INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CAMPECHE
ESTRUCTURAS DE ACERO UNIDAD 5: CONEXIONES ESTRUCTURALES
Pérez Ibarra Jaime Raúl
ÍNDICE
1. Introducción……………………………………………………………….….5 5.- Conexiones Estructurales………………………………………………...…………...6
5.1 Conexiones remachadas, atornilladas y soldadas ……………………………6 5.2 Eficiencia y diseño de conexiones………………………………..………...20 5.3 Modo de falla de las conexiones remachadas….…………………………...32 5.4 Ventajas y desventajas de las conexiones soldadas …………………….….34
6 Conclusión…………………………………………………………………..37 7 Bibliografía…………………………… a……………………………………………………… ………………………………….. ……….. ..38
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1……………………………………………………………………………….7
Figura 2…………………………………………………………………………….....13 Figura 3……………………………………………………………………………….19 Figura 4………………………………………………………………………….......19 Figura 5………………………………………………………………………...……20
Figura 6. …………………………………………………………………………….23 Figura 7. …………………………………………………………………………….23 Figura 8. …………………………………………………………………………….24 Figura 9. …………………………………………………………………………….24 Figura 10…………………………………………………………………………….24 Figura 11…………………………………………………………………………….25 Figura 12…………………………………………………………………………….26 Figura 13…………………………………………………………………………….26 Figura 14…………………………………………………………………………….26 Figura 15…………………………………………………………………………….27 Figura 16…………………………………………………………………………….27 Figura 17…………………………………………………………………………….27 Figura 18…………………………………………………………………………….28
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Figura 19…………………………………………………………………………….28
Figura 20…………………………………………………………………………….29 Figura 21…………………………………………………………………………….30 Figura 22…………………………………………………………………………….30 Figura 23…………………………………………………………………………….31 Figura 24…………………………………………………………………………….31 Figura 25…………………………………………………………………………….36
Figura 26…………………………………………………………………………….36
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1…………………………………………………………………………….7 Tabla 2…………………………………………………………………………….13 Tabla 3…………………………………………………………………………….13
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INTRODUCCION
El siguiente trabajo de investigación se basa en los temas de la unidad 5 de la asignatura de Estructuras de acero. El tema principal lleva el nombre de Conexiones estructurales y contiene los siguientes subtítulos: Conexiones remachadas, atornilladas y soldadas, en el cual se desarrollan los tipos de conexiones a los que pueden ser sometidas las diversas estructuras de acero para generar una mayor estabilidad en ellas. El siguiente subtema trata sobre la eficiencia y la forma en como están diseñadas estas conexiones. Seguidamente tenemos los modos en los cuales las conexiones remachadas pueden llegar a fallar, para tener un conocimiento sobre ellas y poder llegar a resolverlas de la mejor manera. El último subtema de la unidad consiste en conocer las ventajas y desventajas que podemos recibir de las uniones soldadas en las diferentes estructuras.
A continuación se explicaran los temas antes mencionados con el fin de conocer, examinar, y elegir los mejores tipos de conexiones y en dado caso, cuál de ellas sería la mejor opción para utilizar en nuestros futuros proyectos arquitectónicos.
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5. CONEXIONES ESTRUCTURALES
La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen compo nen 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 d e 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 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.
5.1 CONEXIONES REMACHADAS, ATORNILLADAS Y SOLDADAS.
Desde hace muchos años, los remaches han caído en desuso, en virtud de las grandes ventajas que ofrecen otros medios de unión, como son los tornillos de alta resistencia y las soldaduras. No obstante, en este manual se incluye información general de los remaches, ya 6
que en algunas ocasiones es necesario reforzar estructuras antiguas de acero y es difícil remitirse a literatura de la época anterior.
Fig. 1
Tabla 1.
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TORNILLOS
La mayor parte de las especificaciones referentes al diseño de estructuras de acero reconocen como medios de unión entre sus elementos, a los remaches, los tornillos y la soldadura. Desde hace muchos años, los remaches fueron los elementos de unión de estructuras de acero más comunes en el siglo XIX y hasta mediados del XX, pero en la actualidad han desaparecido ya en la práctica y no se emplean en construcciones nuevas, ni en el taller, ni en la obra, pues han sido sustituidos, con ventaja, por la soldadura y los tornillos de alta resistencia. Sin embargo, la importancia, cada vez mayor, de la evaluación, rehabilitación y refuerzo de estructuras existentes, hace que sea indispensable el conocimiento de las uniones remachadas. Si se conoce la época en que se construyó una estructura de acero remachada, puede ser posible obtener las propiedades mecánicas de los remaches utilizados en ella, recurriendo a literatura técnica de la época; en caso contrario, será necesario realizar en sayes mecánicos y químicos de laboratorio para determinar esas características. Actualmente, se utilizan dos tipos de tornillos, los llamados comunes y los de alta resistencia. Se designan, con el nombre que les dan las normas no rmas de ASTM para especificar sus características químicas y mecánicas, los primeros como tornillos A-307 y los de alta resistencia como tornillos A-325 (H-124) ó A-490 (H-123). ASTM A-307 (H-118) Sujetadores de acero al carbono con rosca estándar exterior (Fu= 414 MPa; 4 220 kg/cm2 ). ASTM A-325 (H-124) Tornillos de alta resistencia para conexiones entre elementos de acero estructural [Fu= 830 MPa (8 440 kg/cm2 ) para diámetros de 13 a 25 mm (1/2 a 1 pulg.), Fu= 725 MPa (7 380 kg/cm2 ) para diámetros de 29 y 38 mm (1 1/8 y 1 1/2 pulg.)]. ASTM A490 (H-123) Tornillos de acero aleado tratado térmicamente para conexiones conex iones entre elementos de acero estructural (Fu= 1 035 MPa, 10 550 kg/cm2 ). Estas normas se complementan con 8
las de la última versión de “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural
Joints Using ASTM A-325 or A-490 Bolts”, del Consejo de Investigación en Conexiones Estructurales (Research Council on Structural Connections). Tornillos comunes A-307 (H118) Son, históricamente, el primer medio de unión utilizado en estructuras de acero; en la actualidad tienen una aplicación estructural muy mu y limitada ya que su resistencia es reducida redu cida y no se recomiendan cuando pueden esperarse cambios de signo en los esfuerzos de las piezas de acero que conectan o cuando la estructura esté sometida a cargas dinámicas (sismo, principalmente). En este sentido, las especificaciones del AISC fijan una serie de casos concretos en que los tornillos A-307 no deben usarse. No se usarán para par a uniones entre tramos de columnas en estructuras esbeltas: a) Que tengan una altura de más de 60 m. b) Que tengan una altura de entre 30 y 60 m, cuando la base es menor del 40% de la altura. c) Que tengan una altura cualquiera si la base mide menos de 25% de la altura. No se usará en estructuras que deban soportar trabes grúa. No se usarán donde haya máquinas o alguna carga viva que produzca impacto o reversión de esfuerzos. Sin embargo, en estructuras ligeras en que los problemas mencionados no aparecen, así como en conexiones de elementos secundarios tales como largueros de techo, constituyen una buena solución pues son económicos y su manejo y colocación es muy simple. Tornillos de alta resistencia A-325 (NOM-H-118) y A-490 (NOM-H-123). Basan su capacidad en el hecho de que pueden quedar sometidos a una gran fuerza de tensión controlada que aprieta firmemente los elementos de la conexión. Las ventajas de este apriete firme se conocen desde hace tiempo, pero su aplicación práctica en estructuras proviene de 1951 en que se publicaron las primeras especificaciones espe cificaciones para regir su utilización. Desde entonces los tornillos de alta resistencia se han venido utilizando en forma 9
creciente en Estados Unidos y en las dos últimas décadas, también en México. A partir de 951, las especificaciones relativas a estos tornillos se han modificado varias veces para poder incluir los resultados de las investigaciones que, en forma caso continua, se han venido realizando en torno a ellos. Los primeros tornillos de alta resistencia que se desarrollaron y aún los más comúnmente usados son los A-325 (H-124); posteriormente y con objeto de contar con capacidades aún mayores, se desarrollaron los A-490 (H-123), ambos se obtienen de aceros al carbón tratados térmicamente. Los tornillos A-325 (H-124) se marcan, para distinguirlos, con la leyenda: A-325 y tres líneas radicales en su cabeza; la tuerca tiene tres marcas espaciadas de 120º. Los tornillos A-490 (H-123) se marcan con su nombre en la cabeza y con la leyenda 2H ó DH en la tuerca. Las últimas normas reconocen reconoce n 3 tipos distintos de tornillos A-325 (H-124); los tornillos tipo 1 son los originales y cuando se solicitan simplemente tornillos A-325 (H-124) son los que se suministran. Son los más utilizados. Los tornillos tipo 2 (A-325 ó H-124) se fabrican con acero martensítico de bajo carbono, para distinguirlos se marcan con líneas radicales a 60º en vez de 120º como los de tipo 1. Los tornillos A-325 (H-124) tipo 3 se caracterizan por tener una alta resistencia a la corrosión, suelen usarse con aceros de características similares a ellos. Se marcan con la leyenda A-325 subrayada, la tuerca se marca con el número 3. En México los únicos usados en forma extensa han sido los de tipo 1. Inicialmente los tornillos de alta resistencia consistían en un tornillo, una tuerca y dos rondanas; actualmente las dimensiones de la cabeza y de la tuerca se han diseñado de tal forma que se puede, en muchos casos, prescindir totalmente de las rondanas y usar en los demás, una sola. Características químicas y mecánicas de los tornillos de alta resistencia La composición química de los tornillos de alta resistencia, junto con el tratamiento térmico a que son sometidos, les proporciona sus características de 10
resistencia; el contenido de carbono y de manganeso es la variable más significativa en los tornillos A-325 (H-124). En los A-490 (H-123) el contenido de carbono se fija y el elemento de aleación se deja abierto para poder proporcionar los distintos caminos las propiedades mecánicas requeridas. Aunque, cuando es posible, los tornillos deben someterse a una prueba de tensión para probar su resistencia; a menudo son demasiado cortos para que la prueba directa de tensión se pueda realizar, se recurre entonces a controlar la resistencia, indirectamente, a través de una prueba de dureza. Se realizan con ese fin las pruebas Brinell ó Rockell. Tipos de juntas con tornillos de alta resistencia Las juntas que transmiten fuerza cortante entre las partes conectadas se diseñan para que la transmisión se haga por aplastamiento entre los tornillos y las partes conectadas, o por fricción entre éstas. Las pr imeras imeras se denominan juntas “por aplastamiento” (bearing type joints), las segundas “de fricción” o de “deslizamiento crítico” (slip-critical joints). Las segundas se caracterizan
porque la transmisión de las fuerzas que actúan en la conexión se logra únicacmente única cmente por la fricción que se desarrolla entre los elementos que la constituyen. En estas juntas el deslizamiento entre las piezas que se unen no es aceptable, se considera que el deslizamiento d eslizamiento equivaldría a la falla, los coeficientes de seguridad contra el deslizamiento se aceptan pequeños pues las consecuencias de su s u ocurrencia no son graves. La magnitud de la fricción depende de la fuerza de tensión en el tornillo y de las características de la superficie de los elementos que se conectan. Aunque es cierto que en las juntas de fricción los tornillos no trabajan a esfuerzo cortante tradicionalmente se ha venido estableciendo un esfuerzo cortante permisible ficticio. Para la determinación del número de tornillos que se requieren en una junta, esto ha permitido tratar el diseño de juntas con tornillos de fricción con los mismos mismos criterios con que 11
durante mucho tiempo, se han proporcionado las juntas remachadas. Las conexiones de fricción se especifican como necesarias en todos aquellos a quellos casos en que se esperan inversiones inve rsiones de esfuerzos y en los que en condiciones de trabajo, el deslizamiento se considera indeseable. Hay ocasiones en que la inversión de esfuerzos no ocurre y en que, al colocar los tornillos, la carga muerta los presiona contra los lados del agujero, entonces el trabajo trab ajo de la junta puede ser por aplastamiento y por cortante y se presentan entonces las conexiones llamadas de aplastamiento. Si bien, también en estas juntas, la tensión en el tornillo, que es la misma que en juntas de fricción que probablemente podría tomar las cargas de trabajo, está en realidad no se requiere. En estas juntas se puede sacar ventaja de la resistencia de los tornillos, sobre todo si se logra que la rosca se encuentre fuera de los planos de corte. Con el fin de lograr esto en lo posible, los tornillos de alta resistencia tienen una rosca bastante corta. En estructuras para puentes los tornillos en juntas de aplastamiento se limitan a piezas que solo trabajan a compresión a miembros secundarios, se exige además que en todos los casos la rosca se excluya de los planos de corte. Para mantener su fricción es necesario que las superficies estén libres de todo elemento que la disminuya, se prohíbe por ello, que haya aceite, pintura, oxido suelto, etc. Dada la importancia de este hecho, las últimas especificaciones reconocen nueve condiciones distintas en que se pueden encontrar las superficies de la junta y asocian a cada una de ellas un esfuerzo permisible diferente, reconociendo las diferencias existentes al coeficiente de fricción. En los planos debe indicarse si los tornillos de juntas por aplastamiento han de apretarse hasta darles la tensión mínima especificada. Instalación Dependiendo del tipo de conexión, puede, o no, requerirse que los tornillos se instalen apretándolos hasta que haya en ellos una tensión especificada mínima, no menor que la dada en la tabla 5.6. El apriete puede hacerse por alguno de los métodos siguientes: vuelta de la tuerca, con un indicador directo de tensión, una llave 12
calibrada, o con un tornillo de diseño especial. Por lo tanto, los tornillos de alta resistencia se instalan de modo que queden sometidos a una fuerza mínima de tensión especificada. Esta fuerza es de aproximadamente el 70% de la resistencia a tensión del tornillo, se denomina carga de prueba y es normalmente algo menor al límite de proporcionalidad del tornillo. La tensión especificada se puede dar haciendo uso de un indicador directo de tensión o usando cualquiera de otros dos métodos que también se especifican en las normas y que se basan en el hecho de que la tensión en el tornillo se puede relacionar con dos cantidades observables, el alargamiento del tornillo y el giro de la tuerca. El primero de estos métodos consigue la tensión usando llaves calibradas, el segundo dando un giro especificado a la tuerca.
Fig. 2
Tabla 2
Tabla 3 13
SOLDADURAS Definición de soldadura: Resultado de la operación de soldar. Proceso mediante el cual se unen piezas de acero con la aplicación de calor, con o sin fusión, con o sin adición de material de relleno y con o sin aplicación de presión. Las soldaduras se clasifican de acuerdo con la posición, forma y preparación de las juntas. El tipo de soldadura estructural aplicable en la construcción metálica es el de arco eléctrico con electrodo metálico, aplicado manual, semiautomática o automáticamente. Los procesos aprobados en las normas de diseño que se mencionan en este manual son la soldadura manual con electrodo recubierto, la soldadura automática de arco sumergido, la protegida con gases y la soldadura con electrodo con corazón de fundente. Pueden utilizarse otros procesos si se califican adecuadamente para los casos en que se vayan a utilizar. Tipos de juntas Existen cinco tipos básicos de juntas soldadas que se emplean en las estructuras de acero: a tope, en esquina, en Té, traslapada y de borde o de orilla. Esta nomenclatura se refiere a la posición relativa que guardan entre sí las piezas que sevan a soldar. Ni la forma geométrica de los cordones ni la preparación de los bordes de la junta influyen en la clasificación de filete o de ranura. Junta a tope La junta a tope se usa principalmente para unir los extremos de placas planas que tienen igual o aproximadamente el mismo espesor. La ventaja de este tipo de junta es la eliminación de la excentricidad, que se presenta en las juntas traslapadas sencillas; al usarse con soldaduras de penetración completa, este tipo de junta minimiza el tamaño de la conexión. conex ión. Su desventaja estriba en la necesidad de preparar los bordes y alisarlos cuidadosamente antes de aplicar la soldadura; por esto la mayor parte de las juntas a tope se hace en taller, donde es más fácil regular el proceso de soldadura. Junta en esquina La junta en esquina se utiliza en especial para formar secciones rectangulares de tipo cajón destinadas a columnas y también vigas que 14
estarán sometidas a elevados esfuerzos torsionantes. Junta traslapada La junta traslapada se emplea debido a las siguientes ventajas: las piezas destinadas a conectarse no requieren de una fabricación tan precisa como en los demás tipos de juntas y pueden desplazarse ligeramente para absorber pequeños errores de fabricación. Los bordes de las piezas no necesitan de una preparación especial y se cortan generalmente con soplete. La unión entre las partes se puede efectuar con soldadura de filete pudiendo hacerse ésta tanto en campo como en taller. Finalmente, la junta traslapada permite conectar fácilmente placas d e distinto espesor como en el caso particular de los nudos en las armaduras. Junta en Té: La junta en Té se emplea en la fabricación de trabes armadas, en la conexión de atiesadores, ménsulas, etc. La soldadura puede ser se r de filete o de ranura. Junta de borde Las juntas de borde no son, en muchos casos, condideradas como juntas estructurales ya que se utilizan para obtener un acabado adecuado, impedir el paso de líquidos o gases entre las dos placas o mantenerlas alineadas. Uso de juntas soldadas El uso de una u otra junta depende de numerosas consideraciones prácticas y de diseño, entre las que se encuentran la posición de las soldaduras, el tamaño y forma de los miembros estructurales que concurren en la junta, las solicitaciones a que estarán sometidas, los costos relativos, el proceso utilizado para depositar el metal de aportación, la habilidad de los soldadores disponibles, etc; en muchos casos, la única manera de saber cómo se comportará una junta con respecto a estos parámetros es realizar pruebas no destructivas y destructivas en juntas modelo en condiciones análogas a las que se presentarán en las estructuras reales. Hay, sin embargo, un número considerable de tipos de juntas que han demostrado eficiencia a través de repetidas pruebas de laboratorio y de su empleo con éxito durante los daños en estructuras reales, por lo que se sabe que, utilizándolas, se pueden obtener soldaduras de buena calidad 15
siempre que sean efectuadas por operarios capacitados y que se empleen en cada caso los electrodos y procesos adecuados. A estas juntas se le da el nombre de “precalificadas” y
pueden utilizarse sin necesidad de efectuar pruebas previas. Tipos de d e soldaduras Los cuatro tipos fundamentales de soldaduras estructurales son de filete, penetración, tapón y ranura. Las de penetración se subdividen en soldaduras de penetración completa y parcial. Cada tipo de soldadura tiene su propio símbolo. 1) Soldaduras de filete. Se obtienen depositando un cordón de metal de aportación en el ángulo diedro formado por dos piezas. Su sección transversal es aproximadamente triangular. 2) Soldaduras de penetración. Se obtienen depositando metal de aportación entre dos placas que pueden, o no, estar alineadas en un mismo plano. Pueden ser de penetración completa o parcial, según que la fusión de la soldadura y el metal base abarque todo o parte del espesor de las placas, o de la más delgada de ellas. 3) Soldaduras de tapón. Las soldaduras de tapón se hacen en placas traslapadas o superpuestas, rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero circular, hecho en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra placa. 4) Soldaduras de ranura. Las soldaduras de ranura se hacen en placas superpuestas o traslapadas, rellenan do por completo, con metal de aportación, un agujero alargado, hecho en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra placa. Metal de aportación: Se usará el electrodo, o la combinación de electrodo y fundente, adecuados al metal base que se esté soldando, teniendo especial cuidado en aceros con altos contenidos de carbón y otros alimentos aleados, y de acuerdo con la posición en que se deposite la soldadura estructural. Se seguirán las instrucciones del fabricante respecto a los patrámetros que controlan el proceso de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad po laridad y tipo de corriente. La resistencia del material depositado con el electrodo será compatible con 16
la del metal base. Soldadura compatible con el metal base Para que una soldadura sea compatible con el metal base, tanto el esfuerzo de fluencia mínimo como el esfuerzo mínimo de ruptura en tensión del metal de aportación depositado, sin mezclar con el metal base, deben ser iguales o ligeramente mayores que los correspondientes del metal base. Por ejemplo, las soldaduras obtenidas con electrodos E60XX o E70XX, que producen metal de aportación con esfuerzos mínimos especificados de fluencia de 331 y 365 MPa (3 400 y 3 700 kg/cm2), k g/cm2), respectivamente, y de ruptura en tensión de 412 y 481 MPa (4 200 y 4 900 kg/cm2 ), son compatibles con el acero A36, cuyos esfuerzos mínimos especificados de fluencia y ruptura en tensión son 250 y 400 MPa (2530 y 4 080 kg/cm2 ), respectivamente. Posiciones de la soldadura Desde el punto de vista de la posición que ocupa el operario operar io con respecto a la junta durante la ejecución de las soldaduras, éstas se clasifican en soldaduras en posición plana, horizontal, vertical y sobre cabeza. Se considera que una soldadura se efectúa en posición plana cuando el metal de aportación se s e deposita desde el lado superior sup erior de la junta y la cara c ara visible de la soldadura es aproximadamente horizontal. En una soldadura en posición horizontal el metal de aportación se coloca sobre una superficie también horizontal y contra otra vertical, de manera que en caso común de un filete de lados iguales, la inclinación de la cara exterior es de 45º. Si la soldadura es de ranura, su eje es una recta horizontal y la cara exterior se encuentra en un plano vertical. La posición vertical es aquella en la que el eje de la soldadura forma una recta vertical y en las soldaduras sobre cabeza el metal de aportación se coloca desde la parte inferior de la junta. La importancia de la posición en que se efectúa la soldadura estriba en su grado de dificultad. Se han enumerado, en orden creciente de dificultad, las soldaduras más fá- ciles, en las que los rendimientos del electrodo y soldador son máximos, y en las que se reducen a un mínimo las posibilidades de que haya defectos; éstas son las que se realizan en posición plana. Las más difíciles son las depositadas sobre 17
cabeza; por consiguiente, las estructuras deben diseñarse y fabricarse de manera que la mayor parte de las soldaduras, tanto de taller como de campo, se efectúen en posición plana y se se reduzcan a un mínimo o aún se eliminen las soldaduras sobre cabeza. Las soldaduras manuales de taller deben hacerse en posición plana siempre que sea posible, para lo cual, si es necesario, se mueven o giran las piezas por soldar de modo que el operario tenga acceso por la parte superior de la junta; si esto es posible o muy dificil de lograr, pueden hacerse h acerse en posición horizontal y algunos cordones cortos y de poca importancia estructural estru ctural depositarse en posición vertical. Las juntas de campo deben diseñarse de manera que la mayor cantidad posible de soldadura se coloque en posición plana u horizontal sobre todo en esta última ya que las soldaduras planas son raras en juntas de campo. Aunque las soldaduras verticales y sobre cabeza presentan más dificultades que las planas u horizontales, cuando se hacen correctamente tienen la misma resistencia que éstas por lo que su empleo no se traduce en ninguna reducción de la capacidad de carga; sin embargo pueden incrementar el costo de la estructura en forma apreciable. Como se mencionó anteriormente, las juntas en “te” pueden conectarse con soldadura de filete o de ranura; estas últimas, así como las juntas a tope, pueden ser de penetración completa o de penetración parcial y en ambos casos existen juntas juntas precalificadas. En una junta con penetración completa, el metal de aportación debe tener acceso a todo el espesor de las piezas que van a unirse puesto que tienen que quedar ligadas entre sí en toda el área de la sección transversal; si la junta es de penetración incompleta, debe obtenerse el grado de penetración especificado. En las placas delgadas puede lograrse una penetración completa colocándolas una frente a la otra, ya sea en contacto o dejando un espacio entre sus bordes y depositando el metal de aportación por un solo lado de la junta o 18
por los dos. En la figura se muestran los gruesos máximos de las placas para las que puede seguirse ese procedimiento en juntas a tope soldadas manualmente con electrodo recubierto. En los dos primeros casos, las placas son lo suficientemente delgadas como para que la soldadura las funda totalmente y en los otros dos se deja una separación para que el metal de aportación penetre entre los bordes. Para obtener una penetración completa en material más grueso es necesario preparar los bordes de las piezas que se van a unir, dándoles la forma adecuada para que el electrodo tenga acceso y se pueda depositar el metal de aportación en todo el espesor.
Fig.3
Fig.4
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Fig.5
5.2 EFICIENCIA Y DISEÑO DE CONEXIONES
En las conexiones de acero laminado en frío se usa generalmente la soldadura, los tornillos, los remaches fríos, las pijas, la costura de metal y los adhesivos. La Sección E del AISI 1996 solo considera conexiones a base de soldadura, sol dadura, tornillos y pijas. Tradicionalmente se han usado las conexiones atornilladas y soldadas para unir miembros estructurales de acero. Las conexiones atornilladas requieren del habilitado previo de agujeros en los miembros a conectar para la colocación de tornillos. El tornillo estructural estru ctural típico es el tornillo de alta resistencia que consiste normalmente de una cabeza hexagonal con vástago roscado para recibir una tuerca. Las conexiones soldadas requieren de procedimientos estandarizados de aplicación de calor para fundir los extremos de los miembros a conectar, formando una unión homogénea. La fuente de calor normalmente la origina la resistencia del metal al paso de la corriente eléctrica. Las pijas son similares a los tornillos, excepto que son más pequeñas
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y no requieren de tuerca para apretar la conexión. Algunas pijas son autotaladrantes, por lo que no requieren de la fabricación previa del agujero, ya que dicho agujero lo fabrica la misma pija durante su instalación. Las pijas se usan con frecuencia para conectar las láminas de cubierta y muro a los polines correspondientes. Cabe mencionar que las especificaciones para pijas fueron incluidas incluida s por primera vez en el AISI 1996. Aunque los remaches re maches calientes tienen muy poca aplicación en conexiones de perfiles laminados en frío, los remaches fríos son de uso común en los países desarrollados. En el caso particular de 332 México, los remaches fríos no ha logrado desplazar a las alternativas tradicionales de la soldadura, tornillos y pijas, por lo que son prácticamente desconocidos. El remache caliente requiere de la aplicación de calor para facilitar la fabricación de una cabeza durante el proceso de instalación. Se usaron comúnmente en conexiones de perfiles laminados en caliente pero se usó se hizo obsoleto con el advenimiento de los tornillos de alta resistencia. Los remaches fríos no requieren de calor y el proceso de instalación depende del tipo de remache. Las especificaciones del AISI para conexiones atornilladas pueden ser usadas como guía general para el diseño de conexiones usando us ando remaches fríos. Sin embargo, la resistencia al cortante de los remaches puede ser significativamente diferente que la de los tornillos. Por consiguiente, los fabricantes de remaches han realizado pruebas de carga para determinar la resistencia al cortante y las especificaciones correspondientes se encuentran publicada en su literatura técnica. En el Artículo 9.5 se presenta una discusión de la aplicación de remaches fríos. Las conexiones a base de costura de metal se presentan en dos modalidades. Las conexiones de grapas, donde los extremos de las láminas se conectan usando engrapadoras especiales y las conexiones engargoladas, donde las láminas se conectan por herramientas dobladoras que unen los extremos empalmándolos en patrones de dobleces estandarizados. Estos tipos de conexiones no fueron considerados en las especificaciones del AISI 1996 y su 21
resistencia depende del patrón de grapas o de dobleces usado en la conexión. Los fabricantes de cubiertas han desarrollado pruebas de resistencia para sus propios patrones de doblado y los resultados se encuentran publicados en su literatura técnica. La Sección F del AISI 1996 contiene los lineamientos a usarse para dichas pruebas. El Suplemento 1999 reconoce por primera vez un procedimiento estandarizado estandar izado para la evaluación de la resistencia de sistemas de cubierta a base de láminas engargoladas con costuras sobresalientes. Sin embargo, dicho procedimiento no establece procedimientos de evaluación de la resistencia de la unión engargolada, sino del sistema en su totalidad. 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. Según AISC, las conexiones se clasifican en función de su relación momento-rotación y son, básicamente, de tres tipos: conexiones simples, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR).
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Fig. 6
Fig. 7
Conexiones Simples: Las conexiones simples o de corte son conexiones muy comunes en construcción en acero. Se asume que las conexiones de corte no transfieren momentos flectores, permitiendo la rotación en el extremo del miembro. Las conexiones simples se pueden materializar conectando el alma del elemento soportado mientras las alas quedan desconectadas. Las conexiones simples en vigas o enrejados deben ser diseñadas como flexibles y se permite dimensionarlas solamente para reacciones de corte, excepto que se indique lo contrario en los documentos de d e diseño. Las conexiones flexibles de vigas deben
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ser capaces de acomodar las rotaciones de los extremos de las vigas calculadas como simplemente apoyados.
Fig. 8 Si bien es cierto que las conexiones simples o de corte poseen algo de restricción rotacional, como lo ilustra la curva A de la Figura 7, esta magnitud es comúnmente ignorada y la conexión es idealizada como totalmente flexible.
Fig.10 Fig. 9
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Los ángulos para las conexiones de corte se pueden fijar tanto mediante soldadura como mediante pernos. Conexiones Rígidas (FR): Las conexiones rígidas o de momento deberán proveer continuidad entre el elemento soportado y el soportante conservando inalterado el ángulo entre ellos durante la deformación producto de la acción de las fuerzas sobre el nudo. Así, las conexiones rígidas deben proveer suficiente resistencia y rigidez para mantener el ángulo constante entre los miembros conectados durante la aplicación de las cargas y evitar toda rotación relativa entre el elemento soportado y el elemento soportante. Por lo mismo, las deformaciones de flexión se producen en los miembros (pilares o vigas) que convergen al nudo. Las conexiones de momento completamente restringidas en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser diseñadas para el efecto combinado de fuerza de momento y de corte inducidos por la rigidez de las conexiones. Las alas del elemento soportado se contactan directamente al elemento soportante o a una placa de conexión. Las conexiones consideradas como totalmente rígidas raramente proporcionan una rotación cero entre los miembros, sin embargo, esta flexibilidad es generalmente ignorada.
fig. 11 25
Fig. 12
Fig. 13
Fig.14 26
Ante la acción de fuerzas horizontales Importantes (sismos) la conexión conserva el ángulo entre columnas y vigas mientras se induce deformación en las columnas y vigas. Conexiones Semi Rígidas (PR): Las conexiones de momento parcialmente restringida, poseen un ángulo intermedio entre la flexibilidad de la conexión simple o de corte y la rigidez total de la conexión de momento FR. Las conexiones de momento PR son permitidas sobre la evidencia de que las conexiones a usar son capaces de proporcionar, como mínimo, un previsible porcentaje de empotramiento.
Fig.15
fig. 17 Fig. 16
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Conexiones diagonales: Como se mencionara antes, los esfuerzos laterales inducidos por sismos o vientos, tienden a deformar el edificio como se muestra en en la figura a) siguiente. Las conexiones de momento, aunque eficaces, demandan una gran rigidez y resistencia a la conexión lo que representa importantes impactos en el material y costo de la conexión. Una alternativa que permite contrarrestar el efecto de la deformación y reducir significativamente los costos son las conexiones mediante diagonales. Si la fuerza horizontal es aplicada desde la izquierda, una diagonal como se señala en la figura b) siguiente permitiría evitar la deformación. Sin embargo, las fuerzas horizontales pueden presentarse tanto en un sentido como en el contrario, por lo que se deberá contrarrestar contrarre star la deformación en el sentido contrario mediante la diagonal complementaria, como se aprecia en la figura c) siguiente.
Fig.18
Fig.19 28
Fig.20
Estas diagonales, conocidas como arriostramientos, presentan distintas soluciones según las condiciones de diseño que afectan al marco. Lo que hay que tener presente es que, según la dirección de la fuerza, los esfuerzos en las diagonales serán, alternadamente, de tracción y de compresión. Aunque estas diagonales se podrían disponer sólo en un sentido, dicho elemento único tendrá que asumir tanto los esfuerzos de tracción como los de compresión. Sin embargo, el acero es menos eficiente a la compresión, entre otros aspectos, por el efecto de la la deformación de pandeo, lo que haría probablemente más robusto y pesado dicho elemento. Una solución económica es disponer de las diagonales en ambos sentidos a fin de privilegiar el trabajo conjunto de tracción en una dirección y compresión en la otra.
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Es usualmente aceptado que una estructura de marcos arriostrados es significativamente más liviana (y económica) que una estructura de marcos (y uniones) rígidas. Sin embargo, en muchos casos la disposición de las diagonales afecta aspectos arquitectónicos y funcionales, como, por ejemplo, la posición de ventanas y puertas en las fachadas, o la libre organización de las plantas interiores. Existen varias formas de hacer los arriostramientos y de posición de las diagonales que permiten resolver parte de estas limitaciones.
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Una alternativa que permite dar mayor flexibilidad al espacio son las soluciones de arriostramientos excéntricos que, adicionalmente son interesantes desde el punto de vista del funcionamiento de la estructura puesto que dejan en las vigas zonas de deformación plástica que pueden ser muy eficientes para disipar energía ante deformaciones muy elevadas sin afectar la estabilidad de la estructura. En la práctica, la formación intencionada de rótulas plásticas asegura una mayor robustez del edificio y además, una menor probabilidad de colapso frente a esfuerzos cortantes.
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5.3 MODOS DE FALLAS EN LAS CONEXIONES REMACHADAS
Las conexiones o juntas, permiten unir dos o más elementos. Es común el diseño de uniones en los miembros de una armadura, o de vigas y columnas para configurar un pórtico. pó rtico. También se unen diversos elementos planos, para construir recipientes de almacenamiento, o se unen piezas para construir elementos de máquinas. Las conexiones se clasifican en remachadas, atornilladas, y soldadas. Las uniones con remaches y tornillos, fallan de la siguiente manera: Falla por cortante. Falla por apoyo. Falla por aplastamiento. Desprendimiento del extremo. Las uniones con soldadura, fallan de la siguiente manera: Falla por cortante. Falla por fractura del material base. La falla por cortante se verifica como: Fs =ta As (95) Dónde: Fs: es la capacidad de la junta a cortante. t: a Es el esfuerzo cortante permisible en el remache o tornillo. As: es el área sometida a cortante, y se calcula como: As = Ns p D 2 / 4 (96) Dónde: D: es el diámetro del remache o tornillo.
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Ns: es el número de secciones transversales de remaches o tornillos disponibles para resistir cortante. La falla por apoyo se verifica como: Fb = s ba Ab (97) Donde, Fb: es la capacidad de la junta de resistir al apoyo o aplastamiento. s ba: es el esfuerzo de apoyo permisible. Ab: es el área sometida a apoyo, y se calcula como: Ab = Nb t (98) Donde, Nb: es el número de superficies sometidas a apoyo. t: es el espesor de la placa. La falla por tensión se verifica como: Ft =s ta At (99) Donde, Ft: es la capacidad de la junta a tensión. s ta: es el esfuerzo permisible a tensión. At: es el área neta sometida a tensión, y se calcula como: At = (W – N N Dh) t (100) Donde, W: es el ancho de la placa. Dh: es el diámetro del agujero, calculado como:
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Dh = D + 1/16 (101) 11 Dh = D + 2 (102) 12 N: es el número de agujeros en la sección de interés. t: es el espesor de las placas. D: es el diámetro del tornillo o remache.
5. 4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS UNIONES SOLDADAS
La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos: Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar. La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico mecánic o es más pesado que la soldadura. La soldadura no se limita al ambiente de fábrica, se puede realizar en el campo. 34
Las estructuras soldadas resultan más livianas (eliminación de medios de unión y chapas auxiliares. No hay disminución de sección por los agujeros de los bulones. Muchas uniones y empalmes resultan más simples. Más sencillo de lograr la continuidad estructural. Cuando la posición de soldado es cómoda se puede ejecutar uniones en obra permitiendo una mayor tolerancia en el montaje. Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas: La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas. La soldadura implica el uso de energía y es peligroso. Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como método de ensamble. La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión. En uniones que no deben transmitir momento (articulaciones) resulta difícil de evitar los momentos secundarios.
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Es necesario mano de obra más especializada durante el montaje. La uniones soldadas generan tensiones residuales por lo tanto deben ser cuidadosamente proyectadas para reducir dichas tensiones.
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CONCLUSIÓN
Dentro de las estructuras ningún elemento tiene menor importancia que otro. Cada miembro desempeña una tarea específica y con esto logra el funcionamiento adecuado de toda la estructura. Por tal motivo es importante conocer todas y cada una de las conexiones estructurales que se analizaron en la anterior investigación con el fin de obtener la mejor calidad y seguridad de las edificaciones a construir. Cabe mencionar que para obtener el conocimiento completo de esta investigación, el lector deberá poseer conocimientos básicos sobre análisis de estructuras de acero y sobre el diseño estructural. Después de lo analizado en la anterior investigación nos encontramos en la posibilidad de llevar a cabo el diseño de los los diferentes tipos de conexiones estructurales, con el fin de lograr la mayor estabilidad de las estructuras de acero que podamos utilizar posteriormente en nuestra vida laboral.
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BIBLIOGRAFÌA
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