Conexiones y Simbología

8/17/2019 Conexiones y Simbología

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ELEMENTOS DE CONEXIÓN


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INDICE

ELEMENTOS DE CONEXIÓN 2

Remaches 2

Pernos corrientes. 3

Pernos de Alta Resistencia (P.A.R.) 4

Electrodos 6

DISEÑO DE CONEXIONES 10Características Básicas 10

Diseño elástico 36

Tipología de las Conexiones 45

SIMBOLOGIA DE CONEXIONES 46

BIBLIOGRAFÍA 80


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ELEMENTOS DE CONEXIÓN

Las conexiones en acero se materializan mediante:

RemachePernos - corrientes

- de alta resistencia

Soldadura

Otros elementos como pasadores y pernos calibrados se usan en elementos

mecánicos o empalmes especiales, mientras el empleo de adhesivos seencuentra aún en la etapa de investigación y pruebas.

Remaches

Los remaches han cumplido un papel muy importante en el ensamble deestructuras de acero. Actualmente, sin embargo, están siendo desplazados

por los pernos, proceso que se ha acentuado con la aparición de los pernos dealta resistencia. Su mayor aplicación está circunscrita a estructuras sometidasa vibración (puentes ferroviarios y equipo rodante) por la seguridad que

brindan de mantenerse en posición.

Los remaches consisten en un cuerpo cilíndrico de diámetro d y una cabeza deasiento, distinguiéndose los siguientes tipos:

- Remache corriente o de cabeza redonda.- Remache de cabeza perdida o avellana- Remache de cabeza de botón

En Chile se emplean sólo los dos primeros tipos, considerándose normal el

remache corriente.Los diámetros nominales se dan en mm y son:d= 10, 13, 16, 19, 22, 25, 29 y 32mm


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Los diámetros nominales de pernos estructurales corrientes son:D= !”, 5/8”, "”, 7/8”, 1”, 1.1/8”, 1.1/4”, 1.3/8”,1.1/2”

Los pernos corrientes se designan según norma, por su grado (caracterizado por la denominación de su acero) seguido por el diámetro nominal en mm.

Se requiere además indicar su largo de espiga L. El largo de la zona con hiloes constante para cada diámetro.

Como la norma de la construcción no permite que el hilo se introduzca a la plancha a unir, normalmente se pone una golilla plana bajo la tuerca.

Las normas NCh 206 Of 56 y NCh 208 Of 56 especifican el acero laminadoen barras para pernos y tuercas corrientes, asignando a los estructurales lostipos A37-20 y A42-23 (para usar en estructuras de acero A37-24 y A42-27respectivamente). Además, las normas NCh 300 Of 7.7 y NCh 301 Of 63 serefieren a las características y ensayos que deben cumplir estos pernos.

Entre ellas se define:

- Longitudes normales de pernos: 15, 20, 25 ----100,110, 120, --- 200,220, 240, ---400 mm

- Longitud roscada en pernos:2*d + 6 mm si d =150 mm.

Pernos de Alta Resistencia (P.A.R.)

Los P.A.R. son fabricados en aceros de alta tensión de ruptura, lo que permite pretensarlos con una tracción mayor. Esta induce una mayor fuerza decompresión en las planchas a unir, asegurando la acción del roce en latransmisión de fuerzas.


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Están limitados en su uso cuando la estructura sufre vibraciones, por cuantoello suelta la tuerca, con lo que se pierde la tensión de apriete que asegura suacción eficiente.

Es por ello que en esta calidad ha salido al mercado en países industrializadosuna variedad de pernos con dispositivos que aseguran su permanencia en laestructura ante esfuerzos repetidos y alternados o vibratorios.

Estos dispositivos van desde estrías en su cuerpo que se indentan mediantegolpes en las planchas a unir, hasta la colocación de adhesivos en el cuerpodel perno y catalizador en la tuerca, de manera de quedar unidos en forma

permanente.

El diámetro nominal y dimensiones de pernos y tuercas es similar a la de pernos corrientes, tienen hilo de la serie rosca gruesa unificada (Whithworth), pero ahora el agarre no se limita a 5 diámetros.

Las ventajas del P.A.R. sobre el remache son:

- Mayor resistencia frente a solicitaciones estáticas y dinámicas.- Control sobre la compresión aplicada a las planchas, lo que asegura una

transmisión de esfuerzos mediante el roce.- El costo por perno instalado es aproximadamente 20% menor que un

remache de igual diámetro, ya que si bien la pieza es más cara, se vecompensado por la rapidez de colocación y menor personal necesario, sincontar la economía por tiempo de montaje. Si hay deficiencias decolocación es más rápido y económico el reemplazo de un perno que de unremache.

- Disminución del ruido durante la faena de montaje.- Empleo de equipo más simple, con menores requisitos de espacio y mano

de obra menos especializada.

- Reducción en la inspección necesaria gracias a la uniformidad y control del procedimiento.

En Chile, si bien no hay aún normas respecto a P.A.R., la norma de diseñoINN 427 E Of 74 reconoce las calidades especificadas por ASTM: A325 en


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que la resistencia acero se logra por procedimientos mecánicos y A490 en laresistencia del acero se logra por composición química. (Ver ASTM Bl8.2.1).

Basado en estas normas, American Screw (Chile) fabrica como productonormal el primer tipo en acero SAE 1038/ SAE 1045 templado y revenido, decaracterísticas equivalentes al A 85-63 para diámetros hasta 1” y A 74-57 paradiámetros mayores. El A 490 se fabrica a pedido en acero A 105-81 contuerca según A 556 (Ver ASTI-1 Bl8.2.2) y golilla según F 436.

Electrodos

El electrodo para soldar al arco manual empleado sobre aceros al carbono yacero de baja aleación es un alambre o varilla conductora de la corriente

eléctrica en cuyo extremo se forma el arco al emplearse en la soldadura.Puede ser desnudo, revestido o relleno.

Los electrodos se identifican por claves que indican su grado, clase y tipo.Ella está constituida por una letra E, seguida de 4 cifras con el significado yorden siguientes:

- La letra E significa electrodo para soldar al arco eléctrico.- Dos cifras características de su grado que simbolizan la resistencia mínima

a la rotura por tracción del metal de aporte sin eliminación de tensiones, en1000 lb/pulg2.

- Una cifra que simboliza la clase.- Una última cifra que simboliza el tipo de electrodo.

Los electrodos se clasifican, según la resistencia a la ruptura por tracción delmetal de aporte, en 3 grados: E 45; E 60 y E 70, con tensiones de 32, 42 y 49kg/mm2, respectivamente.

Los electrodos se clasifican, según la posición de la unión por soldar, en las

tres clases siguientes de acuerdo a su cifra representativa:

Cifra 1. Electrodo para soldar en toda posición, incluso sobre cabeza. Elaporte trata de caer.

Cifra 2. Electrodo para soldar en posición horizontal y plana. El aporte tratade escurrir.


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Cifra 3. Electrodo para soldar en posición plana solamente. El aporte esestable.

Los electrodos se clasifican, según su composición y características delrevestimiento, en los nueve tipos siguientes, de acuerdo a su cifrarepresentativa:

Los revestimientos orgánicos (sódico o potásico) son los que contienen unalto porcentaje de celulosa especialmente. Tienen alta penetración y presentan

una superficie irregular, por lo que no son usados cuando se requieren varias pasadas.

Los revestimientos rutílicos son los que contienen cantidades apreciables dedióxido de titanio. Son de baja a media penetración y de muy buena

presentación. Es un arco suave, usado en cordones de remate.

Los de revestimiento básico (bajo hidrógeno) se usan cuando la soldaduraestará sometida a tensión alta, debido a que la baja cantidad de gas generadoreduce la porosidad de su superficie. Es un arco enérgico, de penetración

media a alta. Muestra buena calidad a inspección por rayos X.

Se define como penetración baja la que compromete hasta un 30% delespesor.


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- Según su diámetro nominal (diámetro del núcleo). La serie normal es DN=1.5-2-2.5-3.15-4-4.75-5.6-6.3-7.1-8 y 10 mm.

Los electrodos revestidos se identifican por un código de colores en formasde puntos o de manchas que, según su ubicación, se distinguen tres tipos:

- Color de extremo: es el pintado en el área de corte del núcleo en el extremode conexión del porta electrodo.

- Color de punto: es el pintado en la parte descubierta del núcleo en elextremo de conexión.

- Color de grupo: es el pintado al comienzo del recubrimiento en el extremode la conexión

Unos de los extremos del electrodo (extremo de conexión) deberá encontrarsedesnudo (sin revestimiento) en 2 a 3cm, medidos desde la punta, exceptocuando se trata de revestimiento que no implica la conducción eléctrica.

La sección del núcleo en el extremo deberá encontrarse también desnuda elrecubrimiento terminado en forma de tronco de cono de 120ºC

El revestimiento deberá ser uniforme y concéntrico con el núcleo, sin defectode forma o terminación y firmemente adherido al núcleo, resistiendo elalmacenaje en recintos secos sin agrietarse ni deteriorarse.

Los electrodos por soldar al arco manual están normalizados por INN en:

- NCh 304 Of 68 - Terminología y clasificación- NCh 305 Of 68 - Códigos de designación e identificación- NCh 306 Of 69 – Especificaciones


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DISEÑO DE CONEXIONES

Este capítulo tiene por fin conocer el comportamiento de los conectores, susdisposiciones de diseño y soluciones constructivas que aseguren a lasuniones a lo menos el grado de seguridad que disponen las estructuras queintegran.

1. Características Básicas

Las conexiones, cuyo comportamiento es esencial en la continuidadconsiderada como base del análisis estructural, puede transformarse en un

problema tan complejo que sea casi imposible describirlo en términos defórmulas relativamente simples. Por ello, el ingeniero a menudo no le dedicala atención debida, olvidando que una estructura no es mejor que susuniones.

En esta sección se pretende entregar una síntesis de las abundantesinformaciones de diseño e investigaciones de laboratorio existentes.

1.1 Factores que influyen sobre las conexiones

Las conexiones son puntos críticos de la estructura que determinan en un altogrado el comportamiento de ella.

Para disminuir el riesgo de falla debe tenerse presente tres aspectosfundamentales.

1.1.1 Razones que definen las conexiones como puntos críticos

a) Transferencia de esfuerzos. En las proximidades de una conexión, el

estado de régimen de tensiones en los elementos cambia para encauzarlas líneas de flujo a los conectores. Especialmente cuando el conectores puntual, la canalización del flujo de tensiones se hace por senderosestrechos y caprichosas, lo que implica discontinuidad geométrica.


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Esto se puede visualizar claramente al analizar un empalme tan simplecomo el indicado, donde el momento y el corte que la viga transmitiráal pilar debe entregarlos a través de las alas y el alma, respectivamente.

b) Comportamiento de la estructura como sistema. El análisis estructural postula una cierta vinculación entre los elementos o miembros delsistema, hipótesis que determina los esfuerzos a transferir.

El diseño de la conexión debe ser tal que se cumpla al máximo lahipótesis de cálculo, lo que implica una cabal comprensión delcomportamiento real de cada tipo de conexión.

Finalmente, la materialización sólo será eficiente en la medida que laconexión sea capaz de desarrollar el comportamiento requerido.

Sólo si se cumplen estos requisitos básicos es lícito esperar que laestructura materializada represente al sistema desarrollado.

c) Ejecución de las conexiones (preparación de piezas y montaje).

La ejecución involucra en sí un control inferior al seguido en lafabricación del acero y de los elementos de conexión, ya que el nivel decontrol disminuye en maestranza y aún más en terreno.

No debe olvidarse que en los elementos disponibles en maestranza, es posible dañar la pieza a preparar durante el proceso por:- Fisuras microscópicas durante la perforación del punzonado.- Calentamientos excesivos que cambien la metalurgia del acero.- Tensiones residuales generadas por corte, soldaduras y plegados.


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- Torceduras producidas en el apilado, transporte y montaje.- Modificaciones de conexiones en terreno por diseño defectuoso.

d) Elementos de Conexi6n

Los conectores constituyen en sí un material extraño a los elementosestructurales, por sus características propias de fabricación en general y

porque, en algunos casos, un descuido en el procedimiento decolocación puede llegar a cambiar el diseño (remache recocido o muyfrío, pernos con hilo incluido o con apriete mayor al de diseño, etc.).

Es así como el descuido en estos cuatro puntos fundamentales puedetransformar las conexiones en eslabones débiles de la estructura.

La estadística nos indica que en grandes calamidades (terremotos,nevazones, etc.) sobre el 70% de las fallas provienen de las conexiones.

1.1.2 Conocimiento que el diseño de conexiones exige del diseñador

Podemos resumirlo en los siguientes puntos:

-Naturaleza y acción de las cargas sobre la estructura.-Comportamiento de la conexión empleada.-Propiedades de los elementos de conexión a emplear y disponibilidad en laobra.- Incidencia del proceso de ejecución en el comportamiento de la conexión.- Disponibilidad y naturaleza del equipo de montaje.- Proceso de montaje que se va a emplear.

El diseño se debe completar con la lista de los conectores mecánicos aemplear en cada empalme diferente y con la redacción de lasespecificaciones técnicas.

Como los requisitos anteriores son complejos y deben realizarse después dehaber diseñado la estructura, tienden a ser descuidados, lo que implicará quese generen "eslabones débiles" en las conexiones.

1.1.3 Requisitos que deben cumplir las conexiones


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a) Resistencia.

Implica capacidad de resistir las solicitaciones provenientes de las cargas deservicio, considerando su naturaleza y condición externa determinadas por eltipo de diseño empleado (elástico o plástico) tanto en las piezas estructuralescomo en los elementos mismos de conexión.

b)Rigidez (o flexibilidad).

Es la capacidad de mantener una cierta configuración geométrica (no haydeformación angular) o deflectarse hasta alcanzar un giro dado (sin absorbercarga)

c)Disponibilidad de espacio para su ejecución

El espacio deberá ser suficiente para dar cabida geométrica, tanto a loselementos de conexión, respetando gramiles o tolerancia, como a lasherramientas a emplear en su ejecución.

d)Facilidad de construcción.

El diseño de la conexión debe hacerse permitiendo al obrero una operacióncómoda y simple tanto en el proceso de fabricación como durante el montaje.

e)Economía de fabricación.

Lograda a través de los costos directos (costo de los elementos de conexión ydel proceso de materializaci6n de la unión) y de los costos indirectos(producto de la rapidez de fabricación y montaje)


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1.2 Comportamiento de los Conectores

Los procedimientos de colocación y control de los conectores requieren seranalizados no solo desde el punto de vista de las restricciones que impone lanorma, sino buscar una explicación en su comportamiento frente asituaciones extremas. A continuación trataremos de profundizar en suconocimiento.

No cabe duda que la aparición de los P.A.R. en el mercado fue unaconsecuencia de la necesidad de las estructuras prefabricadas de contar conun elemento de unión que llenara sus propias características: costo y rapidezde colocación con alta capacidad resistente. Pero su aceptación sólo fuelograda una vez que, a través de investigaciones y ensayos, respondieron a

todas las dudas de operación que su uso implicaba. A ello se debe la mayorcantidad de información disponible frente a remaches y pernos corrientes.

1.2.1 Remaches

Su colocación se puede hacer en frío o en caliente.

Método en frío: empleable sólo en los remaches de menor diámetro. Serequiere la aplicación de grandes presiones, lo que origina un procesomecánico que mejora su resistencia. Produce cierto apriete de las planchasque une. Que en todo caso no se considera, por ser poco significativa.

Método en caliente: empleable en remaches de cualquier diámetro. Para sucolocación se requiere el concurso de cuatro operarios. Se procede atemperaturas entre 600 y 1100ºC, aunque lo ideal es entre 850 y 900ºC. Elcontrol de la temperatura es visual por el color del metal a la salida de lafragua (rojo cereza). Una vez en posición, se le forma la cabeza a golpes conuna pieza en forma de copa, mientras se sujeta por el lado de la cabezaoriginal El material llena totalmente el hueco de la plancha.

El metal posteriormente se enfría quedando el remache pretensado porcontracción térmica. Las planchas quedan comprimidas con tensiones delorden de 1.000 a 2.000 kg/cm2 en el remache según mediciones delaboratorio, lo que a su vez genera fuerzas internas de roce, impidiendo eldeslizamiento entre las planchas.


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Esto hace que la transferencia de fuerzas en la conexión se produzca en unazona mayor sin que, normalmente, el remache entre en cizalle oaplastamiento.

En todo caso, la norma chilena no permite considerar este hecho.

El gráfico siguiente entrega la tensión en el remache y el acortamiento que sufre segla temperatura de colocación.

La colocación aumenta la resistencia de los remaches en un 10% a un 20%debido a los cambios que sufre el material en sus propiedades metalúrgicas.

Esto justifica el que las tensiones admisibles de cizalle y tracción dadas por lanorma chilena sean superiores a las que les corresponde al material original

1.2.2 Pernos corrientes

Su colocación se hace con una llave corriente apretando sólo hasta que las planchas queden en contacto íntimo.

Con ello, la transferencia de esfuerzos entre los elementos conectados sehará exclusivamente a través del perno.


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No habiendo más información sobre ellos, se deberá evaluar sucomportamiento extrapolando los resultados obtenidos en laboratorio con

pernos de alta resistencia.

1.2.3 Pernos de alta resistencia

Su colocación requiere producir una tensión inicial controlada que genereuna fuerte compresión y rozamiento entre los elementos unidos.

Desde el punto de vista del diseño, se reconocen dos posibilidades decomportamiento:- P.A.R. tipo fricción- P.A.R. tipo aplastamiento

En el primer tipo se establece las cargas admisibles basadas en la condiciónque los esfuerzos se transmitan puramente por roce. Esto es, se aplica elfactor de seguridad sobre la carga que produce el primer deslizamiento de las

planchas unidas.

La P.A.R tipo aplastamiento se basa en la resistencia del perno solicitadodirectamente por la presión de las planchas sobre su cuerpo, sin importar quese produzca deslizamiento. Esto es, se aplica el factor de seguridad sobre lacarga que produce el aplastamiento de las planchas o del conector. Enrealidad el factor de seguridad sobre las cargas que produce el aplastamiento

deja las tensiones un tanto por debajo de las correspondientes al primerdeslizamiento, por lo también trabajará a fricción, aunque con un margen deseguridad de que no se produce deslizamiento inferior al primer tipo.

Queda claro entonces que a pesar de ser el mismo perno colocado en igualescondiciones, el tipo de fricción tendrá tensiones admisibles menores que el


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de tipo aplastamiento, justificándose como tal sólo cuando se requiereasegurar que no se producirá deslizamiento (ejs: Unión de planchas delgadasque fallarían por aplastamiento; agarre mayor que 5 diámetros, lo que

produciría flexión en el perno; etc.).

Los pernos de alta resistencia, especialmente los tipo fricción, dependen engran medida del estado de las superficies de las planchas en contacto. Elcoeficiente de roce para dos superficies normales es:

- Para superficies limpias de óxido, escoria, grasa, pintura u otras materiasextrañas u=0,35.

- Para superficies galvanizadas u = 0,16.

- Para superficies pintadas

Además, se han hecho ensayos de laboratorio para determinar como afecta lasobredimensión en las perforaciones a la capacidad de generar fuerzas deroce, obteniéndose que:- Se pueden obtener perforaciones hasta l/4" mayor que el perno sin quedisminuya la carga admisible.- Los agujeros ovalados producen una disminución del orden del 30% de lasfuerzas de roce del perno.

Lo primero permite escariar con confianza cuando en el montaje nocoinciden las perforaciones, mientras los agujeros ovalados normalmente seusan para absorber dilataciones térmicas de la estructura, caso en el que nodeben usarse P.A.R.

En todo caso, la edición 1978 de AISC incorpora para los P.A..R. tipofricción, tensiones admisibles de cizalle que dependen del tamaño de las

perforaciones en relación al perno.

Otro problema que se puede presentar en conexiones apernadas es lainclusión de hilos en el agarre. Para conocer el efecto que esto produce en lacapacidad de carga, se ha experimentado con P.A.R. sometidos a cizalledoble en 4 casos posibles.


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a) El hilo pasa ambos planos de corte b) El hilo se compromete sólo en una sección de cortec) El hilo llega hasta justo antes del primer plano de corte.d) El hilo queda justo en la cara exterior de las planchas.

Vemos que la resistencia y ductilidad mejoran a medida que el hilo quedamenos comprometido en el agarre, lo que se explica por la fuerteconcentración de tensiones que el hilo origina en la sección.

La norma chilena no permite la inclusión de hilos en el agarre, mientras laASTM permite:-3/8” para pernos de 1/22; 5/8”; "”; 7/4”;1 #”; y 1 !”- !” para pernos de 1”; 1 1/8” y 1 3/8” de diámetro.

También resulta interesante hacer una comparación de las curvas carga-deformación de P.A.R., sometido a tracción por medio de tracción directa ytorque de apriete.


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Puede observarse que la resistencia menor del perno corresponde a lasolicitación por torque de apriete, lo que era de esperar pues existe unacombinación de solicitaciones por torsión y tracción. Lo novedoso es que alapretar la tuerca en fracción de vuelta y luego traccionar, se obtieneresistencias aún mayores.

En todo caso, la curva indica que si el perno no ha fallado por acción deltorque de apriete, es capaz de resistir esfuerzos adicionales de tracción demagnitud apreciable.

En la curva se ha definido un nivel de tracción denominado "Carga de

Prueba", que es la especificada para la colocación de pernos de altaresistencia, y que corresponde aproximadamente a un 70% de la resistencia atracción directa o a un 80% de la resistencia al torque de apriete.

Existen tres procedimientos para el afianzamiento controlado de un perno dealta resistencia:

a)Apriete con indicadores directos de tensión. b)Apriete final con llave de torque.

c)Apriete mediante giro de la tuerca en fracción de vuelta.

Los indicadores de tensión son dispositivos especiales, como protuberancias bajo las tuercas o golillas que, al aplastarse, permiten determinar la tensiónmidiendo la distancia entre ésta y la superficie del metal con planchuelas deespesor calibrado.


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El segundo procedimiento, si bien más controlado, exige que se cumplan trescondiciones:- calibrar la llave de torque diariamente antes de iniciar el trabajo.- usar golilla endurecida bajo la tuerca.- aplicar un torque entre 5% y 10% mayor al indicado en tablas.

A pesar de ello, lo normal es que se cometan errores de más o menos 20%.Afortunadamente, si el perno no ha fallado debido a la tensión de apriete,todavía tiene una resistencia remanente a la tracción.

Las llaves de torque pueden ser manuales o neumáticas: las primeras tienenun dial que indica el torque aplicado y las segundas (llave de impacto) tienen

una válvula ajustable que detiene la llave cuando se alcanza el torqueespecificado.

El cálculo de torque de apriete se obtiene a partir de la expresión T = k*d*p

con K = cte. obtenida por calibración, del orden de 0,2d = diámetro nominal del pernoP = carga de tracción generada en el perno

El tercer procedimiento consiste en apretar la tuerca hasta que las planchasqueden en perfecto contacto y luego dar una fracción de vuelta adicional quegarantiza la tensi6n deseada.

Para determinar la fracción de vuelta a aplicar se ha recurrido a experienciasde laboratorio en condiciones controladas.

Las curvas mostradas, si bien cuantitativas grafican perfectamente elcomportamiento de los P.A.R. de calidades A 325 y A 490.


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Se observa que para pernos A 325 la carga máxima se logra luego de girarcasi una vuelta, mientras el A 490 decrece poco después de l/2 vuelta.

Para definir la fracción de vuelta a girar la tuerca, ASTM considera doscasos:

a) Ambas planchas son planas

- si el agarre a


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Es de hacer notar que por el procedimiento de giro de la tuerca en fracciónde vuelta no es necesario usar golilla endurecida bajo la tuerca, salvo encasos recién indicado.

También se ha determinado que el comportamiento de los P.A.R. sometidosa esfuerzos cíclicos fatigas dependen de:- el apriete dado al perno. A mayor apriete, se obtiene un mejor

comportamiento.- La rigidez de los elementos unidos. A mayor rigidez, la falla se

producirá en el elemento y no en el perno.

Se observa que los remaches tienen un comportamiento aún inferior a losP.A.R. con baja tensión de apriete, mientras un perno bien instalado

mantiene su capacidad de carga sobre el 80%.

Finalmente, es de interés conocer el comportamiento de P.A.R. sometidos ausos sucesivos. Con este fin se han realizado experiencias consistentes encolocar, soltar y reapretar sucesivamente un perno, graficando carga-deformación cuando se varía:

- la calidad- el largo del perno

Los resultados obtenidos muestran que los pernos A 490 son más frágiles(más resistentes) que los A 325, lo mismo que los pernos cortos respecto alos largos. Además, los pernos dúctiles ganan en resistencia y compresiónaplicada a las planchas por cada reapriete, hasta que fallan después de unos 7ciclos. Los pernos frágiles pierden resistencia y disminuyen la presiónaplicada sobre las planchas, fallando después de 3 ó 4 reaprietes.


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Por ello, se acepta que el perno A 325 pueda utilizarse residuales 1 ó 2 veces,según su largo, mientras el A 490 sólo se puede utilizar una vez. Esto tendráenorme importancia al inspeccionar los pernos, ya que un procedimientodescuidado puede afectar el comportamiento eficiente de la conexión

1.2.4 Soldadura

Según el tipo de unión, la soldadura puede ser- unión de filete- unión a tope- unión de tapón y ranura

Lo normal es que sólo la unión de tope trabaje en tracción, compresión ocizalle, mientras las otras sólo lo hacen a cizalle.

El problema más serio quizás, del empleo de soldadura radica en lasdeformaciones y tensiones residuales producidas por desigual calentamientode las planchas. La zona soldada llega a temperatura de fusión mientrasregiones vecinas se encuentran a temperatura ambiente.


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Al enfriarse la pieza, las zonas más calientes quieren contraerse más que elresto del material, lo que consiguen alabeando las planchas unidas.

Este proceso de enfriamiento rápido no sólo induce deformaciones de la planchas (producidas pro tensiones internas liberadas) sino que se puedenmantener tensiones residuales que alcancen valores considerables.

En la U. de Illinois, se realizaron ensayos de laboratorio para determinar lastensiones internas residuales de dos planchas soldadas de tope con doble

bisel en V, midiéndose tensiones de hasta 1400 kg/cm2.

Con el fin de minimizar el efecto de la soldadura, es necesario respetar lassiguientes reglas:- No poner más soldadura que la estrictamente necesaria.- Usar en lo posible electrodos lentos a pesar de su menor rendimiento.- Precalentar la zona a soldar cuando sea posible

-

Permitir un enfriamiento lento de la soldadura- Colocar la soldadura alterna buscando compensar las tensiones

generadas, o permitir que se genere la tensión opuesta a la que se producirá al cargar la pieza.

- Lograr superficies de soldadura convexas.


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Este último punto tiene por fin que las tensiones iniciales generadas en lasoldadura por contracción térmica produzcan compresión sobre la masa, conlo que se evita la generación de fisuras.

El precalentamiento que el gradiente de temperatura sea menor.

A través de ensayos de laboratorio realizados por la Bethlehem se hanobtenido curvas que permiten definir el precalentamiento ideal de las planchas con el fin de disminuir la generación de tensiones internas,considerando composición y espesor de planchas de electrodos usados.

El gráfico mostrado es para el acero ASTN A 36, que es un acero al carbonocorriente, empleando electrodos convencionales normales (zona 1) yelectrodos de bajo hidrógeno o arco sumergido (zona 2)


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La composición química se representa por un equivalente en carbono definido por EC = - C + l/4 Mn.

Si EC > =0,45, las condiciones de soldadura son difíciles y las tensionesestán cerca del máximo admisible, debe usarse como mínimo el

precalentamiento indicado por el borde superior de cada zona. En cambio, el borde inferior indica el precalentamiento mínimo cuando se presentan buenas condiciones para soldar y el C.E.


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Todos Los diagramas (se muestra sólo el de 600000 ciclos) indican que tantoen acero de alta resistencia como en acero al carbono hay una pérdida detensión en las probetas soldadas, lo que se explica por la concentración de

tensiones que se produce en la vecindad de la soldadura.

La norma reconoce este efecto al fijar la categoría de carga para determinar elrango de tensiones admisibles de elementos afectados por fatigamiento.

1.3 Disposiciones de diseño

Conocido ya el comportamiento teórico de los conectores, corresponde definirsus posibilidades de uso y características resistentes

Uniones

Es conveniente analizar lo indicado en la norma NCH 427 sección 7 respectoa este tema, por contener disposiciones interesantes para el diseñador

Las uniones se diseñaran para resistir una solicitación no inferior a 3000 kgf para evitar la excesiva contracción de tensiones en perfiles estructurales de pequeña sección

Se exeptúan de esta exigencia las celosías, los arriostramientos secundarios ylas uniones de los elementos componentes de un perfil compuesto por cuantoellos tienen una solicitación muy inferior a 3000 kgf y una falla local no

produce colapso en la estructura.Las uniones extremas de perfiles traccionados o comprimidos de enrrejados


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El número mínimo de remaches o pernos será 2 para espesores superiores a 4mm, salvo en uniones de celosías en que podrá ser l para disponer de algunacapacidad de absorción de momento, habitualmente producida porexcentricidad de la conexión. Si bien en esta recomendación se ha tomadocomo tensión

Los perfiles solicitados axialmente deberán tener sus ejes centroidalescoincidentes en un punto. Si esto no es posible, deberá considerarse lastensiones de flexión debidas a la excentricidad. La mejor unión será aquellaen que los elementos de conexión sean simétricos respecto a los ejes del

perfil. En el caso de ángulos u otros perfiles asimétricos, se produce un pequeño momento flector que, a pesar de lo indicado en la norma, no esnecesario considerar en todos los casos como se verá más adelante.

Respecto a suples en las uniones, la norma es clara al indicar que si ellos sonde espesor mayor o igual a 6 mm, deben estar conectados al elemento suplidoen forma independiente en la segunda pieza conectada, salvo si se usandisposición afecta a una serie de conexiones principales usadas en terreno.

Los perfiles en compresión con extremos preparados para apoyarsedirectamente (transmisión directa áe cargas), usarán sólo los conectoressuficientes para mantener las piezas fijas y en su lugar para el caso de bases yempalmes de columnas y alineadas y resistentes al 50% de las cargas paraotros casos. En lado caso debe verificarse que resistan eventuales tracciones

producidas por acción horizontal v el 75% de las cargas permanentes (sinsobrecargas).

En las uniones de vigas simplemente apoyadas, además de tomarse el esfuerzode corte a través del alma, a algunos perfiles debe impedírsele el volcamiento.Si se usa un elemento de conexión al ala superior, debe ser tal que permita ellibre desplazamiento longitudinal (para no impedir el giro). Lo usual seráusar pernos corrientes con perforaciones alargadas en el elemento, para lo que

se recomienda que el desplazamiento permitido por la perforación sea lomenos de l/2.000 ó de h/140 y h al tiempo y el alto de la viga. Como eldesplazamiento debe ser simétrico, debe tomarse el doble de este valor.


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Si bien en esta recomendación se ha tomado como tensión de trabajo lamáxima admisible, no se puede negar la posibilidad que en el futuro una vigacon baja capacidad de diseño sea aprovechada en su capacidad máxima.

Distribución de tensiones en combinación de conectores

La distribución de tensiones en combinación de conectores heterogéneosdependerá del tipo y orden de colocación de éstos. Esta tabla se basa en ladiferente rigidez que cada conector confiere a la unión según el siguienteorden:

- Soldadura (s). Conector rígido.

-

Remache y perno de alta resistencia tipo fricción (R y P.A. Rf). Conectorsemirígido.- Perno corriente y P.A.R tipo aplastamiento (P y P.A.Ra): deslizamiento

permitido hasta trabajar por aplastamiento.

Las principales combinaciones se comentan en la tabla ya nombrada, lo que permite aclarar el criterio a emplear en cualquier combinación no indicada.

Conectores metálicos


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a)Disposiciones básicasAgarre es la suma de los espesores de los elementos a conecta. El agarre de

pernos corrientes y remaches se limita a 5 diámetros, para prevenir la pérdidade tensiones por flexión del conector. En caso de ser mayor, debe aumentarseen número de conectores calculados en un 1% por cada 1,5 mm de sobre-espesor.

El esparcimiento de los conectores mecánicos debe cumplir las siguientesindicaciones:

- distancia de perforaciones a los bordes.a y b >=1,75 d para cantos cortados a cizallea y b >01,25 para cantos laminados o cortados a llama.

- Paso y gramil p y g > =2,66 d (se recomienda usar 3 d)

- Distancias máximasa, b, p y g


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b) Tensiones admisibles.

Fv y Ft son las tensiones admisibles de corte y tracción respectivamente, enkgf/cm2.

Es necesario advertir que el corte se calcula en el área bruta Ap del perno,mientras la tracción emplea el área neta An.

En los P.A..R., el corte y la tracción se calculan conel área bruta Ap. Además, los tipos de fricción no se recomiendan en unionesque usen perfiles plegados.


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En todos los casos en que el conector trabaja al corte, se estará produciendoaplastamiento entre los elementos unidos y el cuerpo del conector.Pero debido a que la tensión admisible de aplastamiento es superior a lafluencia del material (F.apl = 1,35 fy), solo cuando el espesor de planchas es

pequeño respecto al diámetro del conector, el diseño será controlado por elespesor de planchas.

La tabla siguiente da la raz6n e/d límite.

Soldadura

Solo se consideran los tipos de soldadura corrientes usados en taller. Alemplearse en obra deben evaluarse las condiciones de operación paradeterminar las modificaciones a introducir en los valores dados.

Disposiciones básicas

Son aquellos de forma triangular realizadas en los bordes exteriores de una plancha o en los bordes de un agujero. Lo normal es que el triángulo sea delados iguales.


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Soldadura normal es la que presenta cráteres extremos, reforzada,es a la quese le ha hecho relleno de estos cráteres y de cualquiera otra imperfección delfilete.

Lado a: es el cateto del triángulo de soldadura depositadaen filete normal a


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Uniones extremas: se usará unión extrema lateral sólo si b 20 cm, salvo quese evite la flexión transversal excesiva de la unión

Para retornos d >=>=2ePara traslapos f 5e y en todo caso f >=25 cm

Soldadura de tope

Son aquellas que se realizan en uniones en extremos de una plancha o perfilcon el extremo o cara de otra plancha o perfil.

El largo efectivo es igual al largo de la unión. Si el espesor e 20 mm, debeusarse cupones extremos. En caso contrario se debe remover y rellenar los

extremos.

Garganta g=k*e con k0 eficiencia de la soldadura.

Para cantos rectos:Soldadura por un lado k = 0,5 a 0,75 según separaciónSoldadura por dos lados k=0.75 a 1

Para bisel en V:Soldadura normal k=0.75Si se usa respaldo k=1.00

Para doble bisel en V:

Soldadura normal k=1.00

La soldadura de penetración parcial no debe ser usada cuando la estructuraeste afectada a solicitaciones que produzcan fatiga o impacto que trabajen a

bajas temperaturas.


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Raíz r >= 1,5mm. Si r=0,5e, se obtiene máxima eficiencia.Hombro h= 1,5mm en caso normal.Para soldadura de penetración parcial, la garganta g=D-3>= 2,1* ! E , en queD= altura del bisel, con inclinación respecto a la vertical >=45º para biselsimple y 60 a 75º para bisel en V, y es el espesor efectivo de la plancha.

Soldadura de tapón y ranura

Son aquellas que se obtienen superponiendo filetes en agujeros o canales.

El nuevo manual ICHA, las designa como de tapón y canal, ya que llama deranura a las aquí designadas de tope.

Espesor de la plancha a unir e


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No es recomendable someter una soldadura de tope a esfuerzo de tracción perpendicular a su eje cuando la penetración es incompleta.

La resistencia de la soldadura esta dada por R= g*L*FS

En soldadura de ranura L es su perímetro.

En soldadura de tapón R = A*Fs con A= área de la perforación.

Diseño elástico

Conectores mecánicos

Debido a que las uniones Con P.A.R. tipo fricción son dependientes delespesor de los elementos conectados su diseño se basará directamente en lastensiones dadas en tabla.

Como el resto de los conectores trabaja por aplastamiento será necesarioconsiderara la rigidez (o elasticidad) relativa de los elementos conectados yel aplastamiento sobre ellos

Cizalle y aplastamiento.


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La figura muestra una unión de cizalle simple, en que intervienen dos planchas, y la unión de cizalle doble con tres planchas.

En cizalle simple, debido a que las fuerzas P forman un par, la unión tiende a

rotar, con lo que la distribución de tensiones de aplastamiento no esuniforme. Sin embargo, este efecto se desprecia en el cálculo aceptando unadistribución uniforme de tensiones similar a la del cizalle doble, dada enambos casos por:

Fa = P/(e1*d)


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misma fracción de la carga solicitante, mientras si se comportasen en forma perfectamente elástica los extremos tomaría gran parte de la carga.

La primera figura muestra la distribución teórica de la carga para el caso de plancha elástica y plancha rígida en una unión con seis remaches mientras lasegunda figura entrega los valores medidos en laboratorio para una conexiónde cuatros remaches en fila.

Se observa que realmente los remaches extremos toman una fracción decarga apreciablemente mayor que lo centrales, similar al comportamiento

elástico de la plancha.

Sin embargo, en el diseño se considera que cada uno toma la misma fracciónde carga, como si las planchas fuesen perfectamente rígidas aunquelimitando a ocho el número de corridas de conectores en fila.


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Es por ello que desde el punto de vista de los conectores es beneficioso poner el máximo en la primera corrida, aunque con ello se reduce el áreaneta del elemento conectado.

Cuando el centro de gravedad de los conectores no coinciden con el perfil,debe considerase el efecto de la excentricidad en dimensionamiento de launión.Se exceptúa esta exigencia el caso de perfiles ángulos simple o dobles yotros perfiles similares, en que esta excentricidad puede no considerarse entodo los otros casos los conectores de la unión estarán solicitados por lafuerza de corte P actuando en su centro de gravedad y un momento M=P*e.

La fuerza cortante P se reparte uniformemente entre los n elementosquedando cada uno solicitado por una fuerza Pi = P*ai/Aien la dirección de

P, en que Ai es el área de cada elemento. Para el momento M, si se considera plancha rígida y conectores elásticos, se tendría que cada conector tomaráuna carga adicional Ry proporcional a la distancia r al centro de gravedaddada por

Ri = (ri*Ai/(ri*ri*Ai))*M

Finalmente, la fuerza de corte Fy resultante en cada elemento se obtienesumando vectorialmente

Fi =Pi +Ri.

Tracción


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Si la carga esta aplicada en el centro da masa de los n conectores, la tensióna que queda sometido cada uno estará dado por T = P/n.

Pero en cierto tipo de conexiones esta tensión se ve aumentada por el efectoelástico de palanca que produce cuando el elemento de unión es susceptiblede deformarse.

En el ejemplo indicado las alas se apoyan en su extremo, produciéndose unafuerza de compresión Q que deberá ser resistida por el conector.

Experimentalmente se ha determinado que Q vale:

Con a, h, e y p dados en la figura y A el área del conector, neta o bruta segúnsea perno corriente o remache y P.A.R.

Así la tracción total será en el conector será E + Q. Además, el perfil deconexión deberá diseñarse considerando el momento M= Q*a en el eje de

pernos o M=T*b-Q*(a+b ) en el centro.


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Cuando un conector transmite cargas que producen al mismo tiempotracción y cizalle interesa conocer la combinación que será determinante dela falla. Con este fin se ha recurrido ha experiencia de laboratorio sobre todotipo de conectores encontrándose que siempre la curva de intersección esaproximadamente una eclipse centrada de semiejes la tensión de fluencia fyy de cizalle fv.

Para los efectos de diseño, esta curva se reemplaza por tres rectas que la

aproximan de donde se deducirá la condición.

F l t = 1, 4*Ft - 6 *fv


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Las soldaduras de tapón y ranura trabajan exclusivamente al corte, perocomo en condiciones normales no se logra una buena penetración, su uso esrecomendable en la fijación de elementos secundarios o cuando quedansometidos a baja tensión.

Soldadura de filete.

Para soldaduras de filete se pueden analizar los siguientes casos.

Unión con la carga en el plano de la soldadura de filete Si la solicitación escentrada solo se produce cizalle:

Fv= P/g*L

Con L=largo total del cordón

Toda la soldadura (salvo retornos ) deben ponerse paralelamente o normal ala dirección de la carga según si b es menor o mayor que 200mm, pero no enambos sentidos.

Si la solicitación es descentrada, ineteresan dos casos:

1.- La soldadura es paralela a la dirección de la carga: siempre existen dos

fuerzas que equilibren a P las que se definirán L1 y L2.L1= P/g*FvL1=L*(b-x)/hL2=l*x7b.


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2- La soldadura normal a la dirección de la carga: se produce cizalle por corte(como si la carga fuese centrada) y cizalle por torsión (debido al momentogenerada), los que deberán sumarse vectorialmente

F1=P7g*L en la dirección de PF2=P*g/IoIo = momento de inercia del área de la soldadura.

Igual procedimiento se sigue para resolver los casos en que la unión estésometida a un momento en el plano de la soldadura

Unión con carga fuera del plano de la soldadura del filete.

La normal es que la proyección de la carga sobre el plano sea eje de simetríade la soldadura, con lo que deberán combinarse tensiones de corte y flexí6n.

El corte genera una tensión F1= P/A A = área de la soldadura. La flexióngenera cizalle sobre la garganta dado por

F1=P*d*h/I

con I = Mto. de inercia de la sección de soldadurah = distancia a la fibra neutra

fv = fl + f2


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Igual procedimiento se sigue para resolver los casos en que la unión estésometida a un momento normal al plano de la soldadura.


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Tipología de las Conexiones

Desde el punto de vista de las estructuras de acero, conviene tipificar lasconexiones de acuerdo con la función que cumplen, y relacionar éstas con eltipo de elementos o miembros que conectan, lo que se muestra en la siguienteclasificación:

:


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SIMBOLOGIA DE CONEXIONES

PLANOS, REPRESENTACIÓN DESIGNACIÓN

La representación de los pernos de alta resistencia es la siguiente.

Diámetro perforación = diam. Perno + 1/6” si diam 1”


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Signos convencionales para remaches y pernos.

Símbolo A.W.S. de soldadura


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Ubicación Normalizada de los elementos

Los elementos de un símbolo de ensaye deben tener ubicacionesnormalizadas de uno con respecto a cada uno de los otros como s muestra enla figura.


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Ubicación de los símbolos de ensayes

Ubicación en lado de la flecha.

Los ensayes que deban hacerse en la parte correspondientes al lado de laflecha, deben indicarse colocando el símbolo de ensaye por debajo de lalínea de referencia.

Ubicación en lado opuesto

Los ensayes que deban hacerse en la parte correspondiente al otro ladodeben indicarse colocando el símbolo de ensaye en la parte de arriba de lalínea de referencia (en el lado correspondiente al otro lado)


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Símbolo en ambos ladosLos ensayes que deban hacerse a ambos lados de un elemento se indicaráncolocando los símbolos de ensaye en ambos lados de la línea de referencia

Símbolos centrados

Cuando los símbolos de ensayes no destructivos no tienen significancia delado, el símbolo de ensaye debe estar centrado en la línea de referencia


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Combinación de símbolos de ensayes y símbolos de soldadura

Símbolos de soldadura y E.N.D:Los símbolos de E.N.D. y de soldadura se pueden combinar así:

Símbolos de E.N.D. combinados entre sí

Los símbolos de E.N.D. pueden combinarse así


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Métodos para especificar la extensión de exámenes no destructivos

Unidades métricas e inglesas

Cuando es necesario mostrar dimensiones con los símbolos, debe usarse elmismo sistema de unidades normalizado que se use para el plano. No debehaber dualidad de unidades en los símbolos.Si se desea mostrar la conversión de unidades métricas a inglesa, viceversa,se debe incluir una tabla de conversión en el plano

Como guía sobre normas de dibujo, remítase a ANSI Y 14 MANUAL DEDIBUJO y como guía en el uso de unidades, remítase a AWS.A.2. 3-75

GUIA METRICA PRACTICA PARA LA INDUSTRIA DE SOLDADURA:

Especificaciones de la longitud de la sección a ensayar.

Longitud mostradaPara especificar ensayes de soldadura en partes donde se necesita considerarsólo la longitud, ésta debe mostrarse a la derecha del símbolo básico deensaye.


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Ubicación mostradaPara mostrar la ubicación exacta de una sección a ensayar, así como sulongitud debe usarse líneas de acotamiento.

Ensaye de una longitud completa

Cuando se va a examinar la longitud completa de una parte a ensayar, nohace falta indicar la longitud en el símbolo.Ensaye parcialCuando el ensaye cubre menos del 100% de una parte o de una soldadura,con ubicaciones a seleccionar para un procedimiento especificado, deberáindicarse el significado a examinar


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BIBLIOGRAFÍA

1985, Fernando Verbal Hewstone, Construcción en acero

Videla Carlos, Apuntes Construcción en acero

Conexiones y Simbología

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