7.12.11

MEDIOS DE UNIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS

1.- Introducción
En todo tipo de construcción metálica, y más concretamente en el caso de las estructuras metálicas de edificación resulta necesario enlazar entre si perfiles simples para formar barras compuestas, como también es necesario fijar las barras, ya sean simples o compuestas, en su posición definitiva dentro del conjunto de la construcción.
Denominamos uniones, o costuras de fuerza, a las que tienen por misión fundamental la transmisión de cargas de un perfil a otro, o de una barra a otra, y uniones o costuras de simple acoplamiento a aquellas cuya misión principal es la de mantener unidos entre si los perfiles que forman una barra compuesta.
Los empalmes empleados en las uniones de barras o perfiles en prolongación se consideran, a todos los efectos, como uniones de fuerza.
Cualquier unión es siempre un punto delicado en una estructura metálica y por ello es necesario preverlas todas en el proyecto, no autorizando durante su ejecución más empalmes y uniones que recomendación es fundamental para los empalmes, ya que las uniones entre barras, dan lugar a los nudos y estos siempre deben tener una situación clara y perfectamente definida.
Debido a que hemos definido las uniones como puntos críticos de una estructura, su número debe reducirse al mínimo necesario, así como tratar de ejecutarlas con toda clase de garantías. La garantía de calidad es mayor al realizar las uniones en taller, frente a la obra, por lo que se procurará reducir al mínimo las que hayan de efectuarse en el tajo, siendo para esto muy importante una buena coordinación entre el proyectista y el constructor de la estructura. El peligro de defectos es mayor, para las uniones de obra, cuando se utiliza la soldadura como medio de unión, frente a otros sistemas, por lo que resulta muy recomendable hacer las uniones de montaje mediante atornillado, ya que así se asegura una mayor calidad, sin que sea necesario depender de una mano de obra muy cualificada.
Para calcular los elementos de unión se determinarán las solicitaciones que sobre ellos actúan y se acomodaran a las mismas hipótesis consideradas en el cálculo del conjunto de la estructura o de sus elementos. En cada unión se estudiará la forma de realizarla con el menor número de elementos, de forma que la transmisión de esfuerzos se verifique correctamente y se reduzcan al mínimo los esfuerzos secundarios. En cuanto al coeficiente de seguridad que se aplique a la unión, este deberá ser el mismo que se ha adoptado para el cálculo de la estructura, o bien para las barras a que sirva de enlace. Únicamente en uniones de montaje, que deban realizarse en condiciones difíciles, deberá aumentarse prudencialmente el coeficiente de seguridad, para así prever posibles defectos en su ejecución.
Cuando las barras estén comprimidas puede permitirse que la transmisión de esfuerzos se realice por contacto directo, siempre que las superficies que hayan de estar en contacto estén debidamente mecanizadas para así asegurarlo y evitar concentraciones de tensiones que aparecerían de otra forma.
Cuando se dispongan empalmes de barras, que en general deben evitarse, salvo que sean ecesarios y estén previstos en el proyecto, los elementos y medios de unión que hayan de constituir dicho empalme se tienen que dimensionar para que resistan el esfuerzo que ha de transmitirse a través de la unión, o bien para que puedan transmitir el esfuerzo máximo que la sección de la pieza empalmada puede aceptar en tal punto. En general, en los empalmes, cuando los cubrejuntas o elementos análogos posean, como mínimo, los mismos valores estáticos que la barra empalmada, no se hace necesaria la comprobación del empalme en cuanto a tales - elementos se refiere, aunque sí es necesario comprobar los medios de unión en sí.
2.- Evolución histórica
Los medios de unión han marcado, de manera importante, el avance que ha experimentado la construcción de estructuras metálicas desde que se empezó a utilizar el acero laminado en 1856 hasta nuestros días.
El primer medio de enlace que aparece es el roblón, elemento que trabaja a cortadura y aplastamiento. En la actualidad es muy raro, por no decir que imposible, encontrar esta técnica de unión en construcción de estructuras. Ha quedado apartada a causa de los inconvenientes que presenta; mala distribución tensional en la junta, mal aprovechamiento de los materiales en piezas traccionadas, poca seguridad de rigidez en las uniones, ya que los roblones pueden quedar "sueltos" e imposibilidad de realizar un cálculo exacto, así como medios de construcción costosos.
Tras los roblones se desarrollaron las uniones mediante los tornillos, en sus modalidades de tornillos ordinarios y calibrados. Su finalidad fundamental era obtener uniones desmontables. Sus inconvenientes son análogos a los de las uniones roblonadas y, por tanto, su empleo no es muy extenso en edificación, donde se buscan uniones estructurales permanentes.
En 1910 irrumpe en el mundo de la construcción metálica una nueva técnica de enlace: La soldadura. Conocida desde antes, no hace su entrada hasta ese año porque entonces se desarrollan los electrodos revestidos que depositan un metal de altas características mecánicas.
Esta técnica de enlace va, poco a poco, sustituyendo al remachado hasta hacerlo desaparecer casi por completo. Las ventajas que presenta son claras, y de entre ellas las más importantes, son la de poder utilizar todo el material para piezas traccionadas; posibilidad de uniones a tope con una mejor distribución tensional en la misma y, como consecuencia de todo esto, proyecto de estructuras más ligeras; posibilidad fácil de formación de sólidos de igual resistencia; posibilidad de formación de uniones rígidas y estructuras homogéneas y continuas, etc. También tiene inconvenientes, principalmente los peligros de introducción de tensiones internas (producto del ciclo térmico del soldeo), y de rotura frágil y por fatiga, ésta última se produce en piezas solicitadas por cargas dinámicas.
Los tornillos hacen de nuevo su aparición en el campo de las construcciones metálicas en su modalidad de tornillos de alta resistencia, pretensados. Dado el concepto de su utilización, puede considerarse como una técnica de enlace relativamente nueva. Una junta de este tipo hace trabajar al tornillo a tracción y a la junta en sí por rozamiento, a causa de la gran presión de contacto que engendra la apretadura del tornillo. Se producen uniones aptas para resistir toda clase de solicitaciones, incluso momentos, y por tanto pueden utilizarse para la formación de nudos rígidos. Todos los tornillos que forman la junta trabajan simultáneamente, ya que, como se ha dicho, las solicitaciones quedan resistidas por el rozamiento entre las chapas. Por esta razón pueden emplearse en uniones mixtas, en combinación con soldadura y en caso de reparación y refuerzo de estructuras ya existentes.
En la actual construcción metálica los tornillos de alta resistencia constituyen el medio más extendido de unión en obra, junto con la soldadura. Su técnica está bastante estudiada y sigue en experimentación continua, pero como ya se ha dicho, es una técnica de enlace solo "relativamente" nueva.
Existe otra técnica de unión de estructuras metálicas, que solamente se ha empleado en plan experimental, que es la unión por encoladura de piezas metálicas mediante el empleo de adhesivos. Las características de las uniones así logradas auguran un gran éxito a esta técnica.
Se utilizó por primera vez en gran escala en las estructuras de construcciones aeronáuticas en aleaciones ligeras. Desde ahí se ha pasado a utilizar en uniones entre piezas de acero. La ventaja que presenta, respecto a la soldadura, es que no produce modificaciones estructurales en el metal de base; con respecto al remachado, su ventaja es la de aprovechar la sección completa de las piezas. Como ventaja presenta también una buena uniformidad en la distribución de tensiones a lo largo de la junta. Entre los inconvenientes, quizás el principal sea el de su falta de resistencia a temperaturas superiores a 250 ºC.
2.1.- Roblonado
Un remache consiste en una espiga de diámetro ø, provista de una cabeza de asiento, que está destinada a introducirse a través de las piezas a enlazar, previamente perforadas, de forma que - una vez introducido se le forme una segunda cabeza que efectúe el cierre de la unión. Cuando se ha formado esta segunda cabeza el remache se ha transformado en un roblón. La segunda cabeza, o cabeza de cierre, se forma mediante estampación en caliente del extremo libre de la espiga. Esta estampación puede hacerse a mano o mecánicamente, utilizando prensas hidráulicas o herramientas de aire comprimido.
Los roblones que se utilizaban normalmente en la construcción de estructuras metálicas son los de cabeza semiesférica. Los agujeros para el roblonado deben ser de 1 mm mayor que el diámetro nominal del remache. Esto es una regla general para el dimensionado de los agujeros.
Los agujeros en las piezas deberán hacerse siempre mediante taladrado y no por punzonado, debido a la acritud que esta operación introduce y que puede dar lugar a roturas. Únicamente es admisible el punzonado en chapas finas, de hasta 10 mm de espesor. El taladro inicial debe inicial de las piezas y terminar el agujero hasta que se alcance su diámetro definitivo por escariado. El tener agujeros más grandes de lo estrictamente necesario representa un gran peligro, ya que la espiga del remache no lo llenará por completo y no serán reales las hipótesis de cálculo.
La longitud de la espiga deberá elegirse de forma que al ser colocado, en el proceso de formación de la cabeza, se rellene completamente el agujero al producirse la recalcadura o forja de la espiga y además se obtenga la cabeza de las dimensiones adecuadas.
Ejecución: En el proceso de roblonado, en primer lugar se calientan los remaches en un hornillo de hasta que se alcanza una temperatura correspondiente al rojo cereza claro. Antes de introducir el remache en el agujero se le libera de la cascarilla que se haya podido formar sobre su superficie. Durante el roblonado propiamente dicho, se mantiene la cabeza de asiento sujeta mediante la sufridera, mientras que el doile o estampa, accionado casi siempre por aire comprimido, recalca primero la espiga para que así rellene todo el agujero, y después forja la cabeza de cierre. Todo el proceso ha de realizarse muy rápidamente, ya que al terminar la operación, la temperatura debe conservarse en la correspondiente al rojo sombra.
Forma de trabajo: Los roblones constituyen medios de unión puntuales que están solicitados por cortadura o esfuerzo cortante y por aplastamiento, o sea, por la compresión de la espiga contra las paredes de los agujeros.
2.2.- Atornillado
Para formar uniones desmontables, así como para lograr una mayor velocidad de ejecución de las uniones, se utilizan los tornillos.
Se distinguen tres clases de tornillos: Los ordinarios o tornillos negros; los calibrados o ajustados y los de alta resistencia, que tienen su estudio separado, ya que producen una unión diferente a los dos primeros.
La forma de trabajar de los tornillos es análoga a la de los roblones, de ahí que el cálculo de las costuras atornilladas, así como su morfología, sean las mismas y se puedan estudiar de manera conjunta.
Tornillos calibrados; se exige para los diámetros del agujero y de la espiga un ajuste H 11/ h 11.
Para estructuras, y para tornillos de diámetros entre 20 y 30 mm, se admite una holgura de 0,3 mm entre espiga y agujero.
Tornillos ordinarios; los tornillos que no cumplen las condiciones indicadas anteriormente para los tornillos calibrados se designan como tornillos negros u ordinarios.
Arandelas; es obligatorio su uso, para evitar que la rosca o su terminal penetren en el agujero y se produzcan tensiones adicionales a las calculadas por aplastamiento.
Cuando la construcción esté solicitada por esfuerzos dinámicos, se emplearán arandelas de seguridad.
Agujeros; estos tendrán un diámetro de agujero 1 mm mayor que el nominal del tornillo, o sea, que el de su espiga, redondeando el valor en milímetros.
2.3.- Tornillos de alta resistencia
En estas uniones, de concepción diferente a las atornilladas con tornillos normales ordinarios, negros o calibrados, las costuras se realizan mediante tornillos denominados de alta resistencia o AR, apretados fuertemente con el fin de engendrar una gran reacción de rozamiento entre las superficies en contacto y aprovechar esta reacción de rozamiento para la transmisión de los esfuerzos de los perfiles unidos.
Una característica importante de los tornillos de alta resistencia es que se introducen con una pequeña holgura en las piezas a unir, para luego tensarlos mediante apretadura de la tuerca o cabeza, para así producir una presión importante entre las superficies en contacto, que es lo que da lugar a la gran reacción de rozamiento de que hablába en el párrafo anterior. El esfuerzo, orientado perpendicularmente al vástago o espiga del tornillo, se transmite entre los elementos por el rozamiento estático de las superficies, mientras que el vástago del tornillo queda solicitado por tracción axil y por torsión, como consecuencia del momento de apretadura que se aplica.
Si se incrementa el esfuerzo que solicita a la unión es muy probable que se pueda llegar a sobrepasar la resistencia de rozamiento. Si esto sucede, el movimiento que se inicia hace que los vástagos de los tornillos entren en contacto con los bordes de los agujeros y entonces la transmisión del esfuerzo se lleva a cabo, además de por rozamiento, por cortadura, aunque este esfuerzo sea, en general, de tan poca magnitud que, no se llega a producir la rotura por cortante debido a la gran resistencia del material del tornillo.
Caso de que la carga siga aumentando y se llegue a sobrepasar el valor del limite elástico de los elementos unidos, puede desaparecer parcialmente el pretensado de los tornillos como consecuencia de la estricción, aunque este fenómeno se puede considerar igualmente despreciable.
Los tornillos AR difieren de los tornillos ordinarios solo en que el redondeo de acuerdo entre vástago y arandela será como mínimo de r = 1 mm para ø 14 mm; r = 1,5 mm para ø 16 a ø 20; r = 2 mm para ø 22. Además, la tolerancia será basta para la cabeza y vástago y media para la - rosca.
Este medio de unión se empleará siempre con arandelas bajo la cabeza y bajo la tuerca y serán de espesores acordes a los tornillos empleados.
2.4.- Soldadura
Soldar es unir dos piezas de igual o distinta naturaleza mediante una perfecta unión entre ellas, casi siempre con la aportación de calor, con o sin aplicación de presión, y con o sin empleo de material de aportación, pudiendo tener este la misma o distinta composición que los metales a unir.
El procedimiento de soldadura más antiguo entre los conocidos es el de soldadura por forja, que consiste en calentar las piezas a unir hasta su punto de fusión, para luego unirlas entre sí por presión.
Actualmente la soldadura se realiza de diversas maneras; aprovechando el calor generado por la combustión de un gas, generalmente acetileno, en una atmósfera de oxígeno; por el generado por el paso de una corriente eléctrica aprovechando el efecto Joule o el producido por el calor desarrollado en un arco eléctrico. En la actualidad estos son los procedimientos empleados industrialmente, aunque incluyen diversas variantes que en nada afectan su naturaleza esencial.
Mediante el empleo de estos tres sistemas básicos se pueden soldar toda clase de metales y aleaciones, con muy pocas excepciones.
De estos sistemas nace una gran diversidad de procedimientos. Los de mayor interés industrial son los derivados del sistema de soldeo por arco, aunque también tienen gran importancia los de soldeo por resistencia, procedimiento que también comentaremos.
En cuanto a la soldadura eléctrica por arco, que es el sistema de mayor importancia industrial entre todos los que existen, puede decirse que comenzó al descubrirse el arco eléctrico, por Sir Humphrey Davy, en la primera parte del siglo XIX. En 1801 Sir Humphrey Davy vió que al acercar arco de una luz cegadora y que además producía una gran cantidad de calor. El tamaño e intensidad de dicho arco dependía del tiempo y naturaleza de los terminales empleados.
El arco eléctrico permaneció como una curiosidad científica hasta que en 1881 se descubrió la lámpara de arco voltaico, y cinco años después, en 1886, se instaló el primer horno por arco con fines metalúrgicos en Milton Stafordshire (EE.UU.) para poder obtener aluminio a partir de la alúmina que.
Realmente la unión de metales por el procedimiento del arco eléctrico data del año 1881, en que un inventor norteamericano, que se llamaba De Meritens, empleaba el calor general en un arco de carbón para unir unas piezas. A partir de entonces aparecen los procedimientos de Zerener, Bernardos y Slavianoff.
De todos éstos puede decirse que el precursor del método empleado en la actualidad es el de Slavianoff, en el que se emplea un electrodo metálico por primera vez, en lugar de los electrodos de carbón.
Poco a poco, el procedimiento de unión por soldadura fue avanzando y en 1902 un taller de Locomotoras de Pensilvania (EE.UU.) aplicó el procedimiento de electrodo de carbón en gran escala a sus talleres de reparación. En 1906 la firma "Lloyd & Lloyd", de Birmingham (Inglaterra), estableció un taller de soldadura con todos los adelantos conocidos entonces y en 1910, en Suecia, Oscar Kjellber, inventó el electrodo revestido. Antes de esto, los electrodos empleados eran de acero extrasuave, conocido como "acero sueco" que producía soldaduras frágiles y débiles.
El arco sobrecalentaba y quemaba el metal de soldadura y este se hacía frágil al reaccionar con el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno del aire. La manera de evitar esto era producir "algo" que recubriera al electrodo de tal forma que el aire no pudiera ponerse en contacto con el metal aportado en la soldadura. Este recubrimiento, además de impedir el acceso del aire al arco "protegiéndolo", sirve para ayudar a saltar el arco entre la pieza y el electrodo.
Con la primera guerra mundial la soldadura tuvo un gran auge, y ya en el año 1920 se fabricó el primer barco completamente soldado. La técnica del soldeo continuó su rápida evolución y ya en la segunda gran guerra se puede decir que la casi totalidad construcción metálica se resuelve mediante uniones soldadas, sin empleo de remaches, con un considerable ahorro de material, y, por consiguiente, de dinero.
Existe otro tipo de soldadura, la soldadura por fusión. Son aquéllas en que la unión se efectúa mediante la fusión de un determinado metal que se aporta para constituir el enlace o unión entre las piezas. Ese enlace se denomina cordón de soldadura, o simplemente, soldadura. En la figura adjunta se muestran, esquemáticamente, unos cordones de soldadura realizados, el primero a tope entre dos chapas con sus bordes preparados, y el segundo, entre chapas para formar una unión en ángulo.

En cualquier unión soldada aparecen, al hacer un examen radiográfico, dos partes totalmente definidas y otra que hace de unión entre ellas. Las dos primeras las constituyen la zona del metal fundido y la del metal de base, y la intermedia es la llamada zona de transición.
La zona del metal fundido está constituida por el metal aportado y el propio metal de base que se ha solidificado partiendo del estado liquido y ha sufrido una serie de transformaciones, tanto de orden químico y físico como estructural.
La zona de transición se compone por una mezcla del metal de base y metal de aportación en la cual se han desarrollado también procesos térmicos que han conducido a transformaciones estructurales que extienden esta zona incluso dentro del llamado metal de base. Las transformaciones que en esta zona se operan son de gran importancia para la consecución de un buen resultado en la soldadura, y son las que en gran parte determinan la aparición de fisuras y de otro tipo de defectos.
La zona del metal de base sufre solo variaciones de temperatura entre las cuales la mayoría de los metales o aleaciones no presentan cambios físico-químicos o estructurales.
PICAZO IRANZO, Álvaro