Conexión de un contraventeo: por qué se diseña con lo que la diagonal puede dar
En un marco con contraventeo concéntrico, la diagonal es el fusible: durante un sismo intenso se espera que fluya en tensión y que se pandee en compresión, ciclo tras ciclo, disipando energía. Todo lo demás —la placa de conexión, las soldaduras, la viga y la columna— tiene que seguir en pie mientras eso ocurre. Por eso la conexión de un contraventeo dúctil no se diseña con la fuerza que reporta el análisis, sino con la fuerza que la diagonal es capaz de desarrollar. Este artículo explica de dónde sale esa fuerza, qué revisiones implica y qué errores son los más comunes.
El análisis da una fuerza; la diagonal puede dar otra
El modelo estructural se carga con fuerzas sísmicas reducidas por el factor de comportamiento del sistema. Con ellas se dimensiona la diagonal: su resistencia de diseño a compresión y a tensión debe cubrir la fuerza de análisis. Pero el acero real casi siempre es más resistente que su valor nominal y, una vez que la diagonal entra en fluencia, la fuerza que transmite a sus extremos ya no depende del análisis: depende de la diagonal misma.
Si la conexión se diseñara sólo para la fuerza de análisis, sería más débil que la pieza que conecta. En el primer sismo fuerte fallaría la placa o la soldadura —una falla frágil— antes de que la diagonal llegara a disipar energía. El criterio de las disposiciones sísmicas de acero (AISC 341) es el inverso: que la conexión resista lo que la diagonal puede entregar. A esto se le llama diseño por capacidad.
Las tres resistencias esperadas de la diagonal
Para un marco con contraventeo concéntrico de alta ductilidad, la norma define la resistencia esperada de la diagonal con el esfuerzo de fluencia esperado, Ry·Fy, donde Ry es un factor mayor que uno que depende del material:
- En tensión: Ry·Fy·Ag, la fluencia esperada de toda la sección.
- En compresión: el menor entre Ry·Fy·Ag y 1.14·Fcre·Ag, donde Fcre es el esfuerzo crítico de pandeo calculado también con el esfuerzo de fluencia esperado.
- Después del pandeo: una fracción de la compresión esperada, porque una diagonal que ya se pandeó y regresa no recupera toda su capacidad. Esta resistencia poscrítica es la que importa para revisar la viga de un contraventeo en V o en V invertida.
Con esas cifras se arma la demanda de la conexión: en tensión, la fluencia esperada de la diagonal; en compresión, una cifra ligada a su pandeo esperado. Ninguna sale del modelo.
La placa de conexión: qué hay que revisar
La conexión más común en diagonales de sección tubular (HSS) es la placa de conexión —o gusset— insertada en una ranura del tubo y unida con cuatro filetes. Con la demanda por capacidad definida, la revisión recorre la trayectoria de la fuerza:
- Los filetes y la pared del tubo. La longitud de soldadura debe transmitir la tensión esperada, sin que falle ni el metal de aportación ni la pared del HSS a lo largo del filete.
- La sección neta de la diagonal. La ranura quita material justo donde la fuerza es máxima. Con frecuencia la sección neta efectiva no alcanza a desarrollar la fluencia esperada de la sección completa y hay que reforzarla con placas soldadas. Es una revisión que se olvida con facilidad.
- La sección de Whitmore. La fuerza se abre dentro de la placa con un ángulo de 30° a partir del inicio de la conexión. El ancho que resulta al final de los filetes es el que trabaja a tensión y a compresión.
- El pandeo de la placa. Bajo la compresión esperada, la franja de placa entre la diagonal y los bordes soldados puede pandearse. Se revisa como una columna corta con una longitud promedio medida desde la sección de Whitmore.
- El bloque de cortante y las soldaduras a la viga y a la columna. La placa entrega las componentes de la fuerza a los elementos del marco. El reparto entre viga y columna se trata en detalle con el método de la fuerza uniforme de la Guía de Diseño 29 del AISC.
La holgura de 2t: dejar que la placa se doble
Cuando la diagonal se pandea fuera del plano del marco, sus extremos giran. Si la placa de conexión estuviera restringida justo donde termina la diagonal, ese giro la rompería. La solución clásica es dejar una franja libre de placa —una holgura lineal de dos veces el espesor de la placa— entre el extremo de la diagonal y la línea de restricción, que es donde terminan los bordes soldados a la viga y a la columna. En esa franja la placa forma una articulación plástica y acomoda el giro sin perder resistencia.
La holgura cambia la geometría de toda la placa: mueve el extremo de la diagonal, alarga los bordes soldados y modifica el ancho de Whitmore. Por eso conviene que la geometría de la placa se construya a partir del cálculo y no al revés.
La viga del contraventeo en V invertida
En un contraventeo en V invertida (chevron), las dos diagonales llegan al centro de la viga. Mientras ambas trabajan en el rango elástico, sus componentes verticales se cancelan. Pero cuando la diagonal en compresión se pandea, su fuerza cae a la resistencia poscrítica, mientras la diagonal en tensión sigue empujando con su fluencia esperada. La diferencia es una fuerza vertical desbalanceada aplicada a la mitad del claro, que la viga debe resistir sin contar con el apoyo de las diagonales para sus cargas de gravedad. Esta revisión suele gobernar el peralte de la viga y es la razón por la que las vigas de chevron resultan mucho más robustas de lo que sugiere el análisis lineal.
Errores frecuentes
| Error | Consecuencia |
|---|---|
| Diseñar la conexión con la fuerza del análisis | La conexión falla antes que la diagonal: falla frágil |
| No revisar la sección neta en la ranura | La diagonal se fractura en el extremo antes de fluir |
| Soldar la placa hasta el extremo de la diagonal | Sin holgura, el giro por pandeo fractura la placa |
| Diseñar la viga del chevron sólo para gravedad | La fuerza desbalanceada la lleva a la falla tras el pandeo |
| Usar perfiles con paredes esbeltas | Pandeo local prematuro y fractura con pocos ciclos |
Cómo lo resuelve Alpha Estructural
En Alpha Estructural, los contraventeos se dibujan en el editor de planta entre dos columnas —en X, en V invertida, en V o como diagonal sencilla— y entran al análisis 3D como barras articuladas. Al seleccionar una crujía contraventeada en la vista 3D, la ficha de diseño toma la compresión y la tensión máximas de la envolvente para revisar la diagonal y, con sus resistencias esperadas, diseña la placa de conexión con la holgura de 2t y dibuja su geometría a escala. En V y en V invertida revisa además la viga ante la fuerza desbalanceada. Cada revisión muestra la fórmula, los datos y la referencia que la sustenta, y el resultado entra a la memoria de cálculo.
La idea de fondo es sencilla: en un sistema dúctil, cada elemento que no es el fusible se diseña para lo que el fusible puede entregar.
Fuentes
Artículo de divulgación técnica. No sustituye el proyecto ni la revisión de un ingeniero estructural responsable; verifique cada requisito contra el texto vigente de la norma que aplique a su proyecto.
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