CONECTORES DE CORTANTE AUTO SOLDABLES

La 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 de manera solidaria las cargas que se le imponen al conjunto expresando al máximo lo mejor de sus características individuales. Los conectores de cortante auto soldables, ofrecen la gran ventaja de ser instalados con una velocidad de 3 a 4 veces mayor que los conectores instalados con procesos de soldadura manual o convencional.


Los conectores de cortante juegan un papel fundamental en la conformación de secciones compuestas transfiriendo los esfuerzos entre el concreto y el acero. El conector se suelda a los elementos de acero y queda embebido en el concreto creando un fuerte vínculo entre los dos materiales.



Conector de cortante tipo espigo (perno auto soldado al patín superior de la viga y a través de lámina colaborante)


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 que ha sido 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 que se requieren para soportar las cargas actuantes.



Comparación de vigas sin acción compuesta y con acción 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.



Otros elementos en sección compuesta
Las ventajas de las construcciones compuestas son numerosas entre las cuales se pueden mencionar la reducción en el peso de la estructura de acero (hasta en un 30%), reducción de los costos en la cimentación al emplear una estructura menos pesada, reducción de deflexiones por cargas vivas y muertas sobre impuestas, 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, posibilidad de aumentar las luces entre apoyos, generación de entrepisos más rígidos y mayor resistencia contra la corrosión y el fuego.

Las desventajas de este tipo de construcción son muy pocas; sin embargo el uso de los conectores implica un aumento en los costos de obra al requerir un subcontratista e incluir una labor adicional de instalación de conectores en el programa de ejecución de obras, que puede llegar a no ser considerado una desventaja, teniendo en cuenta que existe la posibilidad de instalarlos con un proceso industrializado, utilizando conectores tipo espigo instalados como pernos auto soldables. El contratista debe tener experiencia y mano de obra calificada en la construcción de sistemas compuestos y en el caso de utilizar pernos auto soldables, se necesitan altos requerimientos de energía en obra.

Actualmente el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 sólo avala el conector tipo espigo con cabeza (shear stud) para ser usados en 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 que se han utilizado extensamente en el país, sólo están avalados por la normativa para ser usados exclusivamente cuando el sistema de entrepiso consiste en losas macizas.


Los conectores tipo espigo con cabeza pueden ser instalados como pernos auto soldables, esencialmente con un proceso de soldadura de arco eléctrico rectificado, utilizando el perno o conector mismo 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 después presionar la punta del perno contra el patín de la viga o pieza a  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, quedando el perno embebido en la fundición. El metal se solidifica en una milésima de segundo y el perno queda absolutamente soldado en su base.


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Procedimientos

Proceso y equipo de instalación de conectores auto soldables: (1) conector y férula cerámica (2) pistola aplicadora (3) proceso de fundición del perno sobre la viga y a través del tablero metálico (4) equipo de soldadura conectado a la pistola (5) pernos instalados (6) losa lista para el vaciado del hormigón.
Los conectores de cortante auto soldables se encuentran disponibles en el país en diámetros de 5/8” (15.9mm) y 3/4" (19mm), que es el diámetro máximo permitido por el reglamento NSR-10. Se debe tener en cuenta solicitar los pernos con la longitud apropiada, debido a que los conectores se consumen durante el proceso de fundición reduciendo su longitud entre 1/16” (1.6mm) a 3/8” (9.5mm) y el reglamento exige que el conector una vez haya sido instalado, tenga una longitud mínima por encima de la cresta de la lámina colaborante de 1-1/2” (38mm) y de 3 veces el diámetro del conector cuando se instala sobre losas macizas. Por este motivo los conectores más comerciales vienen en longitudes mínimas de 3-7/8” (98mm) y 4-7/8” (124mm) para ser instalados en láminas colaborantes de 2” (50mm) y 3” (76mm) de altura respectivamente.
Como alternativa los conectores pueden ser instalados con soldadura manual en filete alrededor de la base del perno, caso en el cual se requiere eliminar el fundente que viene en la punta del perno. Los dos procedimientos de soldadura, el manual y como perno auto soldable, están avalados por el código de soldadura estructural AWS D.1.1. Este mismo código de soldadura también establece cuales son los requisitos mínimos de calidad que deben tener los conectores tipo espigo con cabeza o pernos auto soldables (shear studs).

Los conectores de cortante tipo espigo con cabeza instalados como pernos auto soldados ofrecen una gran ventaja en comparación con el resto de conectores, ya que pueden ser instalados con una velocidad de 3 a 4 veces mayor que los conectores instalados con procesos de soldadura manual o convencionales, reduciendo el total de horas/hombre requeridas para completar la actividad, llegándose a instalar hasta 800 conectores al día con un solo equipo y una sola cuadrilla de instaladores en condiciones ideales. Al mismo tiempo, los conectores auto soldables eliminan todos los problemas relacionados con la perforación de tableros metálicos al poder soldar directamente el conector a través de la lámina evitando el debilitamiento o daño de las mismas, mejorando el ajuste de las láminas y evitando el sellado de las perforaciones que se generan en los procesos convencionales para evitar 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. Sin embargo, este proceso de instalación requiere de grandes demandas energéticas que debe suministrar la obra o taller donde se instalen, 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 energía suficiente para llevar a cabo correctamente el proceso de instalación de los conectores.