Conexiones Estructurales

Conexiones Estructurales

1. Conexiones Estructurales Las conexiones estructurales son como el adhesivo que mantiene las partes de la estructura unidas y permite que absorban las cargas a las que están sometidas. Son pues, un aspecto crítico en el comportamiento de la estructura. Se ha demostrado que, históricamente, la mayor recurrencia de fallas estructurales mayores en las estructuras de acero se debe a fallas en los sistemas de conexiones. Las conexiones, principales: •

• •

•

y

su

diseño,

dependen

de

cuatro

factores

Tipo de cargas: el tipo y dirección de los esfuerzos que convergen sobre una conexión es determinante de su diseño. Resistencia y rigidez: de los elementos y de las conexiones. Economía: las conexiones tienen una relación directa con el costo total de la estructura (conexiones repetitivas pueden tener un impacto importante en la reducción de costos). Dificultad de ejecución: aunque una conexión puede ser muy eficiente en relación al uso de los materiales (y en consecuencia, ser razonablemente económica) aún puede significar un costo importante en obra en función de su complejidad.

1.1- Conexiones Remachadas

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. Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura.

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Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. El coeficiente de expansión lineal del acero es 0,0000251 x longitud del elemento x diferencial de temperatura = contracción/expansión de la pieza.

En la práctica, como ya se mencionó, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Atornilladas.


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1.2- Conexiones Atornilladas

Otra forma estructura desarrollo resistencia,

frecuente de materializar uniones entre elementos de una metálica es mediante tornillos o pernos. Hoy, el de la tecnología ha permitido fabricar pernos de alta por lo que estas uniones logran excelentes resultados.

Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones soldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un ambiente controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o con los operadores en posiciones suficientemente cómodas para garantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho más factible el someter las soldaduras a un exigente control de calidad, que incluye la certificación mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que en terreno frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar. En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y creciente es a realizar las uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra es mucho más fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller. Aun así, la construcción y materialización de estas uniones apernadas requiere de un cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de fabricación, cuya precisión milimétrica debe ser estrictamente respetada en la maestranza a fin de evitar descalces o problemas en el montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas se cuenta con que existe una amplia gama de dimensiones y resistencia, no se necesita una especial capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje y simplifica los procesos de reciclado de los elementos.


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Los dos tipos de tornillos que se emplean para las conexiones de miembros estructurales son los tornillos ordinarios (A307) y los tornillos de alta resistencia (A325 y A490). Los tornillos A307 se fabrican en dos grados A y B, son fabricados en acero de bajo carbono con una resistencia mínima a la tensión de 60 ksi y una resistencia máxima a la tensión de 100 ksi para los tornillos de grado B. Se usan para estructuras sometidas a cargas gravitacionales y no son adecuados para cargas vibratorias o de impacto. Los tornillos de alta resistencia se fabrican a base de acero al carbono tratado térmicamente y aceros aleados, su resistencia a la tensión es de más del doble de los tornillos ordinarios. La resistencia mínima a tensión en los tornillos A325 es de 105 a 120 ksi y para los tornillos A490 es de 150 ksi. Se usan para cualquier tipo de estructuras. Los tornillos de alta resistencia pueden apretarse hasta que alcanzan esfuerzos de tensión muy altos, de manera que las partes conectadas queden afianzadas entre la cabeza del tornillo y la tuerca de apriete, lo que permite que las fuerzas se transfieran por fricción. ¿Qué es el torque? El torque se refiere a la cantidad de fuerza que está siendo ejercida por el objeto en cuestión (en este caso, un tornillo cuando se inserta en una superficie). Si bien los tornillos sólo tienen una manera de medir el torque, el proceso sigue siendo el mismo para casi cualquier objeto. El torque, también conocido como “momentum” o momento de fuerza, par de apriete, brazo de palanca o “momento de torsión”, es un efecto de giro, ejercido por una fuerza que actúa a una distancia sobre un cuerpo (en este caso, tornillo, tuerca o perno). El torque es igual a la fuerza aplicada multiplicada por la distancia perpendicular, entre la línea de acción de fuerza, y el centro de rotación en el que se aplica. La fórmula básica de torque es: L (distancia) x F (Fuerza) = T (Torque).


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1.3- Conexiones Soldadas

La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor. Se ejecuta con o sin aporte de material agregado. Son procedimientos que mediante la aplicación de energía manifestada en calor y/o presión permiten lograr la unión íntima y permanente de elementos metálicos dejándolos con la continuidad apta para que trabajen mecánicamente como un todo homogéneo, conservando sus cualidades físicas (ver en soluciones constructivas, uniones y conexiones, soldadura). Si la soldadura ha sido convenientemente realizada deberá permitir que la zona de unión posea las mismas propiedades mecánicas que las piezas que se han unido, conservando sus cualidades de trabajo a tracción, compresión, flexión, etc.

En general, se le reconoce a la soldadura, algunas ventajas como el otorgar mayor rigidez a las conexiones, demandar menor cantidad de acero para materializar la conexión y permitir una significativa reducción de costos de fabricación. Adicionalmente se le reconoce como ventajas el evitar las perforaciones en los elementos estructurales y simplificar los nudos complejos. Sin embargo, se le reconocen también algunas desventajas, como las ya mencionadas dificultades que representa la soldadura en obra y el demandar mayores calificaciones a los operarios en obra para soldar que para hacer uniones apernadas. Lo anterior hace que las conexiones soldadas en obra sean mucho más costosas que las soluciones apernadas, lo que se replica en los costos y dificultades de las inspecciones requeridas a las faenas de soldadura.


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Las propiedades resistentes de la sección de una soldadura o de un grupo de soldadura, se determina considerando su longitud y garganta efectiva. Los tipos de soldadura más comunes son las soldaduras de filetes, soldaduras de penetración parcial, soldaduras de penetración completa y soldaduras de tapón. Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno. Tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura.

Formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar

Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar: -Soldadura Oxiacetilénica: en esta la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas. -Soldadura al Arco: los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo,


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generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido. Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding) Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas. •

Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding) Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola. El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura. •


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

2. Modos de falla de conexiones Hay dos amplias categorías de fallas: la falla del sujetador y la de las partes conectadas. -Falla del sujetador: considerando la junta traslapada de la siguiente figura (2.1a cortante simple) puede suponerse que la falla del sujetador ocurre como se muestra. El esfuerzo cortante promedio en este caso será:

Donde: “P” es la carga que actúa sobre un sujetador y “d” es su diámetro. La carga puede entonces escribirse como:


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Aunque la carga en este caso no es perfectamente concéntrica, la excentricidad es pequeña y puede despreciarse. La conexión de la figura 2.1b es similar, pero un análisis de los diagramas de cuerpo libre de porciones del vástago del sujetador, muestra que cada área transversal está sometida a la mitad de la carga total, o equivalente; dos secciones transversales son efectivas para resistir la carga total. En cualquier caso la carga es P=2fvA y esta condición se le llama cortante doble. La carga en el tornillo, en la conexión de la figura 1ª, con solo un plano de corte, se le conoce como cortante simple. La adición de material al espesor de la conexión, incrementara el número de los planos de corte y reducirá la carga sobre cada plano. Sin embargo, eso también incrementara la longitud del sujetador y podría someterlo a flexión. -Falla de las partes conectadas Otros modos de falla en las conexiones de cortante, implican la falla de las partes conectadas y caen en dos categorías generales: 1. falla que resulta de la tensión, cortante o flexión excesiva en las partes conectadas: cuando se conecta un miembro en tensión, las tensiones en el área total y en el área neta efectiva deben investigarse. Al depender de la configuración de la conexión, el bloque de cortante también tendría que ser considerado. El bloque de cortante también debe examinarse en las conexiones de viga a columna en las que el patín superior de la viga esta despatinado. Al depender de los tipos de conexión y carga, los elementos de la conexión como placas de nudo y ángulos pueden requerir de un análisis por cortante, tensión, flexión o bloque de cortante. El diseño de una conexión de un miembro en tensión se hace, por lo regular, en paralelo con el diseño del miembro mismo, ya que los dos procesos son interdependientes. 2. Falla en la parte conectada debido al aplastamiento ejercido por los sujetadores: si el agujero es ligeramente más grande que el sujetador y este se supone colocado sueltamente en el agujero, el contacto entre el sujetador y la parte conectada existirá sobre aproximadamente, la mitad de la circunferencia del sujetador cuando se aplique una carga. Esta condición se ilustra en la figura 2.2. el esfuerzo variara desde un máximo en A acero en B; por simplicidad, se emplea un esfuerzo promedio, calculado como la fuerza aplicada dividida entre el área proyectada de contacto.


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El esfuerzo de aplastamiento se calcula, entonces, como f p=P/dt, donde P es la fuerza aplicada al sujetador, d es el diámetro del sujetador y t es el espesor de la parte sometida al aplastamiento. La carga de aplastamiento es, por lo tanto, P=f pdt. El problema de aplastamiento puede complicarse por la presencia de un tornillo cercano a la proximidad de un borde en la dirección de la carga, como se muestra en la figura 2.3. La separación entre los tornillos y las distancias de los bordes tendrá un efecto sobre la resistencia por aplastamiento.

3. Ventajas y desventajas de las conexiones soldadas

Ventajas de la soldadura -Las estructuras soldadas permiten eliminar un gran porcentaje de las placas de unión y empalme, tan necesarias en las estructuras con sujetadores, así como la eliminación de sus cabezas. En algunas estructuras es posible ahorrar hasta un 15% o más de peso de acero usando soldadura. -Tiene una zona de aplicación mucho mayor que los remaches o los tornillos. Por ejemplo, una columna de tubo de acero y las dificultades que representaría conectarla con otros miembros de acero con sujetadores. -Las estructuras soldadas son estructuras un poco más rígidas, porque los miembros por lo general están soldados directamente uno a otro. -El proceso de fusionar las partes por unir, hace a las estructuras realmente continuas. Esto se traduce en la construcción de una sola


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pieza y puesto que las juntas soldadas son tan fuertes o más que el metal base, no debe haber limitaciones a las uniones. -Se usan menos piezas y, como resultado, se ahorra tiempo en detalle, fabricación y montaje de la obra.

Desventajas de la soldadura -Los sismos recientes han demostrado que las conexiones soldadas tienen poca capacidad de deformación, lo que la hace poco segura ante cargas que produzcan fatiga en las conexiones de miembros estructurales importantes. -Requiere un mayor control de calidad y mano de obra calificada.

4. Equipo para: soldar y cortar acero

4.1- equipo para soldar -Soldadores Existe una gran variedad de soldadores, pero el más comúnmente utilizado por aficionados y también en el hogar para la realización de trabajos básicos es el soldador de varilla. También conocido como soldador de arco de metal blindado, es el preferido porque resulta relativamente fácil adquirir el equipo y no se precisa un entorno especial para su uso. Sin embargo, los electrodos tienen que ser reemplazados con más frecuencia de lo que lo son en otros tipos de soldadura utilizadas en la industria, como la soldadura TIG (de arco con electrodo de tungsteno y protección de gas inerte) y la MIG (de arco con electrodo de metal y gas inerte). Además, es probable que se requiera algún tipo de suministro de gas.

-Electrodos El electrodo es la punta de la herramienta por donde pasa la corriente del soldador al material, provocando la licuación del metal. En el caso de un soldador de varilla y de un soldador MIG, la naturaleza del electrodo dependerá de lo que se desee soldar; diferentes materiales necesitan diferentes puntas de electrodo. En el


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soldador TIG, sin embargo, la punta del electrodo es de tungsteno no consumible y, como tal, no precisa ser reemplazada. -Alimentación En ocasiones, debido a la geometría o a la debilidad de la propia soldadura, se requiere algún tipo de alimentación para reforzar la unión. En la soldadura de varilla emplea el electrodo para alimentar; el soldador MIG suele emplear un alambre de alimentación. En cuanto a la soldadura TIG, utiliza alimentación debido a la naturaleza no consumible de tungsteno. -Equipo de seguridad Debido a las altas temperaturas y a los elementos utilizados, el trabajo de soldadura puede ser extremadamente peligroso, llegando a ser letal si la manipulación se hace de forma incorrecta. Antes siquiera de tocar un equipo de soldadura, deberías asegurarte de tener un casco de protección para los ojos, unas botas sólidas para proteger los pies de las chispas y la escoria, unos guantes de soldadura para proteger las manos y protección de cuero para cubrir el resto del cuerpo. No deberías soldar si no dispones de este equipo, ya que probablemente sufrirías daños.

4.2- equipo para corte de acero -Corte con oxigeno El corte con soplete, u oxicorte es por mucho el proceso de corte más antiguo que puede utilizarse con el acero dulce. Generalmente se considera un proceso simple y el equipo y los consumibles son relativamente económicos. Un soplete de oxicorte puede cortar una placa muy gruesa. Principalmente, su limitante es la cantidad de oxígeno que puede aportar. Suele ser común cortar espesores de 36 (914.4 mm) o incluso 48 (1219.2 mm) pulgadas de acero con un soplete. No obstante, cuando se trata de realizar cortes con formas


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en placas de acero, la mayoría de los trabajos se realizan en placas de 12 (304.8 mm) pulgadas de espesor, o más delgadas. Cuando se ajusta en forma correcta, un soplete de oxy-corte produce una superficie de corte suave y perpendicular. Se produce escasa escoria en el borde inferior y el borde superior a causa de la llama de precalentamiento. Esta superficie es ideal en muchas aplicaciones sin otro tipo de tratamiento. El corte por oxigeno es ideal para placas más gruesas que 1 pulgada (25.4 mm), pero puede utilizarse para placas de hasta 1/4 (6.4 mm) de pulgada de espesor, con algunas dificultades. Es un proceso relativamente lento que trabaja alrededor de 20 pulgadas por minuto en material de 1 (25.4 mm) pulgada. Otra gran ventaja del corte con oxígeno es que se puede cortar fácilmente con varios sopletes al mismo tiempo, lo cual multiplica su productividad. -Corte por plasma El corte por plasma es un excelente proceso para el corte de placas de acero dulce, que ofrece velocidades de corte mucho más rápidas que en el corte con oxígeno sacrificando algo de calidad en los filos. Es ahí donde el plasma tiene inconvenientes. La calidad del filo tiene un punto ideal que, según la corriente de corte, generalmente es de 1/4 (6.4 mm) de pulgada hasta 1,5 (38.1 mm) pulgadas. La perpendicularidad general del filo comienza a mostrar problemas cuando la placa es muy delgada, o muy gruesa (fuera del rango antes mencionado), aunque la suavidad del filo y desempeño de la escoria sigan siendo bastante buenos.

El equipo de plasma puede ser costoso cuando se lo compara con un soplete para oxi-corte ya que un sistema completo requiere alimentación de energía, enfriador de agua (sobre los sistemas de más


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de unos 100 amperes), un regulador de gas, soporte de antorcha, cables y mangueras de interconexión y la misma antorcha. Pero el mayor costo de productividad del plasma frente al oxi-corte compensa el costo del sistema en poco tiempo. Es posible realizar cortes por plasma con varios sopletes al mismo tiempo pero el factor de costo adicional usualmente lo limita a dos antorchas. No obstante, algunos clientes optan por utilizar hasta tres o cuatro sistemas de plasma en una máquina, pero estos son usualmente fabricados para clientes que cortan un alto volumen de las mismas piezas para abastecer una línea de producción. -Corte con láser El proceso de corte con láser es adecuado para el corte de acero dulce de un espesor de hasta 1,25 (31.8 mm) pulgadas. Más allá de la barrera de 1 (25.4 mm) pulgada, los ajustes deben ser exactos para brindar confiabilidad al trabajo. Esto incluye el material (acero de grado para láser), pureza del gas, condición de la boquilla y calidad de la viga. El láser no es un proceso muy rápido. Porque sobre el acero dulce básicamente, se trata de un proceso de quemado que utiliza el calor extremo de un rayo láser enfocado en lugar de una llama de precalentamiento. Por lo tanto, la velocidad se limita a la velocidad de la reacción del químico entre el hierro y el oxígeno. No obstante, el láser es un proceso muy exacto. Crea un ancho de corte muy estrecho y, por lo tanto, puede cortar contornos muy precisos y orificios pequeños exactos. La calidad del borde es usualmente muy, muy buena, con líneas de expansión y cortes dentados extremadamente pequeños, bordes muy perpendiculares y escasa o ninguna escoria. La otra gran ventaja del proceso láser es la confiabilidad. La vida útil del consumible es muy prolongada y la automatización de la máquina es muy buena, de modo que muchas operaciones de corte con láser pueden realizarse sin la intervención de personas. Imagine cargar una placa de 10’ x 40’ de 1/2" de acero sobre la mesa, presionar el botón "Iniciar" y luego irse a su casa a descansar. Al volver a la mañana siguiente, podría tener cientos de piezas cortadas y listas para descargar. Debido a la complejidad de la entrega de vigas, los láseres CO2 no se prestan a los cortes con varios cabezales en la misma máquina. No obstante, con los láseres de fibra, es posible realizar cortes con varios cabezales.


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-Corte por chorro de agua El corte por chorro de agua también realiza un buen trabajo en el corte de acero dulce brindando un corte extremadamente exacto y suave. La exactitud del corte por chorro de agua puede exceder la del corte con láser porque la suavidad del borde puede ser mejor y no hay deformación por calor. Además, el chorro de agua no está limitado en el espesor de la manera que sí lo está el corte por plasma y por láser. El límite práctico del corte por chorro de agua es de aproximadamente 6 (152.4 mm) a 8 (203.2 mm) pulgadas debido a la duración de tiempo que lleva cortar ese espesor y a la tendencia que tiene el chorro de agua a divergir. La desventaja del corte por chorro de agua es el costo de la operación. Los costos iniciales de equipo son usualmente un poco más elevados que los del plasma debido al alto costo de una bomba intensificadora, pero no son tan altos como los del equipo láser. Pero el costo por hora de funcionamiento de un equipo de chorro de agua es mucho más elevado, principalmente debido al costo del grano abrasivo que se utiliza en el corte. El corte por chorro de agua también se presta a realizar cortes con varios cabezales y esto incluso puede realizarse con una sola bomba intensificadora. Pero cada cabezal de corte adicional demanda un caudal de agua adicional que requiere una bomba más grande o un orificio más pequeño.


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