En diversas situaciones estructurales, los ingenieros pueden necesitar evaluar la resistencia de las uniones realizadas mediante soldaduras y fijaciones mecánicas. Hoy en día, las fijaciones mecánicas suelen ser pernos, pero los diseños más antiguos pueden incluir remaches.
Esto puede ocurrir durante actualizaciones, renovaciones o mejoras de un proyecto. Un nuevo diseño puede requerir atornillado y soldadura para que funcionen juntos en una unión donde el material a unir se atornilla primero y luego se suelda para proporcionar una resistencia total a la unión.
Sin embargo, determinar la capacidad de carga total de una unión no es tan sencillo como sumar los componentes individuales (soldaduras, pernos y remaches). Tal suposición 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 montaje ajustado, precarga o clave deslizante.
Apriete las conexiones firmemente apretadas con una llave de impacto o una llave de doble filo convencional para asegurar un contacto firme entre las capas. En una conexión pretensada, los pernos se instalan de forma que estén sometidos a cargas de tracción significativas, mientras que las placas están sujetas a cargas de compresión.
1. Gire la tuerca. El método para girar la tuerca implica apretar el perno y luego girar la tuerca un poco más, lo cual depende del diámetro y la longitud del perno.
2. Calibre la llave. El método de la llave calibrada mide el par asociado con la tensión del perno.
3. Perno de ajuste de tensión de torsión. Los pernos de tensión de torsión tienen pequeños pernos en el extremo opuesto a la cabeza. Al alcanzar el par requerido, el perno se desenrosca.
4. Indicador de tensión directa. Los indicadores de tensión directa son arandelas especiales con lengüetas. La compresión de la orejeta indica el nivel de tensión aplicado al perno.
En términos sencillos, los pernos actúan como pasadores en uniones apretadas 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 fuerza descendente y la fricción entre las superficies de contacto se une para evitar el deslizamiento de la unión. Es como una carpeta que mantiene unida una pila de papeles, no porque se perforen, sino porque la carpeta presiona los papeles y la fricción mantiene la pila unida.
Los pernos ASTM A325 tienen una resistencia mínima a la tracción de 150 a 120 kg por pulgada cuadrada (KSI), dependiendo del 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 más como uniones estancas, pero en este caso, los pasadores son remaches que suelen tener aproximadamente la mitad de resistencia que un perno A325.
Cuando una unión fijada mecánicamente se somete a fuerzas de corte (cuando un elemento tiende a deslizarse sobre otro debido a una fuerza aplicada), pueden ocurrir dos cosas: pernos o remaches a los lados de los orificios, lo que provoca su desprendimiento simultáneo. La segunda posibilidad es que la fricción causada por la fuerza de sujeción de los elementos de fijación pretensados ​​pueda soportar cargas de corte. No se espera deslizamiento en esta conexión, pero es posible.
Una conexión firme es aceptable para muchas aplicaciones, ya que un ligero deslizamiento no puede afectar negativamente sus características. Por ejemplo, considere un silo diseñado para almacenar material granular. Puede haber un ligero deslizamiento al cargar por primera vez. Una vez que se produce el deslizamiento, no volverá a ocurrir, 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 se someten a cargas alternas de tracción y compresión. Otro ejemplo es un elemento de flexión sometido a cargas totalmente inversas. Cuando se produce un cambio significativo en la dirección de la carga, puede ser necesaria una conexión pretensada 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 las prensas, los soportes de grúas y las conexiones en puentes. Se requieren uniones de deslizamiento crítico 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 de deslizamiento crítico.
Las conexiones atornilladas existentes pueden diseñarse y fabricarse según cualquiera de estas normas. Las conexiones remachadas se consideran herméticas.
Las uniones soldadas son rígidas. Las uniones soldadas son complicadas. A diferencia de las uniones atornilladas apretadas, que pueden resbalar bajo carga, las soldaduras no tienen que estirarse y distribuyen la carga aplicada en gran medida. En la mayoría de los casos, las fijaciones mecánicas soldadas y las de tipo cojinete 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, con muy poca compartida con el perno. Es por eso que 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 juntas de tipo cojinete (es decir, donde el perno o remache actúa como un pasador), no se debe considerar que los sujetadores mecánicos compartan la carga con la soldadura. Si se utiliza soldadura, deben proporcionarse para soportar toda la carga en la junta. Sin embargo, se permiten conexiones soldadas a un elemento y remachadas o atornilladas a otro elemento.
Al utilizar fijaciones mecánicas de tipo cojinete y añadir soldaduras, se descuida en gran medida la capacidad de carga del perno. Según esta disposición, la soldadura debe estar diseñada para transferir todas las cargas.
Esto es esencialmente igual a la norma AISC LRFD-1999, cláusula J1.9. Sin embargo, la norma 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 este asunto coinciden tres criterios: las posibilidades de fijaciones mecánicas del tipo de cojinete y las posibilidades de soldaduras no coinciden.
La sección 2.6.3 de AWS D1.1 también describe situaciones en las que se pueden combinar pernos y soldaduras en una unión de dos piezas, como se muestra en la Figura 1. Soldaduras a la izquierda, atornillado a la derecha. Aquí se puede considerar la potencia total de las soldaduras y los pernos. Cada parte de la conexión funciona de forma independiente. Por lo tanto, este código constituye una excepción al principio contenido en la primera parte de la sección 2.6.3.
Las reglas que acabamos de mencionar se aplican a edificios nuevos. Para estructuras existentes, la cláusula 8.3.7 D1.1 establece que, cuando los cálculos estructurales muestren que un remache o perno se sobrecargará con una nueva carga total, solo se le debe asignar la carga estática existente.
Las mismas reglas requieren 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 las fijaciones mecánicas 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 las fijaciones mecánicas. Las cargas dinámicas que puedan provocar un mayor deslizamiento deben protegerse mediante el uso de soldaduras capaces de soportar toda la carga.
Las soldaduras deben soportar toda la carga aplicada o dinámica. 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 deslizamiento permanente y sobrecarga de la soldadura.
Ilustración. Considere una unión traslapada que originalmente estaba atornillada firmemente (véase la Figura 2). La estructura añade resistencia adicional, y se deben añadir 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 antiguo mediante soldaduras de filete, el ingeniero decidió añadir algunas soldaduras de filete en la unión. 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 pasara por los pernos y el otro 50 % por las nuevas soldaduras. ¿Es aceptable?
Supongamos primero que 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 apoyo, no se puede considerar que la soldadura y el perno compartan la carga, por lo que el tamaño de la soldadura especificada debe ser lo suficientemente grande como para soportar toda la carga estática y dinámica. En este ejemplo, no se puede considerar la capacidad de carga de los pernos, ya que sin carga estática, la conexión estará floja. La soldadura (diseñada para soportar la mitad de la carga) se rompe inicialmente al aplicar la carga completa. Posteriormente, el perno, también diseñado para transferir la mitad de la carga, intenta transferirla y se rompe.
Supongamos además que se aplica una carga estática. Además, 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 soldaduras nuevas solo deben soportar cargas estáticas y cargas vivas generales incrementadas. Las cargas muertas existentes pueden asignarse a las fijaciones mecánicas existentes.
Bajo carga constante, la conexión no se deforma. En cambio, los pernos ya soportan la carga. Se ha producido cierto deslizamiento en la conexión. Por lo tanto, se pueden utilizar soldaduras que transmiten 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 simple hecho de aplicar una carga estática no siempre permite extraer 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 influir en 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 en todo el mundo. Los ingenieros y técnicos del Centro de Tecnología de Soldadura ayudan a los clientes a resolver sus problemas de soldadura.
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