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conexiones en estructuras metalicas
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INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MATURÍNESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL (42).
CATEDRA: PROYECTO ESTRUCTURAL DE ACERO Y MADERA.
GLOSARIO DE TERMINOS DE MECÁNICA ESTÁTICA Y
ESTRUCTURAL, RESISTENCIA DE MATERIALES.
Autores:Rodríguez, Ángel C.I.: 21.095.219
Barreses, Miguel C.I.:
Profesor:Ing. Juan Manuel Abreu.
Maturín, Octubre 2015
INTRODUCCIÓN
Los edificios de acero y edificios de metal actualmente se han convertido en tipos
de construcción muy preferidos para los mercados industriales, comerciales y agrícolas.
Incluso en la construcción de viviendas, que actualmente es un mercado en crecimiento
para la construcción de estructuras metálicas. En particular, la construcción de estructuras
metálicas prefabricadas, estas son las mejores y más rentables soluciones en todo tipo de
construcciones ya sea de industriales o civiles. Este tipo de estructuras permite un proceso
de construcción que resulta muy simple y fácil.
El acero es un metal de calidad superior, esto debido, al uso de componentes
regularizados que permiten un alto grado de control. Asimismo, este material es único tanto
en las propiedades químicas como físicas. Por esta razón, el acero es muy flexible,
manteniendo al mismo tiempo una cierta rigidez que es necesaria en toda construcción de
edificios lo que lo lleva a ser un producto valioso. Si la estructura será de varios pisos, los
edificios de metal son la mejor opción, ya que el metal es el único material capaz de
soportar el peso de varios pisos en la parte superior de uno al otro.
La fabricación de edificios de acero ofrece beneficios tales como una instalación
más rápida, con una sostenibilidad y una flexibilidad de diseño ilimitado. Reduce el coste
de la energía y la cantidad de material de desecho, ya que el acero es totalmente reciclable.
No requiere ninguna herramienta sofisticada para su montaje. Las construcciones de
estructuras metálicas pueden soportar con éxito los accidentes naturales tales como
terremotos y climas severos como huracanes. Estas estructuras son diseñadas para satisfacer
las cargas sísmicas y de viento, que requieren los códigos de construcción.
La construcción de estructuras metálicas es simple, por lo que es fácil de poner en
funcionamiento. Además, las estructuras metálicas son más ligeras que el hormigón,
siempre son más fáciles de instalar, el montaje de este tipo de estructuras se pueden realizar
incluso en grandes bloques. Estas estructuras ofrecen una larga vida útil y funcionamiento
seguro, ya que son incombustibles, es decir son materiales resistentes al fuego, lo que
proporciona una importante ventaja.
CONTENIDO
CONECTORES
Los tipos de conectores desarrollados a lo largo de los años caen generalmente
dentro de tres categorías: mecánicos, de compresión y de fusión. Los conectores mecánicos
emplean ferretería o medios mecánicos similares para crear puntos de contacto y para
mantener la integridad de la conexión. Las conexiones por compresión usan herramientas
especialmente creadas para engrapar o sujetar el conector al conductor con una gran fuerza,
creando una unión eléctrica permanente. Las conexiones de fusión se hacen principalmente
por soldadura. Las secciones siguientes discuten las propiedades de los distintos criterios de
diseño para estos tipos de conectores y de las conexiones específicas contenidas en ellas.
CONECTORES MECANICOS
Las teorías básicas de los contactos describen cómo se establece el contacto
eléctrico entre los conductores por medio de la aplicación de la fuerza mecánica. Aun
cuando la fuerza aplicada sea pequeña, la resistencia en un punto de contacto es, en teoría,
cero (en la práctica la resistencia es muy pequeña, típicamente en el orden de los micro
ohmios o menor).
Sin embargo, hay otros factores aparte de la resistencia de contacto que deben
tomarse en cuenta.
Los conectores mecánicos desarrollados en las últimas décadas han superado
muchas de las complicaciones en la instalación atribuidos a los métodos de conexión de
fusión, tales como el soldado. La conexión mecánica de hoy en día ha sido diseñada para
acomodarse a la capacidad de la corriente que recorre el conductor y para brindar la
facilidad de instalación, con lo que se logra una conexión eléctrica segura y confiable.
Son aquellos conectores que me permiten materializar la unión entre elementos
estructurales, como en el caso de las juntas rígidas, flexibles o semi-flexibles, estos se
clasifican en remaches, pasadores y pernos.
Se exige que las uniones sean resistentes, dúctiles, de alta calidad, fácil montaje y
máxima economía. La inspección de la calidad de las uniones resulta de primordial
importancia para asegurar su óptimo comportamiento estructural. Además, el detalle de las
conexiones debe mostrarse explícitamente en los planos de diseño, en especial en los
miembros principales aporticados en la estructura.
Son piezas metálicas que conectan una varilla con la otra. Actualmente son muy
usados y son más seguros que los empalmes soldados.
Material del Conector
Generalmente las aleaciones y la ferretería usada para el conector mecánico
depende de si el conector es para una aplicación de tensado o de transporte de corriente, y si
el conductor es de aluminio, de cobre o de otros materiales. Las aleaciones y ferreterías
particulares se seleccionan por su resistencia mecánica, conductividad, duración, ductilidad
y la resistencia a la corrosión.
En una conexión mecánica de cobre, se usan aleaciones de alta resistencia para los
elementos de engrampe y las aleaciones de alta conductividad para las partes que
transportan corriente. Un material muy usado para la ferretería de los conectores mecánicos
de aleación de cobre es la aleación de bronce silicio (DURIUM™) debido a su resistencia
mecánica y su resistencia a la corrosión.
Los conectores mecánicos de aluminio deben ser hechos de aleaciones
impermeables a la corrosión intensa. En su estado de tratamiento de calor, las aleaciones de
aluminio tienen una alta resistencia mecánica y se pueden usar para transportar corriente y
para elementos de engrampe. Generalmente se usan pernos de aleaciones de aluminio
anodizados para los conectores mecánicos de aluminio. Los pernos hechos de estos
materiales brindan la mejor combinación de esfuerzo y Resistencia a la irritación (debido a
la fricción) y a la corrosión. Además, su coeficiente térmico de expansión es más adecuado
para el aluminio.
Ventajas de los Conectores Mecánicos
Los conectores mecánicos generalmente tienen una ventaja sobre otros tipos de
conectores (por ejemplo, los de compresión), en el grado de resistencia inherente de los
componentes del conector. La elasticidad permite el seguimiento del creep (fenómeno de
fluencia) y reduce los esfuerzos debido a la expansión térmica que tienden a ocasionar un
creep excesivo. Los componentes de un conector diseñado adecuadamente brindan la
elasticidad deseada.
Los conectores mecánicos también se pueden instalar con herramientas básicas,
como socket o llaves de terminal abierto, destornilladores, etc. Estos conectores son fáciles
de usar y requieren de un mínimo de entrenamiento para ser instalados apropiadamente.
Generalmente el esfuerzo físico no es excesivo, aunque al instalar varios conectores y/o
ferretería de engrampe por conector puede requerir cierto esfuerzo físico. Los conectores
mecánicos también tienen la ventaja de ser removibles, y que si se encuentran en buenas
condiciones pueden ser reusados (pregunte a su fabricante las recomendaciones para el
reuso). Cuando las condiciones lo garantizan, los conectores mecánicos se pueden
desensamblar sin ocasionar daño a los componentes de conexión.
La eficiencia eléctrica de los conectores mecánicos cumple o supera los
requerimientos industriales para los que fueron diseñados. Por lo tanto, no se compromete
la eficiencia cuando se usan los conectores mecánicos en ambientes de prueba.
Desventajas de los Conectores Mecánicos
Aunque los conectores mecánicos ofrecen versatilidad y facilidad de instalación,
entre otros atributos, hay algunas desventajas y consideraciones que deben tenerse en
cuenta.
Se deben seguir requerimientos de torque específicos para brindar la necesaria
fuerza de engrampe para una conexión. Los instaladores rara vez usan llaves de torque
calibradas para asegurar las tuercas y los pernos de los conectores mecánicos. Por lo tanto,
no se puede repetir la consistencia de las fuerzas aplicadas en otras instalaciones mecánicas.
La naturaleza general de una conexión mecánica no permite un elevado esfuerzo de
retención. Por lo tanto, los conectores mecánicos no se usan como conectores a plena
tensión mecánica. De forma similar, el uso de conectores mecánicos en áreas de alta
vibración puede requerir de mayor mantenimiento y de una inspección periódica.
Finalmente, si se requiere una conexión aislada, los conectores mecánicos son usualmente
difíciles y toscos para cubrir adecuadamente debido a su geometría.
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.
Aunque se trata de uno de los métodos de unión más antiguos que hay, hoy en día
su importancia como técnica de montaje es mayor que nunca. Esto es debido, en parte, por
el desarrollo de técnicas de automatización que consiguen abaratar el proceso de unión. Los
campos en los que más se usa el remachado como método de fijación son: automotriz,
electrodomésticos, muebles, hardware, industria militar, metales laminados, entre otros
muchos.
Existe un pequeño matiz diferenciativo entre un roblón y un remache. Los roblones
están constituidos por una sola pieza o componente, mientras que los remaches pueden
estar constituidos por más de una pieza o componente. Es común denominar a los roblones
también remaches, aunque la correcta definición de roblón es para los elementos de unión
constituidos por un único elemento.
Las ventajas de las uniones remachadas son:
Se trata de un método de unión barato y automatizable.
Es válido para unión de materiales diferentes y para dos o más piezas.
Existe una gran variedad de modelos y materiales de remaches, lo que
permite acabados más estéticos que con las uniones atornilladas.
Permite las uniones ciegas, es decir, la unión cuando sólo es accesible la
cara externa de una de las piezas.
Como principales inconvenientes destacar:
No es adecuado para piezas de gran espesor.
La resistencia alcanzable con un remache es inferior a la que se puede
conseguir con un tornillo.
La unión no es desmontable, lo que dificulta el mantenimiento.
La unión no es estanca.
PASADOR
Es un elemento de fijación mecánica desmontable, de forma cilíndrica o cónica,
cuyos extremos pueden variar en función de la aplicación. Se emplea para la fijación de
varias piezas a través de un orificio común, impidiendo el movimiento relativo entre ellas.
El empleo de estos sistemas de fijación es de gran uso en máquinas industriales y productos
comerciales; como dispositivos de cierre, posicionado de los elementos, pivotes, etc.
Entre otra serie de materiales, se fabrican principalmente de acero, ya que por su
alta resistencia y por la gran variedad de aceros disponibles, permite que puedan usarse en
condiciones muy dispares de esfuerzos, corrosión, etc. Los fabricados con latón son muy
utilizados por su bajo coste de fabricación, y los de madera son muy utilizados en
aplicaciones en las cuales las piezas a unir son de madera, por ejemplo en muebles. Están
diseñados para soportar esfuerzos cortantes, endureciéndolos para resistir lo máximo
posible, aun así, son diseñados para que se rompan antes de que las piezas del ensamblaje
se dañen.
Además de su bajo coste, presentan la ventaja de ser una unión mecánica fácilmente
desmontable, sin embargo, en ocasiones es necesario realizar diversos procesos de
preparación del agujero, para obtener una inserción adecuada.
Existe una gran variedad de tipos y tamaños estándar de pasadores disponibles,
además de diseños especiales para ciertas aplicaciones.
La clasificación general de pasadores es:
Pasadores de máquina:
o Pasador cilíndrico
o Pasador cónico
o Pasador ajustado
o Pasador de aletas
o Pasadores de alambre
Pasadores de Fijación radial:
o Pasador estriado
o Pasador moleteado
o Pasador elástico
o Pasadores de liberación rápida:
o Pasadores push-pull
o Pasadores de cierre positivo
CAPACIDAD RESISTENTE DE LOS MIEMBROS CONECTADOS CON
PASADORES
La capacidad de resistir cargas de los miembro conectados mediente pasadores debe
cumplir las siguientes condiciones dadas por los estados límites:
1. Tracción en el área gruesa. 1=0.9
N 1=A Fy=d t Fy
2. Tracción en el área neta efectiva 1=0.75
N 1=Anef Fu=2 (2 Tp+16 mm ) t Fu
Anef =2befTp
3. Corte en área efectiva SF=0.75
N 1=0,6 Asf Fy=0,6(a+ dp2 )2tp Fy
Asf =2 Tp(a+ dp2
)
4. Aplastamiento sobre el área proyectada del pasador p=0.75
Rp=Apb Fy=Tp dp Fy
Apb=Tp bp
En las condiciones precedentes, se sustituye el espesor Tp por t para las
bielas simples o barras de ojo. En todos los casos, Nn o R es la resistencia teórica, y
el factor de resistencia. Se debe cumplir:
∅ Nt ≥ Pu o∅ R ≥ Pu
ESPECIFICACIONES DE MONTAJE
En las barras de ojo y planchas conectadas con pasadores en general, las
limitaciones de los espesores se pueden obviar cuando se provean tuercas externas para
apretar las planchas del pasador y las de relleno hasta lograr un ajustado contacto. En este
caso, el esfuerzo límite de aplastamiento será 1,8 Fy. La figura a) muestra un pasador con
tuercas y la b) otro con tapas y perno interior. Sin embargo, cuando los miembros deben
tener rotación relativa entre ellos, no es conveniente la acción de apriete. Los pasadores
usualmente tienen diámetros que varían entre l ¼” a 2”, si bien existen pasadores de hasta
20”. Cuando el diámetro excede de 10” se usa el tipo b) de figura, con perno interior.
En ciertos tipos de estructuras, tales como las armaduras de techo, cuando los
miembros concurrentes al pasador no están en un mismo plano, el diseño debe tomar en
cuenta estas fuerzas no coplanares. Las conexiones de pasadores que materializan la
articulación en un solo plano, no aseguran la rigidez del nodo en otros planos. Por ello se
deben considerar las cargas transversales y longitudinales producidas por el tránsito, el
viento y el sismo, que provocan esfiierzos secundarios en los nodos.
Pasadores con tuercas o tapas y perno.
El diseño de las barras de ojo está determinado por el tamaño del pasador y por el
área de la sección transversal del cuerpo principal de la barra, necesaria para transmitir la
carga. Los esfuerzos resultantes en las planchas alrededor de la perforación del pasador
tienen una distribución compleja y no uniforme. En el pasador nunca se producen esfuerzos
internos de tracción, sino que se los diseña en base a su resistencia a la flexión, corte y
aplastamiento.
Otro factor importante a tener en cuenta durante el montaje en obra de los miembros
conectados con pasadores, son las dimensiones de los miembros, pues si los mismos tienen
longitudes no adecuadas, deberán ser forzados para su colocación, lo cual origina esfuerzos
secundarios indeseables en la estructura. Para solucionar este problema es conveniente usar
tuercas intermedias ajustables que permiten eliminar las diferencias de longitud no
previstas en el diseño de este tipo de conexiones. En las estructuras convencionales no es
usual el empleo de pasadores, si bien se los utiliza con frecuencia en eslabones tipo cadena
de puentes colgantes, o en tensores de sujeción anclados en las pilas de soporte.
EL PERNO O ESPÁRRAGO
Es una pieza metálica larga de sección constante cilíndrica, normalmente hecha
de acero o hierro. Está relacionada con el tornillo pero tiene un extremo de cabeza redonda,
una parte lisa, y otro extremo roscado para la chaveta, tuerca, o remache, y se usa para
sujetar piezas en una estructura, por lo general de gran volumen.
Tipos de pernos estructurales
Si identifican según ASTM, dependiendo de una resistencia ultima como alta o baja.
La fluencia no es un estado límite para los pernos, debido a que son muy cortos y
deformación baja.
Pernos de baja resistencia: A307 (Acero al carbono) Fu=410 MPa (60Ksi), usado
para aplicaciones secundarias.
Pernos de Alta resistencia: A325 y A490. El A325 es el más usado, con un Fu= 825
MPa (120Ksi), para ф < 1”=25.4 mm y Fu= 725 MPa (105 Ksi) para pernos de mayor
diámetro. En cuanto al perno A490, tiene un Fu=1035 (150 Ksi).
Otros pernos menos usados son A449. A345 Gr 80, A36 y A572 Gr 50. De acuerdo
al F.2.10 del NSR10
Pernos de alta resistencia
El uso de pernos de alta resistencia se ajustará a los requisitos de la Especificación
para Juntas Estructurales con Pernos ASTM A325 o A490 del Consejo de Investigación de
Conexiones Estructurales, en adelante referenciadas como las especificaciones RCSC,
excepto donde el numeral F.2.10 defina otros requisitos. Los pernos de alta resistencia se
agrupan según la resistencia del material: Grupo A – ASTM A325, A325M, F1852, A354
Grado BC y A449 Grupo B – ASTM 490, A490M, F2280 y A354 Grado BD
Según la ASTM las características geométricas de los pernos son:
Hay 3 tipos de pernos: Tipo 1: Galvanizado y sin galvanizar (Uso estructural)
Tipo 2: Sin galvanizar no se producen más (otra composición química)
Tipo 3: de acero resistente a la intemperie (Weathering Steel), que forma una capa
de óxido que previene corrosión adicional.
Tornillo
Es un elemento u operador mecánico cilíndrico con una cabeza, generalmente
metálico, aunque pueden ser de plástico, utilizado en la fijación temporal de unas piezas
con otras, que está dotado de una caña roscada con rosca triangular, que mediante una
fuerza de torsión ejercida en su cabeza con una llave adecuada o con un destornillador, se
puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar las piezas y acoplarse a
una tuerca.
El tornillo deriva directamente de la máquina simple conocida como plano
inclinado y siempre trabaja asociado a un orificio roscado. Los tornillos permiten que las
piezas sujetas con los mismos puedan ser desmontadas cuando la ocasión lo requiera.
Los tornillos los definen las siguientes características:
Diámetro exterior de la cabeza: en el sistema métrico se expresa en mm y en el
sistema inglés en fracciones de pulgada.
Tipo de rosca: métrica, Whitworth, trapecial, redonda, en diente de sierra, eléctrica,
etc. Las roscas pueden ser exteriores o machos (tornillos) o bien interiores o hembras
(tuercas), debiendo ser sus magnitudes coherentes para que ambos elementos puedan
enroscarse.
Paso de la rosca: distancia que hay entre dos crestas sucesivas. En el sistema
métrico se expresa en mm y en el sistema inglés por el número de hilos que hay en una
pulgada.
Sentido de la hélice de la rosca: a derechas o a izquierdas. La mayoría de la
tornillería tiene rosca a derechas, pero para aplicaciones especiales, como en ejes de
máquinas, contratuercas, etc. tienen alguna vez rosca a izquierdas. Los tornillos de las
ruedas de los vehículos industriales tienen roscas de diferente sentido en los tornillos de las
ruedas de la derecha (a derechas) que en los de la izquierda (a izquierdas). Esto se debe a
que de esta forma los tornillos tienden a apretarse cuando las ruedas giran en el sentido de
la marcha. Asimismo, la combinación de roscas a derechas y a izquierdas es utilizada en
tensores roscados. El tipo de rosca, métrica o Whitworth, aparte de ser debida al país de
origen, tiene distintas características físicas: la rosca inglesa o Whitworth tiene un paso más
reducido, por lo cual la rosca métrica tiene una mayor tendencia a aflojarse sola por el
movimiento de las piezas. Para evitar este problema se optó por diversas soluciones, como
crear variantes de rosca métrica de paso más reducido o usar tuercas y arandelas especiales
que impiden más eficazmente que las piezas en movimiento se aflojen solas.
Material constituyente y resistencia mecánica que tienen: salvo excepciones la
mayor parte de tornillos son de acero en diferentes grados de aleación y con diferente
resistencia mecánica. Para madera se utilizan mucho los tornillos de latón.
Tipo de cabeza: en estrella o Phillips, Bristol, de pala, estrias y algunos otros
especiales.
Conexiones Apernadas (Conexiones, juntas y conectores)
Las conexiones apernadas presentan ciertas características que las hacen más o
menos apropiadas dependiendo de la aplicación. Las principales ventajas de las conexiones
apernadas están en la rapidez de ejecución, el bajo nivel de calificación requerido para
construirlas, la facilidad de inspección y reemplazo de partes dañadas y la mayor calidad
que se obtiene al hacerlas en obra comparadas con conexiones soldadas.
Entre las desventajas se pueden mencionar el mayor trabajo requerido en taller, lo
que puede significar un costo más alto: el mayor cuidado requerido en la elaboración de los
detalles de conexión para evitar errores en la fabricación y montaje; la mayor precisión
requerida en la geometría, para evitar interferencias entre conectores en distintos planos; el
peso mayor de la estructura, debido a los miembros de conexión y los conectores y, el
menor amortiguamiento.
Pernos Estructurales
Cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser
unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La soldadura es una de esas maneras
y fué tratada en el tema anterior. La otra es por medio de pasadores, como remaches o
pernos. En este tema trataremos principalmente sobre pernos, en particular, pernos de alta
resistencia.
Posibles Modo De Falla En Uniones Empernadas
Para prevenir que uno o más de los modos posibles de falla se hagan presente, se
debe proveer un número adecuado de pernos, con las separaciones entre conectores,
distancias a los bordes, longitudes de pernos y demás exigencias geométricas recomendadas
por las Especificaciones; todo ello presuponiendo que tanto el proceso de fabricación como
el de montaje satifacen lo requerimientos de calidad.
Resistencia Nominal De Pernos Individuales
La norma AISC reconoce dos categorías generales de requerimientos de
comportamiento para conexiones con pernos de alta resistencia: conexiones críticas al
deslizamiento y conexiones tipo aplastamiento. La diferencia básica entre los dos tipos es la
hipótesis de deslizamiento que ocurre bajo cargas de servicio, lo que resulta en el uso de
valores de resistencia nominal diferentes.
El tipo de conexión crítica al deslizamiento asume que no debe existir deslizamiento
bajo condiciones de cargas de servicio y que la transferencia de la carga a través de la
conexión se realiza mediante las fuerzas de agarre generadas entre las placas que se
conectan. Este tipo de conexión es principalmente usada en estructuras que tienen casos con
cargas altas de impacto o cuando no se desea deslizamiento en la junta.
Procedimiento De Diseño De Conexiones Empernadas
Determinar el número de pernos y/o verificar su capacidad resistente
La capacidad de los pernos, según el caso, será el valor menor que se obtenga por:
Tracción.
Corte.
Corte y Tracción simultáneas.
Cargas aplicadas excéntricamente.
Disposición de los pernos en la conexión
El detallado de la conexión puede modificar su capacidad resistente, en
consecuencia se debe prestar atención a los siguientes aspectos:
Separación entre pernos.
Distancia de los agujeros a los bordes.
Distancias que permitan colocar y apretar los
pernos.
Longitudes de prensado.
Verificación del diseño de la conexión
Capacidad Resistente de los elementos conectados.
Tracción
Cedencia
en la sección
total
Rotura
en la sección
efectiva
Corte Cedencia
en la sección
total
Rotura
en la sección
neta de corte
Capacidad De Los Pernos.
Resistencia de aplastamiento.
Efecto de apalancamiento
En el caso de conexiones de deslizamiento crítico se debe hacer una doble
verificación.
No debe producirse deslizamiento bajo cargas de servicio.
La resistencia al corte y al aplastamiento de la conexión debe ser mayor
que las solicitaciones generadas por las cargas mayoradas.
LA SOLDADURA
Principio general de la soldadura:
1.- Metal de base.
2.- Cordón de soldadura.
3.- Fuente de energía.
4. -Metal de aportación.
La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos o más
piezas de un material, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a
través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo, se puede
agregar un material de aporte (metal o plástico), que, al fundirse, forma un charco de
material fundido entre las piezas a soldar (el baño de soldadura) y, al enfriarse, se convierte
en una unión fija a la que se le denomina cordón. A veces se utiliza conjuntamente presión
y calor, o solo presión por sí misma, para producir la soldadura. Esto está en contraste con
la soldadura blanda (en inglés soldering) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que
implican el derretimiento de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo
para formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo.
Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser usadas para la soldadura,
incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones, procesos
de fricción o ultrasonido. La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de
metal generalmente proviene de un arco eléctrico. La energía para soldaduras de fusión o
termoplásticos generalmente proviene del contacto directo con una herramienta o un gas
caliente.
La soldadura con frecuencia se realiza en un ambiente industrial, pero puede
realizarse en muchos lugares diferentes, incluyendo al aire libre, bajo del agua y en
el espacio. Independientemente de la localización, sin embargo, la soldadura sigue siendo
peligrosa, y se deben tomar precauciones para evitar quemaduras, descarga eléctrica, humos
venenosos, y la sobreexposición a la luz ultravioleta.
Sistema de soldadura
Soldadura de estado sólido
Como el primer proceso de soldadura, la soldadura de fragua, algunos métodos
modernos de soldadura no implican derretimiento de los materiales que son juntados. Uno
de los más populares, la soldadura ultrasónica, es usada para conectar hojas o alambres
finos hechos de metal o termoplásticos, haciéndolos vibrar en alta frecuencia y bajo alta
presión. El equipo y los métodos implicados son similares a los de la soldadura por
resistencia, pero en vez de corriente eléctrica, la vibración proporciona la fuente de energía.
Soldar metales con este proceso no implica el derretimiento de los materiales; en su lugar,
la soldadura se forma introduciendo vibraciones mecánicas horizontalmente bajo presión.
Cuando se están soldando plásticos, los materiales deben tener similares temperaturas de
fusión, y las vibraciones son introducidas verticalmente. La soldadura ultrasónica se usa
comúnmente para hacer conexiones eléctricas de aluminio o cobre, y también es un muy
común proceso de soldadura de polímeros.
Otro proceso común, la soldadura explosiva, implica juntar materiales
empujándolos juntos bajo una presión extremadamente alta. La energía del impacto
plastifica los materiales, formando una soldadura, aunque solamente una limitada cantidad
de calor sea generada. El proceso es usado comúnmente para materiales disímiles de
soldadura, tales como la soldadura del aluminio con acero en cascos de naves o placas
compuestas. Otros procesos de soldadura de estado sólido incluyen la soldadura de
coextrusión, la soldadura en frío, la soldadura de difusión, lasoldadura por
fricción (incluyendo la soldadura por fricción-agitación en inglés Friction Stir Welding),
la soldadura por alta frecuencia, la soldadura por presión caliente, la soldadura por
inducción, y la soldadura de rodillo.
Soldadura por arco
Se trata, en realidad, de distintos sistemas de soldadura, que tienen en común el uso
de una fuente de alimentación eléctrica. Ésta se usa para generar un arco voltaico entre un
electrodo y el material base, que derrite los metales en el punto de la soldadura. Se puede
usar tanto corriente continua (CC) como alterna (AC), e incluyen electrodos consumibles o
no consumibles, los cuales se encuentran cubiertos por un material llamado revestimiento.
A veces, la zona de la soldadura es protegida por un cierto tipo de gas inerte o semi inerte,
conocido como gas de protección, y, en ocasiones, se usa un material de relleno.
Soldadura blanda y fuerte
La soldadura blanda y la soldadura fuerte son procesos en los cuales no se produce
la fusión de los metales base, sino únicamente del metal de aportación. Siendo el primer
proceso de soldadura utilizado por el hombre, ya en la antigua Sumeria.
La soldadura blanda se da a temperaturas inferiores a 450 ºC.
La soldadura fuerte se da a temperaturas superiores a 450 ºC.
Y la soldadura fuerte a altas temperaturas se da a temperaturas superiores a 900 ºC.
Tipos De Juntas Soldadas
Los tipos de juntas dependen de factores como el tamaño y forma de los miembros
que forman la junta, el tipo de carga, la cantidad de área en la junta disponible para soldar y
el costo relativo de varios tipos de soldaduras. Existen cuatro tipos básicos de juntas
soldadas, aunque en la práctica se consiguen muchas variaciones y combinaciones. Estos
cuatro tipos básicos son: a tope, a solape, en te, en esquina y juntas de extremo,
Clasificación De Las Soldaduras
Los cuatro tipos de soldadura son:
Soldadura acanalada
Soldadura de filete
Soldadura de ranura
Soldadura de tapón
Los dos tipos principales de soldaduras son: la de ranura y la de filete. Las
soldaduras de tapón y de canal son menos comunes en el trabajo estructural
Soldadura De Ranura
Cuando la penetración es completa y las soldaduras de ranura están sujetas a
tracción o compresión axial el esfuerzo en la soldadura se calcula dividiendo la carga entre
el área neta de la soldadura.
El refuerzo es metal de aportación que hace mayor la dimensión de la garganta que
la del espesor del material soldado y se utilizan para aportar cierta resistencia adicional ya
que contrarresta los poros y otras irregularidades y porque al soldador se le facilita realizar
una soldadura un poco más gruesa que el material soldado.
Las soldaduras de ranura se usan cuando los miembros que se conectan están
alineados en el mismo plano y las uniones están normalmente sujetas a esfuerzos directos
de tracción o compresión. Ofrece mayor resistencia que la de filete; sin embargo la mayoría
de las uniones estructurales soldadas deben resolverse a filete.
Soldadura De Filete
Los cordones de soldadura a filete A están cargados en corte longitudinal y el
cordón B está cargado en corte transversal. Si se incrementa la fuerza Ru hasta que exceda
la resistencia de las soldaduras, la ruptura ocurrirá en los planos de menor resistencia. Se
asume que esto sucede en la garganta de la soldadura donde se presenta la menor área
transversal. Pruebas de soldadura a filete utilizando electrodos compatibles han demostrado
que la soldadura falla a través de su garganta efectiva antes que el material falle a lo largo
del lado del cordón.
Las soldaduras de filete son más resistentes a la tracción y a la compresión que al
corte, de manera que los esfuerzos determinantes son los de corte. Este tipo de soldadura
falla por corte en un ángulo de aproximadamente 45 grados a través de la garganta.
La dimensión efectiva de la garganta de una soldadura de filete es, nominalmente, la
distancia mas corta desde la raíz a la cara de la soldadura. Si se asume que la soldadura de
filete tiene lados iguales de tamaño nominal a, la garganta efectiva es igual a 0.707a. Si la
soldadura a filete se diseña para ser asimétrica (una situación rara), con lados desiguales, el
valor de te debe calcularse de la forma de la soldadura. LRFD modifica las dimensiones
efectivas de la garganta para cordones de soldadura a filete hechos con el proceso de arco
sumergido (SAW), para tomar en cuenta la calidad superior de dichas soldaduras:
a) Para cordones de soldadura a filete con el tamaño nominal menor o igual a 3/8” (10
mm), la dimensión efectiva de la garganta se tomará igual al tamaño nominal w.
b) Para cordones con tamaño nominal mayor que 3/8” la dimensión efectiva de la
garganta se tomará como 0.707w + 2.8 mm (0.11 in).
CARGAS EXCENTRICAS
Cuando las cargas actúan excéntricamente en relación a los bordes donde se
depositan los cordones de soldadura. Como es el caso de los nodos de las armaduras de
techo con miembros formados por ángulos simples o dobles, las longitudes de los cordones
deben diseñarse para que se cumplan las condiciones de equilibrio estático, con respecto al
eje baricéntrico de los perfiles. Los cordones diseñados así se conocen como soldaduras de
longitudes balanceadas. Esta condición es obligatoria en el caso de cargas sísmicas o en los
miembros sujetos a fatiga, con ciclos de carga superiores a los 20.000 durante la vida útil de
la estructura, correspondientes a dos aplicaciones diarias como mínimo.
CONCLUSIÓN
Para el diseñador de estructuras de acero es tan importante optimizar los perfiles a
emplear como unirlos adecuadamente para que el conjunto trabaje armoniosamente. No hay
estructura segura si las uniones no funcionan apropiadamente, en especial en zonas donde
las cargas laterales son significativas. Esto significa que el diseñador en zonas símicas debe
tener en mente conceptos de ductilidad que se consigue con detalles adecuados.
Actualmente cuando un ingeniero entra a un proceso de diseño estructural cuenta
con un arsenal de programas de estructuras que permiten que el diseñador consiga
soluciones ajustadas a la economía y factibilidad. El modelo matemático se establece en
base, entre otros parámetros, a un determinado comportamiento de los nudos de la
estructura para que en un caso real este comportamiento aproximadamente coincida con el
pensado. En las construcciones de acero se tienen muchos tipos de conexiones en
consideración a la geometría y cargas. Cada conexión tiene que cumplir una serie de
requisitos para asegurar su ductilidad, rotación y capacidad de tomar momentos, cortes y
cargas axiales.
Los clientes desean, y lo hacen saber frecuentemente, que los ingenieros
diseñadores sean los que adecuen las conexiones a estos requisitos. Para el diseñador esto
puede convertirse en un tema tedioso en la tarea diaria ya que puede convertirse en un
trabajo porque involucra una serie de diseños. Por otro lado, para facilidad de construccion,
en lo posible, las conexiones deben ser igualadas para evitar un trabajo excesivo en el sitio
de la obra con conexiones distintas unas de otras.
