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Estructuras Metálicas según el Tipo de Unión: Uniendo los Elementos para la Resistencia y Estabilidad

Las uniones son los puntos donde se conectan los diferentes elementos de una estructura metálica (columnas, vigas, cerchas, barras, placas, etc.), y su diseño y ejecución son cruciales para garantizar la resistencia, la estabilidad y la durabilidad de la estructura. La elección del tipo de unión depende de varios factores, como el tipo de estructura, los materiales utilizados, las cargas a las que estará sometida, el proceso constructivo (prefabricación o construcción in situ) y las normativas aplicables. En este análisis exhaustivo, exploraremos los diferentes tipos de uniones utilizadas en estructuras metálicas, sus características, ventajas, desventajas, procesos de ejecución y aplicaciones.

Importancia de las Uniones en Estructuras Metálicas

Las uniones son, a menudo, los puntos más críticos de una estructura metálica. Un fallo en una unión puede comprometer la integridad de toda la estructura, provocando deformaciones excesivas, inestabilidad o incluso el colapso. Por lo tanto, el diseño y la ejecución de las uniones deben ser objeto de especial atención.

Las uniones deben cumplir con los siguientes requisitos:

• Resistencia: Deben ser capaces de transmitir las fuerzas internas (tracción, compresión, flexión, cortante, torsión) entre los elementos conectados, sin fallar ni deformarse excesivamente.
• Rigidez: La rigidez de la unión afecta la distribución de fuerzas en la estructura y su deformación global. Algunas uniones son rígidas (transmiten momentos flectores), mientras que otras son articuladas (no transmiten momentos flectores) o semirrígidas (transmiten momentos flectores limitados).
• Ductilidad: La capacidad de la unión para deformarse plásticamente sin fallar es importante para la seguridad de la estructura, especialmente en zonas sísmicas.
• Facilidad de Fabricación y Montaje: Las uniones deben ser fáciles de fabricar en taller y de ensamblar en obra, minimizando los tiempos y costos de construcción.
• Durabilidad: Las uniones deben ser resistentes a la corrosión, la fatiga y otros agentes ambientales, para garantizar una larga vida útil de la estructura.
• Estética: En estructuras vistas, la apariencia de la unión puede ser un factor importante.
• Economía: Se debe optimizar el diseño y la ejecución.

Tipos de Uniones en Estructuras Metálicas

Las uniones en estructuras metálicas se clasifican principalmente en tres categorías:

1. Uniones Soldadas

La soldadura es el proceso de unión de metales más común en la construcción de estructuras metálicas. Consiste en fundir los bordes de los elementos a unir, con o sin aporte de material adicional (electrodo o alambre), creando una unión continua y homogénea.

Ventajas de las Uniones Soldadas

• Alta resistencia y rigidez.
• Estanqueidad (impermeabilidad al agua y al aire).
• Posibilidad de unir elementos de diferentes formas y espesores.
• Aspecto estético limpio y continuo.
• Buena transmisión de esfuerzos.
• Ahorro de material (no se requieren elementos de unión adicionales, como placas o pernos).

Desventajas de las Uniones Soldadas

• Requiere mano de obra cualificada (soldadores homologados).
• Requiere equipos de soldadura y suministro de energía eléctrica.
• Es susceptible a defectos (poros, fisuras, falta de penetración) si no se realiza correctamente.
• Requiere inspección de las soldaduras para verificar su calidad.
• Puede generar tensiones residuales y deformaciones en los elementos soldados.
• Dificultad para realizar modificaciones o desmontajes.
• No es recomendable en aceros de muy alta resistencia sin precauciones especiales.

Tipos de Soldadura

• Soldadura por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW o MMA):
  • El método más común y versátil.
  • Se utiliza un electrodo recubierto que se funde y crea el cordón de soldadura.
  • Adecuado para soldadura en obra y en diferentes posiciones.
• Soldadura por Arco Sumergido (SAW):
  • Se utiliza un arco eléctrico protegido por un polvo granulado (fundente).
  • Adecuado para soldadura de taller de elementos de gran espesor.
  • Alta productividad y calidad de la soldadura.
• Soldadura MIG/MAG (GMAW):
  • Se utiliza un alambre continuo como electrodo y un gas de protección (inerte o activo).
  • Adecuado para soldadura de taller y en obra.
  • Alta productividad y versatilidad.
• Soldadura TIG (GTAW):
  • Se utiliza un electrodo de tungsteno no consumible y un gas de protección inerte (argón).
  • Adecuado para soldadura de alta calidad de aceros inoxidables, aluminio y otros metales no ferrosos.
  • Proceso más lento y requiere mayor habilidad del soldador.
• Soldadura por Puntos:
  • Se utiliza para unir chapas delgadas mediante la aplicación de presión y corriente eléctrica.
  • Rápido y económico, pero limitado a espesores pequeños.

Tipos de Uniones Soldadas

• Soldadura a Tope:
  • Unión de dos elementos por sus extremos.
  • Puede ser de penetración completa o parcial.
  • Requiere preparación de los bordes (biselado).
  • Alta resistencia y rigidez.
• Soldadura en Ángulo (Filete):
  • Unión de dos elementos formando un ángulo (generalmente 90 grados).
  • El cordón de soldadura tiene forma triangular.
  • Fácil de ejecutar, pero menos resistente que la soldadura a tope.
• Soldadura de Tapón o por Ojal:
  • Se utiliza para unir una chapa a un elemento subyacente mediante un taladro circular (tapón) o alargado (ojal) relleno de soldadura.

Proceso de Ejecución de Uniones Soldadas

1. Preparación de los bordes (limpieza, biselado).
2. Posicionamiento y sujeción de los elementos.
3. Punteado (pequeños cordones de soldadura para fijar los elementos).
4. Soldadura (ejecución de los cordones de soldadura definitivos).
5. Limpieza de la soldadura (eliminación de escoria y proyecciones).
6. Inspección de la soldadura (visual, líquidos penetrantes, radiografía, ultrasonido, partículas magnéticas).
7. Protección contra la corrosión (pintura, galvanizado).

Normativa de Soldadura

• AWS D1.1 (American Welding Society):

  Código de Soldadura Estructural - Acero.

• EN 1090 (Norma Europea):

  Ejecución de estructuras de acero y aluminio.

• ISO 3834 (Norma Internacional):

  Requisitos de calidad para el soldeo por fusión de materiales metálicos.

2. Uniones Atornilladas

Las uniones atornilladas consisten en unir los elementos metálicos mediante pernos (tornillos con tuerca) que atraviesan los elementos a unir y se aprietan para crear una fuerza de fricción entre las superficies de contacto.

Ventajas de las Uniones Atornilladas

• No requiere mano de obra tan especializada como la soldadura.
• No requiere equipos de soldadura ni suministro de energía eléctrica.
• Fácil de inspeccionar (control visual y de apriete).
• Permite el desmontaje y la modificación de la estructura.
• No genera tensiones residuales ni deformaciones en los elementos.
• Adecuado para aceros de alta resistencia.
• Más rápido que la soldadura en muchas aplicaciones.

Desventajas de las Uniones Atornilladas

• Menor rigidez que las uniones soldadas (a menos que se utilicen pernos pretensados).
• Requiere taladrar los elementos, lo que reduce su sección resistente.
• Puede ser menos estético que la soldadura (los pernos son visibles).
• Requiere un control preciso del apriete de los pernos.
• Puede ser susceptible a la corrosión si no se protegen adecuadamente los pernos y las tuercas.
• Menor estanqueidad.

Tipos de Pernos

• Pernos Ordinarios (no calibrados):
  • Tienen holgura en el taladro.
  • Trabajan principalmente a cortante.
  • No se recomienda su uso en estructuras sometidas a cargas dinámicas o de fatiga.
  • Designación: ASTM A307, ISO 4014/4017 (clase 4.6, 5.6, 8.8).
• Pernos Calibrados (ajustados):
  • Tienen un ajuste preciso en el taladro (mínima holgura).
  • Trabajan a cortante y a aplastamiento.
  • Mejor comportamiento a fatiga que los pernos ordinarios.
• Pernos de Alta Resistencia:
  • Fabricados con aceros de alta resistencia.
  • Trabajan a cortante, a tracción o a una combinación de ambas.
  • Pueden ser pretensados (aplicando una fuerza de tracción inicial al perno).
  • Son los más utilizados en estructuras metálicas modernas.
  • Designación:
    • ASTM A325, A490, F3125 (EE. UU.).
    • ISO 4014/4017 (clase 8.8, 10.9) / ISO 4016/4018 (clase 8.8, 10.9) (Europa).
• Pernos con control de Tensión: Tienen un indicador (una arandela especial o un vástago que se rompe) que permite verificar que se ha alcanzado la tensión de apriete correcta.
• Pernos con cabeza avellanada: La cabeza del perno queda enrasada con la superficie del elemento.

Tipos de Uniones Atornilladas

• Uniones a Cortante:
  • La carga se transmite por cortante en el vástago del perno y por aplastamiento en las chapas.
  • Pueden ser uniones por contacto (la fricción entre las chapas contribuye a la resistencia) o uniones sin contacto.
• Uniones a Tracción:
  • La carga se transmite por tracción en el vástago del perno.
• Uniones a Cortante y Tracción Combinadas:
  • El perno está sometido a una combinación de esfuerzos de cortante y tracción.
• Uniones con Pernos Pretensados:
  • Se aplica una fuerza de tracción inicial al perno durante el apriete.
  • La fuerza de pretensado crea una fuerza de compresión entre las chapas, aumentando la fricción y la resistencia de la unión.
  • Mayor rigidez y mejor comportamiento a fatiga.
  • Requiere un control preciso del apriete.

Proceso de Ejecución de Uniones Atornilladas

1. Preparación de los elementos (limpieza, eliminación de rebabas).
2. Taladrado de los elementos (con el diámetro y la posición correctos).
3. Alineación de los taladros.
4. Colocación de los pernos, arandelas y tuercas.
5. Apriete de los pernos:
   • Método del giro de la tuerca.
   • Llave dinamométrica.
   • Indicadores de tensión directa (arandelas especiales).
   • Pernos con control de rotura (TC bolts).
6. Inspección de la unión (visual, control de apriete).
7. Protección contra la corrosión (pintura, galvanizado).

Normativa de Uniones Atornilladas

• AISC 360 (American Institute of Steel Construction):

  Especificación para Edificios de Acero Estructural.

• RCSC (Research Council on Structural Connections):

  Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts.

• Eurocódigo 3 (EN 1993-1-8):

  Proyecto de Estructuras de Acero - Parte 1-8: Proyecto de Uniones.

3. Uniones Remachadas

Las uniones remachadas fueron el método de unión predominante en las estructuras metálicas hasta mediados del siglo XX, pero han sido reemplazadas en gran medida por la soldadura y los pernos de alta resistencia. Consisten en unir los elementos metálicos mediante remaches (vástagos cilíndricos con una cabeza en un extremo) que se introducen en taladros y se deforman en el otro extremo para formar una segunda cabeza.

Ventajas de las Uniones Remachadas (históricas)

• No requerían tanta especialización como la soldadura.
• Eran relativamente fáciles de inspeccionar.
• Buena resistencia a la fatiga.

Desventajas de las Uniones Remachadas

• Proceso lento y ruidoso.
• Requería calentar los remaches a altas temperaturas.
• Menor resistencia que la soldadura o los pernos de alta resistencia.
• Mayor peso que las uniones soldadas o atornilladas.
• Dificultad para lograr estanqueidad.
• Ya no se utilizan en la construcción de nuevas estructuras, pero son importantes para la evaluación y rehabilitación de estructuras antiguas.

Tipos de Remaches

• Remaches de cabeza redonda.
• Remaches de cabeza avellanada.
• Remaches macizos (los más comunes en estructuras).
• Remaches ciegos (se instalan desde un solo lado).

Proceso de Ejecución (histórico)

1. Preparación de los elementos y taladrado.
2. Alineación de los taladros.
3. Calentamiento del remache al rojo vivo.
4. Introducción del remache en el taladro.
5. Formación de la segunda cabeza mediante un martillo neumático o una remachadora hidráulica.
6. Enfriamiento del remache (la contracción del remache al enfriarse aumenta la fuerza de apriete).

4. Conectores Especiales

Además de las uniones soldadas, atornilladas y remachadas, existen diversos conectores especiales utilizados en estructuras metálicas para aplicaciones específicas:

• Conectores de Cortante:

  Se utilizan en estructuras mixtas de acero y hormigón para transmitir los esfuerzos cortantes entre la viga de acero y la losa de hormigón. Pueden ser:

  • Pernos con cabeza.
  • Anillos.
  • Espirales.
  • Perfiles U.
• Nodos para Mallas Espaciales:

  Son conectores diseñados específicamente para unir las barras de una malla espacial en los nodos. Pueden ser:

  • Nodos esféricos (MERO, Nodus).
  • Nodos cilíndricos.
  • Nodos planos.
  • Sistemas patentados.
• Terminales de Cable:

  Se utilizan para fijar los extremos de los cables en estructuras tensadas (puentes colgantes, atirantados, membranas tensadas).

  • Terminales de cuña.
  • Terminales de vaciado (con metal fundido).
  • Terminales prensados.
  • Terminales roscados.
• Horquillas y Grilletes:

  Se utilizan para conectar cables o tensores a otros elementos estructurales.

• Conectores para Madera y Acero:

  Existen diversos tipos de conectores para unir elementos de madera laminada a estructuras de acero (placas, pernos, tornillos especiales).

• Anclajes Químicos:

  Resinas epoxi o de poliéster que se inyectan en un taladro para fijar un perno o una varilla roscada a un elemento de hormigón o mampostería. Se utilizan para conectar elementos metálicos a cimentaciones o muros.

• Anclajes Mecánicos:

  Pernos de expansión, tacos metálicos, etc., que se fijan al hormigón o la mampostería por fricción o por expansión mecánica.

Comparación entre Tipos de Uniones