República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Educación UniversitariaUniversidad Rafael UrdanetaFacultad de IngenieríaCátedra: Estructuras de Acero

Acero Estructural Tipos y Uniones

Realizado Por:Grau Rivero Fernando Javier

CI: 23749066

Maracaibo, Diciembre de 2014

1. Acero Estructural

Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas. El acero laminado en caliente, fabricado con fines estructurales, se denomina como acero estructural al carbono, con límite de fluencia de 250 mega-Pascales

2. Tipos y Presentación de perfiles

Las secciones comerciales de acero se obtienen generalmente de los lingotes de las coladas continuas, que son posteriormente tratados y conformados mediante laminadoras hasta darle la forma y dimensiones finales. Para esto los lingotes en caliente deben pasar a través de rodillos que comprimen el material, dándole la forma transversal deseada. El laminado en caliente permite mantener la ductilidad inicial del acero que se pierde cuando el tratamiento es el laminado en frío. Luego los productos comerciales son cortados según las longitudes requeridas para cada estructura en particular.

Cuando las placas delgadas, luego del laminado en caliente, se someten al proceso de laminado o doblado en frío, los productos obtenidos se pueden clasificar en: Planos, no planos, tubulares y barras

2.1 . Productos planos

Los productos planos son las láminas de diferentes espesores, que se clasifican en gruesas, medianas y finas, según sus dimensiones.

2.2 . Productos no planos

Los productos no planos son los perfiles laminares y las barras. Por lo general los perfiles se designan por la forma de sus secciones transversales, tratando de obtener grandes momentos de inercia en relación a sus áreas.

2.3 . Tubulares y barras

Se clasifican en: secciones tubulares de acero con y sin costura y tubos de

hierro centrifugado Los tubos con costura se fabrican curvando las placas en la forma deseada y soldando la unión posteriormente, bien en forma de espiral o recta.Los tubos sin costura son el resultado de un trabajo en caliente posterior y los tubos de hierro centrifugado se fabrican con esa técnica, apenas colado el metal.

3. Uniones de los perfiles de acero estructural

Las juntas rígidas, flexibles o semi-rígidas, se materializan conectando los diferentes miembros estructurales mediante diferentes tipos de unión, que se clasifican en:

Conectores mecánicos Soldaduras

3.1 . Conectores mecánicos

Los conectores mecánicos son de dos tipos: Remaches, Pasadores y Pernos o tornillos

3.1.1. Remaches

Constituyen el medio de unión mas antiguo en las construcciones metálicas, ya que se los usa mas de 150 años materializando conexiones fijas, no desmontables. Un remache consiste en un vástago o espiga cilíndrica de diámetro d, provisto, de una cabeza manufacturada, el cual es calentado al rojo cereza, a unos 980 oC (La temperatura no puede exceder los 1070oC ni descender por debajo de los 550oC) insertado en los agujeros previamente punzonados o barrenados de las piezas a conectar. Estos agujeros tienen una sobre medida de 1/16'' con respecto a d. Luego de ser colocados, los remaches son estampados en caliente en su extremo libre, con un proceso de forja que tuvo su origen en un amartillado manual y luego evoluciono al uso de pistolas remachadoras.

3.1.1.1 Tipos de Remaches

Los remaches usados en conexiones de acero estructural son generalmente del tipo de cabeza redonda o botón, pero si se desea se pueden obtener de

cabeza aplanada (cónica) o avellanada. Este ultimo tipo exige recortar la cabeza luego de instalado el remache en el agujero de modo que quede embutida en el hueco. El recorte al ras se hace con cincel luego que el remache ha enfriado, por lo cual el costo de esta conexión resulta sensiblemente superior a los otros tipos de remaches y además su resistencia se reduce en un 50% pues no tiene área suficiente de apoyo, por lo cual resulta débiles.

El acero usado generalmente para los remaches es el ASTM A502 grados 1 y 2 y los diámetros varían entre ½'' y 1 ½’’. En general en los edificios se utilizan los de ¾'' y en los puentes los de 7/8''. Los remaches se fabrican de dimensiones con incrementos de 1/8'' y se utiliza un solo tamaño en toda la construcción, evitando la confusión que se puede crear durante el montaje, al emplear5 diferentes medidas. Los tres tipos de remaches de uso estructural clasificados por la ASTM son:

Remaches A502 grado 1 : Tienen un contenido de carbono del 0.8%, lo cual lo hace mas débiles que e acero común, si bien son muy dúctiles y de gran facilidad de colocación.

Remache A502 grado 2: Son de acero al carbono con aleación de manganeso, por lo cual son mas resistentes que los de grado 1 y pueden usarse con aceros de alta resistencia. Su mayor capacidad de carga permite realizar uniones de menores dimensiones con un reducido numero de conectores.

Remaches A502 grado 3: Tienen la misma resistencia nominal que los de grado 2, pero el metal ofrece una alta capacidad anticorrosiva por la aleación del acero al carbono con cobre, que lo vuelve hasta 4 veces mas resistentes a la acción desintegrante de un medio ambiente agresivo.

3.1.2 Pasadores Los pasadores son conectores mecánicos que permiten materializar rotulas o articulaciones para unir dos o mas miembros de una estructura o apoyos simples a tierra. Los miembros conectados mediante pasadores se clasifican según dos tipos: Los que giran grandes ángulos y Los que giran pequeños ángulos.

En el primer caso se les conoce por muñones como por ejemplos los de las grúas utilizadas en el montaje de estructuras y movimientos de cargas , o las partes de maquinarias de grandes dimensiones.Usualmente esta sujetos a fatiga y gran desgaste, con impactos y vibraciones constantes, y se los debe lubricar periódicamente.

Entre los miembros conectados con pasadores que giran solo pequeños ángulos se pueden citar los de los arcos triarticulados de grandes naves de andenes o edificios industriales, las armaduras de techo y los apoyos articulados. Cuando se oxidan, crean esfuerzos secundarios por fricción en los nodos.

Los pasadores son vástagos cilíndricos que se introducen en agujeros previamente taladrados o sopleteados en las planchas o los miembros a conectar de modo de permitir la rotación relativa entre ellos. Dentro de los huecos de una conexión, los pasadores deben girar libremente, y como un solo pasador cilíndrico sustituye a un grupo de pernos o remaches, su tamaño es generalmente considerable para resistir los grandes esfuerzos y el aplastamiento contra las paredes internas de la conexión.

3.1.3 Pernos o Tornillos

Se designan pernos o tornillos los dispositivos mecánicos de conexión, con cabeza cuadrada o hexagonal formados por un vástago cilíndrico con roscado exterior en su extremo libre, que se insertan a través de agujeros pasantes en placas o piezas a unir y se ajustan con tuercas o arandelas de apriete en su extremo sobresaliente de rosca. Según sus dimensiones, los pernos se clasifican en: Normales, pesados y semi-Pesados.

En las estructuras se utilizan pernos hexagonales normalizados debido a que las cabezas hexagonales son mas fáciles de ajustar y necesitan un espacio menor para girar con las llaves de apriete. Las tuercas también pueden ser cuadradas o hexagonales. Según sus características mecánicas los pernos se clasifican en grados: Pernos A 307, Pernos A 325 y Pernos A 490.

Pernos A 307: Son conectores normales sin tornear, conocidos como pernos standard o comunes, elaborado con acero de bajo contenido de carbono, disponibles en diámetros entre ¼'' y 1 ½’’. Se usan en miembros secundarios de edificios industriales con cargas estáticas de limitada magnitud, o construcciones precarias o provisionales, de corta vida y fácil desarme. Como su apriete no es tan ajustado, se pueden producir desplazamientos entre las planchas o miembros estructurales que conectan, por lo cual se exige calcularlos al aplastamiento, y no se toma en cuenta la fuerza de tracción en el vástago, resultante del apriete de las tuercas.

Pernos A 325 y A 490: Son de alta resistencia, elaborados con aceros de medio carbono aleados, templados y revenidos. Tienen un uso especifico

estructural, con campo de aplicación en juntas o nodos de pórticos de edificios, puentes, armadura de techos y galpones. Usualmente requieren el uso de un rondana o arandela de superficie endurecida bajo el elemento que se hace girar, el cual pude ser indistintamente la cabeza o la tuerca del perno.

3.2 Soldaduras

La Soldadura es un procedimiento por el cual dos o más piezas de metal se unen por aplicación de calor, presión, o una combinación de ambos, con o sin aporte de otro metal, llamado metal de aportación, cuya temperatura de fusión es inferior a la de las piezas que han de soldarse. Soldar consiste en reunir las partes integrantes de una construcción asegurando la continuidad de la materia entre ellas, entendiendo por continuidad no sólo la de carácter geométrico sino la homogeneidad en todo tipo de propiedades.

3.2.1 Procesos de Soldaduras

Entre los diferentes procesos de soldadura se pueden enumerar los siguientes: Soladuras a presión, Soldaduras a fusión y soldaduras por calentamiento y fusión.

3.2.1.1 Soldaduras a Presión

Las soldaduras a presión se clasifican en: Soldadura de forja, soldadura de resistencia con corriente alterna y soldadura de resistencia con corriente continua.

Soldadura de forja: Consiste simplemente en calentar las piezas por encima de cierta temperatura y martillar las juntas en un yunque. Este método se utiliza solo en operaciones locales sencillas de herrería , para reparación de maquinarias agrícolas o herraje de animales.

Soldadura de resistencia con corriente alterna y continua: Es la versión moderna del antiguo proceso de forja. La energía para producir calor la proporciona la corriente alterna o continua, de alto amperaje y bajo voltaje que pasa a lo largo del área de contacto entre las partes a unir.

3.2.1.2 Soldaduras a fusión

La soldadura de fusión no emplea presión, si no que las piezas se ponen en contacto entre si, y se conectan mediante el metal fundido. Dentro de este tipo de

soldadura se puede mencionar: soldadura de arco (metálico, de carbono y en hidrógeno atómico) y soldadura de gas.

Soldadura de arco metálico: Puede realizarse mediante corriente alterna o continua. Este proceso consiste básicamente en calentar un electrodo hasta alcanzar el estado líquido y depositarlo como relleno sobre las superficies en contacto de las piezas a unir. El metal del electrodo es el metal de aporte y las piezas a unir se les conoce como metal base.

Soldadura de arco de carbono: Usan una varilla de carbono sostenida por un porta-electrodo. Sin embargo este es un procedimiento de pudelaje que no es utilizable en soldaduras sobre cabeza o verticales, si bien resulta especialmente útil como herramienta cortadora.

Soldadura de arco en hidrógeno atómico: Utilizan electrodos de tungsteno y una corriente de gas hidrógeno. El calor del arco divide las moléculas del hidrógeno en átomos, que luego forman hidrógeno molecular al combinarse fuera del arco. Este tipo de soldadura es algo mas costosa que las demás y permite soldar tanto acero como aleaciones ferrosas y no ferrosas en general.

Soldadura de gas: se usan usualmente en taller, con electrodos sin cubrir, y se ejecutan con unidades mecánicas de soldadura que controlan la velocidad del proceso y contienen una fuente de gas inerte que protege a la soldadura de la atmósfera exterior.

3.2.1.3 Soldaduras por calentamiento y fusión

Las soldaduras por calentamiento y fusión de metales blandos pueden ser: De arco sumergido y de electroescoria.

De arco Sumergido: es la que se realiza alineando los bordes de la junta y cubriéndolos con una capa de metal fusible en gránulos. Formado por productos de aleación y gases inertes. El proceso se realiza por inmersión del electrodo en los gránulos del material y cuando pasa la corriente eléctrica tiene lugar la fusión del metal base y del electrodo. El calor funde los gránulos y se forma una capa protectora. Luego, se debe barrer la escoria remanente. Este proceso da mejores resultados con soldaduras automáticas y semi automáticas.

De electroescoria: es similar al proceso de soldadura con arco sumergido. La diferencia consiste en que este caso se usa escoria electro conductiva en lugar de gránulos fusibles. Al pasar la corriente electica funde la escoria y se deposita sobre el metal base.

3.2.2 El electrodo

Los electrodos a emplear para la soldadura de arco, están normalizados por la AWS (American Welding Society). Al producirse el arco, la fusión del extremo del electrodo que se deposita es el metal de aporte, el cual debe elegirse con características similares al del metal base. Esta condición se denomina compatibilidad de los electrodos. Se dispone en el mercado de una gran variedad de electrodos para poder hacer un ajuste apropiado de las propiedades y características resistentes del metal de aporte, en relación con el metal base.

3.2.1 Resistencia de un electrodo

La resistencia de un electrodo se define como su resistencia limite en tracción, y la notación standard para especificar un electrodo es EXXXX. E significa electrodo y se refiere siempre a soldadura por arco metálico protegido. Las dos primeras X a continuación de la E representa la resistencia de 60, 70, 80, 90, 100 o 120 en Kilo-libras por pulgada cuadrada. Los dígitos restantes indican la posición para soldar, que puede ser plana, horizontal, vertical o sobre cabeza cuando la penúltima cifra es 1 indica cualquier posición y 2 indica cordón en posición plana u horizontal. La ultima cifra expresa la fuente de la corriente, polaridad y técnica de la soldadura, así como el tipo de recubrimiento del electrodo. En algunos casos se utiliza un sufijo a continuación de las siglas de la soldadura, como por ejemplo: EXXXX-AL que indica la aleación de metal de aporte, aluminio en este caso.

4. Controles de calidad de la soldadura

Toda soldadura debe ser cuidadosamente ejecutada e inspeccionada por personal idóneo para asegurar su calidad y eficiencia. No solamente se exige una mano de obra especializada, si no que además los procedimientos deban ser los adecuados y el tipo y tamaño de los electrodos los correctos. Una soldadura bien ejecutada resulta en general de 1.5 a 2 veces mas resistente que las partes

conectadas, esto se debe principalmente al hecho que los electrodos se fabrican con aceros especiales de calidad superior al metal base de los miembros que conectan. Entre las inspecciones utilizadas para verificar la calidad de las soldaduras se pueden mencionar: Inspección visual, inspección a base de tinturas colorantes, métodos ultrasónicos y métodos radiográficos.

4.1. Inspección visual

La inspección visual permite apreciar si la fusión y la penetración de las soldaduras son satisfactorias, así como la apariencia, forma y dimensiones son las adecuadas. El color que adopta la soldadura luego de enfriarse debe ser lo mas cercano posible al del metal original, pues si se ha calentado en exceso, adopta una tonalidad rojiza. Si bien la inspección ocular es importante, no es suficiente, ya que no permite detallar la condición interna de los cordones ni sus vicios ocultos, de modo que resulta únicamente un complemento a otros tipos de inspecciones mas profundas

4.2 Inspección a base de tinturas colorantes.

La inspección mediante tintes colorantes consiste en aplicar una tintura especial sobre la superficie de la soldadura y luego de un tiempo retirar el excedente. El tinte empleado es un liquido de gran capilaridad que penetra en las grietas y luego de ser lavado deja coloraciones diferentes que indican la presencia de defectos en el interior de la masa del metal de aporte. Un gran numero de tinturas esta disponible en el marcado a tal fin, pero las más eficientes son las fluorescentes, que permite una rápida inspección cuando se las ilumina con luz negra.

4.3. Método ultrasónico Los métodos ultrasónicos son los más sofisticados y utilizan costosos equipos que envían ondas de sonido a través del cordón de soldadura. El equipo receptor permite captar las ondas según la velocidad del recorrido, y detectar así fácilmente los defectos u oquedades internas. Cada vez que una onda ultrasónica atraviesa la soldadura se refleja en el aparato receptor que posee rayos catódicos y los resultados son presentados en la pantalla de una laptop según diferentes velocidades de llegada de las ondas.

4.4. Métodos radiográficos

Estos métodos consisten en el empleo de rayos X o rayos gamma que reproducen el perfil de la soldadura sobre una placa. Su aplicación esta limitada a las soldaduras de ranura a tope, pues en las de filete se superponen las proyecciones del metal base y el de aporte. En razón del elevado costo de este tipo de inspección, se la reserva únicamente para los miembros principales de las estructuras importantes. Además. Debe tenerse mucho cuidado con el problema que conlleva el uso de la radiactividad en la obra, cuando hay operarios en las cercanías, no protegidos contra la acción de este tipo de rayos. Usualmente se realiza esta inspección en horas nocturnas o de baja concurrencia del personal.

Esquema

1. Acero Estructural 2. Tipos y presentaciones de perfiles

2.1. Productos planos2.2. Productos no planos2.3. Tubulares y barras

3. Uniones de los perfiles de acero estructural 3.1. Conectores mecánicos 3.1.1. Remaches 3.1.1.1. Tipos 3.1.2. Pasadores 3.1.3. Pernos o tornillos 3.2. Soldaduras

3.2.1. Proceso de Soldaduras 3.2.1.1. Soldadura a presión 3.2.1.2. Soldadura a fusión 3.2.1.3. Soldadura por calentamiento y fusión

3.2.2. El Electrodo 3.2.2.1. Resistencia de un electrodo

4. Controles de calidad de la soldadura4.1. Inspección Visual4.2. Inspección a base de tinturas colorantes4.3. Método ultrasónico4.4. Método radiográfico

Anexos

Tipos de productos