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La utilización de secciones compuestas, derivadas de acero y concreto armado, busca aprovechar las ventajas de ambos materiales. El concreto, al proporcionar protección al acero contra la corrosión, se convierte en una solución beneficiosa, mientras que la incorporación de secciones de acero ayuda a reducir las dimensiones de los miembros compuestos, lo cual es ventajoso en la construcción de edificios de gran altura. Estudios previos han demostrado que el grosor total de la losa, incluyendo las nervaduras, puede utilizarse para determinar el ancho efectivo de la losa, como se plantea en los trabajos de Grant et al. (1977) y Fisher (1970).
Un paso fundamental en el diseño de estas secciones compuestas es realizar cálculos tanto para la fase de construcción como para la fase compuesta, que representa la configuración final de la estructura. Durante la fase de construcción, se deben considerar las cargas permanentes, como la cubierta y la malla del acero, así como las cargas variables, como el concreto húmedo. Según el SCI AD‑346, se recomienda añadir un 10% del peso propio de la losa en áreas de 3 m². En la fase compuesta, las cargas permanentes incluyen la losa de concreto seco, acabados y servicios, mientras que las cargas variables se basan en la ocupación del piso y particiones móviles.
La losa compuesta puede consistir en concreto reforzado que repose sobre una placa de acero, como se presenta en un caso de estudio en la sección de construcción. En muchos casos, incluirá un refuerzo denominado "haunch", que juega un papel importante en situaciones de esfuerzos cortantes elevados. Este detalle, representado en la figura 7.2, es de especial relevancia para garantizar una adecuada resistencia a las tensiones cortantes.
La conexión entre la losa de concreto y la viga de acero debe ser tal que ambas partes actúen como una unidad, para lo cual se utilizan conectores de corte. Uno de los conectores más comunes es el vástago, cuya construcción se detalla en el capítulo sobre construcción de acero. Estos conectores se fijan a la brida superior de la viga de acero y se incrustan en la losa de concreto, transmitiendo el esfuerzo cortante longitudinal y evitando deslizamientos entre la losa y la viga de acero. Además, evitan que la losa se despegue. Existen principalmente tres tipos de conectores de corte: el vástago, una serie de pernos soldados a la viga de acero o sección de canal de acero, o una sección de ángulo de acero, como se muestra en la figura 7.4.
En las vigas compuestas, donde el espaciamiento longitudinal de los conectores de corte varía de acuerdo con la intensidad del esfuerzo cortante, las vigas duplicadas con el número requerido de conectores distribuidos uniformemente han mostrado la misma resistencia última y el mismo nivel de deflexión bajo cargas de trabajo normales. Solo una ligera deformación en el concreto y en los conectores de corte más estresados es suficiente para redistribuir el esfuerzo cortante horizontal a otros conectores menos cargados.
Es crucial que el número total de conectores sea suficiente para desarrollar el esfuerzo cortante en ambos lados del punto de momento máximo. Esta provisión, basada en la acción compuesta, está claramente definida en las especificaciones de AISC ASD o cualquier otro código similar. Estudios previos han establecido la resistencia de conexión de los vástagos de corte en función de la resistencia del concreto, utilizando la ecuación presentada en el AISC 360‑22. En términos generales, el valor de la resistencia máxima de un conector de vástago (Qu) se obtiene como una función de la resistencia a compresión del concreto, el módulo de elasticidad del concreto, y el área de la sección transversal del vástago. Este enfoque es crucial para asegurar una adecuada capacidad de los conectores bajo condiciones de carga extremas.
Por último, las normativas de EN 1994 requieren que la resistencia al corte de un vástago de cabeza soldado, al ser soldado de acuerdo con EN 14555, se determine en función de la resistencia del concreto y otros parámetros específicos, lo cual implica que el diseño debe ajustarse a los requerimientos de esta normativa para garantizar la seguridad y efectividad de las conexiones en la fase compuesta.
¿Cómo se realiza el diseño y la verificación de las conexiones en estructuras de acero según la AISC?
Al considerar una fuerza de tensión axial aplicada, que genera esfuerzos cortantes, es importante tener en cuenta que esta fuerza de tensión reducirá la fuerza neta de sujeción. Por lo tanto, la ecuación correspondiente debe ajustarse multiplicándola por un factor , que se calcula de la siguiente manera:
donde es la fuerza de tensión aplicada, es el número de pernos que soportan esta fuerza de tensión, y y son parámetros específicos de la conexión.
Conexión de base según AISC
Cuando se verifica la resistencia a la compresión del concreto, existen dos opciones: el área completa de apoyo del concreto o un área parcial de apoyo. La ecuación general para este cálculo es:
donde es el área del acero que soporta de manera concéntrica el área de apoyo de concreto, es el área máxima de la porción de la superficie de soporte geométricamente similar y concéntrica con el área cargada, y es la resistencia a la compresión especificada del concreto. El factor de reducción de resistencia es 0.65. El diseño de los pernos de anclaje se regirá por la norma ACI 318.
Verificación de la ala y la web en el caso de fuerzas concentradas
Es necesario verificar tanto la ala como la web de los miembros estructurales cuando se someten a cargas concentradas, para determinar si es necesario agregar placas de refuerzo o refuerzos adicionales.
Verificación de la ala: Para la ala, el cálculo de la resistencia se realiza utilizando la siguiente fórmula, considerando que el factor de reducción de resistencia es 2:
Verificación de la web por fluencia: En el caso de la fluencia de la web, la resistencia se calcula con la siguiente ecuación, considerando un factor de reducción de resistencia de 1.0:
-
Si la carga concentrada a resistir se aplica a una distancia mayor que la profundidad nominal completa del miembro :
-
Si la carga concentrada se aplica a una distancia menor o igual que la profundidad nominal completa :
donde es el esfuerzo de fluencia mínimo especificado para el material de la web, es la distancia desde la cara externa de la ala hasta la punta de la web, es la longitud del apoyo, y es el grosor de la web.
Verificación de aplastamiento local de la web: La resistencia disponible para el límite de estado de aplastamiento local de la web se determinará de la siguiente manera, con un valor de . La resistencia nominal se calculará en dos casos diferentes:
-
Cuando la carga concentrada se aplica a una distancia mayor o igual a .
-
Cuando la carga concentrada se aplica a una distancia menor a .
Las fórmulas en ambos casos permiten determinar la resistencia a partir de parámetros específicos de la geometría de la web y la carga aplicada.
Pandeo por compresión de la web: Si se aplica una par de fuerzas concentradas compresivas en ambos flancos de un miembro en la misma ubicación, la resistencia disponible para el pandeo de compresión de la web se determinará con la siguiente ecuación, considerando :
Verificación de la zona de panel de la web por cortante
En el caso de fuerzas concentradas dobles aplicadas en uno o ambos flancos de un miembro, la resistencia disponible de la zona de panel de la web para el límite de resistencia a la fluencia por cortante se determinará de la siguiente forma, con un factor de reducción de resistencia de . Se realizan dos análisis según si se tiene en cuenta la deformación inelástica de la zona de panel sobre la estabilidad del marco. Las ecuaciones correspondientes proporcionan los valores de resistencia basados en las fuerzas aplicadas.
Ejemplo de diseño de conexión de refuerzo según AISC
Consideremos un caso práctico de diseño de conexión para un refuerzo, con una fuerza de acción normal factorizada , donde el refuerzo está compuesto por dos secciones de ángulo iguales de 100x100x10 mm. En este cálculo, se utilizan las propiedades de la sección, la resistencia del material de acero y los pernos de conexión, siguiendo los pasos detallados para verificar la resistencia de los pernos, la capacidad de corte y el esfuerzo en la sección del refuerzo.
Es importante destacar que cada paso debe ser cuidadosamente analizado, asegurando que los valores de tensión, cortante y los parámetros geométricos se ajusten a las normativas de diseño establecidas por la AISC y las condiciones de carga del sistema estructural. Además, se debe comprobar que las uniones de la estructura sean seguras frente a las cargas aplicadas y los posibles fallos de material.
En cada caso, la seguridad de las conexiones y la eficiencia del diseño estructural dependen de la correcta aplicación de los métodos de cálculo y de la elección adecuada de materiales, pernos y soldaduras según los requisitos del diseño.
¿Cómo garantizar la calidad en la soldadura y la construcción de estructuras de acero?
La calidad de las soldaduras en la construcción de estructuras de acero depende en gran medida de la correcta aplicación de procedimientos y estándares definidos en documentos específicos, como las Especificaciones del Procedimiento de Soldadura (WPS). Este documento tiene la función de guiar el proceso de soldadura durante la construcción, asegurando que se cumplan todos los requisitos del código aplicable y los estándares de producción. La WPS incluye detalles esenciales como la clasificación del metal base, la clasificación del metal de aporte, el rango de amperaje, la composición del gas de protección, así como las temperaturas de precalentamiento y entrepaso. De esta manera, si un grupo de soldadores sigue todos los detalles especificados en la WPS, deberían poder producir soldaduras con propiedades mecánicas razonablemente similares.
Una vez que se establece la WPS, es necesario verificar su efectividad a través de un informe de calificación del procedimiento de soldadura (WPQR). Este informe documenta el procedimiento inicial para crear una serie de soldaduras que luego se someterán a pruebas mecánicas para asegurarse de que cumplen con todos los requisitos pertinentes. Si los resultados de la prueba son aceptables, el WPQR es aprobado y se convierte en la base para la redacción de uno o más WPS. En términos simples, un PQR demuestra que un WPS puede, en efecto, usarse para producir una soldadura aceptable.
La inspección y prueba de las soldaduras es un paso clave en el proceso. Todos los procedimientos de ensayos no destructivos (END) deben ser presentados al Departamento de Inspección para su revisión, la cual debe ser aprobada por el inspector designado por el cliente o el ingeniero consultor. La inspección de la soldadura debe llevarse a cabo conforme al Código de Soldadura Estructural ANSI/AWS D1.1/D1.1M, y en algunos casos, las pruebas ultrasónicas pueden sustituir a la radiografía si el inspector del cliente lo aprueba. Para garantizar la calidad, se requieren inspecciones visuales al 100% de todas las soldaduras, además de la eliminación de imperfecciones visibles como porosidad superficial a través de un esmerilado adecuado.
En el caso de las estructuras tubulares y los tubos utilizados como pilotes, se deberá realizar una radiografía aleatoria del 10% de las soldaduras circunferenciales. Para los miembros primarios de carga, tales como los marcos principales y los miembros del sistema de carga lateral, todas las soldaduras de bridas a tope deberán someterse a una radiografía al 100%. Asimismo, se debe aplicar radiografía aleatoria al 10% de las soldaduras de tope de los miembros secundarios, como las cerchas y vigas que no forman parte del marco de resistencia a torsión.
Por otra parte, las conexiones de izaje deben ser radiografiadas al 100% y cumplir con las especificaciones de la ANSI/AWS D1.1. En situaciones específicas, como equipos montados sobre patines cuyo peso total de izaje no supere los 3000 kg, se puede utilizar soldaduras de filete con inspección por penetrante de tintes. Es posible que el porcentaje de cobertura mínimo para el método de NDT especificado aumente, si el inspector de la empresa lo considera necesario debido a la posible calidad dudosa de las soldaduras o defectos evidentes en las inspecciones previas.
Un aspecto adicional que no debe pasarse por alto es la revisión y certificación de los informes de pruebas de materiales, los cuales deben ser proporcionados conforme a los estándares de EN 10204, Tipo 3.1, y deben ser disponibles para el inspector de calidad. En caso de que se detecte algún daño o falten partes o componentes, se debe informar de inmediato al comprador por escrito para su pronta resolución.
Por otro lado, la inspección de las conexiones de las estructuras de acero se considera un componente crucial del proyecto, ya que representa entre el 45% y el 50% del costo total desde la fase de diseño hasta la de construcción. El control de calidad durante el diseño es vital para garantizar la seguridad y la integridad estructural. La implementación de medidas de aseguramiento de calidad por parte de las empresas de ingeniería que diseñan estas estructuras es fundamental para evitar fallas en la construcción, las cuales pueden tener consecuencias significativas tanto en términos de seguridad como de costos.
La inspección de las conexiones de acero debe realizarse siguiendo estrictos procedimientos que incluyan la verificación de la alineación de la estructura. El control de calidad debe abarcar no solo las soldaduras, sino también el comportamiento del acero estructural durante su proceso de montaje y la calidad del concreto utilizado en las fundaciones. Además, las conexiones atornilladas de alta resistencia deben ser inspeccionadas conforme a las especificaciones AISC para uniones estructurales utilizando pernos ASTM A325 o ASTM A490.
Las pruebas y las inspecciones deben seguir una lista de verificación detallada que asegure que todos los aspectos de la construcción se han evaluado correctamente. Ejemplos de estas listas incluyen la verificación de la alineación de las estructuras de acero y la inspección previa a la erección del acero, que abarca desde la ubicación y orientación de los puntos de conexión hasta las condiciones de los anclajes y el curado del concreto.
El cumplimiento de estos estándares es crucial para garantizar que el acero estructural cumpla con los requisitos necesarios para soportar las cargas previstas y mantener la seguridad en todo momento. Cualquier discrepancia en los procesos de inspección o en los materiales utilizados debe ser tratada con seriedad, y las reparaciones deben ser gestionadas de acuerdo con las directrices establecidas por el inspector de la empresa y el comprador.
¿Cómo afecta la orientación del campo magnético en la detección de defectos en materiales ferromagnéticos?
El fenómeno de la fuga de flujo magnético en la superficie de una pieza se produce cuando el campo magnético interactúa con posibles discontinuidades o defectos presentes en su estructura. En este contexto, la orientación del campo magnético en relación con el defecto juega un papel fundamental. Si el campo magnético es paralelo al defecto, se observa que el flujo magnético apenas se ve alterado, lo que impide la formación de un campo de fuga y, por tanto, la indicación de un defecto. Sin embargo, cuando el campo magnético forma un ángulo de entre 45 y 90 grados con respecto al defecto, se genera una perturbación suficiente en el flujo magnético, produciendo un campo de fuga que puede ser detectado mediante inspección con partículas magnéticas.
Dado que los defectos pueden presentarse en diversas direcciones dentro de una pieza, se suelen aplicar métodos de magnetización en dos direcciones perpendiculares entre sí. Esto asegura que, independientemente de la orientación del defecto, se podrá generar una indicación adecuada. Al considerar un componente, se sabe que al pasar una corriente eléctrica a través de la pieza desde un extremo al otro, se establece un campo magnético circular perpendicular a la dirección de la corriente. De este modo, los defectos longitudinales, aquellos que tienen una dimensión significativa en la dirección de la corriente, pueden ser fácilmente detectados. Por el contrario, defectos transversales no serán detectados mediante magnetización circular. Esta orientación del campo magnético determina la efectividad de la inspección y es crucial para evaluar con precisión la integridad de las estructuras.
Existen diferentes métodos para generar un campo magnético en una pieza durante una inspección de partículas magnéticas. Estos métodos se clasifican generalmente en dos tipos: directos e indirectos. La magnetización directa implica aplicar corriente directamente a través de la pieza para inducir el campo magnético, mientras que la indirecta emplea herramientas como el yoke (yunque) o las sondas, que generan un campo magnético externo.
Un ejemplo común de herramienta para la magnetización es el yoke, utilizado para magnetizar longitudinalmente la pieza. Este dispositivo consiste en un imán en forma de herradura, generalmente de hierro con baja retentividad, que se magnetiza mediante una pequeña bobina colocada en su barra horizontal. El principio de funcionamiento de esta herramienta sigue la regla de la mano derecha para demostrar el flujo de corriente. De acuerdo con las recomendaciones de la ASME V, este método debe ser usado exclusivamente para detectar discontinuidades abiertas en la superficie de la pieza. La calibración del yoke se realiza determinando su fuerza máxima de levantamiento, lo cual se lleva a cabo añadiendo peso a la máquina hasta que se libere un peso ferromagnético, lo que indica la potencia de levantamiento del equipo.
La corriente alterna (CA) es el tipo de corriente más comúnmente utilizado para realizar pruebas con partículas magnéticas. Debido a que la corriente alterna invierte su dirección constantemente, se genera un campo magnético que agita las partículas de hierro, aumentando su movilidad. Este fenómeno es particularmente útil cuando se inspeccionan defectos cercanos a la superficie de los materiales, ya que la "efecto piel" limita el campo magnético a una región superficial. Sin embargo, la CA solo es adecuada para defectos superficiales debido a que no permite una penetración profunda del campo magnético. Para evaluar defectos más profundos, se recomienda el uso de corriente continua pulsada (HWDC), que es más eficiente en términos de movilidad de partículas y sensibilidad de detección.
La corriente alterna puede ser rectificada para producir corriente continua pulsante, la cual mejora la movilidad de las partículas magnéticas. Esta modalidad facilita la formación de indicaciones al vibrar las partículas, lo cual aumenta la sensibilidad de la inspección. La corriente pulsante, al ser más eficiente en términos de agitación de las partículas, resulta especialmente útil cuando se utilizan partículas secas. La corriente continua pulsante es la más comúnmente utilizada para alimentar los yokes electromagnéticos, mejorando así la capacidad de detección de defectos.
En cuanto a las propiedades magnéticas de los materiales, es importante comprender el concepto del ciclo de histéresis. Este ciclo describe cómo un material responde a la aplicación de un campo magnético. A medida que aumenta la corriente magnética, la densidad del flujo también aumenta hasta que el material alcanza su punto de saturación. Al reducirse la corriente, la densidad de flujo disminuye hasta llegar al punto de coercitividad, donde la magnetización residual del material puede ser eliminada. Este proceso es fundamental para entender cómo los defectos pueden alterar las propiedades magnéticas del material y cómo se puede utilizar esta información en la detección no destructiva.
Además de los aspectos técnicos mencionados, es esencial tener en cuenta que la sensibilidad de la prueba depende no solo del tipo de corriente y la técnica de magnetización empleada, sino también de la correcta aplicación de las herramientas y del conocimiento profundo de la geometría de la pieza y los posibles defectos. La selección adecuada de los parámetros de inspección, como la frecuencia de la corriente y la dirección del campo magnético, puede marcar la diferencia entre una prueba exitosa y una insatisfactoria. Por ello, comprender la interacción entre el material, la corriente aplicada y la herramienta de magnetización es crucial para obtener resultados precisos en la evaluación de la integridad de los componentes.