Mezcla de soldaduras y pernos

En una variedad de situaciones estructurales, un ingeniero puede necesitar evaluar la resistencia de una conexión hecha con soldaduras y sujetadores mecánicos. Hoy en día, los sujetadores mecánicos suelen ser pernos, pero las estructuras más antiguas pueden incluir remaches.

Tales situaciones pueden ocurrir durante proyectos de reacondicionamiento, reparación o fortalecimiento. Para construcciones nuevas, es posible que se requiera 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 la 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. Tal suposición puede conducir a consecuencias desastrosas.

Las uniones atornilladas se describen en la Especificación para uniones estructurales con pernos ASTM A325 o A490 del American Institute of Steel Construction (AISC) como apretados, pretensados ​​o de deslizamiento crítico.

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

Según la Sección 8.2, son aceptables cuatro métodos para hacer estas uniones:

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

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

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

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

En términos sencillos, los pernos actúan como pasadores en juntas ajustadas y pretensadas, similares 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 encuadernación que mantiene unida una pila de papeles, no porque los agujeros estén perforados en el papel, sino porque el clip de encuadernación 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), según el diámetro del perno, mientras que los pernos A490 deben tener una resistencia a la tracción de entre 150 y 170 KSI. Las uniones remachadas se comportan más como uniones apretadas, pero los pasadores en este caso son los remaches, que normalmente tienen la mitad de la fuerza de los pernos A325.

Cuando una junta fijada mecánicamente se somete a una carga cortante (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 el remache se rompan 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 deslizamiento en esta junta, pero existe la posibilidad.

Las uniones ajustadas pueden ser aceptables para muchas aplicaciones, ya que es posible que un deslizamiento menor no afecte negativamente el rendimiento de la conexión. Por ejemplo, considere una tolva que está diseñada para contener algún material granular. La primera vez que se carga, puede ocurrir un deslizamiento menor. Una vez que se ha producido el deslizamiento, no se repetirá porque todas las cargas posteriores serían de la misma naturaleza.

Algunas aplicaciones implican la inversión de la carga, como cuando los elementos giratorios experimentan cargas alternas de tracción y compresión. La flexión de miembros que están sujetos a una inversión de carga completa es otro ejemplo. Cuando ocurre una inversión significativa de la carga, es posible que se requieran juntas pretensadas para eliminar el deslizamiento cíclico. Tal deslizamiento finalmente conduce a agujeros alargados e incluso a un mayor deslizamiento.

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 se deslice, de ahí el requisito de juntas de deslizamiento crítico.

Una conexión atornillada existente puede haber sido diseñada y construida 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 a presión que pueden deslizarse a medida que se cargan, no se espera que las soldaduras se estiren y distribuyan la carga aplicada en gran medida. En la mayoría de los casos, las soldaduras y los sujetadores mecánicos tipo rodamiento no se deformarán por igual.

Cuando se usan 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 cuando se combinan soldaduras, pernos y remaches. Disposiciones del Código. El problema 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, deben proporcionarse 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 de cojinete y se agrega una soldadura, la capacidad del perno esencialmente se ignora. La soldadura debe estar diseñada para transferir toda la carga, de acuerdo con 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 mayor que la capacidad de la soldadura.

Los tres estándares están de acuerdo en este tema: las capacidades de los sujetadores mecánicos tipo rodamiento 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 discutir 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 estarán sobreesforzados 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 carga cíclica (fatiga), entonces se debe agregar suficiente metal base y soldadura para soportar la carga total.

Es aceptable compartir las cargas entre los sujetadores mecánicos y las soldaduras si la estructura está precargada; en otras palabras, si ya ha ocurrido deslizamiento entre los miembros conectados. Pero solo la carga muerta se puede asignar al sujetador mecánico. Las cargas vivas, que pueden causar más deslizamiento, deben resistirse mediante la aplicación de soldaduras capaces de soportar toda la carga.

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

Una ilustración. Considere una junta traslapada originalmente conectada con pernos ajustados (verFigura 2 ). Se está agregando capacidad adicional a la estructura y se debe 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 va a unir al antiguo 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 por los pernos y el 50 por ciento por las nuevas soldaduras. ¿Será esto aceptable?

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

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 la carga muerta y viva completa. 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. Luego, los pernos, también diseñados para transferir la mitad de la carga, intentarían transferir la carga y se romperían.

A continuación, suponga que se aplica una carga muerta. Suponga 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 solo 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 pernos ya llevan su carga. Cualquier desliz en la conexión ya ha ocurrido. Por lo tanto, se pueden aplicar soldaduras y 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 supuso 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 solo porque se aplica 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 de su Centro de tecnología de soldadura ayudan a los clientes con sus preguntas sobre aplicaciones de soldadura.

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