División de Ciencias Básicas e Ingeniería PROYECTO...
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División de Ciencias Básicas e Ingeniería PROYECTO TERMINAL EN INGENIERÍA CIVIL “Pruebas experimentales de conexiones soldadas y atornilladas en marcos rígidos” Sánchez Tavera Rafael Montiel Orduña Israel Asesor: Dr. Alonso Gómez Bernal México, D.F. Enero, 2010.
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División de Ciencias Básicas e Ingeniería
PROYECTO TERMINAL EN INGENIERÍA CIVIL
“Pruebas experimentales de conexiones soldadas y atornilladas en marcos rígidos”
Sánchez Tavera Rafael
Montiel Orduña Israel
Asesor:
Dr. Alonso Gómez Bernal
México, D.F. Enero, 2010.
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Resumen.
Durante muchos años el método aceptado para conectar los miembros de una
estructura de acero fue el remachado. Sin embargo, en años recientes, el uso de
remaches ha declinado rápidamente debido al tremendo auge experimentado por la
soldadura, y más recientemente, por el atornillado con pernos o tornillos de alta
resistencia.
En el proyecto realizado tuvo como principal objetivo, determinar las cualidades físicas
de los perfiles y obtener sus propiedades en base al manual del LRFD, con el fin de
calcular el momento plástico del perfil con apoyo del manual NTCM-04. Una vez
encontrado dicho momento, se determino el dispositivo y las conexiones mas
apropiadas para resistir las fuerzas obtenidas del análisis, con el propósito de verificar
si se lograron los resultados esperados.
Posteriormente se elaboraron los planos y diagramas teóricos de las probetas para una
construcción de las mismas de manera ordenada, correcta y sencilla. Una vez
realizadas las probetas serán montadas en el dispositivo e instrumentadas para
conocer su comportamiento en cada instante del experimento y así lograr una clara
comparación de datos teóricos y datos obtenidos del experimento.
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Abstract.
During a long time the accepted method for connecting the members of a steel structure
was the riveting. However, in the last years, the use of riveting had fastly declined
because of the boom of the welding and nowadays because of the screw with bolts or
bolts of high resistance.
The principal purpose of the project is to determine the physical qualities of the profiles
and obtain their properties based on the handbook LRFD, with the object of calculate
the moment of the plastic based on the handbook NTCM-04. When the moment is
founded, the device is already determined and the proper connections to resist the
obtained forces of the analysis, with the purpose of verify the expected results.
Later the plans were developed and the theory diagrams of the specimens for the
construction to be order, correct and easy. When the specimens are mounted in the
device for knowing the behavior in each instant of the experiment and that way to get a
clear comparison of theoric data and the obtained data of the experiment.
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Dedicatoria
Este trabajo y mi carrera se la dedico a mis papas por su apoyo y paciencia a través de mi
estancia en la UAM, a Priscila por ser mi motivación a querer ser algo mas en la vida y alcanzar
mis metas, a mi familia y a mis perros por no poder sacarlos a pasear siempre. Gracias a todos
Rafael Sánchez Tavera
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Agradecimientos.
A las siguientes instituciones.
Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) e Instituto Mexicano de la Construcción en
Acero (IMCA) por hacer posible la realización de este proyecto con apoyo de material e
instalaciones.
A nuestro asesor y profesor.
Dr. Alonso Gómez Bernal por su invaluable orientación, apoyo y consejos durante el
desarrollo de este proyecto
A nuestros Profesores.
Dr. Amador Terán Gilmore, Ing. Leopoldo Soto Quiroz †, Ing. Arturo Soto Quiroz, Ing.
José Juan Correa, con nuestro mas sincero agradecimiento y respeto por habernos
transmitido a lo largo de la Licenciatura sus conocimientos y entusiasmo.
A nuestros amigos y compañeros.
Issac Tonatio Martin del Campo, Mario Alberto Arvizu Camacho, María de los Ángeles
Parra Rivera, Jesús Marco Miguel Jiménez, Luis Alberto Mendoza, Juanito, José Luis,
Rubén, Chava, Sra. Silvia, Luis Antonio Mendoza, por el tiempo que nos dieron y sus
opiniones tan valiosas para la realización del proyecto, gracias.
A todas aquellas personas que de una u otra manera contribuyeron a esta etapa de
estudios de Licenciatura.
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Índice.
1. Introducción ............................................................................................................... 8 1.1. Antecedentes ........................................................................................................ 10 1.1.1. Conexiones atornilladas ................................................................................... 10 1.1.1.1. Ventajas de los tornillos de alta resistencia ................................................ 11 1.1.1.2. Tornillos apretados sin holgura y tornillos completamente tensados ...... 13 1.1.1.3. Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia ...... 15 1.1.1.4. Conexiones tipo fricción y aplastamiento .................................................... 16 1.1.1.5. Conexiones mixtas ......................................................................................... 16 1.1.1.5.1. Tipos de remaches ...................................................................................... 17 1.1.1.5.2. Resistencia de conexiones remachadas, remaches en cortante ............ 19 1.1.1.6. Tamaño de los barrenos para los tornillos .................................................. 19 1.1.1.7. Separación y distancia a borde de tornillos ................................................. 21 1.1.1.8. Separación y distancia al borde máximas .................................................... 24 1.1.2. Conexiones atornilladas cargadas excéntricamente ..................................... 25 1.1.2.1. Acción separadora ......................................................................................... 37 1.1.3. Conexiones soldadas ........................................................................................ 40 1.1.3.1. Generalidades ................................................................................................. 40 1.1.3.10. Resistencia de la soldadura ........................................................................ 57 1.1.3.11. Requisitos NTC ............................................................................................. 58 1.1.3.2. Ventajas de la soldadura ................................................................................ 41 1.1.3.3. Sociedad americana de soldadura ................................................................ 44 1.1.3.4. Material de aportación .................................................................................... 45 1.1.3.5. Tipos de soldadura ......................................................................................... 45 1.1.3.6. Soldaduras precalificadas ............................................................................. 49 1.1.3.7. Inspección de soldadura ................................................................................ 49 1.1.3.8. Clasificación de las soldaduras .................................................................... 52 1.1.3.9. Simbología para la soldadura ........................................................................ 55
2. Objetivos .................................................................................................................. 61 3. Desarrollo ................................................................................................................. 61
3.1. Preparación de elementos ................................................................................... 61 3.2. Propiedades .......................................................................................................... 62 3.2.1. Geométricas ....................................................................................................... 62 3.2.2. Propiedades mecánicas .................................................................................... 64 3.3. Probeta 1 ............................................................................................................... 65
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3.3.2. Planos ................................................................................................................. 66 3.3.3. Construcción del espécimen ............................................................................ 69 3.3.3.2. Unión de perfiles............................................................................................. 71 3.3.4. Instrumentación del espécimen ....................................................................... 72 3.3.4.1. Preparación y colocación de strain gauges ................................................ 72 3.3.4.2. Colocación de deformimetros ....................................................................... 77 3.3.5. Realización de la prueba ................................................................................... 80 3.3.5.1. Resultado de la prueba 1 ............................................................................... 80 3.4. Probeta 2 ............................................................................................................... 81 3.4.1. Diseño prbeta 2 .................................................................................................. 81 3.4.2. Planos probeta 2 ................................................................................................ 84 3.4.3. Construcción del espécimen 2 ......................................................................... 85 3.4.3.3. Instrumentación probeta 2 ............................................................................. 86 3.4.4. Realización de la prueba 2 ................................................................................ 86 3.4.4.1. Resultados de la prueba 2 ............................................................................. 86 3.5. Probeta 3 ............................................................................................................... 86 3.5.1. Diseño probeta 3................................................................................................ 86 3.5.2. Planos probeta 3 ............................................................................................... 95 3.5.3. Construcción del espécimen 3 ........................................................................ 96 3.5.4. Instrumentación probeta 3 ............................................................................... 96 3.5.4.1. Realización de la prueba 3 ............................................................................ 96 3.5.4.2. Resultados de la prueba 3 ............................................................................ 97 3.6. Probeta 4. .............................................................................................................. 97
4. Conclusiones ........................................................................................................... 98
5. Referencias .............................................................................................................. 99
Anexo I........................................................................................................................ 100 Anexo II....................................................................................................................... 109
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1. Introducción
Pocas cosas resultan tan buenos indicadores y/o testigos de la civilización y el progreso
de la humanidad como lo son en general las estructuras, sea cual sea su función. De
ahí la importancia de su concepción, diseño y construcción, cuya responsabilidad recae
firmemente en el ingeniero estructural, el cual, aplicándose en uno de los diversos
campos de la ingeniería civil, tiene la facultad de decidir y determinar el grado de
impacto en la sociedad y el medio ambiente que tendrá la realización de las estructuras
a su cargo. Una vez seleccionado el mejor proyecto, será necesario el
dimensionamiento de todos los miembros de la estructura y sus conexiones; los
resultados deberán ser plasmados con el mayor detalle posible en los planos
estructurales para así facilitar su construcción. El diseño óptimo de una estructura será
aquel que satisfaga en mayor medida las necesidades de un cliente o, en un sentido
más amplio, las de la sociedad con eficiencia, funcionalidad, seguridad y economía.
Para lograr todas estas cualidades es necesario estudiar varias alternativas de
estructuración que resulten factibles técnica y económicamente, después de haber
llevado a cabo los estudios y análisis previos pertinentes así como haber elaborado los
diseños preliminares de cada opción en particular.
Lo anterior no será posible sin un conocimiento del comportamiento y el diseño de las
conexiones que se requieren para erigir una edificación. De ahí que sea precisamente
el tema de este trabajo.
Los perfiles que constituyen el esqueleto de un edificio de acero se mantienen unidos
gracias a sus conexiones, las cuales pueden estar formadas por tornillos o permanecer
soldadas, de manera que logren el trabajo conjunto de los elementos estructurales. Las
conexiones de dichos miembros de acero tienen una enorme importancia, ya que un
diseño deficiente de sus características puede conducir a una falla local e incluso global
en toda la estructura, de hecho, la mayoría de las fallas en construcciones de acero se
deben justamente a pobres y/o malos diseños de las conexiones que unen sus
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elementos como también a la forma poco explícita y bajo nivel de detalle de los planos
en donde se especifican las geometrías y materiales de las mismas.
Es común que el diseño de las conexiones lo realice el mismo proveedor de la
estructura de acero, en lugar del ingeniero encargado del diseño de la misma, sin
embargo, dicho ingeniero, como responsable de su propio trabajo, debe también
asegurarse de que las características propuestas para las conexiones de todos los
componentes satisfagan los requisitos técnicos necesarios que garanticen la seguridad
durante la vida útil de la estructura. Para ello, el ingeniero en cuestión deberá ser
competente en el diseño de las conexiones para, por lo menos, revisarlas y dar su visto
bueno.
Actualmente las conexiones son atornilladas o soldadas, los remaches han perdido
poco a poco popularidad debido a los inconvenientes que representa la operación del
remachado y las reparaciones, sin embargo, ellas aún se contemplan en las
Especificaciones del AISC y en el Manual of Steel Construction siendo su análisis y
diseño básicamente el mismo que el de conexiones atornilladas, variando únicamente
el material.
La soldadura es por lo general más ventajosa que el atornillado, ya que durante su
ejecución se daña en menor medida los elementos, ya que no se requiere barrenar y,
por tanto, hacer orificios en el acero, además de que se pueden lograr conexiones de
manera más sencilla que usando tornillos. Probablemente la única desventaja
significativa de la soldadura sea que ésta requiere de mano de obra calificada, así como
de supervisión adicional que resulta en un incremento en el costo de construcción de
una estructura.
Ambos tipos de conexiones pueden elaborarse en taller o en campo según las
necesidades existentes y las conveniencias, incluso se pueden elaborar conexiones
para lograr empalmes cuando se desee construir un miembro de tamaño considerable.
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1.1. Antecedentes. 1.1.1. Conexiones atornilladas.
Existen varios tipos de tomillos que pueden usarse para conectar miembros de acero;
estos se describen en los siguientes párrafos.
Tornillos ordinarios o comunes. Estos tomillos los designa la ASTM como tomillos
A30 y se fabrican con aceros al carbono con características de esfuerzos y
deformaciones muy parecidas a las del acero A36. Están disponibles en diámetros que
van desde 58 pulg hasta 1 1
2 pulg en incrementos de 1
8 pulg.
Los tornillos A307 se fabrican generalmente con cabezas y tuercas cuadradas para
reducir costos, pero las cabezas hexagonales se usan a veces porque tienen una
apariencia un poco más atractiva, son más fáciles de manipular con las llaves
mecánicas y requieren menos espacio para girarlas. Tienen relativamente grandes
tolerancias en el vástago y en las dimensiones de la cuerda, pero sus resistencias de
diseño son menores que las de los remaches o de los tornillos de alta resistencia. Se
usan principalmente en estructuras ligeras sujetas a cargas estáticas y en miembros
secundarios.
Tornillos de alta resistencia. Estos tomillos se fabrican a base de acero al carbono
tratado térmicamente y aceros aleados; tienen resistencias a la tensión de dos o más
veces la de los tomillos ordinarios. Existen dos tipos básicos, los A325 (hechos con
acero al carbono tratado térmicamente) y los A490 de mayor resistencia (también
tratados térmicamente, pero hechos con acero aleado). Los tomillos de alta resistencia
se usan para todo tipo de estructuras, desde pequeños edificios hasta rascacielos y
puentes monumentales.
En ocasiones se fabrican tomillos de alta resistencia a partir de acero A449 con
diámetros mayores de 11 pulg que es el diámetro máximo de los A325 y A490. Estos
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tomillos pueden usarse también como pernos de anclaje de alta resistencia y para
barras roscadas de diversos diámetros.
1.1.1.1. Ventajas de los tornillos de alta resistencia.
Entre las muchas ventajas de los tornillos de alta resistencia, que en parte explican su
gran éxito, están las siguientes:
• Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar, son menores que las que se
necesitan para remachar. Dos parejas de atornilladores pueden fácilmente colocar el
doble de tornillos en un día, que el número de remaches colocados por una cuadrilla
normal de cuatro remachadores, resultando un montaje de acero estructural más
rápido.
• En comparación con los remaches, se requiere menor número de tomillos para
proporcionar la misma resistencia.
• Unas buenas juntas atornilladas pueden realizarlas hombres con mucho menor
entrenamiento y experiencia que los necesarios para producir conexiones soldadas o
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• remachadas de calidad semejante. La instalación apropiada de tomillos de alta
resistencia puede aprenderse en cuestión de horas.
• No se requieren pernos de montaje que deben removerse después (dependiendo de
las especificaciones) como en las juntas soldadas.
• Resulta menos ruidoso en comparación con el remachado.
• Se requiere equipo más barato para realizar conexiones atornilladas.
• No hay riesgo de fuego ni peligro por el lanzamiento de los remaches calientes.
Las pruebas hechas en juntas remachadas y en juntas atornilladas, bajo condiciones
idénticas, muestran definitivamente que las juntas atornilladas tienen una mayor
resistencia a la fatiga. Su resistencia a la fatiga es igualo mayor que la obtenida con
juntas soldadas equivalentes.
Donde las estructuras se alteran o desensamblan posteriormente, los cambios en las
conexiones son muy sencillos por la facilidad para quitar los tomillos.
1.1.1.2. Tornillos apretados sin holgura y tornillos completamente tensados.
Se dice que los tomillos de alta resistencia son apretados sin holgura o bien
completamente tensados.
Otros tomillos requieren apretarse sólo hasta quedar apretados sin holgura (snug-tight).
Esto se logra cuando todos los paños de una conexión están en contacto firme entre sí.
En general se obtiene con el esfuerzo total realizado por un operario con una llave
manual o el apretado que se efectúa después de unos pocos golpes con una llave de
impacto.
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Cuando se aplican cargas a tomillos apretados sin holgura puede haber un pequeño
deslizamiento ya que los agujeros son un poco mayores que los vástagos de los
tomillos. En consecuencia, las partes de la conexión pueden apoyarse contra los
tomillos.
Puede verse que esta no es una situación deseable si se tienen casos de fatiga con las
cargas constantemente cambiando.
Para casos de fatiga y para conexiones sometidas a tensión directa, es deseable usar
conexiones que no se deslicen. A éstas se les llama conexiones de deslizamiento
crítico.
Para lograr esta situación, los tomillos deben apretarse hasta que alcanzan una
condición plenamente tensionada en la que ellos están sometidos a fuerzas de tensión
extremadamente grandes.
Los tomillos completamente tensados son un proceso caro, así como su inspección, por
lo que sólo deben usarse cuando es absolutamente necesario, y cuando las cargas de
trabajo ocasionan un gran número de cambios en los esfuerzos con la posibilidad de
que se generen problemas de fatiga.
Los tomillos apretados sin holgura tienen varias ventajas sobre los completamente
tensados. Un obrero puede apretar apropiadamente los tomillos a una condición sin
holgura con una llave de cola ordinaria o con sólo unos cuantos golpes con una llave de
impacto. La instalación es rápida y sólo se requiere una inspección visual del trabajo
realizado. En consecuencia, el uso de tomillos apretados sin la holgura ahorra tiempo y
dinero y es más seguro que el procedimiento necesario para instalar tomillos
completamente tensados. Por lo tanto, para la mayoría de los casos deberían usarse
tomillos apretados sin holgura.
La tabla 1, que es una reproducción de la tabla 5.6 de las NTC-04, presenta las
tensiones necesarias para los sujetadores en conexiones tipo fricción y en conexiones
sujetas a tensión directa. Para estar completamente tensados, los tomillos A325 y los
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A490 deben apretarse por lo menos al 70% de sus resistencias a la tensión mínima
especificada.
Tabla 1. Tensión mínima en tornillos de alta resistencia, KN (kg)
Igual a 0.7 veces la resistencia mínima de ruptura en tensión de los tornillos, de
acuerdo con las especificaciones ASTM para tornillos A325 y A490.
1.1.1.1. Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia.
Método del giro de la tuerca Los tornillos se aprietan sin holgura y luego se les da un
giro de 13 o una vuelta completa, dependiendo de la longitud de éstos y de la inclinación
de las superficies entre sus cabezas y tuercas.
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Método de la llave calibrada En este método los tomillos se aprietan con una llave de
impacto ajustada para detenerse cuando se alcanza el par necesario para lograr la
tensión deseada de acuerdo con el diámetro y la clasificación de la ASTM del tomillo.
Es necesario que las llaves se calibren diariamente y que se usen roldanas
endurecidas.
Para ninguno de los métodos de apretar mencionados antes se especifica una tensión
máxima para el tomillo. Esto implica que el tomillo puede apretarse a la carga más alta
que no lo rompa y que aún así trabaje con eficiencia. Si el tomillo se rompe, se coloca
otro sin mayores consecuencias. Debe notarse que las tuercas son más fuertes que el
tomillo y que éste se romperá antes de que la tuerca se fracture.
1.1.1.2. Conexiones tipo fricción y aplastamiento.
Cuando los tornillos de alta resistencia se tensan por completo, las partes conectadas
quedan abrazadas fuertemente entre sí; se tiene entonces una considerable resistencia
al deslizamiento en la superficie de contacto. Esta resistencia es igual a la fuerza al
apretar multiplicada por el coeficiente de fricción.
Si la fuerza cortante es menor que la resistencia permisible por fricción, la conexión se
denomina tipo fricción. Si la carga excede a la resistencia por fricción, habrá un
deslizamiento entre los miembros con un posible degollamiento de los tornillos y al
mismo tiempo las partes conectadas empujarán sobre los tornillos, si se revisan con
anterioridad la resistencia a corte de los tornillos y esta es mayor que la requerida
entonces se denomina por aplastamiento (no se toma en cuenta el desplazamiento que
pueden sufrir las partes en contacto).
1.1.1.3. Conexiones mixtas.
En ocasiones los tornillos pueden usarse en combinación con soldaduras y otras veces
en combinación con remaches (como cuando se añaden a viejas conexiones
remachadas para permitirles recibir mayores cargas). Las especificaciones LRFD
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contienen algunas reglas específicas para tales situaciones. En las NTC-04 no expone
conexiones con remaches y hace la siguiente aclaración:
La evaluación y diseño de juntas remachadas no se tratan en estas Normas. Para
llevarlos a cabo, es necesario recurrir a especificaciones y libros de texto antiguos.
Si se conoce la época en que se construyó una estructura remachada, puede ser
posible obtener las propiedades mecánicas de los remaches utilizados en ella,
recurriendo a literatura técnica de entonces; en caso contrario, será necesario efectuar
ensayes de laboratorio para determinar esas propiedades
Debido a que existen estructuras antiguas en donde se utilizaron remaches, en este
trabajo no se excluyen del todo y en los siguientes párrafos se exponen las conexiones
con remaches.
1.1.1.3.1. Tipos de remaches.
Los tamaños de remaches usados comúnmente en estructuras eran de 34pulg y de 7
8
pulg de diámetro, pero podían conseguirse en tamaños de 1 12 pulg con incrementos de 1
8
pulg. (Los tamaños más pequeños se usaban para armaduras ligeras de techo, letreros,
torres pequeñas, etcétera, y los tamaños mayores se usaban para puentes largos o
torres muy grandes y edificios muy altos.). El empleo de más de uno o dos tamaños de
remaches o tomillos en una misma estructura no es conveniente, debido a lo caro que
resulta punzonar agujeros diferentes en el taller y a la confusión que puede crearse
durante el montaje. Existen casos en donde es absolutamente necesario usar diferentes
tamaños, como cuando se requieren tomillos o remaches más pequeños para mantener
las distancias justas al borde en ciertas secciones, pero dichas situaciones deben
evitarse siempre que sea posible.Las cabezas de remaches eran generalmente
redondas y se llamaban cabezas de botón; pero por requisitos, de distancia libre las
cabezas a veces eran planas o abocardadas y enrasadas.
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Los remaches abocardados y enrasados no tienen áreas suficientes de apoyo para
desarrollar su resistencia total y debe reducirse 50% en el diseño. Un remache con
cabeza aplanada era preferible a un remache abocardado, pero si se requería una
superficie lisa, era necesario usar los remaches abocardados y enrasados. Este último
tipo de remaches era bastante más caro que el tipo con cabeza de botón y además era
más débil y por eso no se usaban sino cuando era estrictamente necesario.
En los párrafos siguientes se describen los tres tipos de remaches de uso estructural
clasificados por la ASTM.
Tornillos en combinación con soldaduras Para construcciones nuevas no se usan
tornillos ordinarios A307 ni los de alta resistencia, en conexiones tipo aplastamiento,
para compartir la carga con soldaduras. (Antes de que la resistencia última de la
conexión se alcance, los pernos se deslizarán y la soldadura tendrá que tomar una
proporción mayor de la carga; la proporción exacta es difícil de determinar.) En tales
circunstancias la soldadura tendrá que diseñarse para resistir la carga total. Si los
tomillos de alta resistencia se diseñan para juntas tipo fricción, se puede permitir que
compartan la carga con la soldadura.
Para tales situaciones, el comentario J1.9 del LRFD establece que es necesario apretar
totalmente los tomillos antes de hacer las soldaduras. Si se hacen primero las
soldaduras, el calor de éstas puede distorsionar la conexión de modo que no se
obtenga la resistencia al deslizamiento crítico deseada en los tomillos. Si éstos se
colocan y se aprietan totalmente antes de hacer las soldaduras, el calor de la soldadura
no cambiará las propiedades mecánicas de los tomillos. Para tal caso, puede
suponerse que los tomillos de deslizamiento crítico y las soldaduras comparten la
carga.
Si estamos haciendo alteraciones en una estructura existente que está conectada con
tomillos de aplastamiento o apretados sin holgura o bien con remaches, podemos
suponer que cualquier deslizamiento que vaya a ocurrir, ya ha tenido lugar. Entonces, si
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estamos usando soldaduras en la alteración, diseñaremos esas soldaduras
despreciando las fuerzas que se producen por la carga muerta existente.
1.1.1.2.1. Resistencia de conexiones remachadas, remaches en cortante.
Los factores que determinan la resistencia de un remache son su grado, su diámetro y
el espesor y arreglo de las partes conectadas. La distribución real de los esfuerzos
alrededor de un agujero para remache es difícil de determinar; para simplificar los
cálculos se supone una variación uniforme sobre un área rectangular igual al diámetro
del remache multiplicada por el espesor de la placa.
La resistencia por aplastamiento de un remache es igual al esfuerzo unitario de diseño
por aplastamiento del remache, multiplicado por el diámetro del vástago y por el
espesor del elemento que se apoya en el remache. La resistencia de un remache en
cortante simple es igual a la resistencia cortante nominal, multiplicada por el área de la
sección transversal del vástago del remache. Si un remache se encuentra sometido a
cortante doble, su resistencia al cortante se considera igual al doble de su resistencia
en cortante simple.
Tabla 2 Resistencias nominales (LRFD) por tensión y corte de remaches y tornillos A307
Tipo de conector Resistencia a la
tensión (ksi)
Resistencia al cortante en conexiones tipo
aplastamiento (ksi))
Remaches instalados en caliente A502, grado 1
Remaches instalados en caliente A502, grado 2 o 3
Tomillos A307
45.0, Φ = 0.75
60.0, Φ = 0.75
45.0, Φ = 0.75
25.0, Φ = 0.75
33.0, Φ = 0.75
24.0, Φ = 0.75
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1.1.1.3. Tamaño de los barrenos para los tornillos.
Además de los agujeros de tamaño estándar para tomillos y remaches que son 116
de
pulg de mayor diámetro que los correspondientes tomillos y remaches, hay tres tipos
de agujeros agrandados: holgados, de ranura corta y de ranura larga. Los agujeros
holgados en ocasiones son muy útiles para acelerar el proceso de montaje; además,
permiten ajustes en la plomería de la estructura durante el montaje de ésta. El uso de
agujeros no estándar requiere la aprobación del ingeniero estructurista y está sometido
a los requisitos de la sección 13 de las especificaciones LRFD. La tabla 2, que
corresponde a la 5.7 del Manual NTC-04, proporciona las dimensiones nominales de los
diversos tipos de agujeros agrandados permitidos para los diferentes tamaños de
conectores. Los casos en que pueden usarse los diversos tipos de agujeros
agrandados se describen a continuación.
Remaches tipo A502, grado 1 Estos remaches se usaron para la mayoría de los trabajos estructurales; tenían un
contenido de carbono de aproximadamente 0.80%, eran más débiles que el acero
estructural al carbono ordinario y tenían una mayor ductilidad. El mayor uso de estos
remaches en relación con los de alta resistencia, independientemente de la resistencia
del acero usado para los miembros estructurales, se debió a su factibilidad de su
colocación.
Remaches tipo A502, grado 2 Estos remaches de acero al carbono-manganeso tienen resistencia más alta que los de
grado 1y se elaboraron para usarse con aceros de alta resistencia. Sus altas
resistencias permiten al proyectista usar menos remaches en una conexión y, por tanto,
placas de nudo más pequeñas.
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Remaches tipo A502, grado 3 Estos remaches tienen las mismas resistencias nominales que los de grado 2, pero
tienen una resistencia mucho mayor a la corrosión atmosférica, igual a
aproximadamente cuatro veces la de los remaches de acero al carbono sin cobre.
Tabla 3. Dimensiones nominales de los barrenos agrandados para conectores
Los agujeros holgados (OVS) pueden usarse en todas las placas de una conexión,
siempre que la carga aplicada no exceda a la resistencia permisible al deslizamiento.
No deben utilizarse en juntas tipo aplastamiento. Es necesario usar roldanas
endurecidas sobre estos agujeros holgados en las placas exteriores. El empleo' de
agujeros agrandados permite el uso de tolerancias de construcción mayores.
Los agujeros de ranura corta (SSL) pueden usarse independientemente de la
dirección de la carga aplicada para conexiones de deslizamiento crítico o de tipo
aplastamiento si la resistencia permisible por deslizamiento es mayor que la fuerza
aplicada. Si la carga se aplica en una dirección aproximadamente normal (entre 80° y
100°) a la ranura, estos agujeros pueden usarse en algunas o todas las capas de las
conexiones por aplastamiento.
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1.1.1.4. Separación y distancia a borde de tornillos. Las siguientes definiciones se presentan para un grupo de tomillos en una conexión y
se ilustran en la figura 3.
El paso es la distancia centro a centro entre tomillos en una dirección paralela al eje del
miembro.
El gramil es la distancia centro a centro entre hileras de tomillos perpendicular al eje del
miembro.
La distancia al borde es la distancia del centro de un tomillo al borde adyacente de un
miembro.
La distancia entre tornillos es la distancia más corta entre tomillos sobre las mismas o
diferentes hileras de gramiles.
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Separación mínima. La distancia entre centros de agujeros para remaches o tornillos,
sean estándar, sobredimensionados o alargados, no será, en general, menor que tres
veces el diámetro nominal del conector; de ser necesario, esta distancia puede
disminuirse a 2 23 veces el diámetro nominal.
Separación mínima al borde. La distancia del centro de un agujero estándar al borde
de una parte conectada no será menor que el valor aplicable de la tabla 2, ni que la
requerida en la sección 5.3.13 (NTC-04 Para el diseño de estructuras metálicas).
Si el agujero es sobredimensionado o alargado, la distancia del centro al borde de una
parte conectada no será menor que la requerida para un agujero estándar, de acuerdo
con la primera parte de esta sección, más el incremento C1 indicado en la tabla 5.12.
Véanse los requisitos de la sección 5.3.13 (NTC-04 Para el diseño de estructuras
metálicas) para resistencia por aplastamiento.
Los tomillos nunca deben colocarse muy cerca de los bordes de un miembro por dos
razones principales. El punzonado de los agujeros muy cercanos a los bordes puede
ocasiona que el acero opuesto al agujero se abombe o se agriete. La segunda razón se
aplica a los metal en esa zona tenga una resistencia al cortante igual por lo menos a la
de los sujetadores.
*Para tener una infamación más precisa al respecto, es necesario consultar las
especificaciones vigentes.
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Tabla 4. Distancia mínima del centro de un barreno estándar al borde de la parte conectada
1.1.1.5. Separación y distancia al borde máximas.
La distancia máxima del centro de un tornillo o remache al borde más cercano de las
partes en contacto será 12 veces el grueso de la parte conectada en consideración, sin
exceder de 150 mm.
La separación longitudinal entre conectores colocados en elementos en contacto
continuo, consistentes en una placa y un perfil, o dos placas, será la siguiente:
a) Para elementos, pintados o sin pintar, no sujetos a corrosión, no excederá de 24
veces el grueso de la placa más delgada, o 300 mm.
b) Para miembros no pintados de acero intemperizable, sujetos a corrosión
atmosférica, no será mayor que 14 veces el grueso de la placa más delgada, o
180 mm
24
Tabla 5. Resistencia de diseño de remaches, tornillos y barras roscadas.
Tabla 6. Valores de incrementos de la distancia al borde C1
25
1.1.1. Conexiones atornilladas cargadas excéntricamente.
Los grupos de tomillos cargados excéntricamente están sujetos a corte y a momentos
de flexión. El lector puede suponer que tales situaciones son raras, pero la verdad es
que son mucho más comunes de lo que se sospecha. Por ejemplo, en una armadura es
conveniente tener el centro de gravedad de un miembro, alineado exactamente con el
centro de gravedad de los tomillos en sus conexiones de extremo. Esto no es tan fácil
de realizar como parece, y a menudo las conexiones están sujetas a momentos.
La excentricidad es absolutamente obvia en la figura 4a donde la viga se une a una
columna con una placa. En la parte 4b de la figura, una viga está unida a una columna
con un par de ángulos. Es obvio que esta conexión debe resistir cierto momento,
porque el centro de gravedad de la carga proveniente de la viga no coincide con la
reacción de la columna.
26
En general, las especificaciones para pernos y soldaduras establecen claramente que
el centro de gravedad de la conexión debe coincidir con el centro de gravedad del
miembro a menos que la excentricidad se tome en cuenta en los cálculos. Sin embargo,
la sección JI.8 de las especificaciones LRFD hace algunas excepciones a esta regla. Se
establece que la regla no es aplicable a las conexiones de extremo de ángulos simples,
ángulos dobles y miembros similares cargados estáticamente. En otras palabras, las
excentricidades entre los centros de gravedad de esos miembros y los centros de
gravedad de las conexiones pueden ignorarse a menos que estén implicadas cargas de
fatiga. Además, la excentricidad entre los ejes de gravedad y las líneas de gramil de
miembros atornillados puede despreciarse en miembros cargados estáticamente.
Las especificaciones LRFD proporcionan valores para calcular las resistencias de
diseño de tornillos o remaches individuales, pero no especifican un método para
calcular las fuerzas en esos sujetadores cuando están cargados excéntricamente. En
consecuencia, el método de análisis queda a criterio del proyectista.
A través de los años se han desarrollado tres métodos generales para el análisis de
conexiones cargadas excéntricamente. El primero es el muy conservador método
elástico en el que la fricción o la resistencia al deslizamiento entre las partes
conectadas se ignora. Además, se supone que las partes conectadas son
completamente rígidas. Este tipo de análisis se ha usado por lo menos desde 1870. Las
pruebas han demostrado que el método elástico por lo general proporciona resultados
muy conservadores. Debido a ello, se han propuesto varios métodos reducidos o de
excentricidad efectiva. El análisis se efectúa igual que con el método elástico, excepto
que se emplean menores excentricidades y momentos en los cálculos.
El tercer método, llamado de resistencia última proporciona los valores más
compatibles con los obtenidos en pruebas, pero es extremadamente tediosa su
aplicación, por lo menos al usar calculadoras manuales. Las tablas en la parte 8 del
Manual LRFD para conexiones cargadas excéntricamente se basan en el método de
resistencia última y nos permiten resolver la mayor parte de ese tipo de problemas
27
fácilmente, siempre que el arreglo de los tornillos o remaches sea simétrico. El resto de
esta sección se dedica al estudio de esos tres métodos de análisis.
Análisis elástico Para esta exposición, los tornillos de la figura 5 a) se suponen sujetos
a una carga P que tiene una excentricidad e con respecto al centro de gravedad del
grupo de tornillos. Para considerar la condición de fuerzas en los tornillos, se suponen
dos fuerzas iguales a P, una hacia arriba y la otra hacia abajo, actuando en el centro de
gravedad del grupo de tornillos. Esta condición, mostrada en la parte b) de la figura, de
ninguna manera cambia las fuerzas en los tornillos. La fuerza en un tornillo determinado
debe, por lo tanto, ser igual a P dividida entre el número de tornillos en el grupo, como
se ve en la parte c), más la fuerza debida al momento ocasionado por el par mostrado
en la parte d) de la figura.
28
Ahora se estudiará la magnitud de las fuerzas en los tomillos debido al momento Pe. En
la figura 6, d1, d2, etcétera, representan las distancias de cada tomillo al centro de
gravedad del grupo. El momento producido por el par tiende a hacer girar la placa
alrededor del centro de gravedad de la conexión deformando a un determinado tomillo,
proporcionalmente a su distancia al centro de gravedad. (Para esta deducción, las
placas de unión se consideran de nuevo como perfectamente rígidas y los tomillos
como perfectamente elásticos.) La rotación mayor ocurre en el tomillo cuya distancia al
centro de gravedad es máxima como debe ser el esfuerzo, ya que éste es proporcional
a la deformación en el intervalo elástico.
Se considera que la rotación produce las fuerzas r1, r2, r3 y r4 respectivamente, en los
tomillos de la figura. El momento transmitido a los tomillos debe equilibrarse con los
momentos resistentes de éstos como sigue:
29
𝑀𝑐.𝑔 = 𝑃𝑒 = 𝑟1𝑑1 + 𝑟2𝑑2 + 𝑟3𝑑3 + 𝑟4𝑑4
Como la fuerza causada en cada tomillo es directamente proporcional a su distancia al
centro de gravedad, puede escribirse la siguiente expresión:
𝑟1𝑑1
=𝑟2𝑑2
=𝑟3𝑑3
=𝑟4𝑑4
Y escribiendo cada r en términos de r1 y d1
𝑟1 =𝑟1𝑑1𝑑1
𝑟2 =𝑟2𝑑2𝑑1
𝑟3 =𝑟3𝑑3𝑑1
𝑟4 =𝑟4𝑑4𝑑1
Sustituyendo estos valores en la ecuación (l) y simplificando:
𝑀 =𝑟1𝑑12
𝑑1+𝑟2𝑑22
𝑑1+𝑟3𝑑32
𝑑1+𝑟4𝑑42
𝑑1=𝑟1𝑑1
(𝑑12 + 𝑑22 + 𝑑32 + 𝑑42)
Por lo tanto,
𝑀 =𝑟1 ∑𝑑2
𝑑1
La fuerza en cada tomillo puede escribirse como sigue:
𝑟1 =𝑀𝑑1∑𝑑2
𝑟2 =𝑑2𝑑1𝑟1 =
𝑀𝑑2∑𝑑2 𝑟3 =
𝑀𝑑3∑𝑑2
𝑟4 =𝑀𝑑4∑𝑑2
Cada valor de r es perpendicular a la línea trazada desde el centro de gravedad hasta
el tomillo correspondiente. Por lo general es más conveniente representarlos por sus
componentes vertical y horizontal. Al respecto, se hace referencia a la figura 7.
30
Las componentes vertical y horizontal de la distancia d1 están representadas por h y v,
respectivamente, y las componentes horizontal y vertical de la fuerza r están
representadas por H y V, respectivamente, en esta figura. Ahora es posible escribir la
siguiente relación, de la que puede obtenerse H.
𝑟1𝑑1
=𝐻𝑣
𝐻 = 𝑟1𝑣𝑑1
= �𝑀𝑑1∑𝑑2
� �𝑣𝑑1�
Por lo tanto,
𝐻 =𝑀𝑣∑𝑑2
Mediante un procedimiento semejante se encuentra V.
𝑉 =𝑀ℎ∑𝑑2
31
La carga excéntrica puede ser inclinada y representarse por sus componentes vertical y
horizontal y se puede determinar el momento de cada una con respecto al centro de
gravedad del grupo de tomillos. Pueden desarrollarse diversas fórmulas de diseño con
las que el ingeniero sería capaz de diseñar directamente conexiones excéntricas, pero
probablemente, el proceso de suponer un cierto número y arreglo de tomillos,
comprobar esfuerzos, y rediseñar, es igualmente satisfactorio.
El problema con este inexacto pero muy conservador método de análisis es que en
efecto estamos suponiendo que hay una relación lineal entre cargas y las
deformaciones en los conectores y que además, sus esfuerzos de fluencia no se
exceden cuando se alcanza la carga última en la conexión. Varios experimentos han
mostrado que esas suposiciones son incorrectas.
Método de la excentricidad reducida El método de análisis elástico que se acaba de
describir sobreestima en mucho las fuerzas por momento aplicadas a los conectores.
Debido a esto se han hecho, a lo largo de varios años, varias propuestas que emplean
una excentricidad efectiva, lo que implica de hecho tomar en cuenta la resistencia al
deslizamiento en las superficies de contacto. Se presenta a continuación una serie de
valores de excentricidades reducidas que han sido comunes en otras épocas:
1. Con una línea de gramil de sujetadores y en donde n es el número de sujetadores en
la línea:
𝑒𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 = 𝑒𝑟𝑒𝑎𝑙 −1 + 2𝑛
4
2. Con dos o más líneas de gramil de sujetadores colocados simétricamente y en donde
n es el número de sujetadores en cada línea:
𝑒𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 = 𝑒𝑟𝑒𝑎𝑙 −1 + 𝑛
2
32
Los valores de la excentricidad reducida para dos arreglos de sujetadores se muestran
en la figura 8.
Para analizar una conexión particular con el método de la excentricidad reducida, se
calcula el valor de la efectivo como se describió antes y se usa para calcular el momento
excéntrico. El resto de los cálculos se hacen igual que con el método elástico.
Método de la resistencia última Los métodos elásticos y de la excentricidad reducida
para analizar grupos de conectores cargados excéntricamente se basan en la hipótesis
de que el comportamiento de los conectores es elástico. Un método de análisis mucho
más realista es el de la resistencia última, que se describe en los siguientes párrafos.
Los valores dados en las tablas de la parte 8 Manual LRFD para grupos de conectores
cargados excéntricamente se calcularon usando este método.
Si uno de los tomillos o remaches extremos en una conexión cargada excéntricamente
comienza a deslizarse o a fluir, la conexión no fallará. Si la magnitud de la carga se
33
incrementa, los conectores internos soportarán más carga y la falla no ocurrirá hasta
que todos fluyan o se deslicen.
La carga excéntrica tiende a causar una rotación relativa y una traslación del material
conectado. Esto es equivalente a una rotación con respecto a un punto llamado centro
instantáneo de rotación. En la figura 9 se muestra una conexión atornillada cargada
excéntricamente y el punto O representa el centro instantáneo; éste se encuentra a una
distancia e' del centro de gravedad del grupo de tomillos.
Las deformaciones de estos tomillos se supone que varían en proporción a sus
distancias al centro instantáneo. La fuerza cortante última que uno de ellos puede
resistir no es igual a la fuerza cortante pura que un tomillo puede resistir; depende más
bien de la relación carga-deformación en el tomillo. Los estudios de Crawford y Kulak
muestran que esta fuerza puede estimarse con bastante precisión con la expresión:
𝑅 = 𝑅𝑢𝑙𝑡(1 − 𝑒−10∆)0.55
34
Esta expresión muestra claramente que la carga cortante última soportada por un
tomillo particular, en una conexión cargada excéntricamente, es afectada por su
deformación. Entonces, la carga aplicada a un tomillo particular depende de su posición
en la conexión con respecto al centro instantáneo de rotación.
Las fuerzas resistentes de los tomillos de la conexión en la figura 9 se representan con
las letras R1, R2, R3, etc. Se supone que cada una de esas fuerzas actúa en una
dirección perpendicular a una línea trazada del punto O al centro del tornillo
considerado.
Para esta conexión simétrica, el centro instantáneo de rotación quedará sobre una línea
horizontal que pase por el centro de gravedad del grupo de conectores. Este es el caso
porque la suma de las componentes horizontales de las fuerzas R debe ser cero como
también lo debe ser la suma de los momentos de las componentes horizontales
respecto al punto O. La posición del punto O sobre la línea horizontal puede
encontrarse mediante un tedioso procedimiento de tanteos que se describirá aquí.
Con referencia a la figura 9, el momento de la carga excéntrica respecto al punto O
debe ser igual a la suma de los momentos de las fuerzas resistentes R respecto al
mismo punto. Si conociéramos la posición del centro instantáneo podríamos calcular los
valores R de los tomillos con la fórmula de Crawford-Kulak y determinar Pu de la
expresión que sigue, en donde e y e’ son distancias mostradas en las figuras 9 y 10
𝑃𝑢(𝑒′ + 𝑒) = �𝑅𝑑
𝑃𝑢 =∑𝑅𝑑𝑒 ′ + 𝑒
35
Para determinar la resistencia de diseño de tal conexión de acuerdo a las
especificaciones LRFD, podemos reemplazar Rult en la fórmula Crawford-Kulak por la
resistencia de diseño por cortante de un tomillo en una conexión donde la carga no sea
excéntrica. Por ejemplo, si tenemos tomillos A325 de 28 pulg. (Roscas excluidas del
plano de corte) en cortante simple con apoyo sobre un espesor suficientemente grande
de manera que el aplastamiento no rija.
Sin embargo, la posición del centro instantáneo no se conoce. Su posición se estima,
se determinan los valores R y se calcula Pu como se describió. Obsérvese que Pu debe
ser igual a la suma de las componentes verticales de las fuerzas resistentes R. Si este
valor se calcula y es igual al valor de Pu calculado con la fórmula anterior, tendremos la
36
posición correcta del centro instantáneo. Si no resulta así, ensayamos otra posición,
etc. para localizar el centro instantáneo de rotación para una conexión simétrica de 4
tomillos. Se determina también la resistencia de diseño Pu de la conexión.
1.1.1.6. Acción separadora Otro aspecto por considerar en las conexiones a tensión es la acción separadora. En la
figura 11 a) se muestra una conexión a tensión sujeta a la acción separadora como se
ilustra en la parte b) de la misma figura. Si los patines de la conexión son bastante
gruesos y rígidos o tienen placas atiesadoras como se ve en la figura () c), la acción
separadora probablemente podría ignorarse pero esto no es el caso si los patines son
delgados, flexibles y sin atiesadores.
Generalmente es conveniente limitar el número de hileras de tomillos o remaches en
una conexión a tensión porque un gran porcentaje de la carga la soportan las hileras
interiores aun bajo carga última. La conexión a tensión mostrada en la figura 12 ilustra
este punto, pues la acción separadora mandará una parte considerable de la carga a
los conectores interiores, sobre todo si las placas son delgadas y flexibles. En las
37
conexiones sujetas a cargas puras de tensión se debe analizar la posibilidad de la
acción se· paradora y estimar la magnitud de ésta.
La fuerza adicional en los tomillos debida a la acción separadora debe sumarse a la
fuerza de tensión resultante directamente de las cargas aplicadas. La determinación
precisa de las fuerzas de separación es bastante difícil y sobre el tema aún se llevan a
cabo investigaciones. Se han desarrollado varias fórmulas empíricas que dan
resultados parecidos a los de las pruebas. Entre ellas se encuentran las propuestas en
el Manual LRFD y que se incluyen en esta sección. El lector debe saber que no es
mucho lo que se conoce sobre la acción separadora y que las fórmulas cambian casi
año con año.
Deben usarse sólo tomillos totalmente tensados en las conexiones en las que las
cargas aplicadas someten a los conectores a tensión axial. Esto debe ser así,
independientemente de que la conexión sea tipo fricción de que estén o no sometidos
38
los tornillos con ajuste apretado en cualquiera de estas situaciones, las cargas de
tensión empezarán inmediatamente a incrementar la tensión en los tomillos.
Las conexiones de colgantes y otras conexiones a tensión deben diseñarse para
prevenir deformaciones considerables. La parte más importante en tales diseños son
los patines rígidos. La rigidez es más importante que la resistencia a la flexión. Para
lograr esto, la distancia b mostrada en la figura 13 debe hacerse lo más pequeña
posible con un valor mínimo igual al espacio requerido para usar una llave para apretar
los tornillos.
En la parte 11 del Manual LRFD se presenta un procedimiento detallado para diseñar
conexiones de colgantes y calcular las fuerzas separadoras. Este método empírico es
sólo para cargas factorizadas. Si se desea considerar cargas de servicio con el fin de
investigar deflexiones, ladeos o fatiga, el lector puede remitirse a las formulas para
cargas separadoras de servicio contenidas en la novena edición del Manual AISC de la
construcción en acero, Diseño por esfuerzos permisibles
39
Debido a limitaciones de espacio aquí sólo se presenta un ejemplo numérico. En este
ejemplo el autor revisa si el espesor del patín de una WT de una conexión colgante es
satisfactoria de acuerdo con el procedimiento del AISC. Vea la sección 11 del Manual
donde se presenta un ejemplo mucho más detallado al respecto.
1.1.2. Conexiones soldadas.
1.1.2.1. Generalidades.
La soldadura es un proceso en el que se unen partes metálicas mediante el
calentamiento de sus superficies a un estado plástico, permitiendo que las partes fluyan
y se unan con o sin la adición de otro metal fundido. Resulta imposible determinar
exactamente cuándo se originó la soldadura, pero sucedió hace varios miles de años.
El arte de trabajar metales, incluyendo la soldadura, fue un arte en la antigua Grecia
desde hace por lo menos tres mil años, pero la soldadura se había practicado, sin duda
alguna, durante muchos siglos antes de aquellos días. La soldadura antigua era
probablemente un proceso de forja en el que los metales eran calentados a cierta
temperatura (no a la de fusión) y unidos a golpe de martillo.
Aunque la soldadura moderna existe desde hace bastantes años, es hasta en las
últimas décadas que ha adquirido gran importancia en la ingeniería estructural. La
adopción de la soldadura estructural fue muy lenta durante varias décadas, porque
muchos ingenieros pensaban que tenía dos grandes desventajas 1) que tenía poca
resistencia a la fatiga en comparación con las conexiones atornilladas o remachadas y
2) que era imposible asegurar una alta calidad de soldadura si no se contaba con una
inspección irracionalmente amplia y costosa.
Estas apreciaciones negativas persistieron durante muchos años, aunque las pruebas
parecían indicar que ninguna de las razones era válida. Haciendo caso omiso de la
validez de los temores mencionados, éstas se mantuvieron en todos los órdenes e
indudablemente retardaron el uso de la soldadura, en particular en los puentes
carreteros y en mayor escala en los puentes ferroviarios. En la actualidad, la mayoría
40
de los ingenieros aceptan que las juntas soldadas tienen una resistencia considerable a
la fatiga. También se admite que las reglas que gobiernan la calificación de los
soldadores, las mejores técnicas utilizadas y los requerimientos para la mano de obra
de las especificaciones de la AWS (American Welding Society), hacen de la inspección
de la soldadura un problema menos difícil. Además, la química de los aceros
manufacturados actualmente está especialmente formulada para mejorar su
soldabilidad. Como consecuencia, la soldadura se permite ahora en casi todos los
trabajos estructurales, excepto en algunos puentes.
Respecto al temor a la soldadura, es interesante considerar los barcos soldados; éstos
están sujetos a cargas de impacto realmente severas y difíciles de predecir, pero aun
así los arquitectos navales usan con gran éxito barcos totalmente soldados. Un
planteamiento similar puede hacerse para los aeroplanos y los ingenieros en
aeronáutica que utilizan la soldadura. La adopción de la soldadura estructural ha sido
más lenta en los puentes ferroviarios. Estos puentes están indudablemente sujetos a
cargas más pesadas que los puentes carreteros, a mayores vibraciones y a más
inversiones de esfuerzos, pero, ¿son éstas condiciones de esfuerzos tan serias y tan
difíciles de predecir como aquellas en los barcos y aviones?
1.1.2.2. Ventajas de la soldadura. Actualmente es posible aprovechar las grandes ventajas que la soldadura ofrece, ya
que los temores de fatiga e inspección se han eliminado casi por completo. Algunas de
las muchas ventajas de la soldadura, se presentan en los párrafos siguientes:
a) Para la mayoría de la gente, la primera ventaja está en el área de la economía,
porque el uso de la soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero
utilizado. Las estructuras soldadas permiten eliminar un gran porcentaje de las
placas de unión y de empalme, tan necesarias en las estructuras remachadas o
atornilladas, así como la eliminación de las cabezas de remaches o tomillos. En
41
algunas estructuras de puente es posible ahorrar hasta un 15% o más del peso
de acero con el uso de soldadura.
b) La soldadura tiene una zona de aplicación mucho mayor que los remaches o los
tornillos. Considere una columna de tubo de acero y las dificultades para
conectarla a los otros miembros de acero, con remaches o tomillos. Una
conexión remachada o atornillada puede resultar virtualmente imposible, pero
una conexión soldada presentará pocas dificultades. El lector puede apreciar
muchas otras situaciones similares, donde la soldadura tiene decidida ventaja.
c) Las estructuras soldadas son más rígidas, porque los miembros por lo general
están soldados directamente uno a otro. Las conexiones con remaches o
tomillos, se realizan a menudo a través de ángulos de conexión o placas que se
deforman debido a la transferencia de carga, haciendo más flexible la estructura
completa. Por otra parte, la mayor rigidez puede ser una desventaja donde se
necesiten conexiones de extremo simples con baja resistencia a los momentos.
En tal caso, el calculista debe tener cuidado de especificar el tipo de junta.
d) El proceso de fusionar las partes por unir, hace a las estructuras realmente
continuas. Esto se traduce en la construcción de una sola pieza y puesto que las
juntas soldadas son tan fuertes o más que el metal base, no debe haber
limitaciones a las uniones. Esta ventaja de la continuidad ha permitido la
erección de un sin fin de estructuras de acero estáticamente indeterminadas,
esbeltas y agraciadas, en todo el mundo. Algunos de los más prominentes
defensores de la soldadura se han referido a las estructuras remachadas y
atornilladas, con sus pesadas placas y gran número de remaches o tomillos,
semejantes a tanques o carros blindados, al compararlas con las limpias y
suaves líneas de las estructuras soldadas. La ilustración gráfica de esta ventaja,
42
la tiene el lector si compara las conexiones resistentes a momento, de la figura
14.
e) Resulta más fácil realizar cambios en el diseño y corregir errores durante el
montaje (y a menor costo), si se usa soldadura. En relación con esta ventaja se
tiene el caso de las reparaciones realizadas con soldadura en equipo militar en
condiciones de batalla durante las décadas pasadas.
f) Otro detalle que a menudo es importante es lo silencioso que resulta soldar.
Imagínese la importancia de este hecho cuando se trabaja cerca de hospitales o
43
escuelas, o cuando se realizan adiciones a edificios existentes. Cualquiera que
tenga un oído cercano a lo normal, que haya intentado trabajar en una oficina a
pocos cientos de pie de un trabajo de remachado, dará testimonio de esta
ventaja.
g) Se usan menos piezas y, como resultado, se ahorra tiempo en detalle,
fabricación y montaje de la obra.
1.1.2.3. Sociedad americana de soldadura. El Código de soldadura estructurall de la Sociedad Americana de soldadura es el
estándar generalmente reconocido para soldar en los Estados Unidos. Las
especificaciones LRFD establecen claramente que las normas del Código AWS son
aplicables bajo las especificaciones LRFD con unas cuantas excepciones menores que
se encuentran enlistadas en la especificación J2. Tanto las especificaciones AWS como
la AASHTO cubren estructuras cargadas dinámicamente. Sin embargo, las
especificaciones AWS se usan para el diseño de edificios sometidos a cargas
dinámicas a menos que los documentos contractuales establezcan otra cosa.
Las recomendaciones que se dan en las NTC-04 se complementan con las de la última
versión de “Structural Welding Code–Steel”, AWS D1.1, de la Sociedad Americana de la
Soldadura (American Welding Society) antes mencionada.
El tipo de soldadura aplicable en la construcción metálica es el de arco eléctrico con
electrodo metálico, aplicado manual, semiautomática o automáticamente. Los procesos
aprobados en las NTC-04 son la soldadura manual con electrodo recubierto, la
soldadura automática de arco sumergido, la protegida con gases y la soldadura con
electrodo con corazón de fundente. Pueden utilizarse otros procesos si se califican
adecuadamente para los casos en que se vayan a usar.
44
1.1.2.4. Material de aportación. Se usará el electrodo, o la combinación de electrodo y fundente, adecuados al material
base que se esté soldando, teniendo especial cuidado en aceros con altos contenidos
de carbón u otros elementos aleados, y de acuerdo con la posición en que se deposite
la soldadura. Se seguirán las instrucciones del fabricante respecto a los parámetros que
controlan el proceso de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad y tipo de
corriente. La resistencia del material depositado con el electrodo será compatible con la
del metal base.
Para que una soldadura sea compatible con el metal base, tanto el esfuerzo de fluencia
mínimo como el esfuerzo mínimo de ruptura en tensión del metal de aportación
depositado, sin mezclar con el metal base, deben ser iguales o ligeramente mayores
que los correspondientes del metal base. Por ejemplo, las soldaduras manuales
obtenidas con electrodos E60XX o E70XX1, que producen metal de aportación con
esfuerzos mínimos especificados de fluencia de 331 y 365 MPa (3 400 y 3 700 kg/cm²),
respectivamente, y de ruptura en tensión de 412 y 481 MPa (4 200 y 4 900 kg/cm²), son
compatibles con el acero A36, cuyos esfuerzos mínimos especificados de fluencia y
ruptura en tensión son 250 y 400 MPa (2 530 y 4 080 kg/cm²), respectivamente.
1.1.2.5. Tipos de soldadura. Las figuras que, siguen en este proyecto muestran la necesidad de proporcionar metal
de aportación a las juntas que se sueldan, para lograr una conexión satisfactoria. En la
soldadura de arco eléctrico, la barra metálica que se usa, denominada electrodo, se
funde dentro de la junta a medida que ésta se realiza. Cuando se usa soldadura por
gas, es necesario introducir una barra metálica conocida como llenador o barra de
soldar.
En la soldadura por gas, en la boquilla de un maneral o soplete, ya sea manejado por el
soldador o por una máquina automática, se quema una mezcla de oxígeno con algún
45
tipo adecuado de gas combustible; el gas que se utiliza comúnmente en soldadura
estructural, es acetileno, y el proceso recibe el nombre de soldadura oxiacetilénica. La
flama producida puede utilizarse tanto para corte de metales como para soldar. La
soldadura por gas es muy fácil de aprender y el equipo necesario para efectuarla es
relativamente barato. Sin embargo, es un proceso algo lento comparado con algunos
otros y normalmente se usa para trabajos de reparación y mantenimiento y no para la
fabricación y montaje de grandes estructuras.
En la soldadura por arco se forma un arco eléctrico entre las piezas que se sueldan y el
electrodo lo sostiene el operador con algún tipo de maneral o una máquina automática.
El arco es una chispa continua, entre el electrodo y las piezas que se sueldan,
provocando la fusión. La resistencia del aire o gas entre el electrodo y las piezas que se
sueldan, convierte la energía eléctrica en calor. Se produce en el arco una temperatura
que fluctúa entre los 6 000 y 10 0000 ºF (3 200 y 5 5000 ºC). A medida que el extremo
del electrodo se funde, se forman pequeñas gotitas o globulitos de metal fundido, que
son forzadas por el arco hacia las piezas por unir, penetrando en el metal fundido para
formar la soldadura. El grado de penetración puede controlarse con precisión por la
corriente consumida. Puesto que las gotitas fundidas de los electrodos, en realidad son
impulsadas a la soldadura, la soldadura de arco puede usarse con éxito en trabajos en
lo alto.
El acero fundido en estado líquido puede contener una cantidad muy grande de gases
en solución, y si no hay protección contra el aire circundante, aquél puede combinarse
químicamente con el oxígeno y el nitrógeno. Después de enfriarse, las soldaduras
quedarán relativamente porosas debido a pequeñas bolsas formadas por los gases.
Esas soldaduras son relativamente quebradizas y tienen mucha menor resistencia a la
corrosión. Una soldadura debe protegerse utilizando un electrodo recubierto con ciertos
compuestos minerales. El arco eléctrico hace que el recubrimiento se funda, creando un
gas inerte o vapor alrededor del área que se suelda. El vapor actúa como un protector
alrededor del metal fundido y lo protege de quedar en contacto directo con el aire
46
circundante. También deposita escoria en el metal fundido, que tiene menor densidad
que el metal base y sale a la superficie, protegiendo a la soldadura del aire mientras se
enfría. Después del enfriamiento, la escoria puede removerse fácilmente con una
piqueta, o con un cepillo de alambre (esa remoción es indispensable antes de la
aplicación de la pintura o de otra capa de soldadura). En la figura 15, se muestran los
elementos del proceso de soldadura por arco protegido. Este esquema se tomó del
Procedure Handbook of Arc Welding Design & Practice (Manual de procedimientos para
el diseño y práctica de la soldadura por arco), publicado por la Lincoln Electric
Company. Soldadura de arco metálico protegido se abrevia aquí como SMAW.
El tipo de electrodo usado es muy importante, y afecta decididamente las propiedades
de la soldadura tales como resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión. Se
fabrican un buen número de diferentes tipos de electrodos, y el tipo por utilizar en cierto
trabajo depende del tipo de metal que se suelda, la cantidad de material que se
necesita depositar, la posición del trabajo, etc. Los electrodos se dividen en dos clases
generales: los electrodos con recubrimiento ligero y los electrodos con recubrimiento
pesado.
47
Los electrodos con recubrimiento pesado se utilizan normalmente en la soldadura
estructural, porque al fundirse sus recubrimientos se produce una protección de vapor o
atmósfera muy satisfactoria alrededor del trabajo, así como escoria de protección. Las
soldaduras resultantes son más fuertes, más resistentes a la corrosión y más dúctiles
que las realizadas con electrodos con recubrimiento ligero. Cuando se usan electrodos
con recubrimiento ligero, no se intenta prevenir la oxidación y no se forma escoria. Los
electrodos se recubren ligeramente con algún estabilizador químico del arco, tal como
la cal.
La soldadura por arco sumergido (SAW) es un proceso automático en el que el arco
está cubierto por un montículo de material granular fundible y queda entonces oculto a
la vista. Un electrodo metálico desnudo es alimentado desde un carrete, es fundido y
depositado como material de relleno. El electrodo, la fuente de potencia y una tolva de
fundente están unidos a un bastidor que se coloca sobre rodillos y se mueve a cierta
velocidad conforme se forma el cordón de soldadura. Las soldaduras SAW se hacen
rápida y eficientemente y son de alta calidad, exhibiendo alta resistencia al impacto, alta
resistencia a la corrosión y buena ductilidad. Además, ellas proporcionan penetración
más profunda por lo que el área efectiva para resistir cargas es mayor. Un gran
porcentaje de las soldaduras hechas para estructuras de puentes es SAW. Si se usa un
solo electrodo, el tamaño de la soldadura obtenida con un solo pase es limitado. Sin
embargo, pueden usarse electrodos múltiples, lo que permite soldaduras mucho
mayores.
Las soldaduras hechas con el proceso SAW (automático o semiautomático) son
consistentemente de alta calidad y son muy adecuadas para cordones largos de
soldadura. Una desventaja es que el trabajo debe posicionarse para un soldado casi
plano u horizontal. Otro tipo de soldadura es la soldadura de arco con núcleo fundente
(FCAW). En este proceso un tubo de acero lleno de fundente es alimentado
continuamente desde un carrete. Con el fúndete se forman una protección de gas y
escoria. La especificación 4.14 de la AWS proporciona tamaños límite para los
48
diámetros de los electrodos y para los tamaños de las soldaduras, así como otros
requisitos relativos a los procedimientos de soldado.
1.1.1.1. Soldaduras precalificadas. La AWS acepta cuatro procesos de soldar como precalificados. La palabra precalificada
se usa aquí para significar que los procesos son aceptables sin necesidad de pruebas
ulteriores sobre su adecuabilidad por medio de procedimientos de calificación.
Queremos decir que, con base en muchos años de experiencia, el metal de aportación
con las propiedades deseadas puede depositarse si el trabajo se efectúa de acuerdo
con los requisitos del Código de soldadura Estructural del AWS. Los procesos
aceptados por la especificación 1.3.1 del AWS son 1) soldadura por arco metálico
protegido (SMAW), 2) soldadura por arco sumergido (SAW), 3) soldadura de arco
metálico con gas (GMAW), y 4) soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW). El
proceso SMAW es el proceso usual usando para soldadura manual, mientras que los
otros tres son usualmente automáticos o semiautomáticos.
1.1.1.2. Inspección de soldadura. Para asegurarse de una buena soldadura en un trabajo determinado, deben seguirse
tres pasos: 1) establecer buenos procedimientos de soldadura, 2) usar soldadores
calificados, y 3) emplear inspectores competentes en el taller y en la obra. Cuando se
siguen los procedimientos establecidos por la AWS y el AISC para soldaduras y cuando
se utilizan los servicios de buenos soldadores, que previamente hayan demostrado su
habilidad, es seguro que se obtendrán buenos resultados; sin embargo, la seguridad
absoluta sólo se tendrá cuando se utilicen inspectores capaces y calificados.
Para lograr una buena soldadura existe una serie de factores entre los que pueden
mencionarse la selección apropiada de electrodos, corriente y voltaje; propiedades del
metal base y de aportación; posición de la soldadura. La práctica usual en los trabajos
grandes es emplear soldadores que tienen certificados que muestran sus calificaciones.
Además, no es mala práctica que cada soldador ponga una marca de identificación en
49
cada una de sus soldaduras, de modo que las personas que muy a menudo realizan un
mal trabajo puedan ser localizadas. Esta práctica probablemente mejore la calidad
general del trabajo realizado.
Inspección Visual Otro factor que ayudará a los soldadores a realizar un mejor trabajo, es justamente la
presencia de un inspector que ellos consideren que sabrá apreciar un buen trabajo
cuando lo vea. Para hacer de un hombre un buen inspector, es conveniente que él
mismo haya soldado y que haya dedicado bastante tiempo a observar el trabajo de
buenos soldadores. A partir de esta experiencia, él será capaz de saber si un soldador
está logrando la fusión y penetración satisfactorias. También debe reconocer buenas
soldaduras en su forma, dimensiones y apariencia general. Por ejemplo, el metal en
una buena soldadura se aproximará a su color original después de enfriarse. Si se ha
calentado demasiado, tendrá un tono mohoso o apariencia rojiza. Puede utilizar
diversas escalas y escantillones para verificar las dimensiones y formas de la
soldadura.
La inspección visual de un hombre capaz, probablemente dará una buena indicación de
la calidad de las soldaduras, pero no es una fuente de información perfecta por lo que
hace a la condición interior de la soldadura. Es seguramente el método de inspección
más económico y es particularmente útil para soldaduras de un solo pase. Sin embargo,
este método es sólo bueno para detectar imperfecciones superficiales. Existen diversos
métodos para determinar la calidad interna o sanidad de una soldadura. Estos métodos
incluyen: tinturas penetrantes y partículas magnéticas, ensayos con ultrasonido y
procedimientos radiográficos, los cuales permiten descubrir defectos internos tales
como porosidades, faltas de fusión o presencia de escorias.
Líquidos Penetrantes Diversos tipos de tinturas pueden extenderse sobre las superficies de soldadura; estos
líquidos penetrarán en cualquier defecto como grietas que se encuentren en la
50
superficie y sean poco visibles; después de que la tintura ha penetrado en las grietas,
se limpia el exceso de ésta y se aplica un polvo absorbente, el cual hará que la tintura
salga a la superficie y revelará la existencia de la grieta, delineándola en forma visible
alojo humano. Una variante de este método consiste en usar un líquido fluorescente,
que una vez absorbido se hace brillantemente visible bajo el examen con luz negra. 3
Este método nos permite detectar grietas abiertas a la superficie igual que la inspección
visual.
Partículas Magnéticas En este proceso, la soldadura por inspeccionar se magnetiza eléctricamente, los bordes
de las grietas superficiales o cercanas a la superficie se vuelven polos magnéticos
(norte y sur a cada lado de la grieta) y si se esparce polvo seco de hierro o un líquido
con polvo en suspensión, el fantasma magnético es tal que queda detectada la
ubicación, forma y aun tamaño de la grieta. Sólo grietas, costuras, inclusiones, etc.,
aproximadamente a 10 pulg de la superficie pueden localizarse por este método. La
desventaja del método es que en caso de una soldadura realizada con cordones
múltiples, el método debe aplicarse para cada cordón.
Procedimientos Radiográficos Los métodos radiográficos, que son más costosos, pueden utilizarse para verificar
soldaduras ocasionales en estructuras importantes. Mediante estas pruebas es posible
realizar una buena estimación del porcentaje de soldaduras malas en una estructura. El
uso de máquinas de rayos-X portátiles, donde el acceso no es un problema y el uso de
radio o cobalto radiactivo para tomar fotografías, son métodos de prueba excelentes
pero costosos. Resultan satisfactorios en soldaduras a tope (por ejemplo; soldadura de
tuberías importantes de acero inoxidable en los proyectos de energía atómica) pero no
son satisfactorios para soldaduras de filete, ya que las fotografías son difíciles de
interpretar. Una desventaja adicional de estos métodos es el peligro de la radiactividad.
Deben utilizarse procedimientos cuidadosos para proteger tanto a los técnicos como a
los trabajadores cercanos. En el trabajo de las construcciones normales, este peligro
51
posiblemente requiera la inspección nocturna cuando sólo unos pocos trabajadores se
encuentran cerca del área de inspección. (Por lo general se requerirá una estructura
muy grande o importante antes de que el uso extremadamente costoso del material
radiactivo pueda justificarse).
Una conexión soldada, bien hecha, puede resultar mucho más resistente (tal vez 1 12 o 2
veces) que las partes conectadas. Como consecuencia, la resistencia real es mucho
mayor que la requerida por las especificaciones. Las causas de esta resistencia
adicional son las siguientes: los electrodos se fabrican con acero especial, el metal se
funde eléctricamente (tal como en la manufactura de los aceros de alta calidad) y la
rapidez de enfriamiento es mayor. Por todo esto es poco probable que un soldador
haga una soldadura con menor resistencia que la requerida por el diseño.
1.1.1.3. Clasificación de las soldaduras. Existen cuatro clasificaciones para las soldaduras, mismas que se describen en los
siguientes párrafos; se basan en el tipo de soldadura realizada, posición de las
soldaduras y tipo de junta.
Los dos tipos principales de soldaduras son las soldaduras de filete y de penetración.
Existen además las soldaduras de tapón y de ranura que no son comunes en el trabajo
estructural.
Soldaduras de filete. Se obtienen depositando un cordón de metal de aportación en el
ángulo diedro formado por dos piezas. Su sección transversal es aproximadamente
triangular.
Soldaduras de penetración. Se obtienen depositando metal de aportación entre dos
placas que pueden, o no, estar alineadas en un mismo plano. Pueden ser de
52
penetración completa o parcial, según que la fusión de la soldadura y el metal base
abarque todo o parte del espesor de las placas, o de la más delgada de ellas.
Soldaduras de ranura. Las soldaduras de tapón y de ranura se hacen en placas
traslapadas, rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero, circular o
alargado, hecho en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra.
Estos cuatro tipos de soldadura se muestran en la figura 15.
La figura 16 y 17 muestran posiciones de soldadura y tipos de juntas respectivamente.
53
Las soldaduras de filete han demostrado ser más débiles que las soldaduras de ranura;
sin embargo, la mayoría de las conexiones estructurales se realizan con soldaduras de
filete (aproximadamente el 80%). Cualquier persona que haya tenido experiencia en
estructuras de acero entenderá el porqué las soldaduras de filete son más comunes
que las soldaduras de ranura. Las soldaduras de ranura se usan cuando los miembros
que se conectan están alineados en el mismo plano. Usarlas en cualquier situación
implicaría un ensamble perfecto de los miembros por conectar, cosa que
lamentablemente no sucede en la estructura común y corriente. Muchos lectores han
visto a los operarios tirando y golpeando miembros de acero para ponerlos en posición.
54
Cuando se pueden traslapar los miembros de acero, se permiten tolerancias mayores
en el montaje, siendo las soldaduras de filete las que se utilizan. Sin embargo, las
soldaduras de ranura son bastante comunes en muchas conexiones tales como los
empalmes en columnas y las conexiones de patines de vigas a columnas, etc.
1.1.2.6. Simbología para la soldadura. La figura 16 presenta el método de identificación de soldaduras mediante símbolos,
desarrollado por la American Welding Society (Sociedad Americana de Soldadura). Con
este excelente sistema taquigráfico, se da toda la información necesaria con unas
cuantas líneas y números, ocupando apenas un pequeño espacio en los planos y
dibujos de ingeniería. Estos símbolos eliminan la necesidad de dibujos de las
soldaduras y hacer largas notas descriptivas. Ciertamente es conveniente para los
proyectistas y dibujantes utilizar este sistema estándar. Si la mayoría de las soldaduras
indicadas en un dibujo son de las mismas dimensiones, puede ponerse una nota y
omitir los símbolos, excepto en las soldaduras fuera de medida.
El propósito de este trabajo no es el de aprender todos los simbolos posibles, sino más
bien para tener una idea general de éstos y la información que pueden contener. Para
mayores se puede consultar la información detallada publicada por la AWS, reimpresa
en muchos manuales (incluyendo el Manual LRFD). A primera vista, la información
presentada en la figura 18, probablemente es confusa. Por esta razón se presentan en
la figura 19 algunos de los símbolos de soldaduras de filete, junto con la explicación de
cada uno.
55
56
1.1.2.7. Resistencia de la soldadura. Para esta exposición se hace referencia a la figura 20. El esfuerzo en un filete de
soldadura se considera igual a la carga dividida entre el área efectiva de la garganta de
la soldadura sin tomar en cuenta la dirección de la carga. Sin embargo, las pruebas han
57
mostrado que las soldaduras de filete cargadas transversalmente son apreciablemente
más fuertes que las cargadas paralelamente al eje de la soldadura.
Las soldaduras de filete transversales son más fuertes por dos razones. Ellas quedan
sometidas a esfuerzos más uniformes sobre toda su longitud, mientras que las
soldaduras de filete longitudinales quedan sometidas a esfuerzos no uniformes debido a
deformaciones que varían a lo largo de su longitud. Además, las pruebas muestran que
la falla ocurre según ángulos diferentes a 45°, por lo que las soldaduras tienen entonces
áreas efectivas más grandes en la garganta.
1.1.2.8. Requisitos NTC.
En las soldaduras el material del electrodo deberá tener propiedades del metal base. Si
las propiedades son comparables se dice que el metal de aportación es compatible con
el metal base (es decir sus resistencias nominales son similares).
58
Tabla 7. Resistencias de diseño de soldaduras.
59
La resistencia de diseño de las soldaduras es igual al menor de los productos FR FMB
AMB y FR FS AS, donde FMB y Fs son, respectivamente, las resistencias nominales del
metal base y del metal del electrodo, y AMB y AS son el área de la sección transversal
del metal base y el área efectiva de la soldadura. FR es el factor de resistencia.
En la tabla 7 se proporcionan los valores de FR, FMB, FS y demás información pertinente.
En lugar de utilizar las resistencias de diseño, constantes, de la tabla 7, la resistencia
de las soldaduras de filete puede determinarse con el procedimiento alterno que se
describe a continuación.
a) La resistencia de diseño de un grupo de soldaduras lineales, cargadas en un
plano, a través del centro de gravedad del grupo, es FR Fs As , donde
FR = 0.75
Fs = resistencia nominal de la soldadura
FEXX = numero de clasificación del electrodo
Θ = ángulo entre la línea de acción de la carga y el
eje longitudinal de la soldadura, en grados
As = área efectiva de la soldadura.
b) El conjunto de soldaduras cargadas en su plano puede diseñarse utilizando un
método basado en el empleo de un centro instantáneo de rotación.
Las soldaduras utilizadas en estructuras que deban ser capaces de soportar un
número grande de repeticiones de carga durante su vida útil se diseñarán
teniendo en cuenta la posibilidad de falla por fatiga..
60
2. Objetivos. 2.1. En este proyecto seremos capaces de desarrollar las herramientas obtenidas
a lo largo de nuestra estancia en esta institución.
2.2. Se elaboraran probetas (simulando marcos rígidos) de de acero con el fin de
determinar las cualidades del LRFD y los cálculos pertinentes para lograr el
comportamiento deseado de las conexiones que se diseñaran, estará basado en el
NTCM-04. Dentro del trabajo a realizar también se incluye la elaboración de planos
detalladamente para que no exista confusión en la estructuración de las probetas.
Las probetas serán instrumentadas para tener un control detallado durante las
pruebas.
2.3. En un futuro lograremos distinguir las condiciones mas desfavorables en la
conexión para un diseño óptimo de estructuras cumpliendo con las especificaciones
de las NTCM-04.
3. Desarrollo. 3.1. Preparación de elementos.
3.1.1. Corte y emprimado de secciones para disponer de materiales en tamaño y
condiciones adecuadas para lograr un fácil y rápido desarrollo del proyecto.
61
3.2. Propiedades.
3.2.1. Geométricas.
62
3.2.2. Propiedades mecánicas.
63
3.3. Probeta 1. 3.3.1. Diseño. La conexión será soldada utilizando electrodos E7018, y la fuerza
actuante en los patines es:
Por ser una demanda grande, se opta por que la soldadura de los patines sea por
penetración total, ya que se garantiza que la resistencia de la soldadura sea igual que la
resistencia del elemento.
64
3.3.2. Planos (acotaciones en mm).
65
Vista A-A
66
67
3.3.3. Construcción del espécimen. 3.3.3.1. En la columna, una vez que se tiene en las dimensiones requeridas se
realizan los barrenos oblongos (las imágenes se muestran en orden
cronológico).
a) Barrenar a la distancia especificada.
68
b) Cortar material de residuo.
69
c) Eliminar impurezas.
3.3.3.2. Unión de perfiles. Se utilizaron las especificaciones del diseño antes
mencionadas.
70
Vista cordón de soldadura..
3.3.4. Instrumentación del espécimen. 3.3.4.1. Preparación y colocación de strain gauges
a) Limpiar la superficie hasta que esta quede totalmente lisa y sin impurezas.
71
b) Se debe preparar previamente los strain gauges colocándolos en un vidrio junto
a las terminales y sobre ellos un tramo de cinta adhesiva como lo muestra la
figura siguiente.
c) Colocar el strain gauge en el lugar indicado de la siguiente manera.
72
d) Pegar el sensor utilizando el pegamento y catalizador que esta especialmente
fabricado para este trabajo, dejando una presión constante durante un minuto
aproximadamente, al momento de desprender la cinta adhesiva deberá hacerse
con ayuda de un solvente para evitar arrancar parte del sensor ya colocado, en
las siguientes figuras se muestra el proceso en forma cronológica (izquierda a
derecha y hacia abajo).
73
e) Soldar con estaño y cautín un puente conductor de cobre del strain a la terminal,
que posteriormente servirá para conectarlo a la consola para un control en todo
momento.
f) Colocar extensión de la terminal para la consola. Se debe seguir un
procedimiento similar al anterior con el estaño solo que se usara un cable de 3
colores (rojo, negro y blanco) y este se colorara desde la terminal con la
siguiente configuración:
Negro y blanco para colocarlo en un contacto de la terminal
Rojo en el contacto restante de la terminal.
Deberá probarse el funcionamiento del sensor y en caso de un mal
funcionamiento se buscara la falla y se reparara, de lo contrario se iniciara con el
proceso de colocación para un nuevo sensor.
74
Para probar los strain se utilizara el “puente”, que medirá un correcto
funcionamiento, así como la deformación que debido a la colocación se indujo en
el dispositivo.
75
Una vez concluidos todos los pasos anteriores el sensor debe ser protegido, para
este caso, debido a que los strain están sobre la superficie solo se colocara una
capa de barniz transparente.
3.3.4.2. Colocación de deformimetros.
Se colocaron tomando en cuenta las especificaciones del proyecto y estas se muestran
en los planos posteriores.
El procedimiento de colocación no se detalla en este trabajo, debido a que no fue
realizado por nosotros, aunado a que no llevaba un orden cronológico y eran colocados
al azar, solo se muestran imágenes que nos subsecuentes una de otra para una buena
ejemplificación.
76
Planos instrumentación.
77
La siguiente imagen muestra la colocación de un deformimetro que será utilizado
para medir desplazamientos horizontales y son los llamados MH en los planos.
Las extensiones serán conectadas en las consolas que medirán en todo momento
los desplazamientos y deformaciones para un control óptimo.
78
3.3.5. Realización de la prueba. En la prueba se colocaron dos gatos hidráulicos para aplicar cargas verticales en el
extremo de la viga para provocar una articulación plástica como lo muestra la siguiente
figura.
Las cargas aplicadas serán cíclicas e irán incrementándose en intervalos previamente
acordados.
3.3.5.1. Resultado de la prueba 1. Carga máxima = 8.208 ton
Desplazamiento máximo (60 cm del borde de la viga) = 82.44 mm
Ciclos:
Dos con carga = 5 ton
Dos con carga = 7 ton
79
3.4. Probeta 2. 3.4.1. Diseño. La conexión será soldada utilizando electrodos E7018.
80
81
82
3.4.2. Planos (acotaciones en mm).
Detalle conexión.
83
3.4.3. Construcción del espécimen. 3.4.3.1. Se deberá seguir el procedimiento del punto 3.3.3.1. 3.4.3.2. Unión de perfiles. Se utilizaron las especificaciones del diseño antes
mencionadas.
84
3.4.3.3. Instrumentación. Se deberá seguir el procedimiento del punto 3.3.4. para colocación de strain gauges y
deformimetros. 3.4.4. Realización de la prueba 2.
Se realizara como lo mencionado en la sección 3.3.5.
3.4.4.1. Resultados de la prueba 2. Carga máxima = 32 ton
Desplazamiento máximo (60 cm del borde de la viga) = 60.57 mm
Ciclos:
Tres con carga = 5 ton
Dos con carga = 7 ton
Dos con carga = 10 ton
Dos con carga = 15 ton
Dos con carga = 18 ton
Dos con carga = 22 ton
Dos con carga = 26 ton
Dos con carga = 28 ton
Se realizo la carga de 32 ton hasta llevarlo a la falla
3.5. Probeta 3. 3.5.1. Diseño. La conexión será soldada utilizando electrodos E7018
85
86
87
88
3.5.2. Planos (acotaciones en mm).
89
3.5.3. Construcción del espécimen. 3.5.3.1. Se deberá seguir el procedimiento del punto 3.3.3.1. 3.5.3.2. Unión de perfiles. Se utilizaron las especificaciones del diseño antes
mencionadas.
90
3.5.4. Instrumentación.
Se deberá seguir el procedimiento del punto 3.3.4. para colocación de strain gauges y
deformimetros.
3.5.4.1. Realización de la prueba 3.
Se realizara como lo mencionado en la sección 3.3.5
3.5.4.2. Resultados de la prueba 3.
Carga máxima = 24.85 ton
Desplazamiento máximo (60 cm del borde de la viga) = 94.08 mm
Ciclos:
Dos con carga = 7 ton
Dos con carga = 14 ton
Dos con carga = 24 ton
Se realizo la carga hasta llevarlo a la falla
3.6. Probeta 4. 3.6.1. Diseño. La conexión será soldada utilizando electrodos E7018 para la unión
de placa y viga, posteriormente se diseñaran los tronillos para la conexión
entre ambos perfiles.
Diseño de la soldadura entre placa y viga (Probeta 4)
La fuerza a la que están sujetos los patines
FMpv
d
91
92
93
3.6.2. Planos (acotaciones en mm).
94
3.6.3. Construcción del espécimen. 3.6.3.1. Se deberá seguir el procedimiento del punto 3.3.3.1.
Unión de perfiles. Se utilizaron las especificaciones del diseño antes mencionadas.
3.6.4. Instrumentación.
Se deberá seguir el procedimiento del punto 3.3.4. para colocación de strain gauges y
deformimetros.
3.6.4.1. Realización de la prueba 4.
Se realizara como lo mencionado en la sección 3.3.5
95
3.6.4.2. Resultados de la prueba 4. Carga máxima = 20 ton
Desplazamiento máximo (60 cm del borde de la viga) = 22.73 mm
Ciclos:
Tres con carga = 3 ton
Tres con carga = 6 ton
Dos con carga = 8 ton
Uno con carga = 10 ton
Dos con carga = 12 ton
Se realizo la carga hasta llevarlo a la falla
4. Conclusiones
Atreves de las pruebas realizadas a lo largo del proyecto se llego a tres conclusiones
muy importantes.
1) Si se usan métodos aproximados de análisis, se obtendrán acciones internas
parecidas a las soluciones completas, que pueden aceptarse según su grado de
aproximación, sin embargo el que las soluciones teóricas sean únicas no significa
que en la estructura real se tengan acciones exactamente iguales a las calculadas,
ya que de todas maneras se hacen hipótesis sobre la forma ideal de la estructura del
comportamiento de los materiales, de la distribución de las cargas y de otros factores
similares que implican trabajar sobre una representación de la estructura que no
coincide totalmente con la estructura real.
2) Los elementos estructurales con un buen detallado en sus conexiones pueden llegar
a alcanzar esfuerzos mucho mayores a los calculados, y que a su vez estos
96
presentan una falla mas controlada que los elementos mal detallados. Sin embargo
esto no evita que se puedan presentar fallas locales en algunos elementos.
3) A pesar de que en la teoría se ha demostrado que muchas de las conexiones no son
adecuadas ni en su concepción ni en su construcción, se siguen usando en
construcciones nuevas sin medir las consecuencias de lo que pueden causar al
enfrentarse a las demandas que los fenómenos naturales les exijan cuando estos se
presenten. En las pruebas realizadas se observa una tendencia a que la columna
falle y como se menciono antes este tipo de conexión (viga-columna) son las mas
frecuentes en México, en general hace falta un mayor énfasis en la planeación de
las estructuras y aun mas en el diseño de las mismas. Quizá la solución se encuentre
dentro de las instituciones que se empeñen en realizar mas pruebas de este tipo sin
mirar la parte económica y aun mejor, que los laboratorios no improvisen con
materiales o equipo que no son destinados para estas funciones, así se podrán llegar
a resultados con menor incertidumbre y cada vez mas reales para lograr un
funcionamiento optimo de la conexión.
97
5. Referencias.
• McCormac.(2002), “Diseño de estructuras de acero (Método LRFD), segunda edición,
Alfaomega Grupo Editorial, México.
• NTCS-04 (2004), “Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo”, Gaceta
Oficial del Departamento del Distrito Federal, 6 de octubre.
• Héctor Soto Rodríguez, Michael D. Enegelhart (2006), “Diseño de conexiones de acero
estructural Volumen 2” Primera edición, Centro regional de desarrollo en ingeniería civil,
México.
• R.C.Hibbeler(2006), “Mecánica de los materiales”, Sexta edición, Prentice Hall, México.
• González Cuevas (2005), “Análisis Estructurar”, Editorial Limusa México
98
Anexo I. Descripción de reparación de columna.
Debido a un problema que se tuvo durante una de las pruebas, el marco de la
Universidad Autónoma Metropolitana se desprendió de la cimentación, esto fue en
gran mediada a que el anclado entre la cimentación y dicho marco era escaso o
deficiente. Por lo cual y a causa de que nosotros fuimos los responsables directos
del daño se tuvo la necesidad de reparar la columna.
Para la reparación se contemplo lo siguiente.
Primero se revisaron los planos de la cimentación del marco de pruebas
parte del marco de pruebas que se daño
99
Detalle de la cimentación dañada
“El anclaje de las columnas”
100
Una vez revisados los planos y haciendo algunos cálculos pertinentes se paso a una
revisión física pues de acuerdo a los planos y a los cálculos el daño a la estructura
no debió de haber ocurrido.
Durante el proceso de se descubrió que hubo algunas anomalías en cuanto a lo
planeado y a lo construido y debido a esto se opto por extender las placas de
conexión de la columna con la cimentación
101
Detalles del anclado y la placa de extensión
102
Detalles de la soldadura para la reparación.
Una ve que se definió el tipo y el proceso para la reparación de la estructura se
procedió con la selección de los materiales y los trabajos pertinentes para su
realización.
De los materiales seleccionados fueron:
Para la placa y los cartabones: Acero A-36 de ¾ de espesor
Para las anclas se utilizo col-rol con fluencia obtenida en el laboratorio de Fy=5000
kg/cm2 de y un diámetro de 1 ¾ .
Prueba de tención para col-rol
103
Para el relleno del anclaje y garantizar el correcto trabajo de la anclas se selecciono
un aditivo especial de Sika (Sika Grout®). El cual es especial para este tipo de
demandas. Los datos técnicos en los cuales nos basamos para su revisión y manejo
se muestran a continuación en la siguiente tabla:
Proceso de constructivo:
Para el barrenado de utilizo una extractora de corazones, uno de los problemas que se
tuvo es que los estivos de la cimentación no estaban perfectamente separado por lo
cual se tuvo que ir haciendo sobre la marcha para no debilitar mas la estructura.
Quedando como resultado una separación no uniforme de los barrenos.
104
Una ves terminado este proceso se tuvo que súper poner las placas de extensión para
marcar donde iban a quedar los barrenos debido a la irregularidad de estos.
Ya que las placas quedaron barrenadas y listas para su colocación, se ubico la
placa inferir a manera de guía y cimbra para colara las anclas. Estos se debió a la
necesidad de que quedaran perfectamente centradas y ubicadas las extensiones
una con respecto de la otra.
105
Ya ubicada cada una de las anclas y utilizando las placas como ya se menciono se
elaboro, se procedió a llenar los barrenos con el agregado de Sika.
Una vez que el agregado fraguo se verifico que no hubiera filtraciones y que todo
estuviera correcto se procedió a nivelar con mortero para colocar la placa superior y
así proceder a soldar.
106
Ya que el nivel se logro, se coloco la placa superior y se apretaron las anclas.
Ya que esto se finalizo se procedió a conectar las dos placa (la de extensión y la de
la columna), con soldadura de penetración. También se colocaron los cartabones y
con esto se finalizo la reparación del marco de pruebas de la Universidad.
107
Anexo II. Diseño y montaje de dispositivo de prueba
6. Diseño Construcción y montaje del dispositivo de pruebas 4.1 Diseño1
1 Diseño por el ingeniero civil Issac Tonatihu Martin del Campo
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
i
i Diseño realizado por Ing. Tonatiu Martin del Campo
