Chámanse empalmes as unións que serven para prolongar ou aumentar. Os empalmes son, por exemplo, necesarios porque as lonxitudes ou anchos laminados dispoñibles non son suficientes; na montaxe son necesarios para limitar as dimensións e o peso dos elementos individuais que se transportan. Chámanse abrazadeiras as chapas que cobren a interrupción no empalme. Todas as demais unións, especialmente as que se dan entre barras dunha celosía en diferentes direccións e soportes en diferentes planos, denomínanse conexións.
Nos empalmes habituais dimensionanse as abrazadeiras e os remaches dos empalmes segundo a forza total. Por iso, nun empalme normal non se require que as superficies dos empalmes estean en contacto.
A principal área de aplicación das barras tiradas e comprimidas (trátase de barras rectas, sometidas principalmente a forzas normais) está representada polas reixas. As consideracións deste apartado deixan fóra de vista o perigo de pandeo das barras comprimidas. Primeiro tratarase a resistencia estática.
Desconto por buratos en barras traccionadas
Capacidade portante: O estado de tensión nunha barra traccionada cambia localmente de maneira considerable debido aos ocos/aberturas. Na zona de proporcionalidade, a distribución das tensións corresponde á sección debilitada (fig. 1). A máxima tensión lonxitudinal nunha barra rectangular é segundo A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Esforzos lonxitudinais e transversais nunha barra perforada a) segundo A. Henning; b) segundo M. Rudeloff
No caso límite d/b = 0 de lameas moi anchas resulta entón maxσ = 3σm e, para o caso mostrado na fig. 1a, d/b = 1/3 é maxσ = 2,42 σm. Ademais da tensión lonxitudinal, existen tamén tensións transversais e cortantes. A maior solicitude atópase no contorno do burato. Alí aparecen as primeiras deformacións permanentes, é dicir, os picos de tensión descompóñense e prodúcese a equalización das tensións na sección. As deformacións permanentes apreciables na zona dos buratos só aparecen cando a tensión media σm na sección debilitada supera o límite de fluencia σFO. A dilatación total da barra para SF = Fm * σF é só lixeiramente maior que no caso dunha barra sen buratos. (Fm é a área da sección máis débil)
Nos ensaios de tracción con barras remachadas prodúcese sempre a rotura nas seccións debilitadas. A carga de rotura é, en condicións normais, suficientemente exacta SB = Fn * σB. Os ensaios de rotura en barras traccionadas con furados abertos mostraron formas de rotura como na fig. 2.
Fig. 2 - Imaxes de rotura de barras traccionadas
Nos ensaios con unións remachadas demostrouse que as prolongacións con tirantes cunha soa fila de remaches teñen menor resistencia ca as prolongacións con varias filas de remaches unhas detrás doutras. Segundo isto, a tensión media de rotura σB na sección útil foi:
Procedemento de dimensionamento para barras traccionadas: Segundo o método habitual de cálculo, para a tensión media de tracción debe cumprirse σm = S/Fm ≤ dozσ, e isto en todas as seccións relevantes Fm. A dedución dos ocos determínase para a sección perpendicular coa maior cantidade de ocos, e pode ocorrer que unha sección quebrada con máis ocos dea un valor menor de Fm (fig. 2). Nese sentido, nos perfís laminados Fm calcúlase co desenvolvemento. Nas seccións compostas procédese no mesmo sentido.
A relación Fm/F adoita situarse entre 0,8 e 0,9, é dicir, a dedución dos furados ΔF = F – Fm é de 10% a 20% da sección total F da barra. En obras grandes, ΔF inflúe moito no peso, polo que vale a pena buscar seccións cunha menor dedución de furados.
Deformacións: O alongamento elástico de barras traccionadas con ocos apenas é maior que o de barras comparables sen perforar. O alongamento total dos empalmes é case igual ao dos perfís empalmados. Por iso abonda con determinar, para o cálculo das deformacións das estruturas de aceiro, os alongamentos elásticos cos valores E e F das barras non debilitadas. A seguridade fronte ao fluír é maior nas barras con debilitamento ca, por exemplo, nas barras comprimidas.
Distribución das forzas nos remaches
Fig. 3
A distribución da forza S na barra entre os distintos remaches da unión depende das súas propiedades elásticas; é “estáticamente indeterminada”. No caso da fig. 3, a distribución N1, N2, … depende da deformación dos remaches e das chapas unidas, e cambia coa relación Fpodvezice/Fštapa. Para Fpodvezice ≠ Fštapa as forzas extremas nos remaches xa non son iguais entre si (fig. 50a). Ao diminuír a relación Fpodvezice/Fštapa, Nn faise menor, N1 achégase a S. A unión de láminas de espesores moi diferentes (fig. 4b) non é axeitada debido á sobrecarga do primeiro remache.
Fig. 4 - Carga dos remaches para Fbarra > Ftirante
As lamelas e os tirantes ríxidos, só os remaches son elásticos (fig. 5a). Entón todos os remaches reciben a mesma flexión, todas as forzas nos remaches deben ser iguais.
Remaches ríxidos, só as láminas e as tiras de suxeición elásticas (fig. 5b). Dado que os alongamentos na barra e nas tiras de suxeición entre o primeiro e o último remache deben ser iguais, dedúcese N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, agás N1 = S * x1.
Fig. 5
A distribución real das forzas sitúase entre estes casos límites. Se a carga aumenta, aparece primeiro nos remaches extremos unha deformación permanente, os remaches máis solicitados descárganse e a distribución das forzas vólvese cada vez máis uniforme. Despois da aparición de deformacións maiores, a distribución das forzas achégase ao caso en que as láminas e os tirantes son ríxidos, é dicir, as forzas nos remaches son case todas iguais, no caso de que sexa determinante o corte dos remaches.
Carga de rotura: O modo de remachado dos remaches ten case ningún efecto sobre τBV. A resistencia ao cortante τBV da unión é practicamente independente do número de remaches, da súa disposición e da forma da unión remachada; a carga de rotura corresponde, con boa aproximación, a unha carga uniforme de todos os remaches. As mesmas afirmacións valen tamén, por certo, para as unións comúns con parafusos, do que se pode concluír que a resistencia ao deslizamento non ten unha influencia esencial na capacidade portante.
Dimensionamento: Nas estruturas de aceiro e nas barras cargadas concéntricamente calcúlase por repartición uniforme, é dicir, por cada remache N = S/n. Dado que nos empalmes longos os primeiros remaches xa se sobrecargan cedo, convén evitar, na medida do posible, máis de 6 remaches un detrás doutro.
Resistencia ao deslizamento: o deslizamento nas unións prodúcese xa cunha carga relativamente pequena. A resistencia ao deslizamento depende en primeiro lugar da forza de aperte, que varía baixo numerosas influencias. Permanece descoidada no dimensionamento das unións con remaches e cos parafusos de uso habitual ata agora. Faise referencia ás unións con parafusos de alta resistencia.
Distribución das forzas nos remaches segundo a anchura: Con distancias iguais entre remaches perpendiculares á dirección da forza (fig. 6a), a cada remache correspóndenlle bandas de sección transversal de igual anchura a, polo que, como primeira aproximación, as forzas nos remaches N = a t σ son de igual magnitude. A distribución con separaciones desiguais dos remaches é estaticamente indeterminada; para o caso da fig. 6b, realízase segundo a lei da panca.
Fig. 6
Barra traccionada
Continuidade: Continuidade con tirantes simétricos (fig. 3 e 4). A forza S na barra no punto de continuidade debe ser soportada só polo tirante. Os remaches na continuidade deben dimensionarse igualmente segundo S, xa que deben transmitir toda a forza da barra continuada aos tirantes.
As unións con recubrimento unilateral están ligadas a considérables tensións adicionais de flexión nas chapas unidas, nas pletinas e nos remaches. O recubrimento unilateral das unións, debido ás grandes deformacións, aplícase só cando (fig. 7) a barra é ríxida á flexión ou cando está suxeita lateralmente de maneira que non poida dobrarse.
Fig. 7
Unión intermedia – Cando as pezas de unión non poden apoiarse directamente sobre as chapas prolongadas, os remaches e as chapas soportan tensións de flexión considerablemente maiores. Por iso, segundo o número m de capas intermedias, escóllese un número maior n’ de remaches ca o número n no revestimento directo das unións.
Fig. 8
Nos perfís complexos dispóñense as abrazadeiras de xeito que se eviten elevacións locais das tensións; por iso, as superficies individuais das abrazadeiras determínanse en función da área da parte do perfil que cobren, de ser posible mantendo a posición do centro de gravidade. As distribucións de superficies das abrazadeiras que se afasten diso están ligadas a cambios na distribución das tensións. Na fig. 9 móstrase a continuación dun tirante de parede simple, na fig. 10 dun tirante de dúas pezas con 4 chapas verticais e unha alma entre escuadras.
Fig. 9
Fig. 10
Conexión: Para as conexións de barras traccionadas valen basicamente as mesmas relacións ca para a prolongación. Os ensaios demostraron a gran vantaxe da introdución simétrica da forza. No caso dunha conexión unilateral, prodúcese unha forte flexión no sentido lonxitudinal e transversal (fig. 11). A pesar das considerables tensións adicionais de flexión, as barras L e C conectadas unilateralmente poden chegar a aproveitarse case por completo. A capacidade portante dunha conexión pode reducirse á metade se non se adoptan medidas para igualar os momentos adicionais de flexión.
Fig. 11
Para cubrir as xuntas cómpre empregar chapas de nó, e para iso hai que prever penduras especiais. A unión coa chapa de nó vese facilitada cando a maior parte da sección da barra cae no plano da chapa de nó.
Fig. 12 - Unións con e sen escuadra de unión
Vara comprimida
Para a prolongación e unión de barras comprimidas valen os mesmos principios ca para as barras traccionadas, e nelas tamén a forza total transmítese mediante remaches e abrazadeiras, é dicir, segundo a superficie total F da barra calcúlanse Fabrazadeira e Fs, respectiv. Fl. Polo xeral, as superficies de empalme non están axustadas. Nas estruturas de aceiro da construción, nos piares que soben por varios pisos e que só están sometidos a compresión, utilízase a posibilidade de pasar con menor cubrición dos empalmes. A capacidade portante das barras comprimidas esgótase, se antes non se producen casos de inestabilidade, a máis tardar ao alcanzar o límite de fluencia, porque entón xorden grandes deformacións e a barra pandea lateralmente. Os buratos ocupados polos remaches non teñen nese caso ningún efecto perceptible sobre o comportamento da barra.
Resistencia á fatiga das unións remachadas
Para a resistencia á fatiga das unións remachadas son en primeiro lugar decisivas as concentracións de tensión que aparecen nos furados. A resistencia á fatiga vese considerablemente reducida xa polos propios furados. As barras con furados abertos rómpense nos ensaios de fatiga por tracción nas seccións debilitadas, e a rotura por fatiga comeza con fendas no bordo do furado, que se van estendendo continuamente a través da sección. Por iso os furados lisos son de especial importancia. Na fig. 13 dase a resistencia á fatiga de barras planas en distintas clases (á dereita está a clase de aceiro superior). Con maiores cargas previas σu, ambos os materiais soportan resistencias á fatiga σDz por riba do límite de fluencia. A amplitude de tensión é aproximadamente a mesma para ambas as clases.
Fig. 13 - Resistencia á fatiga σDz
Para a carga alterna de tracción e compresión das unións remachadas valen, en esencia, relacións semellantes ás das cargas unidireccionais. Cómpre sinalar que a amplitude da tensión baixo carga alterna é aproximadamente 1,5 veces maior (fig. 14), pero que os remaches baixo esta carga están evidentemente máis comprometidos que baixo carga unidireccional.
Fig. 14 - Resistencia á fatiga á tracción das unións remachadas