07-CIDECT - GUÍA DE DISEÑO PARA LA FABRICACION, ENSAMBLE Y MONTAJE DE ESTRUCTUUS DE PERFILES TUBULAR

7 PAU LA FABRICACION, ENSAMBLE Y MONTAJE DE ESTRUCTURAS DE PERFILES TUBULARES

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CONSTRUCCION CON PERFILES TUBULARES DE ACERO

Editado por: Comité Internacional para el Desarrollo y el Estudio de la Construcción Tubular Autores: Jaap Wardenier, Universidad Tecnológica de Delft Dipak Dutta, Comisión Técnica del CIDECT Noel Yeomans, Jefe del Grupo de Trabajo Uniones y Fatiga del CIDECT Jeffrey A. Packer, Universidad de Toronto ómer Bucak, Universidad de Münich K. Sakae, Nippon Steel Metal Products Traductor: Acentos, S.L. Revisión: Pedro J. Landa. Escuela de Ingenieros Industriales Bilbao

PARA LA FABRICACION, ENSAMBLE Y MONTAJE DE ESTRUCTURAS DE PERFILES TUBULARES D. Dutta, J. Wardenier, N. Yeomans, K. Sakae, Bucak, J. A. Packer

รณ.

Tร V-Verlag

Die Deutsche Bibliothek- CIP Einheitsaufnahme Guía de diseño para la fabricacion, ensamble y montaje de estructuras de perfiles tubulares / D. Dutta ... - Koln: TÜV-Verlag, 1998 (Construccion con perfiles tubulares de acero; 7) ISBN 3-8249-0482-9

ISBN 3-8249-0482-9 © by TÜV-Verlag GmbH, Colonia 1998 Realizado íntegramente por: Verlag TÜV Rheinland GmbH, Colonia Impreso en Alemania 1998

Prólogo En pnnc1p10, los procedimientos de fabricación, ensamble y montaje de estructuras de perfiles tubulares son los mismos que para las estructuras de perfiles abiertos convencionales. Sin embargo, hay una serie de propiedades y características especiales de los perfiles tubulares, que hay que tener en cuenta para obtener no sólo la integridad técnica sino también la económica. Debido a su forma cerrada, los perfiles tubulares precisan de requisitos especiales en el proceso de fabricación, ensamble y montaje de la estructura, los cuales hay que cumplir para poder competir con éxito con los perfiles abiertos, así como con el hormigón. En este manual se describen estos métodos, junto con el equipamiento necesario para llevarlos a cabo, explicando las ventajas y desventajas en diferentes condiciones de diseño. El objetivo es demostrar a los diseñadores la importancia de una adecuada concepción inicial en los diseños con perfiles tubulares, y mostrar a los estructuristas y contratistas las especiales cualidades inherentes a los perfiles tubulares en el desarrollo de las tareas correspondientes a sus campos de actuación.

Esta guía de diseño es la séptima de una serie que CIDECT ha publicado y que continuará publicando en próximos años:

1. Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares circulares (CHS) bajo cargas predominantemente estáticas.

2. Estabilidad estructural de perfiles tubulares.

3. Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares rectangulares (RHS) bajo cargas predominantemente estáticas.

4. Guía de diseño para columnas de perfiles tubulares estructurales sometidas a fuego.

5. Guía de diseño para columnas de perfiles tubulares rellenos de hormigón bajo cargas estáticas y sísmicas.

6. Guía de diseño para perfiles tubulares estructurales en aplicaciones mecánicas.

7. Guía de diseño para la fabricación, ensamble y montaje de estructuras de perfiles tubulares.

8. Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares circulares y rectangulares sometidos a solicitaciones de fatiga (en preparación).

Expresamos nuestro más sincero agradecimiento al Prof. Dr. Jaap Wardenier de la Universidad Tecnológica de Delft, Holanda, al Sr. Noel Yeomans de British Steel Tubes & Pipes, Reino Unido, al Sr. Kazumi Sakae de Nippon Steel Metal Products, Japón y al Prof.

Dr. ómer Bucak de "Fachhochschule" Munich, Alemania, por su contribución y comentarios.

Agradecemos especialmente al Dr. lng. Reinhard Bergmann de la Universidad de Bochum, Alemania, por su contribución en el capítulo sobre "columnas de perfiles tubulares rellenos de hormigón" y al Prof. Dr. Jeff Packer de la Universidad de Toronto, Canadá, por su contribución en el capítulo sobre "tornillos ciegos (Huck Ultra-Twist)". Asimismo, expresamos nuestro agradecimiento a las firmas miembros del CIDECT por su apoyo.

Etienne Bollinger Secretario de la Comisión Técnica CIDECT

5

Indice Prólogo

1

Introducción .................................................. .

9

2

Tipos de acero y tolerancias dimensionales para perfiles tubulares estructurales .................................................. .

11

Tipos de acero ................................................. .

Consideraciones sobre la soldabilidad de los materiales ................. .

Dimensiones y propiedades de las secciones ......................... .

Tolerancias dimensionales ........................................ .

11 16 17 20

3

Métodos de fabricación de perfiles tubulares estructurales ........... .

24

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4

Corte ......................................................... .

Corte plano por aserrado ......................................... .

Corte con soplete ............................................... .

Corte manual con soplete ......................................... .

Corte automático con soplete ...................................... .

Ranurado ..................................................... .

Corte por láser ................................................. .

Corte por plasma ................................................ .

Aplastamiento .................................................. .

Cizallado-aplastado .............................................. .

Aplastamiento completo .......................................... .

Aplastamiento con troquel rebajado ................................. .

Aplastamiento parcial ............................................ .

Curvado (doblado) .............................................. .

Métodos de curvado en frío para CHS ............................... .

Curvado en frío por presión ....................................... .

Curvado en frío mediante caja "conformadora" ........................ .

Curvadora de rodillos ............................................ .

Curvado mediante cortes a inglete .................................. .

Métodos de curvado en frío para RHS ............................... .

Curvadora de rodillos ............................................ .

Cortes a inglete o muescas en V.................................... .

Curvado en frío por presión ....................................... .

Métodos de curvado en caliente .................................... .

Perfiles tubulares rellenos de arena ................................. .

"Hamburger Rohrbogen" .......................................... .

Curvado por inducción ........................................... .

Curvadora de rodillos ............................................ .

Combadura (peraltado) ........................................... .

Atornillado ..................................................... .

Tornillos ciegos ................................................. .

Barrenado con fluencia en perfiles tubulares .......................... .

Lindaptes HolloFast y HolloBolt .................................... .

Huck Ultra-Twist ................................................ .

Tornillos prisioneros soldados ...................................... .

Claveteado .................................................... .

Métodos de soldar ............................................... .

25 25

2.1 2.1.1 2.2 2.2.1

3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.3.5 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.1.3 3.4.2 3.5

3.6

6

29 29 32 35

36 37 37

39 40 40 41 41 42 42 43 43

44 44 44 45

46 46 46 46 47 48 48 48 48 49 50 51 53 54 55

3.6.10 3.7 3.8 3.9

Métodos para soldar nudos de perfiles tubulares ....................... .

Posiciones y secuencias de soldadura ............................... .

Punteado de la soldadura ......................................... .

Tratamiento térmico previo y posterior de las construcciones soldadas de perfiles tubulares ................................................ .

Tensiones residuales y deformaciones producidas por la soldadura ........ .

Defectos de soldadura y reparaciones ............................... .

Inspección de las soldaduras ...................................... .

Cualificación del soldador ......................................... .

Soldadura de estructuras con perfiles tubulares galvanizados o con revestimiento metálico ........................................... .

Recomendaciones generales para operaciones de soldadura ............. .

Perforaciones .................................................. .

Applicación de robots ............................................ .

Piezas fundidas para uniones de perfiles tubulares estructurales .......... .

4

Estructuras y montajes parciales de perfiles tubulares ............... .

73

Vigas y jácenas ................................................. .

4.1 Vigas de perfil simple ............................................ .

4.1.1 Vigas en celosía (celosías) ........................................ .

4.1.2 Vigas en forma de arco ........................................... .

4.1.3 Columnas ..................................................... .

4.2 Columnas de perfil tubular relleno de hormigón ........................ .

4.2.1 4.2.1.1 Relleno con hormigón de los perfiles tubulares ........................ .

Estructuras espaciales ........................................... .

4.3 Uniones ....................................................... .

4.4 Uniones de vigas con columnas .................................... .

4.4.1 4.4.1.1 Uniones de vigas con columnas de perfil tubular relleno de hormigón ....... .

Uniones de celosías con columnas .................................. .

4.4.2 Uniones directas ................................................ .

4.4.3 4.4.3.1 Uniones en prolongación (empalmes) ............................... .

4.4.3.2 Uniones soldadas en ángulo recto .................................. .

4.4.3.3 Nudos de vigas Vierendeel ........................................ .

4.4.3.4 Nudos de celosía con barras soldades directamente .................... .

Uniones indirectas ............................................... .

4.4.4 4.4.4.1 Uniones en prolongación ......................................... .

4.4.4.2 Uniones indirectas en nudos de celosiás ............................. .

4.4.4.3 Uniones de correas .............................................. .

73 73 73 77 79 82 83 90 92 92 96

3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5 3.6.6 3.6.7 3.6.8 3.6.9

55 57 58

59 60 61 63 66 66 67 67 67 70

99 99

99 102 104 105 116 116 121 121

5

Procedimientos generales para la fabricación y montaje de estructuras de perfiles tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.1 5.2 5.3

Fabricación, planos a gran escala y su aprobación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Cualificación de los talleres y soldadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Transporte de perfiles tubulares y estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7

Montaje de estructuras de perfiles tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8

Protección frente a la corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8.1 8.1.1

Protección frente a la corrosión externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Protección mediante pintado y pulverizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125 125 125

140 142

7

8.2 8.3 8.4

Protección frente a la corrosión interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 143 Protección frente a la corrosión interna y externa mediante baño de galvanizado en caliente ........................................... .

Protección de estructuras de perfil tubular frente a la corrosión en el interior 144 de edificios .................................................... .

9

Protección frente al fuego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

1O

Aspectos económicos con respecto a la construcción de estructuras de acero con perfiles tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

11

Lista de símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

12

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Apéndice A: Composiciones químicas de los aceros estructurales (análisis de colada) de acuerdo con la norma ISO 630 [38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Apéndice B: Composición química de los perfiles tubulares estructurales acabados en caliente y conformados en frío de los aceros no aleados de acuerdo con las normas EN 10210-1 (HF) [61] y EN 10219-1 (CF) [64]................. 159 Apéndice C: Fórmulas para calcular las propiedades geométricas de los perfiles tubulares estructurales de acuerdo con la norma EN 10210-2 [63]............... 161 Apéndice D: Radios mínimos de curvado para perfiles tubulares cuadrados y rectangulares para curvar en frío mediante curvadora de 3 rodillos [39] . . . . . . . . . . . 164 Información general sobre CIDECT objetivos, actividades, publicaciones, mienbros, etc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

8

1 Introducción El enfoque moderno del diseño orientado a la fabricación es la clave para llevar a cabo una construcción óptima de acero estructural [12]. Con el fin de obtener una estructura técnicamente segura, económica y de arquitectura agradable, tanto el arquitecto como el ingeniero de diseño deben, desde el primer momento, ser conscientes de las consecuencias que las decisiones que tomen tienen con respecto a la fabricación, el montaje y la construcción de la estructura.

Los arquitectos, ingenieros de diseño, estructuristas y constructores son expertos en sus respectivos campos, pero tradicionalmente han trabajado por separado. El arquitecto y el ingeniero de diseño, entre ambos, son responsables del diseño conceptual de la implantación, de dimensionar los elementos y puede que de algún detalle inicial de las uniones. Casi todos ellos suelen tener como objetivo la reducción del peso material de la estructura, a menudo sin meditar apenas sobre la fabricación, el ensamble y el montaje.

La falta de comunicación entre las diferentes disciplinas y, consecuentemente, un conocimiento inadecuado de la interacción mutua, a menudo provocan situaciones en las que, el impacto del diseño en la fabricación y ejecución, y viceversa, no esté debidamente considerado. La práctica del diseño basado en la obtención del mínimo peso a menudo resulta contraproducente como solución global. Esto se debe a los costes adicionales por una compleja fabricación y ejecución a pie de obra impuestos por el diseño conceptual inicial. Esto sólo se puede evitar mediante el diálogo eficaz entre todas las disciplinas implicadas, para que cada una de ellas cuente con los conocimientos sobre los requisitos de las otras para hacer estructuras satisfactorias y rentables.

Este concepto del diseño orientado a la fabricación es muy importante para los diseños con perfiles tubulares estructurales, en los que, a diferencia de las de las estructuras atornilladas con perfiles abiertos, las barras están casi siempre directamente soldadas entre sí y, por consiguiente, los tamaños de las barras influyen de forma directa sobre la capacidad de soportar carga de la unión.

En una estructura con uniones atornilladas entre los perfiles tubulares y los abiertos utilizando cartelas o placas de testa, el diseñador calcula y selecciona los tamaños de las barras adecuados para transmitir las cargas aplicadas independientemente de los requisitos del cálculo del detalle de la unión. El estructurista es responsable del cálculo final de la unión, el cual lo lleva a cabo basándose en sus conocimientos y en su experiencia en la fabricación (fig. 1.1 ).

En las construcciones con perfiles tubulares soldados, con nudos en los que se prescinde de las cartelas para reducir los costes de fabricación y, a menudo, para mantener el atractivo arquitectónico, las barras se sueldan directamente unas con otras (fig. 1.2). Como la resistencia de la unión ya no es independiente de la geometría y de la resistencia de las barras, el mismo diseñador tiene que considerar la capacidad de carga de la unión en el momento en que se determinan los tamaños de las barras. Por lo tanto, es importante que el diseñador tenga en cuenta desde el principio el comportamiento de los nudos. El diseño de las barras de, por ejemplo, una viga en celosía basado únicamente en los esfuerzos en las barras puede dar lugar a una posterior rigidización de los nudos no deseada. Esto significa que, debido a la necesidad de tener en cuenta la resistencia de los nudos junto con la selección de los perfiles tubulares del cordón y de las barras de relleno, el diseñador tiene que elegirlos de la misma manera que a los principales parámetros determinantes en los nudos, como por ejemplo, la relación entre diámetros o anchos, la relación entre espesores de pared, la relación entre el diámetro o el ancho del cordón y el espesor de la pared, el espaciamiento (la separación) entre las barras de relleno, el recubrimiento (solape) de las barras de relleno y el ángulo entre los ejes de las barras de relleno y de los cordones, para que proporcionen una resistencia adecuada de la unión.

9

Fig.1.1 - Unión de perfiles tubulares con cartela y tornillos

Fig.1.2 - Unión soldada con los perfiles tubulares directamente soldados entre sí

Como consecuencia de lo anterior, en la fase inicial, el diseñador tiene que pensar en la fabricación de los nudos, y en el grado de repetición de los detalles, para lograr optimizar el coste global de la estructura hecha con perfiles tubulares circulares y rectangulares.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, una construcción con perfiles tubulares de acero diseñada correctamente casi siempre será más ligera, en términos de peso del material, que una construcción similar hecha con perfiles abiertos. Como resultado, aunque los perfiles tubulares estructurales son más caros que los perfiles abiertos, en coste por tonelada, el ahorro total de peso que se obtiene al utilizarlos habitualmente dará el resultado de una construcción mucho más rentable y, por consiguiente, económica.

Como ayuda al conjunto de personas implicadas en la construcción de estructuras con perfiles tubulares, este manual describe los procedimientos de fabricación, ensamble y montaje a pie de obra específicos de las mismas. En especial, se describen las formas y los tamaños de los perfiles, así como las composiciones químicas y las propiedades físicas de los tipos de acero, y se dan recomendaciones exponiendo las ventajas y desventajas en cuanto a su aplicación en varios tipos de construcciones.

10

2

Tipos de acero y tolerancias dimensionales para peñiles tubulares estructurales

Los tipos de acero, las dimensiones y las tolerancias dimensionales de los perfiles tubulares circulares (CHS) y rectangulares (RHS), entre los cuales se incluyen los cuadrados, están especificadas en varias normas nacionales e internacionales. Sin embargo, algunos fabricantes también producen otros perfiles tubulares como los triangulares, hexagonales, octogonales y ovalados planos, pero su disponibilidad depende del volumen de los pedidos y, en general, no existen normas para ellos.

Los perfiles tubulares estructurales se pueden obtener por manufactura del acero en caliente o en frío, y se especifican como "acabado en caliente" o "conformado en frío" respectivamente. También pueden tener aplicada una soldadura con costura longitudinal o no tener costura. Los perfiles tubulares conformados en frío se sueldan siempre y los perfiles tubulares acabados en caliente, aunque la mayoría se suelda, pueden no presentar costura.

El diseñador siempre necesita especificar si el material está acabado en caliente o conformado en frío 1l. Esto se debe a que, aunque es posible que las propiedades mecánicas del acero y el tamaño y el espesor de la sección sean iguales, las propiedades dimensionales nominales (área, módulos de la sección, etc.) de los perfiles conformados en frío pueden ser significativamente inferiores a las correspondientes a los perfiles acabados en caliente debido a la diferencia entre los radios de acuerdo en las esquinas.

2.1

Tipos de acero

En el ámbito internacional, los tipos de acero están especificados por la Organización Internacional de Normalización (ISO) en las normas siguientes: ISO 630 Aceros estructurales 2l ISO 4951 Barras y perfiles de acero de alto límite elástico ISO 4952 Aceros estructurales con mayor resistencia frente a la corrosión Hay que anotar la posibilidad de que en algunos países se apliquen normas nacionales bastante diferentes y que los materiales que se fabriquen no cumplan con las especificaciones de la ISO. En el Apéndice A se muestran las composiciones químicas de los aceros estructurales dados en la norma ISO 630 (38], mientras que las propiedades mecánicas se encuentran en la Tabla 2.1.

La composición química y las propiedades mecánicas de los perfiles tubulares conformados en frío cumplen con lo recomendado por la norma ISO 630 (38]. De acuerdo con la ISO 4019 (39], que trata principalmente de las dimensiones y de las propiedades de la sección de los perfiles tubulares conformados en frío, se deberán tener en cuenta los efectos del trabajo en frío, en lo que respecta a la modificación de las propiedades mecánicas del acero, a la hora de valorar las propiedades mecánicas del perfil conformado en frío.

Durante el proceso de armonización de los productos europeos, la composición química y las propiedades mecánicas de los aceros sin alear y de grano fino para perfiles tubulares estructurales (circulares, cuadrados y rectangulares) acabados en caliente (HF) y conformados en frío (CF) se han normalizado en EN 10210-1 (62] y EN 10219-1 (64] respectivamente. Las composiciones químicas se muestran en el Apéndice B, mientras que la Tabla 2.2 contiene las propiedades mecánicas. Aunque las denominaciones del acero en las normas GEN (europeas) son diferentes de las de la ISO, las composiciones químicas y las propiedades mecánicas son casi idénticas.

1) Se considera que, los perfiles tubulares conformados en frío con un tratamiento térmico posterior para obtener estados metalúrgicos equivalentes a los que se obtienen mediante un conformado con normalizado, cumplen con los requisitos de la norma aplicable a los perfiles tubulares acabados en caliente.

2 ) Se aplica a las placas de acero con espesores de 3 mm en adelante, a los planos anchos de 600 mm o más de ancho y de más de 6 mm de espesor, a las pletinas anchas, a las barras y a los perfiles "laminados en caliente" (sinónimo de "acabados en caliente"), incluidos los perfiles tubulares, los cuales se utilizan generalmente en el estado de entrega y habitualmente en estructuras atornilladas, remachadas o soldadas.

11

N

Tabla 2.1 - Propiedades mecánicas de los aceros estructurales de acuerdo con la norma ISO 630 [38).

Denominación Calidad del acero

Fe 360

B

e

D Fe430

B

e

D

Fe 510

B

e

D

Resistencia a tracción (N/mm 2 )

Límite elástico mín.

(N/mm 2 ) t:,; 16 mm

t > 16 mm t:,; 40 mm

t>40 mm t:,; 63 mm

235 235 235

225 225 225

215 215 215

360-460

275 275 275

265 265 265

255 255 255

430-530

t:,; 16 mm

t> 16 mm t:,; 35 mm

t>35 mm t::;;50 mm

355 355 355

345 345 345

335 335 335

490-630

Alargamiento mín. en

Ensayo de impacto

% L0 = 5,65,/8a 25 25 25 22 22 22

21 21 21

Temp. de ensayo (ºC)

Energía mín.

Uulios)

+20

27 27 27

o

-20 +20

o

-20

+20

o

-20

27 27 27

27 27 27

Tabla 2.2a - Propiedades mecánicas de los perfiles tubulares estructurales de aceros sin alear acabados en caliente y conformados en frío según las normas EN 10210-1 (HF) y EN 10219-1 (CF)

Denominación del acero

Límite elástico mín.

Resistencia a tracción (N/mm 2 )

(N/mm 2 ) t

:s: 16 mm

t > 16 mm t>40 mm t<3mm t :s: 40 mm t :s: 65 mm

Alargamiento mín. en% L0 = 5,65J8a

t2'. 3mm t :S:40 mm t>40 mm t:S:40 mm t>40 mm Temp.de t :s: 65 mm t:S:65 mm t:S:65 mm ensayo (ºC)

S 235 JRH + HF S 275 J2H + HF S 355 JOH + HF S 355 J2H + HF

235 275 355

225 265 345

215 255 335

360-510 340-470 430-580 410-560 510-680 490-630

26 22 22

Energía mín.

Uulios)

Transversal

Longitudinal S 275 JOH + HF

Ensayo de impacto

25

24

21

20 20

21

23 19 19

20

27

o

27

-20

27

o

27

-20

27

Espesor nominal t :s: 40 mm* S 235 JRH + CF S 275 JOH + CF S 275 J2H + CF S 355 JOH + CF S 355 J2H + CF

235

225*

-

275

265*

-

355

345*

-

24 idénticos a los valores anteriores

20

idénticos a los valores anteriores

20

* Espesores mayores que 24 mm sólo disponibles en CHS En lo referente a las propiedades de las secciones transversales, puede haber importantes diferencias entre los perfiles tubulares acabados en caliente y los conformados en frío. Ver Apéndice C.

ú)

.¡:.

Tabla 2.2b-Propiedades mecánicas de los perfiles tubulares estructurales de aceros de grano fino acabados en caliente y conformados en frío de acuerdo con las normas EN 10210-1 (HF) y EN 10219-1 (CF)

Denominación del acero

S 275 NH + HF S 275 NLH + HF S 355 NH + HF S 355 NLH + HF S 460 NH + HF S 460 NLH + HF

Límite elástico mín.

Resistencia a tracción

(N/mm 2)

(N/mm 2 )

t:;,; 16 mm

t> 16 mm t :;,;40 mm

t>40 mm t:;,; 65 mm

t:;,; 65 mm

t:;,; 65 mm long.

t:;,; 65 mm trans.

275

265

255

370-540

24

22

355 460

345

440

335 430

470-630

550-720 t:;,; 40 mm*

S 275 NH + CF S 275 NLH + CF S 355 NH + CF S 355 NLH + CF S 460 NH + CF S 460 NLH + CF

Alargamiento mín. en% L 0 = 5,65,/8a

275

265

-

355

345

-

460

440

-

22

20

17

15

Resistencia al impacto

Temperatura (ºC)

Energía (julios)

-20

40

-50

27

-20

40

-50

27

-20

40

-50

27

Espesor nominal t:;,; 40 mm* 24

idénticos a los valores anteriores

22

idénticos a los valores anteriores

17

Espesores mayores que 24 mm sólo disponibles en CHS En lo referente a las propiedades de las secciones transversales, puede haber importantes diferencias entre los perfiles tubulares acabados en caliente y los conformados en frío. Ver Apéndice C. *

Otras normas nacionales [42-49, 53-57] contienen denominaciones de los aceros que difieren de las facilitadas por la ISO o la CEN. Sin embargo, las especificaciones de los aceros son, en general, comparables.

También se pueden fabricar los perfiles tubulares estructurales con aceros especiales, que tienen límites elásticos de 640 N/mm 2 y superiores. Ultimamente se han obtenido perfiles tubulares sin costura con límites elásticos de 770 y 790 N/mm 2 a partir de aceros de grano fino templados y recocidos. La mayoría de estos se aplican en las grúas móviles de construcción, donde la reducción del peso propio es muy importante. Sin embargo, para que la producción resulte rentable, el volumen del pedido tiene que ser relativamente grande.

Es importante entender la interacción entre el límite elástico fy, la resistencia última a tracción fu, el alargamiento y la ductilidad al seleccionar los tipos de acero adecuados para determinadas aplicaciones que tienen requisitos específicos (fig. 2.1 ). En la mayoría de los casos, la base del diseño es el límite elástico de una barra, el cual evita una deformación excesiva. También hay otros casos, p.e. el de las estructuras estáticamente indeterminadas, en los que la fluencia de las barras o la fluencia en zonas concretas de una estructura facilita la redistribución de esfuerzos. En estos casos, se precisa tener suficiente capacidad de deformación o rotación. En algunos códigos se especifican las diferencias adecuadas entre el límite elástico y la resistencia última a tracción con el fin de asegurar un comportamiento dúctil en la estructura. La norma ENV 1993-1-1 [66] prescribe el siguiente valor mínimo para la relación: fu

r :e: 1,2

(basado en los valores nominales de fy y fu)

y

La ductilidad se mide mediante el ensayo Charpy en V, en el que una pequeña probeta de acero, con dimensiones normalizadas y con una entalla en V normalizada es sometida a una carga de choque en un ambiente con una temperatura concreta. El valor Charpy en V representa la energía de rotura mínima, que las probetas en el ensayo pueden alcanzar cuando se mantiene una temperatura concreta, expresada en julios (fig. 2.2). Los valores de los aceros normalizados por la ISO (ver Tabla 2.1) y la CEN (ver Tablas 2.2a y 2.2b) cumplen con el requisito mínimo de 27 julios prescrito por el Eurocódigo 3 [66] en su Apéndice C.

"

1 F definida cuando 1 no existe una meseta 1 plástica clara

Resistencia a tracción //

¡

1 1

----------

r----0,2% línea desplazada de deformación

o ---.....--------...------1

º'

0,002

0,04

0,08 0,12 0,16 0,20 ____.. Deformación unitaria

0,24

Fig. 2.1 - Curva tensión - deformación unitaria en el ensayo de tracción

15

Otro aspecto en la caracterización de las propiedades mecánicas viene definido por la resistencia y la ductilidad de los perfiles tubulares cuando se cargan en la dirección del espesor (calidad Z, fig. 2.3). Si se produce una fisura en el ensayo, es decir, un desgarramiento laminar, se podrá evitar mediante el uso de acero con bajo contenido en azufre o añadiendo azufre en la colada junto con otros elementos como, por ejemplo, calcio. u,240

·º:5

Dúctil

Frágil

~200 e

Q)

Material de base

~160

------,/<

ro

.e

': 120 o >

t

80 40

1 /1 --¡---

1

o - 80 - 60 - 40

Después de soldar

,, ,, , ,'

cii

-20

Ejemplo de valor Charpy en V mínimo

o

20

40

60

--+-Temperatura (ºC) Fig. 2.2 - Valores Charpy en V en relación con la temperatura

Fig. 2.3 - Desgarramiento laminar

2.1.1

Consideraciones sobre soldabilidad de los materiales

Básicamente es la composición química de un tipo de acero la que determina su soldabilidad. En general, los aceros sin alear anteriormente descritos no se someten a ningún tratamiento térmico para aumentar la resistencia, la cual puede verse afectada por la soldadura. También contienen bajos porcentajes de elementos de aleación, lo que permite que no se precise adoptar ninguna medida especial para soldar. Para la soldabilidad de los aceros sin alear son decisivos el contenido de carbono ( C ~ 0,22%) que presentan y la pureza del acero indicada por el contenido de azufre ( S ~ 0,045%), fósforo ( P ~ 0,045%) y N2 (N2 ~ 0,009%).

Los aceros de grano fino tienen soldabilidades favorables y mayores resistencias del material con contenidos de carbono relativamente bajos y por la adición de aleaciones como, por ejemplo, manganeso, silicio, niobio, vanadio, aluminio, titanio, cromo, níquel y molibdeno respectivamente. La soldabilidad mejora, no sólo por el bajo porcentaje de carbono

16

('."'.: 0,20%), sino que también por la microestructura de grano fino del material, el cual reduce la susceptibilidad a la fractura frágil. La resistencia máxima en estos aceros, principalmente, se alcanza con elevados contenidos de manganeso junto con bajos porcentajes de carbono.

En la práctica, resulta sencillo, además de útil, tomar el Valor del Carbono Equivalente (CEV) como el criterio decisivo para la soldabilidad de un tipo de acero. A partir del análisis de la colada, el CEV se calcula usando la siguiente fórmula recomendada por el Instituto Internacional de Soldadura (IIW).

CEV

= C

Mn Cr+Mo+V Ni+Cu + 6 + 5 + 15

Cuanto menor es el CEV, mejor es la soldabilidad, especialmente al combinarlo con el menor contenido posible de carbono necesario para alcanzar la resistencia del material requerida.

La fisuración en frío en la zona soldada representa el riesgo principal, el cual se incrementa con el aumento del espesor del producto, el aumento de la resistencia y el aumento del Valor del Carbono Equivalente. Estas fisuras se pueden producir debido a una combinación de los siguientes factores: - la cantidad de hidrógeno disuelto en el metal depositado - una estructura frágil de la zona afectada por el calor - una importante concentración de tensiones de tracción en el nudo soldado.

La medida más efectiva contra la fisuración en frío es el tratamiento de precalentamiento, el cual se aplica especialmente en los aceros de alta resistencia con grandes espesores de pared. Con el fin de evitar la fisuración en frío, se deben considerar el CEV, la aplicación de calor, los espesores que se tienen que unir y el contenido de hidrógeno de los electrodos, para determinar la temperatura del precalentamiento. Desde el punto de vista de la fabricación, se debería evitar el precalentamiento y, por consiguiente, el CEV del acero y el contenido de hidrógeno del electrodo deben ser bajos. Esta es la razón por la que las normas de aplicación europeas y las normas nacionales imponen restricciones al CEV.

2.2

Dimensiones y propiedades de las secciones

El campo de aplicación de un determinado perfil en una estructura depende, en gran medida, de los tamaños de perfil disponibles en el mercado. Por lo tanto, los acuerdos entre fabricantes y usuarios de los perfiles tubulares con respecto a los tamaños y a las tolerancias geométricas deberían ser la base de las normas nacionales e internacionales, las cuales regulan los programas de producción.

Las siguientes normas ISO describen la gama de dimensiones de los perfiles tubulares conformados (acabados) en caliente y conformados en frío: ISO 657/14 [40]

Perfiles tubulares estructurales conformados en caliente CHS: Diámetro externo de 21,3 a 457 mm Espesor de pared de 2,3 a 40 mm RHS (cuadrado): 20 x 20 a 400 x 400 mm Espesor de pared de 2 a 25 mm RHS (rectangular): 50 x 30 a 500 x 300 mm Espesor de pared de 2,6 a 25 mm

Las normas europeas armonizadas EN 10210-2 "Perfiles tubulares estructurales acabados en caliente de aceros de grano fino y sin alear - tolerancias, dimensiones y propiedades de las secciones" y EN 10219-2 "Perfiles tubulares estructurales conformados en frío de aceros de grano fino y sin alear - tolerancias, dimensiones y propiedades de las secciones" se aplican actualmente en la mayor parte de los países de Europa. Indican la gama de dimensiones de los perfiles tubulares y las propiedades de sus secciones, es decir, el área de la sección transversal A, el momento de inercia 1, el radio de giro i, el módulo elástico 17

resistente W81 , el módulo plástico resistente Wp 1, la inercia a la torsión 11, el módulo resistente a la torsión C1, el área de la superficie externa por metro de longitud A5 , y la longitud nominal por tonelada. El Apéndice C contiene las fórmulas empleadas para calcular las propiedades geométricas.

EN 10210-2

Perfiles tubulares estructurales acabados en caliente CHS: Diámetro externo de 21,3 a 1219 mm Espesor de pared de 2,3 a 50 mm RHS (cuadrado): 20 x 20 a 400 x 400 mm Espesor de pared de 2 a 20 mm RHS (rectangular): 50 x 25 a 500 x 300 mm Espesor de pared de 2,5 a 20 mm

EN 10219-2

Perfiles tubulares estructurales conformados en frío CHS: Diámetro externo de 21,3 a 1219 mm Espesor de pared de 2 a 30 mm RHS (cuadrado): 20 x 20 a 400 x 400 mm Espesor de pared de 2 a 16 mm RHS (rectangular): 40 x 20 a 400 x 300 mm Espesor de pared de 2 a 16 mm

a

@

260x180x6,3

0 273

~ 220

X

e:

X

X

Momento de inercia en cm 4

6,3

220

X

9000 6,3 8000

IPE300 7000 UAP300 6000

Masa kg/m

5000

40

4000

30

3000

20

2000

10

1000

o

M en kg/m Masa

lmax en cm 4 lmin en cm 4 ~ en cm4 Rigidez frente Rigidez frente Rigidez frente a pandeo a pandeo a torsión

o

Fig. 2.4 - Comparación entre las propiedades de diferentes secciones transversales

Las dimensiones dadas en las normas de Canadá y EE.UU. [44-46, 49] no concuerdan exactamente con las que indican las normas europeas anteriormente mencionadas, puesto que se basan en el antiguo sistema británico de unidades (pulgada, libra).

En la figura 2.4 se presenta una comparación entre las propiedades de la sección para varios tipos de secciones transversales, constatándose la superioridad de los perfiles tubulares 18

sometidos a torsión, compresión y flexión multiaxial frente a los perfiles abiertos. Partiendo de la base de pesos idénticos por metro, la idoneidad específica de los perfiles tubulares como elementos estructurales está claramente demostrada para diferentes tipos de carga: - Mayor capacidad resistente frente a carga de pandeo, la cual viene dada por un mayor momento de segundo orden (momento de inercia) con respecto al eje débil lmín· - Resulta muy notable la ventaja de los perfiles cerrados, en especial los de sección circular, sometidos a un esfuerzo de torsión. El momento de inercia a la torsión de los perfiles tubulares es entre 3 a 9 veces mayor que el de los perfiles abiertos. Aplicando un momento torsor idéntico, el ángulo girado alrededor del eje de torsión es sólo una fracción del ángulo que se produce en los perfiles abiertos (fig. 2.5).

Fig. 2.5 - Perfiles tubulares sometidos a torsión

- Bajo flexión uniaxial, las secciones IPE e HEB resultan más económicas que los perfiles tubulares debido al elevado momento de inercia que presentan con respecto al eje principal lmáx· Bajo flexión biaxial o multiaxial, los perfiles tubulares presentan unas secciones transversales óptimas, puesto que tienen valores estáticos relativamente altos con respecto a ambos ejes principales de la sección transversal.

Otro aspecto de las ventajas de aplicar perfiles tubulares bajo la acción de cargas de flexión se manifiesta cuando hay que tener en cuenta el pandeo lateral. La tensión de cálculo correspondiente a perfiles abiertos puede verse reducida por el pandeo lateral, mientras que la inestabilidad lateral no es crítica para los perfiles tubulares circulares ni para los perfiles tubulares rectangulares con b/h > 0,25 (los normalmente empleados).

El cálculo plástico de perfiles tubulares sometidos a flexión conduce a una mayor economía, para lo cual se utilizan las secciones compactas con los valores límites d/t o bit dados por ENV 1993-1-1 [66].

Los programas de producción de los fabricantes en los diferentes países pueden variar de unos a otros dependiendo de los métodos de fabricación. En cada caso, también es posible llegar a acuerdos especiales entre fabricantes y usuarios con respecto a las dimensiones y tolerancias. Sin embargo, uno de los aspectos más favorables de la aplicación de los perfiles tubulares es la gran variedad de dimensiones, tanto de longitudes laterales como de espesores de pared, además de la posibilidad de suministro de perfiles en grandes longitudes. Esto permite al ingeniero de diseño seleccionar las dimensiones que encajan perfectamente con el perfil de aplicación, tanto en el plano técnico como en el económico.

No todos los fabricantes de perfiles tubulares producen todos los tamaños de sección indicados en las normas anteriores. Algunos también producen otros tamaños adicionales.

Además, algunos fabricantes ofrecen secciones mucho más grandes, apropiadas para edificaciones de muchos pisos y para aplicaciones marinas. A continuación se da una idea de las mayores secciones disponibles: 19

Japón: RHS (cuadrados) conformados en frío por ERW 300 x 300 x 6-19 mm 350 x 350 x 9 - 22 mm 400 x 400 x 9 - 22 mm 450 x 450 x 9 - 22 mm 500 x 500 x 9 - 22 mm 550 x 550 x 12 - 22 mm Reino Unido: RHS (cuadrados) acabados 350 x 350 x 19 - 25 mm 400 x 400 x 22 - 25 mm 450 x 450 x 12 - 32 mm 500 x 500 x 12 - 36 mm

2.2.1

RHS (cuadrados) estampados en frío por SAW 700 x 300 x 300 x 9 - 22 mm 350 x 350 x 9 - 25 mm 750 x 800 x 400 x 400 x 9 - 32 mm 450 x 450 x 9 - 36 mm 850 x 500 x 500 x 9 - 40 mm 900 x 550 x 550 x 9 - 40 mm 950 x 600 x 600 x 9 - 40 mm 1000 x

en caliente 550 x 550 x 600 x 600 x 650 x 650 x 700 x 700 x

16 25 25 25 -

40 40 40 40

700 x 750 x 800 x 850 x 900 x 950 x 1000 x

12- 40 mm 16 - 40 mm 16 - 40 mm 16 - 40 mm 16 - 40 mm 19 - 40 mm 19-40 mm

mm mm mm mm

Tolerancias dimensionales

Las tablas 2.3 y 2.4 contienen comparaciones sobre las tolerancias dimensionales de los perfiles tubulares circulares y rectangulares (incluidos los cuadrados) indicadas en las normas CEN [63, 65] e ISO [39, 40]. Las diferencias entre ellas son muy pequeñas. Sin embargo, sí que existen importantes diferencias entre las tolerancias indicadas por las diversas normas nacionales que se aplican en los diferentes países. Esto se debe a la diferencia en las tolerancias de masa y longitud dependientes de las instalaciones de producción de las distintas fábricas.

Merece la pena mencionar que las tolerancias dimensionales de los perfiles tubulares son, en general, más estrictas que las de los perfiles abiertos.

20

Tabla 2.3 - Comparación entre las tolerancias dimensionales correspondientes a los perfiles tubulares circulares de acuerdo con las normas ISO [39, 40] y CEN [63, 65]

ISO 657-14 [40] caliente

ISO 4019 [39] frío

EN 10210-2 [63] caliente

EN 10219-2 [65] frío

dimensiones externas

± 1% del diámetro con un mínimo de ± 0,5 mm

Igual que [40]

± 1% del diámetro con un mínimo de ± 0,5 mm y un máximo de ± 1O mm

igual que [63]

Espesor

- 12,5% con un mínimo de -0,4 mm

± 10% con un mínimo de ± 0,2 mm, fuera del área de soldadura

-10%1)2)

para D s 406,4 mm Ts5 mm:± 10% T > 5 mm: ± 0,50 mm para D > 406,4 mm, ± 10% con un máximo de ±2mm

Masa

Entre + 10% en longitudes individuales y - 6% Entre + 8,5% en lotes de 10 t y-4%

-

± 6% en longitudes individuales

igual que [63]

planeidad

0,2% de la longitud total

igual que [40]

0,2% de la longitud total

igual que [63]

longitud (exacta)

para s 6000 mm, Entre+ 10 mm y O mm para> 6000 mm, Entre+ 15 mm y O mm

igual que [40]

para s 2000 mm a 6000 mm, Entre+ 10 mm yOmm para> 6000 mm, Entre+ 15 mm yOmm

para s 6000 mm Entre+ 5 mm yOmm para> 6000 mm, as 10000 mm Entre+ 15 mm y O mm para> 10000 mm, Entre + 5 mm + 1 mm/m yOmm

1 J La diferencia positiva viene limitada por la tolerancia en la masa.

2) Los espesores de las secciones sin costura inferiores a un 10%, pero no inferiores a un 12,5% del espesor nominal, se pueden producir en zonas lisas de transición que ocupen no más del 25% de la circunferencia.

1\)

......

1\) 1\)

Tabla 2.4 - Comparación entre las tolerancias dimensionales correspondientes a los perfiles tubulares cuadrados y rectangulares de acuerdo con las normas ISO [39, 40) y CEN [63, 65)

ISO 657-14 [40] Caliente

ISO 4019 [39] frío

EN 10210-2 [63] Caliente

EN 10219-2 [65] frío

dimensiones externas

± 1% con un mínimo de ± 0,5 mm

igual que [40]

± 1% con un mínimo de ± 0,5 mm

H, B< 100 mm, ± 1% con un mínimo de ± 0,5 mm 100::;; H, B ::;; 200 mm, ±0,8% H, B>200 mm, ±0,6%

espesor

-12,5% con un mínimo de -0,4 mm

± 10% con un mínimo de ± 0,2 mm, fuera de la zona de soldadura

-10%1)2)

T::;;5 mm:± 10% T > 5 mm: ± 0,5%

masa

Entre + 10% en longitudes individuales y - 6% Entre + 8,5% en lotes de 10ty-4%

-

± 6% en logitudes individuales

± 6% en longitudes individuales

planeidad

0,2% de la longitud total

igual que [40]

0,2% de la longitud total

O, 15% de la longitud total

longitud (exacta)

Para ::;; 6000 mm, Entre+ 10 mm y O mm para> 6000 mm, Entre+ 15 mm y O mm

igual que [40]

para ;:: 2000 mm y ::;;6000 mm, Entre+ 10 mm y O mm para> 6000 mm, Entre+ 15 mm y O mm

Para< 6000 mm, Entre+ 5 mm yOmm Para > 6000 mm y::;; 10000 mm, Entre+ 15 mm y O mm Para> 10000 mm, Entre + 5 mm + 1 mm/m y O mm

cuadratura de los lados

90° ± 1°

90º± 2°

90° ± 1°

90° ± 1°

l)

ISO 657-14 [40] Caliente

ISO 4019 [39] frío

EN 10210-2 [63] Caliente

EN 10219-2 [65] frío

radio externo en el acuardo de esquina

2 Ta 3 T (= rmáxl

3 T (= rmáxl

3 T máximo en cada esquina

Para T::,; 6 mm, 1,5 Ta 2,4 T para 6 < T::,; 10 mm, 2,0 Ta 3,0 T para T > 10 mm, 2,4 Ta 3,6 T

Concavidad/ convexidad

± 1%

igual que [40]

1%

máx 0,8% con un mínimo de 0,5 mm

Alabeo

2 mm + 0,5 mm/m de longitud

igual que [40]

igual que [65]

2 mm más 0,5 mm/m de longitud

La diferencia positiva viene limitada por la tolerancia en la masa.

2) Los espesores de las secciones sin costura inferiores a un 10%, pero no inferiores a un 12,5% del espesor nominal se pueden producir en zonas lisas de transición que ocupen no más del 25% de la circunferencia

N

c.:>

3

Métodos de fabricación de perfiles tubulares estructurales

Como se ha descrito en el capítulo 2, los perfiles tubulares estructurales tienen relaciones entre resistencia y peso muy favorables al compararlos con las de los perfiles abiertos, tales como perfiles 1, H, C y L, y, debido a la reducida superficie externa que presentan, precisan una menor cantidad de material de protección, bien sea el revestimiento frente al fuego o frente a la corrosión. Como conclusión, el construir con perfiles tubulares estructurales, a menudo, puede dar como resultado la forma estructural más económica, al considerar la totalidad, es decir, la reducción de peso, el coste de la protección y el del mantenimiento.

Hay varios métodos de fabricación de estructuras tubulares. Dentro de ellos están incluidos el corte (corte por aserrado o con soplete), el aplastamiento, el curvado, el atornillado, la soldadura y el claveteado, los cuales serán tratados en los siguientes apartados de este capítulo.

Existen varias técnicas de unión, como la soldadura, el atornillado y los adhesivos. La soldadura es el método más utilizado para construir montajes parciales o módulos en el taller, ya que, debido a la condición cerrada del perfil tubular, normalmente no es posible acceder al interior del perfil para fijar las tuercas y los tornillos. Por la misma razón, los adhesivos también serían apropiados pero, de momento, no se han demostrado que sean viables económicamente o consistentes estructuralmente desde el punto de vista de la resistencia [13].

La unión a pie de obra entre montajes parciales o módulos habitualmente se hace mediante soldadura o atornillado. Sin embargo, el atornillado es el método generalmente preferido debido a los costes relativos. Hasta hace poco tiempo, el atornillado resultaba complicado por la condición cerrada del perfil tubular, pero, en la actualidad, ya se han desarrollado varios sistemas de tornillos ciegos [20-23, 33, 34] que pueden ser muy útiles, en especial para las uniones de vigas con columnas de perfil tubular cuadrado (SHS).

Al igual que para el resto de las estructuras de acero, la fabricación de estructuras de perfiles tubulares en los talleres debería organizarse, a ser posible, de tal manera que el material siga un proceso unidireccional desde la recepción hasta la entrega final. Antes de empezar el procedimiento real de fabricación, los perfiles tubulares, como elementos para la edificación, temporalmente se tienen que almacenar, en ese lugar se podrán identificar y mover con facilidad. En las fábricas modernas, los datos computarizados contienen detalles sobre los tamaños y longitudes de las barras, tipos y calidades de acero, y los perfiles tubulares que hay que usar en una estructura concreta se especifican mediante marcas de identificación.

Una vez transportado el material apilado desde el almacén temporal a los talleres de producción mediante cinta transportadora o elevadores, normalmente se siguen los siguientes pasos: a. Marcado b. Corte a la longitud adecuada por aserrado o corte con soplete c. Aplastamiento (si es necesario) d. Curvado (si es necesario) e. Preparación de los bordes para soldar (en las estructuras soldadas). Este paso se puede realizar junto con el b. f. Taladrado de agujeros (para las estructuras atornilladas) g. Soldadura o atornillado, o la combinación de ambos, montando las barras o los montajes parciales h. Granallado.

Este paso también se puede hacer antes que el g, ya que puede resultar complicado realizar el granallado después del montaje, en especial en estructuras grandes

24

i. Acabado con una primera capa de imprimación (dos o más capas dependiendo de las necesidades) j. Pintado para protección frente a la corrosión externa o con pinturas intumescentes para proteger frente al fuego. Se deberían considerar las combinaciones de diferentes pasos siempre que resulte viable y económico.

Los apartados a y b se pueden combinar y si se utiliza el corte con soplete, el corte de la longitud adecuada se puede combinar fácilmente con otros cortes. En el caso de barras que hay que soldar entre sí, el corte de los extremos debería incluir, a ser posible, la preparación o el biselado (si es necesario) de los mismos para soldar. La medida de las dimensiones reales (compensación automática de tolerancias) es fundamental para obtener el corte y/o el biselado necesarios.

En el caso de soldar placas de extremo o casquillos a vigas o columnas, el sistema de transporte interno debería ser tal que se pudieran incorporar fácilmente al proceso de fabricación, por ejemplo en paralelo. Lo mismo se aplica al curvado o al enderezado de perfiles tubulares.

3.1

Corte

La fabricación de una estructura empieza, en general, con la preparación de los extremos de las barras, en la cual se ven fundamentalmente implicados los diferentes métodos de corte.

En el caso de los perfiles tubulares estructurales, los métodos que se usan con más frecuencia son el corte por aserrado y el corte con soplete. A menudo, en las fabricaciones ligeras, se hacen el corte y el plegado simultáneamente y en una sola operación, mediante un troquel en una prensa. Dependiendo de la forma del extremo de barra que se precise, la operación incluye el corte a escuadra, el corte a inglete, el perfilado y el cizallado-aplastado.

3.1.1

Corte plano por aserrado

El aserrado principalmente se utiliza para preparar los extremos que se acoplan a planos simples. Este es, concretamente, el caso de la superficie de intersección en los nudos de RHS. Se aplica cuando los cortes son a escuadra o en ángulo.

La herramienta para cortar es una robusta sierra circular con avance hidráulico, una robusta sierra de banda o una sierra alternativa de arco. Para más detalles, ver [6].

También es posible efectuar una doble operación de corte con una cortadora de cabeza giratoria (fig. 3.1 ). Además, para obtener un mayor rendimiento, se ha desarrollado la maquinaria de corte capaz de actuar simultáneamente en ambos extremos de los perfiles tubulares. En este caso hay que procurar evitar la torcedura recíproca.

Fig. 3.1 - Corte doble de un perfil tubular

25

La unión directa entre los perfiles tubulares circulares necesita un corte "perfilado", a

menudo denominado "silla de montar" (fig. 3.2). Sin embargo, las curvas de intersección multiplanares pueden ser sustituidas por cortes planos en la barra (fig. 3.3), empleando el procedimiento del aserrado, en función de los diámetros relativos de los tubos utilizados en el nudo. Es necesario conocer y limitar la separación entre los extremos de las barras de relleno y la superficie del cordón para poder unirlos con la soldadura.

d1~11

B1090°Nm

~

Unión en K

Unión enT

Unión en N

Unión en X (8 = 90°: nudo en cruz)

Unión en KT

Fig. 3.2 - Tipos de uniones soldadas entre CHS

Fig. 3.3 - Nudo fabricado por aserrado de corte plano antes de soldar (se introduce una placa entre las barras de relleno para tener una unión soldada adecuada)

26

Los siguientes parámetros determinan el tamaño de la separación entre los extremos de las barras de relleno y la superficie de los cordones para realizar la soldadura: 1. Número de cortes planos. d 2 .

2. Relación entre el diámetro de la barra de relleno y el diámetro del cordón, 0 3. Espesor de pared de la barra de relleno, t 1,2 .

4. Angulo de inclinación del eje de la barra de relleno con respecto al eje del cordón, 0 1,2 .

El procedimiento más sencillo es el de un corte único. Sin embargo, éste sólo se puede aplicar en los nudos con relaciones d1,2 /d 0 muy pequeñas.

Cuando se unen una barra de relleno CHS a un cordón de CHS con un diámetro considerablemente más grande (fig. 3.4), la primera se puede cortar plana en el extremo, si se verifica la condición de que

d'

91 :::; tr siendo tr el menor de los dos valores t0 y t 1,2 . Otra condición, más general, es: g2

:::;

3 mm

-

t1

Fig. 3.4 - Unión entre CHS con un único corte plano en el extremo de la barra de relleno.

La Tabla 3.1 muestra las combinaciones límites recomendadas entre los diámetros de las barras de relleno y los de los cordones para el nudo tipo dado en la figura 3.4, con la condición de que g2 :::; 3 mm.

Tabla 3.1

do mm

d1 mm

do mm

d1 mm

33,7

26,9

88,9

33,7

42,4

26,9

101,6

42,4

48,3

26,9

114,3

42,4

60,3

33,7

139,7

48,3

76,1

33,7

168,3

48,3

Las relaciones grandes de d1/d 0 conducen a grandes separaciones para la soldadura y hay que tener especial cuidado durante la misma para evitar cualquier influencia negativa en la capacidad resistente del nudo. La verdadera desventaja de una separación grande es el elevado coste que supone la soldadura entre ambos elementos.

En estos casos, se puede reducir la separación de soldadura realizando un "perfilado" apropiado por medio de: a) dos cortes planos seguidos por el rectificado o el corte (cizallado) del área de "punta" (ver fig. 3.5) b) dos o tres cortes planos sucesivos utilizando las ecuaciones correspondientes a los ángulos de corte ~g y ~d de figura 3.7.

27

Fig. 3.5 - Operaciones para alisar el área de "punta" A: rectificando los ángulos internos B: rectificando con plantilla C: cizallando.

~--,· 1·

d,

-,

tT ;

mlu

st

_¡_

n

1

1

\

9/-"' _ _ _ _ _ _ _ _ _t_ __ \

-

Fig. 3.6 - Cortes planos de extremos de barras de relleno para uniones entre CHS (Método A)

+

2 cortes

h= d;-

¡r-;;

3 cortes

Q=) r'¡ 2 do

d 2

2

- - ( r 1 - t 1) 4

h=--

O'g

O'.ct

= arctg = a rctg

hsen(J) ( r'¡ +hcos ()

f3g = 90° - 0 +0:g

'

2

= arctg

hsen() ( r'¡ +hcos () - Q sen

a:d

= arctg

hsen() ) ( r' ¡ - h cos () - Q sen ()

( r'¡ - hcos ()

2cortesy3cortes:

o

O'g hsen(J

0

(rí - t¡)2

{3d =- 90°

\

8-}

+e +Üd

Fig. 3.7 - Cortes planos de extremos de barras de relleno para uniones entre CHS (Método B)

28

Método A (fig. 3.6): "a" en la figura 3.6 se determina de acuerdo con la ecuación: r'2 a= - 1--r'

2ro

1

d1 -2t1

donde, r; = radio interior de la barra de relleno= - -2 d r0 = radio exterior del cordón = 2 El valor "a" es constante, independientemente de cual sea el ángulo de inclinación e.

Empezando desde el punto "n" determinado por el valor "a", se dibujan las líneas "n-m" y "n-u". Estas definen los planos de corte, cuyas inclinaciones hay que medir. Después de hacer ambos cortes, se recortan los bordes según los requisitos, con el fin de que la barra de relleno encaje perfectamente en el cordón. El alisado del "área de punta" se puede llevar a cabo mediante cualquiera de las tres operaciones mostradas en la figura 3.5.

°

Método B (fig. 3.7): Este método es válido para dos y tres cortes. El valor "h" de la figura 3.7 es un valor constante, independientemente de cual sea el ángulo e, que se puede calcular mediante las fórmulas dadas en la figura 3.7.

Los valores intermedios a 9 y ad también se pueden calcular empleando las fórmulas correspondientes.

Después se pueden determinar los ángulos de corte necesarios ~g y ~dEI procedimiento detallado del cálculo para determinar las separación máxima de la soldadura se indica en [26].

3.1.2

Corte con soplete

Este procedimiento de corte se aplica en especial a los perfiles tubulares circulares para hacer cortes perfilados, bien manualmente o bien con máquinas automáticas. El corte manual con soplete se usa principalmente para cortar en la misma obra o para cortar perfiles de gran tamaño. En las últimas décadas, los fabricantes de máquinas herramientas han desarrollado y perfeccionado las máquinas de corte automático con soplete y estas son las que se usan habitualmente en los talleres. Estas máquinas cortan y dan forma a los extremos de los CHS para cualquier combinación entre los diámetros y los ángulos dentro de sus límites de trabajo.

3.1.2.1

Corte manual con soplete

En este procedimiento, se coge con la mano el soplete y se sigue la línea del corte en el perfil tubular con o sin una guía. La trayectoria del corte se puede marcar directamente sobre el perfil tubular o con una plantilla tal como una fina plancha de metal. Para determinar el lugar del corte se toman como referencia el punto del talón (A) y el de la punta (8) (ver figura 3.8).

Las líneas de contacto teóricas son: - del lado del punto A en el talón, en el exterior de la barra de relleno - del lado del punto B en la punta, en el interior de la barra de relleno No es necesario hacer chaflán cuando los espesores de pared de las barras de relleno sean inferiores a 5 mm, pero para espesores de pared mayores de 5 mm, hay que biselar los contornos como preparación para soldar.

La figura 3.9 a - c muestra la transición del chaflán a lo largo de la curva de intersección en varios puntos.

29

B

~

~·~·----'--·-·+ 1>11\SS'SS'I'

S "S S'S'I

SSl''SSSS SS,

\S\\Sl

Fig. 3.8 - Puntos de referencia, talón A y punta B para corte perfilado de CHS

= radio exterior del cordón = radio interior de la barra de relleno = radio exterior de la barra de relleno e = ángulo de inclinación entre el cordón r0 r; r1

p

·-·-=-------::............._, .

--··---+

''

___ ___.:::-_::::::_,;:::-¿/,

y el eje de la barra de relleno = ángulo del chaflán

- - - borde exterior de la barra de relleno - - - - - línea de contacto de la barra de relleno - - - interior de la barra de relleno en la curva "silla de montar"

Fig. 3.9a

Versbón 1: chaflán de 90 con respecto al cordón

Ver3ión 2: chaflán de 90 con respecto a la barra de relleno

Fig. 3.9b - Chaflán para soldadura de la barra de relleno en la zona del corte

30

Versión 3: chaflán variable

Comienza la transición

Detalle 1

puntos intermedios t,<

Detalle 2

min.

Detalle 6

Detalle 4

fin de la transición

2 t1,2

Detalle 5

Detalle 3

Detalle 7

m,n

Detalle 8

Fig. 3.9c

Con respecto al procedimiento de corte manual, el biselado del borde se puede hacer con rectificadora manual o con soplete, dependiendo de la calidad de corte demandada.

Para el corte manual con soplete, hay que seguir la siguiente secuencia de trabajo: - Determinación de la curva de intersección.

- Creación de la plantilla.

- Marcado del tubo.

- Corte manual con soplete.

- Ejecución de los bordes de soldadura y corrección de las curvas de intersección para los diámetros internos y externos.

- Corrección final de los bordes con una esmeriladora.

El procedimiento habitual para crear las plantillas para perfilar es marcar los extremos de los CHS como se indica en la figura 3.1 O. El corte manual con soplete no es muy preciso y, normalmente, para asegurar la precisión habrá que rectificar la superficie del corte.

31

Fase 1

Fig. 3.1 Oa - Creación de una plantilla para dar forma a los extremos de CHS

L5

L6

L6

L5

Perfil requerido Perímetro de la barra

-2

3

4

12 intervalos iguales

5

6

7

6

-5

4

3

2

Fig. 3.1 Ob - Realización de una plantilla para dar forma a los extremos de CHS

3.1.2.2

Corte automático con soplete

El principio de funcionamiento de las máquinas automáticas de corte con soplete se basa, principalmente, en dos sistemas: 1. El soplete cortador se mueve horizontalmente mientras la pieza (CHS) sólo rota. El soplete cortador también se inclina hacia arriba y hacia abajo para realizar el bisel.

2. La pieza (CHS) permanece inmóvil mientras el soplete cortador efectúa movimientos tanto de traslación como de rotación y también desciende para cortar el chaflán.

32

La máquina automática de corte con soplete de la firma Müiler, Opladen, Alemania, introducida en los años cincuenta, ha sido pionera en este campo, estando la máquina controlada por un dispositivo de palancas. El ajuste de las palancas resulta sencillo de efectuar y sin cálculos, dado que los valores de los diámetros de CHS, los ángulos del bise! y a inglete, y la excentricidad se pueden introducir directamente en la máquina. La máquina corta en bisel, a inglete y las curvas de intersección de forma automática con un cortador por soplete orientado. Está provista de propulsión mecánica y de un sistema reproductor de plantillas que permite a la máquina cortar otras formas de intersección, las cuales no se pueden hacer utilizando el sistema de palancas. Todas las curvas de intersección se pueden cortar con el chaflán de soldadura apropiado, lo que significa una importante reducción de los costes de fabricación.

Fig. 3.11 - Máquina automática de corte con soplete asistida por ordenador

Tubo principal

Tubo acoplado

Tubo acoplado colocado sobre el tubo principal

Tubería principal

Tubería penetrante

Tubería penetrante introducida en la tubería principal

Fig. 3.12 - Penetración concéntrica y excéntrica de barra de relleno en tubería principal

33

En la actualidad, existen en el mercado varias máquinas de corte con soplete asistidas por ordenador. la precisión y repetibilidad del corte son muy buenas comparadas con las de las máquinas de corte tipo palanca o con las de corte manual con soplete. Esto también ofrece grandes ventajas para la soldadura.

Estas modernas máquinas permiten las siguientes posibilidades de corte: - Ingletes simples o dobles.

Ajuste concéntrico o excéntrico.

- Penetración concéntrica o excéntrica (ver figura 3.12).

- Penetración automática para soldadura.

Otros ajustes especiales El procedimiento de funcionamiento suele ser el siguiente (ver figura 3.9a): 1. La máquina lee los siguientes datos: - Diámetro externo del CHS principal (do= 2r0) ·- Diámetro externo del CHS de la barra de relleno (d 1,2 = 2r 1,2 ) - Diámetro interno del CHS de la barra de relleno (d'1 2 = 2r'1 2 ) -- Angulo de inclinación entre el eje de la barra de relleno y el del CHS principal (0) - Angulo de apertura del chaflán (¡3) para soldar 2. Después de encender la llama, se precalienta el material para hacer un corte por penetración. Durante este proceso, el soplete se traslada automáticamente unos cuantos centímetros más allá de la línea de intersección hasta introducirse en e! metal de desecho.

3. Al corte por penetración le sigue automáticamente la entrada en funcionamiento de la orden del corte seleccionado. El soplete sale de la parte desechada, se introduce en la curva de corte dada y continúa la operación del corte.

4. E! procedimiento del corte finaliza después de un giro de la pieza (CHS) de algo más de

360°.

Si el corte por penetración no empieza más allá de la curva de intersección, los defectos, como los que aparecen en la figura 3.13, pueden provocar problemas de soldadura,

Fíg. 3.13 - Defectos provocados por un corte por penetración mal ejecutado

34

3.1.3

Ranurado

Las uniones entre perfiles tubulares se hacen, a veces, insertando elementos soldados en ranuras recortadas en los perfiles tubulares.

Los tipos de uniones con ranuras más utilizados son los siguientes: - las uniones con cartelas en los extremos (fig. 3.14) - las uniones con ranuras en el cuerpo de las barras (fig. 3.15}.

Fig. 3.14 - Unión ranurada a) con una cartela plana b) con una cartela doblada.

Fig. 3.15 - Ranura en el cuerpo de un CHS con una cartela plana que lo atraviesa completamente

Las ranuras, como una regla completamente cerrada por costuras de soldadura, deben permanecer selladas para prevenir la corrosión interna. Esto se hace mediante tapones con forma adecuada que cierren las aberturas semicirculares presentes en los extremos de los perfiles tubulares. Sin embargo, para las partes galvanizadas en caliente, es preciso evitar que las aberturas estallen debido a la alta presión presente en la masa de aire encerrada Las ranuras de los perfiles tubulares se cortan utilizando los siguientes métodos: - Entalladura, empleando cuchillas especiales.

- Corte manual con soplete.

- Corte semiautomático con soplete.

- Ranurado con fresa.

- Ranurado con discos abrasivos.

Para ranurar con el soplete manual, conviene taladrar un agujero, en el extremo de la ranura deseada, en la pared del perfil tubular. El diámetro del agujero es ligeramente mayor que el ancho de la ranura. Por último, se cortan los lados llevando el soplete desde los extremos hacia el agujero (fig. 3.16).

35

Fig. 3.16 - Corte de ranura con soplete manual

Otro método de ranurado es la utilización de una fresa-sierra circular con la cabeza paralela a la pieza (fig. 3.17).

Fig. 3.17 - Corte de ranura mediante fresadora

El corte manual por gas puede causar problemas en operaciones posteriores, como por ejemplo en la precisión del montaje o en el rendimiento de la soldadura debido a la falta de precisión en el extremo cortado o en el ancho o longitud de la hendidura. La longitud de la hendidura, lugar de concentración de tensiones, requiere un proceso especialmente preciso.

Sin embargo, cuando no se puede evitar el procedimiento manual, hay que guiar el soplete.

Además, la relajación de las tensiones producida por el calentamiento y el corte pueden dar lugar a la distorsión del perfil. Con el fin de evitarlo, parte del extremo de la cabeza se puede dejar sin cortar hasta que se enfríe.

3.1.4

Corte por láser

El corte por láser está adquiriendo cada vez más importancia en la última década debido a la alta calidad que presenta, resultados precisos, la flexibilidad y los bajos costes de fabricación. La necesidad de tratamientos posteriores es escasa o nula. El funcionamiento y el control son casi idénticos a los de las máquinas de corte con soplete asistidas por ordenador, pero el medio de corte son los rayos láser. Actualmente, las máquinas normales de corte por láser cortan los siguientes espesores de pared, para geometría plana, sin ningún problema: - acero sin alear hasta 16 mm aproximadamente - acero inoxidable hasta 1O mm aproximadamente - aluminio hasta 6 mm aproximadamente El índice de corte puede llegar hasta 1O m/min. con una tolerancia muy baja de ± O, 1 mm, la cual puede jugar un papel ventajoso en otras fases de la fabricación como, por ejemplo, en la soldadura. La zona afectada por el calor (HAZ), que es muy pequeña, proporciona calidad

añadida.

36

Sin embargo, la desventaja radica en los altos costes de inversión, lo que impide que muchas pequeñas y medianas empresas puedan aplicar este método de corte.

3.1.5 Corte por plasma En el corte por plasma se usa un gas (Ar, N2 o Ar + N2 o N2 + H2), calentado con un arco eléctrico concentrado, para el corte. Un delgado chorro de gas golpea la pieza a una gran velocidad. Debido a la alta concentración de energía, el corte es más rápido que con !os otros métodos y, en la mayoría de los casos, se obtienen cortes sin ninguna distorsión. Los cortes de calidad se pueden llevar a cabo dentro de unos límites de espesor de pared de 4 a 35 mm, aunque se puede llegar hasta los 45 mm con cortes de calidad reducida.

En la actualidad hay en el mercado pequeñas máquinas compactas transportables, así como instalaciones de gran capacidad.

3.2 Aplastamiento En muchos casos, para hacer un nudo, los extremos de los perfiles tubulares circulares se aplastan para evitar el corte de caras y complicadas curvas de intersección y la preparación de todos los chaflanes necesarios para soldar. El aplastamiento de extremos en los partiles tubulares rectangulares no es un procedimiento habitual. En una estructura, los CHS con extremos aplastados se unen bien sea con soldadura o con tornillos (ver fig. 3.18 y 3.19), con los extremos preparados mediante un corte plano.

Fig. 3. i a - Unión soldada con los extremos de las barras de relleno de CHS aplastados

37

Fig. 3, 19 - Unión atornillada con los extremos de las barras de relleno de CHS aplastados (para incrementar la capacidad resistente de la sección transversal debilitada por el agujero del tomillo, los extremos aplastados de las barras de relleno están reforzados con placas soldadas)

El aplastamiento se puede llevar a cabo en estado caliente o frío.

Para el aplastamiento en caliente, sólo se calienta la zona afectada por el aplastamiento hasta una temperatura de entre 750 y 900ºC. El calentamiento se puede hacer con electricidad, soplete oxiacetilénico o con sopletes de butano y propano. Con una baja inversión y cuando se requiere una producción en serie, se pueden instalar quemadores continuos adecuados (fig. 3.20).

1

2

! !

----------

4

3

~

-----~·--

_f4.~ _ _

wt w

- - - - · --·-·----

1 1 1 1 ~---J.. __ __¡.._

.1 ..

5

R

e

~ ~__¡..___1___

Fig. 3.20 -- Diseño de la disposición de los quemadores para una instalación de aplastamiento en caliente

No existe ninguna regla que indique si hay que aplastar los perfiles en estado caliente o en frío. Así pues, se suele utilizar el aplastamiento en frío, el cual es relativamente simple, rápido y menos caro. El material se deforma plásticamente durante el aplastamiento en frío y se producen deformaciones tanto en dirección longitudinal como transversal, lo cual puede provocar fisuras. Cuando se producen fisuras, éstas se localizan en los bordes aplastados, donde se origina la mayor deformación: la deformación local puede llegar a superar el 200% (unos simples cálculos lo pueden confirmar). Como no existe una norma bien definida sobre e! aplastamiento, se recomienda hacer ensayos preliminares para probar la capacidad de cada método concreto de aplastamiento en el caso de tener grandes cantidades de material a trabajar.

38

Durante el aplastamiento en frío, se pueden producir fisuras a lo largo de la costura de soldadura del perfil tubular. Sin embargo, se pueden evitar desviando la costura de la línea de máxima deformación.

Además, es necesario elegir adecuadamente el valor d/t relacionado con el método de aplastamiento. En general, el aplastamiento resulta más sencillo cuando d/t es mayor.

Basándose en la práctica del taller y en la resistencia del nudo, se utilizan varios tipos de aplastamiento. Las principales posibilidades se muestran en la figura 3.21 ..

Fig. 3.21 - Tipos de aplastamiento A. Cizallado-aplastado B. Aplastamiento completo C. Aplastamiento con troquel rebajado D. Aplastamiento parcial

Las figuras 3.22 a 3.26 muestran los esquemas de las herramientas aplastadoras correspondientes a varios métodos. La forma de los troqueles determina la inclinación y la forma, además de la longitud de la transición. Es posible que se originen fisuras si no se eligen correctamente y se ajustan unos con otros.

3.2.1

Cizallado-aplastado

El cizallado-aplastado es un método muy económico, en el que el corte y el aplastamiento a fondo de los extremos de los perfiles tubulares se hace en una sola operación con la misma herramienta, que puede ser una cizalla, una guillotina o, para perfiles pequeños, una entalladora (ver figura 3.22). En este proceso, el aplastamiento a fondo se produce en el final del extremo.

2

Fig. 3.22 - Esquema de una máquina de cizallado-aplastado mostrando los principios de funcionamiento

Tal y como muestra el dibujo 1 de la figura 3.22, la pieza se coloca horizontalmente, mientras que la cuchilla inferior se ajusta hasta hacerla sobresalir una distancia casi equivalente al radio del CHS, dando lugar a un aplastamiento simétrico.

En el dibujo 2, la cuchilla fija está al nivel de la mesa, mientras que el CHS está ligeramente inclinado para evitar un aplastamiento asimétrico. Un extremo cizallado-aplastado sólo es apropiado para la soldadura.

39

3.2.2

Aplastamiento completo

La figura 3.23 muestra el esquema del troquel en el que se indica que, en este proceso, una parte relativamente larga se somete a un aplastamiento completo. Se recomienda que la longitud t de la zona de transición esté entre 1,2 d y 1,5 d. Es preciso que los bordes de los troqueles estén redondeados para evitar cualquier fisura transversal.

1,2 d < t < 1,5 d Fig. 3.23 - Aparato simple para un aplastamiento completo de los extremos de CHS

La figura 3.24 muestra un diseño del troquel para dar forma a la zona de transición, que abarca una longitud mayor, t de entre 1,7 d y 2,2 d.

1,7 d < t < 2,2 d Fig. 3.24 - Troquel para aplastamiento completo con una zona de transición más larga

Otro método de aplastamiento, especialmente usado en Japón, es el de insertar un trozo de perfil CHS en los extremos de los CHS que hay que aplastar, y después, la sección exterior se aplasta junto con la interior. Este método se utiliza principalmente para aplastar extremos de barras de relleno de nudos de CHS con el fin de evitar que aparezcan fisuras y fortalecer más los extremos de las barras de relleno.

3.2.3

Aplastamiento con troquel rebajado

En este caso, el aplastamiento se lleva a cabo en una prensa con dos troqueles rebajados que llevan incorporado un cambio gradual de la sección tubular (fig. 3.25). La longitud de la zona de transición es a menudo igual a 2d.

La forma obtenida es apropiada para el atornillado y más eficaz en tracción y en compresión que la obtenida en los simples troqueles de aplastamiento completo.

Aunque el coste de la inversión es mayor, en la producción en serie éste se ve compensado por la facilidad de aplastamiento y el bajo índice de desgaste.

Fig. 3.25 - CHS aplastado con troqueles rebajados

40

3.2.4

Aplastamiento parcial

La operación de aplastamiento está tan regulada que se pueden obtener caras paralelas reduciendo el recorrido de la prensa e introduciendo una pieza de separación en la parte aplastada (fig. 3.26). Este tipo de aplastamiento se aplica únicamente en nudos soldados, tal y como se muestra en el ejemplo de la figura 3.27.

Fig. 3.26 - Esquema de un aparato de aplastamiento parcial

Fig. 3.27 - Configuración de un nudo con los extremos de CHS aplastados parcialmente

3.3

Curvado (doblado)

Los perfiles tubulares se pueden curvar en caliente o en frío. Como los costes de producción de los perfiles tubulares curvados en frío son menores que los de los curvados en caliente, normalmente se aplican los primeros, mientras que los perfiles tubulares curvados en caliente se utilizan en casos especiales. Durante la deformación del perfil tubular para darle una curvatura permanente, puede aparecer pandeo en la zona interna comprimida y el

41

espesor de pared puede disminuir como resultado de la tracción presente en la zona externa.

Estos cambios en el espesor, así como la posible ovalización del perfil, deben mantenerse tan pequeños como sea posible El curvado de los perfiles tubulares depende de las siguientes propiedades del material: - Límite elástico del tipo de acero.

Cuanto más bajo es el límite elástico, más fácil resulta el curvado.

- Porcentaje de alargamiento.

Un porcentaje de alargamiento último adecuado juega un papel fundamental en el proceso de curvado.

- La microestructura de grano fino en el material favorece el curvado.

Otros factores determinantes son los siguientes parámetros geométricos: Diámetro del CHS ó Altura del RHS - relación .

Espesor de pared del perfil tubular ., Radio de curvatura del curvado - relacion Diámetro del CHS ó Altura del RHS También es importante conocer las dimensiones absolutas del perfil tubular para decidir si se debería aplicar el curvado en caliente o en frío.

R = radio de curvatura

En general, el curvado se hace en el taller. Sin embargo, algunas veces y en especial cuando las dimensiones son pequeñas, se hace a pie de obra. También existen grandes zonas de solape en las que se pueden aplicar ambos métodos de curvado, en frío y en caliente. Algunas veces hay que comprobar si es necesario un tratamiento térmico tras el curvado en frío con el fin de obtener la microestructura inicial de los materiales (la temperatura del tratamiento térmico debe estar de acuerdo con el tipo de acero utilizado).

3.3.1

Métodos de curvado en frío para CHS

A continuación, se describen varios métodos que se utilizan para el curvado de CHS en frío.

3.3.1.1

Curvado en frío por presión

El esquema mostrado en la fugura 3.28 demuestra el principio de funcionamiento. Tras colocar un perfil tubular entre dos rodillos fijos, se curva por el desplazamiento del conformador central, normalmente conectado a un empujador hidráulico.

Esta operación también se puede llevar a cabo manteniendo quieto el conformador central y empujando los rodillos laterales.

Este método se usa normalmente para doblar en arcos de 180° con una amplia gama de dimensiones. Sin embaro, la presión localizada proporciona poca precisión y un aspecto pobre comparado con los procesos mecánicos facilitados en los apartados 3.3.1.2 al 3.3.1.4.

42

/··:::_..._

,;/

/ Z ~"-"-

/;/

e~

Parte móvil - en blanco Parte fija - en negro

"- 2,

"-. ".

Fig. 3.28 - Curvado en frío por presión

3.3.1.2

Curvado en frío mediante caja "conformadora"

El principio de funcionamiento mostrado en la figura 3.29 describe cómo se introduce la pieza en una caja "conformadora" preperfilada "A". La caja "conformadora" "A" se fija a una base horizontal. Una caja guía recta "B" se coloca enfrente de la conformadora curvada. La pieza "C" se introduce en la caja guía "B" y después en la caja "conformadora" "A" mediante el empujador "D". Después, la caja guía "B" pasa a la posición "B" para que se pueda extraer la pieza al mismo tiempo que se repite la operación desde el otro lado, expulsando la pieza terminada.

Fig. 3.29 - Curvado en frío utilizando una caja "conformadora"

Con el fin de evitar cualquier daño a la herramienta, los extremos de la pieza a trabajar deben estar provistos de un tapón guía. Además, la lubricación es fundamental.

El método sólo resulta económico si se necesitan muchos curvados con el mismo tamaño de perfil tubular.

3.3.1.3

Curvadora de rodillos (fig. 3.30)

Esta herramienta, con la que se produce el curvado pasando la pieza a través de tres rodillos, es, en general, la preferida por los fabricantes de estructuras de acero. Los tres rodillos pueden ser motrices, pero el central, que determina el radio, puede actuar simplemente de guía.

.

Fig. 3.30 - Curvado en frío con tres rodillos

43

Los rodillos se tienen que adaptar al tamaño del perfil tubular a curvar. Así pues, las dimensiones del rodillo son acordes a los tamaños de los CHS. También existen curvadoras de cuatro rodillos, uno de los cuales actúa de guía (fig. 3.31).

Fig. 3.31 - Curvadora de 4 rodillos

Para curvado en frío con curvadora de rodillos, en la práctica el límite del radio de curvado es de, aproximadamente, 5 veces el diámetro externo del tubo.

3.3.1.4

Curvado mediante cortes a inglete (fig. 3.32)

Normalmente, para curvas de radio grande, se pueden obtener curvas aproximadas uniendo secciones rectas extremo con extremo y soldándolas por dichos extremos previamente cortados con un ángulo adecuado.

Fig. 3.32 - Corte a inglete y soldadura

3.3.2

Métodos de curvado en frío para RHS

Para el curvado en frío de RHS se usan habitualmente los siguientes métodos: - Curvado con rodillos - Cortes a inglete o muescas en V - Curvado en frío por presión

3.3.2.1

Curvadora de rodillos

En principio, el proceso es idéntico al indicado en el apartado 3.3.1.3, aunque los resultados del curvado son diferentes debido a la forma y las caras planas de los RHS. La cara interna se comprime, la pared externa se extiende y las paredes laterales muestran ambos comportamientos. En general, el resultado es de convexidad en una o las dos paredes laterales y de concavidad en la superficie interna (fig. 3.33). Se producirán algunas alteraciones en cuanto a la altura de las regiones curvadas. Por consiguiente, hay que contrastar que el adelgazamiento de la pared y las deformaciones cumplen con los requisitos de las especificaciones de la obra [19].

Los radios de curvado de los perfiles tubulares cuadrados y rectangulares, obtenidos mediante curvadora con tres rodillos, aparecen listados en el Apéndice D [19].

44

Después del curvado

Antes del curvado b

r

---t

b'

~1

• 1

v

h' h

h

Fig. 3.33 - Típicas secciones de RHS antes y después del curvado en frío con rodillos.

Se han obtenido mediante extensos ensayos en los que se han empleado tipos de acero con las siguientes propiedades mecánicas nominales: = 350 MPa Límite elástico mínimo Resistencia última a tracción = 450 - 620 MPa Módulo de Elasticidad de Young = 200000 MPa Los valores indicados en el Apéndice D son sólo aproximados, puesto que son valores relativos a los detalles de la curvadora de rodillos utilizada para llevar a cabo los ensayos (ver tabla 3.2). Así pues, se recomienda hacer unos cuantos ensayos de curvado con una máquina para determinar los tamaños y las disposiciones de los rodillos antes de empezar la fabricación.

Tabla 3.2 - Detalles de la curvadora de 3 rodillos utilizada para determinar los radios de curvado del Apéndice D

Curvadora de rodillos

Diámetro externo de los rodillos (mm)

Distrancia entre el eje vertical del rodillo central y del de los rodillos laterales

nº

Rodillo central móvil

Rodillo fijo

1

430

385

710

2

515

460

1015

3.3.2.2

(mm)

Cortes a inglete o muescas en V

Se puede llevar a cabo un curvado aproximado, para grandes radios de curvatura haciendo cortes a inglete de la misma forma que para los CHS (fig. 3.32) descritos en el apartado 3.3.1.4.

Para dimensiones de RHS más pequeñas, la forma curvada también se puede obtener recortando muescas en V en tres de las caras y plegando la cara restante. Se cierran entonces las muescas y se sueldan los bordes (fig. 3.34).

Fig. 3.34 - Obtención de una forma curvada mediante recorte de muescas en V

45

3.3.2.3

Curvado en frío por presión

El método descrito en el apartado 3.3.1.1 también se puede emplear para RHS.

3.3.3

Métodos de curvado en caliente

Se pueden aplicar los siguientes métodos de curvado en caliente: - Curvado en caliente rellenando el perfil tubular con arena (CHS y RHS) - "Hamburger Rohrbogen" (sólo CHS) - Curvado por inducción (CHS y RHS) - Curvadora de rodillos (CHS y RHS) - Combadura (CHS y RHS) Hay que tener cuidado al curvar en caliente perfiles conformados en frío, ya que la aplicación del calor necesario para curvar los perfiles en caliente puede provocar alteraciones en las propiedades mecánicas.

3.3.3.1

Perfiles tubulares rellenos de arena (fig. 3.35)

A pesar de ser aplicable a CHS y a RHS, este método sirve en general para curvar en caliente CHS de diámetros y espesores de pared grandes.

El perfil tubular se rellena de arena, la cual se comprime a continuación antes del calentamiento con el fin de evitar deformaciones en el lado interno de la pieza y mantener la ovalidad lo más reducida posible. A continuación, se calienta la zona afectada por el curvado hasta una temperatura de entre 850 y 11 OOºC y se extiende la pieza sobre una plantilla. El proceso se realiza de forma continuada; después de que se ha enfriado la primera zona curvada, comienza el curvado de la zona contigua, y así sucesivamente hasta que termine el curvado total necesario.

Fig. 3.35 - Curvado en caliente de perfil tubular relleno de arena

3.3.3.2

"Hamburger Rohrbogen" (sólo CHS)

"Hamburger Rohrbogenwerk" fue el inventor y propietario de la patente del clásico procedimiento de conformado en caliente para fabricar tubos curvados de CHS sin pliegues, calentándolos a una temperatura de entre 850 y 11 OOºC e introduciéndolos a continuación

46

en un mandrino interno. Se produce simultáneamente un aumento del diámetro y un curvado con el radio de curvatura deseado.

3.3.3.3

Curvado por inducción (fig. 3.36)

Este método de curvado puede servir tanto para perfiles tubulares circulares corno para rectangulares. Sin embargo, para éstos últimos es necesario una mayor investigación [26].

El principio de funcionamiento de esta máquina está basado en el calentamiento por inducción aplicado en una corta longitud bajo un estricto control de temperaturas. El curvado sólo se produce en la pequeña zona calentada. Tras ello, el perfil tubular es impulsado hacia adelante e introducido en el inductor. La zona siguiente se calienta, se curva y así sucesivamente.

La máquina permite un amplio campo de validez en las variaciones de la relación entre el diámetro con respecto al espesor de pared, y al radio y al ángulo de curvado que hay que obtener. Mediante el curvado por inducción se pueden conseguir curvas de radío muy pequeño incluso con diámetros y espesores de pared grandes [25].

Fig. 3.36 - Cwvado por inducción

47

3.3.3.4

Curvadora de rodillos

Tanto los perfiles circulares como los rectangulares se pueden curvar por este método. En el curvado en caliente, el radio de curvado límite puede ser menor que en el curvado en frío (3 veces el diámetro exterior del CHS).

3.3.3.5

Combadura (peraltado)

En muchas estructuras se necesita una curvatura relativamente pequeña (radio muy grande), por ejemplo cuando a una celosía se le necesita dar contraflecha para garantizar que no va a deformarse excesivamente bajo carga. Estas curvas de radio grande se pueden obtener en frío por presión o curvando con rodillos, tal y como se describe en los apartados 3.3.1.1 y 3.3.1.3 respectivamente. Sin embargo, también se puede utilizar otro método que no usa como equipamiento especial nada más que un soplete.

Simplemente calentando un lado del perfil tubular y dejándolo enfriar, éste se curvará, mientras se enfría, hacia el lado que se ha calentado. Con la práctica, este método puede llegar a ser tan preciso como para obtener las curvas requeridas. Sin embargo, hay que anotar que la cantidad de curvatura variará con la cantidad de calor aplicada, el tamaño, el espesor y el tipo de perfil (acabado en caliente o conformado en frío).

3.4 Atornillado Básicamente, el atornillado de los perfiles tubulares no se diferencia del utilizado en la construcción convencional con acero. Diversas normas nacionales e internacionales [50, 54, 59, 66] recomiendan métodos de cálculo para la aplicación de tornillos corrientes y de tornillos de alta resistencia sin pretensar y con par de apriete controlado (pretensados). No se tratarán en este libro, ya que los ingenieros y los diseñadores los conocen bien. En general, hay que comprobar los tornillos y las placas con respecto al esfuerzo cortante, a la presión de contacto y a la rotura del área neta de la sección transversal.

Además, las guías de diseño del CIDECT nº1 [1] y 3 [3] ya han tratado las siguientes uniones atornilladas, bajo cargas predominantemente estáticas, junto con sus detalles correspondientes: - Unión de nudos de CHS con bridas [1] - Unión tubo - placa con horquilla [1] - Unión tubo - placa [1] - Unión tubo - casquillo de T [1] - Unión tubo - cartela [1] - Unión de nudos de RHS con bridas [3] - Unión RHS - cartela [3] La guía de diseño del CIDECT nº 6 [6] indica también que el comportamiento a fatiga de las uniones con tornillos de alta resistencia pretensados es más satisfactorio que el de las uniones con tornillos corrientes, y muestra ejemplos de uniones con bridas.

Los apartados 4.4.1 , 4.4.2 y 4.4.4 muestran varias uniones atornilladas de perfiles tubulares, tanto con otros tubulares como con perfiles abiertos, y describen las bases del diseño. Como se indica en el apartado 4.4 en perfiles tubulares el atornillado habitual es sólo aplicable en uniones indirectas, vía placas o perfiles abiertos como los antes descritos.

3.4.1

Tornillos ciegos

Los sistemas de atornillado ciego (o atornillado desde un lado) utilizan tipos especiales de tornillos o inserciones, o sistemas especiales de taladrado. Como su nombre indica, permiten que el atornillado se lleve a cabo desde un solo lado de la unión, eliminando la necesidad de llegar a ambos lados de la unión como ocurre en una unión estándar de

48

tornillos y tuercas. Esto permite, por ejemplo, que los detalles de las uniones de vigas atornilladas con perfiles tubulares estructurales se diseñen casi exactamente como se diseñarían los de vigas con columnas de perfil abierto (ver fig. 3.37) ..

Fig. 3.37 - Uniones con tornillos ciegos de una viga con una columna de perfil tubular

A pesar de que varios sistemas de tornillos ciegos existen desde hace unos cuantos años, nunca se habían empleado en aplicaciones estructurales, principalmente porque contaban con diámetros demasiado pequeños para este tipo de aplicaciones. Además, como consecuencia, se habían hecho muy pocas investigaciones acerca de la resistencia y el comportamiento estructurales.

Sin embargo, en los últimos años han aparecido varios sistemas de tornillos ciegos, como por ejemplo el Barrenado con fluencia, Lindapter HolloFast y HolloBolt y Huck Ultra-Twist, con tamaños de tornillos estructurales de hasta M20 o incluso M24.

CIDECT ha hecho en los últimos años ensayos exhaustivos para demostrar la capacidad resistente bajo carga correspondiente a los sistemas de Barrenado con fluencia, Lindapter Hollofast y HolloBolt (20 ... 23].

3.4.1.1

Barrenado con fluencia en perfiles tubulares

El sistema de barrenado con fluencia es un método especial patentado para agujeros extruidos. Utiliza una broca de fricción con cuatro lóbulos de carburo de tungsteno para extruir en caliente un agujero. Esta forma un cono truncado en el extremo opuesto del material de trabajo y un pequeño recalcado en el lado próximo. El recalcado se puede eliminar con una fresa incorporada en la broca. Entonces, se rosca el agujero, preferiblemente con un macho (laminador) de roscar que con un macho de roscar cortante, para obtener una profundidad eficaz o una longitud eficaz de rosca entre 1,5 y 2,0 veces el espesor del material. La figura 3.38 muestra el esquema del sistema de barrenado con fluencia.

La ventaja más importante de este sistema es que el equipamiento está basado en el taller de fabricación, en el cual se utilizan tornillos estándar. El diseñador puede utilizar disposiciones de vigas y columnas estándar y no precisa ningún equipamiento especializado a pie de obra.

49

2ª fase

1ª fase Fig. 3.38

Sistema de barrenado con fluencia

Tal y como demuestran los resultados de los ensayos [20, 21], el comportamiento es el siguiente: - Se pueden obtener agujeros roscados en RHS acabados en caliente y conformados en frío con espesores desde 5 mm hasta 12,5 mm y tamaños M16, M20 y M24 con perfiles de rosca de acuerdo con ISO. La capacidad total a tracción de los tornillos de la clase 8.8 puede ser alcanzada por los agujeros barrenados con fluencia y por las roscas realizadas con machos laminadores de roscar bajo normas ISO, con la condición de que el espesor del RHS sea mayor que el espesor mínimo mostrado en la tabla 3.3, tanto para RHS conformados en frío como para RHS acabados en caliente con tipos de acero estructural con límites de fluencia nominales de 275-355 N/mm 2 [62, 64].Tabla 3.3 Tabla 3.3

Tamaño del tornillo

Espesor mínimo del RHS mm

M16 clase 8.8

6,4

M20 clase 8.8

8,0

M24 clase 8.8

9,6

- La capacidad a esfuerzo cortante de los agujeros barrenados con fluencia se puede calcular utilizando las fórmulas habituales de cálculo resistente frente a cortadura correspondientes a una unión estándar de tornillo y tuerca.

3.4.1.2

Lindapter HolloFast y HolloBolt

Los tornillos de expansión HolloFast comprenden un tornillo estándar y un inserto especial de acero que hay que introducir en un agujero obtenido con las técnicas habituales del taladrado. Estos insertos pueden aceptar tornillos estándar de tamaños M8, M1 O, M12 y M16 de la clase 8.8. La figura 3.39 muestra el procedimiento de colocación para la inserción HolloFast.

El principio de funcionamiento es que una vez introducido el inserto en el agujero, que tiene un diámetro adecuado, mediante ligeros golpes de martillo, el ajuste del tornillo en la rosca del cono truncado hace que el cono se mueva y se arrastre hacia el interior del cuerpo del HolloFast. La consiguiente deformación y expansión de la parte cilíndrica produce cuatro aletas. Estos elementos proporcionan la trabazón mecánica necesaria para evitar la salida del tornillo.

HolloBolt es un desarrollo posterior (fig. 3.40) con un procedimiento de colocación algo diferente pero con la misma mecánica básica de fijación. HolloBolt consta de 3 piezas: un tornillo estándar clase 8.8, un manguito de acero dulce y un cono truncado. El fabricante premonta estas piezas. La fijación se lleva a cabo mediante la inserción de un único elemento a través del conjunto montado de las dos piezas que hay que fijar.

50

1 Taladrar un agujero en el lugar deseado e introducir en él el cuerpo del HolloFast por el extremo del cono roscado.

2 Presionar el Hollofast e introducirlo en el agujero hasta que la cara moleteada esté a nivel de la cara del perfil de acero.

3 Introducir el tornillo por el agujero de la pieza a fijar y por el cono roscado.

4 Proceder a apretar el perno. El ajuste del perno hace que el cono se mueva y se arrastre hacia el interior del cuerpo del HolloFast, el cual se expande hasta alcanzar una fijación segura con rosca.

Fig. 3.39 - Detalle de una inserción HolloFast y método de colocación

Fig. 3.40- Sistema HolloBolt

Los resultados de los ensayos de tracción y a esfuerzo cortante se muestran en [22]. Como todavía hay que hacer otros ensayos como por ejemplo el de las uniones solicitadas por momentos, en esta fase del proceso no se pueden sacar conclusiones definitivas.

3.4.1.3

Huck Ultra-Twist

Huck lnternational lnc., con sede en Ogden, Utah, U.S.A., ha desarrollado y ahora comercializa tornillos ciegos [33] con resistencias a tracción y tensiones, una vez instalados, que cumplen con las especificadas para los tornillos ASTM A325 (equivalentes a los tornillos de clase 8.8). Conocidos como fijadores Ultra-twist, se pueden obtener, con tamaños equivalentes a los de los tornillos ASTM A 325, con un diámetro de 3/4 de pulgada (19 mm), 7/8 de pulgada (22 mm) y 1 pulgada (25,4 mm). La figura 3.41 muestra una visión desglosada de un fijador Ultra-Twist y la figura 3.42 ilustra el proceso de colocación.

La colocación se hace empleando una atornilladora eléctrica (como para los tornillos de apriete con torsión y separación), mejor que con una llave hidráulica, que antes era necesaria para los tornillos ciegos de alta resistencia Huck (el HSBB). Además, los fijadores Ultra-Twist se utilizan en agujeros con diámetros de 1/16 de pulgada (2 mm) mayores que los diámetros externos de las unidades, lo cual proporciona los espacios libres convencionales para el atornillado.

51

Arandela del cojinete Arandela de cortadura Manguito de agarre Manguito de bulbo - - - Núcleo del perno - - - -

Fig. 3.41 - Visión desglosada de un fijador Huck-Ultra-Twist

El bulbo de la parte Un solo operario instala posterior se conforma el tornillo ciego UltraTwist desde un lado de la completamente en el aire con un diámetro estructura. La herrauniforme sea cual sea mienta utilizada para la instalación es la atornilla- la sujeción. dora eléctrica estándar con corte utilizada para la instalación de fijadores de tipo Twist-Off Control (T-C). El fijador se introduce y la herramienta se fija.

3

4

A medida que aumenta la carga de instalación, una arandela interna especial de cortadura permite que el bulbo trasero entre en contacto con la superficie de trabajo y que toda la carga de la fijación actúe en la estructura de trabajo.

La continua torsión de la unidad crea la sujeción necesaria y el tornillo de torsión se rompe por cizallado, finalizando así la instalación.

Con una llave con corte S60EZ estándar, el tiempo de instalación de un fijador de 3/4" es aproximadamente de 30 segundos.

Fig. 3.42 - Proceso de instalación de un fijador Huck Ultra-Twist

3.4.1.3.1

Tipos de rotura en uniones con tornillos ciegos Huck

Se han hecho ensayos comparativos [34] sobre uniones atornilladas sometidas a momentos con placas frontales entre las vigas en forma de I y las columnas de RHS, utilizando los tornillos regulares ASTM A325 (clase 8,8) y los Huck HSBB. El comportamiento de la unión en términos de rigidez, capacidad frente a momento y ductilidad resultó similar para los dos tipos de tornillos y se cree que el tornillo ciego Huck Ultra-Twist produciría resultados similares. Si se utilizan los Huck HSBB (o los supuestos fijadores Huck Ultra-Twist) en la cara de una columna de RHS y se cargan a tracción, un posible tipo de rotura es el punzonamiento del fijador a través de la cara de la columna, en cuyo caso el espesor de la columna se convierte en un parámetro crítico [34]. Para evitar este tipo de rotura, la 52

resistencia de los tornillos ciegos a tracción en el estado límite debería ser menor que la resistencia, en el estado límite, de la cara de la columna en el punzonamiento. Se puede demostrar [9] que esto se conseguirá si: t > (0,8 Tr)/(dÍ Fu) donde T~ = resistencia a tracción del fijador d¡ = diámetro del manguito primario del HSBB después de la instalación o diámetro del fijador Ultra-Twist + 6 m (diámetro eficaz estimado del bulbo) = espesor de pared del perfil tubular Fu = resistencia a tracción mínima especificada del material Otro tipo de rotura crítica en la cara de una columna de RHS sin rigidizar y sometida a cargas concentradas de tracción en las posiciones de los fijadores es la fluencia de la cara de unión del RHS. Este mecanismo de rotura se puede producir debido a la flexibilidad de la cara de la columna con valores de esbeltez de pared entre medianos y altos. La resistencia al estado límite correspondiente a este tipo de rotura se puede calcular suponiendo que la pared de la columna se ha cargado como un nudo tipo T a 90° con el montante a tracción . (Ver "Fluencia de la cara del cordón" en la tabla 2 de la Guía de Diseño del CIDECT nº 3 [3], la cual está basada en un mecanismo de línea de fluencia). En este caso, se puede suponer que el "elemento montante", correspondiente a dos tornillos a tracción, sea de ancho (w + dÍ) y alto dÍ, donde w = distancia a lo largo de la cara de la columna de RHS entre los centros de los agujeros para los tornillos.

Si cualquiera de estos tipos de rotura (el punzonamiento y la fluencia de la cara de la columna) produce una resistencia inadecuada para la cara de la columna en la zona a tracción de la unión, la cara de la columna necesitará refuerzo. La mejor manera de conseguirlo es soldando una placa de refuerzo en la cara de la columna. Por desgracia, el refuerzo en las columnas casi siempre es necesario en la práctica para uniones sometidas a momentos, pero puede no ser necesario para uniones simples a cortante.

El problema de que es necesario tener una pared de columna muy gruesa para obtener una unión frente a momentos sin refuerzo se ha reconocido en Japón, donde una reciente investigación se ha centrado en el desarrollo de un método para incrementar el espesor de la columna justo en la zona de unión, utilizando un cilindro de presión y un dispositivo de calentamiento por inducción [35].

3.4.2

Tornillos prisioneros soldados

Los tornillos prisioneros se pueden soldar en la cara del perfil tubular tras limpiar con cuidado la superficie del material. Tal y como muestra la figura 3.43, algunos métodos de soldar tornillos prisioneros dejan un cuello en la raíz (donde el tornillo se junta con la sección). En este caso, hay que rebajar el agujero del tornillo en la brida de unión para despejar el cuello (fig. 3.43a), o bien colocar en el espacio una arandela (fig. 3.43b).

Para las fijaciones de poco peso, tales como los cerramientos de chapa fijados directamente a correas de perfil tubular, se emplean tornillos prisioneros y tornillos autorroscantes.

Fig. 3.43 - Tornillos prisioneros soldados con: a) librando el cuello por rebaje de la brida

b) librando el cuello por colocación de arandela

53

3.5

Claveteado

Como alternativa al atornillado, los perfiles tubulares circulares se pueden clavar entre e!los para formar una unión con empalme insertando un CHS dentro de otro. Para ello, el diámetro interno del mayor tiene que ser el mismo que el diámetro externo del menor. Los clavos se disponen de forma simétrica a través de los dos espesores de pared (fig. 3.44). Otra alternativa es unir dos CHS del mismo diámetro externo colocando un anillo tubular sobre los dos extremos de los CHS.

Fig. 3.44 - Unión de CHS clavada después del ensayo

En el claveteado toma parte una herramienta para dirigir los efectos de la explosión (o pistola) que introduce una aguja balística (o clavo) de gran resistencia en el acero atravesando ios dos espesores de pared (fig. 3.45).

La naturaleza cerrada de esta unión no permite confirmar la adecuada penetración por ambas paredes del CHS de forma directa. Sin embargo, la altura "sin penetrar" de la cabeza del clavo desde la pared exterior del CHS y la medida de la suficiente inserción de un CHS en el otro pueden demostrar la conectividad. Los tipos de rotura observados [30] son el cortante de los clavos y la rotura por aplastamiento o por flexión de la pared del CHS. Las fórmulas que determinan la resistencia última de la unión se encuentran en [6].

Otra aplicación del clavo corno conector estructural es la del perno con conexión mecánica en los perfiles tubulares rellenos de hormigón [31], donde el clavo es introducido en el hormigón a través de la pared de acero.

54

Fig. 3.45 - Fabricación de una unión clavada deCHS

3.6

Métodos de soldar

Tal y como ya se ha descrito en el capítulo 2, la soldadura representa el método más importante de unión de los perfiles tubulares. El apartado 2.1.1 explica la influencia de las operaciones de soldar en los tipos de acero empleados en la fabricación de pertiles tubulares. En el capítulo 4 aparecen ilustradas las aplicaciones de la soldadura así como la combinación de soldadura y atornillado en estructuras y montajes parciales de perfiles tubulares.

Este apartado está dedicado a los métodos de soldar uniones de perfiles tubuiares y ias correspondientes soluciones a los problemas del posterior tratamiento de las estructuras soldadas de perfiles tubulares.

3.6.1

Métodos para soldar nudos de perfiles tubulares

La soldadura de nudos de partiles tubulares pertenece principalmente al grupo de la soldadura por fusión [69], aunque si el número de unidades es elevado, también es aplicable la soldadura por fricción, que pertenece al grupo de la soldadura por presión. Entre los cinco subgrupos de la soldadura por fusión, denominados autógena, por arco metálico, por resistencia eléctrica, por haz de electrones y por plasma, cada uno de los cuales producen el calor para la fusión de una forma específica, la soldadura por arco [51, 58, 70J se utiliza de manera predominante, en las tres versiones siguientes, para la unión de !os perfiles tubulares: Soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW).

- Soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW).

- Soldadura por arco metálico y gas (GMAW).

Sin embargo, también se utiliza la soldadura por arco sumergido (SAW) en aplicaciones especiales, por ejemplo en las construcciones offshore.

En cuanto a los equipos y máquinas para soldar, hay que diferenciar tres métodos, la soldadura manual, con máquina semiautomática o totalmente automática. Los dos primeros se emplean normalmente en el caso de perfiles tubulares. La soldadura totalmente automática no es habitual, pero se puede utilizar cuando sea aplicable.

55

La soldadura manual por arco con electrodos revestidos con una capa de productos químicos fundentes se utiliza en los talleres y en el soldeo a pie de obra. Concretamente, se puede aplicar cuando predominan las posiciones de soldar desfavorables, incluida la posición de soldar en techo y/o el acceso restringido a la soldadura.

El revestimiento del electrodo tiene la función de proteger el baño de acero líquido en la soldadura frente a los efectos perjudiciales de las escorias o del gas. Es importante elegir adecuadamente los electrodos, y hay que tomar una decisión para cada caso. Así pues, todos los puntos críticos, como por ejemplo el tipo de nudo, las posiciones de soldar y los métodos de controlar las soldaduras, determinan el tipo de electrodo utilizado. En general, las propiedades mecánicas del material de aportación son superiores a las de los materiales de base.

Para soldar las estructuras de perfiles tubulares, se aplican los electrodos del tipo estructural rutilo, ácido y básico.

Dependiendo del tipo de acero, del espesor de la pared y de las formas de la soldadura, se recomiendan los siguientes tipos de electrodos: S235 y S275 [62, 64]: Para espesores ~ 16 mm (soldadura a tope) } Electro estructural rutilo o estructural de pared ~ 30 mm (soldadura en ángulo) básico, con bajos contenidos en hidrógeno Electrodo estructural básico con bajo > 16 mm (soldadura a tope) contenido en hidrógeno S 355 [62, 64]: Para todos los espesores de pared Básico con bajo contenido en hidrógeno En un taller, donde se trabaja con diferentes tipos de acero, se recomienda utilizar únicamente electrodos de bajo contenido en hidrógeno.

En general, se deben seguir las recomendaciones sobre protección y almacenamiento de los electrodos indicadas por los fabricantes.

Se deben guardar secos y sin daño alguno. Para los electrodos básicos de bajo contenido de hidrógeno se deben emplear hornos de secado. Una alternativa es el utilizar electrodos envasados al vacío.

La soldadura manual requiere adecuados conocimientos técnicos y experiencia por parte del soldador, aunque éste cuenta con un mayor grado de libertad.

La soldadura por arco con núcleo de fundente es un proceso semiautomático que utiliza los electrodos como alambres continuos tubulares introducidos desde un carrete en la máquina de soldar. El cable contiene fundentes químicos que protegen el arco y el metal fundido contra los efectos negativos del oxígeno y el nitrógeno. Además, los gases protectores también se envían a la "pistola" del operador. Este sistema, aplicado principalmente en los talleres, requiere equipamiento caro, lo que supone una gran inversión. Sin embargo, ésta se compensa con una mayor velocidad de funcionamiento, es decir, una cantidad de metal depositada dos o tres veces mayor que con la SMAW y un ahorro de tiempo, puesto que el soldador no necesita moverse mucho.

La soldadura por arco metálico y gas es también un proceso semiautomático similar al anterior. Sin embargo, en este caso, el alambre continuo que se va a introducir es un alambre sólido y la soldadura está sumergida en un gas inerte, argón o helio (MIG Soldadura de arco metálico con gas inerte), un gas más barato C0 2 , o en una mezcla de gases (80% Ar + 15% C0 2 + 5% 0 2 ) (MAG Soldadura metálica con gas activo).

Las ventajas de soldar por arco metálico y gas son: 1. Proceso de soldar rápido; reduce los costes de fabricación.

2. La zona de soldadura afectada por el calor es estrecha.

3. Ausencia de escorias, lo cual evita soldar en posiciones difíciles. Como no es necesario eliminar la escoria para las soldaduras posteriores, el tiempo de soldar es menor, así como el coste de fabricación.

4. Los principales campos de aplicación son: 56

1. Aceros sin alear y de baja aleación (MAG).

2. Aceros de alta aleación {MIG).

Electrodo de alambre --+ -

Pantalla de gas

Fig. 3.46 - Método de soldar semiautomático (MIG)

Las desventajas son: 1. No es adecuado para soldar a pie de obra debido a la gran cantidad de equipamiento necesario, como por ejemplo el control eléctrico, el electrodo de alambre sólido devanado, el alimentador de alambre y el suministrador del gas protector.

2. Acceso a la soldadura muy restringido por el espacio necesario para la boquilla de la pantalla de gas, a pesar de que existen varias formas de boquilla.

3.6.2

Posiciones y secuencias de soldadura

Para comenzar se mencionan tres puntos principales: 1. Las soldaduras no deben empezar o terminar en una esquina del RHS. 2. Para los espesores más pequeños, se deben evitar, en lo posible, las soldaduras con varias pasadas.

3. Hay que seguir las secuencias de soldadura apropiadas, ya que afectan en gran medida a la contracción, a las tensiones residuales y a la deformación de una estructura soldada.

Dependiendo de la posición y de la movilidad de los elementos estructurales, se muestran a continuación cuatro posiciones para soldar en nudos de perfiles tubulares estructurales, junto con las secuencias de soldadura.

1) Soldadura circular de 360° (fig. 3.47).

Se hace una soldadura hacia abajo (plana), mientras la sección gira 360°.

Electrodo

I

Fig. 3.47 - Soldadura circular de 360°

2) Soldadura vertical ascendente de 180º (fig. 3.48).

Para la construcción de vigas en celosía, todas las soldaduras se hacen en la parte superior y después el panel gira sobre sí mismo (180º) para completar la operación.

57

t©.-1

-.----++-- Panel trasladado 180°

Fig. 3.48- Soldadura vertical ascendente de 180u

3) Soldadura vertical ascendente (fig. 3.49) Esta posición, aunque poco habitual, sólo es válida cuando los perfiles tubulares no se pueden mover.

Fig. 3.49 - Soldadura vertical ascendente

4) Soldadura horizontal (fig. 3.50).

Esta posición es necesaria cuando las barras están en posición vertical y no se pueden mover. Si las barras se encuentran en posición horizontal, las soldaduras se hacen en posición vertical.

Fig. 3.50 - Soldadura horizontal

3.6.3

m

Punteado de la soldadura

El punteado de la soldadura es una soldadura corta hecha para la unión preliminar de las barras de perfil tubular de una estructura, obteniendo una sujeción temporal previa a la soldadura definitiva del montaje. El espesor de la garganta del punteado de soldadura tiene que estar de acuerdo con la posición de la raíz. Este debe garantizar una unión limpia en la

58

raíz de la soldadura. Los extremos de los puntos de soldadura deben estar correctamente ejecutados para obtener una buena fusión en el cordón de la raíz.

Los puntos de soldadura tienen que estar en posiciones adecuadas respecto a las posiciones de parada/comienzo, tal y como indican las figuras 3.47 a 3.50. Se tienen que llevar a cabo con mucho cuidado, puesto que los puntos de soldadura se convierten en parte de la soldadura definitiva. Por eso los soldadores precisan de una cualificación especial para hacer trabajos de punteado de la soldadura [58].

El punteado del CHS se hace de forma circular cuando el diámetro del CHS es pequeño. Sin embargo, para soldaduras grandes esto puede causar problemas, que se pueden evitar con facilidad reduciendo la longitud de los puntos a un mínimo de 1/10 de la circunferencia. No obstante, la zona punteada no debe tener ningún defecto y cualquier reparación debe ser efectuada por un soldador cualificado.

Con respecto al punteado de la soldadura de un nudo de CHS, como el indicado en la figura 3.51, hay que evitar la soldadura en la posición simétrica A de los tubos acoplados debido a la concentración de tensiones que se localizan en ese punto.

En general, la longitud mínima del punteado de un tubo acoplado se puede reducir hasta 1/10 del diámetro exterior del tubo.

Fig. 3.51 - Hay que evitar el punteado de la soldadura en A.

Para RHS, el punteado de la soldadura se debe hacer en la zona correspondiente a la línea recta (no en las esquinas).

3.6.4 Tratamiento térmico previo y posterior de las construcciones soldadas de perfiles tubulares

[67] recomienda precalentar la pieza antes de soldarla si hay más de 1O mm de diferencia entre el espesor de pared de un elemento estructural y el de los otros. Además, también puede ser necesario el precalentamiento si hay que soldar un perfil tubular con uno sólido.

En general, la baja temperatura ambiente y una atmósfera húmeda, así como el uso de perfiles tubulares de pared gruesa pueden dar lugar a un estado crítico además de provocar fisuras por enfriado. Esto se puede prevenir de forma efectiva precalentando la pieza entre 50ºC y 200ºC, dependiendo del tipo de acero. Sin embargo, esta cara operación se puede evitar procurando que las partes que haya que soldar no tengan condensación y utilizando electrodos con bajo contenido de hidrógeno.

La temperatura de precalentamiento se determina basándose en el contenido de carbono equivalente CEV (ver apartado 2.1.1), la intensidad de corriente de soldadura, el voltaje y la velocidad, el espesor de la pieza, el tipo de soldadura y el contenido de hidrógeno en los electrodos.

Para los aceros estructurales sin alear S235, S275 y S355 [62, 64], generalmente no se necesita precalentamiento. Sin embargo, se recomienda para una temperatura ambiente inferior a + 5ºC y para espesores de pared ~ 30 mm.

Para S355 concretamente, no es necesario hacer tratamiento de precalentamiento con espesores de pared inferiores a 13 mm para soldaduras en ángulo, e inferiores a 20 mm para soldaduras a tope.

Para espesores de pared mayores, se recomienda una temperatura mínima de precalentamiento de 125ºC.

59

Usando S460 hay que aplicar precalentamiento en espesores de pared > 8 mm para soldaduras en ángulo, y en espesores de pared > 12 mm para soldaduras a tope. En este caso se recomienda una temperatura mínima de precalentamiento de 175°C. En el corte con soplete, no suele ser necesario el precalentamiento de las partes que se van a cortar. No obstante, el precalentamiento mejora el borde del corte, por lo que en este caso se recomienda un precalentamiento a 120°c.

Después de haber hecho la soldadura, se lleva a cabo un tratamiento térmico para aliviar las tensiones, únicamente cuando hay que reducir las tensiones producidas por la soldadura.

Normalmente, la temperatura para aliviar las tensiones está entre 530°C y 580ºC. Para aceros de alta resistencia, por ejemplo S460, la temperatura es aproximadamente de 30°C a 50ºC inferior a la temperatura de recocido del material.

3.6.5

Tensiones residuales y deformaciones producidas por la soldadura

Con la soldadura se calienta una zona determinada de la pieza. La dilatación térmica del material no es uniforme y se ve coartada por el material frío que la rodea.

Se producen esfuerzos de contracción debido al acortamiento de la pieza al enfriarse. Estos se transforman en deformaciones o en momentos torsores, o permanecen en la parte soldada como tensiones residuales.

Las deformaciones y las tensiones residuales en una estructura soldada de perfiles tubulares dependen de los siguientes parámetros: - Espesor de la soldadura - Número de pasadas de soldadura - Distancia entre la soldadura y el eje neutro del elemento estructural - Coacción del elemento estructural soldado por las barras de unión - Rigidez del elemento estructural en una estructura soldada - Angulo de inclinación entre los ejes de las barras a unir - Secuencia de soldadura - Método de soldar En una construcción rígida, las deformaciones provocadas por las contracciones se previenen, en gran medida, durante la soldadura. Por otra parte, las tensiones residuales debidas a la soldadura aumentan considerablemente durante este proceso. Para diseñar una estructura, el ingeniero está limitado a reducir las deformaciones lo que da lugar a tensiones residuales mayores, o bien a reducir las tensiones residuales lo que aumenta las contracciones. La decisión hay que tomarla teniendo en cuenta ambos efectos.

Con el fin de reducir los trabajos de enderezado y alineación posteriores a la soldadura, las distorsiones pueden ser compensadas por las correspondientes predeformaciones. La figura 3.52 ilustra el procedimiento con el ejemplo de una viga en celosía.

Fig. 3.52 - Predeformación de una viga en celosía soldada. a) Estimación de la deformación b) Preajuste de los cordones con cilindros de presión

Después de estimar las deformaciones de una viga en celosía producidas por la soldadura, los cordones se pueden preajustar convenientemente con cilindros de presión.

Las tensiones residuales y las contracciones se determinan proporcionalmente por las disposiciones y secuencias de soldadura. El punteado de las soldaduras previo a la soldadura final debe ser lo bastante numeroso y fuerte como para absorber los esfuerzos de contracción transversales durante la soldadura.

La figura 4.76, que presenta la secuencia de soldadura recomendada para nudos de vigas en celosía de perfil tubular, muestra que la soldadura se hace siempre desde el interior hacia

60

el exterior. Esto conduce a un movimiento libre de unas parte hacia las otras debido a la contracción y, por consiguiente, a bajas deformaciones y pequeñas tensiones residuales.

Otras medidas para reducir las deformaciones y/o las tensiones residuales son por ejemplo el calentamiento localizado en los lugares adecuados (fig. 3.53), el golpeteo de las soldaduras (raras veces utilizado) etc.

a)

b)

e)

Fig. 3.53 - Reducción de la deformación por soldadura mediante calentamiento local a) Aplicación circular de calor b) Calentamiento lineal para evitar la contracción en las costuras de gran longitud c) Calentamiento en modo triangular para eliminar la distorsión angular producida por la soldadura en ángulo

3.6.6

Defectos de soldadura y reparaciones

La figura 3.54 muestra una visión de los posibles defectos de soldadura en las soldaduras en ángulo y a tope.

Fig. 3.54 - Tipos de defectos de soldadura E = Fisura Df = Penetración incompleta de la raíz en una soldadura en ángulo C =Ausencia de fusión D = Penetración incompleta de la raíz en una soldadura con bordes curvados A =Inclusiones de gas F = Mordedura Ab =Grieta longitudinal dn = Garganta insuficiente B = Inclusiones de escorias dp = Excesiva convexidad ov = Recubrimiento

Los perfiles de la soldadura aceptables y los no aceptables se encuentran ilustrados en la figura 3.55 [58].

Las caras de las soldaduras en ángulo pueden ser ligeramente convexas, planas o ligeramente cóncavas. Sin embargo, existe un límite de convexidad dependiendo del tamaño de la superficie de fusión o del ancho del reborde de la superficie individual L (ver figura 3.55 (1)), tal y como se recomienda en [58].

Las soldaduras a tope se harán, preferentemente, con un ligero refuerzo de las caras. Este refuerzo tendrá una transición gradual hacia el plano de la superficie del metal de base, por lo que las soldaduras no presentarán discontinuidades, excesiva convexidad, garganta insuficiente, excesiva mordedura ni recubrimiento.

Los defectos de soldadura se pueden reparar eliminando metal de aportación o trozos del metal de base mediante mecanizado, rectificado, cincelado o escopleado.

61

Hay que eliminar los defectos de soldadura, como por ejemplo el recubrimiento, la convexidad excesiva o la sobrecarga, sin quitar gran cantidad de metal de base. Antes de soldar es obligatorio efectuar una limpieza a fondo de la superficie.

1. Soldadura en ángulo

TAMAÑO

l_ (A) PERFILES DE SOLDADURAS DESEABLES

GARGANTA CONVEXIDAD MORDEDURA INSUFICIENTE EXCESIVA EXCESIVA

RECUBRIMIENTO

FUSIÓN SUPERFICIE DE FUSIÓN INCOMPLETA INSUFICIENTE

(C) PERFILES DE SOLDADURAS INACEPTABLES

2. Soldadura a tope ~R

{.-----•e ; NUDO A TOPE PLACA DE IGUAL ESPESOR

NUDO A TOPE (TRANSICIÓN) PLACAS DE ESPESORES DESIGUALES

(D) PERFIL DE SOLDADURA DE BORDES CURVADOS ACEPTABLE EN UNA UNIÓN A TOPE

CONVEXIDAD EXCESIVA

GARGANTA INSUFICIENTE

MORDEDURA EXCESIVA

RECUBRIMIENTO

(E) PERFIL DE SOLDADURA DE BORDES CURVADOS INACEPTABLE EN UNA UNIÓN A TOPE Fig. 3.55 - Perfiles de soldaduras en ángulo y a tope aceptables e inaceptables

Cualquier deficiencia en el tamaño de la soldadura producida por concavidad excesiva, soldadura de tamaño insuficiente y mordedura tiene que ser compensada depositando metal de aportación. Hay que eliminar y volver a soldar las fusiones incompletas, la porosidad excesiva de la soldadura o las inclusiones de escorias. Las grietas de la soldadura o del metal de base se reparan eliminando de la grieta metal sano (dependiendo del espesor) más allá de cada extremo de la grieta y soldando de nuevo.

62

3.6.7

Inspección de las soldaduras

Las soldaduras de las estructuras de acero se pueden comprobar mediante ensayos destructivos (sólo en laboratorio) o no destructivos. Cada uno de los dos grupos contiene varios métodos de ensayo y todos tienen ventajas y desventajas y, por consiguiente, sus campos específicos de aplicación. Desde el punto de vista económico, la extensión de las inspecciones debería ser mínima. Así pues, las soldaduras en ángulo son preferibles a las soldaduras a tope.

Los ensayos destructivos, que son los ensayos de tracción, de plegado, de resistencia frente al impacto, de dureza y de fatiga, se suelen hacer antes de empezar la soldadura final de una estructura. También sirven para investigar acerca de nuevos materiales, tipos de construcción y métodos de soldar, indicando cuales son los parámetros de soldadura. Estos ensayos también se llevan a cabo para comprobar la capacidad profesional de los soldadores.

Al contrario de los ensayos destructivos, los siguientes cinco métodos no destructivos pueden facilitar información concluyente con respecto a la calidad efectiva de la soldadura: - Inspección visual - Ensayo con partículas magnéticas - Ensayo con líquidos penetrantes - Inspección ultrasónica - Inspección radiográfica mediante rayos X o y (gamma) Es de importancia fundamental efectuar una detenida inspección visual de la costura de la soldadura, así como de la zona próxima a la soldadura, tanto antes como después de soldar.

Por lo tanto, se recomienda comprobar la separación de la raíz entre las partes que hay que soldar, el ángulo de inclinación entre los elementos estructurales, la uniformidad en la preparación de los bordes de la soldadura, el ángulo del bisel, la distancia entre la alineación de las caras y la eliminación total de aceite, grasa, etc. en el lugar de la soldadura antes de soldar. También es necesario que soldadores expertos y cualificados se encarguen de cada tipo determinado de soldadura.

Después de soldar, hay que examinar visualmente los defectos superficiales tales como las mordeduras, el recubrimiento y las fisuras, así como la apariencia de la soldadura (la rugosidad de la superficie del reborde, el ancho del reborde, etc.). La medición del espesor de garganta de la soldadura y la transición entre la costura de la soldadura y el metal de base (de especial importancia para construcciones sometidas a cargas de fatiga) se hace con medidores diseñados para este fin.

El ensayo con partículas magnéticas es un método rápido y práctico para descubrir los defectos superficiales como las pequeñas fisuras que, por supuesto, no son obviamente visibles. Este método se aplica principalmente para encontrar defectos de soldadura en las uniones de nudos, los cuales resultan difíciles de determinar con otros métodos, por ejemplo con inspecciones ultrasónicas o radiográficas. Se pulverizan finas partículas magnéticas en la superficie que hay que revisar, y se produce un flujo del campo magnético mediante una bobina o una horquilla magnética. Cuando una fisura distorsiona o produce una discontinuidad en el campo magnético, las partículas magnéticas anteriormente pulverizadas se alinean a lo largo de las fisuras indicando con claridad hasta las más finas de ellas (hasta 1/10000 mm). El registro de la medición se hace con fotografías.

El ensayo con líquidos penetrantes examina los defectos de soldadura que aparecen en la superficie de las estructuras soldadas. El procedimiento consiste en, primeramente, limpiar a fondo la superficie que hay que revisar y, a continuación, aplicar una solución de líquido penetrante rojo con una brocha o un pulverizador. Se deja actuar la solución de 5 a 1O minutos aproximadamente. En este tiempo, el tinte penetra hasta en la más mínima grieta.

Para alcanzar este estado, la solución del líquido penetrante debe tener una baja tensión superficial y una alta capilaridad. Después, se retira el exceso de líquido penetrante con un trapo y, a continuación, se limpia la superficie con agua o con un disolvente especialmente creado para tal fin. Cuando la superficie está seca, bien se aplica una fina capa de polvo

63

blanco o bien se pulveriza una solución de secado rápido blanca, que absorbe el líquido penetrante de todos los defectos en los que se ha introducido, marcando en rojo sobre bianco un contorno definido de la falta. Los resultados se pueden documentar con fotografías (fig. 3.56).

Fig. 3.56 - Fisuras detectadas mediante el ensayo con líquidos penetrantes en un nudo tipo T de CHS

La inspección ultrasónica es un método de operación muy rápido que requiere, sin embargo, que lo !leven a cabo inspectores cualificados y con experiencia. Un emisor envía a la zona soldada ondas sonoras de alta frecuencia, las cuales se reflejan entonces desde el lugar del defecto. El eco se refleja electrónicamente en la pantalla del osciloscopio, el cual actúa como receptor. El lugar exacto y el tamaño aproximado del defecto se determinan midiendo el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia. Sin embargo, resulta muy dificil determinar con exactitud e! tipo de defecto, y exige un juicio y una experiencia adecuados por parte del operadora Hay que mencionar que este método sólo puede encontrar defectos perpendicu!ares a la dirección de la onda sonora. En algunos casos, la falta de un registro permanente de los resultados del proceso se ha considerado una desventaja, pero ahora se puede acceder a un equipo de registro electrónico (fig. 3.57). las soldaduras en ángulo y las soldaduras de bordes curvados de penetración parcia1 del nudo no se pueden revisar de manera fiable por el método ultrasónico, puesto que las sefiaies resultan difíciles de interpretar.

La inspección radiográfica consiste en dirigir rayos X o rayos y (gamma) a partir de cobalto o iridio a través de la zona soldada y producir una película fotográfica (fig. 3.58). Este método es especialmente capaz de localizar fusiones incompletas, porosidades e inclusiones de escorias. Las formas irregulares, como por ejemplo las de los nudos y las variaciones de espesores, no son apropiadas para la radiografía.

Como una larga exposición a los rayos X ó y es perjudicial para la salud, el examen se hace en un espacio cerrado.

Los ensayos radiográficos ofrecen valores fiables en espesores de pared de 16 a 20 mm aproximadamente. A partir de aquí, los ensayos ultrasónicos adquieren importancia. Resu!ta difícil examinar la zona de la esquina de un perfil tubular rectangular. En las soldaduras en

64

ángulo, no es posible utilizar los ensayos radiográficos o ultrasónicos, puesto que no se obtienen resultados fiables. Los defectos superficiales en las soldaduras en ángulo sólo se pueden determinar mediante los ensayos con líquidos penetrantes o con partículas magnéticas.

E.E - Eco de entrada F.E - Eco de defecto R.E - Eco del lado posterior Pantalla Pieza

- 111'' E.ER.E O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

F.E

Defecto

Defecto

Defecto

~··ar

~•·· E-ER.E -

F.E

Fig. 3.57 - Indicación de los defectos de soldadura en una pantalla

f]~~ Exposición elíptica D:,;:100mm

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Puntofocal

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Exposición de transmisión o;e:: 100 m

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Películade~ rayos X Tapa de plomo

Película d e ~ rayosX ~ Tapa de plomo

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Revaloración de la zona en una película de rayos X

Fig. 3.58 - Producción de películas de rayos X

65

En la práctica, el examen de las soldaduras se limita generalmente a la inspección visual, para cuya realización se precisa de un inspector con experiencia que juzgue la calidad de la soldadura.

3.6.8

Cualificación del soldador

Los soldadores, operadores de soldeo y soldadores del punteado deben tener una cualificación adecuada para hacer la soldadura y así garantizar la capacidad resistente a carga necesaria en una estructura. Para evitar que los trabajos de soldadura los realicen trabajadores no cualificados, varios códigos y normas han establecido la obligatoriedad de exámenes de cualificación para soldadores [52, 58, 68, 74].

El tipo y la extensión de la cualificación del soldador los determinan los trabajos de soldadura ejecutados en un taller. Las normas contienen los siguientes criterios: - Método de soldar - Forma del elemento estructural - Tipo de soldadura - Tipo de acero - Electrodo - Espesor de la muestra (placa y tubo) - Diámetro de la muestra de tubo - Posición de soldar - Detalle de soldadura a tope - Raíz de la soldadura Los centros de investigación sobre soldadura acreditados y las autoridades técnicas son los responsables de realizar estos exámenes [52]. Es importante observar que los soldadores que sueldan estructuras de celosías de perfiles tubulares obtendrán la aprobación mediante una prueba de soldadura apropiada. La configuración de la prueba debe incluir la geometría posicional y las soldaduras en ángulo y a tope combinadas, desde una cara, comunes en los nudos soldados de perfiles tubulares [67].

3.6.9 Soldadura de estructuras con perfiles tubulares galvanizados o con revestimiento metálico Como muchas veces no hay cubas de galvanizado en caliente por inmersión del tamaño suficiente para introducir estructuras enteras, a veces los fabricantes se ven obligados a unir las barras estructurales galvanizadas mediante soldadura (si no es preferible una construcción atornillada). En este caso se plantea la cuestión de soldar los elementos galvanizados.

En general, la capa de óxido de zinc se quema en la zona soldada (aproximadamente 50 mm desde la costura de soldadura) y después se elimina por golpeteo o por rectificado para que el material de revestimiento no afecte a la soldadura. Después de soldar, la zona pasa por un tratamiento protector de pintado y pulverizado de material para reacondicionar, por ejemplo pintura rica en zinc y zinc metalizado. Debido a su fácil aplicación y bajo coste, así como a la buena adherencia y resistencia que presenta frente al desgaste, habitualmente se utiliza la pintura rica en zinc.

Mientras se quema la capa de óxido de zinc se emiten humos tóxicos. Por consiguiente, es necesario tomar las medidas adecuadas para extraerlos cuando la soldadura se hace en lugares cerrados.

La soldadura por arco en atmósfera controlada, como ocurre en el método MAG, no necesita ninguna fase en la que se queme la capa zincada, ya que esto ocurre durante la soldadura sin modificar en absoluto el método de trabajo y sin perder ninguna propiedad mecánica la soldadura. La reparación de la zona de la soldadura, tal y como se ha descrito antes, se hace después de soldar.

66

3.6.1 O Recomendaciones generales para operaciones de soldadura

1. Es fundamentalmente importante que esté asegurada la accesibilidad para soldar. El soplete para soldar, la boquilla sumergida en gas inerte y la abrazadera de electrodos deben tener espacio suficiente para hacer las soldaduras de forma cómoda.

2. A menudo los fabricantes tienden a especificar y llevar a cabo soldaduras mayores, con espesores de garganta de soldadura más grandes que los que se necesitan técnicamente. Esto no sólo resulta más caro sino también más dañino debido al peligro que existe de contracciones y distorsiones excesivas, y al cambio de la microestructura del metal de base en la zona afectada (HAZ) debido a la entrada de calor adicional.

3. Las soldaduras en ángulo son preferibles a las soldaduras a tope. Se tienen que aplicar siempre que sus tamaños no sean excesivos.

Si una soldadura en ángulo no es viable, se puede aplicar soldaduras a tope con penetración parcial, ya que son menos caras que las soldaduras a tope con penetración completa sin anillo interno. Sin embargo, estas últimas pueden ser ejecutadas con anillos internos.

4. El agrupamiento en un nudo soldando demasiadas placas o secciones no sólo resulta perjudicial en la accesibilidad para soldar, sino que además favorece la corrosión externa al producir colectores de nieve o agua.

5. Como la inspección visual es el método de inspección de soldadura más barato, más cómodo y más aplicado, es imprescindible que el inspector tenga la cualificación requerida además de la experiencia necesaria para llevar a cabo este trabajo. En los nudos críticos se aplican otros métodos, pero sólo cuando resultan viables.

3. 7

Perforaciones

Las perforaciones normalmente se hacen en los perfiles tubulares estructurales sólo mediante taladrado. No se pueden hacer mediante punzonado debido a la forma tubular que presentan, a menos que se utilice un soporte interno.

3.8

Aplicación de robots

La robótica cuenta con el potencial de mejorar la velocidad, la productividad, la calidad y las condiciones de trabajo, así como de reducir en gran medida el tiempo y el coste de fabricación. Al mismo tiempo, el uso de los robots se ha extendido bastante en los trabajos de soldadura, en la transferencia y manejo, en el montaje, el pintado y la inspección.

Concretamente en el campo de la soldadura, los robots para soldar con arco han adquirido una posición dominante en la mayor parte de los países industrializados.

Sin embargo, la tecnología de la robótica integrada con un sistema para manipular el material y un método de diseño, es decir, CAD/CAM, plantea cuestiones fundamentales sobre el proceso de producción y los costes, lo cual hay que considerar detenidamente antes de que se pueda aplicar con utilidad. Las cuestiones incluyen (sin un orden determinado): - El grado de fabricación - El nivel de producción de lotes alcanzable - Interconexión entre planificación, diseño, fabricación y producción - El nivel de normalización del diseño - Manipulación del material - Ingeniería de producción - Gestión logística, operacional y de organización - Efectos y consecuencias financieras Como ejemplo de la aplicación de robots en una estructura de perfiles tubulares, la figura 3.59 muestra un sistema robotizado para hacer el acabado de soldadura de una celosía entera, la cual forma parte de un entramado (sistema Delta [32]), formada por perfiles tubulares cuadrados. En esta unidad, se pueden acomodar dos cordones, los montantes y

67

las diagonales en un bastidor giratorio con sujeciones, proporcionando al robot total libertad para acceder a todos los puntos a soldar. las figuras 3.60 y 3.61 contienen la imagen desglosada del nudo y la estructura del sistema "Delta" respectivamente. En este caso, existe otra unidad con dos tablas y un robot recorriendo una trayectoria lineal donde los cuartos de piezas del nudo se sueldan a las dos caras de los cordones.

Fig. 3.59 - Sistema de soldar robotizado para vigas en celosĂ­a del sistema "Delta" [32]

Fig. 3.60 - Imagen estallada de un nudo "Delta"

68

--

/

Fig. 3.61 - Piezas de una estructura "Delta"

De acuerdo con [32], la automatizaciรณn alcanzada en las estructuras "Delta" mediante robots ha reducido el tiempo de producciรณn un factor 4 frente a la soldadura manual. Aparte de la flexibilidad obtenida con la aplicaciรณn de robots, los otros atributos son el nivel de calidad constante y la alta precisiรณn.

Fig. 3.62 - Columnas en fonna de รกrbol en la tenninal del aeropuerto de Stuttgart

69

3.9

Piezas fundidas para uniones de perfiles tubulares estructurales

Cuando resulta muy difícil ejecutar una unión mediante soldadura o cuando se precisan muchas uniones idénticas y bastante complejas, muchas veces puede ser económico emplear piezas fundidas en vez de los métodos habituales de fabricación soldada. La decisión de utilizar piezas fundidas dependerá de numerosos elementos como, por ejemplo, la complejidad de las uniones, el número de uniones similares, el tamaño de las uniones y los costes relativos y también de la viabilidad, la cual depende de las propiedades mecánicas incluidas la ductilidad a la rotura, la fatiga y la soldabilidad. El uso de piezas fundidas en nudos tubulares ofrece claras ventajas. Proporciona un componente integral homogéneo con bajas tensiones residuales y bajas concentraciones geométricas de tensiones asociadas con uniones soldadas. Además, el espesor de la pieza fundida se puede modificar para adaptarse a cualquier zona de alta tensión. Concretamente en nudos tubulares sometidos a cargas de fatiga, los nudos fundidos son considerablemente más resistentes que los nudos soldados.

La figura 3.62 muestra la aplicación de nudos de acero fundido para columnas con forma de árbol en la terminal del aeropuerto de Stuttgart, Alemania. La figura 3.63 ilustra la transición suave y continua del nudo evitando todo cambio brusco de sección transversal y de inclinación. La complejidad de los nudos, que se pueden hacer con piezas fundidas, se muestra en las figuras 3.64 a y b.

Fig. 3.63 - Nudos de acero fundido en columnas con forma de árbol

La fundición se puede hacer a partir de diversos materiales. Sin embargo, para las aplicaciones en estructuras, generalmente, serán de a) fundición de hierro b) acero al carbono fundido oc) acero inoxidable fundido.

Las de fundición de hierro usadas en las aplicaciones estructurales son, generalmente, de fundición de hierro con grafito esferoidal (fundición nodular, hierro dúctil), debido a la ductilidad mejorada que presenta comparada con la de otras fundiciones de hierro. Sin embargo, no se sueldan con facilidad y son, por lo tanto, más adecuadas para uniones atornilladas que para soldadas. Estos hierros, dependiendo del tipo, pueden tener una deformación del 0,2% en eí ensayo de resistencia con tracciones entre 200 y 700 N/mm2 .

Los aceros fundidos, tanto el acero al carbono como el acero inoxidable, se pueden producir con propiedades mecánicas muy similares a las de los perfiles tubulares estructurales.

También tienen características de soldadura similares a las de los perfiles tubulares estructurales con el mismo valor del carbono equivalente CEV. Los métodos de soldar apropiados para los aceros fundidos son la soldadura manual por arco (MMA), la soldadura de arco metálico con gas inerte (MIG) y la soldadura de arco eléctrico con tungsteno y gas inerte (TIG).

70

. Fig. 3.64 a and b ·Piezas fundidas de

acero para la cubierta de una piscina (Taller de forja Ponds Sheffie!d, ln¡:¡laterra)

71

Así como existen diversos materiales, también hay diferentes métodos de fundición. El método elegido dependerá del tipo de material, el número de piezas necesario, el peso y el tamaño, las tolerancias dimensionales y el acabado superficial. Si se opta por emplear piezas fundidas, habría que contactar con la empresa de fundición al principio del proyecto para poder tratar todos estos temas y determinar un coste aproximado.

En [72] se da una perspectiva general del uso y aplicación de las piezas fundidas.

72

4

Estructuras y montajes parciales de perfiles tubulares

Este capítulo muestra una serie de estructuras y disposiciones para montajes parciales, destacando los argumentos básicos para el uso de perfiles tubulares en las mismas. Sin embargo, en este punto hay que subrayar que, mientras se diseña una estructura, la idea de sólo minimizar el peso es un concepto equivocado. Otros puntos descritos a continuación pueden compensar en gran medida el coste del material: - La selección de disposiciones estructurales adecuadas para lograr una fabricación e instalación racional y económica - La explotación de los bajos coeficientes de arrastre en perfiles tubulares en casos especiales como pueden ser lugares con corrientes de agua o viento - La elección del tipo correcto de protección frente a la corrosión y el procedimiento para obtener una durabilidad adecuada frente al fuego, si es necesario

4.1 4.1.1

Vigas y jácenas Vigas de perfil simple

Los perfiles tubulares rectangulares con las caras más largas dispuestas en el plano de flexión se utilizan normalmente para cargas de flexión uniaxial, puesto que en esta posición tienen su máxima rigidez a la flexión !máx. Es evidente que las secciones en I o H ofrecen soluciones más económicas para la flexión uniaxial. Sin embargo, para la flexión multiaxial, puede que sean más apropiados los perfiles tubulares cuadrados o circulares.

X Fig. 4.1 - Vigas de perfil simple

En general, las vigas de perfil simple son la solución más barata para tramos de luces pequeñas. Los perfiles tubulares ofrecen buenas propiedades frente a cortante, cuando se utilizan para tramos de luces cortos, sin necesidad de ningún refuerzo. Para tramos de luces más largas, cuentan con excelentes características de estabilidad lateral [2] y también tienen gran resistencia frente a las cargas transversales laterales.

4.1.2

Vigas en celosía (celosías)

Teniendo en cuenta las excelentes propiedades estáticas de los perfiles tubulares sometidos a esfuerzos de compresión y tracción axiales, así como la estabilidad lateral tan eficaz que poseen debido a su enorme rigidez a la torsión, son muy apropiados para el uso en vigas en celosía (ver figura 4.2). Las vigas en celosía resultan fáciles de diseñar al estar formadas por un cordón superior y otro inferior unidos con un entramado triangular compuesto por barras de relleno. Los cordones pueden ser o no paralelos.

Las características de una viga en celosía vienen dadas, principalmente, por la luz libre L0 , el canto h, la geometría de la celosía y la distancia entre nudos. El canto h se determina de acuerdo con la luz libre, las cargas y la flecha máxima permitida. Los esfuerzos en la celosía se pueden reducir incrementando el canto h, aunque también se incrementan al mismo tiempo las longitudes de las barras del alma de la celosía. El valor ideal de la relación entre la luz libre y el canto suele estar entre 1O y 15.

73

108 kN 54 kN

• ~-"";;.:..;...~'-----"'~-+-~--~--6000

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1

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2400 = h

Fig. 4.2 - Celosía Warren que muestra las cargas aplicadas y los esfuerzos en las barras Los nudos se pueden construir soldando directamente las barras de relleno a los cordones de la celosía o soldando cartelas a las barras y uniéndolas con tornillos {fig. 4.3). Los métodos de diseño y cálculo para celosías planas aparecen ilustrados en [1, 3].

a)

Fig. 4.3 - Nudo de celosía a) soldada y b) atornillada Celosía de tipo Warren (fig. 4.4a) Estas vigas proporcionan no sólo una estética arquitectónica sino también una solución económica. Los estudios de optimización con respecto al alma de las celosías indican que los ángulos favorables de la inclinación 0 entre el cordón y la barra de relleno están dentro del campo de 40° a 50°. Sin embargo, un valor inferior de 0 puede reducir el número de nudos y también minimizar los correspondientes costes de fabricación. Además, hay que tener en cuenta que se recomienda un 0 mínimo de hasta 30° con el fin de garantizar la suficiente penetración de la soldadura en el talón de las barras del alma de la celosía.

En el caso de que sea necesario apoyar todos los puntos de aplicación de carga de un cordón, eliminado los momentos flectores del cordón, se pueden añadir montantes adicionales (ver figura 4.4a).

Otra ventaja de las celosías Warren soldadas consiste en el uso de nudos con separación (espaciamiento), los cuales son más económicos desde el punto de vista de la fabricación.

Además, este tipo de celosía ofrece mayor espacio abierto para la disposición de tuberías de servicio, cables y otras instalaciones.

Celosía de tipo Pratt (fig. 4.4b) Los nudos de una viga de tipo Pratt consisten en barras de relleno verticales y otras inclinadas unidas al cordón. Sin embargo, esta disposición da lugar a un aumento del número de barras de relleno y, por consiguiente, del número de nudos en comparación con la viga de tipo Warren. Esto hace que el tipo Pratt sea una solución menos económica debido al incremento de los costes de fabricación y de protección frente a la corrosión.

Dentro de los límites de viabilidad, es importante observar que, algunas veces, es posible obtener un diseño económico con esta disposición en celosías, en las que las principales cargas de compresión se producen en las barras más cortas, es decir, en los montantes.

74

d)

e)

Fig. 4.4 -

•

e)

-

e,

-

Varios tipos de vigas en celosía a) Celosía de tipo Warren b) Celosía de tipo Pratt c) Celosía de tipo Howe d) Viga de celosía "K" e) Viga Vierendeel

Celosía de tipo Howe (fig. 4.4c) Este tipo de viga consta de entramados en "X" con o sin barras verticales. Existe otra forma de conformar este tipo de viga, la cual proporciona ventajas especiales con respecto al transporte y al montaje a pie de obra. Esta consiste en vigas de dos medios cantos soldadas completamente en el taller y después atornilladas a pie de obra en las intersecciones de las barras de relleno (fig. 4.5).

Viga de celosías "K" (fig. 4.4d) Debido a la cantidad relativamente grande de barras y nudos estructurales, el tiempo de fabricación y los costes de mano de obra son elevados cuando se emplea este tipo de viga.

Sin embargo, se puede elegir para vigas de canto especialmente grande, puesto que en este caso se obtiene una reducción de las longitudes eficaces de las barras de relleno. Además, al igual que en la viga de tipo Howe, aquí también se puede aplicar el método de fabricación en dos mitades de la viga.

Viga Vierendeel (fig. 4.4e) Las vigas Vierendeel propuestas por Arthur Vierendeel en 1896 se fabrican uniendo las barras de relleno con el cordón, casi siempre con una inclinación de 90°. Las barras de relleno de los nudos en T están sometidas a momentos flectores considerables y a esfuerzos cortantes y axiales. El método de cálculo correspondiente a este tipo de viga en su variante soldada se muestra en [1, 3]. En general, esta disposición de viga tiende a ser estructuralmente menos eficaz que las descritas con anterioridad. Sin embargo, esta forma tiene importantes ventajas en determinadas aplicaciones, por ejemplo en los pórticos de señalización en las autopistas, donde las señales electrónicas suelen ser módulos cuadrados o rectangulares que se pueden introducir entre las barras de relleno verticales sin ninguna obstrucción visual.

75

Fig. 4.5 - Viga Howe con dos medios cantos

Vigas triangulares y cuadrangulares (fig. 4.6a and b}

Las vigas triangulares y cuadrangulares constan de tres y cuatro cordones respectivamente, con nudos del tipo TI, XX y KK (fig. 4.7), diseñadas para soportar cargas multiplanares, es decir, los nudos tienen un tipo de resistencia "espacial" para soportar cargas y momentos flectores en todas las direcciones. Debido a la estabilidad inherente que poseen, estas vigas no requieren ningún tipo de arriostramiento externo y, por consiguiente, constituyen elementos con capacidad resistente autónoma. Además, la extremadamente alta rigidez de estas vigas facilita la manipulación en el taller, así como en el transporte y montaje. Todas estas cualidades hacen que se usen frecuentemente como componentes estructurales inclinados o verticales (mástiles, puntales, torres, etc.) y como horizontales (edificios, pasarelas, etc.).

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b)

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Fig. 4.6 - Viga a) triangular y b) cuadrangular

La relación entre la luz libre "L" con respecto al canto "h" de estas vigas suele estar comprendida entre 15 y 18. La anchura es igual, a menudo, a la altura. Sin embargo, las condiciones del transporte son el factor limitativo en lo que respecta a los montajes parciales soldados. Las vigas triangulares se pueden diseñar con el vértice hacia arriba o hacia abajo, ambas se usan a menudo en las estructuras de cubierta (fig. 4.8). Con las primeras se obtiene una disminución, en el canto de la viga, de la altura total del edificio, al mismo tiempo que las caras laterales resultan más adecuadas para proporcionar luz natural.

XX

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KK

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Fig. 4.7- Nudos multiplanos

Las segundas son ideales para disponer directamente el revestimiento sobre los cordones.

Si se necesitan correas, éstas pueden ser continuas. Esta configuración es también muy apropiada para rampas o pasarelas (fig. 4.9).

76

Fig. 4.8 - Vigas triangulares con el vértice hacia a) arriba b) abajo

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A

Fig. 4.9 - Viga triangular para rampa o pasarela

B

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D

Fig. 4.1 O - Viga cuadrangular en cajón, obtenida de la combinación de dos vigas laterales planas

Fig. 4.11 - Viga cuadrangular de tres caras para pasarela (armazón en "U")

Las figuras 4.6b y 4.1 O muestran dos posibilidades de diseño de vigas cuadrangulares: una completamente soldada y la otra compuesta de dos vigas laterales planas posteriormente unidas por dos celosías atornilladas. En ambos casos los arriostramientos de la sección transversal se pueden conseguir con AB o AC y CD (ver figura 4. 1O). Una alternativa con sólo tres caras puede crear una forma ideal para pasarelas (fig. 4.11 ), La referencia [1, 3] contiene el procedimiento de diseño y cálculo de las vigas multiplanares.

4.1.3

Vigas en forma de arco

Las vigas en forma de arco se pueden clasificar en los dos tipos principales siguientes: - Vigas que arrancan directamente de los estribos (fig. 4. 12a) - Vigas levantadas sobre postes y que forman el travesaño de un pórtico (fig. 4.12b) 77

a)

b)

Fig. 4.12 - Tipos de vigas en forma de arco a) que arrancan directamente de los estribos, b) sostenidas sobre postes y que forman el travesaño de un pórtico Teniendo en cuenta el simplificar la fabricación, los arcos de sección constante suelen ser normalmente circulares, mientras que los arcos de vigas en celosía pueden ser circulares, elípticos o parabólicos. El procedimiento necesario para el curvado de los perfiles tubulares usados en la fabricación de arcos se describe en el apartado 3.3.

Considerando el sistema estático, se diseñan con las siguientes configuraciones básicas: - Arco de tres rótulas (triarticulado} (fig. 4.13a} - Arco de dos rótulas (biarticulado) (fig. 4.13b} - Arco biempotrado (fig. 4.13c)

Fig. 4.13 - Sistemas estáticos para arcos En el caso de los arcos que arrancan directamente de los estribos la elección de la configuración depende, principalmente, de las características del terreno, mientras que los arcos levantados pueden precisar de un tirante o de un tirante-tornapuntas para equilibrar los empujes en los arranques (fig. 4.14).

Fig. 4.14 - Arco levantado con un tirante-tornapunta para soportar el empuje en los arranques Tal y como muestra la figura 4.15, las barras de relleno aseguran la estabilidad de las bóvedas. Debido al excelente comportamiento de estabilidad lateral que poseen son posibles luces libres muy grandes sin ningún arriostramiento de interconexión entre las vigas

en forma de arco.

78

Fig. 4.15 - Bóvedas de gran amplitud con arriostramientos de interconexión entre las vigas en forma de arco

La figura 4.16 muestra una típica disposición estructural en un arco de perfil tubular simple.

El elemento del arco "B" se suelda a la placa de base "A", la cual se puede acoplar a un tirante "C". La placa de base "A" está taladrada para poder fijarla por atornillado a la base de hormigón o a la placa de testa del pilar en el caso de un pórtico. La figura 4.17 ilustra el principio de la unión de un arco en celosía con una base de hormigón empotrada (A) o articulada (B).

Fig. 4.16 - Unión en la base de un arco de perfil tubular simple

Fig. 4.17 - Principios de unión en la base de un arco en celosía

4.2

Columnas

Debido al superior comportamiento frente a pandeo de los perfiles tubulares comparados con el de los perfiles abiertos, el cual se demuestra por el mayor momento de inercia correspondiente al eje débil lmín en la figura 2.4, resulta muy frecuente optar por los perfiles tubulares para columnas de edificios y para otros elementos estructurales sometidos a

79

compresión en muchos otros sectores de la ingeniería [6]. El método de diseño y cálculo de las columnas de perfiles tubulares se ha tratado y descrito adecuadamente en [2].

La figura 4.18 muestra un ejemplo de la cantidad de material que se puede ahorrar al usar CHS/RHS, en lugar de perfiles abiertos, en una columna con una longitud de pandeo de 3 m. fy YM1 (N/mm2) 240

200

160

120

80

40 Longitud de pandeo 3 m

o

o

20

40

60

80 Masa (kg/m)

--IPE -HEA ----- Angular ----- Doble angular - - CHS/RHS

Fig. 4.18 - Comparación entre las masas de perfiles tubulares y abiertos sometidos a compresión en relación a la carga Además, la figura 4.19 ilustra la competitividad económica de columnas de perfil tubular frente a las de hormigón armado o a columnas UC en lo que se refiere al incremento de ingresos que se pueden obtener maximizando el área neta del suelo utilizable en un edificio de varias plantas.

a)

b)

Dimensiones totales de columnas circulares

Dimensiones totales de columnas cuadradas

CHS 323,9 mm

RHS 230 mm UC286 mm RC350 mm

Fig. 4.19 - Espacio relativo ocupado en columnas internas para la opción a) CHS y b) RHS frente a una de hormigón armado (RC) o a una columna de perfil UC

80

La disposición estructural de la base de una columna debe hacerse teniendo en cuenta et momento de empotramiento en la base. Puede ser de un solo pie (fig. 4.20) o de una construcción en celosía (fig. 4.21 ).

Fig. 4.20 - Columna de un solo pie soldada a la placa base

Fig. 4.21 - Columna en celosía soldada a la plac base

a) CHS b) RHS

a) CHS

b) RHS

Fig. 4.22 - Columnas de un solo pie con varias disposiciones de rigidizadores a) y b) para flexión uniaxial y de e) a e) para flexión biaxial

81

La bases de columnas conformadas por una única placa de extremo soldada al pie de la columna, tal y como indica la figura 4.20, es la solución más sencilla, incluso si se necesita una placa bastante gruesa. Los extremos de las columnas se cortan mediante corte o aserrado con respecto a la superficie plana de soporte y se colocan a nivel sobre la placa base. Son apropiadas para momentos pequeños, mientras que se pueden aplicar diferentes disposiciones de rigidizadores en la unión de la columna con la placa base cuando se tienen que soportar momentos mayores. Los rigidizadores pueden estar formados por chapas planas o ángulos, tal y como se ilustra en la figura 4.22 (a-d) y también en la figura 4.21.

Los emplazamientos de los rigidizadores dependen de las direcciones de los momentos flectores que tienen que resistir. Sin embargo, en principio, los rigidizadores se deberían evitar, si es posible, utilizando una placa base más gruesa Las bases de columna también se pueden hacer regulables (ver figura 4.23) teniendo en cuenta los ajustes en altura y en inclinación. Cuando se especifique, también se puede lograr una articulación en un plano determinado en la base de la columna mediante un pasador u otros elementos (fig. 4.24). La figura 4.25 muestra una disposición especial correspondiente a la unión de un tubo de bajante de aguas en el interior de la base de una columna de perfil tubular. Un tubo acodado, de plástico o cemento, es asentado en el cimiento de hormigón y unido al tubo de bajante de aguas. En este caso, hay que tomar medidas adecuadas para proteger el interior del perfil tubular contra la corrosión, ya sea galvanizando el perfil tubular o mediante un obturador en la tapa y en la base de la columna.

Fig. 4.23 - Base de columna con soporte regulable

Fig. 4.24 - Base de columna con articulación

4.2.1

Columnas de perfil tubular relleno de hormigón

Las columnas mixtas que se hacen rellenando columnas de perfil tubular con hormigón, con o sin armaduras, (fig. 4.26) es un desarrollo posterior que combina las ventajas del hormigón y del acero. Poseen más ductilidad que las columnas de hormigón y al mismo tiempo las uniones en las columnas se pueden construir siguiendo los criterios de diseño sobre detalles estructurales con acero. El relleno de hormigón no sólo aumenta la capacidad de soportar carga de las columnas de perfil tubular, sino que también incrementa considerablemente la resistencia frente al fuego. Los métodos de diseño y cálculo aparecen en [4, 5].

82

Fig. 4.25 - Base de columna con tubo de bajante de aguas

a)

Fig. 4.26 - Secciones transversales de perfiles tubulares rellenos de hormigón a) sin perfiles de refuerzo b) con perfiles de refuerzo

A continuación se indican aspectos cualitativos sobre las columnas mixtas de perfiles tubulares, los cuales hacen que éstas tengan preferencias especiales entre los arquitectos e ingenieros estructuristas: - El aspecto agradable de las columnas esbeltas se mantiene, mientras la capacidad de soportar carga aumenta sin incrementar las dimensiones externas.

La preferencia de muchos arquitectos por dejar visto el acero en los diseños se hace viable. El posible coloreado del área superficial por razones estéticas, y también por protección frente a la corrosión mediante pulverizados o pinturas, no supone grandes costes debido al reducido tamaño del área de la superficie en las columnas esbeltas.

Como el perfil tubular actúa como un encofrado permanente, no es necesario ningún otro encofrado en lo que respecta exclusivamente a las columnas de hormigón. A esto se le suma la economía en la fabricación. Debido a que el hormigón está confinado y retenido por el perfil tubular, no se produce ningún resquebrajamiento, ni siquiera si el hormigón alcanza la resistencia última.

Las columnas mixtas de perfiles tubulares, en especial cuando tienen el correspondiente porcentaje de armaduras de acero, pueden en determinadas circunstancias alcanzar un tiempo de resistencia frente al fuego superior a 90 minutos sin ninguna medida adicional externa de protección frente al fuego. Esto puede disminuir, en gran medida, los gastos totales de la estructura, en especial en edificios de varias plantas.

4.2.1.1

Relleno con hormigón de los perfiles tubulares

El relleno con hormigón de columnas de perfil tubular circular, cuadrado o rectangular se puede llevar a cabo en el taller o a pie de obra, dependiendo de las condiciones existentes.

Se dan las siguientes recomendaciones con respecto a la preparación del perfil tubular de acero, las armaduras y el hormigón [7, 8] para la operación de rellenado con hormigón.

83

Columnas de perfil tubular 1. Las columnas de perfil tubular relleno de hormigón deben tener pequeños agujeros de ventilación en las paredes con el fin de evitar que la columna estalle bajo la presión de vapor originada por la evaporación del agua de hidratación sobrante encerrada en el relleno de hormigón durante un incendio. En lo que respecta a las columnas de edificios de varias plantas, es preferible que los agujeros estén dispuestos en parejas por cada tramo simple y en cada planta. Los agujeros deben estar a una distancia entre 1O y 20 cm del extremo superior e inferior de la columna, las cuales están cerradas con placas de acero. Hay que taladrar agujeros intermedios si la longitud de la columna es mayor de 5 m (fig. 4.27). El diámetro de los agujeros de ventilación no debe ser menor de 20 mm.

2. La transferencia de carga en las columnas rellenas de hormigón de un edificio de varias plantas se puede producir, de forma sencilla, a través de placas de testa, las cuales actúan como un pasador que lleva a cabo la transmisión de la carga (fig. 4.28).

3. La superficie interior de los perfiles tubulares debe estar libre de agua y otras impurezas, por ejemplo aceite, grasa, etc. antes del rellenado con hormigón. Sin embargo, la superficie interna no necesita ninguna preparación especial.

b

d

Fig. 4.27 - Longitud de columnas rellenas con hormigón y disposición de los agujeros de ventilación

Fig. 4.28 - Columnas de perfil tubular relleno de hormigón con placas de testa 84

Armaduras 1. Las armaduras, con un límite superior del 4% del área de la sección de hormigón, se deberán tener en cuenta para el cálculo de la capacidad resistente a carga de una columna de perfil tubular relleno de hormigón a la temperatura de servicio. Cuando están expuestas al fuego, este valor puede ser superior. De todas formas, el cálculo de la capacidad resistente a carga se tiene que hacer con una cuantía de armadura del 4% para cálculos en la temperatura de servicio.

2. Por razones prácticas (instalación y colocación del hormigón), no se recomienda usar armaduras en secciones inferiores a 200 mm (de diámetro o ancho) para rellenado a pie de obra, ni en inferiores a 160 mm para rellenado en taller.

3. Las armaduras deben tener un recubrimiento de hormigón que depende del tamaño máximo de la grava "D" medido con tamiz. La separación entre la armadura y la superficie interna de la pared del perfil tubular debe estar entre 1,5 D y 2,0 D (ver figura 4.29) con un recubrimiento de hormigón máximo de entre 2,5 y 5 cm. Puede que para el cálculo frente al fuego la armadura necesite de recubrimientos especiales.

~

1,5 D

b Fig. 4.29 - Recubrimiento de hormigón para las armaduras de columnas de perfil tubular relleno de hormigón

4. La figura 4.30 muestra varias disposiciones de armaduras y estribos para columnas de perfil tubular relleno de hormigón.

O D

[Q] ~

Fig. 4.30 - Armaduras en columnas de perfil tubular relleno de hormigón

85

Hormigón 1. La mezcla de hormigón se prepara de forma que tenga suficiente colabilidad. Se recomienda utilizar mayores contenidos de arena y cemento (junto con relaciones agua cemento bajas) y reducir el tamaño máximo de la grava. Se requiere prestar especial atención en el caso de bombear el hormigón al interior de la columna desde el fondo.

2. El diámetro máximo de la grava "D" debe cumplir lo siguiente: - Menor que 1/8 de las dimensiones internas del perfil tubular correspondiente a una columna sin armar - Menor que el radio ficticio r de la armadura definido para la malla más cerrada, con

a'b' y = 2 ( a' + b')

(ver figura 4.31)

- Menor que la mitad de la distancia b' entre dos barras longitudinales - Menor que dos tercios de la distancia entre la barra longitudinal y la superficie interior del perfil tubular.

a'

q

11

~

~

e_-; '"·

·e· e

,c..,..·

Ó"

~ 1,5 D

~-21 Fig. 4.31 - Disposición de barras y estribos en columnas de perfil tubular relleno de hormigón

3. El cemento que se suele utilizar es cemento Portland. Son habituales los tipos resistentes de hormigón C35, C45 y C55 (resistencia a los 28 días e". 35 ó 45 ó 55 MPa).

La llamada prueba de asentamiento determina la consistencia del hormigón, en dicho ensayo el hundimiento debe estar entre 7 y 1O cm.

Normalmente se toma 0,82 como relación volumétrica entre la arena y la grava.

4. Los aditivos que pueden producir corrosión en el acero deben estar excluidos, como por ejemplo cloruro de calcio. Sin embargo, se recomienda el empleo de plastificantes y fluidificantes.

Métodos de rellenado con hormigón Tras la preparación preliminar de los componentes, por ejemplo el perfil tubular, la armadura y el hormigón antes descritos, el rellenado con hormigón de las columnas de perfil tubular se hace de acuerdo con los siguientes métodos. Sin embargo, la aplicación de cada uno de ellos depende de las condiciones descritas posteriormente.

Rellenado por gravedad (ver figuras 4.32 hasta 4.34) Para rellenar una columna de perfil tubular de menos de 3 m de altura se utiliza un embudo (fig. 4.32a), mientras que para perfiles tubulares de mayores dimensiones, es decir, d ó h > 500 mm (fig. 4.32b), se usa una tolva de vaciado por el fondo. El rellenado de hormigón fresco se debe llevar a cabo por capas de 30 a 50 cm, las cuales son vibradas inmediatamente después de colocadas mediante unos vibradores (fig. 4.33).

86

a)

···:·

..

h

h _._ _ _ _.._._. 30cm,,;;;h,,;;;50cm

Fig. 4.32 -

Rellenado por gravedad de una mezcla de hormigón con a) embudo b) tolva de vaciado por el fondo

Además, se recomienda utilizar un embudo con una longitud de cuello variable con el fin de evitar la segregación de la mezcla de hormigón (fig. 4.34).

h

h

..

it=_. · :

h

h

nr=r_.t·._\1,_

1JCt:I1f

Fig. 4.33 - Vibrado de la mezcla de hormigón con un vibrador de aguja

Fig. 4.34 - Rellenado por gravedad de la mezcla de hormigón mediante un embudo de longitud de cuello variable

87

Fig. 4.35 - Bombeo de hormigón al interior de una columna de CHS desde el fondo

Fig. 4.36 - Control del rellenado de hormigón durante el bombeo golpeando la columna con un martillo

Bombeo de hormigón

Este método consiste en bombear el hormigón al interior del periil tubular mediante una tubería flexible con el extremo ligeramente por encima o por debajo de la superficie de hormigón. En este último caso resulta favorable una criba completa de !a mezcla de hormigón.

88

Algunas veces, el hormigón es bombeado al interior de la columna desde la base, por lo que es necesario un agujero en el fondo (fig. 4.35). El hormigón se puede bombear hasta un determinado número de pisos en un edificio.

Vibradores La vibración durante el re,llenado con hormigón es posible utilizando vibradores exteriores sujetos a las paredes de los perfiles tubulares, o vibradores de aguja en el interior tal y como muestra la figura 4.33.

Comprobación para garantizar un rellenado de hormigón correcto Esta se hace golpeando con un martillo el exterior de la columna rellena con hormigón a intervalos pequeños. La figura 4.36 muestra un hombre comprobando el ascenso del hormigón mediante golpes de martillo a la columna y controlando el rellenado de hormigón por el sonido. Los sonidos subsiguientes revelan los posibles defectos del rellenado.

Remedios para eliminar los defectos del rellenado de hormigón Los defectos originados por un rellenado de hormigón incorrecto se pueden eliminar perforando unos orificios, a través de los cuales se inyecta mortero de cemento y cerrando a continuación dichas aberturas. Si no hay un suficiente relleno en los extremos, se recomienda nivelarlos con morteros de retracción limitada (fig. 4.37).

Fig. 4.37 - Nivelado con mortero de los extremos de una columna de perfil tubular rellenados incorrectamente

Uniones de columnas de peñil tubular relleno de hormigón de un piso a otro de un edificio en lo que respecta al rellenado de hormigón Los procedimientos varían si se trata de la colocación de columnas hechas a pie de obra o en el taller.

~

50cm

......... : ~º ::::: 50cm

-...•. ..• ... .,.

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o

J·~.

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Fig. 4.38 - Inserción de una ligera armadura a través de la unión entre dos secciones de columna

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Fig. 4.39 - Placas de acero soldadas a los extremos abiertos de la columna y atornillados a continuación

89

Para la instalación a pie de obra, el rellenado de cada sección de columna se lleva a cabo paso a paso, piso a piso a medida que se ejecuta el trabajo estructural. El relleno con hormigón debe llegar hasta los planos de las uniones desbordando la columna y nivelándola a continuación con un listón antes de que el hormigón se endurezca.

Para garantizar la continuidad del hormigón a través de las diferentes secciones de columnas, se pueden aplicar las siguientes alternativas: - La figura 4.38 muestra el método de inserción de una armadura de conexión entre dos secciones.

- Los extremos abiertos de las secciones de columna se cierran con placas de acero, atornilladas o soldadas (fig. 4.39).

La unión de columnas rellenas de hormigón prefabricadas en taller se puede llevar a cabo mediante soldeo directo o preferiblemente mediante atornillado a pie de obra.

4.3

Estructuras espaciales

Las estructuras espaciales consisten en barras estructurales dispuestas en una serie de planos de intersección, lo que significa que cada una de ellas pertenece a dos o más planos y están sometidas a esfuerzos predominantemente axiales. Las estructuras espaciales se fabrican utilizando elementos idénticos designados módulos, que pueden ser lineales (fig.

4.40), planos (fig. 4.41) y tridimensionales (fig. 4.42).

Fig. 4.40 - Estructura espacial con módulo lineal

Fig. 4.41 - Estructura espacial con módulo plano

Fig. 4.42 - Estructura espacial con módulo tridimensional

La aplicación de elementos idénticos favorece la producción a gran escala y la normalización de las piezas, dando lugar a una económica prefabricación industrial de las mismas en taller, a almacenamiento y transporte sencillos, al ensamble y montaje simples y al desmontaje a pie de obra.

Un elemento característico de todos los sistemas conocidos de estructuras espaciales es el nudo, en el que los elementos estructurales se unen entre sí mediante atornillado, y de forma menos habitual con soldadura y abrazaderas. La unión en su totalidad, es decir el nudo y los detalles de los extremos de las barras, influye en gran medida en la economía de una

90

estructura espacial. La figura 4.43 muestra algunos de los nudos prefabricados que hay en el mercado. Los nudos prefabricados y las barras se transportan a la obra y se montan allí sobre el terreno. A continuación, una grúa levanta la estructura montada y la coloca sobre la estructura portante.

Triodetic

Mero Fig. 4.43 - Algunos nudos prefabricados

Cuanto mayor sea la luz libre, más justificada estará la elección de una estructura espacial.

Una desventaja concreta para la aplicación de estructuras espaciales puede ser el tiempo relativamente largo y los elevados costes de mano de obra necesarios para el cálculo del diseño, los cuales no se deben subestimar incluso con el empleo de ordenadores.

El perfil tubular estructural es la principal sección transversal utilizada en las estructuras en celosía espacial debido a las siguientes ventajas: - Resistencia al pandeo y a la torsión altas y comportamiento estructural excelente debido a una distribución uniforme del material alrededor del eje (especialmente perfecta para CHS) sin los planos débiles que presentan los perfiles abiertos - Ahorro considerable de material para una estructura espacial concreta, debido a que la carga admisible es mayor que para los perfiles abiertos - Menos trabajo de mantenimiento, tales como pintura o revestimiento para protección frente al fuego y la corrosión, por presentar menos superficie externa -

Fácil unión de los elementos estructurales mediante soldadura o atornillado Su estética es preferida por muchos arquitectos

91

4.4

Uniones

Las uniones en las estructuras de perfiles tubulares desempeñan un papel vital en la economía del diseño y la fabricación. Tal y como se ha mencionado en el capítulo 3, los tipos de unión, aparte de la soldadura y el atornillado, se pueden clasificar en dos clases principales (fig. 4.44).

- Uniones directas, donde las barras se unen directamente unas con otras - Uniones indirectas, donde las barras se unen de forma indirecta a través de cartelas o de placas de extremo.

b)

Fig. 4.44 - Unión soldada de perfiles tubulares a) barras soldadas directamente entre sí b) barras unidas de forma indirecta mediante cartelas

En general, la integridad estructural y la economía de fabricación hablan en favor de las uniones directas. En este caso, la integridad estructural es estadísticamente más elevada porque la transmisión de carga desde un perfil tubular al otro se hace directamente, mientras que en las uniones indirectas la transmisión de carga se produce dos veces, primero desde un perfil tubular a la placa y después desde la placa hasta la otra barra. Los trabajos de fabricación que consisten en la soldadura o el atornillado, o en la combinación de ambos, son también menos voluminosos en el caso de las uniones directas.

4.4.1

Uniones de vigas con columnas

La realización del diseño sencillo de una unión de viga con columna requiere la provisión de un cierto grado de flexibilidad o capacidad de rotación con el fin de que la viga y las rotaciones se adapten a las deformaciones de la viga. La fabricación de las uniones atornilladas consiste casi siempre en una combinación de soldadura y atornillado.

Se han puesto en práctica una gran variedad de detalles de uniones de vigas con columnas y algunos de ellos se ilustran en las figuras 4.45a a 4.45f. En todos los casos las columnas se han construido con perfile tubulares, mientras que las vigas consisten en perfiles tubulares o en vigas doble T laminadas.

Las figuras 4.45a) y b} ilustran dos uniones muy corrientes, donde una placa o una sección en T está soldada a la cara de la columna y atornillada al alma de la viga. También se puede soldar un casquillo de angular a la columna para soportar la viga durante el montaje.

La uniones mostradas en las figuras 4.45c) a 4.45d) permiten la transmisión de cargas de cortante muy grandes desde la viga a la columna. La columna reacciona frente al momento M=O·e.

En las figuras 4.45e) a 4.45f) se muestra una serie de alternativas de uniones semirrígidas con varios niveles de rigidez. En la figura 4.45e) se ha soldado una placa a la cara de la columna y además se ha atornillado el alma de la viga a la placa a través de dos casquillos de angular. En la figura 4.45f), hay un detalle en el que se ha soldado una placa de extremo a la viga y después la placa de testa se ha atornillado a la placa frontal que está soldada a la columna. Es importante mencionar aquí que no son necesarias las placas de ancho aumentado si se emplean los sistemas de atornillado ciego (ver apartado 3.4.1 ).

92

a)

b)

Placa soldada a la cara de la columna y atornillada al alma de la viga

Casquillo de perfil en T soldado a la cara de la columna y el casquillo en T unido al alma de la viga con tornillos

e)

d)

~

Casquillo de angular soldado a la cara de la columna y atornillado al ala inferior de la de la viga

=

Placas soldadas a la cara de la columna en posición horizontal y vertical, en la que la placa vertical está unida con tornillos al alma de la viga (agujero oblongo), mientras que la cara inferior de la viga está colocada sobre la placa horizontal

f)

e)

_ _¡_ 1

Un par de casquillos de angular atornillados a una placa soldada a la cara de una columna. Los angulares también están atornillados al alma de la viga

Placa en la cara de una columna atornillada a la viga con placa de extremo

Fig. 4.45 - Uniones de viga con columna combinando soldadura y atornillado

93

Si se suelda una viga de perfil abierto directamente a una cara de columna de RHS (fig.

4.46), la rigidez en el plano del ala de la columna es muy pequeña para P« 1,0 frente a la carga concentrada del ala de la viga, de manera que el ala de la columna se colapsa y su alma puede abollarse bajo la tensión producida en el ala de la viga por estar cargada a momentos.

Fig. 4.46 - Unión de viga con columna directamente soldada

Con el fin de prevenir este comportamiento de deformación, es necesario a menudo colocar rigidizadores, en conexiones sometidas a momento, al nivel de las alas de la viga a través de los cuales las tensiones de las alas se transmiten al otro lado de la columna, previniendo así la inestabilidad local del alma. Los diafragmas creados para actuar como rigidizadores y servir como plataforma de montaje de las vigas [14] se clasifican en tres tipos: diafragma de paso, diafragma interior y diafragma exterior, tal y como se muestran en la figura 4.47.

(a) Diafragma de paso

(b) Diafragma interior

(e) Diafragma exterior

Fig. 4.47 - Tipos de diafragmas para aumentar la rigidez de la unión de viga con columna a) diafragma de paso b) diafragma interior c) diafragma exterior

Las figuras 4.48a) y b) muestran uniones en las que las vigas son continuas y se extienden a ambos lados de la columna. Pueden ser diseñadas para transmitir cargas muy pesadas y momentos flectores.

La figura 4.49 muestra un interesante desarrollo sueco de una unión muy económica que consiste en una columna de RHS continua y una sección "en sombrero de copa soldado" como una viga simplemente apoyada. El apoyo de la viga consiste en una placa de extremo soldada a la viga y la cual es soportada por un travesaño unido a la columna y una unión atornillada. Los tornillos se encuentran en la prolongación de la placa de extremo fuera de la columna de perfil tubular. La losa de piso se puede colocar sobre las alas inferiores de las vigas (fig. 4.50). En esta posición no hay ninguna viga que sobresalga por debajo del nivel del suelo. La losa de piso protege la viga encastrada del fuego, lo que significa que se puede prescindir parcial o totalmente de una protección especial contra el fuego. Existe otro sistema similar, el "Slimfloor", producido también por British-Steel, Sections & Plates.

94

La figura 4.51 muestra apoyos más sencillos para una viga en sombrero de copa en columnas de perfiles tubulares.

b) a)

Fig. 4.48 - Unión de columna con una viga continua que se extiende a ambos lados de la columna en a) CHS b) RHS

Fig. 4.49 - Apoyo de viga "en sombrero de copa soldada" sobre columna de RHS

Fig. 4.50 - Cuando las vigas y las columnas están encastradas en pisos y paredes, no obstaculizan el espacio y requieren poco o ningún aislamiento adicional contra el fuego

pasador

\

Fig. 4.51 - Simple apoyo de vigas en sombrero de copa sobre columnas de CHS y RHS

95

4.4.1.1

Uniones de vigas con columnas de perfil tubular relleno de hormigón

Las uniones de columnas de perfil tubular relleno de hormigón con vigas suelen ser parecidas a las de las columnas de perfiles tubulares corrientes.

En las uniones de las figuras 4.52a) y b), la totalidad de las componentes de momentos pasan directamente a la zona de acero, dejando atrás el hormigón. La fuerza vertical de la unión sólo va a la zona de acero y pasará al hormigón sólo a través de elementos de conexión.

Las uniones que llevan la carga por el acero en las columnas de perfil tubular relleno de hormigón únicamente se pueden emplear para cargas pequeñas. Para cargas mayores se aplica una disposición mixta, tal y como se muestra en la figura 4.53'. Se suelda una espiga a la placa frontal de la columna, ésta se inserta en el perfil tubular por un orificio taladrado y, por último, se rellena la columna de perfil tubular con hormigón.

Salida de· vapor

Fig. 4.52 - Uniones a cortante de viga con columna mixta a) sección en T soldada a la cara de la columna y atornillada al alma de la viga, b) casquillo de angular soldado a la cara de la columna y atornillada al alma de la viga, c) unión excéntrica

Las figuras 4.54 y 4.55 muestran dos soluciones de diseño con otros dos tipos de construcciones para la transmisión de la carga: a) collar de acero b) placa de unión insertada en la columna de perfil tubular relleno de hormigón.

La primera es una construcción patentada por una firma suiza, mientras que la segunda se ha desarrollado a través de investigaciones, hechas para cortantes en la viga muy elevados,

en Alemania [15].

96

Sección A-A

Fig. 4.53 - Transmisión de carga al núcleo del hormigón insertando una espiga o tornillo prisionero

Sección A-A

Forjado de hormigón

Fig. 4.54 - Transmisión de carga con collar de acero

1

Arr

-f A

Sección A-A

Fig. 4.55 - Transmisión de carga a través de placa de unión insertada

97

a)

a Cordón inferior continuo

Cordón superior continuo

Consola prefabricada

e)

Consola soldada al cordón superior y unión con Tes atornilladas en el cordón inferior Fig. 4.56 - Varios tipos de uniones de celosías con columna

98

Celosía soldada atornillada a la columna

4.4.2

Uniones de celosías con columnas

La mayor parte de estas construcciones se encuentran en los puntos de apoyo de celosías en columnas de perfiles tubulares. La figura 4.56 muestra varios detalles constructivos, la mayoría configurados para el atornillado. Esto se hace a menudo con el fin de facilitar el montaje y la ejecución evitando la soldadura en obra. Normalmente, las unidades (celosías) que se han soldado en el taller, se atornillan a pie de obra. Es evidente que las limitaciones del transporte determinan el conjunto de la operación. Las figuras 4.56a) y b) muestran detalles en los que se ha hecho la unión sobre el cordón continuo superior o inferior de una celosía. En este último caso, hay que considerar si hay que soldar una placa rigidizadora adicional con el fin de soportar las grandes cargas transmitidas a través del cordón inferior (ver figura 4.56b). También se puede soldar una consola a los cordones convergentes superior e inferior y utilizarla como pie de apoyo (ver figura 4.56c). No obstante, este detalle resulta bastante caro. Los cordones superior e inferior también se pueden soldar o atornillar en lugares separados de las columnas empleando secciones en T o chapas (ver figura 4.56 d) y e)).

4.4.3

Uniones directas

4.4.3.1

Uniones en prolongación (empalmes)

Para los perfiles tubulares, las uniones en prolongación se hacen principalmente mediante soldadura a tope. El método es sencillo y lo componen tres casos, indicados en la figura 4.57: Caso 1 Caso 2 Caso 3

Ninguna preparación de soldadura en los extremos de la barra (perfiles tubulares de pared delgada).

Los extremos de la barra se biselan para la soldadura (perfiles tubulares de pared gruesa).

Los biseles de los extremos están apoyados por un anillo de apoyo interno que soporta la soldadura líquida y facilita la alineación de las barras.

1.

flillllllZZZ/Zztss \SIS\ SS\

+----1----+¡ ~21

2.

s\\i

íf

1

1111

1

1

r---- -----ti

:

3.

1

,

I

r·----:----·-+-

1

1

:

T

1

Fig. 4.57 - Uniones en prolongación soldadas

El objetivo es alcanzar, bien la carga mayorada aplicada, bien la resistencia total de la barra más débil obteniendo la penetración adecuada de la soldadura. Hay que seleccionar los electrodos apropiados con respecto al acero utilizado. Las tablas 4.1 y 4.2 ilustran las preparaciones de soldadura para estos tipos de nudos con o sin anillo de apoyo. La figura 4.58 muestra la preparación de los extremos de las barras, cuando los espesores de pared de las dos barras difieren entre ellos.

99

Cuando las barras no se pueden soldar en posición horizontal, son necesarias preparaciones especiales (ver figura 4.59). La figura 4.60 muestra un detalle de un anillo de apoyo para nudos de RHS diferentes a los indicados en la tabla 4.2.

Tabla 4.1 - Uniones en prolongación sin anillo interno de apayo

Espesor de pared mm Hasta 3

Aplicación

Tipo de soldadura

en un lado tipo

1

Preparación de soldadura

~~~t

b

c

-

t

-

=60

de O a 3mm

-

=60

de O a 4mm

1,5 a 4mm

a

grados

.../lb

de 3 a 20

en un lado tipo V

Q'.

~~ -IL t b

Hasta 20

en un lado tipo Y

Q'.

~ _J

~~t -JLct b

de 3 a 20

en un lado soldadura de bordes curvados

de 6 a 20

en ambos lados

de45 a de O a 60mm 3mm

~

-

~¿@_j -l

[!_

t1L.~~~t2

tt

Admisible cuando t2 - t 1 s: 0,5 · t2 s: 3 mm

O'.

1,L~~~t2 60°-80°

~...,....,..:..\/

Admisible sin limitación Angulo de inclinación a máx. 30°, Preferiblemente más pequeño

t,C~~~]t2

Diferencia de espesor > 1,5 mm pero < 3 mm

Diferencia de espesor hasta 1,5 mm

Inclinación no mayor que 1a 4 Diferencia de espesor superior a 3 mm

Fig. 4.58 - Preparaciones de soldadura para uniones en prolongación de barras con diferentes

espesores de pared 100

Fig. 4.59 - Unión en prolongación soldada en posición vertical Tabla 4.2 - Uniones en prolongación con anillo interno de apoyo

[ ·-·-1·-·-·} O-

Preparación para soldar a tope

Espesor de pared t 0 , mm

V

, , - _J W1~~to t, +

Espesor del anillo interno

s

V

mín. mm

máx. mm

mín. mm

máx. mm

mín. mm

máx. mm

3

3

5

3

3

5

5

6

3

5

6

6

8

3

6

<20

5

8

2,5

3

6

8

10

3

3

10

>60°

<>

__j

SL~=!itº

r

-J 1.- ti"1 V

>30°

o

_j

sL~=};tº

r

-Ji... t,1

20 :5 t 0 < 30

2

V

~ ~

~ ~

o

Fig. 4.60 - Detalle de un anillo interno de apoyo para unión en prolongación de RHS

101

Para instalar un anillo interno de apoyo en un RHS, hay que tener un cuidado especial al ajustar la zona de las esquinas. El curvado de la zona de las esquinas del anillo interno de apoyo se tiene que hacer con mucha precisión y, durante la ejecución, cualquier desviación se tiene que rectificar con calentamiento local y martillo. El espacio entre las dos partes de los anillos internos de apoyo se tiene que rellenar con soldadura para prevenir que se originen defectos durante la soldadura del mismo.

4.4.3.2

Uniones soldadas en ángulo recto

La figura 4.61 muestra el diseño de los dos tipos fundamentales de nudos soldados en ángulo recto {90° de inclinación) junto con detalles de las soldaduras: 1. Nudo en ángulo recto simple {fig. 4.61 a) 2. Nudo en ángulo recto con una placa rigidizadora transversal (fig. 4.61 b) A pesar de que la figura 4.61 describe la construcción con perfiles tubulares cuadrados o rectangulares, los nudos soldados en ángulo recto también se pueden hacer con perfiles tubulares circulares. El cálculo de los nudos en ángulo recto de perfiles tubulares cuadrados y rectangulares se puede encontrar en [3]. Igualmente para nudos en ángulo recto de CHS se encuentra en [17]. a)

60°

Ft

0=900

C,

] - : t2

:

1, A 1

1 1

t=:=-===-=~-ll

1

J_~_ 1,

:

' o'-)

U

b, =b2 1===DJb2=b, F

Detalle D

Fig. 4.61 - Nudos en ángulo recto a) sin rigidizadores b) con placa rigidizadora

El nudo plano en ángulo recto simple que consta de poste y dintel de secciones transversales idénticas es sencillo y barato, aunque está diseñado para cargas pequeñas.

Estos nudos tienden a fallar por deformación excesiva de la cara transversal por compresión.

El nudo soldado en ángulo recto con placa rigidizadora intermedia se aplica para adaptar diferentes tamaños de barra o cuando el nudo necesita una mayor resistencia. En este caso, una deformación excesiva sólo se produce en los perfiles tubulares muy delgados. El espesor de la placa insertada no debe ser menor de 1,5 veces el del perfil tubular más grueso y, en todo caso, 10 mm por lo menos.

Un diseño alternativo para incrementar la resistencia del nudo es reforzar el nudo soldando acartelamientos (recortados de RHS con el mismo ancho que el de las dos barras principales) (fig. 4.62) o placas laterales (fig. 4.63) para evitar el pandeo local.

Al soldar el acartelamiento, la separación para soldar no debe ser superior a 3 mm (fig. 4.64a). Una alternativa sencilla es tomar la relación del ancho b¡/b 0 "'0,85 (fig. 4.64b) 102

B NO

SI ~ecorte de RHS µtilizado como !acartelamiento

Placa simple utilizada como acartelamiento

Fig. 4.62 - Refuerzo de nudo en ángljlo recto con recorte de RHS como acartelamiento

Fig. 4.63 - Refuerzo de nudo en áng~lo recto con cartelas

b)

a)

b,

b¡

bo

!

__..!...

bo

= 1,0

g ..;; 3

;

mm

~ <0,85

bo

Fig. 4.64 - Soldadura de un acartelanhiento 1

a)

/

Fig. 4.65 - Nudos en ángulo obtuso

103

El ángulo de inclinación entre los ejes de las barras de perfiles tubulares puede ser mayor de 90° (ángulo obtuso 90° < 0 < 180°). En cualquier caso, estos nudos se pueden calcular de la misma forma que los nudos de 90°, puesto que poseen un comportamiento mejor que los nudos de 90° (fig. 4.65).

a) Sin refuerzo

C) Con placas rigidizadoras longitudinales en la barra de relleno

e) Con rigidizadores de cartabón Fig. 4.66 - Tipos de unión Vierendeel

4.4.3.3

Nudos de vigas Vierendeel

Las figuras 4.66 a) a f) muestran algunas uniones Vierendeel de RHS. Se pueden considerar como nudos en T en los que la barra vertical está sometida principalmente a momento flector así como a esfuerzos axiales y cortantes. El cálculo de la resistencia de los nudos Vierendeel, con y sin refuerzo, se puede hacer de acuerdo con [1, 3, 66, 71 ].

El nudo sin refuerzo (fig. 4.66a) es el tipo más sencillo y el más barato. Sin embargo, para b1/b 0 < 1,0, puede que esta unión sea demasiado flexible para una unión resistente frente a momento. La rigidez aumenta considerablemente si se usa b 1/b 0 = 1,0. Sin embargo, esto incrementa la dificultad de la soldadura en los lados debido al radio de acuerdo en la esquina del cordón, en especial si el radio de acuerdo en la esquina es grande (ver figura 4.64a).

104

En princ1p10, la resistencia del nudo y la rigidez a la flexión de un nudo sin refuerzo disminuyen a medida que aume ta la relación de esbeltez bO/tO del cordón y disminuye la relación entre el ancho de la barr de relleno y el cordón boft 0 . Una relación b 1/b 0 "" 1,0 y una relación baja bofto permiten cargas hasta alcanzar una casi total rigidez. Otros valores dan como resultado uniones semirríg das.

La figura 4.66a) también es aplic ble a los nudos de CHS con limitaciones similares a las de ! los nudos de RHS. A continuación se indica una evaiuación sobre los refuerzos: - El refuerzo mostrado en la filura 4.66b) tiene como resultado únicamente un aumento mínimo de la resistencia del udo, puesto que la unión de la placa en las esquinas del cordón es el lugar más rígid y al que se transmite la mayor parte de la carga. Otras partes llegan a ser eficaces ~espués de considerable fluencia o incluso rotura. Por lo tanto, no se recomienda es,e tipo de aplicación. Sin embargo, el nudo con placas rigidizadoras longitudinales, ~orno se muestra en la figura 4.66c) presenta un mejor comportamiento bajo carga. ' - La unión mostrada en la figurt4.66d) es adecuadamente eficaz si el espesor de la placa rigidizadora del ala del cord n tp es mayor que el espesor de pared del cordón y la longitud de la placa de ref erzo es suficiente. Teniendo en cuenta el incremento relativamente moderado del oste de fabricación, se puede recomendar este tipo de refuerzo. Los nudos de CHS t~mbién se pueden reforzar aplicando este método, aunque debido a la curvatura que pr~sentan no resulta tan favorable como para los nudos de RHS. , - La unión con rigidizadores de fartabón mostrada en la figura 4.66e) es más resistente que la de la figura 4.66d) y puede !proporcionar la total capacidad de momento de la barra de relleno. Los cartabones deberían tener una dimensión de 0,25 h1 y se pueden hacer a partir de recortes de la barra tje relleno. Se recomienda como un tipo de refuerzo eficaz y económico. ' - La figura 4.66f) ilustra la forrrja de refuerzo más eficaz con diferencia, a pesar de ser la más costosa desde el punto 9e vista de la fabricación. Sin embargo, se puede aplicar en los raros casos en los que el! montante tiene un ancho mucho más pequeño que el del cordón. ' Los refuerzos descritos anteriorfnente se utilizan a menudo cuando hay que reparar los nudos Vierendeel.

4.4.3.4

Nudos de celosía con ~arras soldadas directamente

Las posibles combinaciones entre perfiles tubulares circulares, cuadrados y rectangulares como cordones, diagonales y mdntantes de una celosía se indican en la tabla 4.3.

Tabla 4.3 -

Combinaciones de cordones

I*

formas de la sección transversal para barras de relleno y

Barra de relleno

¡Cordón

DºD

CJºD [pºD

o o o

DºD

o

I I I I

Aquí también se encuentra otra posibilidad que consiste en perfiles doble T como cordones, y perfiles tubulares como barras de relleno

105

Tabla 4.4 - Nudos de celosía en CHS

y

T

'P_J

d1 N1

f

N1

t1id1 /\_

~

.11"

do

do

~

~ X

iv

K con espaciamiento

N/" >d1

ú8~tF do

-

92

-

-

Nooto

N con espaciamiento

K con recubrimiento

d1

~ N1\

/N2 '\

No

.

92

-=-=--~-==

N con recubrimiento

do

~o: do

- ~:.==-==-==~-=--=~,_~ e} 106

do

¡;::;:j

KT con espaciamiento

.....

Tabla 4.5 - Nudos de celosĂ­a en RHS

T

y

X

K con espaciamiento

K con recubrimiento

N con espaciamiento

N con recubrimiento

KT con espaciamiento

107

Tabla 4.6 - Nudos de celosía con perfil doble T como cordón y perfiles tubulares como barras derelleno

T

y

h1

:.au

Lt t0

d1

d1 d1\ ~ h/1 \

+

r

0~ / t 1 ).~ 1

N1

-P

r,j bo

bo

r,j

~t X

h1t-;t

L.:

ho K con espaciamiento

d

~

d1

t ~ t ho

ti1

b1 t2>h2

y¡b, t1 /\ t1

r bo

r,~

~t

d2<

v(!f.

~o

" ' ~t2 ).b2 N 2/

d1< \N1

., 111 bo

ho

~~+

K con recubrimiento

N con espaciamiento -:jh1ú t~ &::,J

L~

d1

+

~ iN1

bo

¡--¡=Hº ~~ho N con recubrimiento

108

KTcon espaciamiento

b1

ho

Las tablas 4.4, 4.5 y 4.6 ilustran las principales configuraciones geométricas de nudos como: - Nudos en To en Y - Nudos en X - Nudos en N o K - Nudos en KT Se puede hacer otra clasificación más para los nudos en N, K y KT basándose en lo siguiente: - Espaciamiento (separación) "g" entre los bordes de las barras de relleno (ignorando las soldaduras) - Recubrimiento (solape) parcial o total de las barras de relleno El cálculo de resistencia de estos nudos se puede llevar a cabo mediante [1, 3, 9, 66, 71], en donde se obtienen las mismas fórmulas.

Normalmente, las barras de los nudos de celosía de perfiles tubulares se sueldan directamente entre ellas empleando soldaduras en ángulo y soldaduras a tope de penetración parcial o total. Tal y como se indica en diferentes normas [51, 54, 58, 60, 67], la selección del tipo de soldadura depende principalmente del ángulo de inclinación e de la barra de relleno con respecto al cordón, así como del espesor de pared de la barra de relleno, el cual es, en general, inferior al espesor de pared del cordón.

Las uniones en los nudos de celosía de perfiles tubulares soldados directamente se hacen con soldadura en ángulo o una combinación de soldadura en ángulo y a tope (de bordes curvados).

Las figuras 4.67 y 4.68 muestran las condiciones básicas para aplicar soldaduras en ángulo y a tope (con abertura de penetración total o parcial) [67]. Los detalles muestran el cambio del bisel de la soldadura al variar el ángulo de abertura punto a punto a lo largo del perímetro de la intersección (ver también figura 3.9).

Como el detalle Z2 de las figuras 4.67 y 4.68 resulta caro, se puede proponer hacer la soldadura de acuerdo con la figura 4.69.

Con respecto a la punta de cumbre (punto X), el valle (punto Y) y el talón de cumbre (punto Z) de las figuras antes mencionadas, predominan las siguientes condiciones:

Cumbre e:,; 60°, todos los espesores:soldadura a tope (detalle X 1 ) e> 60°, t 1 < 8 mm: soldadura en ángulo (detalle X2 ) t 1 ~ 8 mm: soldadura a tope (detalle X3) Valle t 1 < 8 mm, d 1/d 0 o b 1/b 0 :,; 0,85: t 1 < 8 mm, d 1/d 0 o b 1/b 0 = 1,0: t 1 ~8 mm:

soldadura en ángulo (detalle Y 1 ) soldadura a tope (detalle Y2) soldadura a tope (detalle Y 3)

Talón t 1 < 8 mm: soldadura en ángulo (detalle Z 1 ) t ~ 8 mm: soldadura a tope (detalle Z2 ) o soldadura en ángulo (ver figura 4.69) Se recomienda que e ~ 30° para garantizar la adecuada penetración de la soldadura en la zona del talón. En una combinación de soldadura en ángulo y a tope, la transición debe ser continua y sin brusquedad.

La soldadura más frecuente es la soldadura en ángulo, cuya configuración puede ser convexa, plana o cóncava. El espesor de garganta "a" se describe mediante un triángulo isósceles (ver figura 4.70).

El IIW (Instituto Internacional de Soldadura) propone [61] a~ 1, 1 t 1 para S355 y a ~ t 1 para S235/275. El Eurocódigo 3 [66] recomienda una serie de espesores de garganta para las soldaduras en ángulo según los tipos de acero (tabla 4.7).

Hay que mencionar aquí que una soldadura de tipo cóncavo (fig. 4.70c) produce un mejor comportamiento a fatiga debido a tener una transición más gradual de la soldadura al metal de base.

109

En el caso de un nudo de RHS con b1 = b0 (fig. 4. 71 ), es el radio de acuerdo en la esquina el que determina la sección transversal de la soldadura. Si es posible, la separación "g" tiene que ser :::; 3 mm reduciendo b1 . En casos inevitables la soldadura se puede llevar a cabo aunque puede resultar caro.

. y-----

lh,

__¡h __ _

~I J.

bo

.!

Borde preparado a escuadra con respecto a la barra de relleno

x,lsssss~w4 e<

60°

3mm máx.

Y1)

i~ L 3m::-~-t

Y2)

X2)

ÍL L

Donde b1

< bo

3mm~áx.

~"'~ L

3mmmáx.

t

Donde b1

.

= bo

.·

e> 60º 3mm máx.

H mín.=11

~~~r 3mm máx.

H mín.

= t1

Fig. 4.67 - Soldaduras en ángulo y a tope entre perfiles tubulares rectangulares en nudos de celosías

110

Borde preparado a escuadra con respecto a la barra de relleno

Y1)

x,~-+

3mm máx.

8<

60°

Z1)

~ 3mm máx.

3mm máx.

K~Sdmh.

t ,sssssssssssss

t

3mm máx.

e> 60°

¡' t1

L_ H

!(;,me !$E_ t

f t s ss s s s s s s s s t

3mm máx.

Fig. 4.68 - Soldaduras en ángulo y a tope entre perfiles tubulares circulares en nudos de celosías

>< 'ca E E E C')

Fig. 4.69 Alternativa al detalle

z2

de las liguras 4.67 y 4.68

L

111

Fig. 4.70 - Formas de soldamduras en ángulo sor de garganta "a"

a) convexa

b) plana

c) cóncava, que define el espe-

Tabla 4.7- Espesores de garganta de soldaduras en ángulo de acuerdo con [66]

Tipo de acero de acuerdo con la tabla 2.2a (acero sin alear) a/t1 ;;:: 0,84 a* a/t1 ;;:: 0,87 a* a/t1 ;;:: 1,01 a*

S235 S275 S355 Tipo de acero de acuerdo con la tabla 2.2b (acero de grano fino)

a/t 1 ;;:: 0,91 a* a/t 1 ;;:: 1,05 a*

S275 S355

*

1,1 YMw donde MJ 1 ' 25

a = y.·

= Coeficiente parcial de seguridad para la resistencia de los nudos de estructuras en celosía (= 1, 1 de acuerdo con el EC3 [66]) YMW = Coeficiente parcial de seguridad para soldaduras (= 1,25 de acuerdo con el EC3 [66]) YMj

Fig. 4.71 - Implantación en nudos de RHS con b 1 = b0

Desde el punto de vista de la economía de fabricación son preferibles las uniones con espaciamiento (en los casos de K, N, KT) a los nudos con recubrimiento parcial, puesto que las barras resultan más fáciles de preparar, ajustar y soldar (fig. 4.72).

Sin embargo, los nudos con recubrimiento total pueden proporcionar al nudo una mayor resistencia con una fabricación similar a la de los nudos con espaciamiento, aunque con menos tolerancia de ajuste.

Merece la pena mencionar los pasos para fabricar nudos con recubrimiento parcial, ya que requieren una mayor preparación en el taller y es necesario elegir la construcción adecuada para obtener el coste más bajo. La figura 4.73 ilustra tres soluciones para nudos de tipo K en

CHS con recubrimiento parcial.

112

Ov =recubrimiento=

g_ x p

100 %

-q

p

Fig. 4.72 - Nudos K con

a) espaciamiento

b) recubrimiento parcial

e)

Fig. 4.73 - Varios nudos de tipo K en CHS con recubrimiento parcial a) Las dos barras de relleno se unep por soldadura a través de una placa intermedia (corte a escuadra para las barras de relleno en la intersección). b) En el caso de que los diámetros y los espesores de pared de las dos barras de relleno sean iguales, primero se soldará la barra tra<1cionada al cordón y después la barra comprimida cubrirá parcialmente la barra traccionada mediante soldadura (corte de la barra de relleno comprimida según dos perfiles). c) En el caso de que la diferencia entre los diámetros de las barras de relleno sea grande, primero se soldará la mayor al nudo y posteriormente la pequeña cubrirá la mayor (perfilado doble de la barra más pequeña). ·

a)

b)

Fig. 4.74 - Varios nudos de tipo K y Nen RHS con recubrimiento parcial a) Las dos barras de relleno tienen dortes dobles en los extremos. Esta unión no es aceptable debido a que la resistencia de la unión ser~ menor que la prevista. b) La barra más grande se soldará: primero al cordón. La más pequeña cubrirá la más grande (corte doble de la barra más pequeña) c) Para el tipo N, se suelda primero el montante al cordón. La diagonal recubrirá la vertical con un corte doble.

Sin embargo, esto no siempre e~ posible. En un nudo de 90°/45°, la carga de la barra diagonal es aproximadamente un 40% mayor que la del montante. Esto probablemente significará que la barra diagonal es mayor y/o más gruesa que el montante. En este caso, primero hay que soldar la diagonal al cordón.

113

Para los nudos de RHS (tipo K y N) se indican diferentes soluciones en la figura 4.74.

Es preciso hacer un comentario especial sobre nudos con recubrimiento parcial (fig. 4.75).

En los talleres de fabricación, es habitual situar en posición las barras de una viga en celosía sobre un bastidor y puntearlas con soldadura. La soldadura final se lleva a cabo después en una operación aparte. Esta secuencia impide soldar la costura de la parte cubierta "A". Sin embargo, los ensayos han mostrado que, por lo general, la resistencia del nudo no se ve afectada al excluir la soldadura de "A".

No obstante, si las componentes verticales de la carga en las dos barras de relleno difieren en más de un 20%, entonces habrá que soldar dicha zona.

Los pasos de fabricación y la secuencia de soldadura se tienen que hacer de manera que las tensiones y las deformaciones residuales originadas por la soldadura se mantengan lo más bajas posible. En los nudos de perfiles tubulares planos y multiplanos, un calentamiento no uniforme del cordón da lugar a deformaciones y a tensiones residuales no deseadas. Ante todo, las tensiones residuales se pueden reducir eligiendo la secuencia de soldadura adecuada que permita la contracción libre. Por ejemplo, en las vigas en celosía la soldadura de las barras de relleno debe empezar desde el centro hacia afuera y hasta el extremo de las barras. Como consecuencia, se originan tensiones residuales en la soldadura antes que indeseables tensiones de tracción en la soldadura. a)

b)

A - Se puede prescindir de esta soldadura si las componentes verticales de carga no difieren en más de un 20% Fig. 4.75 - Soldadura de un nudo con recubrimiento parcial

La figura 4.76 identifica la secuencia de soldadura tal basándose en las siguientes directrices: - Las posiciones de parada /comienzo no deben estar en en un nudo soldado de dos perfiles tubulares circulares, - Las posiciones de parada /comienzo no deben estar en entre una barra de relleno de perfil tubular cuadrado o tubular cuadrado o rectangular, o cerca de ellas.

y como se recomienda en [67] la zona de la cresta ni en el valle o cerca de ellas. las zonas de esquina en un nudo rectangular y un cordón de perfil

Fig. 4.76 - Secuencia de soldadura recomendada para nudos de perfiles tubulares rectangulares, cuadrados y circulares

-

-

La soldadura entre los perfiles tubulares debe hacerse en todo el perímetro con una misión estancadora, incluso si no es necesaria una longitud total como ésta por razones de resistencia [3, 9].

Se deben elegir las posiciones de parada/comienzo en soldaduras de una pasada de tal forma que se evite el paso por estas posiciones en una soldadura posterior.

114

Sin embargo, pueden ser neqesarias posiciones de parada/comienzo intermedias, en las que la geometría de los nudo$, es decir, los nudos recubiertos y reforzados, son tales que no se puede soldar de forma ~ontinua.

Los nudos de celosías, en los que las barras de relleno de CHS con extremos aplastados están soldadas a cordones de CHS o RHS, se suelen usar para evitar perfilados complicados (cordones de CHS) o para facilitar la fabricación. En general, se aplican las barras de relleno de CHS con los extremos cizallados aplastados (ver figura 3.21A) o aplastados parcialmente (ver figµra 3.21 D). Sin embargo, también hay casos en los que se puede usar un aplastamiento total (ver figura 3.21 B). La figura 4.77 muestra las siguientes configuraciones de nudos recomendadas: 1. Nudo con barras de relleno eje CHS soldadas a un cordón de CHS (fig. 4.77a). Con las caras aplastadas de las barras de relleno paralelas al eje del cordón, se recomienda el recubrimiento de los extremo$ aplastados.

2. Nudo con barras de relleno de CHS soldadas a un cordón de RHS (fig. 4.77b). Las caras aplastadas de las barras de relleno perpendiculares al eje del cordón previenen la deformación de la cara del cardón si el ancho de los extremos aplastados se aproxima al del cordón. a)

Fig. 4.77 - Nudos con barras de relleno de CHS con extremos aplastados a) cordón de CHS b) cordón de RHS

Los métodos de cálculo corresp~ndientes a los nudos con barras de relleno de CHS con los extremos aplastados se facilitan en [1, 8, 9).

La figura 4.78 ilustra una interesante disposición de una viga triangular con un cordón superior de CHS y dos cordones inferiores de RHS. Esta disposición se aplica algunas veces cuando las vigas están colocadas en posición horizontal. Entonces, los extremos aplastados de las barras de relleno de CHS se sueldan a las esquinas de los cordones de RHS.

Fig. 4.78 - Viga triangular (dos cordones inferiores de RHS y uno superior de CHS)

En el caso de resistencias de t¡1nión muy bajas en los nudos soldados de la celosía, una posibilidad de fortalecerlos es mediante el uso de refuerzos, por ejemplo una placa rigidizadora soldada al ala o al alma del cordón, un rigidizador vertical o una combinación de rigidizadores verticales y horizontales, tal y como se indica en la figura 4.79.

Los retuerzas de los nudos Vierendeel se han descrito en el apartado 4.4.3.3.

115

El tratamiento y las recomendaciones acerca del cálculo de los nudos reforzados de perfiles tubulares aparecen en [3, 9, 71]. Allí se muestran el efecto que producen en la resistencia del nudo la longitud, el ancho y el espesor de las placas de refuerzo.

Normalmente, los diseñadores no deberían usar nudos reforzados porque resultan innecesariamente caros, suponen un elevado coste de mano de obra y es posible que estropeen el atractivo estético de una estructura. En la mayor parte de los casos, se utilizan para obtener un posterior refuerzo si las dimensiones de las barras de un nudo resultan ser inadecuadas. Sin embargo, para los nudos de perfiles tubulares sometidos a carga de fatiga, es decir, en las grúas, se aplica a menudo el refuerzo de placa sobre el ala, puesto que puede prolongar considerablemente la vida de un nudo [1 O]. a)

'N1

h1 ( d,I

81

h2 (d2I

f'/"

1

¡i¡I1

f' f'/,/ ,,,j

b)

N2

'N1

~ I

h1 (d,l

P

----- -t-, oto ---f".

82J

81

- - - -

lp

__J

& o

' p

~

lp

_j~L lp

lp

d)

Fig. 4.79 - Nudos de celosías reforzados a) Refuerzo del ala con placa b) Refuerzo del alma con placas c) Retuerzo con placa vertical d) Combinación de refuerzo del ala junto con placa vertical

Es necesario realizar la soldadura completa del perímetro al unir la placa de refuerzo del ala con el cordón. Hay que prestar atención a que la soldadura selle las dos superficies interiores para prevenir la corrosión.

4.4.4

Uniones indirectas

El método de unir perfiles tubulares mediante uniones indirectas consiste principalmente en una combinación de soldadura y atornillado.

4.4.4.1

Uniones en prolongación

La figura 4.80 (a-g) muestra varias uniones en prolongación simples atornilladas, en las que los elementos intermedios, tales como las placas, las Tes, los angulares y las Ues, están soldados a los perfiles tubulares.

Si se utilizan como uniones para diagonales de estructuras en celosía, también pueden desempeñar la función de cierre de los extremos del perfil tubular para evitar la corrosión interna (ver figura 4.80 (a-d}). Es importante observar que el ala del perfil T (también se puede hacer soldando dos placas) debe ser lo bastante gruesa como para distribuir la carga de manera efectiva en la sección transversal del perfil tubular [16] (ver figura 4.80c).

Otra solución, mostrada en la figura 4.80e, consiste en insertar una placa en una ranura del perfil tubular y soldarla.

116

Para cargas mayores, se sueldan dos placas a los dos lados del RHS (ver figura 4.80f) en lugar de insertar una placa.

La figura 4.80g muestra un detalle con el que se puede obtener una distribución de cargas más uniforme en las cuatro paredes del RHS, cortando los extremos de los perfiles tubulares con un ángulo de 60° y soldándolos a una pieza "Y" hecha de dos placas.

a)

b)

e)

~

-

-

-

-Ji-

d)

]!------}~ 13-

e)

f)

·-·-·-·

~l--~~~1-

--1 E::w,:1:1--------1-

~:r:----1,

Fig. 4.80 - Uniones en prolongación atornilladas a) Angular soldado al extremo del perfil tubular b) Perfil U soldado al extremo del perfil tubular c) Perfil T soldado al extremo del perfil tubular d) Brida soldada al extremo del perfil tubular e) Placa insertada en una hendidura del perfil tubular y soldada f) Placas soldadas a dos lados de RHS g) Pieza "Y" hecha de placas soldadas al RHS

La figura 4.80d ilustra una unicpn con brida y las figuras 4.81 y 4.82 muestran detalles adicionales. Las bridas pueden e¡star hechas con placas anulares (x) o macizas (y). Para los perfiles, tanto circulares como rectangulares, se pueden adoptar varias formas (z).

Es necesario que las bridas anul:¡1.res sean muy gruesas con el fin de mantener la resistencia, mientras que las bridas macizas pueden ser mucho más delgadas. Las soldaduras en ángulo o en bordes curvados se utilizan dependiendo del espesor del perfil tubular. x) t,

i ¡-

Fig. 4.81 - Uniones con brida

z)

y) t,

¡¡

t,

--, ¡-

A

BA

C

D

-~ sm

No se recomienda intentar reduqir el espesor de la brida mediante rigidizadores, tal y como muestra la figura 4.82, debido al efecto negativo que produce la flexión local, en la parte superior de los rigidizadores, en las paredes de los perfiles tubulares, así como por los 117

costes adicionales de fabricación, protección y mantenimiento. En iugar de utili.zar rígidízadores, una gruesa placa de extremo puede proporcionar resistencia suficiente. Sin embargo, se debe prestar atención a la calidad del material. Para placas muy gruesas, es imprescindible un bajo contenido de azufre para prevenir el desgarramiento laminar de !a placa. En muchos países, el acero de las placas es de menor resistencia que el de los tubulares, lo que puede llevar a espesor de placa mucho mayores que los esperados.

Fig. 4.82 •• Unión de brida con nerv¡os de refuerzo

Como alternativa a los nudos con brida, se pueden utilizar nudos alineados con placas de unión atomi!ladas. Pueden estar expuestas (fig. 4.83) o cubiertas con planchas de cubrición (tig. 4.84) para dar un aspecto externo uniforme.

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Fíg. 4.83 - Nudo con placas de unión (expuestas)

Fig. 4.84 - Nudo con placas de unión (con planchas de cubrición)

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1

)

Los nudos con manguitos de unión también se pueden hacer como muestra la figura 4.85.

A-A

A

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Fig. 4.85 - Nudo con manguitos de unión internos

Las figuras 4.86 y 4.87 muestran uniones con cubrejuntas de CHS y RHS respectivamente.

Fig. 4.86 - Unión de CHS con cubrejuntas

El primer caso consiste en cuatro, seis u ocho tiras soldadas longitudinalmente en la periferia, las cuales están unidas mediante conjuntos de placas de solape dobles, una en cada lado. Estas uniones son apropiadas para piezas y cargas grandes. Hay que tener cuidado para prevenir la corrosión.

Fig. 4.87 - Unión de RHS con cubrejuntas

En el segundo caso, las tiras laterales (A) se sueldan a uno de los perfiles (B) en el taller y, después, se atornillan al otro perfil (C) a pie de obra. En el caso de que haya peligro de deformación de la pared del perfil tubular por el apriete de los tornillos, se deben insertar distanciadores y soldarlos tal y como muestra la figura 4.87. Si es necesaria esta operación, la unión resultará cara. También hay que tomar medidas para prevenir la corrosión en este tipo de unión.

Hollow sections with welded head plates, which do not protrude outside in order to keep a Los perfiles tubulares con placas de testa soldadas, que no sobresalgan para mantener un aspecto uniforme, se tienen que atornillar por el interior de los perfiles tubulares, tal y como muestra la figura 4.88. La accesibilidad a los tornillos se obtiene mediante orificios de acceso manual recortados en las barras.

119

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¡

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Fig. 4.88 - Nudo a tope oculto y atornillado con placas de testa en el cordón de compresión de una viga en celosía a)

b)

e)

d)

Soldadura a lo largo de un RHS en 4 esquinas con una longitud de soldadura= L

L

Fig. 4.89 - Varias uniones de celosías unidas de forma indirecta a) Cordón y barras de relleno soldados a una cartela b)Cordón soldado y barras de relleno atornilladas a una cartela c) Cordón y montante soldados y diagonal atornillada a placas laterales (unión a cortadura simple) d) Cordón y montante soldados y diagonal atornillada a placas laterales a través de placas de unión soldadas a la diagonal (unión a cortadura modificada) e) Cartela soldada al cordón y los extremos aplastados de las barras de relleno atornillados a la cartela

120

4.4.4.2

Uniones indirectas e nudos de celosías

La figura 4.89 ilustra varios nud s en una celosía en los que el cordón y las barras de relleno están unidos entre ellos media te cartelas o placas laterales.

La figura 4.89a muestra un diseño soldado únicamente con una cartela soldada al cordón de CHS. Para completar la unión, las barras de relleno se sueldan a continuación a la cartela.

En la figura 4.89b, los extremos de las barras de relleno están soldados a casquillos en T, los cuales están atornillados a la c rtela unida al cordón.

La versión completamente sold da se suele fabricar y montar en el taller, mientras que en la versión atornillada, el montaje e la celosía se puede hacer a pie de obra.

Las figuras 4.89c y d son altern tivas que utilizan placas laterales soldadas al cordón y a los lados de una barra de relleno, ientras que la otra se atornilla en obra.

Las diagonales se atornillan las placas laterales dando lugar a uniones atornilladas trabajando a cortante. Una li itación importante para el uso de estas uniones es la necesidad de tener anchos de RHS que se acoplen bien. Las barras del mismo ancho se unen directamente como en la igura 4.89c, pero a menudo hay que separar con cilindro de presión las placas laterales, de pués de terminar la soldadura, con el fin de poder hacer el montaje en la obra (la contracci n de la soldadura tiende a empujar las placas laterales hacia adentro). Se pueden corregir pequeñas diferencias (tolerancias) con respecto al ancho utilizando placas de relleno sol adas a los lados de la barra riostra (fig. 4.89d). La opción de colocar placas adicionales per ite mayores diferencias, lo cual puede resultar más cómodo en la obra.

La figura 4.89e es otra versió de cartela, donde las barras de relleno de CHS con los extremos aplastados están at rnilladas a una cartela soldada al cordón. El atornillado se puede hacer siguiendo el mé odo práctico normal. Si la estructura está al aire libre o expuesta a una atmósfera corr siva, hay que sellar con soldadura los extremos aplastados para prevenir la entrada de agu que origina la corrosión interna.

4.4.4.3

Uniones de correas

1

Las figuras 4.92 a 4.94 muestfin una serie de detalles de uniones de correas, las cuales están compuestas de viga dobl T, en Z o perfiles tubulares (ver figura 4.90) y de vigas en celosía para grandes luces (ver figura 4.91) !

Flg. 4.90 - Correa de pem,oo;oo

1

Fig. 4.91 - Correa formada por viga en celosía

Las figuras 4.92 y 4.93 prestntan los detalles de dos sujeciones simples; la primera correspondiente a una correa e perfil doble T laminado fijada con una placa doblada en ángulo y la segunda a una c rrea de perfil laminado en frío fijada con una ménsula de escuadra (sin angular), en la ual puede haber cuatro agujeros y entonces constituir un cubrejunta. !

121

--- ---

-----

Fig. 4.92 - Sujeción de correa (perfil doble T laminado) con una placa doblada en ángulo

Fig. 4.93 - Sujeción de correa (perfil laminado en frío) con una ménsula de escuadra

La figura 4.94 ilustra una posibilidad de construcción con correas de RHS. La aplicación de RHS como correa presenta la ventaja de mostrar un comportamiento más favorable frente al pandeo lateral. Como consecuencia, muchas veces se pueden omitir las tirantillas intermedias.

122

Fig. 4.94 - Correa (RHS) sujeta con¡bridas

La figura 4.95 muestra las disbosiciones estructurales de las correas de celosía. Estas correas se pueden hacer contintas, o bien los travesaños de la celosía se pueden arriostrar.

b)

a)

Fig. 4.95 - Disposición estructural df correas de celosía

Las alternativas al detalle 1 se ~uestran en las figuras 4.96 y 4.97.

¡

Fig. 4.96- Detalle 1 (ajuste de la ltjngitud limitada a las tolerancia} del agujero del tornillo) 1

1

Fig. 4.97 -

Detalle 1 (el ajuste de la longitud se puede hacer mediante espaciadores)

123

Las figuras 4.98 y 4.99 describen las alternativas, dependiendo de la inclinaciรณn e de las barras de relleno, del detalle 2.

e

Fig. 4.98 - Detalle 2 (desplazamiento de los ejes)

Fig. 4.99 - Detalle 2 (sin desplazamiento de los ejes por una colocaciรณn adecuada de los elementos principales).

Fig. 4.100 - Detalle 3.

124

5

Procedimientos enerales para la fabricación y montaje de estru turas de peñiles tubulares

5.1

Fabricación, planos a gra escala y aprobación

El proceso de fabricación comie za con la preparación de los planos de fabricación basados en los planos trazados por el dis ñador y el delineante. Estos describen cada elemento de la estructura así como las uniones n detalle, teniendo también en cuenta el equipamiento y la tecnología disponibles en el talle .

A menudo es aconsejable traza planos a tamaño natural, por lo menos de las piezas de escala reducida, incluso si los pi nos de todo el conjunto no están hechos a tamaño natural.

Se recomienda, debido a la fa ilidad que esto ofrece, para que se puedan obtener los detalles precisos de la estructu a y comprobar las configuraciones y los adaptadores de nudos.

Los componentes para constr cción, los tipos de acero elegidos para los elementos estructurales y sus dimensiones, así como los métodos de fabricación a los que se tienen que someter, deberían ser c mprobados con cuidado con el fin de evitar cualquier discrepancia entre la fabricación y el plano. Las etiquetas de fabricación que contienen las dimensiones de los perfiles tub lares con los espesores de pared son importantes, puesto que resulta difícil la comprobaci 'n cuando la estructura está en la fase final de fabricación.

Antes de empezar la operación e fabricación real, es preciso que los puntos mencionados arriba los compruebe un inspec r responsable, el cual puede actuar de mediador en caso de discrepancias entre el diseña or y el estructurista. Además, las directrices de fabricación relativas a los métodos de fabri ación y soldeo, que dependen del equipamiento disponible en el taller, los servicios de control, así como la capacitación y la experiencia de la gente encargada de la fabricación ienen que ser aprobados por personas responsables I cualificadas.

5.2

Cualificación de los taller s y soldadores

Los tres puntos siguientes son n resumen de las condiciones, ya descritas en el apartado 3.6.8, necesarias para la idone dad de un taller de fabricación de estructuras de perfiles tubulares y de un soldador que II ve a cabo las soldaduras en éstas: 1. Los talleres de fabricación deben estar adecuadamente equipados para fabricar estructuras de perfiles tubul res. Es posible que haya que adaptar el equipamiento al diseño requerido.

2. Las personas encargadas d la fabricación deben poseer conocimientos adecuados sobre fabricación de estructu as de perfiles tubulares, así como la capacidad técnica y la experiencia necesarias para r alizar el trabajo demandado.

3. Los soldadores deberían obt ner de los apropiados examinadores el título de soldadores cualificados de estructuras de perfiles tubulares.

5.3

Montaje

La buena elección de un méto o de montaje racionalizado es la clave de la producción técnica y económica de una estr ctura con perfiles tubulares. Se ve afectada en gran medida por la disponibilidad de bastidor s o estructuras de montaje en el taller o a pie de obra, las cuales facilitan las operaciones e soldadura y atornillado. En las figuras 5.1 y 5.2 aparecen dos bastidores para montajes arciales de celosías de perfiles tubulares, en los que se hacen operaciones tales como I punteado de la soldadura y después la soldadura final y, también, algunas veces el ato nillado. Con el fin de conseguir posiciones favorables al soldador, los bastidores permite la rotación de los montajes parciales de celosías.

125

Fig. 5.1 - Bastidor para una celosía típo Warren colocado en el sueio

Fig. 5.2 - Bastidor para una celosía típo Howe colocado en el suelo

126

La figura 5.3 muestra un interesante dispositivo para el montaje del entramado de un pórtico para transporte soldado con perfiles tubulares cuadrados. El arriostramiento transversal en el extremo del entramado es parte del bastidor de fabricación y permite la rotación del entramado mediante una sencilla manipulación.

Fig. 5.3 - Entramado de un pórtico para transporte soldado

En la fabricación del bastidor hay que tener en cuenta las contracciones de la soldadura y considerar las deformaciones por distorsión para garantizar la precisión del tamaño y la forma correcta de los productos.

El bastidor también se puede colocar fijo en una mesa plana, la cual suele constar de un armazón hecho con perfiles de acero dispuestos en posición horizontal y fijados con hormigón y cubiertos con una chapa de acero. El montaje se hace montando encima de la mesa los elementos a fijar.

Para las celosías de perfiles tubulares, es fundamental pensar de antemano el orden y la secuencia del montaje, en especial para nudos en los que intersectan más de dos barras de relleno, en los cuales hay que tener un cuidado especial con respecto al método de montaje.

Se pueden aplicar diversos sistemas de montaje, por ejemplo el armazón con apoyos, la losa para el marcado y el entramado con rotación. La figura 5.4 ilustra un entramado de montaje que consta de un armazón principal colocado a un nivel de referencia y provisto de apoyos (Ay B).

Los apoyos sujetan las barras de la celosía en las posiciones adecuadas, unas con respecto a las otras. Si las barras ya están equipadas con placas de sujeción (bridas, cartelas, etc.) soldadas en una fase de premontaje, los apoyos se pueden sustituir por las placas o escuadras correspondientes que habrá que atornillar.

Otro procedimiento, el de la "losa para el marcado", consiste simplemente en marcar en el suelo de hormigón del taller. Se aplica cuando no está justificada la construcción de armazones de montaje.

El equipamiento de un bastidor de rotación (fig. 5.1 y 5.2) tiene como función sujetar las piezas estructurales en las posiciones correctas para soldarlas y permitir la rotación del 127

conjunto de la pieza alrededor de la línea de giro. La aplicación económica de un bastidor depende en gran medida del número de unidades que hay que fabricar, así como del grado de precisión de fabricación necesario para un proyecto.

El punteado de la soldadura ya se ha tratado de manera adecuada en el apartado 3.6.3.

Fig. 5.4 - Estructura de montaje con apoyos

Las contracciones y las distorsiones provocadas por la soldadura, que evidentemente se originan durante el soldeo, se deberían compensar, preferiblemente, apretando el bastidor, etc (ver figura 3.52, apartado 3.6.5).

En el plan de fabricación también hay que considerar los siguientes factores: - espacio de trabajo - posibilidades de almacenamiento y apilamiento de los elementos estructurales - máquinas herramientas - mano de obra especializada La rentabilidad óptima sólo se puede alcanzar cuando se han considerado adecuadamente las cuestiones logísticas antes mencionadas.

Otro elemento importante, para la economía de la producción, es la distancia entre el lugar de fabricación y montaje y el almacén de los perfiles tubulares con zonas de apilamiento. La cercanía de estos dos lugares así como los servicios que posibiliten un transporte cómodo y fluido ahorran tiempo y trabajo y, por lo tanto, contribuyen a la economía.

Existen dos alternativas posibles para fabricar montajes parciales de construcción con perfiles tubulares: 1. Se marcan en el entramado de montaje las posiciones de los diversos componentes estructurales unos con respecto de otros. Es imprescindible hacer las revisiones adecuadas durante esta operación para prevenir errores. A continuación, se montan los componentes y se unen punteando con soldadura sobre la mesa de montaje.

Después, se trasladan los montajes parciales a la zona de soldadura, donde finaliza el proceso de soldadura siguiendo una secuencia predeterminada, la cual trae consigo reducidas distorsiones.

2. Se sujetan los montajes parciales estructurales en la posición correcta en el taller de soldadura (posiblemente con tolerancias para distorsiones posteriores) y después se lleva

a cabo la soldadura final.

128

En algunos casos, el montaje de una estructura se hace a pie de obra, operación para la cual es necesario explicar los siguientes puntos especiales: 1. En una construcción a pie de obra, como la posición y la dirección del centro de gravedad difieren de las correspondientes al montaje en el taller, es necesario mantener los elementos de sujeción, como por ejemplo los apoyos, hasta que el montaje parcial esté finalizado.

2. Las piezas auxiliares de montaje, como por ejemplo las piezas para la ejecución (ver figura 5.5), utilizadas a menudo, se deberían someter a revisión para determinar su resistencia de acuerdo con la ubicación, la forma y el tamaño de la instalación.

Fig. 5.5 - Piezas auxiliares de montaje

3. Además de la elección del método de soldar más apropiado, hay que tener en cuenta las condiciones meteorológicas, como por ejemplo el viento, la lluvia, la temperatu~a y la humedad. El soldeo por arco sumergido ~n gas inerte requiere, en especial, un equipamiento de protección contra el viento. Ultimamente, el método de soldadura por arco autoprotegido con gas inerte se utiliza cada vez ~ás, para lo que s~, ha desarrollado y se aplica equipamiento semiautomático. o robot1zado. La protecc,on frente a las condiciones climáticas es fundamental (ver figura 5.6).

129

Fig. 5.6 -

Soldadura a pie de obra. Para esta operación es fundamental la protección frente a las condiciones climáticas

4. A menudo en la obra, la fuente de energía para la soldadura se encuentra lejos del lugar donde hay que hacer la soldadura, por lo que se necesita una función de control remoto que permita al soldador regular el estado de soldeo desde cerca.

130

6 Transporte de pe~iles tubulares y estructuras Dependiendo de que la estructur sea montada en el taller o a pie de obra, el transporte, de los montajes parciales o de los el mentos estructurales individuales, a la obra por carretera, ferrocarril, río, canal o mar deber hacerse considerando como base la rentabilidad.

El apilamiento es uno de los p ntos favorables para los perfiles tubulares cuadrados y rectangulares en lo que respecta al transporte por camión, tren o barco (ver apartado 5.3).

No obstante, las propiedades m cánicas de los perfiles tubulares, tanto los CHS como los RHS, resultan bastante favorable para el transporte de elementos individuales y de grandes montajes fabricados, debido a s elevada rigidez a la torsión, la resistencia a la tracción y compresión y la resistencia a la flexión multiaxial. A continuación se resumen las características específicas de los ipos de transporte mencionados arriba.

Transporte por carretera: Es el medio adecuado y más utili ado cuando la obra se encuentra relativamente cerca del taller. Sin embargo, existen lím tes máximos autorizados respecto a alturas, anchos y longitudes de los productos, los uales varían de un país a otro. También hay que prestar atención a las restricciones loca es impuestas correspondientes a los puentes, al acceso directo a la obra, etc. Estas rest icciones se pueden respetar perfectamente haciendo los montajes parciales apropiados e los talleres y transportándolos a la obra, donde se finaliza su montaje. La figura 6.1 muestr la configuración y la construcción de un tipo de montaje parcial cuya carga en el camión r sulta económica.

Fig. 6.1 - Transporte de unidades modulares en camión

Transporte por ferrocarril: Este medio es el más barato cuar11do el taller y el lugar de la obra están unidos directamente por una línea de ferrocarril. En este caso también hay límites con respecto al tamaño, los cuales varían de un país a otro.

Transporte por barco/gabarra: Este tipo de transporte puede $er relativamente barato cuando se pueden transportar unidades montadas muy grandes¡ Ofrece ventajas importantes cuando el lugar de la obra y el taller se encuentran cerca dei una vía navegable principal o cuando los montajes se pueden trasladar sin problemas ai una de estas vías. La figura 6.2 muestra el transporte de los montajes parciales para una plataforma petrolífera. Se han colocado en una barcaza que será remolcada hasta el lugar de \a prospección petrolífera.

131

Fig. 6.2-- PreparaciĂłn para el transporte de los montajes parciales para una plataforma petrolĂ­fera sobre una barcaza

132

7 Montaje de estructuras de perfiles tubulares En principio, no hay una diferencia evidente entre el montaje de estructuras de perfiles tubulares y el de construcciones con cualquier otro tipo de perfil de acero. Sin embargo, debido a que los perfiles tubulares poseen propiedades a la torsión superiores, ta! y como se describe en el apartado 2.2, las operaciones de elevación y manipulación de los entramados de perfiles tubulares se ven facilitadas en gran medida. Se puede demostrar comparando la elevación de una viga en celosía de perfiles abiertos con la de una viga en celosía de perfiles tubulares (fig. 7.1). Para elevar una viga en celosía de perfiles tubulares no se necesitan rigidizadores transversales provisionales o cunas elevadoras; sin embargo, probablemente si que se necesitarían para una construcción similar hecha con perfiles abiertos.

Fíg. 7.1 ·- Elevación de vigas en celosía a) Viga en celosía de perfiles abiertos con rigidizadores transversales provisionales o cunas elevadoras b) Viga en celosía de perfiles tubulares sin rigidízadores transversales provisionales o cunas elevadoras

Fig. 7.2 -

En el montaje de una estructura en celosía de CHS, los montajes parciales prefabricados son levantados con una grúa y unidos con bridas

133

c,;

.ÂĄ:,.

Fig. 7.3 - Montaje de un puente arqueado en celosĂ­a

En general, el montaje debe empezar en un lugar donde el acceso de los vehículos de transporte y del equipamiento de manipulación, como por ejemplo las grúas, sea e! más fácil.

En la mayoría de los casos, a partir de un entramado lateral estable en una alíneación se unen gradualmente los demás elementos de la estructura. La figura 7.2 muestra una operación de montaje en la que los montajes parciales de celosía son transportados a la obra, elevados mediante una grúa y unidos a las otras partes con bridas atornilladas.

La existencia de potentes grúas permite levantar unidades grandes, transportarlas directamente desde el taller y colocarlas en el lugar adecuado en una sola operación. La figura 7.3 muestra ei montaje de un puente arqueado en celosía de CHS. En este caso, el uso de pertiles tubulares viene favorecido por los siguientes factores: - Ligereza relativa de la estructura Rigidez extrema de la estructura en celosía Menores cargas debidas al viento (aunque representa una ventaja marginal}, en especial cuando se utilizan CHS. El montaje a nivel del suelo de grandes unidades se utiliza bastante en las estructuras espaciales (ver figura 7.4). Este montaje facilita y agiliza las operaciones de construcción y al mismo tiempo resulta más seguro para los trabajadores.

Fig. 7.4 -

Montaje de una estructura "Delta" (ver apartado 3.8) en el suelo de la obra, la cual será izada mediante grúa móvil hasta la posición definitiva

Como ya se ha mencionado, la fabricación de estructuras de celosía planas y mu!tip!anares se hace generalmente en los talleres, cuando se trata de tamaños relativamente pequeños y se pueden disponer de los medios de transporte necesarios. De lo contrario, habrá que atornillar o soldar entre sf los elementos sueltos en la obra. Será ventajoso poder hacer el montaje y la construcción de forma simultánea a una altura de 4 a 5 metros por encima del suelo, con el fin de que los pequeños elevadores móviles puedan levantar los elementos estructurales individuales hasta las posiciones definitivas en las columnas y exista bajo la construcción espacio libre suficiente para mover los elevadores. La figura 7.5 muestra uno de estos casos.

135

Fig. 7.5-- Montaje y constmcción .-.Je una estructura a una altura de 5 m con

móviles

Las !os

Con un

tubu!ares muy 7.7 muestra el izado hasta la final de una en celosía de perfiles tubulares muy usando m1J1a,d,lre,s hidráuiiGos en cada extremo de la viga.

136

Fig. 7.6a - Montaje por atornillado a pie de obra - CD elementos individuales llevados a obra

137

Fig, 7.6b - Montaje p.or atornillado a pie de obra - @ uniĂłn simple atornillada a pie de obra

Fig. 7.6c - Montaje por atornillado a pie de obra - @ elementos individuales atornillados entre sĂ­ para elevarlos como una gran pieza

138

Fig. 7.7- Montaje. Con el equipamiento adecuado se pueden montar elementos muy grandes. Hangar para mantenimiento de British Airways, Cardiff, Gales (dimensiones 14,5 m x 8 m x 232 m; 1000 toneladas y 9 m x 5 m x 232 m; 600 toneladas

139

8

Protección frente a la corrosión

La corrosión es un fenómeno, inherente a las estructuras de acero, que se produce cuando están en contacto con la atmósfera. Las medidas preventivas pueden influir de manera decisiva en el coste del uso de estas estructuras en comparación con las estructuras de hormigón. La importancia de la protección frente a la corrosión aumenta de día en día debido a la creciente agresividad actualmente presente en la atmósfera y a que el impacto financiero que tiene sobre la fabricación de estructuras de acero es también muy importante.

Por lo tanto, hay que tener en cuenta las ventajas y desventajas de los perfiles tubulares con respecto a este factor y al que se debería prestar la debida atención en las primeras fases del diseño.

La corrosión atmosférica es un proceso electroquímico con reacciones entre el acero y la humedad condensada que producen óxidos o herrumbres. Los componentes conocidos de la atmósfera relacionados con la corrosión son H20, 0 2 así como C0 2 , cloruros (en ambientes marinos), S0 2 , gases nítricos, H2 S y NH 3 . La superficie de acero empieza a oxidarse con atmósferas de humedades relativas por encima del 60% y a temperaturas entre -20° y + 60°C. El polvo depositado favorece la corrosión, concretamente cuando absorbe humedad. Los perfiles tubulares circulares tienen una ventaja al respecto, ya que permiten menores deposiciones de polvo.

Debido a la forma cerrada de los perfiles tubulares, teóricamente la corrosión se puede producir tanto en la superficie externa como en la interna, por lo que habrá que tener en cuenta ambas formas. Sin embargo, la corrosión interna normalmente no es un problema (ver 8.2).

8.1

Protección frente a la corrosión externa

Los métodos de protección frente a la corrosión externa usados en las estructuras de perfiles tubulares son los mismos que los correspondientes a perfiles abiertos. Estos métodos son los siguientes: 1. pinturas y pulverizados 2. capas de metal por galvanización.

La polarización electroquímica o la protección catódica/anódica no se suele aplicar en la ingeniería estructural, excepto para estructuras marinas y las conducciones de fluidos.

El pintado y el pulverizado de los perfiles tubulares gozan de importantes ventajas en comparación con los perfiles abiertos tanto en el plano técnico como en el financiero. Estas ventajas, que pueden ser decisivas para elegir perfiles tubulares para una estructura, son las siguientes: 1. Los perfiles tubulares ofrecen, para una capacidad de carga determinada, un área de superficie externa que puede ser hasta un 50% menor que la de los perfiles abiertos correspondientes. Esto puede tener como resultado un ahorro considerable de material para la protección frente a la corrosión y de trabajo.

2. Las esquinas vivas de un perfil abierto son propensas a la oxidación, debido a que aquí el revestimiento suele ser más fino que en el resto de las zonas. La condensación también se produce en las esquinas vivas, dando lugar a la corrosión. Como los perfiles tubulares no poseen este tipo de esquinas, es más fácil obtener un espesor de pintura o pulverizado uniforme y, de este modo, conseguir un comportamiento mejor y más duradero de la protección frente a la corrosión (ver figura 8.1 ).

3. Con respecto a la corrosión, las estructuras de acero se deberían diseñar de tal manera que presenten la menor superficie, o ninguna, que pueda ser atacada por los agentes que provocan la corrosión, es decir, los espacios huecos, los colectores de polvo, agua o nieve, etc. Se pueden diseñar estructuras de perfiles tubulares con nudos limpios y sin elementos adicionales, sin emplear cartelas o placas de unión, en las que todas las 140

piezas están pertectamente preparadas para recibir un tratamiento de protección inicial frente a la corrosión y para las posteriores labores de mantenimiento (ver figura 8.2).

Estos tres puntos subrayan, de forma principal, la competitividad económica de las estructuras de perfiles tubulares, no sólo en la producción inicial sino también en su posterior mantenimiento.

Fig. 8.1 -

Comparación de la uniformidad del espesor de la capa de pintura y pulverizado sobre perfiles tubulares y abiertos

Fig. 8.2 - Estructura de perfiles tubulares con nudos sin utilizar cartelas o placas de unión

141

8.1.1

Protección mediante pintado y pulverizado

En la elección de las pinturas y pulverizados, así como de los métodos de aplicación de éstos, hay que tener en cuenta el clima, la ubicación, la vida estimada de la estructura, los periodos de mantenimiento y los requisitos específicos de las pinturas o pulverizados, por ejemplo el espesor. Las pinturas, que normalmente constan de una primera capa, una segunda y una final, son la mayoría combinaciones de agentes adherentes y pigmentos inorgánicos.

La primera capa tiene la función esencial de inhibir el proceso de corrosión en la superficie de acero por la elevada resistencia a la permeabilidad que posee y de garantizar una buena adhesión entre la capa posterior y la superficie de acero. La capa intermedia, que es inerte químicamente e impermeable frente a la atmósfera externa, actúa para intensificar la adhesión entre la primera capa y la última. Esta última capa también es impermeable y resistente a las acciones mecánicas y químicas y, en algunos casos, también puede tener una función decorativa.

Es obligatorio preparar adecuadamente la superficie antes de aplicar la protección frente a la corrosión, puesto que los resultados serán negativos si las superficies no están suficientemente limpias o presentan algo de óxido. Dependiendo del estado de la superficie, la preparación es la siguiente: - Descascarillado mediante chorreo de granalla, discos abrasivos o rectificado, martillado manual o portátil de aire comprimido, pistola abrasiva, dependiendo de la firmeza que tengan las capas de incrustaciones.

- Limpieza de todas las sustancias extrañas pegadas a la pared, tales como polvo, barro, etc.

- Desengrasado con pulverizado de emulsiones, dependiendo de la naturaleza de la grasa que haya que eliminar. Las emulsiones deben ser ecológicamente aceptables.

Las pinturas se suelen aplicar utilizando las siguientes técnicas: - Aplicación con brocha - Aplicación con pulverizador (neumático con pulverización o electrostático) - Pintado por inmersión La aplicación con brocha se recomienda intensamente para la primera capa. Los revestimientos metálicos se hacen mediante metalización con pistola, que consiste en pulverizar zinc o aluminio metálico, fundido en llama oxiacetilénica u oxipropánica, mediante chorro de aire comprimido. Este tipo de protección contra la corrosión es muy apropiado para las estructuras grandes. Antes del pulverizado, hay que limpiar la superficie mediante chorreo de granalla.

Las pinturas ricas en zinc, con un contenido de zinc metálico del 34%, son especialmente recomendables en estos casos por la excelente calidad de protección que presentan y por la facilidad de aplicación, ya que también secan y endurecen muy rápidamente.

La duración de la protección frente a la corrosión se puede prolongar considerablemente con una capa de pintura Duplex, que consiste en la aplicación de una capa orgánica sobre un revestimiento metálico.

Actualmente, los fabricantes muchas veces entregan a los estructuristas los perfiles tubulares en un estado previo de protección. Para ello, se decapan y se limpian en el taller y a continuación se revisten con una "capa de imprimación". La capa tiene un espesor de entre 15 y 20 µm y se puede soldar directamente encima. Su función es la de proteger la superficie frente a la corrosión durante el transporte, almacenamiento y fabricación. Como la primera capa se aplica directamente a la capa de imprimación, tienen que ser compatibles entre ellas.

8.2

Protección frente a la corrosión interna

La recomendación del "estado del arte" es que si los perfiles tubulares tienen todas las aberturas herméticamente cerradas, no es necesaria ninguna medida protectora frente a la

142

corrosión interna. En general, se cierran soldando tapas en los extremos o empleando elementos de cierre, tales como arandelas y empaquetaduras para los tornillos.

En estos casos, el proceso de corrosión se detiene rápidamente debido a la falta de oxígeno renovado después de haberse agotado el oxígeno acumulado al principio. CIDECT lo ha comprobado mediante amplios trabajos de investigación [29] y también la empresa de Ferrocarriles Alemanes [36] mediante investigaciones en el largo plazo.

Las investigaciones han demostrado además lo siguiente: 1. A pesar de que el aire húmedo pueda penetrar en el perfil tubular a través de las aberturas que no estén totalmente selladas (entallas de soldadura, por ejemplo), sólo se puede producir óxido en una zona pequeña muy restringida alrededor de la abertura.

2. Si en cualquier caso el agua de la superficie entra en el perfil tubular y escurre por la pared interna, la corrosión queda limitada únicamente a la zona mojada y se puede detener taladrando un agujero en un punto bajo para que salga el agua (ver figura 8.3a), o colocando una brida de drenaje en el fondo de la columna si se emplean bridas anulares (fig. 8.3b).

b)

¿

Disco de drenaje

E E

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a)

Detalles característicos del drenaje

Fig. 8.3 - Drenaje con orificio de ventilación

El peligro es mayor en las estructuras externas cuando el agua puede acumularse dentro del perfil tubular, debido a que las congelaciones repetidas pueden provocar la ruptura de la pared tras sucesivas expansiones y contracciones hasta alcanzar el límite de alargamiento [28]. Para las construcciones expuestas a este peligro, se recomienda taladrar un orificio con un tapón de evacuación para eliminar el agua retenida de vez en cuando. Una alternativa es el empleo de una brida de drenaje.

Cuando no se puede sellar un perfil tubular por razones de construcción, hay que tener cuidado de que el aire pueda pasar y que el agua no se estanque en el perfil tubular.

8.3

Protección frente a la corrosión interna y externa mediante baño de galvanizado en caliente

El baño de galvanizado en caliente es un método fiable y económico de protección frente a la corrosión de las superficies internas y externas de los perfiles tubulares. El método consta de los pasos siguientes: 1. Las superficies de acero se limpian, se desengrasan, se introducen en un baño de ácidos químicos, se aclaran y se escurren.

143

2. Los perfiles tubulares, los montajes parciales o los montajes terminados (dependiendo de las dimensiones del baño disponible) se introducen en un baño de zinc fundido a 470°C, en el que se produce una capa no porosa de zinc metálico en la superficie de acero. La capa intermedia de aleación de hierro y zinc entre el acero y el zinc puro originada por difusión actúa como sustancia adherente entre ellos. El espesor de la capa de zinc en gramos por dm 2 depende de las condiciones medioambientales, es decir, rurales, marítimas, urbanas, industriales, tropicales, etc. y de los requisitos estructurales. Los valores habituales para los espesores del revestimiento se encuentran entre 4 y 6 gramos por dm 2 de superficie Hay que tener especial cuidado con los puntos siguientes: 1. Los perfiles tubulares y los montajes parciales deben tener orificios y aberturas para que el aire pueda salir sin problemas. De lo contrario pueden representar una fuente de explosión. Todas las uniones de un montaje deben estar diseñadas para que los ácidos limpiadores de metales, las sustancias aclarantes y el zinc fundido puedan pasar sin interrupción por las mismas, además de por los espacios internos de los perfiles tubulares (fig. 8.4). Hay que tener presente que una mínima gota de solución limpiadora presente en el espacio interno al sumergirla en zinc fundido a 470ºC puede producir una vaporización instantánea, la cual podrá provocar la explosión de los elementos estructurales tubulares. La disposición de los orificios de salida o aberturas se tendrá que hacer de acuerdo con esto.

b)

a) vertical placa de extremo

corte de 45º 1 en ala y par

orificio en el cordón

cordón Fig. 8.4 -

Disposiciones de orificios en uniones de perfiles tubulares ángulo para un galvanizado en caliente por inmersión

a) Nudo tipo T b) Nudo en

2. En el caso de que la cubeta para el baño de zinc no sea lo bastante grande como para colocar un montaje, las barras de perfiles tubulares individuales se galvanizan en caliente y los montajes se realizan soldando, o mejor, atornillando las barras posteriormente. El método de soldar correspondiente a las piezas galvanizadas se ha descrito en el apartado 3.6.9.

3. Las tensiones residuales que conlleva una estructura soldada se alivian con el galvanizado en caliente por inmersión, dando lugar a deformaciones. Hay que limitar éstas durante la galvanización en la medida de lo posible. Las deformaciones se pueden arreglar o compensar dentro de ciertos límites.

8.4

Protección de estructuras de perfil tubular frente a la corrosión en el interior de edificios

En la mayoría de los casos, no se necesita ninguna medida de protección para este tipo de estructuras, por ejemplo las estructuras de cubierta ocultas y visibles, si se cumplen las condiciones siguientes: - No es posible la condensación (especialmente en las zonas del tejado) en ninguna estación

- La humedad relativa es inferior al 50%.

144

9

Protección frente al fuego

Como ningún edificio está totalmente exento del fuego, el cliente, el arquitecto, el ingeniero y el estructurista deben conocer el grado de seguridad frente al fuego de la estructura de acero desde el diseño inicial, teniendo en cuenta además las consecuencias económicas. Las leyes, reglamentos y normas de diversos países, así como las recomendaciones internacionales [41] tienen como objetivo definir y prescribir los distintos niveles de seguridad correspondientes a las estructuras y a las piezas de las mismas dependiendo de las funciones que desempeñen, es decir, de un piso, de varios pisos, con capacidad de carga, con carga mínima o sin carga, protegidas frente al fuego o no, etc. El propósito fundamental es salvar vidas humanas antes que prevenir pérdidas de material. La prevención del fuego y la protección frente al mismo son dos aspectos, los cuales forman la base de los puntos a tener en cuenta para la seguridad en caso de fuego. La prevención consiste en difundir información sobre cómo detener los brotes de fuego y enseñar a la gente el modo de actuar en consecuencia, así como prevenir la propagación del fuego dotando a las edificaciones con sistemas de alarma y extintores de fuego. La protección de la vida humana se asegura con los sistemas de evacuación que prescriben el número y los tamaños de las salidas de emergencia, así como retrasando la aparición del peligro mortal a través de una conservación prolongada de la integridad de las estructuras o partes de éstas, por ejemplo vigas, columnas, vigas en celosía, etc. después que el fuego comienza.

La integridad de una estructura de acero se determina a partir de la temperatura crítica de 450º a 550ºC, que es cuando las barras de acero fallan, y del tiempo de resistencia frente al fuego antes de alcanzar la temperatura crítica con un determinado nivel de carga. Las estructuras de acero, los elementos estructurales y los materiales protectores frente al fuego se clasifican en las clases de resistencia F30, F60, F90, F120 y F180, donde los números designan el tiempo de resistencia frente al fuego en minutos. Los elementos de acero que no están protegidos fallan bajo el fuego después de aproximadamente 15 a 30 minutos dependiendo de la carga y de la masividad, la cual se calcula mediante la relación entre el perímetro y el área de la sección transversal. Esto significa que el tiempo de resistencia frente al fuego de los perfiles tubulares de pared gruesa es mayor que el de los de pared delgada.

Una de las mayores ventajas de los perfiles tubulares con respecto a la protección frente al fuego es que no sólo se obtiene mediante el aislamiento externo, como es habitual en los perfiles abiertos convencionales, sino también rellenándolos con hormigón, en especial con hormigón armado o haciendo circular agua por el espacio interno. El diseño y el cálculo de estos tres procedimientos de protección frente al fuego se han descrito detalladamente en [4], por lo que se ha prescindido de incluirlos aquí con la excepción de la figura 9.1, la cual ilustra detalles sobre aislamientos externos aplicados en columnas de perfiles tubulares.

Estos materiales se pueden clasificar en los siguientes grupos: - Tablas o paneles aislantes (basados principalmente en el yeso, fibras minerales o agregados ligeros tales como perlita y vermiculita).

- Pinturas pulverizadas o revocos (basados principalmente en falsos minerales o agregados ligeros tales como perlita o vermiculita).

- Pinturas intumescentes (mezclas aplicadas directamente a la superficie de acero, las cuales se hinchan con el fuego hasta alcanzar un espesor muy superior al original).

La necesidad de protección frente al fuego es una fuente de gastos adicionales en las estructuras de acero y puede dañar considerablemente la competitividad que poseen frente a las estructuras de hormigón. Por consiguiente, hay que hacer un gran esfuerzo para que su aplicación sea lo más económica posible. A continuación se indican algunos puntos al respecto: 1. Debido al aislamiento externo de las columnas, en especial en las edificaciones de varias plantas, la zona útil de las edificaciones se ve reducida, por lo que los ingresos 145

disminuyen. Se debe procurar mantener el aislamiento lo más fino posible y evitar todo espesor innecesario.

2. El relleno con hormigón, preferentemente con armaduras, de las columnas de perfil tubular aumenta no sólo la capacidad de carga [5] sino también la resistencia frente al fuego. Esta última se puede obtener sin ningún aislamiento externo dando lugar a columnas esbeltas, lo cual resulta agradable arquitectónicamente y al mismo tiempo incrementa los ingresos.

3. La aplicación de refrigeración mediante agua de las columnas sin protección comparada con el aislamiento externo puede resultar económica en edificaciones a partir de ocho plantas en adelante [37].

o

malla metálica pulverizado resistente al fuego

b) Capa pulverizada resistente al a) Revocado mediante pulverizado en obra

e) Marco clavado de material resistente al fuego

fuego sobre malla metálica

d) Tablas adhesivas resistentes al fuego

Fig. 9.1 - Aislamientos externos protectores frente al fuego en perfiles tubulares

146

1O Aspectos económicos con respecto a la construcción de estructuras de acero con perfiles tubulares Resulta prácticamente imposible efectuar una declaración de validez internacional con respecto a la competitividad global de las estructuras de perfiles tubulares frente a las estructuras de perfiles abiertos convencionales. Esto se debe al hecho de que los costes correspondientes a los elementos individuales como, por ejemplo, el material, la mano de obra y la protección frente a la corrosión y el fuego pueden variar en gran medida de un país a otro. Como ejemplo, los costes de la mano de obra en los países menos industrializados y desarrollados no juegan un papel tan importante como los costes de los materiales, a diferencia de en los países altamente industrializados, donde también el nivel de los costes de mano de obra puede variar considerablemente de un país a otro.

En lo que respecta a los costes de los materiales, el precio por tonelada de los perfiles tubulares suele ser superior al de los perfiles abiertos. No obstante, las diferencias de precios entre los distintos países tampoco muestra un nivel uniforme.

Los costes correspondientes a la protección frente a la corrosión y el fuego dependen del grado de restricción que suponen los requisitos prescritos en las normas o reglamentos hechos por las autoridades de cada país determinado. Este factor también puede afectar en gran medida a la economía global de una estructura de acero en un país.

Por todo esto, este capítulo valora los aspectos económicos de las estructuras de perfiles tubulares con un enfoque técnico, es decir, con la descripción de las ventajas técnicas que eleva el estatus competitivo de las estructuras de perfiles tubulares. La mayor parte de estos puntos ya se han mencionado en los capítulos anteriores. Sin embargo, aquí se realiza un resumen como valoración final: 1. Los perfiles tubulares circulares, cuadrados y rectangulares poseen notables propiedades resistentes estáticas relacionadas con la compresión, la torsión, la flexión multiaxial y el pandeo lateral (ver capítulo 2, figura 2.4). Estas propiedades permiten que con los perfiles tubulares se puedan construir edificaciones más ligeras que con los perfiles abiertos. Sin embargo, en muchos casos el ahorro de material sólo puede compensar parcialmente el coste de los materiales.

Las excelentes propiedades de los perfiles tubulares se pueden explotar al máximo cuando son especialmente usados como columnas (ver apartado 4.2), estructuras de celosía (ver apartado 4.1.2) así como en aplicaciones mecánicas [6]. Los arquitectos diseñan cada vez más como estructuras en celosía las estructuras de cubrición de grandes vanos, las cuales se emplean normalmente en instalaciones deportivas, piscinas, salas de exposiciones, estadios y edificaciones industriales. Son preferibles las estructuras de perfiles tubulares no sólo porque pesan menos sino también por su apariencia estética con sus superficies lisas y sin aristas vivas.

Además, la soldadura directa entre las barras en las uniones es un proceso sencillo, en el que se puede prescindir de las cartelas y de las placas rigidizadoras.

En una construcción con celosías, la mayor parte del material se encuentra generalmente en los cordones (aproximadamente el 75% del peso total de la obra de celosía). Así pues, el aprovechamiento óptimo de los cordones es más importante para el diseño con el mínimo peso. En el caso de necesitar un nuevo dimensionado debido a la inadecuada capacidad de carga de un nudo de la viga en celosía en una revisión intermedia, se recomienda comprobar primero si se pueden cambiar las barras de relleno (riostras).

Aunque el escalonamiento de tamaños en los cordones no presenta ninguna ventaja, resulta útil combinar las riostras en grupos individuales. También es importante para el diseñador comprobar de antemano si hay disponibles en el mercado perfiles tubulares de las dimensiones elegidas.

2. Los costes del chorreo de arena, la primera capa de imprimación (ver apartado 8.1.1) y la fabricación y montaje reales (ver capítulos 3 y 5) constituyen los costes de fabricación.

147

Para la aplicación del chorreo de arena y la primera capa de imprimación, los perfiles tubulares se encuentran en una posición más favorable que los perfiles abiertos, puesto que las áreas superficiales son más pequeñas que las de los perfiles abiertos correspondientes y, por consiguiente, los costes del tratamiento de los perfiles tubulares son menores (ver apartado 8.1 ).

En una construcción soldada de vigas en celosía, casi todos los costes de fabricación corresponden a las barras de relleno. De ahí que la solución más económica para la fabricación se pueda alcanzar mediante: 1. La reducción del número de barras de relleno eligiendo la disposición de barras más adecuada 2. La utilización de un tipo de nudo apropiado, relativamente fácil de fabricar 3. La utilización de un tipo apropiado de perfil tubular (CHS o RHS) El efecto de la disposición de las barras se muestra en la figura 10.1 mediante tres tipos diferentes de barras de relleno: tipo N, tipo KT y tipo K. Se ha demostrado que con el tipo K se puede obtener la cantidad mínima de barras de relleno así como de uniones (ver también apartado 4.1.2).

S(SISJSISJSJSR DISPOSICION DE RIOSTRAS TIPO N LONGITUD TOTAL DE BARRAS DE RELLENO= 100 BARRAS DE RELLENO= 16 UNIONES= 32

DISPOSICION DE RIOSTRAS TIPO KT LONGITUD TOTAL DE BARRAS DE RELLENO= 86 BARRAS DE RELLENO = 14 UNIONES= 28

DISPOSICION DE RIOSTRAS TIPO K LONGITUD TOTAL DE BARRAS DE RELLENO= 62 BARRAS DE RELLENO = 9 UNIONES= 18

Fig. 10.1 - Disposición de las riostras en la celosía

La influencia de los tipos de nudos con separación (espaciamiento), recubrimiento del 100% y recubrimiento parcial en la fabricación de una viga en celosía, tal y como muestra la figura 10.2, es bastante significativa (ver también apartado 4.4.3.4).

Los nudos con separación (espaciamiento) son los más sencillos de fabricar, ya ·que simplemente se aplica un único corte a cada extremo de la barra de relleno, y para los nudos en K el ángulo del corte es el mismo en todos los extremos.

Los nudos con un recubrimiento del 100% también necesitan un único corte en cada extremo de la barra, pero el ángulo de corte de cada extremo será diferente.

Los nudos con recubrimiento parcial necesitan doble corte en un extremo de cada barra de relleno y un único corte en el otro extremo. Aquí también el ángulo de corte de cada extremo será diferente.

El coste de un nudo depende del tipo de nudo, del tipo de perfil tubular (CHS o RHS) y de la forma del extremo (corte plano o corte perfilado). Otro elemento que puede variar los costes de fabricación es el tipo de equipamiento que utiliza el estructurista. A continuación se indica una idea sobre los costes relativos en orden ascendente: 148

El más económico:Cordón Cordón Cordón Cordón Cordón El más caro: Cordón

y y y y y

barras barras barras barras barras y barras

RHS RHS CHS RHS CHS CHS

con con con con con con

espaciamiento recubrimiento del 100% espaciamiento recubrimiento parcial recubrimiento del 100% recubrimiento parcial

b ) ~

e ) ~

1

Fig. 10.2 - Tipos de nudos a) con espaciamiento b) con recubrimiento del 100% c) con recubrimiento parcial

CORDÓN Y BARRAS DE RELLENO RHS. NUDO CON ESPACIAMIENTO - un único corte plano por aserrado

/

---r----------

' --t-

CORDÓN Y BARRAS DE RELLENO RHS. NUDO CON ESPACIAMIENTO - un único corte plano por aserrado

/

---r---------149

CORDÓN Y BARRAS DE RELLENO CHS. NUDO CON ESPACIAMIENTO EN EL QUE LA BARRA DE RELLENO ES MUY PEQUEÑA - Es posible realizar un único corte plano por aserrado.

Como referencia aproximada, el diámetro de la barra de relleno tiene que ser inferior a un tercio del diámetro del cordón para que se pueda utilizar este método del corte plano único (ver Tabla 3.1 ) .

.~: E

E

E

/

---7'---------La elección de los tipos de nudos, así como su repercusión en el coste de las barras y su preparación, también puede afectar a la facilidad y, por consiguiente, al coste de fabricación de la viga en sí, dependiendo de los atornillados y tolerancias.

NUDOS CON ESPACIAMIENTO - son los más sencillos de fabricar. Las tolerancias admisibles son bastante elevadas, ya que en cada nudo se pueden hacer pequeños ajustes para garantizar que las posiciones de los puntos de encuentro se mantienen

NUDOS CON RECUBRIMIENTO DEL 100% - más difíciles de fabricar que los nudos con espaciamiento, debido a que el grado de ajuste que se puede obtener es menor y si las longitudes de las barras de relleno no son precisas, se pueden producir errores acumulados en las posiciones de los puntos de encuentro

NUDOS CON RECUBRIMIENTO PARCIAL - suelen ser más difíciles de fabricar que los nudos con recubrimiento del 100%, ya que el ajuste posible es todavía menor y si las longitudes de las barras de relleno no son precisas, se pueden producir errores acumulados en las posiciones de los puntos de encuentro

La fabricación de vigas en celosía hechas con perfiles abiertos, cuyas dimensiones son mayores que las de los perfiles tubulares en la viga correspondiente, resulta en la mayoría de los casos más complicada, puesto que pocas veces se puede prescindir de las cartelas o de las placas de unión. Las longitudes totales de soldadura son siempre mayores, lo que supone un mayor coste de la mano de obra total.

150

El área superficial de una viga en celosía de perfiles abiertos es siempre mayor que el de la viga en celosía de perfiles tubulares correspondiente. Esto incrementa el coste del chorreo de arena o granallado y de la primera capa de imprimación en comparación con la viga de perfiles tubulares.

3. La diferencia en los costes de pintura correspondientes al acabado, debida a la diferencia entre el área superficial de los perfiles tubulares y el de los abiertos, es la consecuencia de una menor cantidad de material para el pintado, así como de una menor cantidad de mano de obra en las estructuras de perfiles tubulares (ver también apartado 8.1 ). Esto puede jugar un papel decisivo, económicamente, para la elección del perfil tubular para la estructura.

4. Otros costes, como por ejemplo los correspondientes a los cálculos estáticos, planos de taller y gastos generales, son más o menos independientes del dimensionado usando perfiles abiertos o tubulares. El transporte y montaje de las estructuras de perfiles tubulares pueden resultar, en algunos casos, más económicos que los de las estructuras de perfiles abiertos (ver también los capítulos 6 y 7).

Para dar una idea de la competitividad económica de una viga en celosía de 25 m de luz libre en RHS frente a la hecha con perfiles abiertos, la figura 10.3 muestra una comparación de diferentes costes, con validez exclusiva para Alemania [73].

% de viga

Capa de acabado tipo 1

Capa de acabado tipo2

139 130

130 120 110 100

IS)

90

Capa de acabado

80 70 60 50 40 30 20

ffi¡]I Cálculos de diseño y planos de taller

D

Fabricación

IZJ

Primera capa de imprimación

-

Chorreo con arena S A 2 5

10

o

Número de celosía n = 10 Longitud del sistema 1 = 25 m Perfiles abiertos Peso 1425 kg Superficie 44 m 2 Perfiles tubulares Peso 1070 kg Superficie 31 m2

Perfiles abiertos

Perfiles tubulares

Perfiles Perfiles abiertos tubulares

Material

Fig. 10.3 - Comparación entre los diferentes costes correspondientes a vigas en celosía soldadas con perfiles abiertos y tubulares

En este caso, es interesante observar que los costes del pintado son decisivos para elegir RHS. Aunque se utilice un material de pintura barato, los costes totales correspondientes a las vigas en celosía de perfiles abiertos y tubulares son más o menos iguales. Por otra parte, el empleo de una variante de material para pintar de alta calidad, con un precio superior, da lugar a una solución más económica con RHS que con los perfiles abiertos.

151

11

Lista de símbolos

CHS RHS HF CF ASTM AISC AWS AS AIJ CSA CEN EC EN ENV IIW JIS ISO ERW SAW a ap B, b b¡

Perfil tubular circular Perfil tubular rectangular Acabado en caliente Conformado en frío Sociedad Americana para Ensayos y Materiales Instituto Americano de la Construcción metálica con acero Sociedad Americana de Soldadura Norma Australiana Instituto de Arquitectura de Japón Asociación Canadiense de Normalización Comité Européen de Normalisation (Comité Europeo de Normalización) Eurocódigo Euronorm (Norma Europea) Europaische Vornorm (Proyecto de Norma Europea) Instituto Internacional de Soldadura Norma Industrial Japonesa Organización Internacional de Normalización Soldadura Eléctrica por Resistencia Soldeo por Arco Sumergido espesor de garganta de soldadura espesor de garganta de soldadura con respecto a una placa de refuerzo anchura externa anchura externa del perfil tubular cuadrado o rectangular correspondiente a la barra (i = O, 1, 2, 3) diámetro externo diámetro externo del perfil tubular correspondiente a la barra i (i = O, 1, 2, 3) diámetro interno del cordón diámetro interno correspondiente a la barra i (i = 1, 2) excentricidad del nudo en una unión resistencia frente a pandeo resistencia última a tracción del material básico límite elástico a tracción separación (espaciamiento) entre las barras de relleno ignorando las soldaduras en una unión de tipo K, N o KT en la cara del cordón altura externa altura externa del perfil tubular cuadrado o rectangular correspondiente a la barra i (i = O, 1, 2, 3) momento de inercia frente a la flexión momento de inercia frente a la torsión masa fuerza axial aplicada en la barra i (i = O, 1, 2, 3) precarga del cordón (fuerza axial adicional del cordón en una unión, la cual no es necesaria para resistir las componentes horizontales de las fuerzas en las barras de

D, d d¡ do.in dun e fb fu fy g

H, h h¡

I¡ M N¡

Nop

relleno) 152

Ov R r¡ r¡ T, t t1 t¡ tp tw a, 9¡ ~

YM

recubrimiento radio de curvatura radio externo del perfil tubular circular para la barra i (i = O, 1, 2, 3) radio interno del perfil tubular circular espesor espesor de una brida espesor del perfil tubular para la barra i (i = 1, 2, 2, 3) espesor de una cartela o placa de refuerzo frontal espesor del alma de una viga doble T ángulo entre la barra de relleno i y el cordón (i = 1, 2, 3) ángulo del chaflán de soldadura coeficiente de seguridad parcial para la resistencia

153

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155

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American Society for Testing and Materials [46] A 618: Specification for hot formed welded and seamless high strength low-alloy structural tubing. American Society for Testing and Materials [47] CAN/CSA-G40.20-M92: General requirements for rolled or welded structural quality steel. Canadian Standards Association, Toronto, Ganada [48] CAN/CSA-G40.21-M92: Strucural quality steels. Canadian Standards Association, Toronto, Ganada [49] CAN/CSA-G312.3-M92: Metric dimensions of structural steel shapes and hollow structural sections. Canadian Standards Association, Toronto, Ganada [50] CAN/CSA-S 16.1-94: Limit states design of steel structures. Canadian Standards Association, Toronto, Ganada [51] CSA 1994: Welded steel construction (metal are welding). W59-M1989, Canadian Standards Association, Toronto, Ganada [52] CSA 1983: Certification of companies for fusion welding of steel structures. W4 7.1-1983, Canadian Standards Association, Toronto, Ganada [53] AS 1163: Structural steel hollow sections. Standards Australia [54] AS 4100-1990: Steel structures. Standards Austalia [55] JIS G 3444: Carbon steel tubes for general structural purposes. Ministry of lnternational Trade and lndustry, Japan [56] JIS G 3466: Carbon steel square pipes for general structural purposes. Ministry of lnternational Trade and lndustry, Japan [57] JSS 11: Cold formed rectangular hollow sections for building structures (200 x 200x 6 to 1000 x 1000 x 40 square and equivalent rectangular sections). The Kozai Club, Japan [58] AWS 1996: Structural welding code-steel. ANSI/AWS D1 .1-96, American Welding Society, Miami, USA [59] AISC 1978: Recommendations for the design, fabrication and erection of building structures in steel. American lnstitute of Steel Construction, Chicago, USA [60] AIJ 1990: Recommendations for the design and fabrication of tubular structures in steel.

Architectural lnstitute of Japan 156

[61] IIW 1989: Design recommendations for hollow section joints - predominantly statically loaded. IIW Doc. XV-701-89, lnternational lnstitute of Welding [62] EN 10210-1: Hot finished structural hollow sections of non-alloy and fine grain structural steels - Part 1: Technical delivery conditions. European Standard, 1994 [63] EN 10210-2: Hot finished structural hollow sections of non-alloy and fine grain structural steels - Part 2: Tolerances, dimensions and sectional properties. European Standard, 1997 [64] EN 10219-1: Cold formed welded structural hollow sections of non-alloy and fine grain structural steels - Part 1: Technical delivery conditions. European Standard, 1997 [65] EN 10219-2: Cold formed welded structural hollow sections of non-alloy and fine grain structural steels - Part 2: Tolerances, dimensions and sectional properties. European Standard, 1997 [66] ENV 1993-1-1, 1992, Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1.1: General rules and rules for buildings. European Committee for Standardisation (GEN), 1992 [67] ENV 1090-4: Execution of steel structures - Part 4: Supplementary rules for hollow section lattice structures. Draft GEN TC 135, WG 8, May 1995. European Committee for Standardisation [68] EN 287: Approval of testing welders - Part 1: Steels. European Standard [69] EN 288: Specification and approval of welding procedures for metallic materials - Part 1: General rules for fusion welding. European Standard [70] EN 288: Specification and approval of welding procedure tests for the are welding of steels. European Standard [71] ENV 1993-1-1, 1992/A1, Eurocode No. 3: Design of steel structures - Part 1.1: General rules and rules for buildings, Addendum, no. 1. European Committee for Standardisation (GEN), 1994 [72] Steel Construction lnsitute: Castings in Construction. SCI publication no. 172, December 1996 [73] Krampen, J.: Economical structures with hollow sections. Sixth lnternational Symposium on Tubular Structures, Melbourne, Australia, December 1994, Proceedings pp. 27-32 [74] EN 729: Quality requirements for welding. Fusion welding of metallic materials. European Standard, 1994

Agradecimiento por cesión de fotografías: Los autores expresan su agradecimiento a las siguientes firmas e instituciones, por proporcionar las fotografías utilizadas en esta guía de diseño: British Steel, Tubes & Pipes Fachhochschule Munich, Departamento de Ingeniería Civil Kumamoto University, Dept. de Arquitectura Mannesmannrohr GmbH Mannhardt Stahlbau GmbH Nippon Steel Metal Products Ruhr-University Bochum, Facultad de Ingeniería Civil Rüter Engineering Dortmund GmbH 157

Apéndice A Composiciones químicas de los aceros estructurales (análisis de colada) de acuerdo con la norma ISO 630 [38] Denominación del acero

Calidad

Espesor en mm

C% máx.

P% máx.

S% máx.

N2 %1) máx.

Fe 360

B

$16 >16

0,18 0,20 0,17 0,17

0,050

0,050

0,009

0,045 0,040

0,045 0,040

0,009

NE GF

0,21 0,22 0,20 0,20

0,050

0,050

0,009

NE

0,045 0,040

0,045 0,040

0,009

NE GF

0,050 0,045

0,050 0,045

NE NE

0,040

0,040

GF

c D Fe430

B

c

$40 >40

D Fe 510 3)

B

c D

$16 >16 $35 >35

0,22 0,20 0,22 0,20 0,22

Método de desoxidación 2)

1) Para el acero desoxidado con aluminio, el contenido máximo de nitrógeno puede aumentar hasta un 0,015%. Los contenidos de nitrógeno aparecen especificados, pero sólo se verificarán si se indica en el pedido. Para el acero fabricado en el horno eléctrico, el valor máximo puede ser 0,012%.

2) NE= no efervescente GF: Estos aceros tendrán un contenido de elementos suficientemente alto como para producir una estructura de grano fino, por ejemplo un total de aluminio superior al 0,02% 3) Los contenidos de Mn y Si no superarán el 1,60% y el 0,55% respectivamente

Desviación admisible para el análisis de producto en relación con el análisis de colada especificado Elemento

Acero efervescente

Acero no efervescente

s

+ 0,05 + 0,015 + 0,015

Mn Si N2

+ 0,002

+0,03 + 0,005 + 0,005 +0,10 + 0,05 + 0,002

c p

158

Desviación admisible

Apéndice B Composición química de los perfiles tubulares estructurales acabados en caliente y conformados en frío de los aceros no aleados de acuerdo con las normas EN 10210-1 (HF) [61] y EN 10219-1 (CF) [64] Denominación del acero

Método de desoxidación

o ~

z

w

Espesor nominal t~40 mm

~

N

o

e% máx.

S 235 S 275 S 275 S 355 S 355

JRH + HF JOH + HF J2H + HF JOH + HF J2H + HF

FN FN FF FN FF

40 <t

0,17 0,20 0,20 0,22 0,22

~

Si% máx.

Mn% máx.

P% máx.

S% máx.

N2% máx.

-

1,40 1,50 1,50 1,60 1,60

0,045 0,040 0,035 0,040 0,035

0,045 0,040 0,035 0,040 0,035

0,009 0,009

65 mm

0,20 0,22 0,22 0,22 0,22

0,55 0,55

0,009

Espesor nominal t O) ~

N

o ~

z

w

S 235 S 275 S 275 S 355 S 355

JRH + CF JOH + CF J2H + CF JOH + CF J2H + CF

FF FF FF FF FF

~

40 mm 0,17 0,20

0,20 0,22 0,22

FN = Acero no efervescente FF = Acero completamente calmado con elementos fijadores de nitrógeno

c.n co

Estos valores son idénticos a los valores que indica la norma EN 10210-1

-

O)

o

Composición química de los perfiles tubulares estructurales acabados en caliente y conformados en frío de los aceros de grano fino de acuerdo con las normas EN 10210-1 (HF) [62] y EN 10219-1 (CF) [64] Denominación del acero S 275 NH + HF* S 275 NLH + HF*

o ,....

C\l o ,....

z

UJ

S 355 NH + HF* S 355 NLH + HF* S 460 NH + HF* S 460 NLH + HF*

e

Si /o % máx. máx.

Método de desoxidation

0

GF

GF

GF

0,20

-

0,20 0,18 0,20

Mn %

0,40

0,50-1,40

0,50

0,90-1,65

0,60

1,00-1,70

p % máx.

s % máx.

0,035 0,030 0,030 0,025 0,035 0,030 0,030 0,025 0,035 0,030 0,030 0,025

Nb % máx.

Cr V Ti Ni Mo Cu N Altotal % % % % % % % % máx. mín. máx. máx. máx. máx. máx. máx.

0,050

0,05 0,020 0,03

0,30

0,30

0,10

0,35 0,015

0,050

0,12 0,020 0,03

0,30

0,50

0,10

0,35 0,015

0,30

0,80

0,10

0,70 0,025

0,050 0,20 0,020

0,03

* Espesor de pared s: 65 mm S 275 NH + CF** S 275 NLH + CF** O)

S 355 NH + CF**

,....

C\l o ,....

S 355 NLH + CF**

z

S 460 NH + CF**

UJ

Todos los valores son idénticos a los valores que indica la norma EN 10210-1

S 460 NLH + CF* ** Espesor de pared s: 40 mm. Espesores superiores a 24 mm sólo están disponibles en CHS GF = Acero completamente calmado con elementos fijadores de nitrógeno, y teniendo estructura de grano fino

Apéndice C Fórmulas para calcular las propiedades geométricas de los perfiles tubulares estructurales de acuerdo con la norma EN 10210-2 [63]]

Perfil tubular circular: Diámetro externo nominal

D

Espesor nominal Diámetro interno nominal

T (mm) d = D-2T (mm)

Area de la sección transversal

A =

(mm)

7t

(D2 -d2) 4 X 10

(cm 2)

2

Area superficial por metro de longitud

As = nD/103

(m 2/m)

Masa por unidad de longitud

M = 0,785 A

(Kg/m)

Momento de inercia

1=

n(D4 -d4) 64 X 10

(cm 4 )

4

Radio de giro

.

r,

Módulo elástico resistente

Wel -_ --D2 1x 10 (cm3)

Módulo plástico resistente

W

~A

i =

D3 -d3

p

1

= --

6 X 10 3

Momento de inercia a la torsión (Momento polar de inercia)

11 = 2 1 (cm 4 )

Módulo resistente a la torsión

C1 = 2 W 61

(cm 3)

(cm 3 )

Perfil tubular rectangular, incluido el cuadrado:

B (mm)

Ancho nominal del RHS Altura nominal del RHS

H

Espesor nominal

T (mm) r0 = 1,5 T

(mm)

Radio interno nominal de acuerdo en la esquina para cálculos

r¡ = 1,0 T

(mm)

Area superficial por metro de longitud

As =

Radio externo nominal de acuerdo en la esquina para cálculos

(mm)

~ (H + B 10

Area de la sección transversal Masa por iniciad de longitud Momento de inercia:

lxx =

1 [BH 10

4

4 r0 + nr0 )

(m 2/m)

A= [2 T (B + H - 2 T) - (4 - 7t) (r2o - r2¡)] ~ (cm 2) 10 M = 0,785 A (Kg/m)

3 (B-2T) (H-2T) 3 (.

2) (.

2)~ -4 ~zz+A 2 hz +4 ~1;1;+A1;h1; ~

12

12

4

(cm )

161

3

3

f¡

I __1_[HB _ (H-2T) (B-2T) -4 A h2) 4(¡ A h2)~ YY-104 12 12 ~zz+ Z Z + \SS+ s 'é, ~ Radio de giro:

~

. lxx =

~A

=

~ ~A

i

yy

(cm4)

B

(cm)

¡ ......,

1/

l

(cm)

l 1 1

Módulo elástico resistente:

W 81

21xx = -H (x 10)

=

3 (cm )

X-- '-----r-

--

-

1 1

=

elyy

(cm 3)

-1.J.. (x 1O) B

1

\.'

,J 1

y

Módulo plástico resistente: - _1_[BH2 - (B-2T) (H-2T)2 -4(A h)

W

Plxx -

103

4

4

Z Z

+

4(A h )]

S S

= _1_[HB2 - (H-2T) (B-2T)2 -4(A h) +4(A h )]

W plyy

103

4

4

ss

Z Z

Momento de inercia a la torsión

11 =

Módulo resistente a la torsión

e,

=

--1..,¡ [T ~ + 2KAh] 3

(cm

4

)

10

1 10 [ T +

:.m-J

3

(cm )

donde

Az =

(1 -i}%

2

(mm )

A'é, =

0-i)r~

hz =

~-G~=;:)r

(mm

2

0

)

(mm)

H - 2T (1 O- 3rc\ hs = - 2 - - 12-3n,li

para el eje menor, sustituir H por B

(mm)

1zz = G-1rc6-3(121-3rc))ri) (mm4) 1

ss

1

4

= G-1rc6_3(12 -3rc))r~(mm )

h = 2[(8-T) + (H-T)]-2~ (4-rc) (mm)

162

X T

XX

21

W

1

Ah = ( B - T) ( H - T) - R~ ( 4 - re) 2AhT

K

= -h-

r O + r¡ Re= - 2

(mm 2 )

2

(mm ) (mm)

Fórmulas para calcular las propiedades geométricas de los perfiles tubulares estructurales de acuerdo con la norma EN 10219-2 [65] Todas las fórmulas son idénticas a las que indica la norma EN 10210-2 [63]. Sólo hay que tomar para el cálculo los radios de acuerdo en la esquina internos y externos siguientes: Para T:,; 6 mm, r0 = 2,0 T (mm) Para6<T:s;10mm, r0 =2,5T(mm) Para T > 10 mm, r0 = 3,0 T (mm)

y r¡ = 1,0 T (mm) yr¡=1,5T(mm) y r¡ = 2,0 T (mm)

163

Apéndice D b'

R

v

t _,_.V_

Pe= e/h · 100% pb = (b' - b)/b · 100%

h' h

h

Radios mínimos de curvado para perfiles tubulares cuadrados y rectangulares para curvar en frío mediante curvadora de 3 rodillos [39]] Tamaño del perfil tubular hX bXt (mm) (mm) (mm)

164

pb 1%

Pe 2%

Radio de curvado mín. (m)

0,5%

1%

2%

Radio de curvado mín. (m)

20

X

20

X

2,0 2,6

0,22 0,22

0,22 0,22

0,22 0,22

0,22 0,22

0,22 0,22

30

X

30

X

2,0 2,6 3,2

0,71 0,66 0,63

0,22 0,22 0,22

0,22 0,22 0,22

0,22 0,22 0,22

0,22 0,22 0,22

40

X

40

X

2,6 3,2 4,0

1,61 1,53 1,44

0,50 0,47 0,45

0,63 0,35 0,22

0,23 0,22 0,22

0,22 0,22 0,22

50

X

50

X

3,2 4,0 5,0

3,05 2,88 2,72

0,95 0,90 0,85

1,47 0,79 0,43

0,55 0,29 0,22

0,22 0,22 0,22

60

X

60

X

3,2 4,0 5,0

5,36 5,07 4,79

1,67 1,57 1,49

4,74 2,55 1,37

1,76 0,95 0,51

0,66 0,35 0,22

70

X

70

X

3,2 3,6 4,0 5,0

8,65 8,39 8,17 7,72

2,69 2,61 2,54 2,40

12,74 9,18 6,85 3,68

4,74 3,41 2,55 1,37

1,76 1,27 0,95 0,51

80

X

80

X

3,2 3,6 4,0 5,0 6,0

13,08 12,69 12,36 11,68 11,02

4,06 3,94 3,84 3,63 3,42

29,99 21,61 16,12 8,66 4,55

11, 15 8,03 5,99 3,22 1,69

4,14 2,99 2,23 1,20 0,63

Tamaño del perfil tubular hXbXt (mm) (mm) (mm)

pb 1%

Pe 2%

Radio de curvado mín. (m)

0,5%

1%

2%

Radio de curvado mín. (m)

90

X

90

X

3,2 3,6 4,0 5,0 6,3 8,0

18,83 18,28 17,80 16,83 15,87 14,94

5,85 5,68 5,53 5,23 4,93 4,64

63,82 45,98 34,29 18,42 9,68 4,98

23,72 17,09 12,75 6,85 3,60 1,85

8,82 6,35 4,74 2,55 1,34 0,69

100

X

100

X

3,2 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

26,10 24,67 23,32 22,00 20,71 19,58

8, 11 7,67 7,25 6,83 6,43 6,08

125,40 67,38 36,20 19,03 9,78 5,26

46,61 25,05 13,46 7,07 3,64 1,95

17,33 9,31 5,00 2,63 1,35 0,73

120

X

120

X

3,2 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

45,92 43,41 41,03 38,70 36,44 34,44

14,27 13,48 12,75 12,02 11,32 10,70

403,57 216,84 116,51 61,23 31,49 16,92

150,01 80,60 43,31 22,76 11,70 6,29

55,76 29,96 16,10 8,46 4,35 2,34

140

X

140

X

3,6 5,0 6,3 8,0 10,0

71,87 66,15 62,40 58,75 55,53

22,23 20,55 19,38 18,25 17,25

781,09 313,00 164,48 84,59 45,45

290,34 116,34 61,14 31,44 16,89

107,92 43,25 22,73 11,69 6,28

150x150x 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

86,66 81,91 77,27 72,75 68,76

26,92 25,45 24,00 22,60 21,36

906,58 487,11 255,98 131,64 70,73

336,99 181,06 95,15 48,93 26,29

125,26 67,30 35,37 18, 19 9,77

160

4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

183,32 124,15 82,92 54,64 37,00

46,29 31,35 20,94 13,79 9,34

2395,69 1255,53 642,98 321,95 168,73

725,12 380,02 194,62 97,45 51,07

219,48 115,02 58,91 29,50 15,46

180x180x 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

273,35 185, 13 123,65 81,47 55,18

69,02 46,74 31,22 20,57 13,93

3098,46 1623,83 831,60 416,40 218,22

937,84 491,50 251,71 126,03 66,05

283,86 148,77 76,19 38,15 19,99

200

264,66 176,76 116,74 78,88

66,82 44,63 29,41 19,92

2043,97 1046,76 524,13 274,69

618,67 316,83 158,64 83,14

187,26 95,90 48,02 25,17

160

X

X

200

X

X

5,0 6,3 8,0 10,0

165

Tamaño del perfil tubular hX bXt (mm) (mm) (mm)

pb 1%

2%

Radio de curvado mín. (m)

0,5%

1%

2%

Radio de curvado mín. (m)

220

X

220

X

5,0 6,3 8,0 10,0

365,67 244,23 160,92 108,98

92,33 61,67 40,63 27,52

2516,95 1288,99 645,42 338,25

761,83 390,15 196,35 102,38

230,59 118,09 59,13 30,99

250

X

250

X

5,9 6,3 8,0 10,0

422,55 376,81 248,27 168, 15

106,69 95,14 62,69 42,46

2060,56 1704,11 853,27 447,18

623,69 515,80 258,27 135,35

188,78 156, 12 78,17 40,97

260

X

260

X

5,9 6,3 8,0 10,0

482,68 430,43 283,60 192,04

121,87 108,68 71,61 48,49

2244,85 1856,51 929,58 487,03

679,47 561,93 281,37 147,41

205,66 170,08 85,15 44,62

300

X

300

X

7,1 8,0 10,0

567,46 460,71 312,03

143,28 116,32 78,79

1794,40 1270,17 665,71

543,13 384,45 201,50

164,39 116,37 60,99

350

X

350

X

8,0 10,0

777,00 526,28

196, 19 132,88

1777,92 931,90

538,14 282,07

162,88 85,38

400

X

400

X

10,0

827,66

208,98

1247,09

377,47

114,25

Tamaño del perfil tubular hX bXt (mm) (mm) (mm)

166

Pe

pb 1%

Pe 2%

Radio de curvado mín, (m)

0,5%

1%

2%

Radio de curvado mín, (m)

50

X

30

X

2,6 3,2 4,0

2,43 2,31 2,18

0,76 0,72 0,68

0,87 0,49 0,26

0,32 0,22 0,22

0,22 0,22 0,22

60

X

40

X

3,2 4,0 5,0

4,30 4,07 3,84

1,34 1,26 1,19

1,97 1,06 0,57

0,73 0,39 0,22

0,27 0,22 0,22

70

X

40

X

3,2 4,0 5,0

6,38 6,03 5,70

1,98 1,87 1,77

3,79 2,04 1,10

1,41 0,76 0,41

0,52 0,28 0,22

80

X

40

X

3,2 4,0 5,0

8,97 8,48 8,01

2,79 2,73 2,49

6,69 3,59 1,93

2,49 1,34 0,72

0,92 0,50 0,27

90

X

50

X

3,2 3,6 4,0 5,0

13,68 13,28 12,93 12,22

4,25 4,12 4,02 3,80

17,88 12,88 9,61 5,16

6,65 4,79 3,57 1,92

2,47 1,78 1,33 0,71

Tamaño del perfil tubular hX bX t (mm) (mm) (mm)

pb 1%

Pe 2%

Radio de curvado mín, (m)

0,5%

1%

2%

Radio de curvado mín, (m)

100

X

50

X

3,2 3,6 4,0 5,0

17,90 17,38 16,92 15,99

5,56 5,40 5,26 4,97

27,96 20,14 15,02 8,07

10,39 7,49 5,58 3,00

3,86 2,78 2,08 1, 12

100

X

60

X

3,2 3,6 4,0 5,0 6,3

19,77 19,19 18,69 17,66 16,66

6,14 5,96 5,80 5,49 5,18

41,50 29,89 22,30 11,98 6,30

15,42 11, 11 8,29 4,45 2,34

5,73 4,13 3,08 1,66 0,87

120

X

60

X

3,2 3,6 4,0 5,0 6,3 8,0

31,49 30,57 29,77 28,14 26,54 24,99

9,78 9,50 9,25 8,74 8,25 7,76

89,99 64,83 48,35 25,98 13,65 7,02

33,45 24,10 17,97 9,66 5,07 2,61

12,43 8,96 6,68 3,59 1,89 0,97

120

X

80

X

3,2 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

36,83 34,81 32,90 31,04 29,22 27,62

11,44 10,81 10,22 9,64 9,08 8,58

167,76 90,14 48,43 25,45 13,09 7,03

62,36 33,50 18,00 9,46 4,86 2,61

23,18 12,45 6,69 3,52 1,81 0,97

140

X

80

X

3,2 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

54,60 51,61 48,78 46,01 43,32 40,95

16,96 16,03 15,15 14,29 13,46 12,72

322,79 173,43 93,19 48,97 25,18 13,53

119,98 64,47 34,64 18,20 9,36 5,03

44,60 23,96 12,88 6,77 3,48 1,87

150

X

100

X

3,2 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

73,53 69,50 65,69 61,97 58,34 55,14

22,84 21,59 20,41 19,25 18,12 17,13

701,37 376,84 202,48 106,41 54,72 29,40

260,70 140,08 75,26 39,55 20,34 10,93

96,91 52,07 27,88 14,70 7,56 4,06

160

X

80

X

3,2 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

260,74 176,59 119,60 79,88 52,63 35,64

65,84 44,59 30,20 20,17 13,29 9,00

466,13 244,29 128,03 65,56 32,83 17,21

141,09 73,94 38,75 19,85 9,94 5,21

42,70 22,38 11,73 6,01 3,01 1,58

180x100x 3,6 5,0 6,3 8,0 10,0

318,32 179,35 119,79 78,93 53,45

80,37 45,28 30,25 19,93 13,50

606,49 234,28 119,98 60,07 31,48

183,57 70,91 36,31 18,18 9,53

55,56 21,46 10,99 5,50 2,88

167

Tamaño del perfil tubular hXbXt (mm) (mm) (mm)

168

pb

1%

Pe 2%

Radio de curvado mín, (m}

0,5%

1%

2%

Radio de curvado mín, (m}

200

X

100

X

4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

376,44 254,95 170,28 112, 19 75,98

95,05 64,37 42,89 28,33 19,19

397,69 208,42 106,74 53,45 28,01

120,37 63,09 32,31 16,18 8,48

36,43 19,09 9,78 4,90 2,57

200

X

120

X

4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

380,16 257,47 171,96 113,30 76,74

95,99 65,01 43,42 28,61 19,37

725,03 379,97 194,59 97,44 51,06

219,45 115,01 58,90 29,49 15,46

66,42 34,81 17,83 8,93 4,68

220

X

140

X

4,0 5,0 6,3 8,0 10,0

526,93 356,87 238,35 157,05 106,36

133,04 90,11 60,18 39,65 26,85

1083,74 567,96 290,87 145,64 76,33

328,03 171,91 88,04 44,08 23,10

99,29 52,03 26,65 13,34 6,99

250

X

150

X

5,0 6,3 8,0 10,0

548,84 366,57 241,53 163,58

138,58 92,56 60,98 41,30

618,58 316,79 158,62 83,13

187,23 95,89 48,01 25,16

56,67 29,02 14,53 7,62

300

X

200

X

5,9 6,3 8,0 10,0

767,31 684,25 450,84 305,34

193,74 172,77 113,83 77,09

807,06 667,45 334,20 175, 15

244,28 202,02 101,16 53,01

73,94 61,15 30,62 16,05

400

X

200

X

7,1 8,0 10,0

1450,81 1177,85 797,71

366,32 297,40 201,41

343,11 242,86 127,28

103,85 73,51 38,52

31,43 22,25 11,66

450

X

250

X

8,0 10,0

1766,34 1196,27

445,98 302,04

444,41 232,90

134,51 70,50

40,71 21,34

500

X

300

X

10,0

1717,29

433,60

377,75

114,34

34,61

[8 j

Comité lolema1;ooal pooc le Dé,,.loppemeot et l'Et,de de la Coostrnctioo T,b,la;,e

Comité Internacional para el Desarrollo y Estudio de las Estructuras Tubulares CIDECT, fundado en el año 1962 como asoc1ac1on internacional, reúne los recursos de investigación de los principales fabricantes de perfiles tubulares de acero con el objetivo de crear una fuerza importante en la investigación y aplicación de perfiles tubulares de acero por todo el mundo.

Los objetivos del CIDECT son los siguientes:

o

incrementar el conocimiento de los perfiles tubulares de acero y su potencial aplicación, iniciando y participando en estudios e investigaciones apropiados.

o

establecer y mantener contactos e intercambios entre los productores de perfiles tubulares de acero y el número cada vez mayor de arquitectos e ingenieros que utilizan perfiles tubulares de acero en todo el mundo.

o

promocionar la utilización de perfiles tubulares de acero, siempre que ello contribuya a la buena práctica de la ingeniería y a una arquitectura adecuada, difundiendo información, organizando congresos, etc.

o

cooperar con organizaciones responsables de recomendaciones, regulaciones y normativas del diseño práctico, tanto a nivel nacional como internacional.

Actividades técnicas:

Las actividades técnicas del CIDECT se han centrado en los siguientes aspectos de investigación del diseño de perfiles tubulares de acero: O Comportamiento a pandeo de columnas vacías y rellenas de hormigón Longitudes eficaces de pandeo de barras en celosías O Resistencia al fuego de columnas rellenas de hormigón o Resistencia estática de uniones soldadas y atornilladas o Resistencia a la fatiga de uniones o Propiedades aerodinámicas o Resistencia a la flexión o Resistencia a la corrosión o Fabricación en taller

o

Los resultados de las investigaciones del CIDECT constituyen la base de muchos reglamentos nacionales e internacionales para perfiles tubulares de acero.

169

Publicaciones del CIDECT

La situación actual de las publicaciones del CIDECT refleja el interés, cada vez mayor, por la difusión de los resultados de las investigaciones.

A continuación se detallan las Guías de Diseño publicadas en Inglés, Francés, Alemán y Español. Algunas ya se han publicado y otras están en preparación.

1. Guía de Diseño para nudos de perfiles tubulares circulares (CHS) bajo cargas predominantemente estáticas.

2. Estabilidad estructural de perfiles tubulares.

3. Guía de Diseño para nudos de perfiles tubulares rectangulares (RHS) bajo cargas predominantemente estáticas.

4. Guía de Diseño para columnas de perfiles tubulares estructurales sometidas a fuego.

5. Guía de Diseño para columnas de perfiles tubulares rellenos de hormigón bajo cargas estáticas y sísmicas.

6. Guía de Diseño para perfiles tubulares estructurales en aplicaciones mecánicas.

7. Guía de Diseño para la fabricación, montaje y construcción de estructuras con perfiles tubulares.

8. Guía de Diseño para nudos de perfiles tubulares circulares y rectangulares sometidos a solicitaciones de fatiga. (en preparación).

Además, teniendo en cuenta el importante papel que los Perfiles Tubulares de Acero desempeñan en la arquitectura Internacional, se ha publicado, con el patrocinio de la Comunidad Europea, el libro "Las Estructuras Tubulares en la Arquitectura".

Se pueden obtener ejemplares de las Guías de Diseño y del libro "Las Estructuras Tubulares en la Arquitectura", bien a través de los miembros o bien a través de: The Steel Construction lnstitute Silwood Park Ascot SL5 7QN England Tel. +44 (O) 1344 23345 Fax. +44 (O) 1344 22944 e-mail Farooq@steel-sci.com

Instituto para la Construcción Tubular Parque Tecnológico - Edif. CEIA-105 01510 MINAÑO MAYOR (Alava) Spain

Tel. +34 945 298112 Fax. + 34 945 298288 e-mail jonocio@ict.pt-alava.es

También se pueden obtener a través de The Steel Construction lnstitute y del Instituto para la Construcción Tubular, copias de los Artículos de Investigación del CIDECT. Por favor, contactar con el Dr. Farooq Awan (S.C.I) o con D. Jon Ocio (1.C.T.) 170

La organización del CIDECT (1998) está formada por:

o

Presidente: T.G. Wheeler (Reino Unido) Vicepresidente: C.L. Bijl (Holanda)

o

Una Asamblea General compuesta por todos los miembros que se reúnen una vez al año y nombran un Comité Ejecutivo responsable de la administración y ejecución de la política a seguir.

o

Una Comisión Técnica y Grupos de Trabajo que se reúnen al menos una vez al año y son directamente responsables de la promoción técnica e investigadora.

Los actuales miembros de CIDECT son (1998):

o o o o o o o

o o o o o o o

Aceralia Transformados, S.A., España BHP Structural and Pipeline Products, Australia British Steel Tubes & Pipes, Reino Unido EXMA, Francia Hoogovens Buizen BV, Holanda IPSCO lnc., Canadá Laminoirs de Longtain, Bélgica Mannstaedt Werke GmbH, Alemania Nippon Steel Metal Products Co. Ud., Japón Rautaruukki Oy, Finlandia Tara lron Steel Co., India Tubeurop, Francia Vallourec & Mannesmann Tubes, Alemania Voest Alpine Krems, Austria

Se ha tenido especial cuidado en asegurar la objetividad de todos los datos e información presentados en este libro, así como la exactitud de los valores numéricos.

En la medida de nuestros conocimientos, en el momento de su publicación, toda la información contenida en este libro es exacta.

El CIDECT, sus miembros, los autores y traductores no asumen responsabilidad alguna por los errores o interpretación incorrecta de la información contenida en

este libro o del uso que de ella se haga.

171