ESTRUCTURAS DE ACERO UNIDAD 5: CONEXIONES ESTRUCTURALES

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CAMPECHE

Pérez Ibarra Jaime Raúl

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ÍNDICE

1. Introducción……………………………………………………………….….5

5.- Conexiones Estructurales………………………………………………...…………...6

5.1 Conexiones remachadas, atornilladas y soldadas ……………………………6

5.2 Eficiencia y diseño de conexiones………………………………..………...20

5.3 Modo de falla de las conexiones remachadas….…………………………...32

5.4 Ventajas y desventajas de las conexiones soldadas …………………….….34

6 Conclusión…………………………………………………………………..37

7 Bibliografía……………………………………………………………….. ..38

3

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1……………………………………………………………………………….7

Figura 2…………………………………………………………………………….....13

Figura 3……………………………………………………………………………….19

Figura 4………………………………………………………………………….......19

Figura 5………………………………………………………………………...……20

Figura 6. …………………………………………………………………………….23

Figura 7. …………………………………………………………………………….23

Figura 8. …………………………………………………………………………….24

Figura 9. …………………………………………………………………………….24

Figura 10…………………………………………………………………………….24

Figura 11…………………………………………………………………………….25

Figura 12…………………………………………………………………………….26

Figura 13…………………………………………………………………………….26

Figura 14…………………………………………………………………………….26

Figura 15…………………………………………………………………………….27

Figura 16…………………………………………………………………………….27

Figura 17…………………………………………………………………………….27

Figura 18…………………………………………………………………………….28

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Figura 19…………………………………………………………………………….28

Figura 20…………………………………………………………………………….29

Figura 21…………………………………………………………………………….30

Figura 22…………………………………………………………………………….30

Figura 23…………………………………………………………………………….31

Figura 24…………………………………………………………………………….31

Figura 25…………………………………………………………………………….36

Figura 26…………………………………………………………………………….36

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1…………………………………………………………………………….7

Tabla 2…………………………………………………………………………….13

Tabla 3…………………………………………………………………………….13

5

INTRODUCCION

El siguiente trabajo de investigación se basa en los temas de la unidad 5 de la

asignatura de Estructuras de acero. El tema principal lleva el nombre de Conexiones

estructurales y contiene los siguientes subtítulos: Conexiones remachadas, atornilladas y

soldadas, en el cual se desarrollan los tipos de conexiones a los que pueden ser sometidas las

diversas estructuras de acero para generar una mayor estabilidad en ellas. El siguiente

subtema trata sobre la eficiencia y la forma en como están diseñadas estas conexiones.

Seguidamente tenemos los modos en los cuales las conexiones remachadas pueden llegar a

fallar, para tener un conocimiento sobre ellas y poder llegar a resolverlas de la mejor manera.

El último subtema de la unidad consiste en conocer las ventajas y desventajas que podemos

recibir de las uniones soldadas en las diferentes estructuras.

A continuación se explicaran los temas antes mencionados con el fin de conocer,

examinar, y elegir los mejores tipos de conexiones y en dado caso, cuál de ellas sería la mejor

opción para utilizar en nuestros futuros proyectos arquitectónicos.

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5. CONEXIONES ESTRUCTURALES

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.

5.1 CONEXIONES REMACHADAS, ATORNILLADAS Y SOLDADAS.

Desde hace muchos años, los remaches han caído en desuso, en virtud de las grandes

ventajas que ofrecen otros medios de unión, como son los tornillos de alta resistencia y las

soldaduras. No obstante, en este manual se incluye información general de los remaches, ya

7

que en algunas ocasiones es necesario reforzar estructuras antiguas de acero y es difícil

remitirse a literatura de la época anterior.

Fig. 1

Tabla 1.

8

TORNILLOS

La mayor parte de las especificaciones referentes al diseño de estructuras de acero

reconocen como medios de unión entre sus elementos, a los remaches, los tornillos y la

soldadura. Desde hace muchos años, los remaches fueron los elementos de unión de

estructuras de acero más comunes en el siglo XIX y hasta mediados del XX, pero en la

actualidad han desaparecido ya en la práctica y no se emplean en construcciones nuevas, ni

en el taller, ni en la obra, pues han sido sustituidos, con ventaja, por la soldadura y los tornillos

de alta resistencia. Sin embargo, la importancia, cada vez mayor, de la evaluación,

rehabilitación y refuerzo de estructuras existentes, hace que sea indispensable el

conocimiento de las uniones remachadas. Si se conoce la época en que se construyó una

estructura de acero remachada, puede ser posible obtener las propiedades mecánicas de los

remaches utilizados en ella, recurriendo a literatura técnica de la época; en caso contrario,

será necesario realizar en sayes mecánicos y químicos de laboratorio para determinar esas

características. Actualmente, se utilizan dos tipos de tornillos, los llamados comunes y los de

alta resistencia. Se designan, con el nombre que les dan las normas de ASTM para especificar

sus características químicas y mecánicas, los primeros como tornillos A-307 y los de alta

resistencia como tornillos A-325 (H-124) ó A-490 (H-123). ASTM A-307 (H-118)

Sujetadores de acero al carbono con rosca estándar exterior (Fu= 414 MPa; 4 220 kg/cm2 ).

ASTM A-325 (H-124) Tornillos de alta resistencia para conexiones entre elementos de acero

estructural [Fu= 830 MPa (8 440 kg/cm2 ) para diámetros de 13 a 25 mm (1/2 a 1 pulg.), Fu=

725 MPa (7 380 kg/cm2 ) para diámetros de 29 y 38 mm (1 1/8 y 1 1/2 pulg.)]. ASTM A-

490 (H-123) Tornillos de acero aleado tratado térmicamente para conexiones entre elementos

de acero estructural (Fu= 1 035 MPa, 10 550 kg/cm2 ). Estas normas se complementan con

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las de la última versión de “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural

Joints Using ASTM A-325 or A-490 Bolts”, del Consejo de Investigación en Conexiones

Estructurales (Research Council on Structural Connections). Tornillos comunes A-307 (H-

118) Son, históricamente, el primer medio de unión utilizado en estructuras de acero; en la

actualidad tienen una aplicación estructural muy limitada ya que su resistencia es reducida y

no se recomiendan cuando pueden esperarse cambios de signo en los esfuerzos de las piezas

de acero que conectan o cuando la estructura esté sometida a cargas dinámicas (sismo,

principalmente).

En este sentido, las especificaciones del AISC fijan una serie de casos concretos en

que los tornillos A-307 no deben usarse. No se usarán para uniones entre tramos de columnas

en estructuras esbeltas: a) Que tengan una altura de más de 60 m. b) Que tengan una altura

de entre 30 y 60 m, cuando la base es menor del 40% de la altura. c) Que tengan una altura

cualquiera si la base mide menos de 25% de la altura. No se usará en estructuras que deban

soportar trabes grúa. No se usarán donde haya máquinas o alguna carga viva que produzca

impacto o reversión de esfuerzos. Sin embargo, en estructuras ligeras en que los problemas

mencionados no aparecen, así como en conexiones de elementos secundarios tales como

largueros de techo, constituyen una buena solución pues son económicos y su manejo y

colocación es muy simple. Tornillos de alta resistencia A-325 (NOM-H-118) y A-490

(NOM-H-123). Basan su capacidad en el hecho de que pueden quedar sometidos a una gran

fuerza de tensión controlada que aprieta firmemente los elementos de la conexión. Las

ventajas de este apriete firme se conocen desde hace tiempo, pero su aplicación práctica en

estructuras proviene de 1951 en que se publicaron las primeras especificaciones para regir su

utilización. Desde entonces los tornillos de alta resistencia se han venido utilizando en forma

10

creciente en Estados Unidos y en las dos últimas décadas, también en México. A partir de

951, las especificaciones relativas a estos tornillos se han modificado varias veces para poder

incluir los resultados de las investigaciones que, en forma caso continua, se han venido

realizando en torno a ellos. Los primeros tornillos de alta resistencia que se desarrollaron y

aún los más comúnmente usados son los A-325 (H-124); posteriormente y con objeto de

contar con capacidades aún mayores, se desarrollaron los A-490 (H-123), ambos se obtienen

de aceros al carbón tratados térmicamente. Los tornillos A-325 (H-124) se marcan, para

distinguirlos, con la leyenda: A-325 y tres líneas radicales en su cabeza; la tuerca tiene tres

marcas espaciadas de 120º. Los tornillos A-490 (H-123) se marcan con su nombre en la

cabeza y con la leyenda 2H ó DH en la tuerca. Las últimas normas reconocen 3 tipos distintos

de tornillos A-325 (H-124); los tornillos tipo 1 son los originales y cuando se solicitan

simplemente tornillos A-325 (H-124) son los que se suministran. Son los más utilizados.

Los tornillos tipo 2 (A-325 ó H-124) se fabrican con acero martensítico de bajo

carbono, para distinguirlos se marcan con líneas radicales a 60º en vez de 120º como los de

tipo 1. Los tornillos A-325 (H-124) tipo 3 se caracterizan por tener una alta resistencia a la

corrosión, suelen usarse con aceros de características similares a ellos. Se marcan con la

leyenda A-325 subrayada, la tuerca se marca con el número 3. En México los únicos usados

en forma extensa han sido los de tipo 1. Inicialmente los tornillos de alta resistencia consistían

en un tornillo, una tuerca y dos rondanas; actualmente las dimensiones de la cabeza y de la

tuerca se han diseñado de tal forma que se puede, en muchos casos, prescindir totalmente de

las rondanas y usar en los demás, una sola. Características químicas y mecánicas de los

tornillos de alta resistencia La composición química de los tornillos de alta resistencia, junto

con el tratamiento térmico a que son sometidos, les proporciona sus características de

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resistencia; el contenido de carbono y de manganeso es la variable más significativa en los

tornillos A-325 (H-124). En los A-490 (H-123) el contenido de carbono se fija y el elemento

de aleación se deja abierto para poder proporcionar los distintos caminos las propiedades

mecánicas requeridas. Aunque, cuando es posible, los tornillos deben someterse a una prueba

de tensión para probar su resistencia; a menudo son demasiado cortos para que la prueba

directa de tensión se pueda realizar, se recurre entonces a controlar la resistencia,

indirectamente, a través de una prueba de dureza. Se realizan con ese fin las pruebas Brinell

ó Rockell. Tipos de juntas con tornillos de alta resistencia Las juntas que transmiten fuerza

cortante entre las partes conectadas se diseñan para que la transmisión se haga por

aplastamiento entre los tornillos y las partes conectadas, o por fricción entre éstas. Las

primeras se denominan juntas “por aplastamiento” (bearing type joints), las segundas “de

fricción” o de “deslizamiento crítico” (slip-critical joints). Las segundas se caracterizan

porque la transmisión de las fuerzas que actúan en la conexión se logra únicacmente por la

fricción que se desarrolla entre los elementos que la constituyen. En estas juntas el

deslizamiento entre las piezas que se unen no es aceptable, se considera que el deslizamiento

equivaldría a la falla, los coeficientes de seguridad contra el deslizamiento se aceptan

pequeños pues las consecuencias de su ocurrencia no son graves. La magnitud de la fricción

depende de la fuerza de tensión en el tornillo y de las características de la superficie de los

elementos que se conectan. Aunque es cierto que en las juntas de fricción los tornillos no

trabajan a esfuerzo cortante tradicionalmente se ha venido estableciendo un esfuerzo cortante

permisible ficticio.

Para la determinación del número de tornillos que se requieren en una junta, esto ha

permitido tratar el diseño de juntas con tornillos de fricción con los mismos criterios con que

12

durante mucho tiempo, se han proporcionado las juntas remachadas. Las conexiones de

fricción se especifican como necesarias en todos aquellos casos en que se esperan inversiones

de esfuerzos y en los que en condiciones de trabajo, el deslizamiento se considera indeseable.

Hay ocasiones en que la inversión de esfuerzos no ocurre y en que, al colocar los tornillos,

la carga muerta los presiona contra los lados del agujero, entonces el trabajo de la junta puede

ser por aplastamiento y por cortante y se presentan entonces las conexiones llamadas de

aplastamiento. Si bien, también en estas juntas, la tensión en el tornillo, que es la misma que

en juntas de fricción que probablemente podría tomar las cargas de trabajo, está en realidad

no se requiere. En estas juntas se puede sacar ventaja de la resistencia de los tornillos, sobre

todo si se logra que la rosca se encuentre fuera de los planos de corte. Con el fin de lograr

esto en lo posible, los tornillos de alta resistencia tienen una rosca bastante corta. En

estructuras para puentes los tornillos en juntas de aplastamiento se limitan a piezas que solo

trabajan a compresión a miembros secundarios, se exige además que en todos los casos la

rosca se excluya de los planos de corte. Para mantener su fricción es necesario que las

superficies estén libres de todo elemento que la disminuya, se prohíbe por ello, que haya

aceite, pintura, oxido suelto, etc. Dada la importancia de este hecho, las últimas

especificaciones reconocen nueve condiciones distintas en que se pueden encontrar las

superficies de la junta y asocian a cada una de ellas un esfuerzo permisible diferente,

reconociendo las diferencias existentes al coeficiente de fricción. En los planos debe

indicarse si los tornillos de juntas por aplastamiento han de apretarse hasta darles la tensión

mínima especificada. Instalación Dependiendo del tipo de conexión, puede, o no, requerirse

que los tornillos se instalen apretándolos hasta que haya en ellos una tensión especificada

mínima, no menor que la dada en la tabla 5.6. El apriete puede hacerse por alguno de los

métodos siguientes: vuelta de la tuerca, con un indicador directo de tensión, una llave

13

calibrada, o con un tornillo de diseño especial. Por lo tanto, los tornillos de alta resistencia se

instalan de modo que queden sometidos a una fuerza mínima de tensión especificada. Esta

fuerza es de aproximadamente el 70% de la resistencia a tensión del tornillo, se denomina

carga de prueba y es normalmente algo menor al límite de proporcionalidad del tornillo. La

tensión especificada se puede dar haciendo uso de un indicador directo de tensión o usando

cualquiera de otros dos métodos que también se especifican en las normas y que se basan en

el hecho de que la tensión en el tornillo se puede relacionar con dos cantidades observables,

el alargamiento del tornillo y el giro de la tuerca. El primero de estos métodos consigue la

tensión usando llaves calibradas, el segundo dando un giro especificado a la tuerca.

Fig. 2

Tabla 2

Tabla 3

14

SOLDADURAS

Definición de soldadura: Resultado de la operación de soldar. Proceso mediante el

cual se unen piezas de acero con la aplicación de calor, con o sin fusión, con o sin adición de

material de relleno y con o sin aplicación de presión. Las soldaduras se clasifican de acuerdo

con la posición, forma y preparación de las juntas. El tipo de soldadura estructural aplicable

en la construcción metálica es el de arco eléctrico con electrodo metálico, aplicado manual,

semiautomática o automáticamente. Los procesos aprobados en las normas de diseño que se

mencionan en este manual son la soldadura manual con electrodo recubierto, la soldadura

automática de arco sumergido, la protegida con gases y la soldadura con electrodo con

corazón de fundente. Pueden utilizarse otros procesos si se califican adecuadamente para los

casos en que se vayan a utilizar. Tipos de juntas Existen cinco tipos básicos de juntas soldadas

que se emplean en las estructuras de acero: a tope, en esquina, en Té, traslapada y de borde

o de orilla. Esta nomenclatura se refiere a la posición relativa que guardan entre sí las piezas

que sevan a soldar. Ni la forma geométrica de los cordones ni la preparación de los bordes

de la junta influyen en la clasificación de filete o de ranura. Junta a tope La junta a tope se

usa principalmente para unir los extremos de placas planas que tienen igual o

aproximadamente el mismo espesor. La ventaja de este tipo de junta es la eliminación de la

excentricidad, que se presenta en las juntas traslapadas sencillas; al usarse con soldaduras de

penetración completa, este tipo de junta minimiza el tamaño de la conexión. Su desventaja

estriba en la necesidad de preparar los bordes y alisarlos cuidadosamente antes de aplicar la

soldadura; por esto la mayor parte de las juntas a tope se hace en taller, donde es más fácil

regular el proceso de soldadura. Junta en esquina La junta en esquina se utiliza en especial

para formar secciones rectangulares de tipo cajón destinadas a columnas y también vigas que

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estarán sometidas a elevados esfuerzos torsionantes. Junta traslapada La junta traslapada se

emplea debido a las siguientes ventajas: las piezas destinadas a conectarse no requieren de

una fabricación tan precisa como en los demás tipos de juntas y pueden desplazarse

ligeramente para absorber pequeños errores de fabricación. Los bordes de las piezas no

necesitan de una preparación especial y se cortan generalmente con soplete. La unión entre

las partes se puede efectuar con soldadura de filete pudiendo hacerse ésta tanto en campo

como en taller. Finalmente, la junta traslapada permite conectar fácilmente placas de distinto

espesor como en el caso particular de los nudos en las armaduras.

Junta en Té: La junta en Té se emplea en la fabricación de trabes armadas, en la

conexión de atiesadores, ménsulas, etc. La soldadura puede ser de filete o de ranura. Junta de

borde Las juntas de borde no son, en muchos casos, condideradas como juntas estructurales

ya que se utilizan para obtener un acabado adecuado, impedir el paso de líquidos o gases

entre las dos placas o mantenerlas alineadas. Uso de juntas soldadas El uso de una u otra

junta depende de numerosas consideraciones prácticas y de diseño, entre las que se

encuentran la posición de las soldaduras, el tamaño y forma de los miembros estructurales

que concurren en la junta, las solicitaciones a que estarán sometidas, los costos relativos, el

proceso utilizado para depositar el metal de aportación, la habilidad de los soldadores

disponibles, etc; en muchos casos, la única manera de saber cómo se comportará una junta

con respecto a estos parámetros es realizar pruebas no destructivas y destructivas en juntas

modelo en condiciones análogas a las que se presentarán en las estructuras reales. Hay, sin

embargo, un número considerable de tipos de juntas que han demostrado eficiencia a través

de repetidas pruebas de laboratorio y de su empleo con éxito durante los daños en estructuras

reales, por lo que se sabe que, utilizándolas, se pueden obtener soldaduras de buena calidad

16

siempre que sean efectuadas por operarios capacitados y que se empleen en cada caso los

electrodos y procesos adecuados. A estas juntas se le da el nombre de “precalificadas” y

pueden utilizarse sin necesidad de efectuar pruebas previas. Tipos de soldaduras Los cuatro

tipos fundamentales de soldaduras estructurales son de filete, penetración, tapón y ranura.

Las de penetración se subdividen en soldaduras de penetración completa y parcial. Cada tipo

de soldadura tiene su propio símbolo. 1) Soldaduras de filete. Se obtienen depositando un

cordón de metal de aportación en el ángulo diedro formado por dos piezas. Su sección

transversal es aproximadamente triangular. 2) Soldaduras de penetración. Se obtienen

depositando metal de aportación entre dos placas que pueden, o no, estar alineadas en un

mismo plano. Pueden ser de penetración completa o parcial, según que la fusión de la

soldadura y el metal base abarque todo o parte del espesor de las placas, o de la más delgada

de ellas. 3) Soldaduras de tapón. Las soldaduras de tapón se hacen en placas traslapadas o

superpuestas, rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero circular, hecho

en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra placa. 4) Soldaduras de ranura. Las

soldaduras de ranura se hacen en placas superpuestas o traslapadas, rellenando por completo,

con metal de aportación, un agujero alargado, hecho en una de ellas, cuyo fondo está

constituido por la otra placa.

Metal de aportación: Se usará el electrodo, o la combinación de electrodo y fundente,

adecuados al metal base que se esté soldando, teniendo especial cuidado en aceros con altos

contenidos de carbón y otros alimentos aleados, y de acuerdo con la posición en que se

deposite la soldadura estructural. Se seguirán las instrucciones del fabricante respecto a los

patrámetros que controlan el proceso de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad y

tipo de corriente. La resistencia del material depositado con el electrodo será compatible con

17

la del metal base. Soldadura compatible con el metal base Para que una soldadura sea

compatible con el metal base, tanto el esfuerzo de fluencia mínimo como el esfuerzo mínimo

de ruptura en tensión del metal de aportación depositado, sin mezclar con el metal base, deben

ser iguales o ligeramente mayores que los correspondientes del metal base. Por ejemplo, las

soldaduras obtenidas con electrodos E60XX o E70XX, que producen metal de aportación

con esfuerzos mínimos especificados de fluencia de 331 y 365 MPa (3 400 y 3 700 kg/cm2),

respectivamente, y de ruptura en tensión de 412 y 481 MPa (4 200 y 4 900 kg/cm2 ), son

compatibles con el acero A36, cuyos esfuerzos mínimos especificados de fluencia y ruptura

en tensión son 250 y 400 MPa (2530 y 4 080 kg/cm2 ), respectivamente. Posiciones de la

soldadura Desde el punto de vista de la posición que ocupa el operario con respecto a la junta

durante la ejecución de las soldaduras, éstas se clasifican en soldaduras en posición plana,

horizontal, vertical y sobre cabeza. Se considera que una soldadura se efectúa en posición

plana cuando el metal de aportación se deposita desde el lado superior de la junta y la cara

visible de la soldadura es aproximadamente horizontal. En una soldadura en posición

horizontal el metal de aportación se coloca sobre una superficie también horizontal y contra

otra vertical, de manera que en caso común de un filete de lados iguales, la inclinación de la

cara exterior es de 45º. Si la soldadura es de ranura, su eje es una recta horizontal y la cara

exterior se encuentra en un plano vertical. La posición vertical es aquella en la que el eje de

la soldadura forma una recta vertical y en las soldaduras sobre cabeza el metal de aportación

se coloca desde la parte inferior de la junta. La importancia de la posición en que se efectúa

la soldadura estriba en su grado de dificultad. Se han enumerado, en orden creciente de

dificultad, las soldaduras más fá- ciles, en las que los rendimientos del electrodo y soldador

son máximos, y en las que se reducen a un mínimo las posibilidades de que haya defectos;

éstas son las que se realizan en posición plana. Las más difíciles son las depositadas sobre

18

cabeza; por consiguiente, las estructuras deben diseñarse y fabricarse de manera que la mayor

parte de las soldaduras, tanto de taller como de campo, se efectúen en posición plana y se

reduzcan a un mínimo o aún se eliminen las soldaduras sobre cabeza. Las soldaduras

manuales de taller deben hacerse en posición plana siempre que sea posible, para lo cual, si

es necesario, se mueven o giran las piezas por soldar de modo que el operario tenga acceso

por la parte superior de la junta; si esto es posible o muy dificil de lograr, pueden hacerse en

posición horizontal y algunos cordones cortos y de poca importancia estructural depositarse

en posición vertical.

Las juntas de campo deben diseñarse de manera que la mayor cantidad posible de

soldadura se coloque en posición plana u horizontal sobre todo en esta última ya que las

soldaduras planas son raras en juntas de campo. Aunque las soldaduras verticales y sobre

cabeza presentan más dificultades que las planas u horizontales, cuando se hacen

correctamente tienen la misma resistencia que éstas por lo que su empleo no se traduce en

ninguna reducción de la capacidad de carga; sin embargo pueden incrementar el costo de la

estructura en forma apreciable. Como se mencionó anteriormente, las juntas en “te” pueden

conectarse con soldadura de filete o de ranura; estas últimas, así como las juntas a tope,

pueden ser de penetración completa o de penetración parcial y en ambos casos existen juntas

precalificadas. En una junta con penetración completa, el metal de aportación debe tener

acceso a todo el espesor de las piezas que van a unirse puesto que tienen que quedar ligadas

entre sí en toda el área de la sección transversal; si la junta es de penetración incompleta,

debe obtenerse el grado de penetración especificado. En las placas delgadas puede lograrse

una penetración completa colocándolas una frente a la otra, ya sea en contacto o dejando un

espacio entre sus bordes y depositando el metal de aportación por un solo lado de la junta o

19

por los dos. En la figura se muestran los gruesos máximos de las placas para las que puede

seguirse ese procedimiento en juntas a tope soldadas manualmente con electrodo recubierto.

En los dos primeros casos, las placas son lo suficientemente delgadas como para que la

soldadura las funda totalmente y en los otros dos se deja una separación para que el metal de

aportación penetre entre los bordes. Para obtener una penetración completa en material más

grueso es necesario preparar los bordes de las piezas que se van a unir, dándoles la forma

adecuada para que el electrodo tenga acceso y se pueda depositar el metal de aportación en

todo el espesor.

Fig.3

Fig.4

20

Fig.5

5.2 EFICIENCIA Y DISEÑO DE CONEXIONES

En las conexiones de acero laminado en frío se usa generalmente la soldadura, los

tornillos, los remaches fríos, las pijas, la costura de metal y los adhesivos. La Sección E del

AISI 1996 solo considera conexiones a base de soldadura, tornillos y pijas. Tradicionalmente

se han usado las conexiones atornilladas y soldadas para unir miembros estructurales de

acero. Las conexiones atornilladas requieren del habilitado previo de agujeros en los

miembros a conectar para la colocación de tornillos. El tornillo estructural típico es el tornillo

de alta resistencia que consiste normalmente de una cabeza hexagonal con vástago roscado

para recibir una tuerca. Las conexiones soldadas requieren de procedimientos estandarizados

de aplicación de calor para fundir los extremos de los miembros a conectar, formando una

unión homogénea. La fuente de calor normalmente la origina la resistencia del metal al paso

de la corriente eléctrica. Las pijas son similares a los tornillos, excepto que son más pequeñas

21

y no requieren de tuerca para apretar la conexión. Algunas pijas son autotaladrantes, por lo

que no requieren de la fabricación previa del agujero, ya que dicho agujero lo fabrica la

misma pija durante su instalación. Las pijas se usan con frecuencia para conectar las láminas

de cubierta y muro a los polines correspondientes. Cabe mencionar que las especificaciones

para pijas fueron incluidas por primera vez en el AISI 1996. Aunque los remaches calientes

tienen muy poca aplicación en conexiones de perfiles laminados en frío, los remaches fríos

son de uso común en los países desarrollados. En el caso particular de 332 México, los

remaches fríos no ha logrado desplazar a las alternativas tradicionales de la soldadura,

tornillos y pijas, por lo que son prácticamente desconocidos. El remache caliente requiere de

la aplicación de calor para facilitar la fabricación de una cabeza durante el proceso de

instalación. Se usaron comúnmente en conexiones de perfiles laminados en caliente pero se

usó se hizo obsoleto con el advenimiento de los tornillos de alta resistencia. Los remaches

fríos no requieren de calor y el proceso de instalación depende del tipo de remache. Las

especificaciones del AISI para conexiones atornilladas pueden ser usadas como guía general

para el diseño de conexiones usando remaches fríos. Sin embargo, la resistencia al cortante

de los remaches puede ser significativamente diferente que la de los tornillos. Por

consiguiente, los fabricantes de remaches han realizado pruebas de carga para determinar la

resistencia al cortante y las especificaciones correspondientes se encuentran publicada en su

literatura técnica. En el Artículo 9.5 se presenta una discusión de la aplicación de remaches

fríos. Las conexiones a base de costura de metal se presentan en dos modalidades. Las

conexiones de grapas, donde los extremos de las láminas se conectan usando engrapadoras

especiales y las conexiones engargoladas, donde las láminas se conectan por herramientas

dobladoras que unen los extremos empalmándolos en patrones de dobleces estandarizados.

Estos tipos de conexiones no fueron considerados en las especificaciones del AISI 1996 y su

22

resistencia depende del patrón de grapas o de dobleces usado en la conexión. Los fabricantes

de cubiertas han desarrollado pruebas de resistencia para sus propios patrones de doblado y

los resultados se encuentran publicados en su literatura técnica. La Sección F del AISI 1996

contiene los lineamientos a usarse para dichas pruebas. El Suplemento 1999 reconoce por

primera vez un procedimiento estandarizado para la evaluación de la resistencia de sistemas

de cubierta a base de láminas engargoladas con costuras sobresalientes. Sin embargo, dicho

procedimiento no establece procedimientos de evaluación de la resistencia de la unión

engargolada, sino del sistema en su totalidad.

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.), 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.

Según AISC, las conexiones se clasifican en función de su relación momento-rotación

y son, básicamente, de tres tipos: conexiones simples, conexiones rígidas (FR) y conexiones

semi rígidas (PR).

23

Fig. 6

Fig. 7

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

24

ser capaces de acomodar las rotaciones de los extremos de las vigas calculadas como

simplemente apoyados.

Fig. 8

Si bien es cierto que las conexiones simples o de corte poseen algo de restricción

rotacional, como lo ilustra la curva A de la Figura 7, esta magnitud es comúnmente ignorada

y la conexión es idealizada como totalmente flexible.

Fig.10

Fig. 9

25

Los ángulos para las conexiones de corte se pueden fijar tanto mediante soldadura

como mediante pernos.

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.

fig. 11

26

Fig. 12

Fig. 13

Fig.14

27

Ante la acción de fuerzas horizontales Importantes (sismos) la conexión conserva el

ángulo entre columnas y vigas mientras se induce deformación en las columnas y vigas.

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.

Fig.15

fig. 17

Fig. 16

28

Conexiones diagonales: Como se mencionara 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, como se aprecia en la figura c) siguiente.

Fig.18

Fig.19

29

Fig.20

Estas diagonales, conocidas como arriostramientos, presentan distintas soluciones

según las condiciones de diseño que afectan al marco. Lo que hay que tener presente es que,

según la dirección de la fuerza, los esfuerzos en las diagonales serán, alternadamente, de

tracción y de compresión. Aunque estas diagonales se podrían disponer sólo en un sentido,

dicho elemento único tendrá que asumir tanto los esfuerzos de tracción como los de

compresión. Sin embargo, el acero es menos eficiente a la compresión, entre otros aspectos,

por el efecto de la deformación de pandeo, lo que haría probablemente más robusto y pesado

dicho elemento. Una solución económica es disponer de las diagonales en ambos sentidos a

fin de privilegiar el trabajo conjunto de tracción en una dirección y compresión en la otra.

30

Es usualmente aceptado que una estructura de marcos arriostrados es

significativamente más liviana (y económica) que una estructura de marcos (y uniones)

rígidas. Sin embargo, en muchos casos la disposición de las diagonales afecta aspectos

arquitectónicos y funcionales, como, por ejemplo, la posición de ventanas y puertas en las

fachadas, o la libre organización de las plantas interiores. Existen varias formas de hacer los

arriostramientos y de posición de las diagonales que permiten resolver parte de estas

limitaciones.

Fig.21

Fig.22

31

Una alternativa que permite dar mayor flexibilidad al espacio son las soluciones de

arriostramientos excéntricos que, adicionalmente son interesantes desde el punto de vista del

funcionamiento de la estructura puesto que dejan en las vigas zonas de deformación plástica

que pueden ser muy eficientes para disipar energía ante deformaciones muy elevadas sin

afectar la estabilidad de la estructura. En la práctica, la formación intencionada de rótulas

plásticas asegura una mayor robustez del edificio y además, una menor probabilidad de

colapso frente a esfuerzos cortantes.

Fig.23

Fig. 24

32

5.3 MODOS DE FALLAS EN 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.

La falla por cortante se verifica como: Fs =ta As (95)

Dónde: 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)

Dónde: D: es el diámetro del remache o tornillo.

33

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, 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:

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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.

5. 4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS UNIONES SOLDADAS

La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos:

Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad.

La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un

material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales

originales y se aplican las técnicas correctas de soldar.

La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos

alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de

orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado

que la soldadura.

La soldadura no se limita al ambiente de fábrica, se puede realizar en el campo.

35

Las estructuras soldadas resultan más livianas (eliminación de medios de unión y

chapas auxiliares.

No hay disminución de sección por los agujeros de los bulones.

Muchas uniones y empalmes resultan más simples.

Más sencillo de lograr la continuidad estructural.

Cuando la posición de soldado es cómoda se puede ejecutar uniones en obra

permitiendo una mayor tolerancia en el montaje.

Además de las ventajas indicadas, tiene también desventajas:

La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo cual implica

alto costo de mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personas muy calificadas.

La soldadura implica el uso de energía y es peligroso.

Por ser una unión permanente, no permite un desensamble adecuado. En los casos

cuando es necesario mantenimiento en un producto no debe utilizarse la soldadura como

método de ensamble.

La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos

defectos reducen la resistencia de la unión.

En uniones que no deben transmitir momento (articulaciones) resulta difícil de evitar

los momentos secundarios.

36

Es necesario mano de obra más especializada durante el montaje.

La uniones soldadas generan tensiones residuales por lo tanto deben ser

cuidadosamente proyectadas para reducir dichas tensiones.

Fig. 25

Fig. 26

37

CONCLUSIÓN

Dentro de las estructuras ningún elemento tiene menor importancia que otro. Cada

miembro desempeña una tarea específica y con esto logra el funcionamiento adecuado de

toda la estructura. Por tal motivo es importante conocer todas y cada una de las conexiones

estructurales que se analizaron en la anterior investigación con el fin de obtener la mejor

calidad y seguridad de las edificaciones a construir.

Cabe mencionar que para obtener el conocimiento completo de esta investigación, el

lector deberá poseer conocimientos básicos sobre análisis de estructuras de acero y sobre el

diseño estructural.

Después de lo analizado en la anterior investigación nos encontramos en la

posibilidad de llevar a cabo el diseño de los diferentes tipos de conexiones estructurales, con

el fin de lograr la mayor estabilidad de las estructuras de acero que podamos utilizar

posteriormente en nuestra vida laboral.

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BIBLIOGRAFÌA

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http://www.typrefrigeracion.com.mx/index.php?page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&p

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http://www.arquitecturaenacero.org/soluciones-constructivas/41-uniones-y-conexiones