Uso de adhesivos en aplicaciones de acero estructural - Use of adhesives in structural steel applications

La unión adhesiva es un proceso mediante el cual se unen dos miembros de composición igual o diferente. Se utiliza en lugar de, o para complementar otros métodos de unión como el ayuno mecánico mediante el uso de clavos, remaches, tornillos o pernos y muchos procesos de soldadura. El uso de adhesivos proporciona muchas ventajas sobre la soldadura y la fijación mecánica en la construcción de acero; sin embargo, todavía existen muchos desafíos que han hecho que el uso de adhesivos en componentes de acero estructural sea muy limitado.

Tipos de adhesivos estructurales

Adhesivos estructurales es un término que se introdujo por primera vez para describir los adhesivos termoendurecibles con un alto módulo de elasticidad utilizados en estructuras metálicas portantes. Se pueden utilizar adhesivos estructurales para crear juntas de carga. Aunque muchos adhesivos como selladores, adhesivos termofusibles e incluso cintas de espuma acrílica pueden soportar cargas, el término adhesivo estructural se usa típicamente cuando las juntas tendrán una resistencia al cizallamiento traslapado superior a 1450 psi. Los diferentes tipos de adhesivos estructurales son:

El adhesivo que se debe utilizar se basa típicamente en los materiales que se unen y las condiciones de servicio, ya que algunos funcionarán mejor que otros en determinadas situaciones.

Beneficios

Hay muchos beneficios de usar adhesivos en lugar de sujetadores mecánicos para unir dos o más miembros. Algunos de estos beneficios incluyen:

  • Capacidad del adhesivo para distribuir las cargas de manera uniforme a lo largo de la línea de unión, mientras que los sujetadores mecánicos generan áreas de mayor concentración de tensión.
  • Elimina la costosa operación de taladrar o perforar agujeros en los miembros que se conectarán.
  • Reducción de peso y mejor estética

En comparación con los procesos térmicos como la soldadura y la soldadura fuerte, la unión con adhesivos también tiene varias ventajas importantes. Algunos son

  • Facilidad para unir metales diferentes
  • Sin distorsión o deformación de las piezas debido a la entrada de calor
  • Reducción de operaciones adicionales como esmerilado y pulido
  • Se requiere significativamente menos habilidad en comparación con la soldadura y la soldadura fuerte

Los adhesivos estructurales también presentan una ventaja significativa debido a su capacidad para unir materiales compuestos que se desarrollan continuamente para aumentar la rigidez y disminuir el peso en muchas estructuras, especialmente en la industria aeroespacial y automotriz. Una cantidad significativa de compuestos que no se pueden unir mediante soldadura y taladrado, el uso de sujeción mecánica puede dañar el material.

El desarrollo de adhesivos de mayor resistencia al cizallamiento ha permitido a la industria automotriz aprovechar los materiales compuestos al construir automóviles, autobuses y otros vehículos. Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se utilizan ampliamente en la industria automotriz y aeroespacial debido a su alta relación resistencia-peso. Este material no se puede soldar ni soldar. El uso de sujetadores requeriría taladrar o perforar, lo que dañaría este material. Los adhesivos son la única alternativa viable para unir CRFP al acero, aluminio y otros materiales.

Además de reducir el peso de un vehículo y mantener o aumentar la resistencia de la junta, el uso de CFRP unido a metales con adhesivos puede ayudar a mejorar la vida de fatiga de la junta. Un estudio del comportamiento de juntas adhesivas de acero con CFRP propuso una nueva junta que conecta cinco miembros de acero con el uso de un nodo de CFRP.

El estudio de P. Galvez reemplazó una junta soldada complicada con un nodo de CFRP. El nodo se adhirió a las vigas de acero.

Con cambios de diseño que colocarían la junta adhesiva bajo cizallamiento puro y sin tensiones de pelado, que son las más dañinas para todos los adhesivos, la nueva junta pudo soportar todas las cargas que serían transferidas a través de la junta. La eliminación de las soldaduras eliminó los ciclos térmicos, los inicios y paradas de la soldadura y las posibles discontinuidades de la soldadura, como cortes, superposiciones y grietas que pueden disminuir severamente la vida a fatiga de la estructura.

Todas las ventajas mencionadas anteriormente hacen que la unión con adhesivos sea muy ventajosa en muchas aplicaciones. Sin embargo, el uso de adhesivos en aplicaciones de acero estructural pesado no se ha establecido principalmente debido a las dudas de ingenieros, arquitectos y contratistas con respecto a la capacidad de carga de los adhesivos y su desempeño en condiciones desfavorables.

El beneficio de la soldadura como proceso de unión para el acero es que crea una unión que casi siempre es más fuerte que los componentes que une. Esta es la razón por la que la soldadura se puede usar para unir las uniones de recipientes a presión y se puede usar para realizar soldaduras de penetración de juntas completas en componentes estructurales que requieren alta resistencia a la tracción. Siempre que se sigan los procedimientos de soldadura adecuados, la unión será más fuerte que el metal base.

Hoy en día, los adhesivos no pueden proporcionar la resistencia que puede ofrecer una junta soldada, que normalmente tiene una resistencia mínima a la tracción de 60.000 psi o más. Sin embargo, hay muchas aplicaciones dentro de la construcción de acero en las que el uso de adhesivos sería aceptable. Muchas veces las uniones soldadas no necesitan toda la fuerza del metal de aportación. Otras veces, como en el caso en que la tensión aplicada es tensión o compresión paralela al eje de la soldadura, la resistencia de la soldadura no es una consideración de diseño.

Una ventaja significativa de pegar con adhesivos en lugar de soldar es que no se genera suficiente calor para crear ningún tipo de efectos indeseables debido al ciclo térmico. La soldadura crea una expansión y contracción no uniforme del metal de soldadura y el metal base. Este ciclo de expansión y contracción puede crear varios problemas que incluyen distorsión, fragilidad de la zona afectada por el calor y tensiones residuales. Todo esto no está presente como en el caso discutido anteriormente donde una junta soldada fue reemplazada con un nodo CFRP.

Desafíos

Las principales preocupaciones con la sustitución de la soldadura o la fijación mecánica por adhesivos están relacionadas con la durabilidad de las juntas unidas con adhesivo en condiciones adversas. La diferencia de resistencia es bien conocida y se puede manejar con un diseño adecuado y sabiendo cuándo no usar adhesivos. Sin embargo, saber cómo se comportará el adhesivo en diferentes condiciones de servicio sigue siendo un área con cierto grado de incertidumbre. Se deben tener en cuenta las siguientes variables al considerar si el uso de adhesivos es una opción viable.

  • Condiciones de servicio: esto incluye rango de temperatura, humedad, uso en interiores / exteriores, exposición a rayos ultravioleta
  • Resistencia a los productos químicos: ¿la junta entrará en contacto con productos químicos que puedan afectar la integridad estructural de la unión (es decir, aceite, gasolina, ácidos, etc.)
  • Desafíos mecánicos: ¿la junta adherida estará expuesta a abrasión, impacto, vibración, carga de fatiga? Los ciclos térmicos también se consideran aquí.
  • Tipo y magnitud de la tensión (cortante, tracción, compresión, etc.)

Otro tema a considerar cuando se piensa en reemplazar la soldadura o la sujeción mecánica con la unión adhesiva es el tiempo que tarda el adhesivo en poder mantener las piezas en su lugar sin que tengan que ser mantenidas en su lugar por accesorios, abrazaderas u otros dispositivos. Los adhesivos requieren una cierta cantidad de tiempo desde que se aplican hasta que se pueden manipular sin que las partes unidas se muevan de su lugar. Esto significa que tan pronto como se aplica el adhesivo a los miembros que se van a unir, las piezas deben mantenerse en su lugar hasta que el adhesivo alcance su fuerza de manipulación (fuerza verde). Esto puede agregar una cantidad significativa de tiempo al proceso de fabricación. Las piezas unidas mediante soldadura se pueden manipular de inmediato en la mayoría de los casos.

El uso de adhesivos para unir acero está aumentando, pero se usa principalmente en secciones muy delgadas. Cuando se trata de acero estructural pesado, se utiliza principalmente para complementar otros procesos de unión como la soldadura y el atornillado. Sin embargo, su uso no se rige por un código por lo que muchos ingenieros y diseñadores evitan su uso. Los códigos estructurales permiten el uso de otros procesos de unión pero hacen que sea responsabilidad del ingeniero a cargo desarrollar, probar y aprobar dicho procedimiento de unión.

El desafío para el ingeniero es encontrar suficientes datos relacionados con los adhesivos y su aplicación específica. Los ingenieros que dependen en gran medida del manual AISC para la construcción de acero y AWS D1.1 para obtener orientación han descubierto que la palabra "adhesivo" aparece solo tres veces en el código de soldadura estructural AWS D1.1 / D1.1M: 2015 de 604 páginas. - Acero y solo como parte del título de un estándar de referencia (AWS A3.0, Términos y definiciones estándar de soldadura, incluidos los términos para unión adhesiva , soldadura fuerte, soldadura, corte térmico y pulverización térmica). La palabra “adhesivo” no aparece ni una sola vez en la Especificación ANSI / AISC 360-16 para edificios de acero estructural. Esta especificación detalla los requisitos de diseño, así como los requisitos de fabricación y montaje para la construcción de edificios de acero.

Debido a esta responsabilidad y posible responsabilidad, los adhesivos en acero estructural no se utilizan con mucha frecuencia. Incluso en el caso de que se pueda utilizar en combinación con fijación mecánica como es el caso de los pernos, calcular la capacidad total de la conexión no es tan simple como sumar la capacidad de carga del adhesivo y la de los pernos. Esto es similar a mezclar soldaduras con pernos en conexiones estructurales. Asumir que la fuerza de la conexión es la suma de los componentes individuales no es conservador y puede resultar desastroso

Otros retos

Existen otros desafíos con el uso de adhesivos en acero estructural, algunos de estos incluyen:

  • Necesita superponer material que requiere más material en comparación con las juntas a tope.
  • La inspección puede ser difícil: la inspección visual es extremadamente limitada y las NDE generalmente requieren el uso de pruebas ultrasónicas.
  • La preparación de la superficie para el uso de adhesivos puede complicarse en el campo donde el material está expuesto a los elementos y puede desarrollar óxido y capas de óxido con relativa rapidez.
  • Más tiempo para curar: algunos adhesivos requieren tiempos de curado prolongados que pueden detener o retrasar la producción.

Referencias