Conectores de cortante autosoldable

innovación

Conectores de

cortante

autosoldables

Por Ing. Fabio Hoyos Toro

Mediante su implementación en estructuras compuestas puede lograrse una vinculación resistente entre el acero y el concreto, capaz de soportar altas cargas y deformaciones. Conozca especificaciones técnicas propias de este sistema, sus beneficios y métodos de instalación.

Fotos y esquemas: cortesía Ing. Fabio Hoyos Toro

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a construcción de estructuras compuestas (acero-concreto) ofrece muchas ventajas de carácter técnico y económico. La estructura de acero y concreto, vinculada de modo apropiado mediante conectores, permite que los dos materiales trabajen como una unidad para reducir las deformaciones y resistir así solidariamente las cargas impuestas al conjunto, expresando al máximo lo mejor de sus características individuales.

En cuanto a beneficios, los conectores de cortante autosoldables pueden ser instalados con una velocidad tres o cuatro veces mayor con respecto a los conectores instalados con procesos de soldadura manual o convencional.

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Los conectores de cortante desempeñan, entonces, un papel fundamental en la conformación de secciones compuestas al transferir los esfuerzos entre el concreto y el acero: el conector se suelda a los elementos de acero y queda embebido en el concreto, esto crea un vínculo fuerte entre los dos materiales.

Al respecto, uno de los ejemplos más comunes corresponde a las vigas de sección compuesta, en las cuales el conector permite que parte de la losa de concreto instalada sobre las vigas de acero soporte las cargas en conjunto con el perfil metálico, aumentando la rigidez del sistema y la capacidad resistente de la sección, con lo que es posible optimizar las secciones de acero requeridas para soportar las cargas actuantes.

Conector de cortante tipo espigo (perno autosoldado al patín superior de la viga que atraviesa la lámina colaborante).

Comparación de vigas sin acción compuesta y con acción compuesta

Elemento no compuesto

Elemento compuesto

Sección resistente sin acción compuesta

Sección resistente con acción compuesta completa

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Otros elementos en sección compuesta

Otros ejemplos de construcción compuesta son las losas de concreto vaciadas sobre tableros metálicos (láminas colaborantes), tubulares rellenos de concreto y vigas o columnas revestidas con concreto, que transmiten los esfuerzos entre los dos materiales principalmente por adherencia.

Sin embargo, cuando estas fuerzas de adherencia son insuficientes para desarrollar una mayor capacidad estructural del elemento, debe recurrirse a la instalación de anclajes o conectores de cortante.

Pros y contras Entre las ventajas de las construcciones compuestas se cuentan: • La reducción en el peso de la estructura de acero (hasta en un 30 %).

• La disminución de los costos en la cimentación por emplear una estructura más liviana.

• La reducción de deflexiones por cargas vivas y muertas sobreimpuestas.

• El uso de vigas de menor altura que pueden reducir la altura de la edificación y disminuir los costos en fachadas, ascensores y escaleras en edificios de varios pisos.

• La posibilidad de aumentar las luces entre apoyos.

• La generación de entrepisos más rígidos y con mayor resistencia contra la corrosión y el fuego.

Por el contrario, son muy pocas las desventajas de este tipo de construcción.

Aunque el uso de los conectores implica un aumento en los costos de obra (requiere un subcontratista e incluir una labor adicional de instalación de conectores en el programa de ejecución de obras) esto puede ser una ventaja, dado que existe la posibilidad de instalarlos con un proceso industrializado, utilizando conectores tipo espigo implementados como pernos autosoldables. Para esto, el contratista debe tener experiencia y mano de obra calificada en la construcción de sistemas compuestos; en caso de utilizar pernos autosoldables, se necesitan altos requerimientos de energía en obra.

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Al poder soldar directamente los conectores autosoldables a través de las láminas, se eliminan los problemas relacionados con la perforación de tableros metálicos.

Actualmente, la NSR-10 solo avala el conector tipo espigo con cabeza (Shear Stud) para los dos sistemas de entrepiso más utilizados en el país –en estructuras metálicas–: entrepisos de losas macizas y entrepisos de losas de concreto vaciados sobre tableros metálicos o láminas colaborantes. Los conectores tipo canal y tipo perno grado 2, utilizados extensamente en el país, solo están avalados por la normativa para emplearse exclusivamente cuando el sistema de entrepiso consista en losas macizas.

Instalación Los conectores tipo espigo con cabeza pueden ser instalados como pernos autosoldables, esencialmente con un

proceso de soldadura de arco eléctrico rectificado, utilizando el mismo perno o conector como electrodo. El sistema de instalación consiste en colocar el perno y una férula (casquillo cerámico) en un aplicador (boquilla de la pistola), insertando primero el perno y después la férula, para a continuación presionar la punta del perno contra el patín de la viga o pieza por soldar (material base) y, finalmente, accionar el gatillo de la pistola que se encuentra conectado a un equipo de soldadura. El arco eléctrico formado entre el perno y la superficie del material base crea un charco de metal derretido que es confinado por la férula de cerámica, así queda el perno embebido en la fundición.

El metal se solidifica en una milésima de

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Proceso y equipo de instalación de conectores autosoldables 1 Conector y férula cerámica.

2 Pistola aplicadora.

3 Proceso de fundición del perno sobre la viga que atraviesa el

tablero metálico.

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segundo y el perno queda absolutamente soldado en su base.

Los conectores de cortante autosoldables se encuentran disponibles en el país en diámetros de 5/8” (15,9 mm) y 3/4” (19 mm), máximos permitidos por el reglamento NSR-10.

Los pernos se deben solicitar con la longitud apropiada, teniendo en cuenta que los conectores se consumen durante el proceso de fundición y reducen su longitud entre 1/16” (1,6 mm) a 3/8” (9,5 mm).

De acuerdo con el reglamento, se exige que el conector, una vez instalado, tenga una longitud mínima por encima de la cresta de la lámina colaborante de 1 1/2” (38 mm) y de tres veces el diámetro del conector cuando se ubica sobre losas macizas. Por esto, los conectores de mayor salida comercial son aquellos con longitudes mínimas de 3 7/8” (98 mm) y 4 7/8” (124 mm), para ser instalados en láminas colaborantes de 2” (50 mm) y 3” (76 mm) de altura, respectivamente.

Como alternativa, los conectores pueden ser instalados con soldadura manual en

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4 Equipo de soldadura conectado a la pistola.

5 Pernos instalados.

6 Losa lista para el vaciado del hormigón.

filete alrededor de la base del perno, caso en el cual se requiere eliminar el fundente de la punta del perno. Los dos procedimientos de soldadura, el manual y como perno autosoldable, están avalados por el código de soldadura estructural AWS D.1.1.

Este mismo código de soldadura también establece cuáles son los requisitos mínimos de calidad de los conectores tipo espigo con cabeza o pernos autosoldables.

Como se mencionó anteriormente, los conectores de cortante tipo espigo con cabeza instalados como pernos autosoldados pueden instalarse con una velocidad tres o cuatro veces mayor en comparación con los conectores instalados con procesos de soldadura convencionales, lo cual reduce el total de horas/hombre requeridas para completar la actividad hasta lograr 800 conectores instalados al día con un solo equipo y cuadrilla de instaladores.

Al mismo tiempo, al poder soldar directamente los conectores autosoldables a través de las láminas, se eliminan los problemas relacionados con la perforación de tableros metálicos. Se evita, entonces,

el debilitamiento o daño de las láminas y mejora el ajuste de estas; así mismo se evita el sellado de las perforaciones que se generan en los procesos convencionales e impiden filtraciones de concreto en el momento del vaciado. Todos estos factores reducen el costo de la instalación, mano de obra de fabricación y tiempo de instalación de los conectores en obra.

Por último, es válido señalar que este proceso de instalación demanda gran cantidad de energía, por lo que en obras pequeñas o donde no se tenga disponibilidad de la energía apropiada, se necesita de un generador o planta eléctrica que pueda suministrar la carga suficiente para realizar correctamente el proceso de instalación.

Fabio Hoyos Toro Ingeniero civil de la Universidad del Valle. Se ha desempeñado como residente de interventoría e ingeniero calculista en GAP Ingeniería. Miembro del Comité de Estructuras Metálicas de Camacol Valle desde 2008. Actualmente es promotor técnico de Acerías de Colombia Acesco S.A.S.

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