La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.).
Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas.
Remaches en caliente o roblones
Las primeras estructuras metálicas empleadas en los puentes a mediados del siglo XIX se construían a partir de hierro colado y/o forjado, materializándose las uniones mediante remaches en caliente o roblones. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón. Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. (El coeficiente de expansión lineal del acero es 0,0000251 x longitud del elemento x diferencial de temperatura = contracción/expansión de la pieza).
En la práctica, este procedimiento está superado por el desarrollo y evolución del acero como de las posibilidades de unirlo. Hoy existen básicamente dos procedimientos para materializar las uniones entre los elementos de una estructura metálica: las Uniones Soldadas y las Uniones Apernadas.
Soldadura
La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras.
Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras.
Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer conexiones apernadas en obra.
Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno
Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:
Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el siguiente esquema:
A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar:
Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar:
- Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas.
- Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.
Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding)
Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.
Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding)
Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola.
El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura.
La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura.
En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo.
La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años.
Conexiones apernadas
Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes resultados.
Ha sido generalmente aceptado que es mejor que las uniones soldadas se realicen en taller o maestranza, en que se puede trabajar en un ambiente controlado, en forma automatizada (soldadura de arco sumergido, por ejemplo) o con los operadores en posiciones suficientemente cómodas para garantizar un buen cordón de soldadura. Asimismo, en taller es mucho más factible el someter las soldaduras a un exigente control de calidad, que incluye la certificación mediante rayos-x o ultrasonido de las soldaduras, lo que en terreno frecuentemente es costoso y a veces imposible de realizar.
En concordancia con lo anterior, la tendencia actual y creciente es a realizar las uniones apernadas en terreno (cuya inspección y control de obra es mucho más fácil y económica de hacer) y las uniones soldadas en taller. Aún así, la construcción y materialización de estas uniones apernadas requiere de un cuidadoso y detallado planeamiento en los planos de fabricación, cuya precisión milimétrica debe ser estrictamente respetada en la maestranza a fin de evitar descalces o problemas en el montaje. Entre las ventajas de las uniones apernadas se cuenta con que existe una amplia gama de dimensiones y resistencia, no se necesita una especial capacitación, no exige un ambiente especial para el montaje y simplica los procesos de reciclado de los elementos.
Tornillos
Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero livianas, para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor de tornillos (hay que tener presente que los tornillos deben ser utilizados preferentemente para unir chapas delgadas). Los tornillos pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan de perforación guía y se pueden utilizar para metales más pesados). Entre las ventajas de estas conexiones hay que destacar que son fáciles de transportar, existe una gran variedad de medidas, largos, diámetros y resistencia; y finalmente, que son fáciles de remover, factor importante para el montaje y desmontaje de los componentes de la estructura.
Diseño de Uniones
Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación, que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulo de los ejes entre las barras que se están conectando, en tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotación entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rígidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos, barras de conexión, nervaduras de refuerzo, etc.), las posición de los elementos de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de un elemento respecto del otro.