, existe una gran variedad de medidas, largos, diámetros y resistencia;
y finalmente, que son fáciles de remover, factor importante para el montaje y
desmontaje de los componentes de la estructura.

20. Diseño de Uniones
Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación,
que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que
se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas
que conservan el ángulo de los ejes entre las barras que se están conectando, en
tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotación entre los
elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rígidas
ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero
será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos,
barras de conexión, nervaduras de refuerzo, etc.), las posición de los elementos
de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de
un elemento respecto del otro.
Uniones Rígidas: Reliance Control factory, Swindon (1967) Richard
Rogers Uniones articuladas o flexibles: Aeropuerto Stansted