solo uso acadÉmico
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CONSTRUCCIÓN
CIVIL
“CARACTERIZACIÓN DE UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO”
Proyecto de Título para optar Titulo de Constructor Civil
Estudiante:
Carlos Núñez Guajardo
Profesor:
Leopoldo De Miguel Jara
Junio 2018
Santiago, Chile
SOLO
USO ACADÉMICO
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CONSTRUCCIÓN
CIVIL
“CARACTERIZACIÓN DE UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO”
Proyecto de Título para optar Titulo de Constructor Civil
Estudiante:
Carlos Núñez Guajardo
Profesor:
Leopoldo De Miguel Jara
Junio 2018
Santiago, Chile
SOLO
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Resumen:
En esta memoria se realizara un estudio sobre los tipos de uniones existentes en las
estructuras de acero, pasando por la historia de cómo se creó e acero y los usos que se le
da en la construcción, así como también identificar los tipos de acero que existen según
su composición química, estudiar además el comportamiento que tiene este material frente
a los eventos naturales que afectan directamente al acero y finalmente estudiar los tipos
de uniones existentes en el mercado de la construcción donde se verán los procesos y
como queda finalmente las uniones.
Summary:
In this memory will take a stadyon taypes of joints in steel structures, through the
story of how it was created and steel and the uses given in construction, as well as
also to identify the types of Steel that exist according to its chemical composition,
estudy also the behavior that has this material against the natural events that
directly affect the Steel and finally study the types of joints in the construction
market where the process will be and how finally the joints
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INDICE
Capítulo 1 ................................................................................................................................. 8
Historia del hierro ................................................................................................................. 8
Puentes de hierro forjado: ................................................................................................ 17
Puentes de acero: ............................................................................................................. 17
Capítulo 2: .............................................................................................................................. 20
Aceros no aleados: .............................................................................................................. 20
Aceros aleados: ................................................................................................................... 20
Aceros inoxidables: ............................................................................................................. 20
Aleaciones de Hierro-Carbono............................................................................................. 23
Ferrita: ............................................................................................................................ 24
Cementita: ....................................................................................................................... 24
Perlita:............................................................................................................................. 24
Austenita: ........................................................................................................................ 25
Martensita ....................................................................................................................... 25
Ledeburita: ...................................................................................................................... 26
Capítulo 4: .............................................................................................................................. 27
Estudiar el comportamiento del acero ante eventos naturales como temperaturas extremas y
sismos. ................................................................................................................................ 27
- Corrosión: ................................................................................................................ 27
- Reacción al Fuego y Resistencia al Fuego ................................................................ 30
- Reacciones frente a sismos: ...................................................................................... 32
Capítulo 3: .............................................................................................................................. 34
Uniones remachadas: ........................................................................................................... 35
Remachado en frio: ......................................................................................................... 37
Remaches en caliente: ..................................................................................................... 39
Tipos de remache: ........................................................................................................... 40
Uniones soldadas: ............................................................................................................... 49
Tipos de uniones soldadas: .............................................................................................. 51
Uniones atornilladas: ........................................................................................................... 59
- Tornillos ordinarios o comunes: ............................................................................... 62
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- Tornillos de alta resistencia: ..................................................................................... 62
Uniones con pasadores: ....................................................................................................... 66
- Unión con pasador de fijación: ................................................................................. 66
- Unión con pasador de arrastre: ................................................................................. 66
- Unión con pasador de sujeción: ................................................................................ 67
- Unión movible o giratoria de dos piezas: .................................................................. 68
- Unión con pasador elástica: ...................................................................................... 69
- Unión con pasador de seguridad: .............................................................................. 71
- Unión con pasador de cizallamiento: ........................................................................ 71
Capítulo 5: .............................................................................................................................. 73
Conclusión: ......................................................................................................................... 73
Bibliografía ............................................................................................................................. 75
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Objetivos
Objetivos generales:
- Estudiar detalladamente los diferentes tipos de uniones metálicas que ofrece el
mercado de la construcción.
Objetivos específicos:
- Estudiar la historia del acero y sus usos en la construcción.
- Identificar los distintos tipos de acero según su composición.
- Estudiar el comportamiento del acero ante eventos naturales como temperaturas
extremas y sismos.
- Estudiar los tipos de uniones metálicas existentes.
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Introducción
En el mundo de la construcción existes una variedad de soluciones constructivas que te
permiten solucionar los diferentes inconvenientes que pueden surgir al momento de elegir
el lugar donde se emplazara el proyecto, dentro de estas soluciones se encuentran por
ejemplo, soluciones constructivas hechas en madera, hormigón armado, albañilería y las
estructuras de acero. Estas últimas son altamente requeridas en estructura de gran escala
como lo son edificios; los que tienen un alto uso en industrias debido a sus cualidades y
llamativa economía.
Desde los inicios de la nueva era, el metal ha sido parte fundamental del progreso en la
civilización de las personas, ya que se utilizó primeramente en armaduras y armamento
pero no fue hasta principalmente en la revolución industrial en que este material alcanzo
su máximo esplendor ya sea en grandes estructuras viales como puentes o estructuras en
altura como grandes edificios desafiando los límites de la construcción, y también en las
industrias con las maquinarias que utilizan y además con gran influencia en la industria
automotriz que se masifico de formas impensadas para sus inicios. Una de sus soluciones
más importantes que permitieron hacer grandes estructuras es la forma en como
comenzaron a unir estas piezas de acero mediante sistemas de uniones más sofisticados y
resistentes, gracias a esto se pudieron construir estructuras como el “Empire state”, que
tiene una altura de 381 metros de altura y su base está hecha de acero constructivo, o
grandes puentes de acero, como el “Golden gate” que se extiende por 1280 metros de losa
que se sustentan en dos torres centrales de 227 metros de altura llegando a ser un emblema
en la construcción en acero, y un emblema de la construcción en acero como lo es la torre
Eiffel con sus 324 metros de altura es una de las estructuras metálicas más visitadas en el
mundo que en 1889 marco una nueva era para este material ferroso. Además de ser
ocupado en estas grandes estructuras de acero que han facilitado el progreso de la
civilización se ocupan además en obras más pequeñas como los son los galpones de acero
que últimamente han aumentado su ocupación como solución constructiva de forma
considerable teniendo usos como industrias de todo tipo, como por ejemplo plantas de
alimentación, hasta empresas de distribución de materiales, las que emplazan su planta de
producción dentro de estas estructuras debido a sus beneficios de elegir este método. Otro
uso que se le da a esta material es en el tema de la navegación como en cruceros o grandes
cargueros como el “MSC Oscar” que mide 395 metros de largo y 59 metros de ancho que
tiene una capacidad de 197.362 toneladas, además de estos usos hay otro que cambio y
revoluciono la forma de transporte tanto de personas como de pesadas cargas es los
ferrocarriles, medio de transporte importantísimo en la historia de la humanidad, ya que
permitió la conexión de grandes distancias en tiempos acotados y todo esto en base al
acero que se utilizó tanto en la construcción de los vagones como en la formación de las
vías férreas teniendo millones de kilómetros de vía alrededor de todo el mundo.
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A fin de cuentas el acero forma parte fundamental de lo que conocemos hoy en día, ya
que se utilizan en la mayoría de las estructuras tanto de construcción como en artefactos
que se manejan en la vida cotidiana de las personas hoy en día, esto es debido a su
maleabilidad que posee este metal al calentarse a grandes temperaturas que permite
realización de prácticamente lo que uno quiera ya sea desde pequeñas aplicaciones como
alambres y pequeños circuitos que permiten por ejemplo la funcionalidad de los celulares,
hasta grandes estructuras de acero como las antes mencionadas.
Todos estos artefactos pequeños o construcciones grandes se debieron a la maleabilidad
de este metal, pero tampoco se puede hacer estas gigantescas estructuras de una sola pieza
de metal por lo que se vieron en la obligación de encontrar una solución para dicho
problema y es ahí donde se crean las uniones metálicas, que un principio pudieron ser
simples uniones mediante la doblez de un metal que unió uno con otro pero estos métodos
han ido evolucionando con el tiempo y creando uniones de mejor calidad y resistentes,
hasta llegar a casi un punto donde hoy en día se preocupan más de cómo queda
estéticamente unido una sección metálica con otra que el de la calidad de la unión, ya que
esta última con los avances que han surgido a través del tiempo son más seguras y es poco
probable que fallen ya que las especificación de como unir o bien vienen de fábrica en
caso de uniones apernadas, y en los casos de uniones más sofisticadas como las soldadas
se tienen que realizar mediante soldadores especializados en el área por lo que el
porcentaje de que una de estas uniones falle es muy bajo.
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Capítulo 1
Historia del hierro
La existencia de la humanidad a lo largo de la historia ha sido marcada por distintas épocas
las que se denominan por un hecho en particular que generalmente ayudo a evolucionar
cada vez más a la civilización y llegar hasta lo que somos hoy en día, una sociedad
avanzada, inteligente y capaz de dominar las mayoría de los recursos que poseemos
gracias a lo que nos da la tierra.
Una de las épocas más controversiales con respecto a la evolución fue la edad de los
metales, que se refiere a la segunda etapa de la prehistoria llamada la edad de piedra, esta
época fue totalmente revolucionaria para la época ya que fue en este periodo de tiempo
donde el ser humano aprendió a manipular estos materiales tanto como para la caza como
también artefactos de utilización diaria que ayudo a la mejora de la vida cotidiana de las
personas en dicha época.
Esta edad comenzó con un corto periodo que se denominó la edad de cobre o también
conocida como calcolítico debido a su coexistencia en los años, la cual se extendió desde
el 6.500 A.C. hasta el 2800 A.C. aproximadamente. El cobre fue uno de los primeros
metales que uso el hombre, utilizándolo primeramente en su estado natural ya que
desconocía los mecanismos por los cuales se podía fundir el mineral. Aunque no todos
los asentamientos humanos llegaron a utilizar o siquiera conocer su uso, hasta no
encontrarse con culturas más avanzadas que si conocían el método para obtener este metal
y no fue hasta que se perfeccionaron las técnicas de elaboración de la cerámica mucho
después, que les fue posible al hombre conseguir éxito con la experimentación de los
procesos metalúrgicos en el tercer milenio AC, al agregar otros metales obteniendo nuevas
aleaciones como es el caso del arsénico primero y el estaño después la cual dio lugar al
bronce.
Estos materiales se utilizaron en un principio para artefactos para arar la tierra que
cosechaban, pero se dieron cuenta que este metal no era tan duro para utilizarlo en
herramientas como hachas, flechas, picotas, etc. Por lo que se comen. Y en menores
cantidades ara ritos fúnebres en los que se utilizaban estos materiales como adorno según
las creencias que se tenían en ese entonces. A continuación se muestran restos
arqueológicos de los fines que se les daba a este material utilizados en la época y ayudan
a explicar y entender cómo es que era la vida el día a día en los tiempos de la edad de
cobre, con este tipo de hachas que les servían ya sea para la caza, la agricultura y otras
actividades que quizás aún se desconocen por nuestra humanidad.
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(Wikipedia, 2015)
Posteriormente de la edad de cobre comienza otra época la cual se denomina la edad de
bronce la que se extiende entre los años 2800 A.C. Y 1000 A.C. aproximadamente, esta
época se denomina así ya que en este periodo fue cuando se descubrió la aleación entre el
cobre y estaño dando paso al bronce y un nuevo metal desconocido hasta ese entonces y
que fue recibido de muy buena manera por los que vivieron en esa época ya que era un
metal mucho más resistente que el anterior, esta época es sumamente importante ya que
gracias a los avances del metal pudieron fabricar mejores armas de caza lo que genero a
largo tiempo el comienzo del sedentarismo en la humanidad ya que no tenían que recorrer
grandes distancia por el hecho de no tener comida, debido obtenerla ahora era mucho más
fácil. Además se tuvo un gran avance en cuanto al arado del suelo ya que con este material
más resistente se pudieron crear mejores herramientas, también mejorar en otros aspectos
como en reforzamientos como por ejemplo la rueda la que la hacía mucho más resistente
que cuando solo estaba hecha con madera. En esta época además se generó un aumento
del comercio, una mayor especialización laboral ya que se poseían nuevas tecnologías
para forjar el material y por consecuente un aumento en la brecha social, ya que las
personas más asalariadas tenía acceso a más y mejores artefactos como lo eran las armas
y adornos
(Wikipedia, 2015)
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En la ilustración anterior se muestra diversos artefactos que fueron encontrados por
arqueólogos y que pertenecen a la edad de bronce, de la imagen se puede deducir el
principal uso que se le daba a los metales en aquella época en la que se ve una clara mejora
en el tratamiento del metal con mejores armas las que las de la edad de cobre y también
una utilización mayor para otros artefactos y utensilios con vasijas más producidas y hasta
cascos para las batallas, como también artículos personales como los collares que se
muestran. Este material llego a mejorar de forma considerable la vida de las personas que
vivieron en esa época.
Y finalmente la edad de los metales entra en una última etapa denominada la edad de
hierro la que comienza desde el año 1000 A.C. aproximadamente, esta etapa fue la más
controversial ya que se comenzó a ver el hierro como un nuevo metal maleable que
reemplaza a los otro y no verlo como un metal destinado para las joyas por su proveniencia
de meteoritos, se prefirió seguir con este metal ya que su abundancia en la tierra es muy
grande siendo el segundo metal más abundante en la tierra después del aluminio.
En Europa los primeros objetos se obtuvieron por martilleo, no se sabe si se los fundía o
se añadía carbono, aspectos ya conocidos por los hititas. La Edad de hierro es el último
periodo de la prehistoria antes del comienzo de la historia con la invención de la escritura.
La era del hierro se desarrolló en el primer milenio antes de Cristo en la península Ibérica
y constituye la etapa final de la edad de los metales.
La mayor ventaja del hierro sobre el bronce residía en el hecho de que los filones para
extraer el mineral eran mucho más abundantes y por tanto más económicos en
comparación con el bronce. No era necesaria aleación alguna y constituía un material
admirable para la fabricación de sierras, hachas, azuelas y clavos. Era, sin embargo,
mucho más difícil de trabajar y nunca se logró obtener una temperatura suficientemente
elevada durante los tiempos prehistóricos para fundir el hierro en molde.
El material era simplemente calentado en un horno donde se separaba el hierro de la
escoria, luego se recalentaba el hierro, convertido en un solo bloque, y finalmente, se
trabajaba el metal mediante el uso del martillo para darle la forma requerida.
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(Wikipedia, 2017)
En esta época es donde comienza una mayor utilización del metal para fines de guerra ya
que como poseían un mayor conocimiento de la creación de armas blancas como lo eran
las espadas y cuchillos y esto combinado con una ambición de querer cada vez más, se
comenzaron a crear más y mejores armas para sus conquistas en la imagen se muestra
como eran estas mejores armas y la dedicación que se les daba ya que tienen por ejemplo
las espadas una empuñadura más sofisticada que las anteriores aplicándole incluso
adornos a las armas los que mejoraban según el rango que poseía el caballero que la
utilizaría, ósea se puede decir que se tenía una mayor comodidad y un afán de querer
diferenciarse de los demás por el tipo de arma que poseía el hombre en aquellos tiempos
y así tener cierta superioridad sobre otros.
Posteriormente llegaría otro avance en los metales y fue el descubrimiento de la aleación
entre el hierro netamente con el carbón creando esta mezcla al denominado acero, un metal
nuevo inexistente en épocas anteriores y con propiedades únicas ya que posee una
resistencia mucho más alta que los otros metales conocidos hasta esa época, esta aleación
seria ocupada por el resto de la historia comenzado con las espadas y escudos
principalmente donde comenzó su auge en la guerra de las cruzadas en un principio y
posteriores guerras a través del mundo, hasta el día de hoy en que se utiliza el acero
principalmente en las construcciones debido a su resistencia, y gran maleabilidad que tiene
este compuesto al exponerlo a temperaturas altas.
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(El hierro y el acero en la historia de la arquitectura, 2009)
En la ilustración anterior se muestra como se creaba esta aleación de acero en los primeros
tiempos, en una primera fase se colocan los materiales a fundir los que son el hierro y el
carbón dentro de un recipiente al cual se le aplica fuego para así generar el derretimiento
de los materiales luego se le suma el crisol que es el material que evita la oxidación del
material, luego se comienza el enfriado lento del material para que se pueda forjar y dar
la forma que se requiere del material si este se enfría mucho que llega un puto donde no
se puede seguir moldando se coloca nuevamente en fuego y así sucesivamente hasta llegar
a la forma ideal, en ese momento se aplica el templado en agua fría para tener finalmente
el artefacto de acero al que se quería llegar.
Así es como mejora también la calidad de las armas en la apoca mencionada de las
cruzadas y las guerras posteriores que persistieron durante años alrededor del mundo, la
masificación y auge de las guerras tenían directa relación con el mejoramiento del metal
con la creación del acero debido que las armas y armaduras propias de los guerreros eran
de mucha mejor calidad que antiguamente lo que generó también la mutilación de
millones de personas alrededor del mundo.
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En la siguiente ilustración se muestra un breve paso por la historia de las armaduras desde
sus inicios con chalecos de cuero generalmente pasando por una combinación de
diferentes materiales para posteriormente llegar a una armadura netamente de acero que
era mucho más segura que las antiguas pero tenían en su contra también el peso de esta
ya que se utilizaban grandes cantidades de acero para su fabricación con el fin de proteger
a la persona dentro de la armadura. Cabe destacar también que las armaduras, si bien te
protegían de gran manera en las batallas, también le reducían la movilidad a la persona
dentro de la armadura por lo que su preparación tenía que ser intensa.
(Wikipedia, 2017)
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Así es como con el paso del tiempo el acero se fue abriendo paso en el mundo para
satisfacer diversas necesidades del hombre, en un principio teniendo funciones como por
ejemplo de cocina como valijas para calentar la comida en la antigüedad, como se mención
anteriormente también como adornos tanto en el “hogar”, como adornos para las personas
como aros, brazaletes, etcétera. Además de tener un mejoramiento excepcional en el
armamento utilizado en esa época como lo eran las espadas, escudos o armadura que se
ulizaban en las guerras. Eso en un principio ya que los siguientes años la humanidad vio
una oportunidad de crecer exponencialmente a lo largo de los años, mejorando la
comodidad habitacional con refugios más resistentes los cuales eran de pequeñas
magnitudes en un principio, pero con el pasar de los años cada vez se fue mejorando el
proceso de fabricación de esta material pasando hacer grandes piezas ya industriales de
acero que permitieron la construcción de grandes estructuras para la época así fue como
para los años 1700 en adelante que el auge de este material fue portentoso ya que ya en el
año 1706 en Inglaterra se fabricaban las columnas de fundición de hierro para la
construcción del palacio de Westminster o también conocido como el parlamento del
Reino Unido en Londres donde también se encuentra el icónico de la ciudad, el Big Ben
(reloj de la torre)
(Wikipedia, 2017)
Este material irrumpe de lleno en el siglo XIX dando un nuevo concepto de arquitectura
moderna, y tomo suma importancia este material en el periodo de la revolución industrial
llegando a su auge en la producción estandarizada de piezas principalmente metálicas,
como en la fabricas de autos que ha sido unos de los usos más controversiales e
impensados en el acero, como también grandes vigas de construcción de este material que
permitieron llegar cada vez más alto en las construcciones en donde en el año 1836 aparece
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el perfil “doble T” la que llego a revolucionar la industria de la construcción, destronando
a la madera como material líder para realizar las construcciones
Existen varias construcciones que son controversiales en los inicios de la revolución y
algunas de ellas son el Palacio de Cristal de Joseph Paxton construida en 1851, este palacio
es icónico ya que la base de su construcción esta echa totalmente de acero y tiene una
“piel” principalmente de cristal en su fachada que lo hace sumamente atractivo y es un
icono de la nueva arquitectura que se estaba instalando en ese tiempo.
Pero no es hasta la exposición de París, Francia de 1889 en que este metal se afirma de
forma permanente tanto en arquitectura como construcción con la quizás más famosa
estructura de acero como lo es la Torre Eiffel que representa un icono en la modalidad de
construcciones metálicas, ya que solo estaba presupuestada estar un par de años después
de la exposición pero tuvo tan buen recibimiento por parte del público que quedo de forma
permanente y hasta el día donde hoy está totalmente activa y es visitada por miles de
personas al año.
A continuación se ilustran dos imágenes en las que se muestran estas 2 estructuras
referentes de la estructuras en acero en sus inicios como solución constructiva y consigo
mismo la revolución industrial, en la imagen de la derecha se muestra con claridad es
esqueleto de acero del Palacio de Cristal y la gran magnitud que este tiene, siendo un icono
de la construcción, y al costado izquierdo se muestra la Torre Eiffel que reconocida
mundialmente y que muchos llaman la madre de este tipo de construcciones en acero y el
tipo de arquitectura que se implementó que llego incluso hasta nuestro país, Chile, ya que
el destacado arquitecto Eiffel diseño la estructura de la actual estación central en Santiago
la posee la misma arquitectura y materialidad en su construcción.
(Wikipedia, 2011)
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Las anteriores estructuras de acero, como se mencionó anteriormente, fueron las primeras
estructuras grandes en acero y las que abrieron las puertas para que, en los siguientes años,
este tipo de solución constructiva aumentara de manera significativa desplazando en cierto
modo al hormigón o albañilería que se utilizaba generalmente en esa época.
Así fue como el hierro y su sucesor el acero se fueron abriendo paso en la construcción
siento utilizado como alternativa en diversas ocupaciones, como lo son los mismos
edificios ya mencionados, también solucionando temas de vialidad en el caso de puentes
la que fue una solución muy bien recibida ya que el costo de este era menor en general a
los puentes de hormigón, cabe destacar que el valor de estos dependerá de la magnitud del
proyecto y dependiendo de las condiciones del lugar en donde se emplaza el puente.
El empleo del hierro significó una transformación radical en la construcción en general, y
en los puentes en particular; sus posibilidades eran mucho mayores que las de los
materiales conocidos hasta entonces, y por ello se produjo un desarrollo muy rápido de
las estructuras metálicas, que pronto superaron en dimensiones a todas las construidas
anteriormente. Hoy en día sigue siendo el material de las grandes obras, y en especial de
los grandes puentes, si bien el hierro que se utiliza ahora no es el mismo que se utilizó en
los orígenes, ya que el material también ha evolucionado significativamente, hay
diferencia considerable de características y de calidad entre los aceros actuales y el hierro
fundido que se utilizó en un principio.
Coalbrookdale marcó el principio de una nueva era en los puentes, que dio lugar a su
espectacular desarrollo en el siglo XIX. Entre la construcción del puente de
Coalbrookdale, un arco de medio punto de 30 m de luz, con una estructura poco clara, y
la construcción del puente de Firth of Forth, un puente cantiléver para ferrocarril con dos
vanos de 521 m de luz, terminado en 1890, transcurrieron exactamente 111 años.
(Wikipedia, 2010)
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El rápido desarrollo a principios del s. XIX de los puentes metálicos se debió básicamente
a dos causas fundamentales:
En primer lugar, el nuevo material tenía muchas más posibilidades que los anteriores,
porque su capacidad resistente era mucho más alta. Y en segundo lugar, se empezó a
conocer con cierto rigor el comportamiento resistente de las estructuras, lo que permitió,
a la hora de proyectar un puente, dimensionar sus distintos elementos cuantificando su
grado de seguridad, y con ello ajustar al máximo sus dimensiones.
Los materiales derivados del hierro que se han utilizado sucesivamente en la construcción
han sido el hierro forjado y el acero.
Puentes de hierro forjado:
El hierro forjado es un hierro tratado a base de golpeo para aumentar su resistencia y
mejorar su regularidad. Actualmente se laminan en caliente fabricando chapas y perfiles
metálicos, elementos que han conformado en gran medida las estructuras metálicas.
Los primeros puentes grandes que se construyeron con hierro forjado fueron el de
Conway, y el Britannia en los estrechos de Menai, dos puentes en viga cajón de grandes
dimensiones para ferrocarril, hechos por Robert Stephenson, hijo del inventor de la
máquina de vapor. En estas vigas el tren circulaba por su interior. El primero se terminó
en 1849; es una viga simplemente apoyada de 125 m de luz. El segundo es una viga
continua con cuatro vanos de 70+2x142+70 m de luz, terminado en 1850. Estos puentes
han sido unos de los más innovadores de la Historia porque, además de emplear el hierro
forjado por primera vez en una gran obra, fueron los primeros puentes viga de grandes
dimensiones que se han construido, y también las primeras vigas cajón, es decir, vigas con
sección rectangular o trapecial cuyos contornos están formados por paredes delgadas.
La construcción del puente Britannia también fue innovadora; las vigas se construyeron
en tierra, se transportaron por flotación hasta la vertical de su posición definitiva, y se
elevaron con gatos para situarlas a su cota.
El hierro forjado es el material de los puentes de la segunda mitad del s. XIX, la época de
los grandes viaductos de ferrocarril en viga triangulada; de este material son las vigas en
celosía y los arcos de Eiffel.
Puentes de acero:
A finales del s. XIX, cien años después de la iniciación de los puentes metálicos, se
empezó a utilizar el acero para construir puentes. Conseguir que los materiales de
construcción sean dúctiles y no frágiles, es uno de los logros importantes de su tecnología.
El acero se conocía mucho antes de que se empezara a fabricar industrialmente a finales
del s. XIX, y de hecho se había utilizado en algún puente aislado; ejemplo de ello son las
cadenas del puente colgante sobre el Canal del Danubio en Viena, de 95 m de luz,
terminado en 1828. Pero era un material caro hasta que en 1856 el inglés Henry Bessemer
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patentó un proceso para hacer acero barato y en cantidades industriales, mediante un
convertidor donde se insuflaba aire en el hierro fundido que reducía las impurezas y el
contenido de carbono.
El primer gran puente cuya estructura principal es de acero es el de San Luis sobre el río
Mississippi en los Estados Unidos, proyecto de James B. Eads en 1874, con tres arcos de
152+157+152 m de luz. Los dos grandes puentes de finales del s. XIX fueron también de
los primeros que se hicieron con acero: el puente de Brooklyn y el puente de Firth of Forth.
Desde finales de s. XIX el acero se impuso como material de construcción sobre el hierro,
y por ello, a partir de entonces, todos los puentes se han hecho de acero.
(Wikipedia, 2009)
Estas infraestructuras de acero han sido mayormente utilizadas debido a la versatilidad
que posee este material debido a que el manejo de él es más fácil de manipular, ya que
funciona como un esqueleto firme y rígido que después solamente es forrado por el
material que se desee, que principalmente es forrada por metales como grandes planchas
de acero como también puede tener un revestimiento en madera ya que estos dos
materiales, el acero y la madera, funcionan de buena manera en conjunto, dando además
una terminación más armoniosa y que es mejor vista a la vista de la sociedad en cuanto al
medio ambiente y contaminación visual. Otro de los factores que hacen que este material
sea unos de los más utilizados en la construcción es su fácil montaje, debido a que el
esqueleto se arma por vigas y pilares que vienen prefabricados, los que se pueden adquirir
en unidades de 6 mt., generalmente pero también se pueden obtener de medidas más
grandes mediante pedidos especiales que se realizan directo con la empresa distribuidora.
El montaje de estos materiales es rápido ya que su anclaje al suelo es mediante pernos de
gran resistencia principalmente en los cales el pilar de acero es levantado mediante una
grúa, debido al gran peso que posee el material, y se ensamblan en los pernos puestos en
una base de cemento y atornillada con tuercas de gran resistencia, o también los pilares
pueden estar embutido en la fundación resistente de hormigón , la base de cemento es
capaz de resistir la carga que transmite la estructura a las fundaciones, las bases son
calculadas según las cargas tanto estáticas como dinámicas que va a tener la estructura al
momento de la unión según el mandante lo requiera puede tener métodos antisísmicos
también, esto según el mandante lo requiera. Luego en la colocación de vigas estas tienen
la posibilidad de ser apernadas o soldadas y al igual que en el caso de los pilares si se
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requieren dimensiones mayores a las entandares que se venden normalmente en el
mercado, se solicitan estas vigas de mayores dimensiones a la empresa distribuidora de
este material.
(El hierro y el acero en la historia de la arquitectura, 2009)
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Capítulo 2:
Las aleaciones que se hacen en proporciones de carbono no superan más allá de 1% total
del compuesto final (acero) debido a que al aumentar este porcentaje de carbono en cuanto
al hierro, el acero que es el compuesto final si bien es mucho más duro, su resistencia al
corte o pandeo es mucho más pequeña ya que el carbono genera menos posibilidad de
oscilación del compuesto, esto genera que el acero se distinga de diferentes formas según
su composición Fe-C:
Aceros no aleados: O también llamados aceros al carbono son tipos de acero que la
composición de elementos como Como elementos aleantes que se añaden están el
manganeso (Mn), el cromo (Cr), el níquel (Ni), el vanadio (V) o el titanio (Ti). Son
menores a los mostrados en la tabla 1
- Aceros de bajo carbono: son los aceros en el que el porcentaje de carbono presente
en la aleación es menor al 0,25% del total
- Aceros de medio carbono: son los aceros que su composición de carbono varía
entre el 0,25% y el 0,55% de la aleación total
- Aceros de alto carbono: son los aceros en el que el porcentaje de carbono varía
entre el 0,55% y el 2% de la aleación total
Aceros aleados: Como elementos aleantes que se añaden aquellos en los que, además del
carbono, al menos uno de sus otros elementos presentes en la aleación es igual o superior
al valor límite dado en la tabla 2 están el manganeso (Mn), el cromo (Cr), el níquel (Ni),
el vanadio (V) o el titanio (Ti).
- Aceros de baja aleación: son los que los elementos aleantes son menores al 5% de
la composición total del material
- Aceros de alta aleación: son los que los elementos aleantes superan el 5% del total
de la composición del material
Aceros inoxidables: son aquellos aceros que contienen un mínimo del 10.5% en Cromo y
un máximo del 1.2% de Carbono.
Este tipo de aceros se utilizan en menores cantidades en la construcción debido a su alto
costo en comparación con los otros tipos de acero existentes, por lo que la utilización de
este acero inoxidable se ha erradicado más hacia los utensilios que necesitan gran
limpieza, maquinarias de frio para la comida, etc. ya que se pueden limpiar con facilidad
y no permite la corrosión del material
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Tabla N°1
(Aratec, 2013)
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TABLA N°2
(Aratec, 2013)
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Aleaciones de Hierro-Carbono
El acero es una aleación de hierro con una pequeña proporción de carbono, que comunica
a aquellas propiedades especiales tales como dureza y elasticidad. En general, también se
pueden fabricar aceros con otros componentes como manganeso, níquel o cromo. El hierro
es un constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la
ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, por lo que puede existir en más de una
estructura reticular dependiendo fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los
metales más útiles debido a su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más
del 5% de esta, aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo
combinado con otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a que se
obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial, este posee propiedades físicas
y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad.
El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un metal
blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87 y se funde de 1536.5ºC a
1539ºC reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que permite forjarlo y
moldearlo con facilidad y es, además, un buen conductor de la electricidad y se imanta
fácilmente.
El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el
carbono, junto a otros elementos, es el metal más utilizado en la industria moderna. A la
temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que
contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (CFe3). Por eso, las
aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro.
Las aleaciones con contenido del carbono comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen
características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier
proporción del carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos,
formando los denominados aceros aleados o aceros especiales, algunos aceros aleados
pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de carbono.
Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los
distingue, si la proporción del carbono es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se
denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de carbono aleado del 6.67%, que
corresponde a la cementita pura y por lo general las fundiciones no son forjables.
En las aleaciones de Hierro-Carbono pueden encontrarse hasta 11 tipos distintos según la
composición que poseen, estos son: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita,
troostita sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito: de los cuales se describirán los más
relevantes a continuación.
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Ferrita: Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su
solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008%
de carbono. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro.
La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Tiene una dureza de 95
Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al
40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los
aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida
sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más
irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una
transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.
La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita
en:
- Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)
- Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)
- Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
Cementita: Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33%
de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una
dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran
tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus
propiedades magnéticas. Aparece como:
- Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que
envuelve a los granos perlíticos.
- Componente de la perlita laminar.
- Componente de los glóbulos en perlita laminar.
- Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)
Perlita: Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita,
es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de
aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un
alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas
de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por
enfriamiento muy lento, si el enfriamiento es muy brusco la estructura es más borrosa y
se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una
temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos
incrustados en la masa de ferrita recibiendo entonces la denominación de perlita globular.
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Austenita: Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución
sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma, la proporción de carbono disuelto varía
desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la
temperatura de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro
elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse
una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy
rápidamente una probeta de acero de alto contenido de carbono a partir de una temperatura
por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable y con el tiempo se
transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.
Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos, cuya
estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales
cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el
centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un
alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.
Martensita: Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de carbono
pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de
Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta
transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento
dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo
suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún
movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llegar a ser BCC,
ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada
martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura
tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la
principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la
martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces
durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que
produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la
matriz.
Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se
presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en
la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su
dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en
torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su
alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.
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Bainita: Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de
temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta
una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total
de la austenita en bainita.
Ledeburita: La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se
encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es
superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.
La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición
alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiéndose a
partir de esta temperatura en ferrita y cementita
(Aceros: Aleaciones junio 2004)
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Capítulo 4:
Estudiar el comportamiento del acero ante eventos naturales como temperaturas
extremas y sismos.
Como se ha mencionado a lo largo del presente trabajo, las soluciones constructivas en
acero son muy factibles de utilizar y mas hoy en día ya que es una solución que permite
ahorrar dinero y facilitar la ejecución de estas estructuras en un tiempo mucho menor al
que se utilizaba antes con otros métodos constructivos, pero este material no es solamente
buenas cualidades, por lo contrario es bastante inestable frente algunos eventos naturales,
sin embargo es bueno y efectivo frente a la corrosión y la resistencia a altas temperaturas.
Uno de los eventos naturales a los que está expuesto este material, y que es sino el más
perjudicial junto con la corrosión, es el fuego. A continuación se verán los efectos que
producen, tanto la corrosión como el fuego, sobre este material ferroso.
- Corrosión: la corrosión es un proceso que se produce forma espontánea y que
afecta continuamente al acero en cualquiera sea su posicionamiento cuando este
está en contacto con el aire y agua, ya que estos dos componentes combinados son
lo que provocan de deteriora miento de esta material, cuando más húmedo es el
ambiente en que se encuentra el acero más posibilidades de riesgo existen de que
la corrosión afecte de manera profunda al metal, y más afectado se ve este material
cuando se encuentra presente en un ambiente de salinidad como en las costas por
lo que estas estructuras en acero son las primeras afectadas en las ciudades
costeras.
La corrosión del acero genera un aumento en el volumen del acero, y las zonas
corroídas se comienzan a desprender en forma de hojas y estas comienzan a ocupar
cerca de 10 veces más el espacio ocupado por el acero que aún se encuentra sano.
Es por esto que las estructuras metálicas deben estar protegidas de este efecto de
la naturaleza que es la corrosión, una de las protecciones que se pueden aplicar es
simplemente la mejora del ambiente donde se ejecutara la obra como en ambientes
secos y limpios, pero ya que es muy difícil de generar ya que el lugar es
básicamente lo primordial para lo que se desee construir, se vieron obligados a
generar materiales que ralenticen o básicamente anulen la corrosión esto puede ser
mediante pinturas o revestimientos de morteros que no sean porosos ni agresivos
para el material a proteger.
A continuación se muestran 2 ejemplos en los cuales la corrosión afectó de manera
drástica ya que perjudica directamente al soporte estructural de la infraestructura en
cuestión; en la primera ilustración se muestra como está afectado un pilar de una estructura
desde su base, y en la segunda ilustración como es la corrosión en una viga.
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(E-estruc, 17 abril, 2015)
(E-estruc, 17 abril, 2015)
Frente a este caso y muchos más se aplican soluciones como las pinturas que se pueden
encontrar en cualquier establecimiento repartidor de materiales constructivos:
Algunas pinturas son:
- EPOPRIMER 42 ET
Epóxico Fenalkamide, 48%CVS, alta corrosión industrial y marina
- EPOPRIMER 47 R Epóxico reforzado, secado rápido, 51%cvs, para zonas frías y húmedas,
Certificado DICTUC, ASTM
- OXIMETAL 965
Antióxido rico en zinc, especial para techos.
Recubrimiento de protección anticorrosiva fabricado en base de resinas alquílicas
reforzadas, modifica los óxidos y los transforma a magnetita, con alta resistencia
a la corrosión normal, forma una barrera, impermeable y de excelente resistencia
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a la intemperie, permite pintar sobre capas con óxidos delgados, los cuales se
incorporan en la pintura, posee una muy buena adherencia sobre todo tipo de
superficies, especialmente sobre aceros nuevos y/o pre pintados. Es de secado
rápido y de corto tiempo entre manos lo cual agiliza los procesos de pintado.
(Epoxicos, 2018)
Revestimientos anticorrosivos:
Se presentan otros métodos como los son revestimiento con mortero de estas estructuras
de acero los cuales permiten una mayor duración de material a recubrir ya que este lo
protege de ambiente creando una placa protectora la que no deberá tener una superficie
porosa por donde pueda ingresar agua, aire o sales que afecten y produzcan con el tiempo
la corrosión del material. Si este método anticorrosivo es aplicado de buena manera y el
material utilizada es de calidad o está certificado la estructura puede durar más de 100
años sin verse afectado el coeficiente de soporte ya que no vera variación alguna en ello.
(Ingemecanica, 2018)
Otro efecto de la naturaleza que afecta de manera significativa a la resistencia del
hormigón es el fuego, este efecto de la naturaleza es uno de los más agresivos ya que las
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temperaturas donde se produce el fallo estructural del acero son baja en comparación con
otros métodos constructivos:
- Reacción al Fuego y Resistencia al Fuego
La construcción o estructura propiamente tal, si es de acero no contribuye en el
incendio y en el caso de
otros elementos estructurales contribuye sólo en una pequeña parte al fuego. De aquí
que la legislación limita la cantidad y naturaleza de los materiales combustibles que
existen en edificios como establecimientos industriales, supermercados, centros
comerciales y de bodegaje. Se deduce de estoque las cualidades exigidas a los materiales
frente al fuego no pueden considerarse por ellas mismas, sino como aporte a un sistema
conjunto de seguridad, destinado a salvar vidas y bienes materiales existentes en el sitio
incendiado.
Partiendo de este punto de vista, se definen dos conceptos fundamentales que se
utilizan en la mayoría de los países para analizar o medir el comportamiento al fuego de
los elementos, tales son la reacción al fuego y la resistencia al fuego.
La reacción al fuego es el alimento que un material puede aportar al fuego y al desarrollo
del mismo, permitiendo apreciar el riesgo existente en el local, creador de pánico. Es por
tanto, un índice potencial de la capacidad del material para favorecer el desarrollo del
fuego.
La resistencia al fuego es una cualidad que poseen los elementos de
construcción, verticales, horizontales o inclinados, en el sentido que soportan un fuego
intenso cumpliendo su función estructural bajo condiciones reales, durante un
tiempo suficientemente largo
como para confinar el fuego en el lugar de origen, de modo de
evitar o retrasar su avance hacia el resto de la edificación. Esta cualidad se mide
por el tiempo en minutos durante el cual el elemento conserva la estabilidad mecánica,
la estanquidad a las llamas, el aislamiento térmico y la no emisión de gases
inflamables.
Cabe señalar que en la actualidad existen normas oficiales para determinar el
comportamiento frente al fuego de elementos específicos y no abordan las edificaciones
como un proyecto integral. El MINVU, a través de la Ordenanza General de Urbanismo
y Construcción, da a conocer exigencias mínimas que deben cumplir las
edificaciones, entregando consideraciones generales para la protección pasiva que incluye
el concepto de compartimentación y la protección activa, sin diferenciar según el tipo de
material utilizado.
La Corporación Instituto Chileno del Acero, ha realizado diferentes actividades con el
objetivo de entregar, al mercado nacional, herramientas técnicas que permitan
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comprender, aplicar e incorporar los últimos avances tecnológicos para la protección
contra el fuego de estructuras de acero.
“Se editó el documento técnico de interpretación y recomendaciones a la OGUC
con la finalidad de explicar con mayor detalle los artículos que tienen una direct
a relación con la edificación en acero. Se ha realizado una misión tecnológica a Europa
con el objetivo de prospectar e identificar las normativas y avances tecnológicos que
existen a nivel mundial, permitiendo la incorporación de soluciones eficientes y seguras
en el mercado nacional”, señala Juan Carlos Gutiérrez, Gerente del Instituto Chileno del
Acero – ICHA.
En base a los avances prospectados, se realizó un análisis de las exigencias nacionales y
una proposición de mejoras o actualizaciones, que permitan establecer un marco
normativo acorde a la realidad chilena. Además, se difundieron los alcances logrados a
través de seminarios, en Santiago y regiones, boletines, publicaciones técnicas y web.
(ICHA, Agosto 24, 2011)
A continuación se muestra una ilustración en la cual se ven las temperaturas en cuanto al
tiempo expuesto del acero:
(Ingemecanica, 2018)
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- Reacciones frente a sismos:
Y en un último caso se estudiarán los efectos que tienen los sismos en cuanto al acero,
esto debido a que Chile es el país más sísmico del mundo ya que registra el evento de
mayor liberación de energía (M 9.5, 1960), según el diario La Tercera. En cuanto a esto
se ha obtenido evidencia de que éste material constructivo actúa de manera deseable frente
a éste evento natural, siendo por ende, el material predilecto al momento de realizar
grandes estructuras que requieran soportar tanto las cargas estáticas como las cargas
dinámicas y actuar de buena manera frente a sismos.
El acero tiene especial reacción contra sismos, solamente se necesita un cálculo estructural
bien realizado para que la estructura no falle. Este cálculo depende tanto de las
propiedades físicas del acero a colocar y del tipo de uniones que se sitúan, para esto se
tienen diversos tipos que sostienen y dan rigidez a la estructura, y viendo que en chile los
sismos son recurrentes, se tiene una mayor rigurosidad para este tipo de material, por lo
que la utilización de dicho material como sistema constructivo y su reacción frente a
sismos es benéfica para la estructura debido a sus cualidades de pandeo y los tipos de
uniones que se emplean que a finales ayudan de manera exitosa a la buena respuesta por
parte de la estructura en general a los sismos que se presenten durante los siguientes años.
(Instrucción de acero estructural, capitulo XIII)
(La tercera, país más sísmico del mundo, 2016)
Las estructuras de acero siempre han sido consideradas como una solución adecuada para
construcciones en áreas de alta sismicidad, debido a la muy buena resistencia y ductilidad
que presenta el material estructural, la alta garantía de calidad garantizada por la
producción industrial de formas y placas de acero y la confiabilidad de las conexiones. A
pesar de estas ventajas naturales, los investigadores están preocupados por la necesidad
de que, para garantizar un comportamiento estructural dúctil, se debe prestar especial
atención principalmente a la concepción de zonas disipativas, que deben ser debidamente
detalladas, asegurando lazos de histéresis estables, capaces de disipar los Energía de
entrada de terremotos con alta, incluso si los casos de colapso de edificios de acero han
sido extremadamente raros, los edificios con marco de momento de acero, Considerado
como sistemas altamente dúctiles, exhibió un comportamiento frágil inesperado.
Presentaron muchas fallas ubicadas en las conexiones de viga a columna, desafiando la
suposición de alta ductilidad y demostrando que el conocimiento sobre los marcos de
momento de acero aún no está completo.
Por lo tanto, para mejorar los detalles de construcción y proponer nuevas soluciones de
diseño para lograr una correspondencia entre los requisitos de diseño y la respuesta
estructural real, la comunidad científica comenzó a profundizar las razones de este
comportamiento deficiente. La mayoría de estas preguntas aún se están analizando, pero
se ha entendido mucho más sobre el comportamiento sísmico de las estructuras de acero.
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En consecuencia, durante los últimos años, la mayoría de los conocimientos recientes ya
se han introducido o se van a introducir en las disposiciones de diseño estructural para el
diseño resistente sísmico en todos los países propensos a terremotos, dando lugar a una
nueva generación de códigos sísmicos.
(Steel Structures in Seismic Zones)
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Capítulo 3:
Las partes constituyentes de una estructura de acero se unen para que estas unidades
puedan trabajar en conjunto como una sola pieza grande de acero, para esto se utilizan
distintos métodos para lograr la unión de las partes participantes, existen dos grandes
grupos en la clasificación de tipos de uniones metálicas que existen hoy en día; las uniones
móviles y las uniones rígidas las cuales tienen sus propias características:
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
La utilización de cada tipo de unión anteriormente mencionada va a depender del tipo de
estructura que se desea construir, al igual que la ejecución de las uniones se pueden hacer
tanto in-situ como prefabricadas esto es necesario en caso de que las piezas metálicas a
utilizar sean de un tamaño significativo, para su transporte es necesario la fabricación en
segmentos que deben ser unidos posteriormente in-situ, y además hay que tener en cuenta
que las uniones de este tipo en obra tienen un costo mucho más alto que los otros tipos de
uniones, por lo que la cantidad que se va a realizar in-situ deberá ser preferentemente la
menor posible para así los costos que esta conlleva no sean altos y así tener menos costo
en el proyecto final.
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Uniones remachadas:
Las uniones remachadas o fijas consiste básicamente un remache consiste su composición
en un vástago con un diámetro determinado, el que poseen en uno de sus extremos una
cabeza esférica, el vástago se introduce dentro de los agujeros de los elementos que se
desean unir, posterior de que el vástago se coloca se calienta el otro extremo hasta el punto
denominado “rojo cereza”, creándose otra cabeza en el extremo saliente del vástago. El
enfriarse el extremo del material calentado este se contrae lo que genera una contracción
de los elementos a unir. Este tipo de uniones se utilizan mayormente para unión de chapas,
planchuelas, perfiles, etc.
Los remaches se componen por el cuerpo o vástago el cual posee una longitud “l” y un
diámetro “d”, dicho diámetro se expande hasta un diámetro “d1” después de ser
remachado. La cabeza del remache posee un diámetro propio denominado “D” y además
posee una altura propia denominada “k”, lo que se genera con un radio “R” en la cabeza
esférica la cual se une con el vástago de radio “r” para así evitar una concentración de las
tensiones en los sectores donde se encuentran aristas agudas existentes y la cabeza creada
posterior al remache. También existen remaches que se denominan de gota o cabeza
perdida los que se refieren a los remaches con un tronco de cono de ángulos, la cabeza
está hecha previamente en uno de los extremos del vástago y la cabeza generada
posteriormente luego de penetrar este vástago en el agujero correspondiente hecho
previamente en las piezas a unir, constituyéndose de esta manera la unión remachada.
Los remaches o también conocido como roblones, están hechos de materiales como hierro
dulce, acero, cobre, aluminio, etc. Principalmente, y la utilización de cada material
dependerá según el tipo de material que quiere unir y la resistencia que se desea alcanzar
según la magnitud de la estructura.
Anteriormente el remachado era un método aceptado para unir elementos en una
estructura, sin embargo en el último tiempo este método de unión ha sido reemplazado
principalmente por el uso de tornillos de alta resistencia.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
La forma y el tamaño del remache que se utiliza van a depender de las características que
presente la unión, los remaches reciben distintas denominaciones principalmente por el
tipo de cabeza que posea el remache. Para las construcciones metálicas como en puentes,
torres, edificios, etc.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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Las uniones remachadas también se pueden clasificar en dos grandes grupos; uniones
remachadas sueltas en el que las piezas unidas se pueden mover independientemente y
están también las uniones remachadas fijas las cuales no se pueden mover y actúan
conjuntamente como una sola pieza. Además de esta calificación se pueden diferenciar
también en uniones remachadas resistentes la cuales están diseñadas para resistir grandes
cargas y esfuerzos, las uniones remachadas estancas las que están estáticas pero no deben
soportar grandes esfuerzos y por ultimo las uniones remachadas estancas y resistentes, las
cuales como dice su nombre, deben ser estancas y al mismo tiempo soportar grandes
esfuerzos
Remachado en frio:
Los primero que se debe hacer es verificar que los agujeros de los remaches deben estar
en orden para así evitar defectos al momento del empotramiento una vez que se realiza la
operación. Los remaches son introducidos en los orificios efectuados en las piezas a unir
donde la cabeza queda reposada en la sufridera, posteriormente, con el embutidor de
remaches, se contraen firmemente las dos placas donde se amolda con el martillo y se crea
el pie del remache con la estampa. La parte final del vástago queda amoldada y se adapta
al diámetro que se tiene en el agujero evitando de esta manera el desplazamiento de una
pieza con respecto de la otra.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Sobre los remaches colocados en su posición se generan fuerzas las cuales hacen trabajar
al remache, entre la cabeza y las piezas unidas se generan fuerzas de rozamiento, cuando
llega un momento en que las fuerzas de tracción que ejercen sobre las piezas son mayores
que las fuerzas de rozamiento el remache comienza a trabajar al corte.
Cabe destacar que las fuerzas de rozamiento son mínimas en comparación a los esfuerzos
de corte, además existen también uniones remachadas de doble cortadura las fuerzas
actuantes de reparte en dos secciones del vástago del remache y la unión es más firme.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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Remaches en caliente:
Este método de remachado fue muy utilizado antiguamente en las estructuras de acero,
pero debido a que su instalación era más difícil se hizo más frecuente el método de la
soldadura y de los tornillos de alta resistencia, por lo que este método ha sido
descontinuado.
Los remaches en caliente se fabrican con hacer dúctil para que al calentarlos y martillarlos
en el momento de formar la cabeza de cierre no se vuelva más frágil. Estos se calienta en
hornos hasta llegas a una temperatura deseada cercana a los 1000°C, este proceso debe
realizarse cerca del ligar de colocación para que el enfriamiento no sea mayor al permitido.
Una vez ya colocado el remache en el agujero se forma la cabeza de cierre, esto mediante
una pistola de neumática portátil que en su extremo tiene una abolladura para formar dicha
cabeza la cual es generalmente redonda pero también existen planas y avellanadas.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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Tipos de remache:
- Remache semiesférico DIN 660: Este remache tiene un gran efecto de agarre por
lo que se aplica de muy buena manera para remachados fijos y estancos, y se
tiene que tener en cuenta que la cabeza del remache no estorbe.
- (Tipos de uniones, noviembre 2009)
- Remache avellanado DIN 660: La utilización de este remache es cuando es
necesario que la cabeza no sobre salga de la superficie, esto provoca que el
remache soporta menos cargas por tener menos superficie de apoyo de la cabeza
más pequeña.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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- Remache cabeza de lenteja o gota de sebo DIN 622: Estos remache se aplican
principalmente en escalones, pisos y pasillos para el momento de transitar sobre
ella no exista peligro de accidentes
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
- Remache hueco DIN 7339: Estos remaches se utilizan en agujeros de remache que
son accesibles por un solo lado o también llamado remachado ciego, la caña se
coloca contra el orificio por la fuerza ejercida por el embutidos, formándose de
esta forma el pie del remache.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
- Remache explosivo: Estos remaches también se utilizan en agujeros que son
accesibles por un solo lado, la carga explosiva que se encuentra en el extremo del
pie se enciende por calentamiento. Este tipo de remache no es capaz de soportar
grandes cargas.
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
- Remache pop: Es un tipo de remache que es hueco en su interior y en él es donde
va introducido el clavo con cabeza, este tipo de remache solo se puede introducir
por un extremo sujetándolo por el clavo y colocando la cabeza en los orificios de
las dos superficies que se desean unir. La herramienta a utilizar se le denomina
remachadora con la cual se tira el clavo hasta que la cabeza de este deforma el
extremo del remache, quedando fija la pieza y al seguir tensionando el clavo este
se rompe quedando listo el remache.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2008)
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- Remache flor: Este remache está compuesto de aluminio con una superficie
posterior de apoyo que posee una forma de flor con cuatro patillas o “pétalos” se
utiliza principalmente para materiales de baja resistencia. La cabeza del vástago
está conformada por bordes que cortan longitudinalmente el cuerpo del remache
por la parte ciega de este, este queda dividido en cuatro partes que se doblan hacia
el exterior y que entran en contacto con el material que se quiere remachar,
formando una cabeza de cierre de gran diámetro. Una vez concluido el proceso de
remachado, la cabeza del vástago se separa dejando un orificio central.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2008)
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- Remache estanco: Este tipo de remache posee anillos de neopreno para asegurar y
garantizar un sello tanto al aire como al agua, son remaches ciegos de rotura del
vástago que garantiza una fijación sólida, las uniones son herméticas a los fluidos,
evitando así la fuga de líquidos o vapores, debido a la retención de la cabeza del
vástago en el interior del cuerpo del remache.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2008)
- Remache ranurado: El remache esta hecho de aluminio, adecuado para
aplicaciones con taladros ciegos que sean pasantes, es un método eficaz para la
unión de metales con superficies fibrosas. Al expandirse dentro del cuerpo el
ranurado de la cabeza del remache forma una especie de “grapas” que se adhieren
a las paredes proporcionando una unión de gran resistencia, es un remache con el
sistema de rotura de vástago utilizado en grandes cantidades en la construcción.
SOLO
USO ACADÉMICO
45
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2008)
- Remache junquillo: Es un remache con rotura de vástago escalonado ideal para
fijar molduras eficazmente, es de unión rápida y eficaz y utilizada en grandes
cantidades en carpintería metálica.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
SOLO
USO ACADÉMICO
46
(Wikipedia, 2008)
- Remache estructural: remache de fijación de alta resistencia, con acceso por una
sola cara que está diseñado para el soporte estructural de altas cargas, tiene una
gran resistencia tanto a la tracción como a la cizalladura. Tiene características de
remachado con una expansión adaptable, que básicamente es una misma medida
se adapta a diferentes espesores del agujero, consiguiendo un remachado
homogéneo, sin importar el espesor y garantiza la sujeción del vástago sobre la
cabeza. Pueden ser de cabeza alomada o avellanada.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
SOLO
USO ACADÉMICO
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- Remache estructural Hardlock: remache de alta resistencia de acceso de una sola
cara, está diseñado para aplicaciones de alta resistencia a la tracción y corte y se
ocupa en grandes cantidades sobre chapas finas por la gran expansión del lado
ciego del remache. Debido a que el vástago posee estrías la cabeza queda retenida
por el bloqueo mecánico evitando problemas eléctricos o el golpeteo que provocan
los vástagos sueltos, consiguiendo un remachado homogéneo, sólido y además
resistente a todo tipo de vibraciones.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
- Tuerca remachable hexagonal: el elemento a remachar tiene una forma hexagonal
la cual crea una excelente resistencia al giro y la extracción, este elemento de
fijación mecánico que genera un punto de roscado en aplicaciones que tienen un
acceso por un lado, es ideal para usos en láminas metálicas finas, tubos, etc.
SOLO
USO ACADÉMICO
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
- Tuerca remachable semi-hexagonal: remache de cuerpo cilíndrico y hexagonal a
la vez que genera una gran resistencia al giro y también a la extracción, es un
elemento de fijación mecánico generando un punto de roscado en aplicaciones que
solo tienen acceso por un solo lado y requieren una gran resistencia al giro. En
comparación con los remaches redondos, la forma hexagonal de la sección el
taladro interior aumenta de forma significativa la resistencia al giro y la extracción
en láminas metálicas.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Para este tipo de uniones se utilizan herramientas particulares para la ejecución del
remachado; existente las remachadoras a mano, remachadoras de pinza, remachadoras
neumáticas, etc. Y el tamaño de la herramienta es directamente proporcional al tamaño y
resistencia del remache a utilizar.
SOLO
USO ACADÉMICO
49
Uniones soldadas:
El proceso de unión metálica mediante soldadura consiste en la fundición de las
superficies de contacto de dos o más partes mediante la aplicación de calor o presión, la
mayoría de los procesos de soldadura se obtienen solamente por la aplicación de calor,
otros solamente por la aplicación de presión sin aplicar calor externo y otros se obtienen
por la combinación de calor y presión a la vez. En algunos casos se obtiene la soldadura
por el aporte o relleno de otro material para así facilitar la fusión de los 2 o más elementos.
La soldadura tiene vital importancia en la industria por diferente causas, algunas de sus
ventajas son; que proporciona una unión permanente y rígida de las partes actuantes las
cuales se vuelven en una sola pieza, también la unión soldada puede llegar a ser más fuerte
que los materiales a unir por la utilización de relleno que tenga propiedades de resistencia
mayores que los materiales a unir, el método de unión mediante soldadura es mucho más
económica que otros métodos de unión, y una de las ventajas más destacadas es que se
puede realizar tanto en fabrica como in-situ siendo más cómodo para la ejecución del
proceso de soldadura.
Además de las ventajas anteriormente mencionadas, también se distinguen algunas
desventajas en este método de unión como o son; la mayoría de las uniones soldadas se
hacen con mano de obra manualmente por lo que el costo de la mano de obra es elevado
debido a que el soldador debe estar certificado y debe estar calificado para la tarea, además
por el hecho de ser un proceso manual generalmente puede tener defectos de calidad que
son difíciles de detectar los cuales pueden llegar a reducir la resistencia del material, otra
desventaja es que la soldadura implica el uso de alta energía lo que siempre representa un
riesgo para la persona que ejecuta el trabajo, y la desventaja más relevante es que es una
unión permanente por lo que no permite le desensamble adecuado de las piezas en caso
de un error en la ejecución. Cabe destacar que en casos cuando es necesario y se tiene
proyectado un mantenimiento futuro en un producto no debe utilizarse la soldadura como
método de ensamble.
El método de soldadura es uno de los más eficientes ya que puede unir dos o más piezas
de manera que al momento de concretar el procesos estas quedan como una sola pieza
grande que finalmente actúa de mejor manera, sin embargo hay que tener en cuenta la
resistencia y magnitud de los elementos a unir ya que estos puede sobrepasar los esfuerzos
de corte de la soldadura o en los mismo materiales que pueden terminar por el colapso de
la estructura en cuestión.
SOLO
USO ACADÉMICO
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Uniones soldadas:
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
SOLO
USO ACADÉMICO
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Tipos de uniones soldadas:
En la siguiente ilustración se muestra un diagrama con las principales formas de unión
soldada que existen en la industria donde se especificará cada una de ellas y sus métodos
de aplicación.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Unión a tope o empalmada:
Este tipo de unión soldada es la más utilizada y consistente para la unión de chapas
situadas en un mismo plano para chapas que superen los 6 mm. O para soldar por ambos
lados. Este sistema de soldadura tiene como fin la penetración completa y que la transición
sea lo más perfecta posible entre los elementos a unir.
Soldadura tope sin bisel posición plana horizontal.
Este método consiste en la unión de elementos en sus bordes, se soldan en el lado superior
en posición plana siendo la más recurrente y conveniente en el trabajo de un soldador. Es
usada frecuentemente en las construcciones metálicas como fondos de estanques,
carrocerías, cubiertas de barco, entre otros.
El método de ejecución es principalmente ubicar y fijar las piezas en posición totalmente
planas y comenzar la ejecución, en un principio de puntos de fijación alternados de la
soldadura manteniendo la separación de las piezas durante el punteo usando cuñas para la
separación, luego iniciar la ejecución del cordón de soldadura con una inclinación de
aproximadamente unos 75°, oscilando el cordón para cubrir los bordes, la penetración
debe ser eficaz y contundente por lo que si la penetración de la soldadura es insuficiente,
se deberá aumentar la intensidad de la corriente y así llenar todos los espacios posibles,
SOLO
USO ACADÉMICO
52
luego finalmente limpiar todo el cordón de la soldadura con pica de escoria del material y
finalmente una escobilla de acero para tener un mejor terminado.
En la ilustración siguiente se ve en la parte izquierda los puntos de soldadura para fijar las
piezas y el orden en el que deben ejecutarse, y en el costado derecho de la imagen como
se debe aplicar la soldadura con la inclinación deseable en la ejecución del cordón de
soldadura.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Ilustración: 34
SOLO
USO ACADÉMICO
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Soldadura a tope con chaflán o bisel simple:
Este tipo de solución de unión soldada tiene como objetivo principal unir piezas que
superan los 3 mm, para lo cual se realiza un chaflanado o bisel antes de la ejecución de la
soldadura, con el fin de conseguir una mayor penetración de la soldadura y así mejorar la
calidad de esta, es usada principalmente en construcciones de gran envergadura, trenes,
refinerías, etc.
El proceso de ejecución de esta actividad comienza con la unión de las piezas con puntos
de fijación para así evitar un posterior movimiento de una de ellas, y luego comenzar con
el cordón de soldadura, y el avance de este tiene que ser con oscilación para así llenar
todos los huecos posibles, para finalmente limpiar el cordón hecho y finalizar la tarea.
En la ilustración siguiente se muestra en costado izquierdo de la imagen el Angulo
deseable con el que se debe ejecutar la soldadura para lograr un trabajo de calidad, y en la
parte izquierda se ve un corte del cordón realizado en el que se ve las distintas capas
provocadas por la oscilación al momento de la soldadura para así evitar los huecos
posibles que pueden llegar aparecer.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2012)
SOLO
USO ACADÉMICO
54
En el caso que las secciones de los elementos que se quieren unir son distintas, la de mayor
superficie se adelgazara en la zona de unión, con pendientes no mayores a la de 25°. La
soldadura no se debe producir una discontinuidad en la sección y el sobre espesor que
sobre sale de la superficie no debe superar el 10% del espesor del elemento más delgado
que se está uniendo.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Unión de solapado, superpuesta o traslape:
Estas soldaduras se aplican en el caso cuando dos partes que se están uniendo se
superponen una arriba de la otra, esta unión da buenos resultados en la sustitución parcial
de paneles exteriores, verificándose que este tipo de soldadura cumple todas las
condiciones necesarias para restablecer la resistencia original hay un margen de unos 12
mm entre las placas a unir en la zona de unión. El solapamiento se hará por medio del
escalonado de uno de los bordes del cordón de soldadura, en función de la rigidez de la
superficie, en el borde que permanece en la pieza nueva. El escalonado se realiza con un
alicate de filetear o por medio de una dobladura neumática. Se realiza por métodos de
soldadura como: soldadura por resistencia eléctrica por puntos o soldadura MIG/MAG
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
SOLO
USO ACADÉMICO
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Unión de esquina o ángulo exterior y en T:
Este método consiste en unir dos chapas situadas en distinto plano bien ortogonales o
superpuestas, para llenar los bordes de las placas que se crean al momento de las uniones
de esquina, sobrepuestas y en “T”. Para la ejecución se esta actividad de unión se utiliza
un metal de relleno para proporcionar una sección transversal formando una especie de
triangulo, es el tipo de unión soldada más común en la soldadura con arco eléctrico,
oxígeno y gas combustible, debido a que requiere de una casi nula preparación de las parte
a unir, se usan los bordes cuadrados básicos de las partes. Estas soldaduras de ángulos o
filete pueden ser simples o dobles y continuas o intermitentes. Las soldadura en ángulo
puede ser en ángulo de esquina o en solape, se realiza un cordón continuo de espesor G,
siendo G la altura del máximo triangulo isósceles inscrito en la sección transversal de la
soldadura. Si el cordón de soldadura no supera los 500mm, para su ejecución se comienza
por un extremo siguiendo constante hasta el otro, cuando la longitud se encuentra entre
los 500 y 1000 mm la soldadura se ejecuta en dos tramos iniciándose en el centro del
cordón, y cuando el cordón supera los 1000 mm la ejecución del cordón se realiza
parcialmente, terminando el tramo donde comienza el anterior, cabe destacar que nunca
se debe ejecutar una soldadura a lo largo de otra ya realizada.
En cuanto al ángulo de avance en el proceso de soldadura suele ser de 60 grados
aproximadamente, el ángulo de posicionamiento con la pieza es de 45 grados, ósea la
mitad del ángulo de 90 que se quiere llegar a formar en las piezas que se quieren unir.
SOLO
USO ACADÉMICO
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2013)
Unión de borde:
La soldadura de borde o flanco se realiza en los bordes de dos o más lados que por lo
general son laminas metálicas o placas delgadas, en donde las partes en una unión de
bordes están en paralelo con al menos no de sus bordes en común que es donde se ejecuta
el cordón de soldadura.
El uso que se le da generalmente a los elementos que se unen con este método de soldadura
son para espesores finos y sin aporte de material como soldadura oxiacetilénica y TIG, el
procedimiento para efectuar el soldado de las piezas es mediante la creación de un baño
de fusión con el metal base y desplazarlo por toda la junta a unir.
El ángulo de avance para la soldadura del material y el posicionamiento son iguales que
en la posición horizontal pero se realiza de derecha a izquierda para que la atmosfera inerte
producida por la llama o el gas proteja el baño de fusión.
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USO ACADÉMICO
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Soldadura de recargue o de superficie:
Este tipo de soldadura no se utiliza para la unión de superficies, sino para depositar metal
de relleno sobre la superficie de una parte base en una o más gotas de soldadura. Las gotas
de soldadura se incorporan en una serie de pasadas paralelas sobrepuestas, con lo que se
cubren grandes áreas de la parte base. El propósito es aumentar el grosor de la placa o
proporcionar un recubrimiento protector sobre la superficie. Los parámetros a tener en
cuenta en cuanto al ángulo de avance y de posicionamiento son los mismos que en la
posición horizontal.
Se suele utilizar para el rectificado de ejes y los cordones habrá que ejecutarlos
alternamente o también conocido como pasó peregrino, para evitar deformaciones debido
a las tensiones producidas por altas temperaturas que origina la soldadura. Al aumentar su
diámetro con los cordones de soldadura se procederá a su rectificado en la maquina
adecuada.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
SOLO
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(Wikipedia, 2010)
Soldadura de ranura:
Las soldaduras con insertos y ranuradas se usan para la unión de placas, usando uno o más
huecos o ranuras en la parte superior los que después se rellenan con metal para fundir las
dos partes. Como se muestra en la siguiente imagen.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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(Wikipedia, 2017)
La soldadura de puntos y la soldadura engargolada:
Usadas para uniones sobrepuestas, se muestran en la siguiente figura. Una soldadura de
puntos es una pequeña sección fundida entre las superficies de dos chapas o placas.
Normalmente se requieren varias soldaduras de puntos para unir las partes. Se asocia más
estrechamente con la soldadura por resistencia. Una soldadura engargolada es similar a
una de puntos, excepto que consiste en una sección fundida más o menos continua entre
las dos chapas o placas.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Ingemecanica, 2018)
Uniones atornilladas:
El tornillo consisten en un vástago de diámetro “d” provisto de una cabeza de forma
hexagonal el cual se introduce en los taladros de la chapa a enlazar, teniendo en el extremo
saliente del vástago una zona roscada, en la cual se colocan una golilla y una tuerca que
al ir roscándose consigna el apriete de las chapas unidas, las que se suelen hacer con acero.
SOLO
USO ACADÉMICO
60
El tamaño se especifica por el diámetro y la longitud. En los tornillos de cabeza plana la
longitud incluye la cabeza, en todas las demás formas sólo incluye la longitud del cuerpo
o vástago.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia 2017)
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USO ACADÉMICO
61
Este método de unión está considerado como la evolución del remache ya que los tornillos
permiten una mejor resistencia las principales ventajas del atornillado al remachado en
principalmente:
- El montaje de y ejecución de la actividad no requiere mano de obra altamente
calificada.
- Se reducen los riesgos de incendio.
- Se pueden montar y desmontar sin mayores problemas.
- Se necesita una cantidad menor de tonillos para generar la misma resistencia que
una cantidad de “X” de remaches.
- Se necesita menos personal para su instalación.
- El equipo que se utiliza para la instalación es más económico.
- No se requieren pernos de montaje como si en las conexiones soldadas
En las conexiones apernadas existen básicamente dos tipo; conexiones flexibles y
conexiones rígidas.
- Conexiones flexibles: la conexión flexible de un elemento permitirá el giro de los
extremos del elemento permitiéndose la deformación instantánea y planificada de
la conexión, la cual está diseñada para resistir la fuerza cortante que se ejerce sobre
ellas.
- Conexiónes rígidas: este tipo de conexión debe ser capaz de transmitir los
momentos, los esfuerzos estáticos y esfuerzos dinámicos, con la nula existencia de
desplazamientos lineales o angulares relativos en los extremos del elemento.
De acuerdo al tipo de conexión existen dos tipos de estructuras: las que son llamadas
estructuras continuas o de marcos rígidos y aquellas estructuras donde en que las
conexiones permiten rotaciones relativas que son capaces de transmitir fuerzas cortantes
y normales.
Los tornillos estructurales se pueden clasificar principalmente de acuerdo a las siguientes
características:
- Tipo de vástago
- Material y resistencia
- Forma de cabeza y de la tuerca
- Tipo de cuerda
SOLO
USO ACADÉMICO
62
Los diámetros de los barrenos, que es la herramienta utilizada para realizar los orificios
en el material a unir, deben cumplir con una holgura dependiendo del método que se
utilizó para la realización del barreno.
a) Para barrenos punzonados la holgura deberá de ser de 1/8”
b) Para barrenos taladrados la holgura deberá de ser de 1/16”
Los tornillos llamados “estructurales ordinarios” o “estándar” se fabrican del denominado
acero dulce (A-307) con una resistencia ultima a la tensión (corte) de 4499 Kg/cm2.
Existen varios tipos de tornillos entre los cuales se encuentran los siguientes.
- Tornillos ordinarios o comunes: son los A307 y son de un acero muy parecido al
A36, por lo que no son de mucha utilidad para estructuras de gran envergadura
debido a su baja resistencia.
(Wikipedia, 2014)
- Tornillos de alta resistencia: dentro de los comunes se encuentran los A325 Y
A490, estos tornillos están hechos de acero al carbono tratado térmicamente y
contiene en su composición aceros aleados, su resistencia a la tensión es de al
menos el doble en comparación a los tornillos comunes u ordinarios. El fin de estos
tornillos se hicieron con el fin de sustituir a los remaches, ya que estos después de
enfriarse, son fácilmente afectados por vibraciones o cargas de impacto.
SOLO
USO ACADÉMICO
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(Wikipedia, 2017)
Este tipo de uniones se utilizan generalmente cuando se requieren la absorción de
esfuerzos axiales de tracción como en tornillos de anclaje, también cuando la longitud del
apriete es muy grande para un remache, cuando se requiere cierta movilidad de la unión,
en todas la uniones que se puedan desmontar como en construcciones axiales, pabellones
de exposiciones y construcciones en las que se prevean modificaciones, en los enlaces de
materiales en los que no se puedan realizar uniones remachadas como por ejemplo en la
unión de piezas de acero con elementos de hierro de fundición y en lugares difícilmente
accesibles donde no se puede realizar uniones de soldadura o remaches.
En general se prefieren uniones atornilladas para la unión de elementos de construcción
en obra, ya que su implementación es más rápida, fácil y económica en comparación a
otros sistemas de uniones. Además este tipo de unión facilita el ajuste de entramado, ya
que las uniones atornilladas permiten una movilidad mayor que las demás uniones.
Se debe saber que la máxima capacidad de carga de una junta de conexión atornillada
debe estar dentro de los niveles de seguridad estandarizados que existen según las normas
de aplicación.
SOLO
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Dentro de los procedimientos de diseño de una junta atornillada existente un par de
conceptos básicos para el cálculo de diseño:
- Área total: es el área completa de la sección transversal de la pieza
- Área neta: es la que se obtiene al realizar deducciones de las áreas perforadas según
lo indique las normas de diseño para elementos sujetos a tensión
- Y además tener conocimiento de las brechas que se tienen que dejar entre los
elementos perforados, es decir las distancias mínimas que debe existir entre ellos
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Algunas de las ventajas de utilizar este tipo de unión metálica son las siguientes:
- La uniones atornilladas no requieren la utilización de mano de obra especializada
como en el caso por ejemplo de la soldadura, ya que la instalación de un tornillo
se aprende en poco tiempo, a diferencia de la soldadura donde se requiere mucho
tiempo y conocimiento de otros factores que pueden afectar a la calidad final de la
unión.
- No se requieren conectores de montaje que se deban retirar posteriormente
terminada la unión.
- El equipo para realizar la conexión atornillada es mucho más sencillo, además de
que su funcionamiento no requiere siempre de la utilización de energía eléctrica,
a diferencia de la soldadura.
- Ciertos estudios han demostrado que la resistencia al corte de una unión atornillada
es mayor que los otros tipos de uniones metálicas existentes.
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- Cuando un elemento se modificó o haya que reparar por alguna necesidad, este
cambio es mucho más fácil y menos costoso gracias a su fácil desmontaje de los
elementos unidos.
En la siguiente ilustración se ve otro tipo de unión atornillada que ayuda a enfrentar sismos
de mejor manera, cabe destacar que esta no parte de la estructura soportante, solo de apoyo
a la losa.
(Equilibriop de los cuerpos, 2017)
De estas imágenes se puede ver algunos tipos de uniones que existen desde la fundación
a la estructura resistente en acero, cada uno con sus cualidades y buen resultado frente a
fuerzas que fuerzan a su corte.
(Arquitectura+acero, 2017)
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Uniones con pasadores:
Dentro de la familia de uniones metálicas mediante pasadores existen distintos tipos de
los cuales se diferencian principalmente conforme a la función que cumplirán los
pasadores en la unión de las piezas o placas sueltas. Estas pueden ser uniones con
pasadores de fijación, unión con pasador de arrastre, unión con pasador de sujeción, unión
con pasador elástico, unión con pasador de seguridad y por ultimo uniones con pasador
de cizallamiento.
- Unión con pasador de fijación: este tipo se compone por la fijación de dos piezas
sin la necesidad de arrastre de fuerza cuando se trasmiten solamente momentos en
el giro que son reducidos, se emplean todos los tipos de pasadores, y un ejemplo
es cuando se emplea esta fijación en el caso de dos ruedas ranuradas sobre el eje.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
El numero 1 representa el pasador en cuestión, el numero 2 representan las ruedas
ranuradas que se mencionaron en el ejemplo y finalmente el numero 3 representa
al eje.
- Unión con pasador de arrastre: esta unión se conforma por el arrastre de una pieza
a través de otra, que se conmutan en un estado de estatidad, estos se emplean con
pasadores cilíndricos, con pasadores de ajustes estriados y pasadores elásticos
principalmente. SOLO
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Wikipedia, 2015)
El numero 1 representa la pieza constructiva fija con pasadores de arrastre y la
pieza numero 2 es la pieza constructiva suelta.
- Unión con pasador de sujeción: esta es uno de los tipos más simples de unión ya
que simplemente se enfoca en mantener fija una pieza con la otra y se emplean
pasadores cilíndricos y estriados generalmente
El número uno representa la sujeción con muelle, el numero 2 representa la pieza
constructiva movible y el numero 3 la pieza constructiva que se mantiene fija
SOLO
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Equilibriop de los cuerpos, 2017)
En la parte de debajo de la imagen la pieza constructiva que se mantiene fija vendría
siendo el número 2 y la 2 representa la pieza constructiva movible
- Unión movible o giratoria de dos piezas: en esta unión se emplean pasadores
cilíndricos, pasadores cilíndricos y pasadores cilíndricos estriados y se utilizan
principalmente para la unión de tres piezas.
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
(Anfapa, 2016)
En esta unión articulada se representa en el numero 1 el pasador articulador, y el
número 2 y 3 son las partes articuladas de la unión.
- Unión con pasador elástica: este tipo de fijación se concentra en la unión de dos
piezas en una posición lo más milimétrica posible de una con respecto a la otra.
En este tipo de unión se utilizan pasadores cilíndricos, pasadores cónicos y
pasadores elásticos estriados.
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(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Esta unión con pasador elástico, como se muestra en la imagen en la cual el numero
1 representa la unión por tornillo de las 3 piezas constructivas que se ven, el
número 2 los pasadores elásticos, el numero 3 es la ¨tapa¨ de la pieza constructiva,
el numero 4 el anillo intermedios fijado de la pieza constructiva y finalmente el
numero 5 representa la ¨caja¨ de la pieza constructiva.
(IES, 2013)
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- Unión con pasador de seguridad: su utilización es principalmente para maquinarias
para evitar que las piezas se suelten por si solas provocado por las cargas dinámicas
existentes o más bien conocido como la vibración. Para esto se utilizan pasadores
cilíndricos, pasadores cónicos y pasadores estriados.
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
Esta unión con pasador de seguridad que se representa en la ilustración anterior,
el numero 1 representa el pasador de seguridad en cuestión, el numero 2 representa
el tornillo de la unión y finalmente el número 3 y 4 representan las piezas
constructivas de la unión.
- Unión con pasador de cizallamiento: este método asegura las piezas en caso de
sobrecargas en una unión directa de piezas en cuestión, en el caso de que se
presente un exceso en la carga el pasador de parte impidiendo de esta manera un
daño de las piezas que están unidas. Para este tipo se emplean pasadores cilíndricos
(Tipos de uniones, noviembre 2009)
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En la ilustración de los pasadores de seguridad el numero 1 representa pasadores
de cizallamiento, los números 2 y 4 representan los ejes y finalmente el numero 3
es la casquillo que aprisionan las placas a unir.
(Wikipedia, 2015)
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Capítulo 5:
Conclusión:
A raíz del estudio realizado se puede desprender una serie de cualidades, tanto favorables
como también perjudiciales del acero. Sin ir más lejos, es un material proveniente de
hierro, el cual ha estado presente desde los inicios de las civilizaciones, moldeándolo a
como dé lugar por nuestros antepasados, ocupando distintos materiales como en un
principio fue el cobre hasta llegar al quizás hallazgo más importante para la modernización
de la civilización como lo es el hacer, gracias a el mundo está como lo conocemos, con
grandes edificios que impulsan día a día la economía de países tanto desarrollados como
emergentes.
La utilización de este material fue fundamental, pero como la mayoría de los materiales
tienen sus contras, y uno de estos contras fue que no se podían salvar grandes luces sin
disminuir su capacidad de carga, por lo que se tuvo que innovar para realizar uniones, las
cuales se detallaron a lo largo del documento y todas estas mencionadas son igual de
importantes para el tipo de trabajo que se requiera, ya sea pasando de simples uniones por
ejemplo en perfiles de aluminio para un tabique que no necesitan un mayor esfuerzo, hasta
uniones que pueden soportar toneladas de cargas. Cada una de ellas se creó para su fin por
lo que no se puedo elegir una mejor y una peor, ya que todas cumplen con el fin para el
cual fue hecha, estas ayudan día a día a una mejor construcción, ya que todos los días se
va innovando en la construcción como en cualquier otro tema en la sociedad.
Esto debido a la globalización que permite encontrar todo tipo tanto de información como
solución constructiva en uniones de acero y cada vez mejorando más los productos que se
ofrecen en el mercado, por lo que se ratifica que el acero es un potencial material
constructivo, bajo en costos tanto del material como los costos que implican su instalación
con respecto a otros materiales constructivos que hoy el mercado ofrece, y llegando a ser
pionero en su tiempo por ejemplo en estados unidos donde existió una época donde este
material era el indiscutible líder en la construcción de rascacielos y otras funciones que se
le dio en ese tiempo.
Además no hay que dejar de mencionar que hoy en día se está aplicando mucho más el
tema de ser amigable con el medio ambiente por lo que si lo vemos en este sentido, el
acero es el material constructivo más reciclable que existe, debido a su fácil manejabilidad
que posee, solo se requieren altas temperaturas para que el material entre en un estado
líquido para sí darle nueva forma y funcionamiento. Por lo tanto, si se quiere privilegiar
el medio ambiente, el acero llega como la mejor solución constructiva debido a sus
cualidades tanto físicas como químicas, ya que frente a inconvenientes de la naturaleza el
acero puede ser reforzado como se mencionó anteriormente. Los elementos que más lo
afectan como es la corrosión que sufre en zonas húmedas y saladas, y efectos producidos
por el fuego que altas temperaturas lo daña debido además que es un muy buen conductor
de la energía. Pero como se indicó en el presente trabajo, con las precauciones pertinentes
SOLO
USO ACADÉMICO
74
no deberían afectar en mayor manera al material y que éste siga siendo una solución
constructiva eficaz y eficiente tanto para su fin como para el medio ambiente.
Cabe destacar que en Chile el tema aún es emergente en la construcción por el favoritismo
que se le ha dado por décadas al hormigón armado por su buena resistencia, esto hace
referencia a los eventos sísmicos a los cuales está expuesto el país día a día, sin embargo
el acero en Chile viene en alza de hace un buen tiempo, por lo que tener en unos cuantos
años más edificios en Chile construidos en acero no será inusual, ya que tomando las
precauciones contra fuego, corrosión y un buen cálculo del material para la envergadura
que se desea, este no debería tener inconvenientes para resistir de buena manera cualquier
evento que la naturaleza pueda percutir sobre él. Así bien gracias a este estudio se da fe
de que el sistema constructivo e acero es adecuado para las características de un país sub-
desarrollado como lo es Chile y así es como se está viendo en el día a día que cada vez es
más utilizado y de mayor envergadura este tipo de solución constructiva.
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USO ACADÉMICO
75
Bibliografía Libro estructuras de acero, Gabriel valencia, en:
https://books.google.cl/books?id=5AKRUzvdwxsC&pg=PA44&dq=tipos+de+union
es+en+estructuras+de+acero&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwj5ube0xvHcAhWEf5A
KHePVBs4Q6AEIJzAA#v=onepage&q=tipos%20de%20uniones%20en%20estruct
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