INDICADORES DIRECTOS DE TENSIÓN

En la construcción con estructuras de acero las conexiones entre elementos son un componente muy importante a tener en cuenta en las fases de diseño y ejecución. Una desacertada concepción y realización de ellas puede llevar al daño o colapso de la estructura. Existen para las estructuras de acero 2 elementos que pueden ser usados para realizar las conexiones: La soldadura y los pernos estructurales. Normalmente la soldadura se usa para las conexiones realizadas en el taller y los pernos para las de campo. Las razones de lo anterior son las facilidades que ofrecen los talleres de fabricación para la adecuada aplicación de la soldadura en cuanto a barreras para el viento, puente grúas para ubicación de las piezas en las posiciones más favorables para la aplicación, facilidad para la inspección visual y realización de los ensayos no destructivos por parte de los técnicos especializados de control de la calidad, entre otras. Las condiciones anteriores son muy difíciles de garantizar en obra y menos si las soldaduras deben realizarse en altura. A pesar de que los operarios deben ser igualmente calificados que los de taller, las condiciones de incomodidad, viento y riesgo, hacen que la incertidumbre de una buena soldadura sea muy grande, sumado a que la revisión por parte de los técnicos y la ejecución de los ensayos no destructivos son casi imposibles.

Entonces las conexiones de campo deben ejecutarse mediante pernos de alta resistencia. El costo de las conexiones de campo empernadas es algo mayor que el de las soldadas por el costo de los pernos y las platinas de conexión, pero ese mayor valor debe pagarse cuando esto garantiza que las conexiones tendrán la resistencia que la estructura requiere. Las conexiones empernadas se componen, además de los pernos, de láminas y platinas perforadas, que son parte de la trayectoria de las cargas de un elemento a otro. Cada conexión, por insignificante que parezca, debe ser calculada y diseñada por un ingeniero civil especializado en la materia; infortunadamente este tema es relativamente desconocido y menospreciado en nuestro medio; pero esta tendencia está cambiando con el incremento de las construcciones con estructura de acero, la mayor cantidad de cátedras que ofrecen las principales universidades del país, la bibliografía técnica del tema que nos llega aprovechando las facilidades de comunicación de hoy, y la existencia de softwares especializados en su manejo a costos razonables.

 

Las normas de construcción internacionales (AISC entre otras) y nacional (NSR10) dedican apartes de su contenido a las conexiones empernadas y a los pernos de alta resistencia específicamente. El AISC (American Institute of Steel Construction) se apoya en el RCSC (Reaserch Council on Structural Connections)  para el tema de la normativa de los pernos de alta resistencia. Existe hoy la edición 2.009 de esas normas que son de descarga gratuita en la web. Todo ingeniero involucrado en el diseño, construcción, montaje, gerencia e interventoría de obras con estructura de acero debe conocer este documento al igual que el Código de Práctica Estándar del AISC que trata, entre otros temas, de los controles de ejecución de juntas empernadas y que también es de descarga gratuita en la página www.aisc.org.

Las conexiones para estructuras de acero pueden ser articuladas o a momento. Ambas pueden lograrse con soldadura o con pernos. Los pernos en las conexiones estructurales pueden tener 2 tipos de ajuste según las referencias nombradas: ajuste pleno y ajuste pre-tensionado. Dependiendo de la función que cumplan y del ajuste que le dieron al momento de los ensayos de pre-calificación, algunas veces los pernos deben tener ajuste pleno o tener ajuste pre-tensionado; este último estado de ajuste se logra girando más las tuercas o pernos, luego da haber logrado el ajuste pleno definido en la referencia como el ajuste que logra que las superficies de acero queden en firme contacto. Ese ajuste se logra con unos cuantos impactos de herramienta neumática o el máximo esfuerzo de un obrero usando una llave manual ordinaria, según reza en la RCSC. 

Los pernos de alta resistencia deben ser instalados pre-tensionados, entre otras situaciones, en los empalmes de columnas de todas las estructuras de 60m a más, en las conexiones a momento precalificadas para zonas de alta sismicidad tipo end plate (placa extendida) y plata banda (placas en los patines), conexiones de deslizamiento crítico, conexiones para soporte de máquinas móviles u otras cargas vivas que produzcan impacto o inversión de esfuerzos, estructuras de naves industriales que soportan grúas viajeras de más de 5 toneladas y en las uniones de los elementos que las soportan, estructuras sometidas a cargas repetitivas y sensibles a deflexión como vigas de puentes vehiculares, en elementos sometidos a tensión directa o combinada con cortante, etc.

Para verificar que el ajuste pre-tensionado es el que se aplica al perno en la obra, la RCSC acepta 4 tipos de métodos de ejecución. Para los 4, debe obtenerse como punto de partida el ajuste pleno; en plantillas de pernos puede requerirse más de un ciclo de ajuste para obtener esa condición, la cual varía con la cantidad y disposición de los pernos, el espesor, el paralelismo y uniformidad de las láminas a unir, y el método de ajuste elegido. 
1- Giro de la tuerca.
2- Llave de torque calibrado.
3- Pernos de tensión o torque controlado.
4- Arandelas Indicadoras directas de tensión IDT.
El primer método es el más económico y tiene certidumbre aceptable; su principal desventaja es el control de calidad ya que debe hacerse en presencia del supervisor para garantizar que el procedimiento se hizo; no hay forma de que quede prueba de su ejecución. Consiste en hacer marcas con pintura o algo similar en la tuerca, el perno y la lámina de empalme una vez se haya logrado el ajuste pleno, para posteriormente girar adicionalmente la tuerca según cantidad de giro mostrado en la tabla 8.2 del RCSC (media vuelta, tres cuartos de vuelta, etc, según la relación que exista entre la longitud y el diámetro del perno).

La llave de torque calibrado consiste en calibrar un torquímetro, usando un tensiómetro y unos cuantos pernos de muestra representativa (no menos de 3 unidades por cada diámetro, largo, lote de fabricación y resistencia, que se usarán en la obra), a un valor de torque determinado, para con ese valor de referencia ajustar los pernos en campo. Este procedimiento debe hacerse para cada cochada de pernos que se instalará el mismo día con las mismas condiciones atmosféricas. Si alguna condición anterior cambia (p.e. llueve, cambia la caja de pernos o no terminan de instalar la cochada en el día) deberá volver a calibrarse el aparato y seguramente dará un valor diferente de torque de ajuste. El control de calidad requiere presencia del supervisor en la calibración y en la ejecución.

Los pernos de torque o tensión controlada (hay polémica en cual es realmente el aspecto controlado) no son comerciales en el país (Twist-off-type) . Son pernos que tienen un vástago adicional al cuerpo roscado (testigo), de menor diámetro (el que ofrece el 70% del área del perno), el cual cae con el giro al momento de lograr la tensión requerida (70% de la resistencia a tracción del perno); debe usarse una pistola especial para su instalación. Tiene la desventaja de que las condiciones atmosféricas y de superficie del perno afectan significativamente el valor al cual la pieza adicional cae dejando un gran margen de error. Además, la cabeza del perno no permite seguir apretando luego de caído el testigo, lo que no permite rectificación ni verificación.

Por último, existe un dispositivo con forma de arandela, con unos resaltes repartidos concéntricamente, los cuales se aplastan contra la tuerca al girarla; estos dispositivos son los Indicadores Directos de Tensión IDT, que cumplen norma ASTM F959. Cuando se logra aplastar completamente esos resaltes es que se ha logrado dar al perno la tensión requerida (70% de la resistencia a tracción). La forma de calibrar el adecuado  aplastamiento es mediante el uso de una galga de espesor fijo; la inspección visual es muchasveces suficiente para aceptar o no el aplastamiento. Este dispositivo tiene la ventaja de que el control de calidad puede hacerse en cualquier momento (la evidencia es permanente) y adicionalmente, si el resultado es deficiente, puede lograrse con más ajuste. Su certidumbre es del 99%. Estos dispositivos son usados en USA y Europa desde 1.962, época en la que aparecieron los pernos de alta resistencia sustituyendo a los remaches,  y en Colombia son comercializados hace más de 2 años. Se consiguen para pernos ASTM A325 Y A490, negros, o galvanizados o pavonados, respectivamente, desde ½” hasta 2” de  diámetro. Existen 4 posiciones para ubicar el IDT, pero si se ubica con los resaltes contra la tuerca y es esta la que gira, no es necesario usar la arandela endurecida ASTM F436 que la RCSC exige para los pernos pre-tensionados usando cualquiera de los 4 métodos nombrados (sección 6.1 y 6.2).

 

 




Finalmente es necesario aclarar que el torque NO es un indicador de la tensión en el perno; por lo tanto, por sí solo, no debe ser aceptado como método de apriete o de verificación; hasta  el 90% del par aplicado por torque se pierde venciendo la fricción (es más representativo en pernos y tuercas con medianos o altos niveles de corrosión); la rugosidad y revestimiento de las superficies, la lubricación, la velocidad de rotación, el tipo de herramienta usada, la dimensión de los elementos, el ángulo de la herramienta con la tuerca, son entre otros aspectos, influyentes en el valor del torque logrado.