DOCENTE:
ING. ROLY KIKE CAMPOS HERRERA CURSO:
ACERO ESTRUCTURAL ESTUDIANTE: JOAQUIN TIPOS DE CONEXIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO
Software de cálculo para estructuras de acero
PACHARI CORNELIO ADAN
CONTENIDO TIPOS DE CONEXIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO ............................................... 2 Conexión ................................................................................................................................2 Junta ....................................................................................................................................... 2 COMPONENTES DE LAS UNIONES .......................................................................... 4 Tornillos ................................................................................................................................5
CONEXIONES VIGA‐COLUMNA ......................................................................................... 6 CONEXIONES DE CORTE.............................................................................................. 7 APERNADAS....................................................................................................................7 CONEXIONES VIGA‐VIGA.................................................................................................... 9 DE CORTE ........................................................................................................................9 DE MOMENTO............................................................................................................... 10 SOFTWARE DE CÁLCULO PARA ESTRUCTURAS DE ACERO ....................................12 Cálculo y dimensionado de estructuras de acero ............................................................. 12 Análisis y dimensionamiento de estructuras por el MEF ................................................12 Análisis estructural de estructuras de barras .................................................................... 13 Análisis de tensiones de estructuras de barras y superficies ............................................ 13 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 14 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 15
1
TIPOS DE CONEXIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO Las estructuras de acero se clasifican principalmente en función de su grado de rigidez, son básicamente tres:
Conexiones simples o de corte.
Conexiones semi-rígidas (PR).
Conexiones rígidas (FR).
F igura 01.- Conexiones Típicas.
CONEXIÓN (inglés connection) la combinación de elementos estructurales y elementos de unión para transmitir fuerzas entre dos o más miembros (AISC 360/2010, traducción oficial al español por ALACERO). JUNTA (inglés joint) el área donde se unen dos o más extremos, superficies o bordes, y que incluye las planchas, angulares, pernos, remaches y soldaduras empleados. Se clasifican en juntas sold (Baglietto & Valdivia , 2003)adas y juntas empernadas y por nodo (inglés connection assembly, node). Las conexiones se Clasifican por:
grados de rigidez.
2
los medios de unión (soldados o apernados).
las solicitaciones.
lugar de la ejecución: en Obra o en Taller.
Figura 2.- Conexión de momento en pórticos
Todas las variables mencionadas son relevantes en la toma de decisión del proyecto (análisis, diseño y detallado), la fabricación, el montaje, la inspección y el control y el aseguramiento de la calidad, partiendo por el concepto estructural. Las ventajas y desventajas de los medios de unión y las preferencias de lugares de ejecución han sido comentadas, pero se deberán tener especialmente en cuenta en consideración de las condiciones específicas y locales del proyecto, como accesibilidad, transporte, visibilidad de la conexión, disponibilidad de talleres, mano de obra calificada, equipamiento local y muchos otros largos de enumerar. Otra clasificación existente también es dada por el lugar de unión:
Viga con columna.
Viga con viga.
Columna con columna.
Columna con fundación.
Arriostramientos.
Tubulares. 3
COMPONENTES DE LAS UNIONES
Las uniones de las estructuras metálicas suelen efectuarse mediante soldaduras y/o tornillos. SOLDADURAS Aunque pueden efectuarse distintos tipos de soldaduras, normalmente se prefiere la soldadura en ángulo como la ilustrada en la figura 2a a la soldadura a tope que se muestra en la figura 2b, porque sólo requiere una sencilla preparación de las piezas a soldar y porque, generalmente, puede llevarse a cabo con instalaciones relativamente sencillas y no requiere habilidades especiales por parte del soldador.
F igura 03.- Tornillos solicitados a tracción y cortadura
F igura 04. Soldaduras en Angulo y tope
4
TORNILLOS
Según el perfil de la unión y la situación de los tornillos,bestán sujetos a tracción, a cortadura o a una combinación de ambas, tal como se ilustra en las figuras 3 y 4.
F igura 05.- Tornillos solicitados a tracción y cortadura combinadas
F igura 06.- Elementos de uniones atornilladas
Para resolver un cierto desajuste entre las distancias de los taladros y los diámetros de los tornillos, los agujeros se taladran normalmente con un diámetro 2 mm más grande que el del tornillo. Cuando no
5
pueden permitirse los desplazamientos debidos a estas tolerancias, los tornillos pueden pretensarse para evitar el deslizamiento. En las estructuras solicitadas estáticamente, como son la edificación, deberían evitarse los tornillos pretensados. El tratamiento especial que hay que dar a las superficies de contacto parar obtener un valor del coeficiente de rozamiento adecuado y fiable y los métodos de apriete son caros.
F igura 07 . Modos de agotamiento en una unión viga-pilar no reforzada
CONEXIONES VIGA ‐ COLUMNA Las conexiones entre las vigas y las columnas son una de las conexiones más frecuentes en las estructuras de acero y concebirlas y diseñarlas correctamente corresponde no sólo a una decisión de cálculo estructural sino de manera muy significativa, a una decisión del proyecto y la construcción. La conexión entre vigas y columnas se puede resaltar expresivamente en el edificio, dependiendo de su visibilidad.
6
CONEXIONES DE CORTE Las conexiones de corte son muy utilizadas en las estructuras de acero. Se pueden materializar conectando sólo al alma del miembro soportado, dejando las alas no conectadas. Las conexiones de asiento son las únicas que conectan a las alas del miembro soportado Los ángulos de las conexiones de corte se pueden conectar indistintamente por soldadura apernados. Las conexiones con ángulos simples tienden a tener menor capacidad de carga que las conexiones con doble ángulo. APERNADAS Con doble ángulo apernado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna. Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga ‐columna como para conexiones de viga (secundaria) a viga (principal). Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren la fuerza de corte. Los ángulos son apernados al alma de la viga en taller.Posteriormente, en obra, los ángulos son apernados al alma de la columna (o de la viga principal, según corresponda).
F igura 08.- Detalle de conexión.
7
Las perforaciones para los pernos se pueden desfasar o desplazar a fin de no quedar enfrentadas para facilitar la instalación. Existe una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de la conexión (ala sobresaliente del ángulo).
F igura 09.- Detalle de conexión con apoyos inferiores en viga.
En algunos casos se agrega un ángulo inferior para apoyar la viga, lo que facilita el montaje y asegura la transmisión de las fuerzas verticales a la columna. 1.
Con doble ángulo soldado en taller al alma de la viga y apernado en obra al alma de la columna (o de la viga principal).
Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller.
Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria.
Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Si se trata de una conexión viga columna, se apernan al alma de la columna.
Igualmente, que, en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo). 8
F igura 10.- Detalle de soldadura con doble ángulo, soldado en taller y apernado en obra.
2.
Con plancha extrema de corte soldada en taller al alma de la viga y apernada en obra al ala de la columna.
Se trata de una conexión de corte ya que las alas de la viga no se aseguran para evitar la rotación de la viga.
La plancha de cabeza se suelda al alma de la viga, habiendo hecho previamente las perforaciones para pasar los pernos.
En obra se hace la conexión apernada a la columna.
F igura 11.- Detalle de conexión con solo el alma soldada o apernada.
CONEXIONES VIGA ‐ VIGA DE CORTE 1. Con doble ángulo ‐ soldado en taller al alma de la viga secundaria y apernado en obra al alma de la viga principal.
9
Esta conexión es aplicable tanto para conexiones viga viga como para conexiones viga a columna. Se trata de una conexión de corte toda vez que los ángulos se fijan al alma de la viga y transfieren fuerza de corte. Los ángulos dobles se sueldan al alma de la viga en taller.
Si la altura de la viga principal y de la viga secundaria coincide, se deben rebajar ambas alas de la viga secundaria para permitir la nivelación superior de las alas. Si tienen altura diferente, bastará con rebajar las alas superiores de la viga secundaria. Hecho lo anterior, se apernan los ángulos de la viga secundaria al alma la viga principal. Igualmente, que, en el caso anterior, es posible que exista una cierta rotación debido a la separación entre las alas de la viga y el alma de la columna debido a la flexibilidad del material de conexión (ala sobresaliente del ángulo).
F igura 13.- Detalle de conexión Viga con Viga
DE MOMENTO Las conexiones de empalme de vigas son situaciones que se presentan con frecuencia en la construcción de estructuras de acero debido a que las piezas se fabrican de largos establecidos por razones comerciales y de transporte. 1.
Empalme de momento apernado en obra. Las planchas conectoras de las alas restringen la rotación, haciendo de esta conexión una conexión de momento.
10
Todas las perforaciones de esta conexión se hacen en taller. Asimismo, se hacen en taller las perforaciones de las alas y el alma de las vigas a conectar. Las planchas de corte se apernan en obra a las alas superiores e inferiores. Las dos planchas que fijan el alma de las vigas son responsables de transferir la fuerza de corte. Los pernos que fijan las planchas de alma de la viga trabajan a corte Las planchas que fijan las alas son responsables de transferir el momento de flexión.
F igura 14.- Conexiones apernadas.
11
SOFTWARE DE CÁLCULO PARA ESTRUCTURAS DE ACERO CÁLCULO Y DIMENSIONADO DE ESTRUCTURAS DE ACERO Los programas de análisis estructural RFEM y RSTAB son la solución óptima para el cálculo estructural de construcciones de acero y metálicas, como por ejemplo, edificios, pórticos, galpones, andamios, puentes, silos, grúas, vigas carril, torres y postes, invernaderos, etc. El concepto modular de los productos de Dlubal Software consiste en los programas principales RFEM o RSTAB y los correspondientes módulos adicionales. ANÁLISIS Y DIMENSIONAMIENTO DE ESTRUCTURAS POR EL MEF El programa de análisis estructural RFEM representa la base de un sistema de software modular. El programa principal RFEM se utiliza para definir estructuras, materiales y cargas de sistemas estructurales planos y espaciales compuestos de placas, muros, láminas, cáscaras y barras. El programa permite también la creación de estructuras combinadas, así como el modelado elementos sólidos y de contacto. RFEM es un potente programa de análisis por elementos finitos 3D que ayuda a los calculistas estructurales a satisfacer las necesidades de la ingeniería moderna. El manejo intuitivo y la eficiente entrada de datos facilitan el modelado de tanto estructuras simples como complejas.
12
ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE ESTRUCTURAS DE BARRAS El programa de análisis estructural de barras RSTAB contiene una gama similar de funciones como en RFEM, con atención especial a los entramados. Por tanto, es muy fácil de utilizar y por mucho tiempo, ha sido la primera opción para el análisis estructural de construcciones de acero. RSTAB es un programa de análisis potente para cálculos de estructuras de barras en 3D, que refleja el estado actual de la técnica y ayuda a los ingenieros estructurales a cumplir con las exigencias de la ingeniería moderna.
ANÁLISIS DE TENSIONES DE ESTRUCTURAS DE BARRAS Y SUPERFICIES El módulo adicional de RF-/STEEL realiza el cálculo general de tensiones mediante el cálculo de las tensiones existentes y la comparación de los resultados con las tensiones límite. En el proceso del análisis de tensiones, el módulo adicional determina las tensiones máximas de superficies (sólo RFEM), barras y conjuntos de barras. También están documentados los esfuerzos internos determinantes de cada barra. Además, hay una opción para la optimización automática de secciones o espesores incluyendo la exportación de las secciones o espesores de superficies modificados al programa principal RFEM/RSTAB. 13
En RSTAB, las barras se calculan en el módulo STEEL. En RFEM, el módulo adicional RFSTEEL se divide en dos submódulos: RF-STEEL Surfaces realiza el análisis de tensiones y el cálculo del estado límite de servicio de superficies RF-STEEL Members realiza cálculos de elementos del tipo barra. Funciones
Análisis general de tensiones
Importación automática de las solicitaciones de RFEM/RSTAB
Resultados completos tanto en forma gráfica como numérica de las tensiones y razones de tensiones en RFEM/RSTAB
Varias opciones de configuración de la representación de los datos gráficos
Cálculo flexible en casos de cálculo diferentes
Tablas de resultados organizadas de manera clara para una vista general rápida inmediatamente después del cálculo
Alta eficiencia debido a los pocos datos requeridos para la entrada de datos Flexibilidad debido a las opciones de configuración para las bases y extensión de los cálculos.
CONCLUSIONES Los empalmes son conexiones efectuadas dentro de la longitud de cualquier
miembro estructural.
Los empalmes deben diseñarse de forma tal que permitan la transferencia de las componentes de tensión existentes en la unión, previendo también la compensación de los efectos secundarios, las imperfecciones y las excentricidades de la carga.
14
Las trayectorias de carga a través de los componentes y sistemas de unión del empalme deben identificarse adecuadamente y las componentes de carga proporcionadas para satisfacer el equilibrio.
Pueden hacer falta chapas de relleno y de sostén para compensar las tolerancias de fabricación y los cambios de tamaño de serie.
Los empalmes soldados suelen hacerse en el taller de fabricación, mientras que los atornillados se efectúan en la obra.
Las conexiones de empalme ejecutadas en la obra deben permitir un control dimensional limitado.
BIBLIOGRAFIA 1. Baglietto, L. Z., & Valdivia , K. C. (2003). Conexiones en edificios de Acero y su Automatizacion para el diseño Estructural. Lima, Perú. 2.
MENDOZA, W. N. (2012). Uniones y Conexiones en Estructuras de Acero.
3.
UNIONES Y CONEXIONES disponible en: http://www.arquitecturaenacero.org/uso-y-aplicaciones-del-acero/solucionesconstructivas/uniones-y-conexiones
15
