Mezcla de soldaduras y pernos

En diversas situaciones estructurales, es posible que un ingeniero deba evaluar la resistencia de una conexión realizada con soldaduras y sujetadores mecánicos. Hoy en día, los sujetadores mecánicos suelen ser pernos, pero las estructuras más antiguas pueden incluir remaches.

Estas situaciones pueden ocurrir durante proyectos de modernización, reparación o fortalecimiento. Para construcciones nuevas, es posible que sea necesario que los pernos y las soldaduras trabajen juntos en conexiones en las que los materiales que se unen primero se aseguran con pernos y luego se sueldan para obtener una resistencia total de la conexión.

Sin embargo, determinar la capacidad de carga total de la conexión no es tan simple como sumar la suma de los componentes individuales: soldaduras, pernos y remaches. Semejante suposición puede tener consecuencias desastrosas.

Las uniones atornilladas se describen en la Especificación para juntas estructurales que utilizan pernos ASTM A325 o A490 del Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC) como ajustadas, pretensadas o de deslizamiento crítico.

Una unión bien apretada se aprieta mediante la fuerza de una llave de impacto o mediante un herrero que utiliza una llave de punta común para que las capas entren en contacto firme. En una junta pretensada, los pernos se instalan de manera que estén bajo una carga de tracción significativa, con las placas bajo una carga de compresión.

Según la Sección 8.2, se aceptan cuatro métodos para realizar estas uniones:

1. Giro de tuerca. El método de giro de tuerca implica ajustar el perno y luego girar la tuerca una cantidad adicional, que es función del diámetro y la longitud del perno.

2. Llave calibrada. El método de la llave calibrada mide el torque, que se correlaciona con la tensión aplicada al perno.

3. Pernos de control de tensión de tipo desenroscable. Los pernos de control de tensión de tipo giratorio tienen pequeños pernos en el extremo del perno, opuesto a la cabeza. Cuando se alcanza el par requerido, el perno se desenrosca.

4. Indicadores de tensión directa. Los indicadores de tensión directa son arandelas especiales con protuberancias. La cantidad de compresión sobre las protuberancias indica qué nivel de tensión se ha aplicado al perno.

En términos sencillos, los pernos actúan como pasadores en uniones ajustadas y pretensadas, similar a un clavo de latón que mantiene unida una pila de papeles perforados. Las juntas de deslizamiento crítico funcionan por fricción: las fuerzas de pretensión crean fuerzas de sujeción y la fricción entre las superficies de contacto trabaja en conjunto para resistir el deslizamiento de la junta. Esto es similar a un clip de carpeta que mantiene unida una pila de papeles, no porque se hagan agujeros en el papel, sino porque el clip de carpeta presiona las hojas de papel juntas y la fricción mantiene el paquete unido.

Los pernos ASTM A325 tienen una resistencia a la tracción mínima de 150 a 120 kilolibras por pulgada cuadrada (KSI), dependiendo del diámetro del perno, mientras que los pernos A490 deben tener una resistencia a la tracción entre 150 y 170 KSI. Las uniones remachadas se comportan más como uniones ajustadas, pero los pasadores en este caso son los remaches, que normalmente tienen aproximadamente la mitad de la resistencia de los pernos A325.

Cuando una unión sujeta mecánicamente se carga en corte (cuando un miembro tiende a deslizarse sobre el otro debido a las fuerzas aplicadas), puede ocurrir una de dos situaciones. Los pernos o remaches pueden apoyarse contra los lados de los orificios, provocando que el perno o remache se corte al mismo tiempo. La segunda posibilidad es que la fricción, introducida por las fuerzas de sujeción del sujetador pretensado, pueda resistir la carga de corte. No se espera ningún deslizamiento en esta articulación, pero existe la posibilidad.

Las uniones ajustadas pueden ser aceptables para muchas aplicaciones, porque un deslizamiento menor puede no afectar negativamente el rendimiento de la conexión. Por ejemplo, considere una tolva diseñada para contener material granular. La primera vez que se carga, pueden producirse pequeños deslizamientos. Una vez que se haya producido el deslizamiento, no se repetirá porque todas las cargas posteriores serían de la misma naturaleza.

Algunas aplicaciones implican inversión de carga, como cuando los miembros giratorios experimentan cargas alternas de tracción y compresión. Otro ejemplo es la flexión de miembros que están sujetos a una inversión completa de la carga. Cuando se produce una inversión de carga significativa, es posible que se requieran juntas pretensadas para eliminar el deslizamiento cíclico. Este deslizamiento conduce eventualmente a agujeros alargados y a un deslizamiento aún mayor.

Algunas conexiones están sujetas a muchos ciclos de carga que pueden provocar fatiga. Incluyen conexiones en prensas, soportes de grúas y puentes. Cuando las juntas están sujetas a cargas de fatiga con inversión de dirección, son necesarias juntas de deslizamiento crítico. Para este tipo de condiciones, es esencial que la junta no resbale, de ahí el requisito de juntas de deslizamiento crítico.

Es posible que se haya diseñado y construido una conexión atornillada existente según cualquiera de estos criterios. Las uniones remachadas se consideran del tipo ajustado.

Las conexiones soldadas son rígidas. Las conexiones soldadas son rígidas. A diferencia de las uniones atornilladas ajustadas que pueden deslizarse a medida que se cargan, no se espera que las soldaduras se estiren ni distribuyan la carga aplicada en gran medida. En la mayoría de los casos, las soldaduras y los sujetadores mecánicos tipo cojinete no se deformarán por igual.

Cuando se utilizan juntas soldaduras y sujetadores mecánicos, la carga se transfiere a través de la parte más rígida; por lo tanto, la soldadura puede soportar casi toda la carga, compartiendo poca con los pernos. Es por eso que se debe tener precaución al combinar soldaduras, pernos y remaches. Disposiciones del código. La cuestión de mezclar sujetadores mecánicos y soldaduras se aborda en AWS D1. 1:2000 Código de soldadura estructural: acero. La disposición 2.6.3 establece que para los remaches o pernos utilizados en conexiones tipo cojinete (es decir, cuando el perno o remache actúa como un pasador), no se debe considerar que los sujetadores mecánicos comparten la carga en combinación con las soldaduras. Si se utilizan soldaduras, se deben proporcionar para soportar toda la carga en la conexión. Sin embargo, se permiten conexiones soldadas a un miembro y remachadas o atornilladas a otro.

Cuando los sujetadores mecánicos son del tipo cojinete y se agrega una soldadura, esencialmente se ignora la capacidad del perno. La soldadura deberá diseñarse para transferir toda la carga, según esta disposición.

Básicamente, esto es lo mismo que AISC LRFD-1999, disposición J1.9. Sin embargo, la norma canadiense CAN/CSA-S16.1-M94 también permite el uso de la capacidad del sujetador mecánico o del perno solo cuando es superior a la capacidad de la soldadura.

Las tres normas están de acuerdo en este tema: las capacidades de las fijaciones mecánicas tipo cojinete y las soldaduras no se pueden sumar.

AWS D1.1, párrafo 2.6.3 también aborda una situación en la que los pernos y las soldaduras se pueden combinar en una conexión que consta de dos componentes separados, como se ilustra en la Figura 1. Una conexión soldada está a la izquierda y una conexión atornillada está a la izquierda. la derecha. Aquí se puede considerar la capacidad total de las soldaduras y pernos. Cada parte de la conexión general se comporta de forma independiente. Por lo tanto, el código proporciona una excepción a los principios contenidos en la primera parte de 2.6.3.

Las disposiciones que acabamos de comentar son aplicables a las nuevas construcciones. Para las estructuras existentes, D1.1, párrafo 8.3.7 establece que cuando los cálculos de diseño muestren que los remaches o pernos se verán sobrecargados por la nueva carga total, solo se les debe asignar la carga muerta existente.

La misma disposición requiere que si los remaches o pernos están sobrecargados solo por la carga muerta o están sujetos a cargas cíclicas (fatiga), entonces se debe agregar suficiente metal base y soldadura para soportar la carga total.

Es aceptable compartir cargas entre sujetadores mecánicos y soldaduras si la estructura está precargada; en otras palabras, si ya se ha producido un deslizamiento entre los miembros conectados. Pero al elemento de fijación mecánico sólo se le puede asignar la carga muerta. Las cargas vivas, que pueden provocar un mayor deslizamiento, deben resistirse mediante la aplicación de soldaduras capaces de soportar toda la carga.

Se deben utilizar soldaduras para absorber toda la carga aplicada o viva. No se permite compartir cargas cuando los sujetadores mecánicos ya estén sobrecargados. Cuando se trata de carga cíclica, no se permite compartir la carga porque la carga podría causar un deslizamiento continuo y sobrecargar las soldaduras.

Una ilustración. Considere una junta traslapada originalmente conectada con pernos ajustados (consulteFigura 2 ). Se está agregando capacidad adicional a la estructura y se deben aumentar la conexión y los miembros adjuntos para proporcionar el doble de resistencia.figura 3 ilustra el plan básico para fortalecer a los miembros. ¿Qué se debe hacer con la conexión?

Debido a que el acero nuevo se unirá al viejo con soldaduras de filete, el ingeniero decide agregar algunas soldaduras de filete a la conexión. Dado que los pernos todavía están en su lugar, la idea inicial es agregar solo las soldaduras necesarias para transferir la capacidad adicional del nuevo acero, y se espera que el 50 por ciento de la carga pase a través de los pernos y el 50 por ciento a través de las nuevas soldaduras. ¿Será esto aceptable?

Primero suponga que actualmente no se aplica ninguna carga muerta a la conexión. En este caso, se aplica el párrafo 2.6.3 de AWS D1.1.

En esta conexión tipo cojinete, no se puede considerar que las soldaduras y los pernos compartan la carga, por lo que el tamaño de soldadura especificado debe ser lo suficientemente grande para soportar toda la carga viva y muerta. La capacidad de los pernos no se puede considerar en este ejemplo, porque sin la carga muerta, la conexión estaría en un estado relajado. Cuando se aplica la carga completa, las soldaduras (diseñadas para transferir la mitad de la carga) inicialmente se romperían. Entonces los pernos, también diseñados para transferir la mitad de la carga, intentarían transferir la carga y se romperían.

Luego supongamos que se aplica una carga muerta. Supongamos además que la conexión existente es adecuada para transferir la carga muerta existente. En este caso, se aplica D1.1, párrafo 8.3.7. Se requiere que las nuevas soldaduras soporten sólo la carga muerta aumentada y la carga viva total. La carga muerta existente se puede asignar a los sujetadores mecánicos existentes.

Con la carga muerta la conexión no se relaja. En cambio, los tornillos ya están soportando su carga. Ya se ha producido cualquier error en la conexión. Por lo tanto, se pueden aplicar soldaduras que pueden transferir la carga viva.

Respondiendo a la pregunta "¿Es esto aceptable?" Depende de las condiciones de carga. En el primer caso en el que no se asumió ninguna carga muerta, la respuesta es no. Bajo las condiciones específicas del segundo escenario, la respuesta es sí.

No se puede concluir que la respuesta siempre será sí sólo porque se aplica una carga muerta. El nivel de carga muerta, la idoneidad de la conexión mecánica existente y la naturaleza de la carga final (ya sea estática o cíclica) podrían cambiar la respuesta.

Duane K. Miller, Sc.D., PE, es el gerente del Centro de Tecnología de Soldadura en The Lincoln Electric Company, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, sitio web www.lincolnelectric.com. The Lincoln Electric Company fabrica equipos de soldadura y consumibles de soldadura en todo el mundo. Los ingenieros y técnicos del Weld Technology Center ayudan a los clientes con preguntas sobre aplicaciones de soldadura.

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