En varias situaciones estructurales, los ingenieros pueden necesitar evaluar la resistencia de las uniones hechas por soldaduras y sujetadores mecánicos.Hoy en día, los sujetadores mecánicos suelen ser pernos, pero los diseños más antiguos pueden tener remaches.
Esto puede suceder durante las actualizaciones, renovaciones o mejoras de un proyecto.Un nuevo diseño puede requerir pernos y soldaduras para trabajar juntos en una junta donde el material que se va a unir primero se emperna y luego se suelda para proporcionar toda la resistencia a la junta.
Sin embargo, determinar la capacidad de carga total de una junta no es tan simple como sumar la suma de los componentes individuales (soldaduras, pernos y remaches).Tal suposición podría llevar a consecuencias desastrosas.
Las conexiones atornilladas se describen en la Especificación de unión estructural del Instituto Americano de Estructuras de Acero (AISC), que utiliza pernos ASTM A325 o A490 como montaje apretado, precarga o llave deslizante.
Apriete las conexiones bien apretadas con una llave de impacto o un cerrajero usando una llave convencional de doble cara para asegurarse de que las capas estén en contacto apretado.En una conexión pretensada, los pernos se instalan de modo que estén sujetos a cargas de tracción significativas y las placas estén sujetas a cargas de compresión.
1. Gire la tuerca.El método para girar la tuerca consiste en apretar el perno y luego girar la tuerca un poco más, lo que depende del diámetro y la longitud del perno.
2. Calibre la llave.El método de llave calibrada mide el par asociado con la tensión del perno.
3. Perno de ajuste de tensión de tipo torsión.Los pernos de tensión de torsión tienen pequeños pernos en el extremo del perno opuesto a la cabeza.Cuando se alcanza el par requerido, se desenrosca el espárrago.
4. Índice de tracción recta.Los indicadores de tensión directa son arandelas especiales con pestañas.La cantidad de compresión en la orejeta indica el nivel de tensión aplicado al perno.
En términos sencillos, los pernos actúan como pasadores en juntas apretadas y pretensadas, como un pasador de latón que mantiene unida una pila de papel perforado.Las juntas deslizantes críticas funcionan por fricción: la precarga crea una fuerza aerodinámica y la fricción entre las superficies de contacto trabaja en conjunto para resistir el deslizamiento de la junta.Es como una carpeta que mantiene unida una pila de papeles, no porque se perforan agujeros en el papel, sino porque la carpeta presiona los papeles 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 juntas de remache se comportan más como juntas apretadas, pero en este caso, los pasadores son remaches que suelen ser la mitad de fuertes que un perno A325.
Puede ocurrir una de dos cosas cuando una junta fijada mecánicamente se somete a fuerzas de corte (cuando un elemento tiende a deslizarse sobre otro debido a la aplicación de una fuerza).Los pernos o remaches pueden estar a los lados de los agujeros, causando que los pernos o remaches se rompan al mismo tiempo.La segunda posibilidad es que la fricción causada por la fuerza de sujeción de los sujetadores pretensados ​​pueda soportar cargas de corte.No se espera deslizamiento para esta conexión, pero es posible.
Una conexión apretada es aceptable para muchas aplicaciones, ya que un ligero deslizamiento no puede afectar negativamente las características de la conexión.Por ejemplo, considere un silo diseñado para almacenar material granular.Puede haber un ligero deslizamiento al cargar por primera vez.Una vez que ocurre el deslizamiento, no volverá a ocurrir, porque todas las cargas subsiguientes son de la misma naturaleza.
La inversión de carga se utiliza en algunas aplicaciones, como cuando los elementos giratorios están sujetos a cargas de tracción y compresión alternas.Otro ejemplo es un elemento de flexión sometido a cargas totalmente inversas.Cuando hay un cambio significativo en la dirección de la carga, es posible que se requiera una conexión precargada para eliminar el deslizamiento cíclico.Este deslizamiento eventualmente conduce a más deslizamiento en los agujeros alargados.
Algunas articulaciones experimentan muchos ciclos de carga que pueden provocar fatiga.Estos incluyen prensas, soportes de grúas y conexiones en puentes.Se requieren conexiones críticas deslizantes cuando la conexión está sujeta a cargas de fatiga en la dirección inversa.Para este tipo de condiciones, es muy importante que la junta no se deslice, por lo que se necesitan juntas de deslizamiento crítico.
Las conexiones atornilladas existentes se pueden diseñar y fabricar según cualquiera de estos estándares.Las conexiones con remaches se consideran apretadas.
Las juntas soldadas son rígidas.Las juntas de soldadura son complicadas.A diferencia de las juntas atornilladas apretadas, que pueden deslizarse bajo la carga, las soldaduras no tienen que estirarse ni distribuir la carga aplicada en gran medida.En la mayoría de los casos, los sujetadores mecánicos soldados y de rodamiento no se deforman de la misma manera.
Cuando se utilizan soldaduras con sujetadores mecánicos, 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 mezclar sujetadores mecánicos 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 cojinete (es decir, donde el perno o remache actúa como pasador), no se debe considerar que los sujetadores mecánicos compartan la carga con la soldadura.Si se utiliza soldadura, deben proporcionarse para soportar la carga completa en la unión.Sin embargo, se permiten conexiones soldadas a un elemento y remachadas o atornilladas a otro elemento.
Cuando se utilizan sujetadores mecánicos de tipo rodamiento y se agregan soldaduras, la capacidad de carga del perno se desprecia en gran medida.De acuerdo con esta disposición, la soldadura debe estar diseñada para transferir todas las cargas.
Esto es esencialmente lo mismo que AISC LRFD-1999, cláusula J1.9.Sin embargo, el estándar canadiense CAN/CSA-S16.1-M94 también permite el uso independiente cuando la potencia del sujetador o perno mecánico es mayor que la de la soldadura.
En esta materia, tres criterios son consistentes: las posibilidades de fijaciones mecánicas del tipo rodamiento y las posibilidades de soldaduras no se suman.
La Sección 2.6.3 de 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, atornilladas a la derecha.Aquí se puede tener en cuenta la potencia total de soldaduras y pernos.Cada parte de la conexión completa funciona de forma independiente.Así, este código es una excepción al principio contenido en la primera parte de 2.6.3.
Las reglas que acabamos de discutir se aplican a los edificios nuevos.Para 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 reglas exigen que si un remache o perno solo se sobrecarga con cargas estáticas o se somete a cargas cíclicas (fatiga), se debe agregar suficiente metal base y soldaduras para soportar la carga total.
La distribución de carga entre fijaciones mecánicas y soldaduras es aceptable si la estructura está precargada, es decir, si se ha producido deslizamiento entre los elementos conectados.Pero solo se pueden colocar cargas estáticas en sujetadores mecánicos.Las cargas vivas que puedan dar lugar a un mayor deslizamiento deben protegerse mediante el uso de soldaduras capaces de soportar toda la carga.
Las soldaduras deben usarse para resistir todas las cargas aplicadas o dinámicas.Cuando los sujetadores mecánicos ya están sobrecargados, no se permite compartir la carga.Bajo carga cíclica, no se permite compartir la carga, ya que la carga puede provocar un deslizamiento permanente y una sobrecarga de la soldadura.
ilustración.Considere una junta de traslape que originalmente estaba bien atornillada (vea la Figura 2).La estructura agrega potencia adicional y se deben agregar conexiones y conectores para proporcionar el doble de fuerza.En la fig.3 muestra el plan básico para reforzar los elementos.¿Cómo se debe hacer la conexión?
Dado que el acero nuevo tenía que unirse al acero viejo mediante soldaduras de filete, el ingeniero decidió agregar algunas soldaduras de filete en la unión.Dado que los pernos aún estaban en su lugar, la idea original era agregar solo las soldaduras necesarias para transferir la potencia adicional al nuevo acero, esperando que el 50 % de la carga pasara por los pernos y el 50 % de la carga pasara por las nuevas soldaduras.¿Es aceptable?
Supongamos primero que actualmente no se aplican cargas estáticas a la conexión.En este caso, se aplica el párrafo 2.6.3 de AWS D1.1.
En esta unión de tipo rodamiento, no se puede considerar que la soldadura y el perno compartan la carga, por lo que el tamaño de soldadura especificado debe ser lo suficientemente grande para soportar toda la carga estática y dinámica.La capacidad portante de los pernos en este ejemplo no se puede tener en cuenta, porque sin una carga estática, la conexión estará en un estado flojo.La soldadura (diseñada para soportar la mitad de la carga) inicialmente se rompe cuando se aplica la carga completa.Entonces el perno, también diseñado para transferir la mitad de la carga, intenta transferir la carga y se rompe.
Suponga además que se aplica una carga estática.Además, se supone 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 soldaduras nuevas solo necesitan soportar mayores cargas estáticas y vivas generales.Las cargas muertas existentes se pueden asignar a sujetadores mecánicos existentes.
Bajo carga constante, la conexión no se hunde.En cambio, los pernos ya soportan su carga.Ha habido algún deslizamiento en la conexión.Por lo tanto, se pueden utilizar soldaduras que 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.Bajo las condiciones específicas del segundo escenario, la respuesta es sí.
Solo porque se aplica una carga estática, no siempre es posible sacar una conclusión.El nivel de cargas estáticas, la idoneidad de las conexiones mecánicas existentes y la naturaleza de las cargas finales, ya sean estáticas o cíclicas, pueden cambiar 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 de soldadura y consumibles de soldadura en todo el mundo.Los ingenieros y técnicos del Welding Technology Center ayudan a los clientes a resolver problemas de soldadura.
Sociedad Estadounidense 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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