Se denominan empalmes las uniones que sirven para prolongar o aumentar. Los empalmes son necesarios, por ejemplo, porque las longitudes o anchuras laminadas disponibles no son suficientes; en el montaje son necesarios para limitar las dimensiones y el peso de los elementos individuales que se transportan. Se denominan cubrejuntas las chapas que cubren la interrupción en el empalme. Todas las demás uniones, especialmente las entre barras de celosía de distintas direcciones y apoyos en distintos planos, se designan como conexiones.
En las uniones habituales, los cubrejuntas y los remaches de las uniones se dimensionan según la fuerza total. Por tanto, en una unión normal no se exige que las superficies de unión estén en contacto.
El principal campo de aplicación de las barras traccionadas y comprimidas (es decir, barras rectas cargadas predominantemente por fuerzas normales) lo constituyen las cerchas. Las consideraciones de este apartado dejan de lado el peligro de pandeo de las barras comprimidas. En primer lugar se estudiará la resistencia estática.
Descuento de agujeros en barras a tracción
Capacidad portante: El estado tensional en una barra traccionada cambia considerablemente de forma local debido a los agujeros/aberturas. En la zona de proporcionalidad, la distribución de tensiones corresponde a la sección debilitada (fig. 1). La tensión longitudinal máxima en una barra rectangular es, según A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Tensiones longitudinales y transversales en una barra perforada a) según A. Henning; b) según M. Rudeloff
En el caso límite d/b = 0 de lamas muy anchas resulta por tanto maxσ = 3σm y para el caso mostrado en la fig. 1a d/b = 1/3 es maxσ = 2,42 σm. Además de la tensión longitudinal, existen también tensiones transversales y cortantes. La mayor tensión se produce en la superficie del orificio. Allí aparecen las primeras deformaciones permanentes, es decir, los picos de tensión se descomponen y se produce la igualación de tensiones en la sección. Las deformaciones permanentes apreciables en la zona de los orificios solo aparecen cuando la tensión media σm en la sección debilitada supera el límite de fluencia σFO. La dilatación total de la barra en SF = Fm * σF es solo ligeramente mayor que en una barra sin orificios. (Fm es el área de la sección más débil)
En los ensayos de tracción con barras remachadas la rotura se produce siempre en las secciones debilitadas. La carga de rotura es, en condiciones habituales, suficientemente exacta SB = Fn * σB. Los ensayos de rotura en barras traccionadas con orificios abiertos mostraron figuras de rotura como en la fig. 2.
Fig. 2 - Imágenes de rotura de barras a tracción
En ensayos con uniones remachadas se ha demostrado que los empalmes con cubrejuntas de una sola hilera de remaches tienen menor resistencia que los empalmes con varias hileras de remaches una detrás de otra. Según esto, la tensión media de rotura σB en la sección útil fue:
Procedimiento de dimensionamiento para barras traccionadas: Según el método de cálculo habitual, para la tensión media de tracción debe cumplirse σm = S/Fm ≤ dozσ en todas las secciones relevantes Fm. La deducción de los agujeros se determina para la sección recta con el mayor número de agujeros, y puede ocurrir que una sección quebrada con más agujeros dé un valor menor de Fm (fig. 2). En ese sentido, en los perfiles laminados Fm se calcula con el desarrollo. En las secciones compuestas se procede en el mismo sentido.
La relación Fm/F por regla general se sitúa entre 0,8 y 0,9, es decir, la deducción de huecos ΔF = F – Fm asciende de 10% a 20% de toda la sección F de la barra. En elementos de gran tamaño, ΔF influye mucho en el peso, por lo que conviene hallar secciones con menor deducción de huecos.
Deformaciones: El alargamiento elástico de las barras traccionadas con agujeros apenas es mayor que el de barras comparables sin perforar. El alargamiento total de las empalmes es casi igual al de las láminas empalmadas. Por ello, para el cálculo de deformaciones de las estructuras de acero basta determinar los alargamientos elásticos con los valores E y F de las barras no debilitadas. La seguridad frente a la fluencia es mayor en las barras debilitadas que, por ejemplo, en las barras comprimidas.
Distribución de las fuerzas en los remaches
Fig. 3
La distribución de la fuerza S en la barra entre los distintos remaches de la unión depende de sus propiedades elásticas; es “estáticamente indeterminada”. En el caso de la fig. 3, la distribución de N1, N2, … depende de la deformación de los remaches y de las chapas unidas; cambia con la relación Fbarra de atado/Fbarra. Para Fbarra de atado ≠ Fbarra, las fuerzas extremas en los remaches ya no son igualmente grandes (fig. 50a). Al disminuir la relación Fbarra de atado/Fbarra, Nn se hace menor, N1 se aproxima a S. La unión de chapas de espesores muy diferentes (fig. 4b) no es adecuada debido a la sobrecarga del primer remache.
Fig. 4 - Carga de los remaches para Fbarra > Ftirante
Las láminas y los tirantes son rígidos, solo los remaches son elásticos (fig. 5a). Entonces todos los remaches experimentan la misma flexión; todas las fuerzas en los remaches deben ser iguales.
Los remaches rígidos, solo las chapas y los tirantes son elásticos (fig. 5b). Puesto que los alargamientos en la barra y en los tirantes entre el primer y el último remache deben ser iguales, se sigue que N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, salvo N1 = S * x1.
Fig. 5
La distribución real de las fuerzas se sitúa entre estos casos límite. Si la carga aumenta, aparece primero una deformación permanente en los remaches extremos, los remaches más cargados se alivian y la distribución de fuerzas se hace cada vez más uniforme. Después de la aparición de deformaciones mayores, la distribución de fuerzas se aproxima al caso en que las chapas y las barras de atado son rígidas, es decir, las fuerzas en los remaches son casi todas iguales, en el caso de que el criterio sea el corte de los remaches.
Carga de rotura: La forma de remachar los remaches apenas influye en τBV. La resistencia al cortante τBV de la unión es prácticamente independiente del número de remaches, de su disposición y de la forma de la unión remachada; la carga de rotura corresponde, con buena aproximación, a una carga uniforme de todos los remaches. Las mismas afirmaciones valen, por cierto, también para las uniones ordinarias con tornillos, de lo que puede concluirse que la resistencia al deslizamiento no tiene una influencia esencial en la capacidad portante.
Dimensionamiento: En las estructuras de acero y en las barras cargadas centralmente se calcula mediante distribución uniforme, es decir, por cada remache N = S/n. Dado que en prolongaciones largas los primeros remaches se sobrecargan ya muy pronto, deben evitarse en lo posible más de 6 remaches uno detrás de otro.
Resistencia al deslizamiento: el deslizamiento en uniones aparece ya con una carga relativamente pequeña. La resistencia al deslizamiento depende ante todo de la fuerza de apriete, que varía con muchos factores. Se descuida en el dimensionamiento de uniones con remaches y con los tornillos de uso habitual hasta ahora. Se señala la conveniencia de uniones con tornillos de alta resistencia.
Distribución de las fuerzas en los remaches a lo ancho: Con distancias iguales entre remaches perpendiculares a la dirección de la fuerza (fig. 6a), a cada remache le corresponden franjas de sección transversal de igual anchura a; por lo tanto, en primera aproximación, las fuerzas en los remaches N = a t σ son iguales. La distribución en el caso de separaciones desiguales entre remaches es estáticamente indeterminada; para el caso de la fig. 6b se realiza según la ley de la palanca.
Fig. 6
Barra tensada
Continuación: Continuación con tirantes simétricos (fig. 3 y 4). La fuerza S en la barra en el punto de empalme debe ser soportada únicamente por el tirante. Los remaches en el empalme deben dimensionarse asimismo según S, porque deben transmitir toda la fuerza de la barra empalmada a los tirantes.
Los empalmes con cubrejunta unilateral presentan tensiones adicionales de flexión considerables en las chapas unidas, las cubrejuntas y los remaches. El cubrimiento unilateral de los empalmes, debido a las grandes deformaciones, solo se aplica (fig. 7) cuando la barra es rígida a la flexión o cuando está apoyada lateralmente de modo que no pueda doblarse.
Fig. 7
Unión indirecta – Cuando las solapas no pueden apoyarse directamente sobre las chapas empalmadas, los remaches y las chapas quedan sometidos a esfuerzos de flexión considerablemente mayores. Por ello, en función del número m de capas intermedias, se elige un número mayor n’ de remaches que el número n en el solape directo de las uniones.
Fig. 8
En las secciones compuestas, las chapas de unión se disponen de modo que se eviten aumentos locales de tensión; por ello, las superficies individuales de las chapas de unión se determinan según la superficie de la parte de la sección que cubren, en lo posible manteniendo la posición del centro de gravedad. Las distribuciones de las superficies de las chapas de unión que se apartan de ello están vinculadas con cambios en la distribución de tensiones. En la fig. 9 se muestra la prolongación de una barra de una sola alma, y en la fig. 10 la de una barra de dos piezas con 4 chapas verticales y un alma entre los angulares.
Fig. 9
Fig. 10
Empalme: Para los empalmes de barras traccionadas rigen, en esencia, las mismas relaciones que para la prolongación. Los ensayos han demostrado la gran ventaja de introducir la fuerza de manera simétrica. En el empalme unilateral se produce una fuerte flexión en sentido longitudinal y transversal (fig. 11). A pesar de considerables tensiones adicionales de flexión, las barras L y C empalmadas unilateralmente pueden aprovecharse casi por completo. La capacidad portante de un empalme puede reducirse a la mitad si no se toman medidas para equilibrar los momentos adicionales de flexión.
Fig. 11
Para el cubrimiento de los empalmes no deben utilizarse chapas nodales; para ello deben preverse cubrejuntas especiales. La conexión a la chapa nodal se facilita cuando la mayor parte de la sección de la barra cae en el plano de la chapa nodal.
Fig. 12 - Uniones con y sin escuadra de unión
Barras sometidas a compresión
Para la prolongación y la unión de barras comprimidas rigen los mismos principios que para las barras traccionadas, y también en ellas la fuerza total se transmite mediante remaches y presillas, es decir, con arreglo a la sección total F de la barra se dimensionan Fpresilla y Fs, respectivamente Fl. Por regla general, las superficies de empalme no están ajustadas. En las estructuras de acero de edificación, en los pilares que atraviesan varias plantas y están sometidos solo a compresión, se utiliza la posibilidad de pasar con una menor cobertura de los empalmes. La capacidad portante de las barras comprimidas queda agotada, si antes no se presentan casos de inestabilidad, a más tardar al alcanzarse el límite de fluencia, porque entonces aparecen grandes deformaciones y la barra pandea lateralmente. Los orificios llenos de remaches no tienen en ello un efecto apreciable que pueda constatarse sobre el comportamiento de la barra.
Resistencia al fatiga de las uniones remachadas
Para la resistencia a la fatiga de las uniones remachadas son decisivos, en primer lugar, los picos de tensión que aparecen en los agujeros. La resistencia a la fatiga se reduce considerablemente ya por los propios agujeros. Las barras con agujeros abiertos se rompen en los ensayos de fatiga por tracción en las secciones debilitadas, y la rotura por fatiga comienza con grietas en el borde del agujero, que se van extendiendo continuamente a través de la sección. Por ello, los agujeros lisos tienen una importancia especial. En la fig. 13 se da la resistencia a la fatiga de barras planas en distintas clases (a la derecha está la clase de acero superior). Con mayores cargas previas σu, ambos materiales soportan resistencias a la fatiga σDz por encima del límite elástico. La amplitud de la tensión es aproximadamente igual para ambas clases.
Fig. 13 - Resistencia a la fatiga σDz
Para la carga alternante de tracción y compresión de las uniones remachadas rigen, en esencia, relaciones similares a las de las cargas unidireccionales. Cabe señalar que la amplitud de tensiones bajo carga alternante es unas 1,5 veces mayor (fig. 14), pero que los remaches están claramente más expuestos bajo esta carga que bajo la carga unidireccional.
Fig. 14 - Resistencia a la fatiga a tracción de las uniones remachadas