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MEDIOS DE UNIÓN EN LAS CONSTRUCCIONES METÁLICAS.
INTRODUCCIÓN.
Una de las principales características de las estructuras metálicas es que sus partes o elementos se ejecutan en un taller y posteriormente se unen para conformar la estructura definitiva.
Esta particularidad de las construcciones metálicas deriva de un concepto de gran importancia: “La resistencia de una estructura no depende solamente de la resistencia de los elementos que la constituyen (perfiles, caños, chapas, etc.) sino también de un apropiado diseño, cálculo y ejecución de las uniones que disponga.
El CIRSOC 301 establece que un buen estudio de las uniones comprende el análisis de:
Las partes afectadas de las barras que se unen (por ejemplo: alas o alma de una viga).
Los elementos auxiliares de la unión (chapas de nudos, cartelas, cubrejuntas, etc.)
Los medios de unión (tornillos, soldaduras, remaches.)
Las uniones en las construcciones metálicas se pueden clasificar según diversos puntos de vista, por ejemplo:
Según lo que debe transmitir la unión entre las secciones contiguas unidas, se les puede clasificar en:
Uniones articuladas: son incapaces de transmitir momentos flexores y permiten el giro relativo de una sección respecto de otra considerada fija. Transmiten corte y fuerza axial.
Uniones semi rígidas: se supone un empotramiento parcial con un ángulo de rotación mayor que cero, proporcional al momento aplicado.
Uniones rígidas o empotramientos: tienen ausencia total de giro relativo, o bien, son de valor despreciable. Transmiten corte, fuerza axial y momento flexor.
Según el medio de unión utilizado, podemos distinguirlas en:
UNIONES.
CLÁSICAS.
REMACHES.
EN CALIENTE.
EN FRÍO.
TORNILLOS COMUNES CALIBRADOS.
MODERNAS.
TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA.
SOLDADURAS.
De estos cuatro medios de unión, los más usados actualmente son los bulones ó tornillos (tanto los comunes como los de alta resistencia) y la soldadura.
Los remaches en caliente prácticamente no se usan, y los remaches en frío se utilizan en algunas estructuras, como las realizadas con chapas delgadas plegadas en frío.
Las uniones realizadas en taller, se hacen generalmente con soldaduras; y las que se ejecutan en obra muchas veces son con bulones, por su facilidad de ejecución y garantía de calidad.
La calidad de la mano de obra para realizar una unión abulonada es mucho menor que la requerida para realizar una soldadura, donde el operario debe ser especializado, y por lo tanto la calidad de la unión depende mucho del personal que la ejecuta.
Las uniones realizadas con tornillos de alta resistencia han desplazado a los remaches, y compiten en muchos casos con la soldadura, por varias razones, entre las cuales podemos destacar:
Ejecución de uniones más rápidas, y con mucho menos personal por equipo.
Tareas menos peligrosas por no existir chispas.
Se requiere menor capacidad del personal que en el caso de soldaduras.
Equipos de ejecución más baratos.
Las estructuras abulonadas pueden desarmarse, posibilidad que no existe en el caso de uniones soldadas.
Mejor comportamiento bajo cargas pulsatorias, con fenómeno de fatiga, en las uniones abulonadas de deslizamiento crítico, que en el caso de soldaduras.
UNIONES REMACHADAS:
Generalidades: este medio de unión es el más antiguo utilizado en la construcción metálica, aunque su uso ha decaído hace un tiempo, casi por completo, veremos una somera revisión de los conceptos principales, puesto que su comportamiento, diseño, cálculo, tiene pocas diferencias con los que se verán en las uniones atornilladas comunes calibradas.
Descripción: el remache, también llamado roblón, es una pieza de acero dúctil, con una cabeza preformada y un vástago o espiga. Según la cabeza que presente el remache, puede ser: semiesférica, avellanada o perdida.
Procedimiento del remachado:
La operación de unir elementos (por ejemplo: chapas entre sí) mediante este medio se denomina remachado, y consiste en primer lugar en perforar las chapas mediante un agujero de mayor diámetro d1 que el del remache a utilizar (un milímetro más que el del remache en bruto). Luego se ensamblan las partes poniendo en coincidencia los agujeros y se introduce en ellos el remache. El remachado se efectúa en frío o en caliente. En frío se usa para unir chapas delgadas, con remaches de diámetro pequeño (<10 mm). El remachado en caliente se hace calentando el remache hasta color rojo cereza claro. Como el remache en bruto es de mayor longitud l, que el espesor de las partes a unir queda un resto del vástago saliente.
El remachado puede efectuarse de las siguientes maneras:
a) A mano.b) Con martillo de aire comprimido.c) Con prensas hidráulicas.
Las dos primeras se utilizan en obra, y la restante en taller por los requerimientos del equipo.
Posteriormente, sosteniendo la cabeza preformada o de “asiento” con una herramienta denominada “sufridera” se martilla al saliente del vástago mediante el “doile” (o estampa), en forma manual o automática, de esta manera se conforma una cabeza de cierre igual a la preformada. Durante la operación se debe garantizar el llenado pleno del agujero mediante el aplastamiento del vástago. El remache al enfriarse después de estas operaciones, tiende a contraerse, lo que genera un estado de tracción en el vástago del remache y de compresión entre las chapas unidas que favorece al comportamiento de la unión.
Material de los remaches:
Los remaches deben de ser de un acero especialmente dúctil para soportar grandes deformaciones en el proceso de forjado. Esta necesidad, se explica por las siguientes razones:
a) El agujero de las piezas a unir es mayor que el de la espiga o vástago del remache en bruto o igual al del remache colocado; esto obliga a que antes de conformar su cabeza de cierre debe obtenerse, durante el proceso de remachado, el recalcado de la espiga (esto es, el llenado total del agujero).
b) Para que sea además satisfecha, con cierta aproximación, la hipótesis en que se basa el cálculo de las uniones remachadas, que establece que en una unión la distribución de los esfuerzos producidos por las solicitaciones, es uniforme.
Las características de estos aceros para remaches se fijan en la norma DIN 17111 (Página 1270 del acero en la construcción) y en la DIN 1050, tabla 4 se establece que:
Para elementos constructivos de acero St 33 y St 37 se utilizarán remaches de acero USt 36.1 (TUSt 34 según DIN 17110).
Para elementos constructivos de acero St 52 remaches de acero RSt 44.2 (MR St44 según DIN 17110).
Formas y dimensiones:
Las características geométricas de los remaches están reguladas por las normas DIN:
DIN 124 h1 para remaches de cabeza semiesférica.
DIN 302 h1 para remaches de cabeza avellanada o de cabeza embutida.
La cabeza del remache se encuentra dimensionada de manera que, a los efectos de la transmisión de esfuerzos, su resistencia sea equivalente a la del vástago. Dijimos que el remache al enfriarse desarrolla los siguientes esfuerzos:
Compresión en las chapas con una tensión de contacto σc, y tracción en la sección del vástago con una tensión σt. Como condición de equilibrio de estas tensiones, resulta:
σc= σt
Utilizando el diámetro d del remache en bruto y la corona (D-d), resulta:
4∗Tπ∗d2
= 4∗Tπ∗(D2−d2)
D=√2∗d
D=1.6∗d
El valor adoptado para D es tomado por norma.
Otra precaución en el dimensionamiento de la cabeza del remache es que su altura k sea apta para transmitir los esfuerzos de corte alrededor de la superficie cilíndrica de contacto entre el vástago y la cabeza:
k∗π∗d∗τ adm=π∗d2
4∗σadm
σadmτadm
=1.75
k=
d4∗σadm
τ adm=0.44∗d
La norma adopta: k=0.65*d, ya que k corresponde en rigor a la altura de la semiesfera y en realidad es la altura del cilindro resistente, algo menor, la que transmite el esfuerzo.
En resumen, como valores usuales quedan, en forma aproximada:
k=0.65*d
D=1.60*d
R=0.90*d
Espesor total de las piezas a unir:
Se limita el espesor total de las chapas a unir para garantizar el correcto recalcado (llenado) del vástago del remache en el agujero.
En el proceso habitual de remachado en caliente y para remaches de cabeza semiesférica, la suma total de los espesores debe ser:
s≤4.5∗d1 (d1≤17mm ) y
s≤5.5∗d1(d1≥17mm)
Longitud el vástago del remache:
La longitud del remache en bruto, va a depender de los siguientes factores:
Del espesor S de las chapas a unir.
Del diámetro d del vástago
De la forma de la cabeza de cierre.
Del método de percusión utilizado para su colocación.
Se recomiendan las siguientes reglas para la elección de l:
Para remaches de cabeza semiesférica:
l=S+ 43∗d (Colocados conmartilloneumático ) .
l=S+ 74∗d (Colocadosmanualmente ) .
Elección del diámetro del remache:
La siguiente expresión empírica resulta una buena regla para la elección del diámetro del remache.
d=√5∗t−0.2
Siendo d el diámetro del roblón expresado en cm y t el menor espesor de las chapas a unir, también en cm.
UNIONES CON TORNILLOS.
Las uniones realizadas con tornillos han ido desplazando paulatinamente a las remachadas, por presentar algunas ventajas con respecto a éstas, entre las que podemos mencionar:
Similitud de comportamiento frente a las solicitaciones.
Simplicidad de ejecución.
Herramientas necesarias más simples y económicas.
Velocidad de ejecución.
Posibilidad de desarmar la estructura sin producir roturas.
La unión por tornillos se diferencia de la unión por remaches fundamentalmente en que el vástago del tornillo se coloca en frío, y no llena completamente el agujero de la pieza, como sucede con los remaches. En la unión atornillada siempre hay un pequeño juego, que depende de la precisión del mecanismo.
La posibilidad de falla de una unión atornillada, son las mismas que la de una remachada, a pesar de que en realidad en estas últimas existe una gran fuerza de choque entre las chapas a unir producto de la contracción del remache al enfriarse. Aunque, en realidad, este efecto no se tiene en cuenta en el cálculo. En las uniones con tornillos, no existe un apriete apreciable entre las piezas a unir (salvo en las uniones de deslizamiento crítico), por lo que no se cuenta con esa “ventaja” adicional.
TIPOS DE TORNILLOS.
Descripción: los tornillos comunes destinados a las estructuras metálicas están constituidos por una cabeza cuadrada o hexagonal y un vástago parcialmente roscado en su extremo. Se aloja en un agujero de mayor diámetro practicado en las chapas a unir y se asegura su inmovilidad mediante una tuerca. Previamente se interpone entre la cabeza del tornillo y las chapas a unir y entre las mismas y la tuerca las arandelas (rondanas).
Los tornillos de cabeza cuadrada son más económicos, pero los de cabeza hexagonal se adecuan mejor a las herramientas o llaves disponibles y requieren menor espacio operativo.
Los pasos de los filetes roscados (cuerda), responden a diversas normas de acuerdo a los países de origen: por ejemplo, los países sajones utilizan la rosca Whitwort medidas en pulgadas. En cambio, en Argentina, se han adoptado las roscas métricas siguiendo las normas alemanas.
La diferencia entre una y otra radica en el ángulo que forman los filetes entre sí.
Dimensiones del ángulo entre filetes:
α = 55° para rosca Whitwort.
α = 60° para roscas métricas.
La rosca métrica distribuye mejor las cargas sobre los flancos del filete, que la Whitwort.
Arandelas: la función de las arandelas es la de absorber irregularidades de las superficies y distribuir la compresión que la cabeza y tuerca ejercen sobre las chapas a unir. La arandela también sirve para impedir que la rosca del vástago quede incluida en el agujero y se generen tensiones de aplastamiento en el vástago, superiores a las deducidas teóricamente.
Para evitar que ciertas uniones sometidas a vibraciones o impactos puedan aflojarse, se insertan las arandelas elásticas partidas tipo Grower.
Tuercas: Son casi siempre de forma hexagonal y se obtienen generalmente de una barra de sección hexagonal.
La altura m de la tuerca se fija de acuerdo al esfuerzo axial Z que debe ser capaz de transmitir, el cual a su vez está condicionado por la sección del núcleo del tornillo; de esta manera, la altura m deberá albergar el número de filetes de rosca que, por flexión y corte, sean necesarios para absorber la capacidad portante axial del tornillo.
El valor de m adoptado por la norma es: m=0.81*d1.
Z=F k∗σ adm
Fk=Sección del núcleo del tornillo.
El esfuerzo Z no se distribuye uniformemente en los filetes de la rosca, sino que se recargan los más cercanos al plano de apoyo de la tuerca.
En un ensayo pudo comprobarse, a través de mediciones efectuadas, el mejor comportamiento de la rosca métrica frente a la Whitwort, debido probablemente a la diferente distribución de los esfuerzos entre los filetes.
Clasificación de los tornillos:
En realidad, la diferencia entre un tornillo común en bruto, y otro calibrado, radica en el ajuste entre el tornillo y el agujero: cuando la diferencia entre el Ø del agujero y el Ø del tornillo es inferior a 1% del diámetro del tornillo, se trata de tornillos comunes calibrados. Si esa diferencia descrita es mayor, se tratará de tornillos comunes en bruto.
En base a este concepto, en una unión que estará sometida a esfuerzos dinámicos es imprescindible usar tornillos calibrados para asegurar el menor movimiento de la unión.
Material de los tornillos
Bulones comunes calibrados: se fabrican con aceros al carbono.
Designación: A 307.
Tipo de acero: F24 (norma CIRSOC) o ASTM A36 (según ASTM).
Tensión de fluencia: Fy=235 MPa.
Tensión de rotura: Fu=370 MPa.
TORNILLOS.
COMUNES.
EN BRUTO.
CALIBRADOS.
DE ALTA RESISTENCIA.
POR TRATAMIENTO TÉRMICO (TEMPLADO Y REVENIDO).
POR ALEACIÓN.
Bulones de alta resistencia: se fabrican con aceros al carbono tratados térmicamente (templado y revenido) ó aceros aleados. Los más comunes son:
1) Designación: ASTM A 325 (IRAM 5453) – Acero al carbono, templado y revenido.Tensión de fluencia: Fy=650 MPa (Ø≤1”) ó 570 MPa (Ø>1”).Tensión de rotura: Fu=825 MPa (Ø≤1”) ó 725 MPa (Ø>1”).Ø comerciales en pulgadas.
2) Designación ISO 8.8 (IRAM 5464)Tensión de fluencia: Fy=0.8Fu≥640 MPa.Tensión de rotura: Fu≥800 MPa.Ø comerciales en milímetros.
Los bulones 1 y 2 son los más comunes en nuestro medio. También existen en el mercado otros equivalentes con las siguientes denominaciones
SAE Grado 5 (Fu≥840 MPa).
DIN 8G (Fu≥800 MPa).
-3) Designación ASTM A 490 (IRAM 5455) – Acero aleado.
Tensión de rotura: Fu≥1035 MPa.Tensión de fluencia: Fy=800 a 900 MPa según el Ø. Ø comerciales en pulgadas.
4) Designación: ISO 10.9 (IRAM 5464)Tensión de rotura: Fu≥1000 MPa.Tensión de fluencia: Fy=0.9 Fu≥900 MPa. Ø comerciales en milímetros.
Otros bulones con características similares a las de 3) y 4) son:
SAE grado 8 (Fu≥1050 MPa).
DIN 10 K (Fu≥1000 MPa).
Clasificación de las uniones: Podemos clasificar a las uniones abulonadas de 2 maneras según la forma que transmiten la fuerza cuando ésta es perpendicular al eje del bulón:
Uniones tipo aplastamiento:
Supongamos la unión simple de dos chapas traslapadas, solicitadas con una fuerza de tracción T:
La transmisión de la fuerza T en la unión se hace de la siguiente manera: pasa por la sección 1-1 de la chapa A, y luego por aplastamiento de la chapa al bulón a travez de la superficie de contacto 2-2. En la sección 3-3 pasa por corte del bulón de la parte superior del mismo a la inferior, y por ésta, por aplastamiento a la chapa B.
Se deduce entonces, que las posibilidades de falla dde la unión tipo aplastamiento son:
a) Por corte del bulón.b) Por desgarramiento de la chapa desde el agujero al extremo libre.c) Por aplastamiento del bulón.d) Por aplastamiento de la chapa.e) Por rotura de la chapa en la sección del agujero.
En la siguiente figura pueden verse graficadas estas posibilidades de falla.
UNIONES ABULONADAS.
UNIONES TIPO APLASTAMIENTO.
UNIONES DE DESLIZAMIENTO CRÍTICO.
De todas las posibles fallas analizadas, habrá una que será determinante, y definirá la resistencia de la unión. La dimensión y forma del agujero que alojará el bulón es influyente en las resistencias nominales de casi todos los modos de fallas vistos; por ello el CIRSOC 301 indica las dimensiones máximas de los agujeros en función del diámetro nominal del vástago del bulón.
Dimensiones de los agujeros (mm).Normales (Diámetros). Holgados (Diámetros) Ovalados cortos (Ancho x largo). Ovalados Largos (Ancho x largo)
6 8 9 - -7 9 10 - -8 10 11 - -
10 12 13 - -12 14 16 14 x 18 14 x 3014 16 18 16 x 20 16 x 3516 18 20 18 x 22 18 x 4020 22 24 22 x 26 22 x 5022 24 28 24 x 30 24 x 5524 27 30 27 x 32 27 x 6027 30 35 30 x 37 30 x 67
>28 d+3 d+8 (d+3)x(d+10 (d+3)x(2.5xd)
Diámetro de los bulones (mm).
Los agujeros “normales” son los comunes, se usan tanto en las uniones tipo aplastamiento como en las de deslizamiento crítico.
Los “holgados” no pueden usarse en las uniones tipo aplastamiento, pero si en las de deslizamiento crítico.
Las que tienen agujeros “ovalados cortos” pueden utilizarse en las uniones tipo aplastamiento siempre que la longitud mayor del agujero sea perpendicular a la dirección de la fuerza actuante. Si pueden usarse en las uniones antideslizantes.
En el caso de los “ovalados largos”, solo una de las chapas puede tener este tipo de agujero. Las condiciones de uso son iguales a los ovalados cortos.
En cualquiera de los “ovalados” se deberá usar una arandela plana en la chapa extrema, y si la unión es de deslizamiento crítico, esta arandela deberá tener un espesor mayor a 8 mm.