Uniones Atornilladas y Soldadas en Estructuras Metálicas

Uniones Atornilladas

Las uniones atornilladas se ejecutan taladrando las chapas, superponiéndolas para que coincidan los taladros y pasando a través de ellos tornillos que se fijan con arandela y tuerca. Dos procedimientos:

Bases de Soporte

El problema es transmitir las solicitaciones que actúan sobre el perfil metálico a la cimentación de hormigón, con un coeficiente de trabajo diferente. Esto se suele resolver mediante una chapa de reparto que aumenta la superficie de apoyo sobre el hormigón y disminuye las presiones sobre el mismo. Entre esta chapa y el hormigón debe haber elementos de anclaje capaces de transmitir los distintos tipos de esfuerzo en la base de soporte.

Proceso Constructivo

1. Excavación
2. Armaduras
3. Relleno de hormigón hasta alcanzar la zona de anclajes
4. Colocación de anclajes y estribos sobre el hormigón
5. Hormigonado hasta 5 cm bajo la placa de anclaje
6. Tuercas en el extremo de cada barra
7. Fijación de la placa
8. Relleno de la holgura entre placa y cimiento
9. Unión por soldadura al soporte

Tipos de Esfuerzos

• Tracción: Las placas de apoyo para bases no sirven cuando hay tracción, así que se soluciona mediante dos maneras:
  1. Redondos de acero corrugado sin rigidez a flexión, inclinados generando un axil de reacción que equilibra la fuerza exterior.
  2. Uso de perfil L o U soldado al soporte con rigidez a flexión.
• Compresión: La placa actúa como superficie de reparto y su área debe ser suficiente para que el axil origine una presión inferior a la admisible sobre el hormigón. Si tiene poca rigidez, los esfuerzos la deformarán por flexión. Se deben añadir rigidizadores o redimensionarla.
• Cortante: Produce deslizamiento entre las superficies de contacto de acero y hormigón, que debe ser absorbido por tacos de conexión o rozamiento, y barras longitudinales que trabajan a cortante.
• Flexión: Produce compresiones en una parte de la placa y tracción en otra. Las compresiones se transmiten directamente por contacto entre el acero y el hormigón, y las tracciones provocarían despegue, por lo que se usan anclajes o placas que hagan tope.

Influencia de la Estructura

En el caso de pórticos de varias plantas con barras ortogonales y dos tipos de carga (vertical y horizontal), bajo cargas gravitatorias el tipo de nudo influye en la distribución de esfuerzos entre barras.

• Articulado: Momento máximo en el centro del vano, en el extremo 0. En los soportes no hay momento salvo por excentricidad de la unión y trabajan a compresión.
• Rígido: Momento en el extremo que reduce los del centro. Reciben momento de las vigas y trabajan a flexocompresión. La rigidez reduce las solicitaciones de las vigas y las traslada a los soportes. Los desplazamientos solo pueden producirse por falta de simetría y son pequeños, por lo que no limitan el campo de aplicación.

Las cargas horizontales influyen sobre el comportamiento global de la estructura y condicionan la validez de las soluciones.

• Articulado: Debe haber continuidad en el soporte para que no haya mecanismo. Los pilares son ménsulas empotradas en la cimentación. Las jácenas solo reparten el esfuerzo entre los soportes. Inconvenientes: La longitud es la altura del pórtico, por lo que solo 2/3h. Para estabilidad lateral, poner triangulaciones que absorban empujes. Ventajas: Nudos sencillos de ejecutar.
• Rígido: Los momentos en el extremo del soporte inducen cortantes. Inconvenientes: El soporte y la cimentación trabajan a flexocompresión, por eso se sobredimensionan para limitar el desplazamiento. Si el esfuerzo horizontal implica un pórtico esbelto, es antieconómico.

Criterios de Diseño

La estructura se idealiza en barras y puntos, pero al diseñar los detalles consideramos el espesor para que trabaje como hemos previsto en el cálculo. Un nudo rígido genera tensiones por momento y compresión, mientras que uno articulado solo cortante. La unión de un nudo rígido debe afectar a las alas y al alma, pero en uno articulado solo al alma, las alas quedan libres. En uno rígido, hay que comprobar la rigidez de las partes unidas para evitar la deformación local. A veces es necesario rigidizar.

Condiciones de Rigidez

• La fuerza de tracción sobre la cabeza de la viga puede originar flexión en el ala del soporte si su espesor es insuficiente.
• La misma tracción transmitida por el ala puede originar fluencia en el alma del soporte (cuando el alma del soporte es insuficiente para absorber la fuerza, se rigidiza).
• La otra cabeza de la viga puede originar aplastamiento del alma del soporte.
• La zona de cortante está en el recuadro del alma del soporte limitado por las cabezas de las vigas. El refuerzo se hace con un rigidizador diagonal.

Tipos de Unión

Por Rigidez

• Articulaciones: Permiten giro sin momento, pero sí fuerzas.
• Uniones rígidas: La deformación de la estructura modifica el ángulo entre barras y origina fuerzas y momentos que evitan el giro relativo. Las deformaciones locales influyen en la distribución de esfuerzos.
• Unión semirrígida: Tipo intermedio, permite giro parcial y coacciona originando fuerzas y momentos.

Por Resistencia

• Articuladas: Si la resistencia a flexión no sobrepasa el 25% del momento plástico.
• Resistencia completa: Resistencia a flexión mínimo igual a la mayor de las barras unidas.
• Resistencia parcial: Su resistencia puede ser mejor que la de alguna barra.

Esfuerzos Locales

En las uniones, para evitar el deslizamiento entre piezas, los esfuerzos que se transmiten por tornillos originan efectos de concentración de tensiones que se consideran luego en el cálculo de forma simplificada. Por sencillez, hablamos de dos chapas a tracción unidas por una fila de tornillos alineados con el esfuerzo, que origina una distribución uniforme de tensión sobre la sección tipo de cada chapa. En el entorno de los taladros se producen distorsiones que son efectos de difícil cuantificación y se consideran indirectamente en el cálculo para así simplificarlo. Por eso aparecen diferencias entre el comportamiento real de la unión y el valor teórico, y estos errores se corrigen con coeficientes experimentales.

Defectos en Soldaduras

Los defectos que pueden producirse en una soldadura afectan a las condiciones de resistencia desde un doble aspecto:

1. Con solicitación estática, al bajar la sección del cordón se sube el valor de la tensión, así que reduce la capacidad de carga.
2. En situación de fatiga, el efecto de entalla provoca una subida de las tensiones locales que origina una disminución de la resistencia de la unión. Por ello, es importante establecer un control sobre el proceso de ejecución que permita detectar los defectos y establecer criterios de aceptación o rechazo de las uniones.

Defectos Superficiales

• Mordedura: En los bordes del cordón por quemadura del metal base por excesiva intensidad o longitud del arco.
• Picadura: Poro en la superficie por desprendimiento gaseoso en el proceso de solidificación del metal fundido.
• Desbordamiento: Falta de fusión en el metal base.
• Falta de penetración: Se produce si la fusión no alcanza a todo el espesor de la chapa y concentración de tensiones.
• Grietas: Fisuras internas que salen al exterior por mala calidad o diseño.

Defectos Internos

• Porosidad/Soplado: Inclusión de gas en el metal depositado del mismo origen que la picadura.
• Inclusiones de escoria: Originadas por óxidos metálicos que produce la reacción química entre el metal, el aire y el revestimiento.
• Pegadura: Carencia de unión entre el metal fundido y la base por falta de fusión.
• Fisuras internas: Como las grietas.