CAP13 Pernos 1

CAPITULO III. PERNOS ESTRUCTURALES. Las conexiones apernadas presentan ciertas características que las hacen más o menos apropiadas dependiendo de la aplicación. Las principales ventajas de las conexiones apernadas están en la rapidez de ejecución, el bajo nivel de calificación requerido para construirlas, la facilidad de inspección y reemplazo de partes dañadas y la mayor calidad que se obtiene al hacerlas en obra comparadas con conexiones soldadas. Entre las desventajas se pueden mencionar el mayor trabajo requerido en taller, lo que puede significar un costo más alto: el mayor cuidado requerido en la elaboración de los detalles de conexión para evitar errores en la fabricación y montaje; la mayor precisión requerida en la geometría, para evitar interferencias entre conectores en distintos planos; el peso mayor de la estructura, debido a los miembros de conexión y los conectores y, el menor amortiguamiento.

Tarea: buscar fotos o imágenes de los siguientes tipos de conexiones apernadas - Conexiones de corte (shear connections) - placa de corte (single plate) - doble clip (angle cleat), apernado- apernado o apernado soldado - asiento apernado (bolted angle SEAT) - Conexiones de momento (moment connections) - Empalmes (splices) - Placas bases (base plates) - Diagonales (bracing)

3.1. Pernos de alta resistencia ASTM A325, A490, A449. Los pernos de alta resistencia van de diámetros desde ½ a 1½” (3” para A449). Los diámetros más comunes en construcción son ¾, 7/8 y 1”. Los pernos son generalmente apretados para desarrollar una tensión específica, lo que resulta en una fuerza de compresión en la conexión. La transferencia de cargas de servicio a través de una junta es por lo tanto, debida a la fricción que se desarrolla entre piezas a conectar. Las conexiones con pernos de alta resistencia pueden ser slip-critical (criticas al deslizamiento), donde se desea alta resistencia al deslizamiento bajo cargas de servicio, o bearing type Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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(uniones tipo aplastamiento), donde no es necesario alta resistencia al deslizamiento bajo cargas de servicio.

Remaches: Ya no se usan. Son una especia de pasador que atraviesa las las perforaciones, que lleva una cabeza en cada extremo para que la unión no se separe. Eran mas difíciles de instalar, pero más baratos; además no requerían tuercas ni golillas. Sin embargo ahora los pernos de alta resistencia son más baratos y no se justifica usar remaches. Las partes y dimensiones de un perno se muestran en las siguientes figuras:

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Los pernos A325 y A490 pueden ser del tipo 1, 2 o 3. El tipo 1 es de acero al carbono suave, y es el que se provee a menos que se indique lo contrario. Similarmente para A490, el tipo 1 es el acero aleado regular. El tipo 2 es la alternativa de acero suave al carbono para aplicaciones a alta temperatura. El tipo 3 es de acero resistente a la corrosión.

3.2. Procedimientos de instalación Existen dos categorías generales de requerimientos de comportamiento para conexiones con pernos de alta resistencia: conexiones críticas al deslizamiento ( slip-critical) y conexiones tipo aplastamiento ( bearing). La diferencia básica entre los dos tipos es la hipótesis de deslizamiento que ocurre bajo cargas de servicio, lo que resulta en el uso de valores de resistencia nominal diferentes. El tipo de conexión crítica al deslizamiento asume que no debe existir deslizamiento bajo condiciones de cargas de servicio y que la transferencia de la carga a través de la conexión se realiza mediante las fuerzas de fricción generadas entre las placas que se conectan. Este tipo de conexión es principalmente usada en estructuras que tienen casos con cargas altas de impacto o cuando no se desea deslizamiento en la junta. Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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Las conexiones tipo aplastamiento asumen deslizamiento solamente bajo cargas muy altas. Si este deslizamiento ocurre la junta transferirá las cargas a través de corte en los pernos y aplastamiento de las placas. Este tipo de conexión es usada para estructuras menos susceptibles a impacto, reversiones de carga o vibraciones. La especificación RCSC RESEARCH COUNCIL ON STRUCTURAL CONNECTIONS, Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts, June 30, 2004 (http://www.boltcouncil.org/files/2004RCSCSpecification.pdf ), indica que el diseñador debe especificar las conexiones como tres posibles tipos:

Snug-tightened: Los pernos están apretados en condición “snug tight”, esto “+- apretado pero no tanto”. Se define como “el apriete necesario para mantener las piezas firmemente en contacto”, esto es, por el resultado de “unos pocos impactos de una llave o toda la fuerza de un trabajador usando una llave inglesa o francesa? (spud wrench). Ver AISC Spec. Section J3, pag 16.1-103. Aplicabilidad en RCSC Spec. Section 4.1 (ver también AISC Spec. Section J3, pag 16.1-103). Requerimientos de superficie de contacto en RCSC Spec. Section 3.2, 3.2.1 Pretensioned: Aplicabilidad en RCSC Spec. Section 4.2 Casos en que debe ocuparse en AISC Spec. Section J1-10 Requerimientos de superficie de contacto en RCSC Spec. Section 3.2, 3.2.1 Slip-critical: Aplicabilidad en RCSC Spec. Section 4.3 Requerimientos de superficie de contacto en RCSC Spec. Section 3.2, 3.2.2


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Pretensión en conexiones que no puedan ser calificadas como ‘snug tight”

Métodos para tensar los pernos: - Turn-of-the-nut tightening: se aprieta el perno una cierta cantidad más allá de la condición snug tight. Media vuelta de la tuerza es generalmente suficiente. Ver RCSC Spec. Section 8. Installation y 8.2.1.

- Calibrated wrench tightening: se especifica un torque a aplicar manualmente o con power wrench. - Alternative design bolts - Direct tension indicator tightening Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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3.3. Resistencia nominal de pernos individuales Conexiones apernadas típicas

En una conexión con pasadores, la carga se transfiere de una pieza a la otra por corte en el pasador y aplastamiento en los orificios (figura*). Cuando un perno de alta resistencia se instala con una tensión inicial específica, hay una precompresión entre las piezas a conectar. La transferencia de cargas puede ocurrir completamente por fricción bajo cargas de servicio, y no habría aplastamiento del perno contra el agujero. Hasta que la fuerza de roce µT no sea sobrepasada, la resistencia al corte del perno y la resistencia al aplastamiento de la placa no afectará la capacidad de la conexión (figura**) La resistencia para resistir fuerzas de corte a través del plano de corte de todas las conexiones con pernos de alta resistencia, ya sean slip critical o bearing type, es la misma. Los posibles estados límites o modos de falla que pueden controlar la resistencia de una conexión apernada se muestran en la figura ***.


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(*) Transferencia de carga en una conexión con pasador

(**) Transferencia de carga en una conexión con pernos pretensados.


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(***) Modos de falla en conexiones apernadas

Resistencia a la tensión de pernos La resistencia nominal de un perno a tensión R n es: R n = Fub A n Fub = resistencia a tensión del material del perno. El área neta se considera a través de la porción con

hilo, conocido como “tensile stress area”. Esta área se puede estimar como: 2

0.9743   A n = 0.785 d b −  , n: número de hilos por pulgada. n   La razón entre el área bruta y área neta varía entre 0.75 y 0.79. Por lo tanto, R n = Fub (0.75A b ) o

R n = Fnt A b

Con Fnt dada por tabla AISC J3.2 Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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Resistencia al corte de pernos La resistencia nominal de un perno R n es la resistencia última al corte a través del área bruta multiplicada por el número de planos de corte. R n = mA b (0.62Fub ) o

R n = mFnv A b

con Fnv dada por tabla AISC J3.2. Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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La resistencia última al corte de acuerdo a experimentos es aproximadamente 62% de la resistencia última en tensión, la misma razón entre resistencia de fluencia al corte y tensión.

Resistencia al aplastamiento Este estado límite se relaciona con la deformación excesiva alrededor del agujero (*** d) y la falla por desgarramiento (*** b). La resistencia al aplastamiento R n es la fuerza aplicada contra el borde del agujero capaz de desgarrar la placa. Según la siguiente figura, el desgarramiento ocurre a lo largo de las líneas 1-1 y 2-2. Como límite inferior se puede considerar el ángulo α como cero, y la distancia al borde puede ser la distancia desde el borde de la placa hasta el borde del agujero; de esta manera la resistencia nominal R n será: R n = 2tL c τ pu τ pu : resistencia al corte de la placa ~ 0.62F u Fu: resistencia a tensión de la placa Por lo tanto, R n = 2tL c (0.62Fu ) = 1.24Fu tL c De acuerdo a la experiencia se recomienda que la distancia mínima de centro a centro entre pernos sea 3 veces el diámetro del perno. Si L c=2.5d, la resistencia nominal al aplastamiento es R n = 3.1Fu dt , que es la expresión básica para prevenir desgarramiento. Cuando se alcanza la resistencia al aplastamiento dada por la ecuación anterior sin haber ruptura, la elongación del agujero puede ser excesiva. Por lo tanto, esta ecuación de usarse solo cuando la deformación alrededor del agujero no es de interés.

3.4. Diseño de pernos por LRFD φR n ≥ Pu Pu: cargas factoradas o resistencia requerida por un perno Rn: resistencia nominal de un perno φ : factor de resistencia, 0.75 para rotura en tensión y corte en el perno, y aplastamiento.


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Resistencia de diseño al corte, hilo excluido en el plano de corte R n = 0.8mA b (0.62Fub ) = (0.5Fub )mA b . 0.8 es un factor que considera el largo de la conexión Si Fnv = 0.5Fub , y φ =0.75, finalmente φR n = 0.75Fnv mA b

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m: número de planos de corte (usualmente 1 o 2) Ab :área bruta del perno a través de la porción sin hilo. Fnv: resistencia nominal al corte del perno, según tabla AISC J3.2.

Resistencia de diseño al corte, hilo incluido en el plano de corte R n = 0.8m(0.75A b )(0.62Fub ) = (0.37 Fub )mA b . Como los factores 0.8 y 0.75 son aproximados, AISC adopta la siguiente ecuación: R n = (0.4Fub )mA b Si Fnv = 0.4Fub , y φ =0.75, finalmente φR n = 0.75Fnv mA b

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Resistencia de diseño a tensión El área de la sección con hilo es ~0.75A b. Así, la resistencia a tensión F nt puede considerarse como 0.75 Fub . Por lo tanto, φR n = 0.75Fnt A b

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Ab :área bruta del perno a través de la porción sin hilo. Fnt: resistencia nominal a tensión del perno, según tabla AISC J3.2. Las resistencias de diseño para pernos A325 y a490 se resumen en la siguiente tabla.


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Resistencia de diseño al aplastamiento De acuerdo a AISC J3.10, 1) Para un perno en una conexión con agujeros estándar, agrandado o de ranura corta, independiente de la dirección de la carga, o un agujero de ranura larga con la ranura paralela a la dirección de la carga: a) Cuando la deformación en el agujero bajo cargas de servicio es consideración de diseño, 4 R n = 1.2L c tFu ≤ 2.4dtFu b) Cuando la deformación en el agujero bajo cargas de servicio no es consideración de diseño, R n = 1.5L c tFu ≤ 3.0dtFu 5

2) Para un perno en una conexión con agujeros de ranura larga con la ranura perpendicular a la dirección de la carga: R n = 1.0L c tFu ≤ 2.0dtFu 6 d: diámetro nominal del perno t: espesor de la parte contra ka cual el perno se aplasta Fu: resistencia a tensión de la parte conectada contra la cual el perno se aplasta Lc: distancia libre, en la dirección de la fuerza, entre bordes de agujeros adyacentes La resistencia de diseño será φR n = 0.75R n La resistencia límite en la ecuación 4 corresponde a la resistencia que se logra a una deformación aproximadamente de ¼”.

Espaciamiento mínimo de pernos en la línea de acción de la fuerza Cuando el espaciamiento de los pernos en la dirección de la fuerza es al menos 3 veces el diámetro de los pernos, el límite superior de las ecuaciones anteriores controla la resistencia al aplastamiento. Resolviendo dichas ecuaciones para L c da la distancia mínima entre bordes de pernos adyacentes. Rn , con K=1.2, 1.5 o 1.0 según el caso. 7 Lc ≥ KFu t Si se agrega el radio d h /2 del agujero da la distancia mínima de centro a centro, y se considera que φR n = P , S=

P

8 + dh φKFu t La distancia mínima de pernos en una línea recomendable es 3 veces el diámetro y no debe ser menos que 22 / 3 diámetros (AISC J3.3)

Mínima distancia al borde en la dirección de la fuerza d P + h Le ≥ φKFu t 2 La distancia al borde a usar debe ser mayor que la calculada por resistencia y el mínimo prescrito en tabla AISC J3.4


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Distancia máxima al borde (AISC J3.5) La distancia máxima del centro de un perno al borde más cercano es 12t, donde t es el espesor de la parte a conectar, y no debe ser mayor a 6”.

Máxima distancia entre pernos (AISC J3.5) a) Para miembros pintados o no pintados no sujetos a corrosión, s ≤ 24t ≤ 12" b) Para miembros no pintados y aceros corten sujetos a corrosión atmosférica, s ≤ 14 t ≤ 7"

3.5. Ejemplos de diseño por LRFD 3.5.1. Calcular la capacidad en tensión para cargas de servicio de la conexión tipo aplastamiento si a) el hilo de los pernos está excluido del plano de corte b) el hilo de los pernos está incluido en el plano de corte Los pernos son A325 de 7/8” con agujeros estándar y las planchas son A572 Gr. 50. La carga viva es tres veces la carga muerta. a) Hilo excluido del plano de corte

La resistencia de las planchas a tensión, 2 Ag=6*0.625=3.75 in 2 An=[6-2(7/8+1/8)]*0.625=2.50 in Ae=An φ t Tn = φ t Fy A g = 0.9Fy A g =0.9*50*3.75=169 kips φ t Tn = φ t Fu A e = 0.75Fu A e =0.75*65*2.5=122 kips Resistencia pernos al corte, φR n = 0.75Fnv mA b =0.75*60*1*0.6013=27.1 kips por perno [Lc=1.5-1/2*(7/8+1/16)=1.03]<[2d=1.75] → φR n = φ1.2L c tFut =0.75*1.2*1.03*0.625*65=37.7 kips/bolt → Controla el corte en el perno La capacidad de la conexión basada en los pernos será φTn = 4*27.1=108 kips Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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La capacidad de la conexión es el menor valor de la resistencia de las planchas y de los pernos, por lo tanto, φTn = 108 kips La distancia al borde provista satisface el mínimo dado en tabla J3.4 El bloque de corte no se verifica para este caso por el espesor de la plancha. φTn ≥ Tu =1.2D+1.6L=6.0D 108=6.0D D=18 kips L=3D=54 kips La carga máxima de servicio es T=D+L=72 kips b) Hilo incluido en el plano de corte φR n = 0.75Fnv mA b =0.75*48*1*0.6013=21.6 kips por perno T=21.6/27.1*72=57.6 kips Nota: La designación estándar para pernos con y sin plano es como sigue; A325-X, A325-N (hilo excluido / hilo incluido)

3.5.2. Determinar el número de pernos A325 de ¾” requeridos para desarrollar la capacidad total de las planchas de acero A572 Gr. 65, que corresponde a una porción de un empalme doble. La conexión es tipo aplastamiento con hilo excluido de los planos de corte. Asumir doble fila de pernos con agujeros estándar.

El área de la plancha central es menor que la suma de las áreas de las planchas externas. 2 An=[6-2(3/4+1/8)]0.375=1.59 in An ≤ 0.85Ag =0.85*6*0.375=1.91 (según AISC J4.1) 2 Ae=An=1.59 in φTn = φFy A g =0.9*65*6*0.375=132 kips

φTn = φFu A e =0.75*80*1.59=96 kips (controla) Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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