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2013 UNIONES Y CONEXIONES

RONALD PAUL JIMENEZ TEMOCHE UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL 17/06/2013

1. Introducción 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 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. En el diseño de Uniones y Conexiones es un aspecto importante 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.

Uniones Rígidas: Reliance Control factory, Swindon (1967)

Richard Rogers Uniones articuladas o flexibles: Aeropuerto Stansted

Las conexiones –y su diseño- dependen de cuatro factores principales:    

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. 2. Justificación del problema.

La justificación se debe a la evidentemente, que las uniones han de adaptarse a los medios y a la tecnología disponible para realizarla. Se trata de pensar en los equipos de soldeo, en técnicos y soldadores, procedimientos de garantía de calidad y posibilidades de transporte. A veces estos aspectos tienen más influencia en la tipología que el propio cálculo. Por ejemplo, en las uniones soldadas, se debe prestar atención especialmente a su ejecución y ello puede ocasionar el hecho de que, en ciertas condiciones, se deseche una unión de este tipo, optando por una unión atornillada. 3. Marco Teórico 3.1 Generalidades Una de las diferencias más acusadas entre las estructuras metálicas y las de hormigón consiste en la existencia en las primeras de multitud de uniones; es difícil en cambio encontrarlas en las estructuras de hormigón, caracterizadas por su monolitismo. Las uniones cobran, dentro de los proyectos de las construcciones metálicas , en especial el de acero, especial relevancia y porqué no decirlo, dificultad. Toda unión es por su propia naturaleza una discontinuidad y por tanto, una zona potencialmente peligrosa: de hecho, multitud de accidentes se deben a uniones mal proyectadas o mal ejecutadas. Las conexiones deben ser capaces de transmitir los elementos mecánicos calculados en los miembros que liguen, satisfaciendo, al mismo tiempo, las condiciones de restricción y continuidad supuestas en el análisis de la estructura. Las conexiones están formadas por las partes afectadas de los miembros conectados (por ejemplo, almas de vigas), por elementos de unión (atiesadores, placas, ángulos, ménsulas), y por conectores (soldaduras, tornillos y remaches 1). Los elementos componentes se dimensionan

1

Un roblón o remache es un elemento de fijación que se emplea para unir de forma permanente dos o más piezas. Consiste en un tubo cilíndrico (el vástago) que en su fin dispone de una cabeza. Las cabezas tienen un diámetro mayor que el resto del remache, para que así al introducir éste en un agujero pueda ser encajado. El uso que se le da es para unir dos piezas distintas, sean o no del mismo material.

de manera que su resistencia de diseño sea igual o mayor que la solicitación de diseño correspondiente, determinada: a) Por medio de un análisis de la estructura bajo cargas de diseño; b) Como un porcentaje especificado de la resistencia de diseño de los miembros conectados.

Remaches

Cuando una conexión se considere flexible se diseñará, en general, para transmitir únicamente fuerza cortante. En ese caso se utilizarán elementos de unión que puedan aceptar las rotaciones que se presentarán en el extremo del miembro conectado, para lo que se permiten deformaciones inelásticas autocontroladas en los elementos de unión, y se dejarán holguras en los bordes, con la misma finalidad. Cuando sea el caso, se tendrán en cuenta las flexiones ocasionadas por excentricidades en los apoyos. Las conexiones en los extremos de vigas, trabes o armaduras que forman parte de estructuras continuas se diseñarán para el efecto combinado de las fuerzas y momentos originados por la rigidez de las uniones. 3.1.1 Conexiones mínimas   

Las conexiones diseñadas para transmitir fuerzas calculadas, deben ser capaces de resistir una fuerza de diseño no menor de 50 kN (5 000 kg). El número mínimo de remaches o tornillos en una conexión es dos. Los tamaños y longitudes mínimos de soldaduras son los permitidos en las secciones 5.2.5 y 5.2.6.

Los límites de los tres párrafos anteriores pueden disminuirse en conexiones de diagonales de celosías de secciones armadas, tirantes para soporte lateral de largueros, apoyos de largueros, y otros casos en que las fuerzas que deben transmitirse no se calculan o son de magnitud muy pequeña. 3.1.2 Excentricidades Deben tenerse en cuenta en el diseño las excentricidades que se generen en las conexiones, incluso cuando provengan de que los ejes de los miembros no concurran en un punto.

El centro de gravedad del grupo de remaches, tornillos o soldaduras colocados en el extremo de un miembro sometido a la acción de una fuerza axial debe coincidir con el eje de gravedad del miembro; cuando esto no suceda, debe tomarse en cuenta el efecto de las excentricidades resultantes, excepto en conexiones de ángulos sencillos, ángulos dobles y otros elementos similares cargados estáticamente, en las que no es necesario balancear las soldaduras para lograr la coincidencia indicada arriba, ni tener en cuenta la excentricidad entre el eje del miembro y las líneas de gramil de remaches o tornillos. 3.1.3 Rellenos Cuando un tornillo pasa a través de placas de relleno de grueso no mayor de 6 mm, no se reduce su resistencia de diseño al cortante. Si el grueso de las placas de relleno es mayor de 6 mm, debe satisfacerse alguno de los requisitos siguientes:

a) Si el grueso de los rellenos no excede de 19 mm, se reduce la resistencia de diseño de los tornillos multiplicándola por el factor 1–0.0154(t –6), donde t es el grueso total de los rellenos, en mm. b) Los rellenos se prolongan más allá de la junta, y la prolongación se asegura con tornillos suficientes para distribuir uniformemente, en la sección transversal combinada del elemento conectado y los rellenos, la fuerza total en el elemento conectado. c) Se aumenta el tamaño de la junta, para colocar un número de tornillos equivalente al número total requerido en el inciso 3.1.3.b. d) La junta se diseña como de deslizamiento crítico, con tornillos de alta resistencia. Cuando se utilicen placas de relleno de 6 mm de grueso o más en juntas soldadas, deberán prolongarse fuera de los bordes de la placa de conexión, y unirse a la parte en la que se colocan con soldadura suficiente para transmitir la fuerza de la placa de conexión, aplicada en la superficie de la de relleno como una fuerza excéntrica. Las soldaduras que unen la placa de conexión con la de relleno deben ser capaces de transmitir la fuerza de la placa de conexión, y su longitud será suficiente para evitar esfuerzos excesivos en la placa de relleno a lo largo del borde de la soldadura. Cuando se utilicen placas de relleno de menos de 6 mm de grueso, sus bordes se recortarán de manera que coincidan con los de los elementos que soportan las cargas, y el tamaño de las soldaduras de filete colocadas en esos bordes se aumentará sobre el requerido por el cálculo en una cantidad igual al grueso del relleno. 3.1.4 Juntas cepilladas Pueden usarse juntas cepilladas en miembros en compresión, que transmitan la fuerza de compresión por contacto directo, siempre que se coloquen los elementos de unión necesarios para transmitir cualquier otro tipo de solicitación que pueda aparecer durante el montaje de la estructura o durante su operación posterior. Además, se colocarán los elementos de unión necesarios para asegurar que las distintas partes que forman la junta se conservarán en posición correcta; esos elementos serán capaces de transmitir, como mínimo, 50 por ciento de la fuerza de compresión de diseño que obre en el miembro. 3.1.5 Desgarramiento laminar (“Lamellar Tearing”) Siempre que sea posible, deben eliminarse las juntas en esquina o en te de elementos estructurales o placas, en las que haya transmisión de fuerzas de tensión a través del grueso del material, producidas por la contracción de soldaduras colocadas en condiciones que restringen su contracción libre. Cuando esas juntas no puedan evitarse, se tomarán medidas para reducir a un mínimo la posibilidad de fallas por desgarramiento laminar.

3.1.6 Remaches o tornillos en combinación con soldadura a) En obras nuevas Cuando en una obra nueva se especifique el uso de remaches o tornillos, ordinarios o de alta resistencia, diseñados para transmitir las cargas por aplastamiento, en combinación con soldadura, ésta se dimensionará para resistir las fuerzas completas a que estén sujetos los miembros conectados, no dándoles más cargas a los remaches o tornillos que las que tomen durante el proceso de montaje. Cuando se emplean tornillos de alta resistencia diseñados para transmitir las fuerzas por fricción sí puede considerarse que las solicitaciones se reparten entre ellos y las soldaduras. Los cálculos deben hacerse con fuerzas factorizadas. b) En obras ya construidas Cuando se utilice la soldadura para hacer modificaciones o refuerzos de estructuras, los remaches y los tornillos de alta resistencia, diseñados para trabajar en una conexión de deslizamiento crítico, de la estructura original, pueden utilizarse para resistir los efectos de las cargas muertas existentes antes de la modificación, y la soldadura para proporcionar la resistencia adicional requerida.

3.1.7 Tornillos de alta resistencia en combinación con remaches Tanto en obras nuevas como en modificaciones de estructuras existentes puede suponerse que los tornillos de alta resistencia, diseñados para trabajar en conexiones de deslizamiento crítico, trabajan en conjunto con los remaches, y que las cargas se reparten entre los dos tipos de conectores. 3.1.8 Empalmes en material grueso Esta sección es aplicable a empalmes de perfiles laminados, o hechos con placas soldadas, que tienen paredes de más de 50 mm de grueso, sujetos a esfuerzos primarios de tensión, producidos por tensión axial o flexión. Cuando las fuerzas de tensión en esas secciones se transmiten a través de soldaduras de penetración completa, deben especificarse requisitos de tenacidad del material, de precalentamiento, y de preparación e inspección de las superficies cortadas con soplete, y utilizarse agujeros de acceso de tamaño generoso para colocar la soldadura en las intersecciones de almas y patines. Además, deben quitarse todas las placas de respaldo y extensión, y esmerilarse todas las superficies expuestas al hacerlo.

Cuando los miembros hechos con material de más de 50 mm de grueso trabajan principalmente en compresión, los agujeros de acceso para soldar deben ser semejantes a los de los elementos en tensión. Como una alternativa, los empalmes de miembros comprimidos, incluyendo los que pueden trabajar en tensión, ocasionalmente, por efecto de viento o sismo, pueden hacerse utilizando detalles que no ocasionen grandes contracciones en las soldaduras, por ejemplo, soldaduras de penetración parcial en los patines, combinados con placas soldadas al alma con soldadura de filete, placas atornilladas, o placas soldadas con filetes a un tramo y atornilladas al otro. 3.2 Tipos de Conexiones en Acero El comportamiento y tipo de las conexiones es usualmente definida por la relación momentorotación, Figura 1. El código AISC clasifica las conexiones dependiendo de su relación momento-rotación. La terminología es la siguiente:

Clasificación de las conexiones Simple

Conexiones simples

Rígido

Conexiones de momento completamente restringidas (FR)

Semi-rígido Conexiones de momento parcialmente restringidas (PR)

Figura 1 Clasificación de las conexiones 

Conexiones Simples

Las conexiones simples o de corte 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 (no restringidas) como lo muestra la Figura 2. Para lograr lo anterior se permiten deformaciones inelásticas, pero auto limitadas, de la conexión.

Figura 2 Conexión simple o de corte Si bien es cierto, las conexiones simples o de corte poseen algo de restricción rotacional, como lo ilustra la curva A de la Figura 3, esta magnitud es comúnmente ignorada y la conexión es idealizada como totalmente flexible.

Figura 3 Comportamiento de la conexión simple o de corte



Conexiones Rígidas (FR)

Las conexiones de momento completamente restringidas son conexiones que en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser diseñadas para el efecto combinado de fuerzas de momento y de corte inducidos por la rigidez de las conexiones. Este tipo de conexiones posee suficiente resistencia y rigidez para mantener el ángulo constante entre los miembros conectados durante la aplicación de las cargas como lo muestra la Figura 4. Mientras las conexiones consideradas como totalmente rígidas raramente proporcionan una rotación cero entre los miembros, esta flexibilidad presente es comúnmente ignorada y la conexión es idealizada para prevenir la rotación relativa. Las conexiones A, B y C de la figura 3 ilustran lo indicado.

Figura 4 Conexión de momento completamente restringida (FR)

Figura 5 Comportamiento de la conexión de momento FR



Conexiones Semi-Rígidas (PR)

Las conexiones de momento parcialmente restringida, como se muestra en la figura 6, 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.

Figura 6 Conexión de momento parcialmente restringida (PR) La línea de viga (beam line) representa la relación entre el momento y la rotación para una viga dada. La máxima rotación corresponde a un momento nulo (una conexión simple o de corte) mientras una rotación nula corresponde a un empotramiento (una conexión de momento FR). La curva momento-rotación dada por la conexión de momento PR puede superponerse sobre la línea de viga como lo ilustra la Figura 7. Para las curvas A y B, el punto de intersección de la curva momento-rotación con la línea de viga define el momento de viga y el esfuerzo requerido para que la conexión de momento PR pueda ser diseñada.

Figura 7 Comportamiento de la conexión de momento PR



Conexiones de diagonales

Dado el marco sin soporte lateral de la Figura 8a cuyos elementos están conectados con conexiones simples o de corte, la fuerza lateral Hu actuante desplazará el edificio lateralmente como se muestra en las líneas punteadas. De hecho, el marco sería inestable bajo cargas gravitatorias. En lugar de un marco con conexiones de momento, la estabilidad del marco y la resistencia a cargas laterales pueden ser proporcionadas por miembros diagonales. Considerando que las conexiones de momento resisten las cargas laterales a través de la flexión de las vigas y columnas que componen la estructura, las diagonales crean un reticulado vertical que transfiere las cargas laterales a través de los miembros del reticulado como fuerzas axiales. A pesar de que un marco conectado con diagonales es, en general, más eficiente que un marco con conexiones de momento, el uso de diagonales puede ser inconveniente por la interferencia con las características arquitectónicas tales como corredores, ventanas y puertas. La diagonal concéntrica que se muestra en la Figura 8b proporciona estabilidad para las fuerzas laterales que actúan desde la izquierda, la diagonal está en tensión (+) e induce sólo fuerzas axiales en los demás miembros de la estructura. Dado que las fuerzas laterales pueden ser incidentes, ya sea desde la derecha o la izquierda, dos diagonales podrían utilizarse, como se muestra en la Figura 8c.

Figura 8 Fuerzas laterales y diagonales

Figura 9 Ejemplo de conexiones de diagonales 3.3 Tipos de Conexiones Apernadas - Conexiones tipo aplastamiento: Son las conexiones en que la carga es resistida por la cortante en los pernos y por aplastamiento sobre los mismos (Figura 10). La resistencia de diseño está influenciada por la presencia de la rosca; es decir, a un perno con roscas excluidas del plano de corte se le asigna una mayor resistencia de diseño, que un perno con roscas incluidas en el plano de corte.

Figura 10 Conexión tipo aplastamiento - Conexiones de deslizamiento crítico (slip critical): Son las conexiones en que el deslizamiento sería inconveniente para la capacidad de servicio de la estructura a que pertenecen dichas uniones. Estas incluyen conexiones sometidas a cargas de fatiga o a inversión importante de carga, vibraciones y sismo.

Figura 11 Conexión tipo deslizamiento crítico Las conexiones apernadas de elementos secundarios y/o no estructurales (barandas, costaneras, escaleras de gato y escaleras menores) se pueden ejecutar con pernos corrientes ASTM A307. Sin embargo, para conexiones estructurales el código AISC establece que el uso de pernos de alta resistencia debe satisfacer las disposiciones de la ASTM 325 y A490. Los pernos deben ser apretados a una tensión que se regula según las tablas que se señalan en la Especificación ANSI/AISC 360-10 para construcción en acero.

Espaciamiento mínimo (AISC 2005 – J3.3)

La distancia entre centros de perforaciones estándar, sobremedidas o ranuradas, no debe ser menor que 2 2/3 veces el diámetro nominal, d, del conector; se prefiere una distancia de 3d.

Figura 12 Espaciamiento mínimo

Distancia mínima al borde (AISC 2005 – J3.4)

La distancia desde el centro de una perforación estándar hasta el borde de una parte conectada en cualquier dirección no debe ser menor que el valor aplicable de la Tabla J3.4. La distancia desde el centro de una perforación sobredimensionada o ranurada hasta el borde de una parte conectada no debe ser menor que la requerida por un perforación estándar hasta el borde de una parte conectada más el incremento aplicable C2 que se obtiene de la Tabla J3.5.

Distancias a los bordes y espaciamiento máximo (AISC 2005 – J3.5)

La distancia máxima desde el centro de cualquier perno o remache hasta el borde más cercano de partes en contacto debe ser 12 veces el espesor de la parte conectada bajo consideración, pero no debe exceder de 150 mm. El espaciamiento longitudinal de los conectores entre elementos en contacto continuo consistentes de un perfil o dos planchas debe ser la siguiente: (a) Para miembros pintados o sin pintar no sujetos a corrosión, el espaciamiento no debe exceder de 24 veces el espesor de la placa más delgada o 305 mm. (b) Para miembros sin pintar de acero de alta resistencia a la corrosión atmosférica, el espaciamiento no debe exceder de 14 veces el espesor de la placa más delgada o 180 mm.

Resistencia de tracción y corte de pernos y partes enroscadas (AISC 2005 – J3.6)

La resistencia de diseño de tracción y de corte, Φ Rn, y la resistencia admisible de tracción y de corte, Rn/Ω, de un perno de alta resistencia con apriete ajustado o pretensionado o de una parte roscada deben ser determinadas de acuerdo con los estados límites de ruptura en tracción y ruptura en corte como se indica a continuación: (J3-1)

Rn  Fn Ab

Φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2.00 (ASD)

Donde Fn es la tensión de tracción nominal, Fnt, o tensión de corte nominal, Fnv, según la Tabla J3.2, kgf/cm2 (MPa), Ab es el área total del perno o parte roscada (para barras con extremos ensanchados, ver nota al pie [d], Tabla J3.2), cm2 (mm2). Tabla J 3.2 Pretensión Tensión Nominal de Conectores y Partes Roscadas, kgf/cm2 (MPa) Tensión de Tracción Descripción del conector

Nominal, Fnt, kgf/cm2 (MPa)

Pernos A307

3160 (310)[a][b]

Pernos A325, cuando la rosca está 6320 (620)[e]

Tensión de Corte Nominal en Conexiones de Tipo Aplastamiento, Fnv, kgf/cm2 (MPa) 1680 (165)[c][f]

3360 (330)[f]

incluida en el plano de corte Pernos A325, cuando la rosca no

6320 (620)[e]

4220 (414)[f]

Pernos A490, cuando la rosca 7950 (780)[e] está

4220 (414)[f]

está incluida en el plano de corte

incluida en el plano de corte Pernos A490, cuando la rosca no está incluida en el plano de corte

7950 (780)[e]

5300 (520)[f]

0.75 Fu[a][d]

0.40 Fu

0.75 Fu[a][d]

0.50 Fu

Partes roscadas que cumplen los requisitos de la Sección A3.4, cuando la rosca está incluida en el plano de corte Partes roscadas que cumplen los requisitos de la Sección A3.4, cuando la incluida

rosca

no

está

en el plano de corte [a] Sujeto a los requisitos del Anexo 3. [b] Para pernos A307 los valores tabulados deben ser reducidos por 1% para cada 2 mm sobre 5 diámetros de longitud en el agarre [c] Rosca permitida en los planos de corte. [d] La resistencia de tracción nominal para la porción roscada de una barra con extremos ensanchados, basada en el área de la sección correspondiente al diámetro mayor de la rosca, AD, que debe ser mayor que el valor obtenido al multiplicar Fy por el área del cuerpo nominal de la barra antes de su ensanchamiento. [e] Para pernos A325 y A490 solicitados por carga de tracción de fatiga, ver el Anexo 3. [f] Cuando las conexiones de tipo aplastamiento utilizadas en empalmes de miembros en tracción poseen un patrón de conectores cuya longitud, medida paralela a la línea de carga, excede de 1270 mm, se deben reducir los valores tabulados por 20%.

La resistencia requerida de tracción debe incluir cualquier tracción resultante por la acción de palanca producida por la deformación de las partes conectadas.

3.4 Tipos de 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 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. Además 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 propiedades resistentes de la sección de una soldadura o de un grupo de soldadura, se determina considerando su longitud y garganta efectiva. En el caso de utilizar diferentes tipos de soldaduras (ranura, filete, tapón o canal) en una misma unión, la capacidad resistente de ésta se determinará considerando separadamente la capacidad de cada soldadura respecto al eje de la unión. Los tipos de soldaduras principales son: soldaduras de filetes, soldaduras de penetración parcial, soldaduras de penetración completa y soldaduras de tapón. 3.4.1 Soldaduras de filete (AISC 2005 – J2.2) - Área Efectiva: El área efectiva de una soldadura de filete será la longitud efectiva multiplicada por la garganta efectiva. La garganta efectiva de una soldadura de filete debe ser la

menor distancia desde la raíz hasta la superficie de la soldadura. Se permite un aumento en la garganta efectiva si se demuestra una penetración consistente más allá de la raíz de la soldadura mediante ensayos consistentes al proceso de producción y las variables de procedimiento. Para soldadura de filete en perforaciones y ranuras, la longitud efectiva debe ser la longitud del eje central de la soldadura a lo largo del plano que pasa a través de la garganta. En el caso de filetes traslapados, el área efectiva no debe exceder el área nominal de la perforación o ranura, en el plano de la superficie de contacto. - Limitaciones: El tamaño mínimo de las soldaduras de filete no debe ser menor que el tamaño requerido para transmitir las fuerzas calculadas, ni menor que el tamaño que se muestra en la Tabla J2.4. Estas disposiciones no aplican para refuerzos de soldadura de filete en soldaduras de tope con junta de penetración parcial o completa. Tabla J 2.4 Tamaño Mínimo de Soldadura de Filete Espesor de la parte unida más delgada, mm

Tamaño mínimo de soldadura de filete[a], mm

Hasta 6 inclusive

3

Entre 6 y 13

5

Entre 13 y19

6

Mayor que 19

8

[a] Dimensión del pie de la soldadura de filete. Se deben utilizar soldaduras de paso simple

El tamaño máximo de soldadura de filete para partes conectadas debe ser: (a) A lo largo de los bordes del material con espesor menor a 6 mm, no mayor que el espesor del material. (b) A lo largo de los bordes del material con espesor igual o mayor a 6 mm, no mayor que el espesor del material menos 2 mm, a no ser que la soldadura sea designada especialmente en los planos para ser ejecutada de manera de obtener el espesor de la garganta completa. En la condición de soldado, se permite que la distancia entre el borde del metal base y el talón de la soldadura sea menor que 2 mm siempre que sea posible verificar el tamaño de la soldadura. Se permite utilizar las soldaduras de filete intermitentes para transmitir las tensiones calculadas a través de la junta o superficies de contacto cuando la resistencia requerida es

menor que la desarrollada por una soldadura de filete continua con el menor tamaño permitido, para unir componentes de miembros armados. La longitud efectiva de cualquier segmento de soldadura de filete intermitente no debe ser menor que cuatro veces el tamaño de la soldadura, con un mínimo de 38 mm.

Figura 13 Ejemplos soldaduras de filetes 3.4.2 Soldaduras de tope (AISC 2005 – J2.1) - Área Efectiva: Se debe considerar el área efectiva de las soldaduras de tope como la longitud de la soldadura por el espesor de la garganta efectiva. El espesor de la garganta efectiva de una soldadura de tope con junta de penetración completa (CJP) debe ser el espesor de la parte más delgada conectada. El espesor de garganta efectivo de una soldadura de tope con junta de penetración parcial (PJP) debe ser el que se muestra en la Tabla J2.1.

Tabla J 2.1 Garganta Efectiva de Soldaduras de tope con Junta de Penetración Parcial Posición de soldado Proceso de soldado

F (estirado), (horizontal), V (vertical), OH (sobre cabeza)

H Tipo de surco (Figura 3.3, AWS D1.1)

Garganta Efectiva

Arco de electrodo revestido (SMAW)

Todos

Arco metálico y gas

Bisel J o U

(GMAW) Arco con fundente

núcleo

de Todos

60º V

Profundidad bisel

del

Profundidad bisel

del

Profundidad bisel

del

(FCAW) Arco sumergido

F

(SAW) Arco metálico (GMAW) Arco con fundente

y

núcleo

Bisel J o U Bisel 60º o V

gas de F, H

Bisel 45º

(FCAW) Arco de electrodo revestido Todos

(SMAW)

Bisel 45º

menos 3 mm Arco metálico (GMAW) Arco con fundente

y

núcleo

gas de V, OH

Bisel 45º

Profundidad bisel

del

menos 3 mm

(FCAW)

- Limitaciones: El espesor mínimo de la garganta efectiva de una soldadura de tope con junta de penetración parcial no debe ser menor que el tamaño requerido para transmitir las fuerzas calculadas ni el tamaño mostrado en la Tabla J2.3. El tamaño de soldadura mínimo se determina como la más delgada de las dos partes unidas.

Tabla J 2.3 Espesor Mínimo de Garganta Efectiva Espesor de material de la parte unida más delgada, mm

Espesor mínimo de garganta efectiva, mm

Hasta 6 inclusive

3

Entre 6 y 13

5

Entre 13 y 19

6

Entre 19 y 38

8

Entre 38 y 57

10

Entre 57 y 150

13

Mayor que 150

16

3.4.3 Soldaduras de tapón y de ranura (AISC 2005 – J2.3)

- Área Efectiva: El área de corte efectivo de soldaduras de tapón y de ranura debe ser considerada como el área nominal de la perforación o ranura en el plano de la superficie de contacto. - Limitaciones: Se permite que las soldaduras de tapón o de ranura sean utilizadas para transmitir el corte en juntas de traslape o para prevenir el pandeo de partes traslapadas y para unir las partes que componen a los miembros armados. El diámetro de las perforaciones para una soldadura de tapón no debe ser menor que el espesor de la parte conectada más 8 mm aproximado al mayor valor par (en mm), ni mayor que el diámetro mínimo más 3 mm o 2 1/4 veces el espesor de la soldadura. El espaciamiento centro a centro mínimo de soldaduras de tapón debe ser igual a cuatro veces el diámetro de la perforación. La longitud de la ranura para una soldadura de ranura no debe exceder de diez veces el espesor de la soldadura. El ancho de la ranura no debe ser menor que el espesor de la parte que lo contiene más 8 mm aproximado al mayor valor par (en mm), y no debe ser mayor que 2 1/4 veces el espesor de la soldadura. Los extremos de la ranura deben ser semicirculares o deben

tener esquinas redondeadas con un radio no menor que el espesor de la parte que lo contiene, excepto aquellos extremos que se extienden hasta el borde de la parte. El espaciamiento mínimo de líneas de soldaduras de ranura en la dirección transversal a su longitud debe ser cuatro veces el ancho de la ranura. El espaciamiento centro a centro mínimo en la dirección longitudinal de cualquier línea debe ser dos veces la longitud de la ranura. El espesor de las soldaduras de tapón o de ranura en un material de espesor 16 mm o menor debe ser igual al espesor del material. En materiales con espesores mayores a 16 mm, el espesor de la soldadura debe ser por lo menos un medio del espesor del material pero no menor que 16 mm.

Figura 14 Soldaduras de tapón y ranura 3.4.4

Electrodos de soldadura

La resistencia especificada del electrodo, o número de clasificación FEXX, esta definida de acuerdo al listado siguiente: Electrodo

FEXX (ksi)

FEXX (MPa)

E60

60

415

E70

70

480

E80

80

550

E90

90

620

E100

100

690

E110

110

760

3.5 Conexiones típicas en estructuras de acero

Conexiones viga-columna

3.5.1.

Las conexiones entre las vigas y las columnas son una de las conexiones más frecuentes en las estructuras de acero y concebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no sólo a una decisión de cálculo estructural sino de manera muy significativa, a una decisión del proyecto y la construcción. La conexión entre vigas y columnas se puede resaltar expresivamente en el edificio, dependiendo de su visibilidad.

A. Conexiones de corte: 

Las conexiones de corte son muy utilizadas en las estructuras de acero, tanto apernadas, soldadas y apernadas junto soldadas. Se pueden materializar conectando sólo al alma del miembro soportado, dejando las alas no conectadas. Las conexiones de asiento son las únicas que conectan a las alas del miembro soportado Los ángulos de las conexiones de corte se pueden conectar indistintamente por soldadura o apernados. Las conexiones con ángulos simples tienden a tener menor capacidad de carga que las conexiones con doble ángulo. Aunque las conexiones con planchas de corte son más económicas, su aplicación debe ser evaluada cuidadosamente.

    

B. Conexiones de momento Las conexiones de momento proveen continuidad entre los miembros soportantes y los soportados. Las alas del miembro soportado se fijan indistintamente a un elemento de conexión o directamente al miembro soportante., tanto apernadas, soldadas y apernadas junto soldadas.

3.5.2.

Conexiones Viga Viga

Las conexiones viga-viga son muy frecuentes en estructuras de acero y permiten aprovechar las ventajas estructurales del acero aplicando de una modulación de columnas distanciadas conectadas mediante vigas principales y conectar los componentes que conforman los planos de piso directamente a las vigas principales.

A. DE CORTE   

Apernadas Soldadas Apernadas o soldadas

B. DE MOMENTO   

Apernadas Soldadas Apernadas o soldadas

C. EMPALMES   

Apernadas Soldadas Apernadas o soldadas

3.5.3. Conexiones de empalme columna–columna    3.5.4. 3.5.5. 3.5.6. 3.5.7.

Apernadas Soldadas Apernadas o soldadas

Conexiones columna - fundación Arriostramientos Conexiones en miembros tubulares Conexiones especiales

3.6 Aplicación: 3.6.1

Conexiones Viga Columna - Conexiones de corte:

3.6.2.1 CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE APERNADAS Con DOBLE ÁNGULO apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte.

 

Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller. Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la columna (o de la viga principal, según corresponda).



Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria 3.6.2.2 CONEXIONES VIGA-COLUMNA DE CORTE SOLDADAS

Con DOBLE ÁNGULO soldado en taller al alma de la viga y soldado en obra al alma de la columna (o de la viga principal): (AISC d. 23 y 24)   

Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y la columna. Los ángulos dobles son soldados en taller al alma de la viga Si las alas de las vigas son muy anchas para calzar entre las alas de la columna se deberán rebajar las alas de la viga.

   

Existe la posibilidad de cierta rotación entre la viga y la columna debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna. Esto se debe a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo conector). La soldadura vertical transfiere las cargas del alma de la viga al alma de la columna. La soldadura alrededor del perímetro del ala sobresaliente del ángulo de fijación inhibirá la flexibilidad de la conexión. La soldadura de retorno se dispone en la parte superior de cada angular

3.6.2.3 CONEXIONES APERNADAS

VIGA-COLUMNA

DE

CORTE

SOLDADAS

O

a) Con DOBLE ÁNGULO - soldado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna (o de la viga principal):   

Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga-columna como para conexiones viga a viga (viga secundaria a viga principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte. Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller. Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.



Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Si se trata de una conexión viga columna, se apernan al alma de la columna.



Igualmente que en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).

b) Con PLANCHA EXTREMA DE CORTE soldada en taller al alma de la viga y apernada en obra al ala de la columna:   

Se trata de una conexión de corte ya que las alas de la viga no se aseguran para evitar la rotación de la viga. La plancha de cabeza se suelda al alma de la viga, habiendo hecho previamente las perforaciones para pasar los pernos. En obra se hace la conexión apernada a la columna

c) Con PLANCHA DE CORTE SIMPLE (Single Plate) soldada en taller a la columna y apernada en obra a la viga Como se comentó anteriormente, esta es una conexión simple muy económica y es una conexión de corte por cuanto la placa se fija al alma de la viga.



La plancha de corte es perforada o punzonada y luego soldada en taller al alma de la columna



Luego, es apernada al alma de la viga principal

d) Con ángulos soldados a las alas de la viga en taller y apernadas a la columna en obra: Se trata de una conexión simple o de corte ya que los pernos que fijan el ángulo inferior (asiento) a la columna trabajan al corte.     

Los ángulos son perforados antes de ser soldados a las alas de la viga. El ángulo inferior, denominado asiento es de mayor sección y espesor que el ángulo superior ya que transfiere la reacción de la viga a la columna. El ángulo superior otorga estabilidad a la viga. A diferencia de otras conexiones, esta conexión no se hace alalma sino a las alas de la viga. Tanto el angular de asiento como el de estabilidad tienen acotados su espesor para permitir cierto grado de rotación en la viga.

3.6.2

Conexiones viga-columa Conexión de Momento

Las conexiones de momento proveen continuidad entre los miembros soportantes y los soportados. Las alas del miembro soportado se fijan indistintamente a un elemento de conexión o directamente al miembro soportante. A continuación se presentan algunos ejemplos y soluciones típicas de conexiones de momento viga-columna. Por el momento presentaremos sólo las conexiones de momento viga columna soldadas o apernadas. 3.6.2.1 Conexiones viga-columa de momento soldadas o apernadas a) Con planchas (cartelas) soldadas en taller a la columna y vigas apernadas en obra: Se trata de una conexión de momento ya que las alas superiores e inferiores soldados a la columna evitan la rotación del extremo de la viga.    

La plancha de corte (single plate) se aperna en taller al alma de la viga. Las planchas, superior e inferior, se apernan a las alas de la viga. La plancha de corte es soldada al alma de la columna y trasfiere la fuerza de corte. Las planchas evitan la rotación de la viga y transfieren los momentos a la columna.

b) Con plancha sobresaliente soldada en el extremo de la viga en taller y apernada a la columna en obra: Se trata de una conexión de momento ya que la mayor dimensión de la plancha soldada a la cabeza de la viga evita la rotación del extremo de la viga y transfiere los esfuerzos de momento a la columna.   

La plancha de cabeza se perfora y se suelda en taller al extremo de la viga. Las perforaciones en la columna se ejecutan en taller. Las cartelas atiesadoras en la columna son soldadas en taller para transferir las fuerzas de las alas de la viga.

3.7 concluciones 



No es necesario insistir sobre la importancia que tienen las uniones, pues es suficiente que falle una cualquiera de ellas para ocasionar la ruina total o parcial de la estructura. En consecuencia, en un proyecto de estructura metálica deben estar adecuadamente resueltas todas las costuras. Una unión barata ha de ser fácil de realizar en taller o en la obra y debe estar proyectada de forma que facilite el trabajo del soldador y permita un depósito sencillo y en posición adecuada de los cordones o una colocación sencilla de los tornillos.

3.8 Recomendaciones En el proyecto de una unión entre dos o más piezas de una estructura metálica se tienen que distinguir dos fases principales.  

La primera y más importante es la concepción y diseño general de la misma, eligiendo entre uniones soldadas o atornilladas y dentro de cada tipo el modelo de unión: a tope, en ángulo, con cubrejuntas, con chapa frontal, con casquillos, etc. En la segunda fase, el proyectista ha de comprobar la capacidad portante de la unión elegida. En el caso más general esta comprobación se realiza en tres etapas:  Determinación de los esfuerzos a los que se encuentra sometida la unión, que en general depende de su rigidez, por lo que nos encontraremos ante un problema isostático o hiperestático (donde no es suficiente analizar las leyes de la estática para averiguar los esfuerzos que la solicitan, sino que es preciso tener en cuenta además las deformaciones locales de la propia unión).  Determinación de las tensiones que estos esfuerzos originan en los distintos elementos de la unión (cordones de soldadura, tornillos, casquillos, cartelas, etc.)  Comprobación de que estas tensiones no ocasionan el agotamiento de ninguno de dichos elementos

3.9 Bibliografía Arquitectura Enacero. (s.f.). Recuperado el 10 de Junio de 2013, de http://www.arquitecturaenacero.org/index.php?option=com_content&view=article&id=41&Itemid=3 1 vc.ehu. (s.f.). Recuperado el 14 de Junio de 2013, de http://www.vc.ehu.es/Dtecnico/descargas/tema14.pdf Wikipedia. (13 de Marzo de 2013). Remache. Recuperado el 15 de Junio de 2013, de Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Remache