¿Alguna vez se ha preguntado por qué algunas estructuras de acero resisten el paso del tiempo y otras flaquean? Este artículo explora el mundo de las conexiones atornilladas y soldadas en las estructuras de acero, destacando sus ventajas y desventajas únicas. Al final, comprenderá cómo influyen estas conexiones en la durabilidad y rentabilidad de las construcciones de acero.
Las uniones atornilladas y soldadas representan los dos métodos de ensamblaje predominantes en las estructuras de acero y los sistemas mecánicos modernos. Este artículo ofrece una comparación exhaustiva de estas técnicas de conexión, analizando sus respectivas ventajas, limitaciones y aplicaciones óptimas en el contexto de la fabricación y construcción de acero.
La integridad y el rendimiento de las estructuras de acero dependen fundamentalmente de la eficacia de la unión de componentes discretos, como placas y perfiles, en un todo cohesionado. La selección y ejecución de los métodos de conexión en estos puntos críticos repercute de forma significativa no sólo en la calidad estructural, sino también en la rentabilidad general y la constructibilidad del proyecto. Por consiguiente, el diseño de las conexiones desempeña un papel fundamental a la hora de determinar el éxito de las estructuras de acero en diversos sectores.
Históricamente, las estructuras de acero empleaban diversas técnicas de unión, como chavetas, pernos, remaches y soldaduras. Sin embargo, la evolución de la ciencia de los materiales, las prácticas de ingeniería y las metodologías de construcción han llevado a la obsolescencia de ciertos métodos. En particular, las uniones con chavetas y remaches se han ido eliminando progresivamente en la construcción metálica contemporánea debido a sus limitaciones en cuanto a resistencia, eficacia y adaptabilidad. Por ello, este análisis se centrará exclusivamente en los dos tipos de conexiones dominantes en la fabricación moderna de acero: las uniones atornilladas y soldadas.
Mediante el examen detallado de estos métodos de conexión, este documento pretende ofrecer a ingenieros, fabricantes y jefes de proyecto información valiosa para la toma de decisiones en el diseño y montaje de estructuras de acero. La comparación abarcará factores como el rendimiento estructural, la facilidad de instalación, el control de calidad, las consideraciones de coste y la idoneidad para diferentes condiciones ambientales y de carga.
Las uniones soldadas se forman mediante la fusión de una varilla de soldadura y los componentes a unir, utilizando el calor generado por un arco eléctrico. Al enfriarse y solidificarse, el material fundido forma un cordón de soldadura que integra las piezas separadas en una estructura unificada.
En la construcción moderna de acero, las uniones soldadas son el método de unión predominante. La soldadura por arco manual y la soldadura por arco sumergido automatizada (o semiautomatizada) son las técnicas más empleadas en la industria.
Ventajas
Las estructuras soldadas ofrecen varias ventajas frente a las uniones atornilladas:
(1) Eliminación del debilitamiento de la sección transversal: Las uniones soldadas no requieren perforaciones, lo que preserva la integridad estructural de los componentes. La ausencia de elementos de unión adicionales simplifica la construcción, lo que se traduce en un ahorro de mano de obra y material. Esta rentabilidad es una de las ventajas más significativas de las uniones soldadas.
(2) Propiedades estructurales mejoradas: Las estructuras soldadas proporcionan un sellado superior, una gran rigidez y una excelente integridad general. Las geometrías complejas, como las uniones en Y y en T entre tubos de acero, se consiguen más fácilmente mediante soldadura que con uniones atornilladas o métodos de unión alternativos.
Desventajas
A pesar de sus ventajas, las uniones soldadas presentan ciertos retos:
(1) Efectos térmicos: Las altas temperaturas del proceso de soldadura pueden alterar las propiedades del material en la zona afectada por el calor (ZAT).
(2) Problemas de calidad de la soldadura: Los cordones de soldadura pueden contener diversos defectos, y el metal base adyacente a la soldadura puede experimentar fragilización localizada. Estos problemas pueden provocar concentraciones de tensiones y la posible propagación de grietas dentro de la estructura.
(3) Implicaciones de la rigidez estructural: La elevada rigidez de las estructuras soldadas puede facilitar la propagación de grietas por todo el conjunto. Esta característica, combinada con la posible fragilidad a bajas temperaturas, requiere una cuidadosa consideración en el diseño y la selección de materiales.
(4) Tensiones residuales: El enfriamiento y la contracción desiguales durante el proceso de soldadura pueden inducir tensiones residuales dentro de la estructura. Estas tensiones internas pueden provocar una deformación prematura localizada bajo carga y reducir la tensión crítica de pandeo en los elementos de compresión.
(5) Distorsión geométrica: La dilatación y contracción térmica diferencial durante la soldadura puede dar lugar a deformaciones residuales, como el alabeo en chapas de acero planas.
Para mitigar estos retos, es crucial aplicar medidas preventivas durante las fases de diseño, fabricación e instalación. El cumplimiento de la norma nacional "Quality Acceptance Specification for Steel Structure Engineering" es esencial para la inspección y aceptación de los cordones de soldadura.
Garantizar unas conexiones soldadas de alta calidad requiere un enfoque global, que incluya:
Si se tienen en cuenta estos factores, se puede reducir considerablemente el riesgo de que se produzcan fallos por fragilidad en las soldaduras, lo que se traduce en estructuras de acero soldadas más seguras y fiables.
Las uniones atornilladas unen componentes mediante el uso de pernos, un tipo de sujetador. Existen dos tipos de uniones atornilladas: las uniones atornilladas estándar y las uniones atornilladas de alta resistencia.
Los pernos utilizados en las uniones estructurales de acero se clasifican en dos categorías principales: pernos estándar y pernos de alta resistencia. Los pernos estándar suelen tener cabeza hexagonal y se clasifican en A, B y C, cada uno con características y aplicaciones distintas.
Los pernos de grado C suelen fabricarse con acero Q235, utilizando acero redondo laminado en caliente. Estos pernos gruesos tienen unos requisitos relativamente poco estrictos en cuanto a la fabricación de los orificios, por lo que son muy utilizados en uniones atornilladas estándar en las que la precisión es menos importante.
Por el contrario, los pernos estándar de grado A y B están diseñados con precisión y exigen tolerancias de fabricación más estrictas tanto para el perno como para el orificio correspondiente. A pesar de su mayor calidad, los pernos estándar suelen instalarse con llaves manuales sin requisitos específicos de pretensión.
Los pernos de alta resistencia en estructuras de acero tienen un significado especializado. Su instalación requiere llaves diseñadas específicamente para garantizar una tensión previa prescrita en el perno, lo que se traduce en una presión previa especificada en la superficie de contacto de las placas conectadas. Esta pretensión es crucial para la integridad estructural y la capacidad de carga de la conexión.
Para alcanzar los valores de pretensión requeridos, los pernos de alta resistencia se fabrican con aceros de alta resistencia. Es importante señalar que, aunque los pernos estándar de grado A y B también pueden fabricarse con acero de alta resistencia, siguen clasificándose como pernos estándar debido a su método de instalación y a la ausencia de requisitos de pretensión.
Los pernos de alta resistencia se clasifican en grados de rendimiento, siendo 8.8 y 10.9 los más comunes en aplicaciones estructurales. Estos pernos suelen fabricarse con acero de carbono medio o acero aleado, sometidos a procesos de tratamiento térmico (temple y revenido) para mejorar sus propiedades mecánicas.
Los tornillos de alta resistencia de calidad 8.8 presentan una resistencia mínima a la tracción (fub) de 800 N/mm², con un límite elástico de 0,8. Los tornillos de calidad superior 10.9 ofrecen una resistencia aún mayor, con una resistencia mínima a la tracción de 1000 N/mm² y un límite elástico de 0,9. Los tornillos de grado 10.9 ofrecen una resistencia aún mayor, con una resistencia mínima a la tracción de 1000 N/mm² y un coeficiente de límite elástico de 0,9. Estas propiedades mecánicas superiores hacen que los pernos de alta resistencia sean ideales para conexiones estructurales críticas en las que son esenciales una alta capacidad de carga y resistencia a la fatiga.
Al seleccionar los tipos de tornillos para estructuras de acero, los ingenieros deben tener en cuenta factores como los requisitos de carga, el tipo de conexión, el método de instalación y las condiciones ambientales para garantizar un rendimiento óptimo y la seguridad del conjunto estructural.
Las uniones atornilladas son las preferidas en las estructuras de acero por su eficacia, sencillez y menores requisitos de destreza en comparación con la soldadura. En frecuencia de uso, sólo son superadas por las uniones soldadas. Las uniones atornilladas se clasifican en uniones atornilladas estándar y uniones atornilladas de alta resistencia, cada una de las cuales se clasifica a su vez en función de las condiciones de esfuerzo: uniones resistentes al cizallamiento, resistentes a la tracción y uniones combinadas resistentes al cizallamiento y a la tracción.
Las uniones atornilladas estándar suelen emplear tornillos de rosca gruesa (Grado C). Su resistencia al cizallamiento viene determinada por la resistencia al cizallamiento del eje del tornillo y la resistencia a la compresión de la pared del orificio, mientras que la resistencia a la tracción depende de la capacidad de tracción axial del tornillo. Estas uniones se utilizan principalmente en componentes secundarios no sometidos directamente a cargas dinámicas, como soportes, bandas de rozamiento, vigas murales, pequeñas cerchas y estructuras desmontables. Para las uniones in situ en las que los pernos están sometidos a tracción, se suelen utilizar pernos de rosca gruesa debido a su mayor resistencia a la tracción.
Los pernos de rosca fina (grados A y B) se utilizan en conexiones convencionales que requieren una alta resistencia al cizallamiento. Sin embargo, debido a su compleja fabricación, sus estrictos requisitos de instalación (holgura mínima entre el perno y el orificio) y su mayor coste, a menudo se sustituyen por uniones por fricción de pernos de alta resistencia.
Las uniones atornilladas de alta resistencia comparten requisitos de material, precarga e instalación con las uniones por fricción. La principal diferencia radica en su mecanismo de capacidad portante final. Tras superar la fricción, las placas conectadas se deslizan entre sí, lo que provoca el fallo del perno por cizallamiento y compresión de la pared del orificio. El resultado es una mayor capacidad portante en comparación con las conexiones de fricción, lo que permite ahorrar material. Sin embargo, la deformación por deslizamiento posterior a la fricción limita su aplicación a estructuras que soportan cargas estáticas o sometidas indirectamente a cargas dinámicas. Los requisitos de preparación de la superficie son menos estrictos que los de las conexiones de fricción, ya que sólo es necesario eliminar el aceite y el óxido suelto.
Aunque las conexiones tipo cojinete funcionan de forma similar a los pernos estándar, la precarga en el eje del perno y el uso de acero de alta resistencia mejoran su rendimiento más allá del de las conexiones atornilladas estándar. Esto las convierte en una opción valiosa en aplicaciones estructurales específicas en las que se requiere una mayor capacidad de carga sin la complejidad de las conexiones de tipo fricción.
Ventajas de las uniones atornilladas:
Desventajas de las uniones atornilladas:
Susceptibilidad a la corrosión: La interfaz entre componentes atornillados puede atrapar humedad y residuos, acelerando potencialmente la corrosión si no se sella o protege adecuadamente.
Mayor complejidad de fabricación: Requieren una perforación precisa de las placas, que deben alinearse con exactitud durante el montaje. Esto aumenta el tiempo de fabricación, el coste y la posibilidad de errores.
Mayores requisitos de precisión: Las tolerancias estrechas son esenciales para un ajuste y una distribución de la carga adecuados, lo que exige medidas de control de calidad más estrictas durante la fabricación y el montaje.
Reducción de la sección transversal: Los orificios de los pernos debilitan la sección transversal efectiva de los componentes, lo que puede comprometer su capacidad de carga y exigir una compensación mediante un aumento del grosor del material o un refuerzo adicional.
Complejidad estructural: Las piezas conectadas suelen requerir elementos de conexión superpuestos o adicionales (por ejemplo, placas de refuerzo, ángulos de acero), lo que aumenta la complejidad general de la estructura y el consumo de material.
Consideraciones relativas al mantenimiento: Las conexiones atornilladas pueden requerir inspección periódica y reapriete debido al aflojamiento potencial bajo cargas dinámicas o ciclos térmicos, necesitando protocolos de mantenimiento continuo.
Concentración de tensiones: Los orificios de los pernos pueden crear puntos de concentración de tensiones, lo que puede provocar problemas de fatiga en estructuras sometidas a cargas cíclicas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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