En diversas situaciones estructurales, los ingenieros pueden necesitar evaluar la resistencia de las uniones realizadas mediante soldaduras y elementos de fijación mecánicos. Actualmente, estos elementos suelen ser pernos, pero los diseños más antiguos pueden incluir remaches.
Esto puede ocurrir durante mejoras, renovaciones o ampliaciones de un proyecto. Un nuevo diseño puede requerir que el atornillado y la soldadura trabajen juntos en una unión donde el material a unir primero se atornilla y luego se suelda para proporcionar la máxima resistencia a la unión.
Sin embargo, determinar la capacidad de carga total de una unión no es tan sencillo como sumar las capacidades de sus componentes individuales (soldaduras, pernos y remaches). Suponer esto podría tener consecuencias desastrosas.
Las conexiones atornilladas se describen en la Especificación de Juntas Estructurales del Instituto Americano de Estructuras de Acero (AISC), que utiliza pernos ASTM A325 o A490 como fijación ajustada, precarga o chaveta deslizante.
Apriete bien las conexiones con una llave de impacto o, si es necesario, utilice una llave inglesa convencional de doble cara para asegurar un contacto firme entre las capas. En una conexión pretensada, los pernos se instalan de forma que soporten cargas de tracción significativas, mientras que las placas soportan cargas de compresión.
1. Apriete la tuerca. El método para apretar la tuerca consiste en apretar el perno y luego girar la tuerca una cantidad adicional, que depende del diámetro y la longitud del perno.
2. Calibre la llave. El método de la llave calibrada mide el par de torsión asociado a la tensión del perno.
3. Tornillo de ajuste de tensión de tipo torsión. Los tornillos de tensión de rosca tienen pequeños espárragos en el extremo opuesto a la cabeza. Cuando se alcanza el par de apriete requerido, se desenrosca el espárrago.
4. Indicador de tensión directa. Los indicadores de tensión directa son arandelas especiales con pestañas. La compresión en la pestaña indica el nivel de tensión aplicada al perno.
En términos sencillos, los pernos actúan como pasadores en uniones ajustadas y pretensadas, de forma similar a un pasador de latón que mantiene unida una pila de papel perforado. Las uniones deslizantes críticas funcionan por fricción: la precarga crea una fuerza descendente, y la fricción entre las superficies de contacto actúa conjuntamente para evitar el deslizamiento de la unión. Es como una carpeta que mantiene unida una pila de papeles, no porque se hayan perforado agujeros en el papel, sino porque la carpeta los presiona y la fricción mantiene la pila unida.
Los pernos ASTM A325 tienen una resistencia a la tracción mínima de 150 a 120 kg por pulgada cuadrada (KSI), según el diámetro del perno, mientras que los pernos A490 deben tener una resistencia a la tracción de 150 a 170 KSI. Las uniones remachadas se comportan de forma similar a las uniones ajustadas, pero en este caso, los pasadores son remaches que suelen tener aproximadamente la mitad de la resistencia de un perno A325.
Cuando una unión mecánica se somete a fuerzas cortantes (cuando un elemento tiende a deslizarse sobre otro debido a una fuerza aplicada), pueden ocurrir dos cosas. Los pernos o remaches pueden estar en los laterales de los orificios, provocando que se rompan simultáneamente. La segunda posibilidad es que la fricción generada por la fuerza de sujeción de los elementos de fijación pretensados ​​pueda soportar cargas cortantes. No se espera deslizamiento en esta conexión, pero es posible.
Una conexión ajustada es aceptable para muchas aplicaciones, ya que un ligero deslizamiento no afecta negativamente las características de la conexión. Por ejemplo, consideremos un silo diseñado para almacenar material granular. Puede haber un ligero deslizamiento al cargarlo por primera vez. Una vez que ocurre el deslizamiento, no volverá a suceder, ya que todas las cargas posteriores son de la misma naturaleza.
La inversión de carga se utiliza en algunas aplicaciones, como cuando los elementos giratorios están sometidos a cargas alternas de tracción y compresión. Otro ejemplo es un elemento de flexión sometido a cargas totalmente alternas. Cuando se produce un cambio significativo en la dirección de la carga, puede ser necesaria una conexión precargada para eliminar el deslizamiento cíclico. Este deslizamiento, a la larga, provoca un mayor deslizamiento en los orificios alargados.
Algunas uniones experimentan numerosos ciclos de carga que pueden provocar fatiga. Entre ellas se incluyen prensas, soportes de grúas y conexiones en puentes. Se requieren uniones críticas deslizantes cuando la unión está sometida a cargas de fatiga en sentido inverso. En estas condiciones, es fundamental que la unión no se deslice, por lo que se necesitan uniones críticas deslizantes.
Las conexiones atornilladas existentes pueden diseñarse y fabricarse conforme a cualquiera de estas normas. Las conexiones remachadas se consideran ajustadas.
Las uniones soldadas son rígidas. Las uniones con soldadura por puntos son más complejas. A diferencia de las uniones atornilladas, que pueden deslizarse bajo carga, las soldaduras no necesitan estirarse y distribuyen la carga aplicada en gran medida. En la mayoría de los casos, los elementos de fijación mecánicos soldados y los de tipo cojinete no se deforman de la misma manera.
Cuando se utilizan soldaduras con fijaciones mecánicas, la carga se transfiere a través de la parte más dura, por lo que la soldadura puede soportar casi toda la carga, compartiendo muy poca con el perno. Por eso se debe tener cuidado al soldar, atornillar y remachar. Especificaciones. AWS D1 resuelve el problema de combinar fijaciones mecánicas y soldaduras. Especificación 1:2000 para soldadura estructural – acero. El párrafo 2.6.3 establece que para remaches o pernos utilizados en uniones de tipo apoyo (es decir, donde el perno o remache actúa como pasador), las fijaciones mecánicas no deben considerarse para compartir la carga con la soldadura. Si se utiliza soldadura, deben proporcionarse para soportar la carga total en la unión. Sin embargo, se permiten conexiones soldadas a un elemento y remachadas o atornilladas a otro elemento.
Al utilizar elementos de fijación mecánicos de tipo apoyo y añadir soldaduras, la capacidad de carga del perno se suele ignorar. Según esta normativa, la soldadura debe diseñarse para transferir todas las cargas.
Esto es esencialmente lo mismo que la cláusula J1.9 de AISC LRFD-1999. Sin embargo, la norma canadiense CAN/CSA-S16.1-M94 también permite el uso independiente cuando la potencia del sujetador mecánico o perno es mayor que la de la soldadura.
En este sentido, tres criterios son consistentes: las posibilidades de fijación mecánica del tipo de rodamiento y las posibilidades de soldadura no coinciden.
La sección 2.6.3 de la norma AWS D1.1 también analiza situaciones en las que se pueden combinar pernos y soldaduras en una unión de dos partes, como se muestra en la Figura 1. Soldaduras a la izquierda, pernos a la derecha. Aquí se puede considerar la fuerza total de las soldaduras y los pernos. Cada parte de la conexión funciona de forma independiente. Por lo tanto, esta norma constituye una excepción al principio establecido en la primera parte de la sección 2.6.3.
Las reglas que acabamos de analizar se aplican a los edificios nuevos. Para las estructuras existentes, la cláusula 8.3.7 D1.1 establece que cuando los cálculos estructurales muestran que un remache o perno se sobrecargará con una nueva carga total, solo se le debe asignar la carga estática existente.
Las mismas normas exigen que, si un remache o perno solo se sobrecarga con cargas estáticas o se somete a cargas cíclicas (de fatiga), se debe añadir suficiente metal base y soldaduras para soportar la carga total.
La distribución de la carga entre los elementos de fijación mecánicos y las soldaduras es aceptable si la estructura está precargada, es decir, si se ha producido deslizamiento entre los elementos conectados. Sin embargo, solo se pueden aplicar cargas estáticas a los elementos de fijación mecánicos. Las cargas variables que pueden provocar un mayor deslizamiento deben protegerse mediante soldaduras capaces de soportar la totalidad de la carga.
Las soldaduras deben estar diseñadas para soportar todas las cargas aplicadas o dinámicas. Cuando los elementos de fijación mecánicos ya están sobrecargados, no se permite la distribución de carga. Bajo carga cíclica, tampoco se permite la distribución de carga, ya que esta puede provocar deslizamiento permanente y sobrecarga de la soldadura.
Ilustración. Consideremos una junta solapada que originalmente estaba atornillada firmemente (véase la figura 2). La estructura añade potencia adicional, por lo que se deben agregar conexiones y conectores para duplicar la resistencia. La figura 3 muestra el plan básico para reforzar los elementos. ¿Cómo se debe realizar la conexión?
Dado que el acero nuevo debía unirse al acero antiguo mediante soldaduras de filete, el ingeniero decidió añadir algunas soldaduras de filete en la junta. Como los pernos seguían en su lugar, la idea original era añadir solo las soldaduras necesarias para transferir la potencia adicional al acero nuevo, previendo que el 50 % de la carga se transmitiría a través de los pernos y el otro 50 % a través de las nuevas soldaduras. ¿Es esto aceptable?
Supongamos primero que actualmente no se aplican cargas estáticas a la conexión. En ese caso, se aplica el párrafo 2.6.3 de AWS D1.1.
En este tipo de unión de apoyo, la soldadura y el perno no pueden considerarse como portadores de la carga, por lo que el diámetro de la soldadura debe ser lo suficientemente grande para soportar toda la carga estática y dinámica. La capacidad de carga de los pernos en este ejemplo no se puede tener en cuenta, ya que sin carga estática, la conexión estará floja. La soldadura (diseñada para soportar la mitad de la carga) se rompe inicialmente al aplicarse la carga completa. Entonces, el perno, también diseñado para transferir la mitad de la carga, intenta transferirla y se rompe.
Supongamos además que se aplica una carga estática. Asimismo, se asume que la conexión existente es suficiente para soportar la carga permanente existente. En este caso, se aplica el párrafo 8.3.7 D1.1. Las nuevas soldaduras solo deben soportar cargas estáticas y cargas vivas generales incrementadas. Las cargas muertas existentes pueden asignarse a los elementos de fijación mecánicos existentes.
Bajo carga constante, la conexión no se comba. En cambio, los pernos ya soportan su carga. Se ha producido cierto deslizamiento en la conexión. Por lo tanto, se pueden utilizar soldaduras, ya que estas pueden transmitir cargas dinámicas.
La respuesta a la pregunta "¿Es esto aceptable?" depende de las condiciones de carga. En el primer caso, en ausencia de carga estática, la respuesta será negativa. En las condiciones específicas del segundo escenario, la respuesta es afirmativa.
El mero hecho de aplicar una carga estática no siempre permite llegar a una conclusión. El nivel de cargas estáticas, la idoneidad de las conexiones mecánicas existentes y la naturaleza de las cargas en los extremos —ya sean estáticas o cíclicas— pueden modificar la respuesta.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Gerente del Centro de Tecnología de Soldadura, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric fabrica equipos y consumibles de soldadura a nivel mundial. Los ingenieros y técnicos del Centro de Tecnología de Soldadura ayudan a los clientes a resolver problemas de soldadura.
Sociedad Americana de Soldadura, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, teléfono 305-443-9353, fax 305-443-7559, sitio web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, teléfono 610-832-9585, fax 610-832-9555, sitio web www.astm.org.
Asociación Estadounidense de Estructuras de Acero, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, teléfono 312-670-2400, fax 312-670-5403, sitio web www.aisc.org.
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