UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÍVAR FACULTAD DE INGENIERÍA RESISTENCIA DE MATERIALES II (LAB.) ING. JUAN CARLOS GARCÍA DÍAZ
PERNOS, SOLDADURA Y DISEÑO ESTRUCTURAL
Diego Alejandro Monroy Márquez Carné #1194011
Nueva Guatemala de la Asunción, 19 de Junio de 2013
Índice Pág.
Soldadura Símbolos de soldadura…………………………………………………………………………………….. 4 Nomenclatura de soldadura……………………………………………………………………………. 5 Procesos de soldadura…………………………………………………………………………………….. 6 Tipos comunes de soldadura ………………………………………………………………….. 7
Juntas soldadas y tipos de costura Tipos de juntas soldadas ………………………………………………………………………… 7 Tipos de costura…………………………………………………………………………………….. 8
Principios para el diseño de soldadura………………………………………………………….. 8 Soldabilidad…………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………. …. 9
Tornillos y sujetadores Perfiles de cuerdas estándares ……………………………………………………………………….. 10 Tipos de cuerdas, hilos o roscas ………………………………………………………………
11
Esfuerzos en cuerdas ……………………………………………………………………………………….. 11 Esfuerzo axial…………………………………………………………………………………………. 11 Área de esfuerzo a la tensión …………………………………………………………. Esfuerzo cortante…………………………………………………………………………………… Área de esfuerzo a cortante…………………………………………………………… Esfuerzo de torsión ………………………………………………………………………………… Tipos de tornillos sujetadores………………………………………………………………………….
11
12 12
13
13
Clasificación por su uso esperado Pernos y tornillos para máquinas……………………………………………………. 14 Partes de un perno…………………………………………………………….. 14 Espárragos…………………………………………………………………………………… 14
Clasificación por tipo de cuerda Tornillos roscados…………………………………………………………………………
14
Clasificación por forma de cabeza Tornillos ranurados………………………………………………………………………. Tornillos de cabeza hueca con capucha ……………………………………………
15 15
Tuercas y arandelas Tuercas……………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………… … Tuercas de bloqueo………………………………………………………………………………… Arandelas……………………………………………………………………………………………….. Arandelas de bloqueo …………………………………………………………………………….. SEMS……………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………. ….
16 16 17 18 18
Resistencias de pernos estándares y de tornillos de máquinas …………………… 18 Sociedad de Ingenieros Automotores (SAE)……………………………………………. 19 Sociedad Americana para la Prueba de Materiales (ASTM)…………………….. 20 Especificaciones para sujetadores métricos ……………………………………………. 21
Diseño estructural Consideraciones generales de diseño Productos de acero ………………………………………………………………………………… 22 Perfil W………………………………………………………………………………………. 22 Perfil S………………………………………………………………………………………… 22 Perfil M……………………………………………………………………………………….. 22
2|Página
Índice Pág.
Soldadura Símbolos de soldadura…………………………………………………………………………………….. 4 Nomenclatura de soldadura……………………………………………………………………………. 5 Procesos de soldadura…………………………………………………………………………………….. 6 Tipos comunes de soldadura ………………………………………………………………….. 7
Juntas soldadas y tipos de costura Tipos de juntas soldadas ………………………………………………………………………… 7 Tipos de costura…………………………………………………………………………………….. 8
Principios para el diseño de soldadura………………………………………………………….. 8 Soldabilidad…………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………. …. 9
Tornillos y sujetadores Perfiles de cuerdas estándares ……………………………………………………………………….. 10 Tipos de cuerdas, hilos o roscas ………………………………………………………………
11
Esfuerzos en cuerdas ……………………………………………………………………………………….. 11 Esfuerzo axial…………………………………………………………………………………………. 11 Área de esfuerzo a la tensión …………………………………………………………. Esfuerzo cortante…………………………………………………………………………………… Área de esfuerzo a cortante…………………………………………………………… Esfuerzo de torsión ………………………………………………………………………………… Tipos de tornillos sujetadores………………………………………………………………………….
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Clasificación por su uso esperado Pernos y tornillos para máquinas……………………………………………………. 14 Partes de un perno…………………………………………………………….. 14 Espárragos…………………………………………………………………………………… 14
Clasificación por tipo de cuerda Tornillos roscados…………………………………………………………………………
14
Clasificación por forma de cabeza Tornillos ranurados………………………………………………………………………. Tornillos de cabeza hueca con capucha ……………………………………………
15 15
Tuercas y arandelas Tuercas……………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………… … Tuercas de bloqueo………………………………………………………………………………… Arandelas……………………………………………………………………………………………….. Arandelas de bloqueo …………………………………………………………………………….. SEMS……………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………. ….
16 16 17 18 18
Resistencias de pernos estándares y de tornillos de máquinas …………………… 18 Sociedad de Ingenieros Automotores (SAE)……………………………………………. 19 Sociedad Americana para la Prueba de Materiales (ASTM)…………………….. 20 Especificaciones para sujetadores métricos ……………………………………………. 21
Diseño estructural Consideraciones generales de diseño Productos de acero ………………………………………………………………………………… 22 Perfil W………………………………………………………………………………………. 22 Perfil S………………………………………………………………………………………… 22 Perfil M……………………………………………………………………………………….. 22
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Perfil C………………………………………………………………………………………… Perfil Me……………………………………………………………………………………… Perfil L………………………………………………………………………………………… Perfil T………………………………………………………………………………………... Uniendo elementos de acero ………………………………………………………………….
22 22 22 22
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Conexiones estructurales Conexiones de cortante simple Conexión doble ángulo………………………………………………………… Conexión de extremo………………………………………………………….. Conexión asentada sin rigidizar……………………………………………… Conexión de placa simple…………………………………………………….. Conexión de ángulo simple…………………………………………………… Conexión en T………………………………………………………………...... Conexiones de momento Conexión placa-patín (viga-columna)……………………………………….. Conexiones de patín directamente soldadas……………………………… Conexiones de extremo extendido………………………………………….. Conexiones de empalme………………………………………………......... Conexiones de columna Empalme de columna………………………………………………………….. Placas base……………………………………………………………………….. Conexiones misceláneas Horquillas…………………………………………………………………………. Conexión sesgada (placa doblada)…………………………………………… Joist abierto de acero con alma……………………………………………… Correas de techo formadas en frío………………………………………….. Conectores de perno a cortante……………………………………………… Armadura………………………………………………………………………….
23 24 24 25 26 27 27 28 28 29 29 30 31 32 32 32 33 33
Bibliografía…………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………. …………. 34
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Soldadura La soldadura es básicamente pegar o unir dos elementos metálicos, lo cual se hace por medio de alguna sustancia igual o semejante a ellos. Es muy utilizado en la industria junto con el engargolado, la cementación y el pegado; y es tomada en cuenta, junto con los otros métodos también mencionados, debido a que cuando se tienen partes que deben ensamblarse o fabricarse y éstas son delgadas, se pueden generar ahorros significativos, ya que se elimina la necesidad de utilizar pernos. Además de que representan un ensamble rápido, incrementando así, su atractivo.
Símbolos de soldadura La Sociedad Americana de Soldadura (AWS, por sus siglas en inglés) ha estandarizado los llamados símbolos de soldadura, que sirven para especificar con precisión en los dibujos de trabajo cuándo ha sido utilizada la soldadura. Las partes de dicho símbolo se mencionan a continuación:
Este símbolo, se complementa con el tipo de soldadura que se esté trabajando, cuyos símbolos también se muestran en la siguiente imagen:
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Nomenclatura de soldadura La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) estableció la siguiente nomenclatura para especificar la soldadura que funciona con arco eléctrico:
Eaaabc Donde E indica que es una soldadura con electrodo, aaa puede corresponder a un número de dos o tres dígitos, que indica la resistencia última a tensión del metal de a soldadura, en ksi; b es un dígito que indica la posición indicada al momento de soldar, ésta puede ser plana, vertical o sobre cabeza. El número es 1 indica que es apropiada para todas las posiciones, y el número 2 indica que es apropiada para filetes horizontales y colocación plana; la letra c corresponde al dígito que indica la fuente de corriente y la técnica de soldadura. En la siguiente tabla se muestra las propiedades del material de aporte en base a la nomenclatura previamente indicada: Electrodo AWS E60XX E70XX E80XX E90XX E100XX E120XX
Resistencia a la tensión, ksi (MPa) 60 (427) 70 (482) 80 (551) 90 (620) 100 (689) 120 (827)
Resistencia a la fluencia, ksi (MPa) 50 (345) 57 (393) 67 (462) 77 (531) 87 (600) 107 (737)
En la siguiente tabla se muestra de acuerdo a los últimos dos dígitos, el tipo de revestimiento, la corriente y la polaridad, y la posición en la que se debe soldar: Electrodo EXX10 EXX10 EXX11 EXX12 EXX13 EXX14 EXX16 EXX18 EXX20 EXX24 EXX27
Tipo de revestimiento
Corriente y polaridad
Celulósico sódico Celulósico sódico 10% de Hierro en polvo aprox.
Corriente continua, electrodo positivo
Celulósico potásico Rutílico sódico Rutílico potásico Rutílico 20% de Hierro en polvo aprox. Rutílico potásico de bajo hidrógeno Rutílico potásico de bajo hidrógeno y con Hierro en polvo Óxido de Hierro Rutílico 35% de Hierro en polvo Óxido de Hierro con Hierro en polvo
Corriente continua o alterna, electrodo positivo Corriente continua o alterna, electrodo negativo Corriente continua o alterna, ambas polaridades
Posición a soldar
Plana, vertical o sobrecabeza
Corriente continua o alterna, electrodo positivo
Corriente continua o alterna, ambas polaridades
Plana
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Y a continuación se muestran las características que presenta cada tipo de revestimiento mostrado en la tabla anterior:
s a ci
t sí r e t c a r a C
Celulósico Máxima penetración. Solidificación rápida. Buenas características de resistencia, elasticidad y ductilidad. Presentación rugoza.
Rutílico Penetración mediana. Arco suave. Buena presentación. Buenas características de resistencia, elasticidad y ductilidad.
Mineral Buena presentación. Buena apariencia del depósito. Buenas propiedades mecánicas. Alta velovidad de posición.
Por último, normalmente la nomenclatura de la soldadura, previamente explicada también incluye una designación que indica qué tipo de electrodo se está utilizando. Éstas pueden ser: Designación A B C D NM G M P1 W
Tipo de electrodo Electrodos para aceros al Carbono-Molibdeno Electrodos para aceros al Cromo-Molibdeno Electrodos para aceros al Níquel Electrodos para aceros al Manganeso-Molibdeno Electrodos para aceros al Níquel-Molibdeno Electrodos generales de aceros de baja aleación Electrodos similares a las especificaciones militares Electrodos para líneas de tubería de petróleo y derivados Electrodos para aceros climatológicos
Procesos de soldadura En una soldadura de metales por arco eléctrico, se emplea calor para fundir el material base mientras se agrega material de relleno para ensamblar ambas piezas. El calor es suministrado por el acercamiento o el contacto de un electrodo con la superficie del material, lo que crea un arco que salta del mismo hacia la pieza de trabajo. Dicho arco eléctrico, creado debido a la corriente alterna o directa proporcionada por la máquina de soldar, tiene una temperatura que se encuentra entre los 3300 y 4400 °C. A estas temperaturas, el oxígeno que se encuentra en el aire contamina demasiado rápido la superficie del metal con óxido. De igual manera, el nitrógeno influye de forma negativa en el proceso, creando burbujas de metal fundido a medida que éste se enfría, causando que se generen poros y por lo tanto, debilitando la soldadura. El hidrógeno que se encuentra en la humedad del aire, causa que la soldadura se debilite y se vuelva frágil. Para evitar la contaminación del metal caliente, se suministra un flujo de material que cubre con escoria el metal fundido mientras éste se enfría o también se suele suministrar gas inerte para que el mismo desplace el aire. 6|Página
Tipos comunes de soldadura
Soldadura de arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW) : Utiliza trozos de electrodos recubiertos con fundente. El arco funde el electrodo, fluyendo hacia la abertura y protegiéndolo del contacto con el aire. Soldadura de arco con núcleo de fundente (FCAW): Utiliza un electrodo de alambre hueco, con el fundente ubicado en su núcleo. Esto le permite formar cordones longitudinales grandes. Soldadura de arco de gas con electrodo metálico (GMAW): Llamada también soldadura MIG, utiliza un electrodo de alambre sin fundente. Un gas inerte es dirigido hacia la soldadura para desplazar el aire, lo que produce soldaduras más limpias, ya que no existe escoria. Soldadura de arco de gas con electrodo de tungsteno (GTAW): Llamada también soldadura TIG, funciona de la misma manera que la soldadura MIG. Soldadura de arco sumergido (SAW): Ésta usa fundente pulverizado aplicado en una cantidad tal que sumerge la soldadura en un manto grueso, lo cual no permite que el arco se vea. Tiene la ventaja que el operador solo necesita un protector transparente para los ojos. Soldadura de resistencia: Hojas delgadas de metal son aplicadas, con un proceso eléctrico similar. Los electrodos entran en contacto con dicho cubrimiento y una corriente eléctrica elevada atraviesa las mismas, fusionando los dos materiales.
Juntas soldadas y tipos de costura Tipos de juntas soldadas Existen diversos tipos de juntas soldadas, de los cuales se muestran algunos ejemplos en la siguiente imagen:
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Tipos de costura Mientras que el tipo de soldaduras, pueden ser en ranura con penetración completa, en ranura con penetración parcial, filete, tapón o ranura.
Principios para el diseño de soldadura Es importante considerar la geometría y las dimensiones de la soldadura para que el diseño de la misma resulte exitoso. Existen reglas sobre esto, éstas se muestran a continuación: 1. Determinar una ruta para que las fuerzas que se apliquen en la sección en la que será aplicada la soldadura, sean paralelas a la fuerza aplicada. 2. Se deben distribuir de manera equitativa las cargas de reacción en la soldadura, para que las fuerzas sigan las rutas más rígidas de la estructura. 3. La soldadura hace que dos piezas se vuelvan una sola, no hay elementos secundarios. Sin embargo, las soldaduras pueden ser primarias, cuando transporta directamente la carga completa y su falla provoca que el ensamble soldado falle; y una secundaria, que tiene el único objetivo de mantener las partes juntas y solamente experimentan fuerzas pequeñas. 4. Las soldaduras, preferentemente, no deben ser sometidas a flexión. Deben ser configuradas para que manejen cortante o tensión/comprensión axiales, o en el peor de los casos, si ésta está sometida a momentos de flexión, la soldadura debe ser ubicada cerca de posiciones con momento mínimo o cercano a cero. 5. Si las soldaduras están cargadas en tensión, no deben ser aplicadas a través del espesor transversal del material base, debido a que puede generar “microcanales de goteo” debajo del material de soldadura. Si cargas de corte son aplicadas, deben ser a
través de la superficie de la soldadura. 6. Si la junta cambia el tamaño de la sección, se debe estrechar el material alrededor de la misma para mejorar el flujo de fuerza y reducir la concentración de esfuerzos.
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Soldabilidad La soldabilidad de un material es un factor que indica con qué facilidad se puede formar una unión fuerte y sólida en el mismo, es decir, que no tiene defectos ni imperfecciones y que es tan resistente como el material base. Ésta se puede abordar bajo los siguientes aspectos:
Soldabilidad operatoria: Como su nombre lo indica, ésta es relativa a la operación de soldadura, involucrando las condiciones de realización de las uniones. Soldabilidad metalúrgica: Relativa a las modificaciones físico-químicas que se dan como resultado de la soldadura. Por lo que está directamente ligada a las transformaciones que sufre el material base durante la unión. Soldabilidad constructiva o global: Dedicada a definir las propiedades de conjunto de la construcción por la sensibilidad de la unión o la deformación y la rotura bajo el efecto de las cargas axiales de tensión que pueden llegar a provocar grietas, originándose en la soldadura. Ésta es función de la contracción y dilatación del material.
A continuación, se muestra la gráfica de soldabilidad versus contenido de carbono en el acero, ya que es este material el más utilizado en la industria.
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Tornillos y sujetadores Aunque la parte de tornillos y sujetadores abarca una clasificación bastante diversa, a continuación se cubrirá con mayor alcance, la parte específica de pernos, ya que en el instante de análisis es la parte que más nos interesa.
Perfiles de cuerdas estándares Se conoce como cuerda a la hélice que provoca que el tornillo avance hacia la pieza de trabajo o tuerca, cuando éste gira. Como se encuentra en el tornillo o la tuerca, puede ser tanto externa como interna. Los perfiles de cuerda se estandarizaron en Gran Bretaña, Canadá y Estados Unidos, lo que se conoce como Estándar Nacional Unificado o UNS por sus siglas en inglés; y de igual manera, la Organización Internacional de Estandarización (ISO) también definió un estándar europeo. Ambos estándares cuentan con un ángulo de 60° entre la cresta y la raíz (partes que a continuación se muestran), y se define el tamaño de la cuerda mediante el diámetro mayor del tornillo, es decir, el diámetro de una cuerda externa. Además de que el diámetro de paso se encuentra entre el diámetro ya mencionado y el diámetro raíz (el cual es el diámetro menor del tornillo). A pesar de ello, el diámetro de paso no es un promedio entre ambos diámetros, sino que está definido por la ecuación que se encuentra en la siguiente imagen:
Cabe destacar que la cuerda puede ser simple (como la mostrada con anterioridad), doble, triple, etcétera, dependiendo del avance en comparación al paso. Por ejemplo, en una cuerda triple la distancia que se avance longitudinalmente, será tres veces el paso. Y aunque la mayoría de tornillos cuentan con una cuerda simple, los de cuerdas múltiples cuentan con la ventaja que cuentan con un incremento mayor del avance de la cuerda, en una menor altura. De igual manera, la cuerda puede ser de serie gruesa, fina o extrafina. La primera, siendo la más común, se recomienda para aplicaciones comunes, en especial donde se necesitan inserciones y remociones del tornillo de manera frecuente, o también, donde el tornillo será enroscado en un material blando, ya que es menos probable que las cuerdas de serie gruesa lo corrompan o atraviesen. Por otra parte, las cuerdas de serie fina son menos propensas a aflojarse por vibraciones comparadas con las de serie gruesa, esto se debe a que 10 | P á g i n a
el ángulo de hélice es más pequeño; es por ello que éstas se utilizan en aplicaciones automotrices o mecánicas. Por último, las cuerdas de serie extrafina se utilizan donde el espesor de la pared es corto.
Tipos de cuerdas, hilos o roscas Las cuerdas pueden variar su ángulo o geometría, generando diversos tipos. Estos se muestran en la siguiente imagen y cabe destacar que la cuerdas cuadrada o rectangular, Acme y reforzada o trapecial en dientes de sierra, son utilizadas específicamente para tornillos de potencia, los cuales son tornillos que convierten el movimiento giratorio en movimiento lineal.
Esfuerzos en cuerdas En teoría, cuando una tuerza es enroscada en una cuerda, todos los hilos en contacto deberían compartir la carga. Más no es así, debido a que el espaciamiento impreciso de la cuerda provoca que la carga completa esté soportada únicamente por el primer par de hilos. Es por esto mismo que el esfuerzo real que va a soportar la cuerda se encuentra entre el esfuerzo calculado para ambos casos mencionados anteriormente. A continuación se detallan los esfuerzos axial, cortante y de torsión en un tornillo.
Esfuerzo axial El esfuerzo axial puede encontrarse como tensión o comprensión en un tornillo de potencia, previamente mencionado. Mientras que un sujetador (en donde se ven intrínseco los pernos) experimente la mayoría de las veces solamente tensión.
Área de esfu erz o a la tens ió n En una rosca que se encuentra sometida a carga de tensión pura, el área por la cual será limitada su resistencia se define de la siguiente manera:
11 | P á g i n a
+ = 4 ( 2 ) Donde como ya se especificó anteriormente, el diámetro de paso, definido en la ecuación como , es la diferencia entre el diámetro mayor o externo y el cociente entre el factor 0.64959 y el número de hilos por pulgada; mientras que el diámetro de raíz, , es la diferencia entre el mismo diámetro y esta vez, el cociente entre 1.299038 y el número de hilos por pulgada.
Por lo tanto, el esfuerzo que experimentará una varilla enroscada, debido a una carga que genera tensión pura es:
=
Donde obviamente es la carga mencionada.
Esfuerzo cortante El barrido de la tuerca o del tornillo crea una falla por cortante, esto dependerá de la resistencia de los materiales para ambos casos es el factor del cual depende. Si el material de la tuerca es más débil, el barrido ocurrirá en el diámetro mayor y al contrario, si es más débil el material del tornillo, ocurrirá un barrido en el diámetro menor. Mientras que si ambas resistencias son iguales, el barrido se ocasionará en el ya especificado diámetro de paso. El supuesto de que todas las cuerdas comparten la carga por partes iguales, es útil cuando el tornillo (o ambos) están fabricados con un material dúctil, ya que esto permitirá que cada cuerda ceda conforme todo el ensamble comience a fallar. Mientras que si el material es frágil, cada cuerda sufrirá la carga completa en un instante, hasta que se fracture y baje por lo tanto, a la siguiente cuerda.
Área de esfu erzo cor tant e Para el área cortante por barrido en la rosca del tornillo se toma el área del cilindro de su diámetro de raíz o menor, :
=
Donde es el paso de la cuerda, indicado en la figura 3, y es el factor que define el porcentaje del paso ocupado por el metal en el diámetro menor, los valores del mismo se encuentran a continuación para los tipos más comunes de cuerda: Tipo de cuerda UNS/ISO Cuadrada Acme Reforzada
(menor) 0.80 0.50 0.77 0.90
(mayor) 0.88 0.50 0.63 0.83
Por otra parte, cuando el barrido de la tuerca es su diámetro mayor, el área se expresa de la siguiente manera: 12 | P á g i n a
=
Donde es el factor que define el porcentaje del paso ocupado por el metal, pero ahora en el diámetro mayor. El esfuerzo cortante para el barrido de la cuerda, está determinado de la como:
=
Esfuerzo de torsión Existirá esfuerzo de torsión al momento de apretar la tuerca en el tornillo, valor que disminuirá si ambos están bien lubricados, ya que se transmite menos torque al tornillo y se absorbe más entre la tuerca y la superficie que se está sujetando. Y al contrario, si ambos están oxidados, el torque que se aplique, provocará que el tornillo se tuerza. Se puede decir entonces, que existe una relación directa entre el torque y la fricción en el punto de contacto entre el tornillo y la tuerca. El esfuerzo de torsión está definido de la misma manera que el esfuerzo para una sección circular:
= = 16
Los valores de torque que se debe apretar para cada tornillo dependiendo de su diámetro, de si está seco o lubricado y de su grado (el cual se especifica más adelante), se detalla en la siguiente tabla (los valores del diámetro se expresan en pulgadas y los valores del torque en newton-metro y entre paréntesis en libra-pie): Diámetro ¼ 5/16 3/8 7/16 ½ 9/16 5/8 ¾ 7/8 1 1 1/8 1¼ 1 3/8 1½
Grado 1
Grado 2
Grado 5, 5.1 o 5.2
Grado 8 u 8.2
Lubricado
Seco
Lubricado
Seco
Lubricado
Seco
Lubricado
Seco
3.8 (2.8) 7.7 (5.7) 13.5 (10) 22 (16) 34 (25) 48 (35.5) 67 (49) 120 (88) 190 (140) 285 (210) 400 (300) 570 (420) 750 (550) 990 (730)
4.7 (3.5) 9.8 (7.2) 17.5 (13) 28 (20.5) 42 (31) 60 (45) 85 (63) 150 (110) 240 (175) 360 (265) 510 (375) 725 (535) 950 (700) 1250 (930)
6 (4.4) 12 (9) 22 (16) 35 (26) 53 (39) 76 (56) 105 (77) 190 (140) 190 (140) 285 (210) 400 (300) 570 (420) 750 (550) 990 (730)
7.5 (5.5) 15.5 (11.5) 27.5 (20) 44 (23.5) 67 (49) 95 (70) 135 (100) 240 (175) 240 (175) 360 (265) 510 (375) 725 (535) 950 (700) 1250 (930)
9.5 (7) 19.5 (14.5) 35 (26) 56 (41) 85 (63) 125 (92) 170 (125) 300 (220) 490 (360) 730 (540) 910 (670) 1280 (945)
12 (9) 25 (18.5) 44 (32.5) 70 (52) 110 (80) 155 (115) 215 (160) 380 (280) 615 (455) 920 (680) 1150 (850)
13.5 (10) 28 (20.5) 49 (36) 80 (59) 120 (88) 175 (130) 240 (175) 425 (315) 690 (510) 1030 (760)
17 (12.5) 35 (26) 63 (46) 100 (74) 155 (115) 220 (165) 305 (225) 540 (400) 870 (640) 1300 (960)
1450 (1075)
1850 (1350)
1630 (1200)
2050 (1500)
2600 (1920)
1700 (1250)
2140 (1580)
2700 (2000)
3400 (2500)
2250 (1650)
2850 (2100)
3600 (2650)
4550 (3350)
Tipos de tornillos sujetadores A continuación se detallan los tipos de tornillos sujetadores según su clasificación, cabe mencionar que éstos pueden ser de diversos materiales, incluyendo acero, acero inoxidable, aluminio, latón, bronce y plástico.
13 | P á g i n a
Clasificación por su uso esperado Pernos y tornillos para máquinas: Un perno y un tornillo de máquina son exactamente iguales, exceptuando una pequeña pero importante variación: el perno es estacionario, se utiliza con una arandela y con una tuerca que produce torque sobre el mismo; mientras que el tornillo para máquina está diseñado para girar en su receptáculo, produciendo un torque sobre su cabeza, además de que puede ir colocado en un orificio con rosca o sin ella. Partes de un perno: Las partes de un perno son las que se ilustran a continuación:
Espárragos: Un espárrago es un sujetador sin cabeza y que tiene rosca o cuerda de los dos extremos, éstas pueden tener igual o diferente paso de cuerda. Un extremo se diseña ser asegurado con tuerca, mientras que el otro para que esté atornillado semipermanentemente, por lo que la mayoría de veces este último tiene una clase más alta de cuerda, para que así se apriete ajustadamente y además, resista el aflojamiento cuando la tuerca se quita del otro extremo.
Clasificación por tipo de cuerda Tornillos roscados: Estos sujetadores son los que hacen su propio orificio o sus propias cuerdas. La rosca de éstos es similar a la de un tornillo de perfil estándar, con la única diferencia de que su paso es mayor, esto con el único objetivo de que al perforar metal o plástico desalojen el material desplazado.
14 | P á g i n a
Clasificación por forma de cabeza Tornillos ranurados: A pesar de que existen muchos estilos de cabezas, como se muestra en la imagen siguiente, cada uno de ellos, al ser combinados con ranuras simples o Philips se utilizan únicamente en los tornillos de máquina o roscados más pequeños, ya que el torque máximo que se obtiene en las ranuras, es limitado. Mientras que los de cabeza hexagonal alcanzan fácilmente torques más grandes, es por ello que el estilo de cabeza hexagonal es el más popular para pernos y tornillos de máquina que requieren un torque sustancial.
Tornillos de cabeza hueca con capucha: Éstos se fabrican con acero endurecido de alta resistencia, acero inoxidable u otros materiales que se utilizan normalmente en maquinaria. El objetivo de su diseño es el poder aplicarle torque suficiente con llaves Allen hexagonales. A continuación se muestran algunos ejemplos y cuáles son sus propósitos de diseño: Cabeza redonda para dado: Está diseñado para colocarse dentro de una caja, lo que permite
que la cabeza quede debajo de la superficie.
Cabeza plana para dado: Éste permite que la cabeza plana con capucha se hunda.
Tornillo con hombro: Éste por su parte, tiene poca tolerancia, posee
además una caña con acabado esmerilado y puede ser utilizado como pivote o para ubicar una pieza con precisión. El tornillo se encuentra sometido a un torque apretado contra su hombro, lo que le permite que una parte del mismo esté libre para pivotar entre su cabeza y la superficie a la cual fue atornillado.
15 | P á g i n a
Tornillo prisionero para dado: Se utiliza para sujetar collarines y mazas a los ejes.
Tuercas y arandelas Tuercas: Los tipos más comunes de tuercas son los que se detallan a continuación: Tuerca hexagonal estándar: Tuerca de uso común, con el diseño más simple y de uso general.
Tuerca de presión: Esta es una versión más delgada de la tuerca hexagonal estándar.
Tuerca hexagonal de corona: Se utiliza en combinación con una tuerca estándar para asegurar
la misma al perno.
Tuerca hexagonal de bellota: Diseñada para ser utilizada con fines decorativos.
Tuerca de mariposa: Ésta permite ser desatornillada sin necesidad de utilizar herramientas.
Tuercas de bloqueo: Éstas previenen el aflojamiento espontáneo de la tuerca, causado por la vibración. Éste propósito podría ser logrado únicamente con dos tuercas o con una tuerca de corona con chaveta. Sin embargo, los fabricantes ofrecen diversos diseños, detallados a continuación: 16 | P á g i n a
Tuerca elíptica de bloqueo: Esta resiste el aflojamiento, debido a que se fabrica con un
extremo en forma de elipse, permitiendo que unos cuantos hilos estén distorsionados. Cuando estos se fuerzan, aprietan la cuerda causando interferencia con los hilos del perno.
Tuerca de bloqueo con inserto de nylon: Esta por su parte, cuenta con añadidos de nylon –
como su nombre lo indica –, permitiendo que éste fluya hacia los espacios de la cuerda, y logre así, apretar el perno.
Tuerca de bloqueo con perno: Consta de una tuerca con perno de seguridad, que además de
tener un perno que permite el apretamiento, se clava también, en las cuerdas del mismo para evitar aflojamiento.
Tuerca de bloqueo con pestañas: Ésta está diseñada para que los bordes dentados se entierren
en la parte sujetada para resistir el aflojamiento.
Arandelas: El objetivo de éstas es incrementar el área de contacto entre la cabeza del perno o la tuerca y la parte que sujeta. 17 | P á g i n a
Arandelas de bloqueo: Éstas se utilizan, obviamente, junto con una tuerca hexagonal estándar, para prevenir el aflojamiento espontáneo de las mismas. A continuación se detallan algunos ejemplos de arandelas de bloqueo: Arandela de bloque al deslizamiento: Fabricada de acero endurecido; actúa como un resorte
bajo la tuerca, además de que con sus superficies afiladas, se inserta en la superficie que sujeta.
Arandelas dentadas: Sus dientes se comprimen cuando se sujetan y luego se insertan en las
superficies de la pieza y de la tuerca. Éstas son: Arandela con dientes internos
Arandela con dientes internos y externos
Arandela con dientes externos
Dientes para hundimiento
SEMS: Éstas son combinaciones de tuercas y arandelas prisioneras de bloqueo que se mantienen fijas en la tuerca. Su ventaja principal es garantizar que la arandela de bloqueo no sea excluida del ensamble o reensamble.
Resistencias de pernos estándares y de tornillos de máquinas A continuación se detallan las resistencias respectivas para cada grado, designación o clase de propiedad, de acuerdo a las especificaciones de SAE, ASTM y el sistema métrico, respectivamente. De igual manera, se muestran las composiciones y las marcas en las cabezas de los pernos estándares o tornillos de máquina.
18 | P á g i n a
Sociedad de Ingenieros Automotores (SAE) Grado SAE
Intervalo de tamaños (pulg)
Resistencia de prueba mínima (ksi)
Resistencia mínima a la tensión (ksi)
Resistencia mínima a Material la fluencia (ksi)
1
¼ - 1½
33
60
36
¼-¾
55
74
57
7/8 - 1½
33
60
36
2
4
¼ - 1½
65
115
100
¼ -1
85
120
92
1 1/8 - 1½
74
105
81
5
5.2
7
8
8.2
¼-1
¼ - 1½
¼ - 1½
¼-1
85
105
120
120
120
133
150
150
Marca en la cabeza
Acero de bajo o medio carbono
Acero de bajo o medio carbono
Acero de medio carbono, estirado en frío
Acero de medio carbono, T y R
92
Acero martensítico de bajo carbono, T y R
115
Acero de aleación de medio carbono, TyR
130
Acero de aleación de medio carbono, TyR
130
Acero martensítico de bajo carbono, T y R
19 | P á g i n a
Sociedad Americana para la Prueba de Materiales (ASTM) Designación ASTM
Intervalo de tamaños (pulg)
Resistencia de prueba mínima (ksi)
Resistencia mínima a la tensión (ksi)
Resistencia mínima a Material la fluencia (ksi)
A307
¼ - 1½
33
60
36
½-1
85
120
92
1 1/8 - 1½
74
105
82
½-1
85
120
92
1 1/8 - 1½
74
105
81
½-1
85
120
92
1 1/8 - 1½
74
105
81
¼ - 2½
105
125
109
A325, tipo 1
A325, tipo 2
A325, tipo 3
A354, grado BC
Acero de carbono
Marca en la cabeza
bajo
Acero de medio carbono, T y R
Acero martensítico de bajo carbono, T yR
Acero no temperizado, T y R
Acero aleado, T y R 2¾ - 4
95
115
99
¼-4
120
150
130
¼-1
85
120
92
1 1/8 - 1½
74
105
81
1¾ - 3
55
90
58
A490, tipo 1
½ - 1½
120
150
130
Acero aleado, T y R
A490, tipo 3
½ - 1½
120
150
130
Acero no temperizado, T y R
A354, grado BD
A449
Acero aleado, T y R
Acero de medio carbono, T y R
20 | P á g i n a
Especificaciones para sujetadores métricos Intervalo Clase de de propiedad tamaños
Resistencia de prueba mínima (MPa)
Resistencia mínima a la tensión (MPa)
Resistencia mínima a Material la fluencia (MPa)
4.6
M5-M36
225
400
240
Acero de bajo o medio carbono
4.8
M1.6-M16
310
420
340
Acero de bajo o medio carbono
5.8
M5-M24
280
520
420
Acero de bajo o medio carbono
8.8
M16-M36 600
830
660
Acero de medio carbono, T y R
9.8
M1.6-M16
650
900
720
Acero de medio carbono, T y R
Marca en la cabeza
10.9
M5-M36
830
1040
940
Acero martensítico de bajo carbono, T yR
12.9
M1.6-M36
970
1220
1100
Acero aleado, T yR
21 | P á g i n a
Diseño estructural Consideraciones generales de diseño Productos de acero En el diseño estructural, el acero que se lamina para formar placas de anchos y espesores variables es esencial, ya que éstos terminan siendo perfiles estructurales, barras redondas, cuadradas y rectangulares, y tubos, los cuales son la base de una estructura, es el punto de partida del diseño de las mismas. A continuación se describen los perfiles más comunes:
Perfil W: También llamado perfil de patín ancho; es el perfil más utilizado en la construcción. Posee doble simetría (en el eje x y en el eje y ) y consiste básicamente en dos patines rectangulares conectados por una placa de alma también rectangular. Perfil S: Perfil que también es doblemente simétrico, y que se conocía anteriormente como perfil I o perfil American Estándar. Comparte tres diferencias esenciales con el perfil W: 1) El ancho del patín es menor; 2) la cara interna del patín tiene una pendiente de 16.7° aproximadamente y, 3) el peralte teórico es el mismo que el peralte nominal. Perfil M: Perfil doblemente simétrico que no clasifica en ninguno de los dos anteriores. Perfil C: Perfil de canal; éstos tienen una pendiente interna en el patín idéntica a la del perfil S y al igual que éste, el peralte teórico es el mismo que el peralte nominal. Perfil Me: Perfil de canal que no clasifica como perfil C. Perfil L: Éstos pueden ser angulares de lados iguales o desiguales. Todos los angulares poseen paralelas las caras de los lados. Perfil T: Miembros estructurales que se obtienen mediante el corte de un perfil W, de un perfil S o de un perfil M, para obtener un WT, un ST o un MT, respectivamente. La mayoría de veces, dicho corte se hace de tal forma que el área equivalente sea la mitad a la sección original, aunque suele hacerse de forma desplazada cuando se necesita una sección con mayor peralte.
Uniendo elementos de acero Es aquí donde se combinan todos los temas antes vistos, debido a que los elementos de acero pueden ser unidos ya sea por medio de pernos o por medio de soldadura. Cuando éstos se fabrican para su montaje, muchas uniones tienen el material de conexión anexado a un miembro durante trabajo de taller y otras se unen en el campo, durante su montaje. Esto simplifica el traslado y hace más fácil el ensamblaje. Al soldar una conexión, se realiza preferiblemente en un taller, ya que es un ambiente en el que se tiene un mejor control. Si la conexión es apernada en un lado y soldada del otro, el lado que se suelda se hace en un taller, mientras que el otro se realiza en el campo. El uso de pernos o de soldadura tiene cada uno sus ventajas y desventajas. Apernar requiere de perforación o taladrado de agujeros que deben ser de un tamaño estándar, de un tamaño mayor, con ranura pequeña, o ranura larga dependiendo del tipo de conexión. No es inusual tener una parte perforada con un agujero estándar, mientras la otra parte de la 22 | P á g i n a
conexión se prepara con un agujero con ranura. Esta práctica es común en edificios en donde se tienen todas las conexiones apernadas, ya que permite un montaje fácil y rápido de la estructura. La soldadura elimina la necesidad de perforar o taladrar las capas del material que se utilizará en la conexión, sin embargo, el trabajo asociado con soldar requiere de un mayor nivel de habilidad por parte del obrero que realiza la soldadura, en comparación con la colocación de pernos. Dicho trabajador es entrenado y calificado para realizar las soldaduras necesarias para la configuración de la conexión; requiere también de entrenamiento para variar el ángulo entre el electrodo y la superficie dependiendo del tipo de soldadura especificada, conocer la posición que se requiere para hacer una soldadura apropiada, el espesor del material de las partes que serán unidas, la temperatura de precalentamiento de las partes (si es necesario), y muchas otras variables.
Conexiones estructurales
Conexiones de cortante simple En estas conexiones se asume que tienen poca o ninguna resistencia rotacional y que tendrán solo el componente de la carga cortante, además de que son idealizados como pasadores o rodillos para el diseño. Por lo tanto, no se asume momento transmitido por la conexión desde el alma del miembro soportado hacia el alma del miembro que soportará. Conexión doble ángulo: Esta configuración de conexión puede ser realizada ya sea por medio de pernos o por medio de soldadura, la eficiencia dependerá del material. Cuando se trabaja una conexión completamente pernada existen dos líneas de pernos del lado de soporte, las cuales se encuentran en cortante simple; y una del lado soportado, en cortante doble. El número de filas de pernos son usualmente comunes para ambos lados. La misma idea general es también aplicable para conexiones de doble ángulo completamente soldada. Las soldaduras del lado del soporte se colocan normalmente a lo largo de cada punta de los extremos sobresalientes del ángulo con un retorno en la parte superior. Mientras que las soldaduras del lado soportado se colocan normalmente a lo largo de las puntas y/o en los bordes superior e inferior de ambos extremos del ángulo. En el manual de la Institución Americana de Acero de Construcción –AISC, por sus siglas en inglés –, el grosor mínimo tabulado para soldadura asume electrodos E70 y está basado en igualar el esfuerzo de ruptura de la soldadura con el esfuerzo de soldadura del metal base. Si es suministrado un ancho menor que el tabulado, los valores de la soldadura deben ser reducidos en la misma proporción que fue disminuido el valor del ancho requerido. Por lo tanto, se deben utilizar de
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preferencia, soldaduras de longitudes cortas, ya que las soldaduras largas no proveen ventaja en cuanto al esfuerzo una vez que el grosor límite ha sido alcanzado. Para las soldaduras en el lado de soporte se debe considerar la ductilidad. Las soldaduras se deben colocar del lado del ángulo que sostiene al lado sobresaliente, para que dicho lado esté dispuesto a deformación. Las orillas superiores de los ángulos (así como otras conexiones de corte) en el lado de soporte no deben ser soldadas a lo largo de las mismas, excepto por soldaduras cortas. Si éstas fueran soldadas en todas su extensión, inhibirían la flexibilidad y por lo tanto, la flexibilidad rotacional de la conexión. Conexión de extremo: Esta conexión involucra soldar una placa perpendicular en el extremo del alma soportada y apernar o soldar la placa en el lado de soporte. La dimensión vertical de la misma no debe exceder la del alma soportada. Si el lado de soporte está apernado, la dimensión horizontal dependerá del tamaño del perno, el espacio de galga y la distancia a la orilla. La soldadura ejecutada en el taller es el único método para unir el alma de la viga suportada y la placa. En el manual de la Institución AISC, el grosor mínimo tabulado para soldadura asume electrodos E70 y está basado en igualar el esfuerzo de ruptura de la soldadura con el esfuerzo de soldadura del metal base. Si es suministrado un ancho menor que el tabulado, los valores de la soldadura deben ser reducidos en la misma proporción que se fue disminuido el valor del ancho requerido. Por lo tanto, se deben utilizar de preferencia, soldaduras cortas, ya que las soldaduras largas no proveen ventaja en cuanto al esfuerzo una vez que el grosor límite ha sido alcanzado. Las conexiones de extremo son generalmente más simples al momento de diseñarlas pero requieren un buen control en las tolerancias de fabricación debido a la precisión en cuanto a la longitud que debe haber en los soportes. La longitud detallada es normalmente establecida de acuerdo a que exista una pequeña brecha de montaje. Esta brecha puede ser llenada con cuñas. La flexibilidad de rotación para la placa se aproximará a la de una conexión de doble ángulo con ancho, líneas de galga y una longitud de conexión similares. Conexión asentada sin rigidizar: Ésta es única en la familia de conexiones a cortante. A diferencia de las demás conexiones, la unión para una conexión asentada no está hecha en el alma de la viga soportada. Ésta está hecha a partir de un ángulo que es montado en el soporte de modo que un extremo esté de forma vertical en contra de la cara del miembro soportado, y en otro extremo, el lado 24 | P á g i n a
sobresaliente del ángulo, provee un “asiento” en donde la viga descansa y soporta la reacción.
El ángulo también provee una locación para colocar la viga soportada durante el montaje mientras que éste se adhiere en un taller al miembro de soporte, ya sea mediante pernos o mediante soldadura. En el manual de la Institución AISC, el grosor mínimo tabulado para soldadura asume electrodos E70 y está basado en igualar el esfuerzo de ruptura de la soldadura con el esfuerzo de soldadura del metal base. Si es suministrado un ancho menor que el tabulado, los valores de la soldadura deben ser reducidos en la misma proporción que se fue disminuido el valor del ancho requerido. Por lo tanto, se deben utilizar de preferencia, soldaduras cortas, ya que las soldaduras largas no proveen ventaja en cuanto al esfuerzo una vez que el grosor límite ha sido alcanzado. A diferencia de otras conexiones de corte, en una conexión asentada, es permitido exceder estados de límite. El patín inferior yace en extremo sobresaliente del ángulo, por lo tanto, deben ser averiguados los estados límite últimos de inestabilidad elástica y de equilibrio. Si la viga soportada deberá estará simplemente colocado en el ángulo, podría deslizarse o volcarse bajo carga. Para prevenir que pase lo primero, el patín inferior es normalmente unido al ángulo mediante dos pernos A325. Y para prevenir que se vuelque, un ángulo estabilizador adicional deberá ser añadido al patín superior o a lo largo del alma de la viga soportada, aunque dicho ángulo adicional añadirá rigidez a la conexión. El manual de la AISC sugiere usar ángulos de 4 x 4 x ¼ con el filete de tamaño mínimo ya sea soldado o apernado. Sin embargo, solo el ángulo en el que la viga se asienta, es decir, el del patín inferior, provee esfuerzo en la conexión. La flexibilidad rotacional de la conexión asentada sin rigidizar es alcanzada a través de la deformación del extremo sobresaliente del ángulo, así como la deformación en el ángulo colocado en el patín superior o en el alma, si es que fue necesario. El ángulo del patín inferior deberá ser lo suficientemente grueso para aguantar la reacción, pero lo suficientemente delgado para proveer flexibilidad rotacional. Si éste es soldado al miembro de soporte, las soldaduras deben ser hechas a lo largo de sus orillas verticales. Las soldaduras tanto para el lado de soporte como para el soportado deben ser colocadas en cada uno de las puntas de los extremos del ángulo. Soldar a lo largo de las orillas verticales del ángulo del patín superior inhibirá la flexibilidad de la conexión. Debido a que el extremo de la viga yace en el ángulo de asiento, se deberá verificar la fluencia y el equilibrio del alma de la viga soportada. Conexión de placa simple: Ésta consiste en una placa soldada en el miembro de soporte y soldada en el alma de la viga soportada. Debido a que la conexión se realiza de un solo lado, se puede montar fácilmente balanceando hacia la posición en la que se colocará. Las ecuaciones en el manual de la AISC están basadas en electrodos E70. El tamaño de la soldadura de cada lado de la placa debe ser igual a tres cuartos del grueso de la 25 | P á g i n a
misma, para asegurar que el esfuerzo no se ejerza sobre la soldadura. La orientación de esta conexión está en el plano del alma del miembro soportado. Esto significa que la flexibilidad rotacional y la locación idealizada del pasador son dependientes en la rigidez relativa de la placa y el soporte. Si el soporte es flexible, entonces la rotación está acomodada de acuerdo a la deformación del miembro de soporte. Si el soporte es rígido, entonces la rotación ocurre primariamente en la placa de la conexión. Para este tipo de conexión se han establecido anchos que son recomendados para el lado inferior y para el lado superior de la placa. El lado inferior deberá controlar el pandeo asumiendo que el lado inferior de la placa se encuentra en compresión debido a la flexión. El ancho mínimo está en función de la longitud L de la placa, su coeficiente de pandeo K y el esfuerzo de fluencia F y del material. Por lo que el ancho mínimo es igual a:
234 √ El cual no será menor a ¼ de pulgada. Mientras que el ancho del lado superior se adecúa a la ductilidad rotacional de la placa. El ancho máximo está en función del diámetro d b del perno utilizado y es igual a:
2 + 1⁄16 .
Y no será menor que el ancho mínimo previamente establecido. De igual manera, la excentricidad siempre debe ser considerada al momento de diseñar este tipo de conexiones. Conexión de ángulo simple: Al igual que la conexión de doble ángulo, el lado sobresaliente puede ser colocado al miembro de soporte o al miembro soportado ya sea por medio de pernos o por medio de soldadura. En una manera similar a la conexión de placa simple, esta conexión se encuentra solo de un lado, permitiendo que la viga que será soportada se balancee para ser colocada, en lugar de bajarla. Las conexiones de un solo ángulo son anexadas al miembro de soporte normalmente en el taller, lo que hace que éstas sean fácilmente ensambladas. Mientras que apernar en el campo provee a su vez, la facilidad de realizar cualquier ajuste necesario, y en donde los pernos se encuentran en cortante simple. Por lo tanto, el esfuerzo cortante de un perno es el mismo que el esfuerzo en cualquier parte de la conexión. Como en una conexión a doble ángulo, la flexibilidad rotacional de una conexión de ángulo simple es alcanzada primordialmente a través de la deformación de la parte sobresaliente del ángulo. Las soldaduras en el lado de soporte deben ser colocados a lo largo de la punta y la orilla inferior del ángulo. En la parte superior del ángulo, se deberán de tener
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buenos rendimientos en la soldadura, si ésta es del tamaño correcto; se debe evitar soldar a lo largo del la orilla superior, debido a que inhibirá flexibilidad a la conexión. Conexión en T: Ésta es fabricada a partir de una sección WT con un vástago conectado al alma del miembro soportado y al patín del miembro de soporte. Tanto el vástago como el patín deben ser ya sea apernados o soldados. La localización teórica del pasador (asumido como la parte más flexible de la conexión) dependerá del perfil y el soporte escogido. El manual de la AISC brinda un diseño propicio en este aspecto. Perfiles con patines anchos pueden proveer flexibilidad rotacional a través del comportamiento del vástago similar al de una lengüeta de corte, mientras que patines incluso más anchos proveen un comportamiento similar al de una conexión de doble ángulo o una conexión de extremo. De igual forma, el manual de la AISC brinda una guía para todos los casos.
Conexiones de momento Las conexiones de momento transfieren el momento de los patines de la viga soportada hacia el miembro de soporte. Con estas conexiones se asumen que se tiene poca o ninguna rotación entre ambos miembros. Conexión placa-patín (viga-columna): Estás son hechas con placas que conectan los patines, tanto inferior como superior, de la viga soportada —que puede ser apernada o soldada — a la columna de soporte. Normalmente, las placas se anexan a la columna en un taller y a la viga en el campo. Estas conexiones son usualmente posicionadas ligeramente apartadas del miembro de soporte si éstas serán apernadas a los patines del miembro soportado. Este arreglo hace que sea fácil de ensamblar, ya que provee una holgura adecuada. Cuñas proporcionan el relleno para cualquier espacio resultante. Si las placas son soldadas a los patines del miembro de soporte, entonces éstas son diseñadas y detalladas tal que se la soldadura sea realizada en posición plana. Esto puede ser llevado a cabo usando placas que estén ligeramente reducidas a comparación de la viga en la parte superior y ligeramente anchas a comparación de la viga en la parte inferior. Este arreglo permite una soldadura en posición plana. 27 | P á g i n a
Si la viga se encuadra dentro del alma de la columna, las placas deben ser diseñadas de tal forma que llenen el espacio entre los patines de la misma, dejando un espacio estrecho fuera de ésta para permitir soldadura vertical. En este caso, la placa de la parte superior será probablemente más ancha que el patín de la viga soportada. Por lo tanto, para acomodar la soldadura en posición plana de las placas anexadas al alma de la columna, la placa que se encuentra sobre el patín de la viga debe ser bloqueada para hacer una unión por soldadura más fácil, al miembro soportado. Conexiones de patín directamente soldadas: Estas conexiones son hechas usualmente con soldaduras de ranura de penetración completa en la unión que unen directamente ambos patines de la viga soportada a la columna de soporte. Soldadura de filete o soldadura de ranura de penetración parcial pueden ser usadas si se requiere una adecuada transferencia de fuerzas. Las soldaduras de ranura para soldar los patines directamente requieren una preparación significante de la unión. Los agujeros de acceso para la soldadura son cortados del alma a la intersección de los patines del miembro soportado. Se añaden a los patines barras de acompañamiento y pestaña de escurrimiento. La soldadura de ranura para conectar viga con los patines de la columna puede ser hecha en posición plana. Una vez que la unión se completa, las pestañas de escurrimiento se retiran; sin embargo algunas veces es permisible dejar las barras de acompañamiento en el lugar. El esfuerzo de corte puede ser transferido ya sea por adición de una conexión estándar de corte (por ejemplo un ángulo simple) o por soldar directamente el alma de la viga soportada al patín de la columna. Soldar directamente al alma requiere tolerancias de molino (norma ASTM A6), de fabricación (sección 6.4 del Código de Práctica Estándar para Edificios y Puentes de Acero —COSP, por sus siglas en inglés) y de montaje (sección 7.13 del COSP), por lo que no siempre se realiza de esta manera. Conexiones de extremo extendido: Estas son similares en apariencia y orientación a las conexiones de corte de extremo. La diferencia física primaria es que la placa es más larga que la profundidad de la viga soportada como si tuviera que ser anexada al alma y a los patines de la misma. La placa usualmente se suelda al alma y los patines de la viga soportada utilizando filetes, sin embargo soldaduras de penetración completa o parcial pueden ser utilizadas si el tamaño del filete es excesivamente largo. La placa es entonces unida con pernos de esfuerzo elevado al miembro de soporte. Las conexiones de extremo están clasificadas basándose en el número de pernos que se usan para tensionar el patín, por lo que pueden ser cuatro pernos sin rigidizar u ocho pernos 28 | P á g i n a
rígidos. Los pernos en tensión deben ser colocados en un patrón simétrico con una mitad arriba y la otra debajo del patín tensionado. Por lo menos dos pernos deben ser usados en la viga en compresión; éstos sirven principalmente para soportar fuerzas de corte. Además, los pernos en el patín de compresión deben ser colocados entre los patines de la viga soportada siempre que sea posible para reducir la longitud requerida de la placa. Otros pernos pueden ser colocados en la placa, cerca del eje neutro de la viga para asegurar un ajuste apropiado con la columna y asistir a la transferencia de corte en los pernos colocados en el patín en compresión. Como su contraparte en cortante, esta conexión requiere tolerancias de molino, de fabricación y de montaje. La viga puede ser fabricada corta para acomodarse a las tolerancias del campo con cuñas añadidas para rellenar cualquier espaciamiento resultante. Conexiones de empalme: Estas conexiones están diseñadas para transferir fuerzas ejercidas en los patines a través de las dos vigas o dos vigas de soporte que están conectadas en los extremos para crear un solo miembro. Como otras conexiones de momento, una conexión a corte (empalme a corte) es usualmente proporcionada en el alma para controlar la componente del cortante. Las conexiones de empalme pueden ser diseñadas de una forma similar a cualquiera de las conexiones de momento previamente descritas. Placas de extremo extendidas pueden ser usadas en un arreglo al final de las vigas para crear un empalme de momento. Las placas de los patines pueden ser apernadas o soldadas en el lado superior o inferior de ambos patines en ambos miembros para transferir la fuerza de los mismos. Los patines de los dos miembros pueden ser directamente soldados el uno al otro por medio de una soldadura de ranura de penetración parcial o de penetración completa. Si los patines son soldados directamente, se deben emplear barras de acompañamiento y pestañas de escurrimiento, las cuales estarán sujetas a carga por fatiga, por lo que deberán ser removidas luego de completada la operación.
Conexiones de columna Las columnas se encuentran principalmente bajo cargas de compresión, aunque también pueden estar sujetas bajo tensión axial, corte y momento. Por lo tanto, el propósito de las conexiones de columna es transferir las cargas ya sea al miembro de soporte o a los cimientos de la estructura. Empalme de columna: Éstos son usados ya sea por razones de costos, para cambiar los tamaños de la columna o porque la altura de la estructura excede la longitud disponible de la columna. Estas conexiones, cuando se encuentran en locaciones perimetrales deben ser colocadas preferiblemente cuatro pies por arriba de un piso terminado para acomodar la unión de los cables de seguridad, que serán requeridos para 29 | P á g i n a
facilitar montaje. Los ejes superior e inferior de la columna no necesariamente requieren estar contacto de apoyo completo el uno con el otro. Un espacio de hasta 1/16 de pulgada es permitido sin la necesidad de reparar o de acuñar. Si la separación es entre 1/16 y ¼ de pulgada, entonces se requieren cuñas de acero no cónico. La evaluación ingenieril deberá llevarse a cabo en espacios mayores al cuarto de pulgada. En la mayoría de los empalmes de columna, el área de apoyo entre columnas será suficiente para transferir la carga de compresión. Además, fuerzas de corte lateral son distribuidas entre varias columnas. Cuando la fuerza en cualquier columna individual es pequeña, la fricción en el área de apoyo y/o en las placas de los patines puede ser suficiente para resistir estas fuerzas. Si la fuerza cortante es mayor, la conexión de empalme de columna deberá ser diseñada para resistir dichas fuerzas y sostener todas las partes en su lugar, de forma segura. Los empalmes de columna también deben ser diseñados para resistir la fuerza de tensión que se puedan desarrollar debido a las cargas de elevación. Independientemente del control que se tenga sobre la condición de la carga, el empalme deberá ser suficiente para mantener de forma segura todas las partes en su lugar. Placas en los patines, cantoneras o soldar directamente los patines puede ser un empalme efectivo. Los empalmes por medio de placas en los patines involucran placas anexadas (por medio de pernos o por medio de soldadura) a los patines de los ejes superior e inferior. Cuando dos columnas de diferentes dimensiones pero de la misma profundidad nominal están siendo empalmadas, que es un hecho bastante común, entonces se deben colocar cuñas o placas de relleno para cubrir cualquier espaciamiento. Las cantoneras son utilizadas entre los extremos de los ejes superior e inferior del empalme de columna. Éstas resultan convenientes cuando las profundidades nominales de los ejes son significativamente diferentes. Y por último, los empalmes en las columnas pueden ser creados mediante la soldadura directa de los patines en los ejes inferior y superior. Las almas de las columnas deben permanecer unidas por soldadura por placas de instalación, las cuales pueden ser unidas ya sea por medio de pernos o por soldadura al eje superior o al eje inferior. Placas base: Éstas son utilizadas para proporcionar suficiente área de apoyo en el material debajo para que las fuerzas de la columna sean correctamente transferidas desde la columna a la fundición. Las placas base usualmente se anclan al concreto de la fundición por medio de varillas. Las piezas de refuerzo de una placa base puede ser apernada o soldada a otros miembros de acero. La placa base puede ser anexada a la columna ya sea por soldadura directa o por elementos adicionales —ángulos, por ejemplo—, que pueden ser conectados a la columna para facilitar la unión a la placa base.
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La especificación LRFD de la AISC no establece un método particular para el diseño de placas base. Sin embargo, el manual de la AISC sí provee los procedimientos para el diseño de placas base. Cuando la columna está en compresión, yace directamente sobre el material que se encuentra debajo de ella. Dicha carga determina el tamaño de la placa base. La conexión actual de la misma es efectivamente pasiva cuando existe solo una carga en compresión axial. Si la columna se encuentra bajo esfuerzos de tensión o de corte, entonces la conexión de la placa base se convierte en activa. El tamaño de la misma está en función de la carga de compresión y la conexión de ésta está en función de la carga de tensión y/o corte. De igual manera, se colocan tres placas de refuerzo de 4 x 8 x ¾ de pulgada en un lado de la placa base que son unidos por medio de soldadura tipo filete de 3/8 de pulgada en cada lado de las placas. Un espacio es proporcionado entre la parte superior de la placa base y la parte inferior de la placa de refuerzos, lo que permite que estos se coloquen directamente en la placa, reduciendo así, la posibilidad de pandeo los mismos. Adicionalmente, se coloca una placa horizontal en las orillas superiores de las placas de refuerzo por medio de una soldadura tipo filete de 3/8 de pulgada. Esta placa tiene dos agujeros para pernos alineados por medio de los agujeros de anclaje de la placa base, en donde se colocan varillas que pasan a través de la placa base y la placa superior. Existe una varilla para cada par de placas verticales. Dichas placas verticales deben ser colocadas lo más juntas posibles con arandelas por debajo de las tuercas de las varillas de anclaje que se usan para minimizar la flexión de la placa superior.
Conexiones misceláneas Éstas son conexiones que no se encuentran en ninguna de las categorías previamente descritas. Horquillas: Los elementos de refuerzo son usados para añadir rigidez o estabilidad a la estructura. Éstos se encuentran bajo carga axial de compresión o tensión, raramente se colocan con la necesidad de transmitir esfuerzos de corte o flexión. Ahorros en el material tanto para el elemento de refuerzo como para la conexión pueden ser obtenidos si éste está diseñado únicamente como miembro para soportar tensión. La ventaja se encuentra en que el miembro de refuerzo puede ser fino (como un cable o una varilla). Pueda que se requieran refuerzos para poder controlar las fuerzas concentradas, asociadas en su mayoría a miembros cargados axialmente.
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Las horquillas son accesorios mecánicos que son diseñados para transferir carga desde una varilla roscada hacia un pasador transversal. Éstas convierten la tensión a cortante doble. El pasador es asegurado a través de un agujero en una placa que es unida apropiadamente al elemento de acero. Conexión sesgada (placa doblada): Éstas resultan de elementos que no encajan juntos en una manera ortogonal. Pueden ser hechas ya sea por una placa doblada o si se requiere mayor resistencia, por dos placas dobladas. El diseño de las mismas es análogo y similar al de una conexión de corte, y pueden ser apernadas o soldadas ya sea en el miembro de soporte o en el miembro soportado.
Joist abierto de acero con alma: Éstos son miembros estructurales estandarizados y prefabricados. El Instituto de Joist de Acero (SJI, por sus siglas en inglés) y fabricantes de joists proveen las guías necesarias para la conexión de estos elementos.
Correas de techo formadas en frío: Éstos se fabrican mediante el rolado y el doblado de hojas delgadas de acero que son formadas en frío. Las guías para la conexión de estos elementos pueden ser encontradas en el Cold-Formed Steel Design Manual (Manual de Diseño de Acero Formado en Frío), de la AISC.
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Conectores de perno a cortante: Éstos son utilizados en construcciones compuestas, para transferir esfuerzos de corte entre una viga de acero y una losa de concreto. Éstos se sueldan sobre el patín de la viga a través de cubierta de metal. Cuando una losa de concreto es vertida sobre dicha cubierta y sobre la viga, los conectores se encuentran empotrados en el concreto.
Armadura: Éstas se utilizan como un sistema de enmarque en techos o en puentes. Los elementos de las mismas pueden que se encuentren bajo esfuerzos de tensión, compresión o flexión y pueden ser soldados unidos, o soldados o apernados juntos utilizando placas de refuerzo. Dichas placas proveen una extensión de área que es necesaria para soldar o apernar y deben ser diseñadas para soportar pandeo por compresión, fluencia o ruptura por tensión, bloquear la ruptura por corte, para lo cual se debe diseñar con el método Whitmore. Si las conexiones son apernadas y la armadura es para utilizarse en un puente, entonces la carga viva causa daños por fatiga en los elementos de la misma, por lo que se deben utilizar juntas de deslizamiento crítico. Cuando se enmarcan diversos elementos de una armadura, es preferible que la línea de acción para la fuerza esté en un punto común de trabajo.
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