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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CAMPECHE CARRERA: Arquitectura ESTRUCTURAS DE ACERO UNIDAD 5:

Conexiones estructurales Investigación Sexto semestre

     

GRUPO: MQ-6

INTEGRANTES DE EQUIPO: Cab Cruz Wendy Isabel Cano Navarro Hugo Andrés Chab de la Rosa Karen Guadalupe Colli Panti Karina de los Ángeles Gutiérrez Queb Leslie Angélica López Soto Gerardo Martin NOMBRE DEL ASESOR: Ing. Jorge Enrique Silva Ramírez 1

Unidad 5:

Conexiones estructurales Subtemas: 5.1 Criterios para conexiones remachadas, atornilladlas y soldadas………3 5.2 Eficiencia y diseño de conexiones……………………………………………………19 5.3 Modos de falla de las conexiones remachadas…………….………………….23 5.4 Modos de falla en tornillos de alta resistencia………………………………..28 5.5 Ventajas y desventajas de las uniones soldadas………………………………32

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5.1 CRITERIOS PARA CONEXIONES REMACHADAS, ATORNILLADLAS Y SOLDADAS CONEXIONES REMACHADAS. Los remaches son sujetadores permanentes que se usan principalmente para conectar miembros en estructuras como edificios y puentes y para ensamblar hojas y placas de acero para tanques, calderas y barcos. Son rodillos cilíndricos hechos de hierro forjado o acero suave, con una cabeza que se les forma al fabricarlos. Se forma una cabeza en el otro extremo después que el remache ha sido puesto en su lugar a través de los agujeros taladrados o perforados de las partes que se ensamblan. Un remache es básicamente un pasador de metal dúctil, que se inserta en los huecos perforados en dos o más piezas, y cuyos extremos son configurados de tal manera que queden firmemente aseguradas entre sí. Existe una amplia gama de remaches y cada tipo, dentro de esta, posee características particulares adecuadas a las aplicaciones específicas para las cuales han sido diseñados. Los remaches se clasifican en general de acuerdo con: 1. Su tipo. 2. Con el material que han sido elaborados. 3. Con el propósito para lo que se emplean. Remache corriente. El remachado es un método popular de unión y fijación, debido a su bajo costo y simplicidad y confiabilidad. Los remaches se clasifican como elementos permanentes de fijación. Remache pesado. Los remaches pesados se emplean para estructuras de puentes y edificios. Hoy en día, sin embargo, los pernos de alta resistencia han reemplazado, casi por completo 3

el uso de remaches para conexiones en la obra. Las uniones remachadas son de dos tipos: • Traslapadas. • A tope. Remaches livianos: Para la fabricación de productos en grandes cantidades, pocos elementos igualan las ventajas de instalación de alta velocidad y bajo costo que ofrecen los remaches tubulares, semitubulares y abiertos.

La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el 4

comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.). Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas. Remaches en caliente o roblones Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. (El coeficiente de expansión lineal del acero es 0,0000251 x longitud del elemento x diferencial de temperatura = contracción/expansión de la pieza).

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En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas. CONEXIONES ATORNILLADAS. Métodos de unión o conexión En la fabricación y montaje de estructuras de cualquier material, en este caso en el acero debe de ponerse una particular atención en el diseño y fabricación de conexiones, ya que deben ser capaces de transmitir los elementos mecánicos obtenidos en el análisis estructural de los elementos que se ligan, satisfaciendo almismo tiempo las condiciones de restricción y continuidad supuestas en el análisis. Las uniones o conexiones generalmente se forman con elementos de unión como son: placas de cortante o de momento y ángulos. Los métodos unión o conexión que son utilizados en la actualidad son: a) El método de la soldadura. b) El método por tornillos. anteriormente el remachado era el método aceptado para unir miembros de una estructura, sin embargo, en los últimos años, el uso de los remaches ha sido reemplazado por el uso de tornillos de alta resistencia. Las ventajas del atornillado frente al remachado son entre otras: El montaje no requiere mano de obra altamente capacitada. se reducen los riesgos de incendio. se pueden montar y desmontar. se necesitan menos tornillos para generar la misma resistencia que una cantidad de remaches se necesitan menos personas para instalarlos. Es menos ruidosa su instalación. 6

Es más barato el equipo para instalarlos. No se requieren pernos de montaje como en las conexiones soldadas. Las conexiones pueden ser de dos tipos: a) conexión flexible, la conexión flexible de un elemento permitirá el giro de los extremos del elemento permitiéndose la deformación inelástica de la conexión y siempre se diseñarán para resistir fuerza cortante. b) conexión rigida, este tipo de conexión debe ser capa! de transmitir los momentos, fueras normales y cortantes, sin que existan desplazamientos lineales o angulares relativos entre los extremos de los elementos. De acuerdo al tipo de conexión existen dos tipos de estructuras: a) Estructuras tipo 1: Estas son llamadas estructuras continuas o marcos rígidos b) Estructuras tipo 2: Son aquellas estructuras en que las conexiones permiten rotaciones relativas que son capaces de transmitir fuerzas cortantes y normales. Unión por medio de tornillos. Los tornillos son elementos fabricados de diferentes metales y calidades y se usan para unir piezas de metal entre sí, insertándolos a través de agujeros conocidos como barrenos fabricados en dichas piezas metálicas por diferentes métodos ya sea manual o mecánicamente y posteriormente son sujetados en el lado extremo por una tuerca la cual se rosca y se aprieta de forma manual o mecánica.Los tornillos estructurales pueden clasificarse de acuerdo con las siguie ntes características: 1: Tipo de Vástago. 2: Material y resistencia 3: Forma de la cabeza y de la tuerca

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4: Tipo de cuerda.

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Los diámetros de los barrenos deberán cumplir con una cierta holgura dependiendo del método que se utilizó para fabricar el barreno: A) Para barrenos punzonados la holgura deberá de ser de 1/8” B) Para barrenos taladrados la holgura deberá de ser de 1/16”. Los tornillos estructurales ordinarios o estándar se fabrican de acero dulce (A307) con una resistencia Ultima a la tensión de 4499 Kg/cm2. Existen varios tipos de tornillos entre los que se encuentran los siguientes: -

Tornillos ordinarios o comunes. Son los A307 y son de un acero muy parecido al A36, por lo que no son de mucha utilidad para estructuras importantes.

-

Tornillos de alta resistencia. Los más comunes son A325 y A490 y están hechos de acero al carbono tratado térmicamente y contienen aceros aleados, tienen resistencias a tensión de al menos el doble, en comparación con los tornillos ordinarios. Estos tornillos se hicieron para sustituir a los remaches,

ya

que

estos

después

de enfriarse,

son fácilmente afectados por vibraciones o cargas de impacto. En la construcción de estructuras de acero se emplean uniones atornilladlas: 1.- Cuando se Han de absorber esfuerzos axiales de tracción, por ejemplo, entornillos de anclaje. 2.- Cuando la longitud de apriete es demasiado grande para un remache. 3.-Cuando se exige una determinada mo'ilidad de la unión, por ejemplo, determinados enlaces de vigas. 4.- En todas las uniones que se han de poder desmontar, sobre todo en construcciones auxiliares, pabellones de exposiciones y construcciones en las que se prevén modificaciones.

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5.- En los enlaces de materiales que no permiten realizar una unión remachada, por ejemplo, en la unión de piezas de acero con elementos de fierro de fundición. 6.- En lugares difícilmente accesibles, donde no puede realizarse una soldadura o una unión remachada. En general se prefieren las uniones atornilladas para unir elementos constructivos en obra, ya que son más fáciles, rápidas y baratas de ejecutar. A demás, facilita el ajuste del entramado, ya que las uniones atornilladas permiten una movilidad mayor que las demás uniones. Se debe saber que la capacidad de carga máxima de una junta de conexión dentro de los niveles de seguridad es la que permiten los esfuerzos permisibles proporcionados por las normas de diseño en aplicación. Generalmente las capacidades de los tornillos en sus diferentes presentaciones seencuentran estandarizadas, estas las podemos encontrar en tablasproporcionad as por los manuales del IMCA (Instituto Mexicano de la Construcción y el Acero) o AHMSA (Altos Hornos de México). Continuando con los procedimientos de diseño de una junta atornillada, se debe tener conocimiento de conceptos básicos como: a) Área total: que es el área completa de la sección transversal de un miembro. b) Área neta: es la que se obtiene al hacer deducciones de las áreas. barrenadas según las normas de diseño para miembros sujetos a tensión. c) Espaciamiento entre conectores, es decir las separaciones mínimas entre ellos, la distancia mínima al borde, asi como las distancias máximas al borde de la parte conectada, y conocer los conceptos de: Gramil, Paso, Distancia mínima al borde, Separación mínima, Separación máxima al borde.

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Es muy importante para la supervisión que se tomen en cuenta estas limitaciones que establecen las normas de diseño en cuanto a los espaciamientos entre conectores, por ejemplo, si la separación de los conectores es pequeña, el área neta de las placas puede regir la capacidad de la conexión, y si la separación es 12

grande la resistencia de la conexión será gobernada por la suma de las capacidades de los conectores. Por esta razón debe saber separaciones óptimas, las cuales permitan determinar la máxima capacidad de una junta. ventajas de uso de tornillos con respecto al uso de la soldadura. 1.- Las uniones con tornillos no requieren de mano de obra tan especializada como en el caso de la soldadura, ya que la instalación de un tornillo se aprende en poco tiempo, mientras que el proceso de soldadura requiere de mucho tiempo y conocimiento de otros factores que pueden afectar su calidad. 2.- No se necesitan de conectores de montaje que se deben retirar después como en la soldadura. 3.- El equipo que se requiere para hacer una conexión atornillada es más sencillo, además de que su funcionamiento no requiere de energía eléctrica, en cambio el equipo de soldadura en ocasiones no se puede transportar a grandes alturas. 4.- Se ha demostrado que la resistencia a la fatiga de una unión atornillada es mayor que la de una unión soldada. 5.- Cuando un elemento se modificado habrá que repararse por alguna necesidad, los cambios en la unión son más sencillos. Soldadura La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras. 13

Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras. Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer conexiones apernadas en obra. Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 14

Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el siguiente esquema:

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar:

Fuente: Indura en Véliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009

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Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar: 

Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas.

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Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.

Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding) Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.

Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo

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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.

Fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo.

La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura. En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo. 17

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.

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5.2 EFICIENCIA Y DISEÑO DE CONEXIONES 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.), la posición de los elementos de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de un elemento respecto del otro.

La falla por cortante se verifica como: Fs =ta As (95) Donde, 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) Donde: D: es el diámetro del remache o tornillo. 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: 19

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 Dh) t (100) Donde: W: es el ancho de la placa. Dh: es el diámetro del agujero, calculado como: 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. Según AISC, las conexiones se clasifican en función de su relación momentorotación y son, básicamente, de tres tipos: conexiones simples, conexiones rígidas (FR) y conexiones semi rígidas (PR). Sin perjuicio de lo anterior, agregamos al final 20

las conexiones con diagonales o arriostramientos que, no siendo una conexión propiamente dicha, constituyen una solución interesante de tener en cuenta. Su incorporación en el texto responde más bien a un ordenamiento de temas afines que faciliten la comprensión. 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 diseño. Las conexiones flexibles de vigas deben ser capaces de acomodar las rotaciones de los extremos de las vigas calculadas como simplemente apoyados. 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.

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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. Conexiones con diagonales Como se mencionará antes, los esfuerzos laterales inducidos por sismos o vientos, tienden a deformar el edificio como se muestra 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 la deformación en el sentido contrario mediante la diagonal complementaria.

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5.3

MODOS DE FALLA DE 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. 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.

Altas rigideces y resistencias pueden ser alcanzadas mediante estructuras de materiales compuestos. A menudo, estas características de rigidez y resistencia no pueden ser transferidas a través de las uniones sin una penalización en peso de la estructura. Por lo tanto el conocimiento del funcionamiento y modos de fallo de las uniones remachadas es crítico para el diseño y cálculo de tales estructuras. Los principales modos de fallo para uniones remachadas son el fallo por aplastamiento (Bearing), fallo de tracción debido a la rotura de la sección neta de una de las láminas (Tension by Pass o Tension Throught the Hole), fallo por 23

cortadura (Shear-Out o Cleavage) del material y fallo de los remaches. Además, pueden ocurrir combinaciones de estos fallos.

Modos de fallo de uniones remachas de CFRP 

Fallo por aplastamiento Se da en la zona de compresión del laminado debido al avance del remache sobre la sección del laminado. Geométricamente, este modo de fallo aparece cuando la distancia entre remaches y la distancia del taladro del remache al borde libre son altos en comparación con el diámetro del taladro realizado.



Fallo por tracción Este tipo de fallo implica la rotura de la sección neta del laminado debido a la carga circulante. Aparece cuando la distancia entre remaches y/o la distancia al borde es pequeña si lo comparamos con el diámetro del taladro del remache.



Fallo por cortadura Si la distancia al borde es muy pequeña se da el fallo por cortadura. Los laminados presentes en las estructuras de materiales compuestos no siempre son los óptimos para optimizar la unión remachada ya que se determinan para la función que desempeña la estructura. Debido a esto, los mecanismos de fallo se pueden activar prematuramente por la disposición de fibras no adecuada para la unión. 24

Por ejemplo,mientras que

en materiales metálicos basta una distancia

entre remaches y a los bordes del orden de 3 ó 4 veces el diámetro del remache para inhibir los fallos por tracción y cortadura, en materiales compuestos con laminados unidreccionales (orientado en la dirección de la carga), el fallo por cortadura sólo involucra fallo de la resina, y puede activarse aunque la distancia del taladro al borde frontal del laminado sea superior a 4 ó 5 veces el diámetro del taladro. En el caso del fallo por tracción paso lo mismo para laminados a 90º. 

Influencia de los parámetros geométricos en los mecanismos de fallo. A la hora de diseñar una unión remachada es importante fijar los parámetros geométricos y ser consciente del tipo de fallo que se espera. Tres parámetros están involucrados a la hora de determinar el modo fe fallo: espesor de las placas (t), diámetro del taladro (d) y distancia entre remaches (W). Estas últimas las utilizamos como un único parámetro d/W. Fijando una de las características geométricas y variando la otra se obtiene un análisis gráfico del tipo de fallo que aparece. Manteniendo constante el factor d/W, variando el espesor se puede ver como varían los diferentes modos de fallo que aparecen.

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Con pequeños espesores de placas se obtiene un fallo por aplastamiento. A medida que aumentamos el espesor, los modos de fallo se solapan apareciendo los dos hasta que el espesor es lo suficientemente alto para que predomine el fallo por cortadura del remache, al tener las placas una alta resistencia. Fijando el espesor y variando d/W, además de obtener la evolución del modo de fallo, obtenemos la distancia W óptima entre remaches. Para ello hemos de obtener las deformaciones nominales normales a carga de fallo que se dan en la placa para los casos de fallo de aplastamiento y tracción de la unión remachada, en la dirección de la carga. Para el fallo de aplastamiento:

donde Sbu es el admisible a fallo de aplastamiento de la unión, Ex el módulo de young en la dirección de la carga, w la distancia entre remaches y d el diámetro del taladro. En el fallo a tracción, sobre la sección neta circulante, perpendicular a la carga y suponiendo la sección de fallo la sección neta la deformación es

donde la tensión es el admisible a fallo de tracción de la unión. El resto de parámetros son los mismos que en la ecuación anterior. Ahora representamos ambas ecuaciones en un diagrama deformación-d/w. Se ha de tener en cuenta que 26

para el fallo por tracción y para valores de d/w bajos, la hipótesis lineal no es válida, ya que lejos del taladro no es realista siendo los valores de deformación menores formando una curva como se ve en la figura.

El valor óptimo de separación entre taladros se obtiene de la intersección entre ambas curvas.

para una sola fila de remaches. En el caso de varias filas de remaches la tensión circulante entre cada fila también afecta para el caso de fallo a tracción únicamente, ya que el fallo por aplastamiento no se ve afectado.

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5.4 MODOS DE FALLA EN TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA La función del tornillo como elemento mecánico consiste en acoplarse a un elemento roscado internamente, equivalente a un orificio de diámetro ligeramente superior al del diámetro nominal de la rosca del tornillo mediante la aplicación de un momento, implicando la transformación de movimiento circular en movimiento rectilíneo, generando el proceso de unión deseado (Ver Fig.2.1). Se define como cabeza del tornillo a una geometría compuesta que permite la interacción con una herramienta de agarre. Se define como rosca del tornillo a una sucesión de picos y valles definidos como filetes dispuestos en configuración helicoidal en torno al cuerpo cilíndrico del tornillo. Se define como avance del tornillo a la distancia recorrida por un punto cualquiera del filete del tornillo cuando el elemento realiza una vuelta completa. Como complemento de su función el tornillo puede acoplarse a un segundo elemento conocido como tuerca, cuya configuración roscada interna permite la interacción de roscas creando así el acoplamiento y la unión deseada de elementos mecánicos.

Fallas en tornillos causas y tipos Un tornillo como elemento de unión estructural presentará una falla cuando la función de unión entre elementos no sea llevada a cabo a plena capacidad. Existen una serie de variables involucradas en el correcto desempeño de un tornillo y por ende pueden presentarse igual número de deficiencias capaces de impedir o disminuir su capacidad operativa [7]. Las

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variables más relevantes a considerar se encuentran señaladas a continuación (Ver Fig.2.1).

Tipos de falla tornillos Los tipos de falla más comunes de acuerdo a lo reportado en la literatura se presentan a continuación (Ver Fig.2.2).

Fractura: La fractura es la separación estructural de una pieza mecánica en dos o más segmentos, generalmente esta situación es producto de la aplicación de cargas

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a tracción, torsión, flexión o sus combinaciones en un determinado punto de la pieza de interés [7] esto se ilustra a continuación (Ver Fig.2.3)

Fractura dúctil Una fractura dúctil es aquella que presenta flujo de material perceptible, es decir una deformación plástica sostenida de la pieza como resultando del sometimiento de la misma a cierta carga a tracción, flexión o sus combinaciones, el flujo de dicho material será en el mismo sentido de la aplicación de la carga [7]. La deformación crecerá de forma sostenida en relación a los esfuerzos involucrados y aumentará aún bajo la acción de una carga constante hasta alcanzar el punto de cedencia del material y finalmente el seccionamiento de la pieza como se ilustra a continuación (Ver Fig.2.4)

Fractura dúctil a tracción Es una fractura caracterizada por el sometimiento del elemento mecánico a cargas paralelas al eje del del tornillo e implica una reducción progresiva del diámetro del mismo, además de un alargamiento de la geometría de la pieza planteando así condiciones de deformación previa que derivan en un grado 30

de falla parcial del elemento antes de alcanzar la fractura considerada como falla total. Se identifica al observar un desgarre periférico en la zona de fractura el cual abarcará la mayor parte de la circunferencia externa del tornillo, aunado a una textura fibrosa en el centro la cual será producto del desprendimiento de una determinada porción de materia [ l7] como se muestra a continuación.

Fractura dúctil a flexión Este tipo de fractura implica la aplicación de una carga lateral perpendicular al eje del tornillo, deformando la pieza de tal manera que el eje principal del tornillo presenta una desviación importante con respecto a su configuración recta inicial, curvándose de forma perceptible, dicha curvatura se tornará cada vez más pronunciada hasta alcanzar la separación del material y por ende la fractura. [3] Se identifica al observar un labio metálico sobre la circunferencia del tornillo, el cual se encontrará en la dirección de la carga aplicada, exhibiendo un arrastre de material con un desgarre en el extremo del mismo labio Ver Fig.8. En el extremo opuesto del labio se observará una zona con textura fibrosa sobre la zona de fractura, esta textura fibrosa es característica del desprendimiento de material dúctil [7] como se muestra en la figura (Ver fig.2.6)

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5.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS UNIONES SOLDADAS: Un soldado común como se desprende de su nombre se obtiene de la fusión o de los bordes dos piezas de metal que se unen entre sí, con o sin la aplicación de presión y un material de relleno. Un arco eléctrico o de gas se utiliza para la fusión del material. Una junta soldada es un conjunto permanente ampliamente utilizado en el proceso de fabricación. Es un método alternativo para fundición o forja y es el reemplazo para Broken atornillado como un traje diente o para reparar una superficie desgastada. Siguiente ventajas y desventajas técnicas 

Soldada articulaciones tienen un bajo costo inicial



El proceso está en silencio.

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soldada articulaciones son mayores en fuerza



Después de soldar Menos procesamiento se requiere.

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Fácil Para inspeccionar decir radiografías sin destruir la pieza.



Soldada acoplamiento se puede reparar fácilmente. DESVENTAJAS:

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Soldada común no puede ser utilizado para la carga de impacto y la vibración

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Ser unión soldada conjunta continua no se puede montar y volver a montar como uniones atornilladas SOLDADURA PROCESO: El proceso de soldadura se divide principalmente en dos grupos.

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Soldadura procesos que utilizan el calor único ejemplo de soldadura por fusión.



Soldadura procesa utilizando una combinación de calor y presión p forja de soldadura.

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FUSIÓN SOLDADURA: En este caso, las piezas a unir se mantienen en posición mientras que el metal fundido se introduce en el acoplamiento. Calentar el metal de base y el metal de relleno juntos forman el metal fundido. La superficie articulares se convierten en plástico fundido o por qué o el calor del fundido metal de relleno o de otra fuente. Así, cuando el metal fundido se solidifica o los fusibles, se forma la articulación. FORJA SOLDADURA: En este tipo de soldadura, las piezas a unir se calientan a una primera adecuado la temperatura en un horno o de forja y martillado. TIPOS Uniones soldadas: La junta de soldadura es comúnmente doble. 

Contracción o hilo común



Junta de tope.

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