Pernos Alta Resistencia (PAR)

Pontificia Universidad Católica de Chile Escuela de Ingeniería Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción

PUBLICACION N° 28

PERNOS DE ALTA RESISTENCIA

Carlos Videla C. René Pezo P.

Santiago – Chile 1980

INDICE INTRODUCCION ...............................................................4 DEFINICION .......................................................................5 OBJETIVO ...........................................................................6 METODOLOGIA ................................................................6 I. ANTECEDENTES HISTORICOS SOBRE EL PERNO DE ALTA RESISTENCIA ..................................................7 1.1. 1.2.

HISTORIA DE SU INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO (8.L.) ....................................................................... 7 DESARROLLO EN CHILE ...................................................................................................................... 13

II. TIPOS DE PERNOS DE ALTA RESISTENCIA ......16 2.1. ESPECIFICACIONES ............................................................................................................................. 16 2.2. PERNO A 325 ...................................................................................................................................... 15 2.2.1. Calidad ........................................................................................................................................... 15 2.2.2. Identificación ................................................................................................................................. 16 2.2.3. Pernos fabricados en Chile ............................................................................................................ 16 2.3. PERNO A 490 ...................................................................................................................................... 18 2.3.1. Calidad ........................................................................................................................................... 18 2.3.2. Identificación ................................................................................................................................. 18 2.3.3. Pernos fabricados en Chile ............................................................................................................ 18 2.4. DIMENSIONES ..................................................................................................................................... 20 2.4.1. Dimensiones de pernos y tuercas ................................................................................................... 21 2.4.2. Dimensiones golillas circulares ..................................................................................................... 23 2.4.3. Dimensiones rosca ......................................................................................................................... 24 2.5. PERNOS DE ALTA RESISTENCIA GALVANIZADOS ............................................................................... 29 2.6. PERNOS DE ALTA RESISTENCIA ESPECIALES ...................................................................................... 30

III. FABRICACION ..........................................................31 3.1. PROCESOS DE FABRICACIÓN ............................................................................................................... 31 3.1.1. Trefilación ...................................................................................................................................... 31 3.1.2. Cabeceo.......................................................................................................................................... 32 3.1.3. Recorte ........................................................................................................................................... 32 3.1.4. Laminación .................................................................................................................................... 32 3.1.5. Tratamiento térmico....................................................................................................................... 33 3.1.6. Tuercas ........................................................................................................................................... 33 3.2. ESPECIFICACIÓN A.S.T.M A325-76A ................................................................................................. 34

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3.2.1. Materiales y tratamientos .............................................................................................................. 34 3.2.2. Composición química..................................................................................................................... 36 3.2.3. Dimensiones y tolerancias de fabricación ..................................................................................... 39 3.2.4. Propiedades mecánicas ................................................................................................................. 46 3.2.5. Métodos de ensayo ......................................................................................................................... 52 3.2.6. Comprobación de calidad por requisitos mecánicos..................................................................... 64 3.2.7. Inspección visual de grietas en la cabeza ...................................................................................... 69 3.2.8. Marcas ........................................................................................................................................... 70 3.2.9. Inspección ...................................................................................................................................... 70 3.2.10. Rechazo .......................................................................................................................................... 71 3.2.11. Certificados .................................................................................................................................... 71 3.3. ESPECIFICACIÓN A.S.T.M. A 490 - 76A ............................................................................................... 72 3.3.1. Tablas ............................................................................................................................................. 74

IV. COMPORTAMIENTO DE LOS PERNOS ..............78 4.1. SOLICITACIÓN DE TRACCIÓN .............................................................................................................. 78 4.2. SOLICITACIÓN DE CIZALLE ................................................................................................................. 80 4.3. PERNOS DE ALTA RESISTENCIA SOLICITADOS POR TRACCIÓN Y CIZALLE COMBINADOS................... 84 4.4. PERNOS DE ALTA RESISTENCIA SOLICITADOS POR CARGAS CÍCLICAS DE CIZALLE ........................... 85 4.5. PERNOS DE ALTA RESISTENCIA SOLICITADOS POR CARGAS CÍCLICAS DE TRACCIÓN (RE-EMPLEO DE PERNOS) ......................................................................................................................................................... 86

V. CONEXIONES ..............................................................88 5.1. GENERALIDADES ................................................................................................................................ 88 5.2. COMPORTAMIENTO DE LAS CONEXIONES CON PERNOS DE ALTA RESISTENCIA SOMETIDOS A CIZALLE DESDE EL PUNTO DE DISTA DEL DISEÑO ........................................................................................................ 92 5.2.1. Conexión tipo fricción.................................................................................................................... 93 5.2.2. Conexión tipo aplastamiento ......................................................................................................... 95 5.3.TIPO DE PERNO DE ALTA RESISTENCIA, REQUERIMIENTOS DE TUERCAS, GOLILLAS Y UBICACIÓN DEL HILO PARA UNA CONEXIÓN DETERMINADA ................................................................................................... 97 5.4. DISPOSICIONES DE DISEÑO .................................................................................................................. 98 5.4.1. Campo de aplicación ..................................................................................................................... 98 5.4.2. Normas ........................................................................................................................................... 99 5.4.3. Excentricidad de la unión .............................................................................................................. 99 5.4.4. Excentricidad en grupos de conectores ....................................................................................... 100 5.4.5. Distribución de tensiones en combinación de conectores ........................................................... 100 5.4.6. Uniones mínimas ........................................................................................................................... 102 5.4.7. Agujeros ....................................................................................................................................... 102 5.4.10. Verificaciones ............................................................................................................................ 108 5.5. DISEÑO ELÁSTICO DE CONEXIONES.................................................................................................. 113 5.5.1. Cizalle axial y aplastamiento ....................................................................................................... 113 5.5.2. Cizalle excéntrico......................................................................................................................... 116 5.5.3. Tracción ....................................................................................................................................... 123 5.5.4. Tracción y cizalle combinados (REF. 8.7)................................................................................... 136 5.6. EJEMPLOS ......................................................................................................................................... 146

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5.7. 5.8

PLANOS, REPRESENTACIÓN Y DESIGNACIÓN .................................................................................... 178 AGARRE, LONGITUD DEL PERNO ...................................................................................................... 181

VI. . ESPECIFICACIONES DE COLOCACION DE LOS PERNOS DE ALTA RESISTENCIA ............................184 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7.

GENERAL .......................................................................................................................................... 184 PARTES APERNADAS......................................................................................................................... 184 TRACCIÓN DE LOS PERNOS ............................................................................................................... 185 MÉTODOS DE APRIETE ...................................................................................................................... 187 MÉTODO DE GIRO DE LA TUERCA ..................................................................................................... 190 APRIETE CON LLAVES CALIBRADAS (DE TORQUE) ........................................................................... 194 ESPECIFICACIÓN A.I.S.C. SOBRE REGULACIÓN DE LLAVES CALIBRADAS ....................................... 195

VII. INSPECCION ..........................................................196 7.1. ESPECIFICACIÓN A.I.S.C. - INSPECCIÓN GENERAL ........................................................................... 196 7.1.1. Llave de inspección ...................................................................................................................... 197 7.1.2. Dispositivo de calibración ........................................................................................................... 197 7.1.3. Llave de torque manual ............................................................................................................... 198 7.1.4. Llave neumática ........................................................................................................................... 198 7.1.5. Aplicación del torque de inspección ............................................................................................ 198 7.2. CONCLUSIÓN .................................................................................................................................... 200

VIII. BIBLIOGRAFIA ....................................................204

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INTRODUCCION En los proyectos de construcciones de acero, después que el Ingeniero Estructural ha hecho el dimensionamiento de la estructura, se debe resolver el problema de conectar los elementos estructurales. Según el tipo de conector utilizado podemos distinguir tres tipos de conexiones, a saber: • Conexiones Remachadas • Conexiones Soldadas • Conexiones Apernadas Además de estos tipos de conexiones, existen conexiones con pasadores y pernos calibrados, las que se usan en elementos mecánicos o empalmes especiales, encontrándose en etapa de pruebas y de investigación el empleo de adhesivos. La Conexión Remachada ha cumplido un papel fundamental en el desarrollo de la Construcción en Acero. Sin embargo, en la actualidad, ella esta siendo desplazada por la Conexión Apernada; este reemplazo se ha acelerado con la aparición del Perno de Alta Resistencia. Las Conexiones Apernadas pueden utilizar dos tipos de conectores:

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• Pernos Corrientes • Pernos de Alta Resistencia. La Norma Nch-427ER76, "Especificaciones para el cálculo de Estructuras de Acero en Edificios", especifica las limitaciones para el uso de pernos corrientes y los casos de uso obligado de pernos de Alta Resistencia, si se desea usar conexiones apernadas en un proyecto de construcción en acero. En la actualidad, en la gran mayoría de las construcciones de acero de estructura pesada y básicamente en las obras industriales y de infraestructura sometidas a fuertes solicitaciones, el conector de terreno por excelencia es el Perno de Alta Resistencia.

DEFINICION El perno de Alta Resistencia (P.A.R.) es un conector mecánico de cabeza y tuerca hexagonal fuerte, hecho de acero al carbono, tratado térmicamente, de alta tensión de ruptura y tensión de fluencia entre 5,5 y 6,5 (ton.f/cm²) que permite pretensarlos con el objeto de proveer una fuerza de apriete (clamping-force), tal que impida el resbalamiento de los elementos a conectar. Al nivel de tracción especificado para la colocación se le denomina "carga de prueba".

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OBJETIVO El objetivo de esta publicación es entregar una información integral sobre el tema, abarcando los procesos de Fabricación, Diseño, Colocación e Inspección, de tal modo de tener concentrado en un solo trabajo especificaciones y disposiciones normativas acerca de las conexiones con los Pernos de Alta Resistencia.

METODOLOGIA Este estudio de los Pernos de Alta Resistencia, se centra básicamente en los pernos A-325 y A-490 que son los Pernos de Alta Resistencia de uso corriente en las construcciones de acero del país y cuyas especificaciones se encuentra en la Norma Chilena Nch 427ER76 y en el Manual de Diseño de Estructuras de Acero del Instituto Chileno del Acero (ICHA). Los valores y tablas pertinentes se dan según la normalización A.I.S.C. (1971) y la norma chilena Nch 427ER76 (basada en la rosca ISO adoptada por Nch 2115), atendiendo al dualismo dimensional existente en el sentido de que los Pernos de Alta Resistencia se especifican en milímetros según Nch 427ER76, pero en la práctica se compran y se fabrican según la especificación A.S.T.M. correspondiente. En general en éste trabajo nos referiremos a las especificaciones A.S.T.M. y su relación o incorporación a las normas correspondientes del Instituto Nacional de 'Normalización (I.N.N.)

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I.

ANTECEDENTES HISTORICOS SOBRE EL PERNO DE ALTA RESISTENCIA 1.1.

Historia de su Investigación y Desarrollo (8.l.) Toda innovación tecnológica tiene como etapas previas a su aplicación un

largo proceso de ensayos e investigación, siendo ellas determinantes en el éxito de la innovación y en su desarrollo posterior. En el caso de los Pernos de Alta Resistencia, los señores Batho y Bateman fueron los primeros en sostener que estos conectores podían usarse en el armado de estructuras de acero. En 1934 ellos informaron al Comité de Estructuras de Acero de Investigación científica e Industrial de Gran Bretaña, que los pernos pueden apretarse lo suficiente como para evitar el resbalamiento en las juntas o uniones estructurales. El trabajo fue sostenido por Wilson en 1938 quien describió las pruebas de fatiga, demostrando que los pernos de alta resistencia, apreciablemente más pequeños que los agujeros en los que se insertan, presentan una resistencia a la fatiga igual o superior a la de los remaches correctamente colocados, cuando las tuercas se aprietan como para producir una tensión alta en el perno. Poco más se hizo respecto a la Apernadura de Alta Resistencia hasta 1947, cuando se forma en Estados Unidos de Norteamérica "The Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints of the Engineering Foundation” (en este trabajo lo designaremos coro el Consejo de Investigación).

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Este Consejo fue el mayor impulsor del desarrollo de la Apernadura de Alta Resistencia. La Asociación Americana de Ingenieros de Ferrocarriles, considerando que los Pernos de Alta Resistencia podían ser extremadamente útiles en el mantenimiento de puentes, también amparó el trabajo del Consejo de Investigación. El Consejo de Investigación editó su primera especificación en 1951, después de haber examinado los resultados de estudios de laboratorio y de terreno. Esta especificación permitió el reemplazo de pernos por remaches en la base de uno por uno. Se permitió una huelga de 1/16 de pulgada (l,5mm), en el agujero. Los proyectistas fueron aprehensivos al comienzo con respecto a la huelga permisible que era mucho mayor que los pocos milésimos medidos en las uniones remachadas, pero quedó demostrado que esa huelga era enteramente satisfactoria. Una especificación revisada fue editada en 1954, en la cual se tomó en cuenta el conocimiento ganado con las investigaciones posteriores y las experiencias en terreno. La revisión incluyó la autorización para usar golillas planas sobre superficies de inclinación menor o igual a 1:20 y recomendaciones para instalaciones con herramientas de impacto. Debido a que el resbalamiento en la unión no siempre es objetable, se reconoció una conexión del tipo "aplastamiento", Bearing Type, permitiéndose el empalme de superficies pintadas en este tipo de conexión.

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El anexo a las especificaciones de 1954, editado a fines de 1955, respondió a las cuestiones relacionadas con la aplicación de la especificación. El anexo también permitió la pretensión de acuerdo con el método una vuelta más de la tuerca desde el apriete manual. La edición de la especificación de l960, reconoció la mayor resistencia del perno A-325, que fuera concienzudamente probado en uniones grandes en la Universidad de Lehigh. A los proyectistas ya no se les exigía reemplazar un perno por un remache; podían aprovechar la ventaja de las características de superior resistencia del perno, puesto que los esfuerzos de cizallamiento permisibles fueron aumentados en un 45% en las conexiones del tipo aplastamiento, siempre que los hilos quedasen fuera del plano de cizallamiento. La tensión mínima del perno fue aumentada para determinar la carga de prueba, se modificaron los procedimientos de colocación para permitir el método de “Giro de la Tuerca” (Turn of nut), sugerido por la empresa Bethlehem Steel. El tamaño especificado de las golillas templadas fue reducido, exigiéndose las golillas sólo debajo del elemento de giro (cabeza del perno o tuerca). En Marzo de 1962 se incorporaron revisiones adicionales a las especificaciones del Consejo de Investigación. Los pernos de alta resistencia instalados de acuerdo al método de giro de la tuerca no necesitaron llevar golillas debajo de la

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cabeza del perno o de la tuerca. Las pruebas ejecutadas en la Universidad de Illinois demostraron que una unión resultaba satisfactoria aún sin el empleo de la golilla. También demostraron las investigaciones posteriores que media (1/2) vuelta de la tuerca después de un apriete manual resultaba satisfactoria para dar al perno la pretensión requerida, sin tomar en cuenta ni el diámetro ni el largo del perno. Sin embargo, se exigió un cuarto de vuelta adicional para cada superficie inclinada con inclinación > 1:20, cuando no se usaran golillas inclinadas. Los pernos de alta resistencia son lo suficientemente dúctiles como para deformarse con ésta inclinación 1:20. Inclinaciones mayores son inconvenientes puesto que afectan la resistencia y la ductilidad. Gran parte del trabajo emprendido en 1962 tendió al desarrollo de un perno de mayor resistencia (A 490) para ser usado con aceros de alta resistencia. En 1964 el Consejo de Investigación incorporó el perno A 490 a sus especificaciones. Para hacer aplicable la especificación del Consejo a ambos pernos, A 325 y A 490,el método de "Giro de la Tuerca” fue modificado nuevamente. Los estudios iniciales indicaron que los pernos A 490 más largos que 8 pulgadas (u ocho diámetros), requerían más giro para lograr la tensión adecuada.

Aunque los pernos A 325 no requerían ésta rotación adicional, la

especificación estipuló el mismo procedimiento por motivos de uniformidad. Las exigencias con respecto a las golillas templadas fueron reducidas aún más, en vista que las investigaciones demostraron que la función primordial de ellas consistía en proporcionar una superficie no irritada debajo del elemento girado. Se exigió la colocación de golillas debajo de la tuerca y de la cabeza del perno al usar pernos A 490

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para unir material de un límite de fluencia inferior a 40 Ksi, (2800 Kg/cm²), pero sólo debajo del elemento airado cuando se instalan en aceros de mayor resistencia. También se exigió que los pernos A 490 debían apretarse hasta su carga de prueba o de colocación especificada, tal como se exigía a los pernos A 325. En Septiembre de 1966 se publicó la sexta edición de las especificaciones del Consejo. Las mayores modificaciones se refirieron al perno A 490. Los estudios de calibración demostraron que los pernos de alta resistencia tienen capacidades límites de carga en esfuerzo de torsión, que varían corrientemente entre el 80 y el 90% de su resistencia a la tracción directa. Como la razón entre la carga de prueba o de colocación y la resistencia a la tracción mínima especificada es de 0,8 para los pernos A 490, los pernos con propiedades mínimas de resistencia que experimentaron la máxima reducción debido a la torsión, no pudieron ser apretados hasta la carga de prueba por ningún método de instalación. También revelaron los estudios efectuados Gill, que el apriete hasta el nivel de la carga de prueba de los pernos A 490 bajo control de una herramienta calibrada podía tener como consecuencia la falla por torsión del perno durante la instalación y, en algunos casos, conducir a un apriete insuficiente. Como resultado de estas investigaciones, la tensión instalada exigida o carga de prueba para los pernos A 490 fue reducida al 70% de la resistencia a la tracción mínima especificada. La pre-carga exigida para los pernos A 325 también fue fijada en este mismo valor. Esto sólo exigió ligeros cambios, puesto que la razón entre la carga de prueba y la resistencia a la tracción mínima especificada era aproximadamente igual al 70% para los pernos A 325.

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Como la resistencia al resbalamiento depende de la pre-carga del perno, la resistencia admisible para los pernos A 490 en las uniones del tipo de fricción fue reducida para reflejar la disminución de la fuerza de sujeción requerida. Esta modificación no fue necesaria para las uniones tipo aplastamiento. Estas uniones no dependen de la pretensión del perno de alta resistencia para soportar las cargas aplicadas. Nuevas revisiones de la especificación del Consejo se han efectuado en Abril de 1972 y Mayo de 1974. Las modificaciones principales de ésta última revisión se refieren al método de apriete por "Giro de la Tuerca". Las investigaciones realizadas por Munse mostraron que los pernos A 325 y A 490 que tienen una longitud igual o menor que 4 diámetros, alcanzan la pretensión necesaria dándoles una rotación inferior a 1/2 vuelta especificada en la revisión de 1972. Por este motivo, para pernos A 325 y A 490 de longitud menor o igual a 4 diámetros, la rotación adicional se redujo a 1/3 de vuelta desde la posición ajustada. Ultimamente la actividad del Consejo de Investigaciones se ha dirigido, a estudiar los tratamientos de las superficies de contacto, el empleo de pernos de alta resistencia en estructuras galvanizadas, la influencia de agujeros ranurados (alargados) y el comportamiento estático y de fatiga de uniones apernadas de elementos de acero de alta resistencia. Las especificaciones vigentes de los pernos A 325 y A 490 son las ASTM A 325-76c y A 490-76a publicadas en Diciembre de 1976.

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1.2.

Desarrollo en Chile En nuestro país no se ha desarrollado investigación respecto al perno de

alta resistencia, sino que solamente se han aplicado a las construcciones de acero las experiencias e investigaciones del Consejo de Investigación. En el Manual de Diseño de Estructuras de Acero ICHA- Edición 1976, todas las especificaciones respecto a los pernos de alta resistencia están referidas a las especificaciones A.S.T.M. y a las recomendaciones de la International Organization for Standarization “ISO”. Una de las primeras aplicaciones de pernos de alta resistencia en Chile tuvo lugar en el año 1958, en la ampliación de un laminador de la Cía. de Acero del Pacífico donde se utilizaron “Dardalets”, un tipo de perno de alta resistencia estriado cuyos agujeros debían escariarse. En el año 1960, se utilizaron pernos de alta resistencia A 325 en la ampliación de otra unidad de la Cía. de Acero del Pacífico. Desde esa fecha la utilización del perno de alta resistencia ha sido creciente y su uso se ha generalizado en las conexiones de terreno de los más importantes proyectos desarrollados en el país, entre los cuales podemos citar:

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a.-

Ampliación de las instalaciones de la gran Minería del Cobre en las divisiones de: • Chuquicamata • Exótica • El Teniente • Andina.

b.-

Ampliaciones y construcciones de plantas de celulosa y papel: • Celulosa Arauco S.A. • Celulosa Constitución S.A.

c.-

Instalaciones de la Cía. de Acero del Pacífico: • Planta de Cal y Dolomita • Planta de tratamiento de agua • Acería Conox • Laminador de 4 marcos • Planta de pellets • Talleres de planta industrial ASMAR (THNO) Además de estos proyectos ya construidos y en funciones, algunos de los

cuales tienen inversiones que sobrepasan los U$ 100.000.000, existen actualmente numerosos proyectos en etapa de ingeniería de detalle que también utilizan el P.A.R. como conector de terreno, algunos de ellos son:

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a.-

Ampliaciones de las instalaciones de la Cía. Manufacturera de Papeles y Cartones en sus plantas: • Valdivia • Laja • Puente Alto

b.-

Ampliaciones de Codelco • Concentrador División Chuquicamata

c.-

Ampliaciones de Instalaciones de Cía. de Acero del Pacífico. • Canchas de materias primas

d.-

Mineral de Cobre "El Indio" En nuestro país, la Industria American Screw Chile fabrica desde 1962

pernos de alta resistencia calidad A.S.T.M. A 325 y A 490, facilitando con ello su empleo en las construcciones de acero.

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II.

TIPOS DE PERNOS DE ALTA RESISTENCIA 2.1.

Especificaciones Los dos tipos de pernos de alta resistencia de mayor utilización en el país

son los especificados bajo las denominaciones A.S.T.M. A 325 y A 490. Estos elementos de sujeción son pernos estructurales de cabeza hexagonal fuerte, con un largo de hilo menor que el de pernos utilizados para otros fines, dotados de tuercas fuertes hexagonales semiterminadas, con requisitos químicos y mecánicos cubiertos por las especificaciones A.S.T.M. A 325 y A 490 y aprobados por el Consejo de Investigación. Deben haber sido tratados térmicamente, templados (quenching) y revenidos (tempering). Todos los pernos de alta resistencia deben usarse con tuercas y golillas adecuadas, tratadas térmicamente, semiterminadas y endurecidas. Las tuercas adecuadas corresponden a los grados 2 y 2H de la especificación A.S.T.M. A 194 y a los grados D y DH de la especificación A.S.T.M. A 563. Las golillas que deben utilizarse, corresponden a golillas planas endurecidas definidas por la especificación A.S.T.M. F 436 (for Hardened Steel Washer for use with Strenght Bolts). En la tabla Nº1 se indica las propiedades mecánicas y características especificadas para los pernos de alta resistencia A 325 y A 490.

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PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS PAR A325 Y A490 DESIGNACION ASTM

A325

A490

MATERIAL

TRATAMIENTO TERMICO

ACERO AL CARBONO MEDIO ACERO ALEADO

TEMPLADO Y REVENIDO 800ºF (427ºC) TEMPLADO Y REVENIDO 850ºF (454ºC)

PROPIEDADES MECANICAS ΦNominal (in) Tensión (psi)* DUREZA BRINNEL ROCKWELL C ½ a1 120,000 248 - 331 24 - 35 1¹/8 a 1¹/2

105,000

223 - 293

19 - 31

½ a 1½

150000

311 - 352

33 - 38

Tabla N°1

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2.2.

Perno A 325

2.2.1. Calidad Los pernos de alta resistencia A 325 son fabricados de acero al carbono medio, tratados térmicamente, templados y revenidos, y su calidad corresponde al grado 5 de la clasificación A.S.T.M. Existen tres tipos de pernos de alta resistencia que cumplen los requerimientos mecánicos y químicos de la especificación A.S.T.M. A 325, ellos son los tipos 1, 2 y 3. TIPO 1: Son pernos fabricados de acero al carbono medio, proporcionados en diámetros de 1/2 a 1 1/2 pulgadas inclusive. TIPO 2: Son pernos fabricados de acero martensítico de bajo carbono, proporcionados en diámetros de 1/2 a 1 1/2 pulgadas inclusive. TIPO 3: Son pernos de diámetro de 1/2 a 1 1/2 pulgadas inclusive, con características de resistencia a la corrosión y al desgaste por agentes atmosféricos similares a los aceros especificados en A.S.T.M. A 588, A 242 y A 709 (éstos aceros tienen una

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resistencia a la corrosión atmosférica aproximadamente igual a dos veces la resistencia a la corrosión del acero estructural al carbono con cobre). Las tuercas y golillas usadas con éstos pernos también tienen características de resistencia a la corrosión y a los agentes atmosféricos. 2.2.2. Identificación Todos los pernos de alta resistencia A 325 tipo 1, 2 y 3 deben llevar la leyenda A 325 v una marca identificando al fabricante. El perno de alta resistencia A 325 tipo 1, a opción del fabricante, puede ser marcado con tres líneas radiales formando ángulos de 120° entre ellas. (Ver figura 1). El perno de alta resistencia A 325 tipo 2, debe estar marcado con tres líneas radiales que formen ángulos de 60° (Ver figura l). El perno de alta resistencia A 325 tipo 3, debe ser marcado subrayando la leyenda A 325 (Ver figura 1) y el fabricante puede colocar otra identificación señalando que el perno es resistente a la corrosión y a los ataques de los agentes atmosféricos (Ver figura l). Todas estas marcas deben ser colocadas sobre la cara frontal de la cabeza del perno y ellas pueden ser sobre o bajo relieve a opción del fabricante. 2.2.3. Pernos fabricados en Chile

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En el país se fabrica solamente perno de alta resistencia tipo 1. Las características mecánicas de los pernos de alta resistencia fabricados en Chile son:

PERNO

A325

Diametros (in). φ ≤ 1´´ 1 1/8´´ ≤ 1 1/2´´

Resistencia Mínima a la Ruptura

85 (kgf/mm²)

75 Kg/mm²

Límite de Fluencia Minima

65 (kgf/mm²)

57 Kg/mm²

Dureza * Dureza Rockwell

25 - 35 Rc*

19 - 31 Rc*

Tabla N°2

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2.3.

Perno A 490

2.3.1. Calidad Los pernos de alta resistencia A.S.T.M. A 490 son conectores mecánicos fabricados de acero aleado, tratados térmicamente, templados y recocidos, su calidad corresponde al grado 8 de la clasificación A.S.T.M. 2.3.2. Identificación Los pernos de alta resistencia A 490 se identifican por llevar en la cara frontal de la cabeza del perno la marca A 490 y la identificación del fabricante (Ver figura 1); la marca puede ser de resalte o depresión. 2.3.3. Pernos fabricados en Chile Las características mecánicas del perno de alta resistencia A 490 fabricado en Chile por "American Screw Chile" son:

PERNO

A490

Resistencia Mínima a la Tracción

105 kg/mm²

Límite de Fluencia

81 kgf/mm²

Dureza * Dureza Rockwell

32 - 38 Rc* Tabla N°3

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Figura N°1- Identificación Pernos

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2.4.

Dimensiones En las tablas siguientes se indican las dimensiones de los pernos, tuercas,

golillas y roscas. Las tablas N° 4, 7 y 8 están basadas en las especificaciones del "Manual of Steel Constructioon" del American Institute of Steel Construction. Las tablas N° 5, 6 y 9 están basadas en las especificaciones del "Manual de Diseño rara Estructuras de Acero" del Instituto Chileno del Acero.

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2.4.1. Dimensiones de pernos y tuercas

a) DIMENSIONES PERNOS Y TUERCAS (A.I.S.C NORMA A.N.S.I B 18.2.1). Φ NOMINAL

D ¹/2 5./8 3./4 7/.8

PERNOS (in) DISTANCIA ALTURA ENTRE DE CARAS CABEZA F H 7./8 5./16 1¹/16 25/64 1¹/4 15/32 1 7/16 35/64

LONGITUD HILO T 1 1 1/4 1 3/8 1 1/2

TUERCAS (in) DISTANCIA ALTURA ENTRE DE CARAS CABEZA W H 7./8 31/64 1 1/16 39/64 1 1/4 47/64 1 7/ 16 55/64

1 1¹/8 1¹/4 1³/8

1 5/8 1 13/16 2 2 3/16

39/64 11./16 25/32 27/32

1 3/4 2 2 2 1/4

1 5/8 1 13/16 2 2 3/16

63/34 1 7/64 1 7/32 1 11/32

1¹/2

2 3/8

15/16

2 1/4

2 3/8

1 15/32

Tabla N°4

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b) DIMENSIONES PERNOS Y TUERCAS (ICHA - NORMA ISO R272). (ISO = INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION)

Φ NOMINAL (mm)

D 12 14 16 18 20

DISTANCIA ENTRE VERTICES E 25.4 27.7 31.2 34.6 36.9

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41.6

24 27 30 33 36 39

47.3 53.1 57.7 63.5 69.3 75.1

PERNOS (mm) DISTANCIA ALTURA ENTRE DE CARAS CABEZA F H 22 8 24 9 27 10 30 12 32 13 36 14 41 15 46 17 50 19 55 21 60 23 65 25

TUERCAS (mm) LONGITUD DISTANCIA ALTURA HILO ENTRE DE CARAS CABEZA T W H 25 22 11 28 24 13 31 27 15 33 30 16 35 32 18 38 36 19 40 41 22 44 46 24 47 50 26 50 55 29 54 60 31 56 65 34

Tabla N°5

c) LONGITUDES NORMALES La serie de longitudes normales de pernos según el Instituto Chileno del Acero es: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 220, 240, 260, 280, 300 mm.. De acuerdo a las especificaciones del American Institute of Steel Construction, las longitudes normales de pernos varían en 1/4 de pulgada.

22

2.4.2. Dimensiones golillas circulares

Figura N°2

a) Dimensiones Golillas ICHA

b) Dimensiones Golillas A.I.S.C.

Φ Ν ominal

Φ Ν ominal

Dimensiones - ICHA (mm)

PERNO (mm) 12 14

d1 14 16

d2 28 30

e 3.5 3.5

16 18 20 22 24

18 20 22 24 26

34 37 39 44 50

4.0 4.0 4.0 4.0 4.0

27 30 33 36 39

30 33 36 39 42

56 60 66 72 78

4.0 4.0 4.0 4.0 4.0

Tabla N°6

Dimensiones - A.I.S.C. (in)

PERNO (in) 1/2 5/8 3/4 7/8

1 1 1 1

1 1/8 1/4 3/8 1/2

1 1 1 1 1

d1 17/32 11/16 13/16 15/16

d2 1 1/16 1 5/16 1 15/32 1 3/4

emin

emax

0.097 0.122 0.122 0.122

0.177 0.177 0.177 0.177

1/8 1/4 3/8 1/2 5/8

2 2 1/4 2 1/2 2 3/4 3

0.136 0.136 0.136 0.136 0.136

0.177 0.177 0.177 0.177 0.177

Tabla N°7

23

2.4.3. Dimensiones rosca a.- DIMENSIONES ROSCA (HILO A.I.S.C.) PERFIL BASICO

Se llama perfil básico de una rosca a la configuración geométrica que la genera. El perfil básico requerido por la especificación A.S.T.M., corresponde a lo prescrito para pernos estructurales especificados por "The American National for Square and Hex Bolts and Screws” (A.N.S.I. B 18.2.1.). La rosca (hilo) debe ser de la serie hilo grueso especificado por "American National Standard for Unified Screw Threads” (ANSI B1.1) clase 2A. D = Diámetro básico mayor K = Diámetro de la raíz Area de Tracción = 0.7854 (D – 0.9743/n)² n = Número de hilos por pulgadas

24

Figura N°3

DIMENSIONES ROSCA Y PERFIL BASICO DIAMETROS Nominal De la Raiz D K (in) (in²) 1/2 0.400 5/8 0.507 3/4 0.620 7/8 0.731 1 0.838 1 1/8 0.939 1 1/4 1.064 1 3/8 1.158 1 1/2 1.283

Nominal Ad (in²) 0.196 0.307 0.442 0.601 0.785 0.994 1.227 1.485 1.767

(A.I.S.C)

AREAS Hilos por De la raiz De Tracción Pulgada Ak At n (in²) (in²) 0.126 0.142 13 0.202 0.226 11 0.302 0.334 10 0.419 0.462 9 0.551 0.606 8 0.693 0.763 7 0.890 0.969 7 1.050 1.160 6 1.290 1.410 6

Paso P (in) 0.076 0.091 0.100 0.111 0.125 0.143 0.143 0.166 0.166

Tabla N°8

25

b.- DIMENSIONES ROSCA (HILO-ICHA) PERFIL BASICO

El perfil básico de los pernos y elementos con hilo de uso estructural está especificado en la Norma Nch 2115a74 (Ingeniería Mecánica, Rosca Métrica ISO, Perfil Básico, Dimensiones Métricas). DIAMETROS Y PASOS

La serie de diámetros normales y su paso asociado para pernos de uso estructural está señalada en Nch 2114a74 y corresponde a la primera y segunda preferencia en el rango entre 6 y 39 mm. Los pasos asociados corresponden a la serie gruesa indicada en esa norma (Ingeniería Mecánica, Rosca Métrica ISO, Diámetro y pasos. Serie General). En el cálculo de la resistencia a la tracción de pernos corrientes y elementos con hilos es necesario encontrar el área de tracción, la que se calcula mediante la siguiente fórmula: At = (π/16) *(d2 + d3) ² en que: d1 = diámetro nominal de la raíz = d – 5/4*H d2 = diámetro nominal sobre los planos = d – ¾*H d3 = diámetro nominal del núcleo = d1 – H/6

26

En cuanto al cálculo del área de tracción de pernos de alta resistencia, se considera simplemente el diámetro nominal. Ad = (π/4)*d²

27

Figura N°4 DIMENSIONES ROSCA Y PERFIL BASICO DIAMETROS Nominal De la Raiz d d1 (mm) (mm) 12 10.106 14 11.835

Nominal Ad (cm²) 1.131 1.539

(ICHA)

AREAS Hilos por De la raiz De Tracción (mm) Ad1 At n (cm²) (cm²) -0.802 0.843 0.574 1.10 1.15 0.5

Paso P (mm) 1.8 2.0

16 18 20 22 24

13.835 15.294 17.294 19.294 20.752

2.011 2.545 3.142 3.801 4.524

1.50 1.84 2.35 2.92 3.38

1.57 1.92 2.45 3.03 3.53

0.5 0.4 0.4 0.4 0.33

2.0 2.5 2.5 2.5 3.0

27 30 33 36 39

23.752 26.211 29.211 31.670 34.670

5.726 7.069 8.553 10.179 11.946

4.43 5.40 6.70 7.88 9.44

4.59 5.61 6.94 8.17 9.76

0.33 0.281 0.285 0.25 0.25

3.0 3.5 3.5 4.0 4.0

Tabla N°9

28

2.5.

Pernos de Alta Resistencia Galvanizados Las propiedades mecánicas, esto es, la carga de prueba y la resistencia a la

tracción no son afectadas por el proceso de galvanización, sin embargo, es posible que un perno presente la falla de enroscado o cortadura del hilo (chilenismo hilo rodado) durante la instalación, debido a la mayor resistencia funcional producida por las raspaduras de zinc sobre los hilos galvanizados del perno y las mayores tolerancias causadas por el terrajado excesivo de la tuerca antes de ser galvanizada. Los estudios realizados en la Universidad de Illinois (1967) revelaron que la resistencia a la tracción de un perno galvanizado se redujo en un 25% cuando se le indujo tracción por torsión, en comparación con la tracción producida por aplicación de solicitación axial. Cuando los hilos de los pernos fueron lubricados con cera de abeja la reducción fue sólo de un 12%, comparable con el valor de pernos sin galvanizar. El relajamiento de la tensión del perno o pérdida de la tensión de apriete para conexiones galvanizadas fue aproximadamente el doble que la del perno sin galvanizar. El monto del relajamiento aparentemente guarda relación con el espesor del revestimiento galvanizado y lleva a la conclusión que el mayor relajamiento del perno es debido al arrastre o flujo del recubrimiento de zinc bajo sostenidas y altas presiones de agarre. La especificación A.S.T.M. A 325 en su punto 1.6, indica que cuando se especifican pernos de alta resistencia galvanizados, los pernos deben ser A 325 del tipo 1, a

29

menos que el comprador especifique otra cosa, las tuercas deben ser del grado DH A.S.T.M. A 563 o grado DH A.S.T.M. A 194 y las golillas deben ser templadas y revenidas.

2.6.

Pernos de Alta Resistencia Especiales Además de los pernos de alta resistencia A 325 y A 490, se ofrecen en el

mercado (U.S.A.) otros tipos de pernos de alta resistencia con algunas características especiales, entre ellos podemos señalar: El perno "Bearing" de sujección, presión o descanso, de cuerpo estriado de la firma Bethlehem Steel y la tuerca de auto sujección de Anco. El perno de cuerdo estriado que cumple los requisitos del perno A 325 tiene resaltes interruptos sobre la espiga con los cuales provoca un ajuste de interferencia en el agujero que impide el desapriete del perno. La tuerca de Anco tiene una clavija de acero especial que recorre los hilos durante el apriete; la tuerca se mantiene apretada porque la clavija actúa como trinquete con el hilo evitando así que se afloje.

30

III. FABRICACION 3.1.

Procesos de Fabricación El proceso de fabricación de los pernos de alta resistencia se inicia con la

revisión de los rollos o barras de acero utilizados como materia prima, de acuerdo a las especificaciones A.S.T.M. A 325 y A 490. Podemos reconocer cinco etapas en la fabricación del perno: • Trefilación • Cabeceo • Recorte • Laminación • Tratamiento térmico 3.1.1. Trefilación En esta etapa se procede a ajustar el material al diámetro requerido, ya que por imperfecciones del proceso de laminado de los rollos o barras, estos no vienen con el diámetro exacto. El trefilado consiste en hacer pasar el material por matrices o mandriles que ajustan las barras al diámetro requerido.

31

3.1.2. Cabeceo Esta etapa se realiza en una máquina de cabeceo, en la que por medio de un golpe se le da una forma circular a la cabeza del perno. En esta etapa quedan estampadas las marcas de identificación del perno. El cabeceo para los pernos de alta resistencia de diámetro mayor o igual a 5/8” se realiza en caliente. 3.1.3. Recorte Una vez realizado el cabeceo, las piezas pasan a una máquina en que por medio de un segundo golpe se produce el recorte hexagonal de la cabeza del perno.

3.1.4. Laminación Cuando el perno esta cabeceado y recortado, se procede a fabricar el hilo correspondiente. Este hilo se fabrica sin desprendimiento de viruta haciendo pasar el vástago del perno entre dos matrices de acero endurecido (Tungsteno) las cuales dejan estampado el hilo. Este proceso tiene la ventaja de no reducir la resistencia del hilo al no desprender viruta y no cortar las fibras, como sucede en el caso del hilo hecho en torno.

32

3.1.5. Tratamiento térmico El tratamiento térmico de los pernos de alta resistencia consiste en un templado (quenching) y un recocido (tempening), que les da las propiedades mecánicas requeridas. 3.1.6. Tuercas La fabricación de las tuercas es similar a la de los pernos en cuanto al cabeceo y recorte, luego se perforan y se fabrica el hilo, terminándose el proceso de fabricación con el tratamiento térmico.

33

3.2.

Especificación A.S.T.M A325-76a Considerando que el perno de alta resistencia A 325 es el perno de uso

habitual, hemos querido describir su especificación de fabricación, que es una traducción parcial de la Norma A.S.T.M. A 325-76a. Esta especificación se refiere a la fabricación de todos los elementos de un perno de alta resistencia: perno, tuerca y golilla. Se definen la calidad de los materiales, tratamiento del acero, dimensiones, características de resistencia mecánica, métodos de ensayo, forma de inspección. Se especifican los requisitos que debe cumplir cada elemento por separado para facilitar su aplicación. 3.2.1. Materiales y tratamientos El acero para pernos deberá ser producido por procesos Siemens-Martin, Convertidor al Oxígeno o por Horno Eléctrico. Los pernos serán fabricados de acero de mediano contenido de carbono, en diámetros desde 1/2 hasta 1 1/2 pulgadas inclusive. Los pernos deben ser tratados mediante templado en un medio líquido con una temperatura sobre la temperatura de austenitización y luego sometidos a un revenido (tempering) por recalentamiento a una temperatura mínima de 427'C (800'F).

34

El hilo de los pernos de alta resistencia debe ser terrajado o laminado (sin desprendimiento de viruta). Las

golillas

serán

preferentemente

templadas

y

revenidas.

Alternativamente pueden ser también carburizadas, templadas y revenidas, pueden usarse con pernos tipo 1 y tipo 2. A no ser que se especifique otro medio, los pernos, tuercas y golillas deben ser galvanizados por inmersión en caliente según los requerimientos de la clase C de la especificación A.S.T.M. A 153. Las tuercas galvanizadas deben ser terrajadas a un tamaño mayor, con un diámetro mínimo especificado en A.S.T.M. A 563. Cuando el comprador lo especifique los pernos, tuercas y golillas deberán ser galvanizados mecánicamente; el revestimiento (capa de zinc) y los productos revestidos deben cumplir los requisitos prescritos para la clase 50 de la especificación A.S.T.M. B 454, o los requisitos de espesor de revestimiento A.S.T.M. A 153. Las tuercas galvanizadas deben ser terrajadas antes del revestimiento y no necesitan ser repasadas después. Las tuercas galvanizadas por inmersión en caliente o mecánicamente deben ser provistas de un lubricante adicional.

35

3.2.2. Composición química Pernos tipo 1 y 2, tuercas y golillas deben cumplir los requisitos de composición química especificados en tabla N° 10. Pernos tipo 3, tuercas y golillas deben cumplir los requisitos de composición química prescritos en tabla N° 11. La selección de la composición química A, B, C, D, E, o F debe ser a opción del fabricante. El análisis del producto puede ser hecho por el comprador, de material terminado representativo de cada lote de pernos, tuercas o golillas No debe permitirse el uso de coladas de acero a las cuales se le han adicionado, bismuto, selenio o plomo.

36

Requisitos de composición química para pernos Tipo 1 y Tipo 2

ELEMENTO

Perno Tipo 1

COMPOSICIÓN QUIMICA EN (%) Perno Tuerca Golilla Tipo 2 Templada carburizada Revenida

Carbono Análisis de Cuchara

0,30 min

0,15 - 0,23

----

----

----

Análisis de Verificación

0,27 min

0,13 - 0,25

----

----

----

Manganeso Análisis de Cuchara

0.5

0.7

----

----

1,00 Max


0.47

0.67

----

----

1,00 Max

Fosforo (Max) Análisis de Cuchara

0.04

0.04

0.12

0.04

0.04


0.048

0.048

0.128

0.05

0.05

Azufre (Max) Análisis de Cuchara

0.05

0.05

0.23

0.05

0.05

0.058

0.058

----

0.06

0.06

Boro (Min) Análisis de Cuchara

----

0.0005

----

----

----


----

0.0005

----

----

----


Tabla N°10

37

Requisitos de composición química par pernos Tipo 3 COMPOSICIÓN QUIMICA PERNO TIPO 3 B C D E

ELEMENTO A Carbono Análisis de Cuchara Análisis de Verificación Manganeso Análisis de Cuchara

EN (%) F

Tuerca Tipo 3

Golilla Tipo 3

.33

.40

,38

,48

,15

,25

,15

,25

,20

,25

,20

,25

----

----

.31

.42

,36

,50

,14

,26

,14

,26

,18

,27

,19

,26

----

----

,90

,20

,70

,90

,80

1,35

,40

1,20

,60

1,00

,90 1,20

----

----

,124

,67

,93

,76

1,39

,36

1,24

,56

1,04

,86 1,24

----

----

Análisis de Verificación Fosforo Análisis de Cuchara

,86

,040 max

,06

,120

,035 max

,040 max

,040 max

,040 max

,07

,15

,040 max

Análisis de Verificación Azufre Análisis de Cuchara

,045 max

,06

,125

,040 max

,045 max

,040 max

,040 max

,07

,15

,045 max

,05 max

,050

max

,040 max

,050 max

,040 max

,040 max

,050 max

,050 max

Análisis de Verificación Silicio Análisis de Cuchara

,055 max

,055 max

,045 max

,055 max

,045 max

,045 max

,055 max

,055 max

,15

,30

,30

,50

,15

,30

,25

,50

,15

,30

,15

,30

,20

,90

,15

,30

Análisis de Verificación Cobre Análisis de Cuchara

,13

,32

,25

,55

,13

,32

,20

,55

,13

,32

,13

,32

,15

,95

,13

,32

,25 ,45

,20

,40

,20

,50

,30

,50

,30

,60

,20

,40

,25

,55

,25

,45

Análisis de Verificación Niquel Análisis de Cuchara

,22 ,48

,17 ,43

,17

,53

,27

,53

,27 ,63

,17

,43

,22

,58

,22

,48

,25

,45

,50

,80

,25

,50

,50

,80

,30

,60

,20

,40

100 max

,25

,45

Análisis de Verificación Cromo Análisis de Cuchara

,22

,48

,47 ,83

,22

,53

,47

,83

,27

,63

,17

,43

103 max

,22

,48

,45

,65

,50

,75

,30

,50

,50 1,00

,60

,90

,45

,65

,30 1,25

,45

,65

Análisis de Verificación Vanadio Análisis de Cuchara

,42

,68

,47

,83

,27

,53

,45 1,05

,55

,95

,42

,68

,25 1,30

,42 ,68

----

----

,020 min

----

----

----

----

----

Análisis de Verificación Molibdeno Análisis de Cuchara

----

----

,010 min

----

----

----

----

----

----

,06 max

----

,10 max

----

----

----

----

Análisis de Verificación Titanio Análisis de Cuchara

----

,07 max

----

,11 max

----

----

----

----

----

----

----

,05 max

----

----

----

----


----

----

----

----

----

----

----

----

Tabla N°11

38

3.2.3. Dimensiones y tolerancias de fabricación Los pernos de cabeza hexagonal deberán ser pernos que cumplan con las dimensiones para pernos estructurales hexagonales pesados, especificadas en la Norma A.N.S.I. B 18.2.1.

Figura N°5

En tablas N° 12 y 13 se indican las dimensiones y tolerancias de fabricación para pernos.

39

DIMENSIONES Y TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN DE PERNOS Φ Ν ominal o Φ Básico mayor del Hilo (in) 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8 1 1/2

Φ del

ANCHO ENTRE CARAS

0.500 0.625 0.750 0.875

cuerpo máximo (in) 0.515 0.642 0.768 0.895

Básico (in) 7/8 1 1/16 1 1/4 1 7/16

Máximo (in) 0.875 1.0625 1.25 1.4375

Mínimo (in) 0.85 1.031 1.212 1.394

1.000 1.125 1.250 1.375 1.500

1.022 1.149 1.277 1.402 1.531

1 5/8 1 13/16 2 2 3/16 2 3/8

1.625 1.8125 2 2.1875 2.375

1.575 1.756 1.938 2.119 2.3

ANCHO ENTRE ESQUINAS "G" Máximo Mínimo (in) (in) 1.010 0.969 1.227 1.175 1.443 1.383 1.660 1.589 1.876 2.093 2.309 2.526 2.742

1.796 2.002 2.209 2.416 2.622

Tabla N°12

40

DIMENSIONES Y TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN DE PERNOS Φ Ν ominal o Φ Básico mayor del Hilo (in) 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8 1 1/2

ALTURA "H"

0.500 0.625 0.750 0.875

Nominal (in) 5/16 25/64 15/32 35/64

Máxima (in) 0.323 0.403 0.483 0.563

Mínima (in) 0.302 0.378 0.455 0.531

1.000 1.125 1.250 1.375 1.500

39/64 11/16 25/32 27/32 15/16

0.627 0.718 0.813 0.878 0.974

0.591 0.658 0.749 0.81 0.902

RADIO DEL Longitud Término FILETE "R" del Hilo "T" del Hilo "Y" Máximo Mínimo Nominal Máximo (in) (in) (in) (in) 0.031 0.009 1 3/16 0.062 0.021 1 1/4 7/32 0.062 0.021 1 3/8 1/4 0.062 0.031 1 1/2 9/32 0.093 0.093 0.093 0.093 0.093

0.062 0.062 0.062 0.062 0.062

1 3/4 2 2 2 1/4 2 1/4

5/16 11/32 3/8 7/16 7/16

Tabla N°13

41

La conicidad (taper) de la cabeza, ángulo entre un lado y el eje, no deberá exceder de 2 grados, siendo la dimensión mayor la especificada como ancho entre caras (F). El tope de la cabeza deberá ser plano y achaflanado. El diámetro del circulo del tope será el ancho máximo entre caras con una tolerancia menor del 15%. La superficie de apoyo debe ser plana y con forma de golilla (washer faced). El diámetro de la forma de golilla deberá ser igual al 95% del ancho máximo entre caras con una tolerancia de más o menos 5%. La superficie de apoyo deberá estar en ángulo recto con el eje del cuerpo, con una tolerancia de 2 grados para diámetros hasta 1 pulgada incluido, y con una tolerancia de 1 grado para diámetros mayores de 1 pulgada. La superficie de apoyo deberá ser concéntrica con el eje del cuerpo, con una tolerancia de 3% del ancho máximo entre caras. El hilo deberá ser de la serie de hilo grueso, clase 2A. La punta deberá ser plana y achaflanada o redondeada a elección del fabricante y su longitud no excederá de 1 1/2 hilos del extremo de la punta hasta el primer hilo. Los siguientes símbolos tienen el significado que se expresa a continuación:

42

T= longitud de hilo, es la distancia desde el extremo de la punta del perno hasta el último hilo completo. Las tolerancias para la longitud de hilo se controlan mediante B mínimo y X máximo. L= longitud del perno, es la distancia desde bajo la cabeza hasta el extremo final del perno. Las tolerancias para longitudes de pernos de 6 o menos pulgadas de largo serán las indicadas en la tabla Nº 14.

Diametros (in) 1/2 ; 5/8 3/4 ; 7/8 ; 1 1 1/8 a 1 1/2

Tolerancia (in) 1/8 3/16 1/4 Tabla N°14

Las tolerancias para longitudes de pernos sobre 6 pulgadas serán las indicadas en la tabla N° 15.

Diametros (in) 1/2 5/8 ; 3/4 ; 7/8 ; 1 1 1/8 a 1 1/2

Tolerancia (in) 3/16 1/4 3/8

Tabla Nº15

43

X= longitud de gramil, es la dimensión de control de fabricación. La longitud de gramil es la distancia desde bajo la cabeza hasta la cara del anillo normalizado de medida del hilo (standar go thread ring gage), girado a mano en el perno tan adentro como lo permita el hilo completo. La máxima longitud de gramil para cualquier longitud de perno es igual a la longitud nominal del perno menos la longitud nominal del hilo Xmáx.= Lnom. - Tnom. B= longitud del cuerpo completo, es la distancia desde bajo la cabeza hasta la última marca (o hendidura) del hilo o borde de ángulo de extrusión. La mínima longitud del cuerpo completo es igual a la longitud nominal del hilo del perno menos el máximo espacio de terminación del hilo. Bmin. = Lnom - (Tnom + Ymax) Y= espacio de terminación del hilo (thread run out), es la longitud del hilo incompleto. Los pernos se producen normalmente con incrementos de longitud de 1/4 pulgada, en todas las longitudes. Podrá haber un resalte o engrosamiento razonable bajo la cabeza, o marcas de dado en el cuerpo que no excedan lo siguiente:

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0.030 pulg. para diámetro 1/2 pulgada 0.050 pulg. para diámetro 5/8 y 3/4 pulgadas 0.063 pulg. para diámetro sobre 3/4 hasta 1 1/4 pulgadas 0.093 pulg. para diámetro sobre 1 1/4 pulgadas A menos que se especifique otra cosa, las tuercas hexagonales pesadas deben cumplir los requisitos dimensionales especificados en "The American National Standar for Square and Hex Nuts" A.N.S.I. B 18.2.2. (ver tabla N° 4). Las dimensiones de las golillas deben cumplir lo estipulado en la última especificación para uniones estructurales con pernos de alta resistencia A.S.T.M. A 325 del Consejo de Investigación (Ver tabla N° 7). A menos que se especifique otra cosa, deben proporcionarse golillas circulares y planas.

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3.2.4. Propiedades mecánicas Los pernos de alta resistencia no deben exceder la dureza especificada en la tabla Nº 16. Los pernos cuya longitud sea menor a tres diámetros deben tener una dureza no menor que los valores mínimos de la tabla, ni mayor que los valores máximos de la tabla.

Requisitos de Dureza DIAMETRO DEL PERNO (in) 1/2 a 1 Inclusive 1/8 a 1 1/2 Inclusive

NUMERO DE DUREZA Brinell Rockwell C Mín Max Min Max 241 331 23 35 223 293 19 31 Tabla N°16

Los pernos de 1 1/4" y de menor diámetro deberán ser sometidos a ensayo en su tamaño normal y deberán cumplir los requisitos de resistencia a la ruptura y de carga de prueba o carga de prueba alternativa especificada en la tabla Nº 17.

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Los pernos mayores que 1 1/4" de diámetro deberán ser preferentemente sometidos a ensayos en su tamaño normal, y en este caso, deberán cumplir los requisitos de resistencia a la ruptura y de carga de prueba o carga de prueba alternativa especificada en tabla Nº 17. Cuando no se logre disponer del equipo de capacidad suficiente para el ensayo, los pernos deberán cumplir los requisitos para probeta especificados en tabla N° 19. En el caso de que estos pernos sean ensayados por ambos métodos, el ensayo en tamaño normal manda si existe discrepancia entre ambos ensayos.

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REQUISITOS DE TRACCIÓN PARA PERNOS EN TAMAÑO NORMAL Diametro del perno

hilos por pulgada y designación COLUMNA 1

Area de Tracción

1/2 5/8 3/4 7/8

13 UNC 11 UNC 10 UNC 9 UNC

COLUMNA 2 (in)² (cm)² 0.142 0.92 0.226 1.46 0.334 2.15 0.462 2.98

1 1 1/8 1 1/8 1 1/4 1 1/4

8 UNC 7 UNC 8 UN 7 UNC 8 UN

0.606 0.763 0.79 0.969 1

3.91 4.92 5.1 6.25 6.45

1 3/8 1 3/8 1 1/2 1 1/2

6 UNC 8 UN 6 UNC 8 UN

1.155 1.233 1.405 1.492

7.45 7.95 9.06 9.63

Tracción *min Carga de prueba Met. Medida de Longitud COLUMNA 3 COLUMNA 4 (libras) (libras) 17050 12050 27100 19200 40100 28400 55450 39250 72700 80100 82950 101700 105000

51500 56450 58450 71700 74000

Carga de prueba Met. de resistencia a la Fluencia COLUMNA 5 (libras) 13050 20800 30700 42500 55750 61800 64000 78500 81000

Tabla N°17

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*El área de tracción esta dada por: At = 0.7854 (D – (0.9743/n))² Donde At = Area de tracción en pulgadas cuadradas D = Diámetro nominal del perno N = N° de hilos por pulgada Las cargas tabuladas se basan en lo siguiente:

DIAMETRO DEL PERNO (in) COLUMNA 3 lb/(in²) COLUMNA 4 lb/(in²) COLUMNA 5 lb/(in²) 1/2 a 1 Inclusive 120000 85000 92000 1 1/8 a 1 1/2 Inclusive 105000 74000 81000 Tabla N°18

REQUISITOS DE TRACCIÓN PARA PROBETAS DE PERNOS

Diámetro del Perno 2 1/4; 1 3/8;1 1/2

Resistencia Min. a la Ruptura

Límite Min. de Fluencia

Alargamiento en 2 (in)

Reducción de Área

105000

81000

14

35

Tabla N°19

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Las tuercas de 1 1/8” y de menor diámetro, deberán ser sometidas a ensayo de carga y dureza y cumplir los requisitos especificados en tabla N° 20. Las tuercas de 1 1/4, 1 3/8 y 1 ½, deberán cumplir los requisitos para el ensayo de carga y máxima dureza especificados en tabla N° 20. Las tuercas A.S.T.M. A 194 y A.S.T.M. A 563 deben cumplir los requisitos de ensayo de esas especificaciones. Esos requisitos, incluyendo la carga de prueba, deben también aplicarse a tuercas galvanizadas por inmersión en caliente y las tuercas galvanizadas en caliente. Las golillas templadas y revenidas deben tener una dureza Rockwell de C 36 a C 45. Las golillas carburizadas, templadas y revenidas, deben tener una dureza Rockwell A 69 a A 73 ó dureza R 15 N de 15N79 a 15N83 y deben ser carburizadas con una profundidad de 0.015 in (0.38 mm.) Las golillas, si son galvanizadas por inmersión en caliente, deben tener una dureza Rockwell de C46 a C45.

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CARGA DE PRUEBA Y REQUISITO DE DUREZA PARA TUERCAS Diámetro de la Tuerca Hilos por Pulgada y Designación 1/2 13 UNC 5/8 11 UNC 3/4 10 UNC 7/8 9 UNC

Carga de Prueba Mínima Libras 20450 32550 48100 66550

Dureza Brinell Mínima

Máxima 352 352 352 352

1 1 1/8 1 1/8 1 1/4 1 1/4

8 UNC 7 UNC 8 UN 7 UNC 8 UN

87250 109900 113800 139500 144000

143 143

352 352 352 352 352

1 3/8 1 3/8 1 1/2 1 1/2

6 UNC 8 UN 6 UNC 8 UN

166300 177600 202300 214800

143 143 143 143

352 352 352 352

Tabla N°20

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3.2.5. Métodos de ensayo Los ensayos se harán de acuerdo con el suplemento III de Métodos de ensayo y definiciones A.S.T.M. A 370 para Ensayos Mecánicos de Productos de Acero. Para ensayos de tracción se prefiere que la determinación de la carga de prueba sea efectuada de acuerdo al método 1 de medida de longitud. 3.2.5.1.METODO 1, MEDIDA DE LONGITUD La longitud total de un perno recto se deberá medir sobre su línea de eje efectiva, con un instrumento capaz de medir cambios de longitud de 0,0001 pulgadas (0.0025 mm.) El método referido para medir la longitud será medirla entre centros c6nicos maquinados en el eje central del perno, con centros coincidentes con las puntas del instrumento de medida. La cabeza o cuerpo del perno deberá marcarse de manera de que se pueda colocar en la misma posición para todas las mediciones.

El perno deberá ser

colocado en el dispositivo de ensayo con la carga aplicada axialmente entre la cabeza y la tuerca o un manguito adecuado (ver figura Nº6), debiendo tener cualquiera de ellos, el hilo suficiente para desarrollar la resistencia máxima del perno. La tuerca o el manguito deben ser colocados en el perno dejando cuatros hilos completamente libres entre las mordazas. Se deberá aplicar la carga de prueba indicada en la especificación del producto. Después de quitar la carga deberá medirse nuevamente la longitud del perno y no deberá mostrar alargamiento permanente. Se admitirá una tolerancia de ± 0.0005 pulgadas (0.0127 mm.) entre la medida hecha antes de aplicar la carga, y la que se haga después de quitar la carga.

52

La carga de prueba se mantendrá por un periodo de 10 segundos antes de quitarla, cuando se usa el Método 1.

Figura N°6

53

3.2.5.2. ENSAYO DE CUÑA Los pernos a ensayar a tamaño normal deberán ser ensayados según el Método de Ensayo de Cuña, descrito en S11.1.5 suplemento III de Métodos A.S.T.M. A 370. La fractura se deberá producir en el cuerpo o los hilos del perno, sin ninguna fractura en la unión de la cabeza y el cuerpo. El objeto de este ensayo es determinar la resistencia a la ruptura por tracción, demostrar la calidad de la cabeza y la ductilidad de un perno con cabeza standard sometiéndolo a una carga excéntrica.

La carga de ruptura del perno se determinará

calculando el área resistente con un diámetro promedio entre el de la raíz y el de paso (pitch diameter) de hilos externos Clase 3 como sigue: As= 0.7854 (D - (0.9743/n))² donde: As= área resistente, pulgadas² D= diámetro nominal, pulgadas n= número de hilos por pulgada. Se colocará una cuña de 10° bajo el mismo perno ensayado previamente para la carga de prueba. La cabeza del perno deberá estar colocada de manera que ninguna esquina del hexágono o cuadrado tome carga de aplastamiento, es decir, que una cara

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lateral de la cabeza deberá ser alineada con la dirección del espesor uniforme de la cuña (ver figura 7). La cuña deberá tener un ángulo incluido de 10° entre sus caras y deberá tener un espesor igual a un medio de diámetro nominal en el lado menor del agujero. El agujero en la cuña deberá tener la tolerancia siguiente sobre el diámetro nominal de perno, y sus bordes superior e inferior, deberán ser redondeados a radios siguientes: Diámetro Nominal

Tolerancia del Agujero

Radio de los Bordes del Agujero

(pulg.)

(mm)

(mm)

1/4 a ½

0.76

0.76

9/16 a ¾

1.3

1.5

7/8 a 1

1.5

1.5

1 1/8 a 1 ¼

1.5

3.2

1 3/8 a 1 ½

2.4

3.2

La velocidad del ensayo determinada con una cruceta de giro libre (freerunnng cross head) deberá ser como máximo de 1/8 de pulgada/minuto para la determinación de la carga de prueba para pernos, y como máximo de 1 pulgada/minuto para la determinación de carga ruptura de pernos y de la carga de prueba para tuercas.

55

Figura N°7

56

3.2.5.3.ENSAYO DE DUREZA PARA PERNOS Como se ha especificado, los pernos deben ser sometidos a un ensayo de dureza. El ensayo de dureza de Brinell o de Rockwell se ejecuta normalmente en una en una cara lateral ó en el tope de la cabeza del perno. Para arbitraje final la dureza deberá medirse en un corte transversal a través de la zona con hilo del perno, en un punto a un cuarto del diámetro nominal desde el eje del perno. Este corte deberá hacerse a una distancia del extremo del perno equivalente al diámetro del perno. Debido a posible distorsión por la carga Brinell, se deberá cuidar que este ensayo cumpla todo lo previsto en el inciso 6,2 de la sección general de estos métodos (A.S.T.M. A 370). a) ENAYO BRINELL DESCRIPCION Se aplica a una carga especificada a una superficie plana de la muestra en ensayo, por medio de una esfera dura de diámetro especificado. El diámetro promedio de la hendidura se usa como base para el cálculo del número de dureza Brinell. El cuociente de la carga aplicada dividida por el área de la zona hendida, que se considera esférica, se le denomina número de Dureza Brinell (DB) de acuerdo con la fórmula siguiente: DB = P / (π D/2)(D - √ (D² - d²)) donde:

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DB= número de dureza Brinell P= carga aplicada, Kg D= diámetro de la esfera de acero, mm., y d= diámetro promedio de la hendidura, mm. El ensayo normal Brinell usando una esfera de 10 mm, emplea una carga de 3000 Kg para materiales duros y una carga de 1500 o 500 Kg para secciones delgadas o materiales blandos. Pueden emplearse otras cargas y esferas de diferentes diámetros cuando se especifique. Cuando se informa valores de dureza, se debe indicar el diámetro de la esfera y la carga, excepto cuando se emplea una esfera de 10 mm. y una carga de 3000 Kg.. El equipo debe cumplir los siguientes requisitos: MAQUINA DE ENSAYOS Una maquina de ensayos de dureza Brinell es aceptable para el uso en un rango de carga dentro del cual su dispositivo de medida de la carga mida con una precisión de 3%. MICROSCOPIO MICROMETRICO El microscopio micrométrico o un dispositivo equivalente para medir el diámetro o la profundidad de la hendidura se ajusta de manera que el error de lectura no exceda de 0,02 mm.

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ESFERA STANDARD La esfera standard para el ensayo de dureza Brinell es de 10 mm. (0,3937 pulgadas) de diámetro, con una desviación de este valor de no más de 0,01 mm. (0,0004 pulgadas) en cualquier diámetro. Una esfera adecuada no debe mostrar ningún cambio permanente de diámetro mayor que 0,01 mm. (0,0004 pulgadas) cuando se comprime con una carga de 3000 Kg. contra la probeta de ensayo. PROBETAS DE ENSAYO Los ensayos de dureza Brinell se hacen sobre superficies preparadas y se deberá remover suficiente metal de la superficie para eliminar metal descarburizado y otras irregularidades de superficie. El espesor de la pieza ensayada deberá ser tal que no aparezcan combas u otras marcas producidas por la carga en el lado opuesto a la hendidura. METODO Es esencial que las especificaciones aplicables del producto establezcan claramente la posición en que se deben hacer las hendiduras de dureza Brinell y el número requerido de tales hendiduras. La distancia del centro de la hendidura al borde de la probeta o al borde de otra hendidura deberá ser de al menos tres veces el diámetro de la hendidura.

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Deberá aplicarse la carga por un mínimo de 10 segundos. Deberá medirse dos diámetros de la hendidura en ángulo recto al 0,1 mm. más próximo, estimar a los 0,05 mm. más próximos. Si los dos diámetros difieren por más de 0,1 mm., se descartan las lecturas y se debe hacer una nueva hendidura. No debe usarse una esfera de acero para aceros que tengan una dureza sobre 444 ni una esfera de carburo sobre DB 627. El ensayo Brinell no se recomienda para materiales que tengan una DB sobre 627. Cuando el ensayo de dureza Brinell sea impracticable, deberá ser substituido por el ensayo de dureza Rockwell. El procedimiento para el ensayo de dureza Rockwell deberá ser como se describe a continuación: b) ENSAYO ROCKWELL DESCRIPCION En este ensayo se obtiene un valor de dureza usando una máquina de ensayos de lectura directa, que mide la dureza determinando la profundidad de penetración de una punta de diamante o una esfera de acero dentro de la probeta, bajo ciertas condiciones fijadas arbitrariamente. Primero se aplica una carga pequeña de 10 Kg. la que produce una penetración inicial, fija el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición. Se aplica una carga mayor que depende de la escala que se use, aumentando la profundidad de la hendidura. Se retira la carga mayor y con la carga menor actuando aún, se lee directamente en la esfera del

60

instrumento el número Rockwell, que es proporcional a la diferencia de penetración entre las cargas mayor y menor. Este es un número arbitrario que aumenta con el aumento de dureza. Las escalas usadas con mayor frecuencia son como sigue: Símbolo de Escala

Penetrador

Carga Mayor (Kg.)

Carga Menor (Kg.)

B

Esfera de Acero 1/16

100

10

C

Diamante

150

10

Para ensayos de acero muy delgados o recubrimientos superficiales delgados, se usan máquinas para dureza Rockwell superficial. Se aplican cargas de 15,30 ó 45 Kg. sobre esferas de acero endurecido o penetrador de diamante, para cubrir el mismo rango de valores de dureza superficial. Las escalas usadas son las siguientes: Símbolo de Escala

Penetrador

Carga Mayor (Kg.)

Carga Menor (Kg.)

15 T

Esfera de acero 1/16

15

3

30 T


30

3

45 T


45

3

15 N

Diamante

15

3

30 N

Diamante

30

3

45 N

Diamante

45

3

61

INFORMES DE DUREZA Al informar valores de dureza, el símbolo de escala deberá preceder siempre al número de dureza: B96, C40, 15N75, ó 30T77. BLOQUES DE ENSAYO Las máquinas deberán ser chequeadas por medio de bloques de ensayo estandarizados Rockwell para estar seguros que están en buenas condiciones. 3.2.5.4.ENSAYO PARA PERNOS GALVANIZADOS Los pernos galvanizados deben ser colocados en una unión y montados con una golilla y tuerca galvanizada. La unión debe ser de una o más placas planas de acero estructural de un espesor tal que, incluyendo la golilla, tres o cuatro hilos completos estén ubicados en los planos de aplastamiento entre la cabeza del perno y la tuerca. El agujero en la unión debe tener el mismo diámetro nominal que la golilla. El apriete inicial de la tuerca deberá producir una carga en el perno no menor que el 10% de la carga de prueba especificada. Después de este apriete inicial, la posición de la tuerca debe marcarse y desde esta marca la tuerca debe ser capaz de girar en 360° sin producirse fractura.

62

Durante el giro de la tuerca la cabeza del perno no debe girar. 3.2.5.5. ENSAYO DE COLOCACION Complementando el control de calidad del hilo de los pernos por medio de las tolerancias especificadas, el fabricante de los pernos deberá efectuar ensayos de colocación de los pernos en las mismas condiciones en que serán empleados por el comprador. Para ello, se deberá emplear tuercas y golillas calidad A.S.T.M. A325 aprobadas por el inspector representante del comprador. Este ensayo de colocación se hará en un dispositivo de calibración que indique la tensión del perno directamente en un dial graduado en libras o en Kg. El dispositivo deberá ser un calibrador de tipo Skidmore Wilhelm o equivalente. En este dispositivo, la superficie bajo la parte que va a girar al ser apretado cada perno, deberá estar igual a la parte correspondiente de la estructura en que se vayan a usar, por ejemplo, deberá haber una golilla bajo la parte que gira si se usan golillas en la estructura, y si no se usa golilla el material bajo la parte que gira deberá ser de la misma especificación que el de las estructuras. El elemento de apriete que se utilice deberá ser una llave de impacto de capacidad adecuada y deberá ser alimentada con aire suficiente para obtener el apriete necesario de cada perno en diez (10) segundos aproximadamente. Cada perno se deberá apretar hasta obtener como mínimo la tensión que muestra la tabla siguiente, para cada diámetro.

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Diámetro

Tracción Mínima en:

(Pulgadas)

Libras

Kilogramos

½

12000

5400

5/8

19000

8600

¾

28000

12700

7/8

39000

17600

1

51000

23100

1 1/8

56000

25400

1 1/4

71000

32200

3.2.6. Comprobación de calidad por requisitos mecánicos El fabricante deberá hacer inspecciones de muestro de cada lote de pernos para asegurar que las propiedades de los pernos estén conforme a los requisitos de esta especificación. Todos los pernos deberán ser sometidos a ensayo de inspección antes del embarque, de acuerdo a uno de los métodos de control de calidad descritos más adelante. El fabricante deberá elegir el método que se va a seguir cuando debe proveer pernos para cualquier orden de compra única. El propósito de un programa de inspección por lotes es asegurar que cada lote cumple los requisitos de esta especificación y que los pernos entregados estén libres de defectos conocidos. Para que tal programa sea totalmente efectivo, es fundamental que con posterioridad a la entrega, el comprador continúe manteniendo la identificación e integridad de cada lote hasta que el producto esté colocado en su posición de trabajo.

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3.2.6.1. METODO DE LOTE DE PRODUCCION Todos los pernos deberán ser procesados según un programa de inspección de calidad por lote identificado. El fabricante deberá identificar y conservar la integridad de cada lote de producción de pernos desde la elección del material en bruto, y a través de todas las etapas de procesos y tratamientos hasta su embalaje final y despacho. Cada lote tendrá su propio número de identificación de lote asignado; cada lote será inspeccionado y se conservarán los informes de ensayos de inspección de cada lote. Un lote de producción, para los efectos de asignación de número de identificación, y del cual se elegirán muestras para ensayos, consistirá de todos los pernos que sean procesados esencialmente unidos a través de todos los procesos hasta la caja de embalaje, y que sean del mismo diámetro nominal, la misma longitud nominal, y procedentes de la misma colada de acero. El fabricante deberá hacer ensayos de prueba de carga, prueba de ruptura (ensayo de cuña), y ensayo de dureza para cada lote de pernos, así como ensayo de colocación parea los mismos lotes. De cada lote de producción, la cantidad mínima de ensayos de cada propiedad requerida deberá ser la que sigue:

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Cantidad de Piezas del Lote de Producción

Cantidad de Probetas

800 y menos

1

801 a 8000

2

8001 a 35000

3

35001 a 150000

8

150001 a más

13

Si cualquier muestra de ensayo presenta terminación defectuosa puede ser descartada y sustituida por otra muestra. Los pernos deberán ser embalados en caras de embarque tan pronto como sea practicable después del proceso final. Las cajas de embarque deberán ser marcadas con el número de identificación del lote. Cuando la orden lo especifique, se deberá proporcionar al comprador de una copia del informe de los ensayos de inspección para cada lote de producción del cual se suministran los pernos para cumplir los requisitos de un embarque. No es necesario identificar la colada de acero en el informe de ensayos. 3.2.6.2. METODO DE LOTE DE EMBARQUE La inspección en proceso durante todas las operaciones de fabricación, tratamientos y almacenamiento de los pernos terminados, deberá estar de acuerdo con las prácticas de cada fabricante.

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Antes de embalar los pernos para su embarque, el fabricante deberá someter a ensayos pernos de muestra tomados al azar de cada lote de embarque. Un lote de embarque, para el efecto de seleccionar las muestras de ensayo, se define como la cantidad de pernos del mismo diámetro nominal y de la misma longitud nominal, necesarios para cumplir lo requerido por una sola orden de compra. El fabricante deberá efectuar ensayos para carga de prueba, resistencia a la ruptura por tracción (ensayo de cuña), y de dureza, de cada lote de pernos. Como alternativa , los ensayos pueden ser resistencia a la ruptura por tracción, resistencia al límite de fluencia, reducción de área, alargamiento y dureza. El fabricante deberá además efectuar ensayos de colocación. De cada lote de embarque, el número mínimo de ensayos de cada propiedad requerida deberá ser el que se indica: Número de Piezas en el Lote de Embarque

Número de Probetas

150 y menos

1

151 a 280

2

281 a 500

3

501 a 1200

5

1201 a 3200

8

3201 a 10000

13

10001 y más

20

Si alguna probeta muestra maquineado defectuoso, puede ser descartada y sustituida por otra probeta.

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Cuando se especifique en la orden, se deberá proveer al comprador de una copia del informe de ensayos de inspección por cada lote de embarque. La colada de acero no se identifica en el producto terminado. 3.2.6.3. COMPROBRACION DE CALIDAD POR REQUISISTOS MECANICOS PARA TUERCAS Y GOLILLAS Los requisitos de esta especificación, para tuercas y golillas, se han establecido para una producción masiva y continua, y el fabricante debe hacer simples inspecciones para asegurar que el producto cumple los requisitos especificados. Ensayos adicionales de partidas individuales de material, ordinariamente no se contemplan. Coladas individuales de acero no se identifican en el producto final. Si el comprador requiere que el fabricante realice ensayos adicionales para determinar que las propiedades de tuercas y golillas de una determinada partida cumplen los requisitos especificados, el comprador deberá especificar, en la solicitud de requisición y en la orden de contra, los requisitos de los ensayos, incluyendo el plan de muestreo y bases de aceptación. Las tuercas A.S.T.M. A 194 ó A.S.T.M. A 563 deben ser muestreadas, ensayadas e inspeccionadas según los planes de muestreo y métodos de ensayo descritos en las especificaciones A 194 o A 563. Además, cuando se trate de tuercas galvanizadas por

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inmersión en caliente o galvanizadas mecánicamente, estas deben ser ensayadas según el procedimiento descrito en el párrafo pertinente del punto 3.2.5.4. 3.2.7. Inspección visual de grietas en la cabeza Una grieta es una quebradura abierta en el material. Las grietas pueden ocurrir en la parte plana o en las esquinas de las cabezas de los pernos. Un perno defectuoso, para efectos de la inspección visual de grietas, será cualquier perno que contenga una grieta en la parte plana, y que se extienda dentro de la superficie superior de la cabeza o en la cara de aplastamiento de la cabeza. Un lote, para el propósito de inspección visual, consistirá de todos los pernos de un tipo que tengan el mismo diámetro nominal y longitud, dispuestos para la inspección a un tiempo. Ningún lote debe contener más de 10.000 piezas. Para cada lote de pernos, una muestra debe ser tomada al azar e inspeccionada visualmente para detectar grietas. El tamaño de la muestra debe ser el indicado en la tabla 21. Si el número de pernos defectuosos encontrados durante la inspección por el fabricante es mayor que el número aceptable dado en la tabla 21 para el tamaño de la muestra, todos los pernos del lote deben ser inspeccionados visualmente y los pernos defectuosos deben ser sacados y destruidos.

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Si el número de pernos defectuosos encontrados durante la inspección del comprador es mayor que el número aceptable, para el tamaño de la muestra dado en tabla 21, el lote será rechazado. TAMAÑO DE MUESTRA Y NUMERO DE ACEPTACIÓN PARA INSPECCION DE GRIETAS

Tamaño del Lote 1 a 150 151 a 500 501 a 1200 1201 a 3200 3201 a 10000

Tamaño de la muestra 5 20 32 50 80

Numero de Aceptación 0 1 2 3 5

Tabla N°21

Si el tamaño del lote es menor a 150, se debe inspeccionar todos los pernos del lote. 3.2.8. Marcas Todos los pernos deberán llevar la marca que corresponda según lo especificado en el punto 2.2.2. Todas las marcas deberán ser colocadas al tope de la cabeza del perno y pueden ser de resalte o depresión, a elección del fabricante. 3.2.9. Inspección El inspector representante del comprador debe tener entrada libre, en todo momento en que se esté ejecutando trabajos para el contrato del comprador, a todas partes

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de los talleres del fabricante que conciernan a la fabricación de los materiales ordenados. El fabricante deberá dar al inspector todas las facilidades razonables que le permitan comprobar que el material se está produciendo conforme con esta especificación. Todos los ensayos (excepto los análisis del producto) y la inspección deberán ser hechos en el lugar de fabricación antes de su embarque, a menos que se especifique en otra forma, y deberán ser programados de tal manera de no interferir innecesariamente con la operación de los talleres. Si la inspección descrita en el párrafo precedente es requerida por el comprador, deberá especificarlo en el pedido de cotización y en la orden o contrato. 3.2.10. Rechazo A menos que se especifique en otra forma, cualquier rechazo basado en los ensayos descritos en esta especificación deberán ser informados al fabricante dentro de 30 días hábiles después de recibidas las muestras por el comprador. 3.2.11. Certificados a)Tuercas y Golillas: Cuando se especifique en la orden, el fabricante deberá proporcionar un informe certificado al completarse el último ensayo mecánico para las de muestras de cada partida. b)Pernos: Cuando se especifique en la orden, el fabricante deberá proporcionar los informes de los ensayos prescritos en esta especificación.

71

3.3.

Especificación A.S.T.M. A 490 - 76a Los pernos de alta resistencia A 490 se encuentran totalmente

especificados en la Norma A.S.T.M. A 490-76a (Quinched and tempered alloy steel bolts for structural steel joints). Esta especificación cubre los requerimientos químicos y mecánicos de los pernos templados y revenidos de 1/2 a 1 1/2 pulgadas de diámetro, de acero aleado. Estos son pernos destinados a usarse en uniones estructurales definidas en la especificaci6n para uniones estructurales con pernos A.S.T.M. A 325 y A.S.T.M. A 490 aprobada por el Consejo de Investigación. Las tuercas apropiadas son grado 2H descritas en la especificación A.S.T.M. A 194, para tuercas de acero al carbono y acero aleado, y grado DH descrito en la especificación A.S.T.M. A 563 para tuercas de Acero al Carbono. Las golillas planas apropiadas son templadas y revenidas (no carbonizadas), descritas en la especificación A.S.T.M. A 325 y especificación A.S.T.M. F 436 para Golillas Endurecidas de Acero para uso con Pernos de Alta Resistencia. Esta especificación estipula que deben proporcionarse pernos estructurales hexagonales fuertes y tuercas hexagonales fuertes, a menos que otros requisitos dimensionales se estimulen en la solicitud de requisición y en la orden. Las dimensiones de las golillas son las dadas en tabla # 6 y tabla # 7.

72

Esta especificación incluye los siguientes puntos: • Definiciones • Materiales • Requisitos Químicos • Requisitos Mecánicos • Dimensiones • Control de Calidad de Requisitos Mecánicos • Métodos de Ensayos * • Inspección por Partículas Magnéticas y Visual para • Discontinuidades Superficiales. • Inspección * • Rechazo * • Certificados * • Marcas ** * = Estos puntos se encuentran descritos en punto 3.2. especificación A.S.T.M. A 325. ** = Ver punto 2.3.2. Atendiendo a que la mayoría de los puntos señalados en la especificación se encuentran descritos en la especificación A.S.T.M. A 325, punto 3.2. de este trabajo, nos limitaremos acá a dar las tablas que definen los requisitos y propiedades de los Pernos de Alta Resistencia A.S.T.M. A 490.

73

3.3.1. Tablas

REQUISITOS QUIMICOS Elemento Carbono Para Φ ≤ 1 ³/8 Φ ≤ 1 ¹/2

Análisis de Cuchara %


0.30 - 0.48 0.35 - 0.53

0.28 - 0.50 0.33 - 0.55

Fosforo Max.

0.04

0.045

Azufre Max.

0.04

0.045

Tabla N°22

74

REQUISITOS DE TRACCIÓN PARA PERNOS EN TAMAÑO NORMAL Diametro del perno

hilos por pulgada y designación COLUMNA 1

Area de Tracción

Tracción

Carga de prueba Carga de prueba Met. Medida Met. de resistencia Mínima Máxima de Longitud a la Fluencia COLUMNA 3 COLUMNA 4 COLUMNA 5 COLUMNA 6 (libras) (libras) (libras) (libras) 21300 24150 17050 18500 33900 38400 27100 29400 50100 56800 40100 43400 69300 78550 55450 60100

1/2 5/8 3/4 7/8

13 UNC 11 UNC 10 UNC 9 UNC

COLUMNA 2 (in)² (cm)² 0.142 0.92 0.226 1.46 0.334 2.15 0.462 2.98

1 1 1/8 1 1/8 1 1/4 1 1/4

8 UNC 7 UNC 8 UNC 7 UNC 8 UNC

0.606 0.763 0.79 0.969 1.000

3.91 4.92 5.1 6.25 6.45

90900 114450 118500 145350 150000

103000 129700 134300 164750 170000

72700 91550 94800 116300 120000

78800 99200 102700 126000 130000

1 3/8 1 3/8 1 1/2 1 1/2

6 UNC 8UNC 6 UNC 8 UNC

1.155 1.233 1.405 1.492

7.45 7.95 9.06 9.63

173250 185000 210750 223800

196350 209600 238850 253650

138600 148000 168600 175050

150200 160300 182600 194000

Tabla N°23

75

El área de tracción esta dada por: At = 0.7854 (D – (0.9743/n))² Donde At = Area de tracción en pulgadas cuadradas D = Diámetro nominal del perno N = N° de hilos por pulgadas Las cargas tabuladas y las cargas para ensayos de pernos en tamaño normal para pernos más grande que 1 1/2 pulgadas de diámetro se basan en lo siguiente.

Diámetro del Perno (Pulgadas) 1 a 1 1/2 Inclusive

COLUMNA 3 lb/(in²) 150000




Tabla N°24

76

Requisitos de Dureza para Pernos DIAMETRO DEL PERNO 1/2 a 1 1/2 Inclusive

NUMERO DE DUREZA Brinell Rockwell Mín Max Min Max 311 352 33 38 Tabla N°25

Requisitos de tracción para probetas de pernos. Diámetro del Perno (in) 1/2 a lb/(in²) 1 1/2 Inclusive Mpa

Resistencia a la Ruptura Mínima Máxima 150000 170000 1035 1170

Límite Min. de Fluencia 130000 895

Alargamiento Reducción de en 2(in). %min Área. %min 14 40

Tabla N°26

77

IV. COMPORTAMIENTO DE LOS PERNOS 4.1.

Solicitación de Tracción Las propiedades mecánicas de los pernos de alta resistencia se determinan,

normalmente mediante ensayos de tracción axial de los pernos de tamaño real. Usualmente se especifican dos propiedades para pernos de diferentes tamaños:

•

La carga de prueba

•

La resistencia a la tracción Las curvas típicas, carga-deformación, están representadas en la figura # 8

para un perno A 325 de 7/8" de diámetro. El procedimiento normal de colocación del perno, es pretensarlo girando la tuerca contra la resistencia del material de sujección, es decir se le aplica tracción por medio del torque de apriete. Esta operación de apriete induce esfuerzos de torsión como tensión interna. Esta solicitación combinada de tracción y torsión tiene como resultado un límite de resistencia menor que el obtenido en el ensayo de tracción directa. La reducción del máximo es claramente visible en la figura # 8. Las pruebas han demostrado que la reducción de la resistencia varía entre 5 y 30%.

78

Lo novedoso es que si después que un perno ha sido instalado y tensado, se le tracciona, el perno desarrolla una resistencia aún mayor que la correspondiente a la tracción directa, como lo demuestran los resultados de los ensayos graficados con curvas segmentadas en figura # 8. Los ensayos han demostrado la veracidad de este hecho para distintas tensiones iniciales. En todo caso, las curvas indican que si el perno no ha fallado por acción del torque de apriete, es capaz de resistir esfuerzos adicionales de tracción de magnitud apreciable. En la curva se ha definido un nivel de tracción denominado "Carga de Prueba", que es la especificada para la colocación del perno de alta resistencia y que corresponde aproximadamente a un 70% de la resistencia a la tracción directa o a un 80% de la resistencia al torque de apriete.

Figura N°8 Comportamiento de un PAR solicitado por tracción (directa y por torque de apriete).

79

4.2.

Solicitación de Cizalle El comportamiento de un perno de alta resistencia sometido a cizalle queda

representado en la figura # 9. En esta figura podemos observar que mientras no se produce el primer deslizamiento de las planchas unidas, las cargas se transmiten puramente por fuerzas de roce generadas entre las caras de las planchas y una vez producido dicho deslizamiento el perno queda solicitado directamente por la presión de las planchas sobre su cuerpo, las que generan tensiones de aplastamiento, cizalle y flexión sobre él.

Figura N°9

80

El comportamiento friccional, que depende entre otros factores de la carga de apriete del perno y del estado de las superficies de contacto, no representa el comportamiento al cizalle del perno mismo, sino que el de la unión. Despreciando este comportamiento friccional, posibles fallas por aplastamiento y fenómenos de flexión inducidos en el perno (cuando agarre mayor que cinco diámetros), su comportamiento al cizalle queda representado por la porción superior del gráfico. Uno de los factores que más influye en la resistencia al cizalle de los pernos es la ubicación del hilo con respecto al plano de cizallamiento. La inclusi6n de hilo en el agarre del perno provoca menor resistencia al cizalle debido a la disminución de la sección. Ensayos efectuados con pernos de alta resistencia A 325, revelan que la resistencia al cizalle de pernos en cizalle simple y planos de corte a través del hilo, es aproximadamente el 80% de la resistencia a través de la espiga. Pernos A 325 y A 490 ensayados y expuestos a cizalle doble con el hilo comprometido en ambos planos de corte, presentaron una resistencia límite de 70 a 75% de la resistencia al cizalle a través de la espina. La figura # 10 nos muestra la relación, carga deformación, para cuatro casos de inclusión de hilos en el "agarre" para pernos de alta resistencia sometidos a cizalle doble:

81

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

Figura N°10 a Sometido a doble cizalle

Figura N°10 b Distribución de tensiones de corte en sección con hilo

Figura N°10 c Comportamiento de un par Sometido a cizalle doble Figura N°10

82

En el gráfico se puede observar que la resistencia y ductilidad mejoran a medida que el hilo queda menos comprometido en el agarre, lo que se explica por la fuerte concentración de tensiones que el hilo origina en la sección (Figura # 10b).

83

4.3.

Pernos de Alta Resistencia Solicitados por Tracción y Cizalle Combinados Cuando un conector transmite cargas que producen al mismo tiempo

tracción y cizalle, interesa conocer la combinación que será determinante de la falla. Con este fin se ha recurrido a experiencias de laboratorio sobre todo tipo de conectores encontrándose que siempre la curva de interacción es una elipse centrada de semi ejes las tensiones de fluencia de tracción y cizalle.

Figura N°11

84

4.4.

Pernos de Alta Resistencia Solicitados por Cargas Cíclicas de Cizalle Experimentalmente se ha demostrado que los pernos de alta resistencia

correctamente apretados no son afectados adversamente por cargas repetidas. Cuando los pernos de alta resistencia A 325 ó 490 están expuestos a solicitaciones cíclicas de cizalle y ellos tienen la pretensión requerida, la falla se produce en el elemento y no el perno; es mas, la falla se produce generalmente en la sección llena del elemento y no a través de los agujeros. En resumen, el comportamiento de los pernos de alta resistencia ante solicitaciones cíclicas depende de: a) El apriete dado al perno. A mayor apriete se obtiene un mejor comportamiento. b) La rigidez de los elementos unidos. A mayor rigidez la falla se producirá en el elemento y no en el perno. La figura # 12 muestra el comportamiento de un perno de alta resistencia A 325, sometido a cargas cíclicas (-1/4 σ , σ) con diferentes fuerzas de apriete.

Figura N°12

85

4.5.

Pernos de Alta Resistencia Solicitados por Cargas Cíclicas de Tracción (Re-empleo de Pernos) Con el objeto de conocer el comportamiento de los pernos de alta

resistencia sometidos a usos sucesivos, se han realizado experiencias consistentes en colocar, soltar y reapretar sucesivamente un perno, graficando carga versus deformación cuando se varia:

•

La calidad del perno

•

El largo del perno

Figura N°13 a A490

Figura N°13 b A325

Perno Corto

Perno Largo Figura N°13

86

Los resultados muestran que los pernos A 490 son más frágiles que los A 325, lo mismo que los pernos cortos respecto a los largos. Además los pernos dúctiles ganan en resistencia y compresión aplicada a las planchas por cada reapriete, hasta que fallan después de unos 7 ciclos. Los pernos frágiles pierden resistencia y disminuyen la presión aplicada sobre las planchas, fallando después de 3 o 4 reaprietes. Por ello, se acepta que el perno A 325 pueda utilizarse 1 o 2 veces, según su largo, mientras el A 490 sólo se puede utilizar una vez. Esto tendrá enorme importancia al inspeccionar los pernos, ya que un procedimiento descuidado puede afectar el comportamiento eficiente de la conexión.

87

V.

CONEXIONES 5.1.

Generalidades El comportamiento individual de un perno de alta resistencia fue analizado

en el capítulo anterior. En este capítulo analizaremos el comportamiento de las conexiones realizadas con pernos de alta resistencia. La acción de cargas sobre una conexión genera sobre los pernos solicitaciones de tracción, aplastamiento y cizalle o una combinación de ambas. Además se pueden producir solicitaciones de flexión inducidas sobre el perno, las que en general son despreciadas en diseño al minimizarse su efecto por medio de la especificación de una relación máxima entre el agarre y el diámetro del perno. Podemos por lo tanto clasificar las conexiones según las solicitaciones a que están expuestos los pernos, en conexiones de: • Cizalle Axial • Cizalle Excéntrico • Tracción • Tracción y Cizalle Combinados. El cizalle axial se produce cuando la carga, estando contenida en el plano de los pernos, pasa por el centro de gravedad de ellos. Conexiones típicas que exponen a los pernos a cizalle axial son las uniones con gussets de diagonales y puntales (Fig. 14a).

88

El cizalle excéntrico se produce cuando la carga, estando contenida en el plano de los pernos, no pasa por el centro de gravedad de ellos. También se produce cuando el centro de gravedad de los pernos no coincide con el centro de gravedad de los perfiles de la unión. Ejemplo típico de conexiones que solicitan a los pernos a cizalle excéntrico son las uniones de consolas a columnas (Fig. 14b). La tracción se produce cuando la carga actúa perpendicular al plano de los pernos y pasa por el centro de masa de ellos. Los pernos expuestos a solicitaciones de tracción son comunes en las construcciones suspendidas (Fig. 14c). La tracción y cizalle combinados se produce cuando la carga no está contenida en el plano de los pernos. Los pernos están expuestos a la combinación de tracción y cizalle en las conexiones típicas de vigas con columnas donde existe, por lo general, una unión que transmite esfuerzo de corte y momento. (Fig. 14d). La resistencia de una conexión con pernos depende del tipo de falla que se produzca; estas fallas pueden ser: a) Falla por tracción en las placas (Fig. N° 15a). b) Falla por corte a través de uno o más planos del perno (Fig. N°15b). c) Falla por aplastamiento entre las placas y el perno (Fig. N° 15c).

89

Figura N°14 a Cizalle Axial

Figura N°14 b Cizalle Excéntrico

Figura N°14 c Tracción

Figura N°14 d Cizalley Tracción

Figura N°14

90

Combinados Figura N°15 a Falla

Figura N°15 b Falla

en la placa

por cizalle del perno

Figura N°15 c Falla

Figura N°15 d Falla

por aplastamiento

por desgarro de las placas

Figura N°15 e Falla por tracción del perno Figura N°15

91

d) Falla por desgarramiento de las placas; esto se evita suministrando una distancia suficiente del perno al borde de la placa (Fig. N°15d). e) Falla por tracción del perno (Fig. N° 15e). 5.2.

Comportamiento de las Conexiones con Pernos de Alta Resistencia Sometidos a Cizalle Desde el Punto de Dista del Diseño Cuando los pernos de alta resistencia están expuesto a cizallamiento axial o

excéntrico, hay dos formas para la transferencia del esfuerzo; ellas son: • Fricción • Aplastamiento.

Figura N°16 La carga inicial es transmitida por fricción tanto en las Conexiones Tipo Fricción como en las Conexiones Tipo Aplastamiento.

92

5.2.1. Conexión tipo fricción En este tipo de conexión los esfuerzos se transmiten por fricción entre las superficies de contacto de la conexión. Los pernos de alta resistencia debido a su alta pretensión generan una fuerza de roce entre las superficies de contacto que impide el resbalamiento entre los elementos conectados, de tal modo que no se produce el aplastamiento entre el perno y la pared de la perforación. (Fig N°17) Esta conexión es la más apropiada cuando hay inversión de tensiones o cargas cíclicas y cuando se requiera asegurar que no se producirá deslizamiento (ej.: unión de planchas delgadas que fallarían por aplastamiento o agarre mayor que 5 diámetros, lo que producirá flexión en el perno, etc.)

Figura N°17 La carga de inicio del resbalamiento en una conexión se define con la expresión siguiente:

93

Presbalamiento = Kr*m*n*Ti en que Kr = coeficiente de roce m = N° de planos de resbalamiento n = N° de pernos de alta resistencia Ti = Tensión inicial del perno de alta resistencia (Carga de Prueba) La resistencia al resbalamiento depende de la pretensión inicial del Perno y del coeficiente de roce entre las superficies de contacto. El coeficiente de roce para superficies normales es: • Superficies limpias de óxido, escoria, grasa, pintura u otras materias extrañas Kr = 0,35 • Superficies galvanizadas Kr = 0,16 (Ref. 8.1) En una conexión del Tipo Fricción se establecen las cargas admisibles aplicando un factor de seguridad sobre la carga que produce el primer desplazamiento de las planchas unidas. (Ver figura N° 16). Como en la práctica se da la misma pretensión a los pernos de alta resistencia en las conexiones tipo Fricción y Tipo Aplastamiento, en las conexiones tipo Fricción debe controlarse particularmente el estado de limpieza de las superficies de contacto.

94

5.2.2. Conexión tipo aplastamiento En este tipo de conexión la carga es resistida por el aplastamiento entre el perno y la pared de la perforación. Debido a la pretensión del perno de alta resistencia la carga es transmitida en parte por fricción y en parte por aplastamiento, pero en el cálculo no se considera el aporte de la fuerza de roce. Esta tensión de apriete contribuye además a rigidizar la conexión. La combinación de la alta resistencia al corte del acero estructural de los pernos de alta resistencia y la rigidez resultante de la tensión de apriete, permite valores de Tensión Admisibles mucho mayores que los permitidos en las conexiones del tipo fricción (Ver figura N° 16). El factor de seguridad aplicado sobre la carga que producirá la falla, deja las tensiones admisibles un tanto por debajo de las correspondientes al primer deslizamiento, por lo que también trabajara a fricción, aunque con un coeficiente de seguridad al deslizamiento inferior al caso de las conexiones del tipo fricción. En las conexiones tipo aplastamiento se distinguen conexiones que presentan hilos en los planos de corte y otras que no lo presentan.(Fig. N° 18) En las conexiones del tipo aplastamiento las superficies de contacto deben estar pintadas, por lo tanto el coeficiente de roce es pequeño y el resbalamiento se produce con cargas relativamente bajas.

95

Después de producido el deslizamiento, la transferencia de los esfuerzos es a través del aplastamiento entre perno y plancha, siendo la distribución de cargas entre los pernos desigual debido a la flexibilidad de las planchas y dependiendo esta distribución del largo de las planchas de empalme.

Figura 18 a Conexión sin hilos en el plano de corte

Figura 18 b Conexión con hilos en el plano de corte Figura N°18

96

5.3.Tipo de Perno de Alta Resistencia, Requerimientos de Tuercas, Golillas y Ubicación del Hilo para una Conexión Determinada

97

5.4.

Disposiciones de diseño

5.4.1. Campo de aplicación Aún cuando el campo de aplicación de los conectores utilizados en el diseño de estructuras, vale decir: remaches, pernos corrientes, pernos de alta resistencia y soldadura, es muy amplio, para las UNIONES DE TERRENO es normativo emplear remaches, PERNOS DE ALTA RESISTENCIA o soldadura en los siguientes casos: a.1.

EDIFICIOS EN GENERAL En empalmes de columnas si H > 60m.

30 < H < 60m. cuando B < 0,40 H;

y

H < 30m. cuando B < 0,25 H 2.

En uniones de vigas (principales y secundarias) a columnas si H > 40m. en que: H = altura del edificio medida entre el nivel de la solera o nivel medio del

terreno natural circundante y la cubierta del techo en el caso de techos planos o de pendiente menor a 25%, y la mitad de la altura de la cercha cuando ésta tiene una pendiente mayor. B = dimensión horizontal menor del edificio

98

b.-

EDIFICIOS QUE SOPORTAN GRUAS DE MAS DE 5 TONELADAS DE CAPACIDAD

c.-

1.

En empalmes de columnas.

2.

En arriostramientos de columnas.

3.

En uniones de vigas enrejadas a columnas.

4.

En empalmes de vigas enrejadas de techo.

5.

En carteras y apoyos de grúas.

UNIONES ESPECIALES 1. 2.

En apoyo de maquinaria rodante. En elementos de edificios sometidos a sobrecargas que produzcan inversión de tensiones o impacto.

5.4.2. Normas Los pernos de alta resistencia A 325 y A 490 deberán cumplir con las siguientes normas: ASTM A 325 ASTM A 490 5.4.3. Excentricidad de la unión Los perfiles solicitados axialmente deberán tener sus ejes centroidales coincidentes en un punto. Si esto no es posible deberá considerarse las tensiones de flexión debidas a la excentricidad.

99

5.4.4. Excentricidad en grupos de conectores En general, en uniones de perfiles solicitados axialmente, el centro de gravedad del grupo de conectores debe coincidir, en lo posible, con el centro de gravedad de los perfiles. Si esto no ocurre, debe considerarse el efecto de la excentricidad en el dimensionamiento de las uniones. Se exceptúan de esta exigencia el caso de perfiles ángulo simples o dobles y otros perfiles similares en los que esta excentricidad puede no considerarse salvo si éstos están unidos por soldaduras de filete. 5.4.5. Distribución de tensiones en combinación de conectores La distribución de tensiones en un grupo de conectores heterogéneos dependerá del tipo y orden de colocaci6n de éstos según lo indicado en Tabla N° 27. Esta Tabla se basa en la diferente rigidez que cada conector confiere a la unión según el siguiente orden: • Soldadura (S): conector rígido. • Remache (R) y Perno de Alta Resistencia tipo fricción (P.A.R. f): conector semi - rígido. • Perno Corriente (P) y Perno de Alta Resistencia tipo aplastamiento (P.A.R.a): deslizamiento permitido hasta trabajar por aplastamiento.

100

DISTRIBUCION DE TENSIONES EN COMBINACION DE CONECTORES

TIPO DE OBRA A. Nueva

COMBINACION DE DISTRIBUCION DE ORDEN DE CONECTORES TENSIONES COLOCACION 1. (R + P + PARa) + S

2. PARf + S

La Soldadura deberá Cualquiera resistir la tensión total de la unión Comparten Si se coloca primero PARf Sólo la soldadura

Si se coloca Primero S 3. R + PARf Comparten la tensión Cualquiera debida a PP + SC B. Reparación o 1. (R + PAR ) exist + S R + PAR comparten el Si se coloca en modificación PP existente y S las unión existente cargas adicionales 2. R + PARf Comparten la tensión Cualquiera debida a PP + SC Tabla N°27

En esta tabla: PP = Solicitaciones debidas a las cargas permanentes SC = Solicitaciones debidas a las sobrecargas de diseño Cualquiera otra combinación no indicada se resolverá aplicando el criterio expuesto.

101

5.4.6. Uniones mínimas a.- Las uniones se diseñaran para resistir una solicitación no inferior a 3000 Kgf. Se exceptúan de esta exigencia las celosías, los arriostramientos secundarios y las uniones de los elementos componentes de un perfil compuesto en los que se usará la carga de cálculo. b.- LAS UNIONES EXTREMAS DE PERFILES TRACCIONADOS O COMPRIMIDOS de enrejados deberán resistir la carga de diseño, la que en todo caso, deberá ser superior al 50% de la resistencia efectiva del perfil. c.- EL NUMERO MINIMO DE PERNOS, en uniones diseñadas para transmitir esfuerzos, será 2 para espesores superiores a 4 mm, salvo en uniones de celosías en que podrá ser 1. 5.4.7. Agujeros Los agujeros para los pernos de alta resistencia deben ser taladrados o punzonados. Deben ser perpendiculares a la cara del material, presentar superficies lisas, sin grietas ni deformaciones notorias y bordes libres de rebabas. El diámetro del agujero depende de la dimensión del perno en la forma siguiente (según la Recomendación ISO R 273 adoptada por la Norma Chilena):

102

D = d + 0,06 si d < 0.6 cm = d + 0.1 si 0,6 < d < 1,2 cm = d + 0.2 si 1,2 < d < 2,0 cm = d + 0.3 si 2,0 < d < 3,9 cm Esta recomendación se traduce en la siguiente tabla. Diámetro del agujero d y D en mm. (ICHA) DIAMETRO DEL PERNO d DIAMETRO DEL AGUJERO D

12 14

16 18

20 22

24 27

1 1 1/16

1 1/8 1 1/4

30 33

36 39

Tabla N°28

Diámetro del agujero d y D en Pulgadas (A.I.S.C.) DIAMETRO DEL PERNO d DIAMETRO DEL AGUJERO D

1/2 9/16

5/8 11/16

3/4 15/16

1 3/8 1 1/2

1 1/2 1 5/8

Tabla N°29

103

5.4.8. Distancias máximas y mínimas entre pernos En tabla N°30 se entregan las distancias máximas y mínimas de los conectores entre sí y de estos a los bordes de las planchas o perfiles. DISTANCIAS MINIMAS Y MAXIMAS (Agujeros punzonados, escariados o taladrados). A LOS BORDES A. MINIMA *** B. MAXIMA 1. gL = gt = 1.75d* 2. gL = 12.e 2. gL = gt = 1.25d** EN TODO CASO EN TODO CASO 3. g > P/0.6 Ff.e 1. gL < 15 cm

C. ENTRE P.A.R. 1. gL = gt > 2.66d PERO DE PREFERENCIA 2. gL = gt = 3.0d

Tabla N°30

Figura N°19

104

* Para bordes cortados a tijera ** Para bordes laminados de planchas, perfiles o barras y para bordes cortados a llama. Esta distancia puede ser disminuida en 3 mm. cuando el agujero está ubicado en secciones donde la tensión es inferior al 25% de la tensión admisible del elemento. *** Para la distancia gL en uniones de perfiles traccionados con 1 ó 2 conectores en una línea paralela a la dirección del esfuerzo, debe verificarse además que esta no sea inferior a lo siguiente: gL ≥ c (Ap/e) ó 2c (Ap/e) para pernos de alta resistencia en uniones tipo aplastamiento para los casos en que existe cizalle simple o doble, respectivamente. En esta fórmula: Ap = Area nominal del perno, cm2 e = Espesor de la parte unida, cm. c = Fv del perno / Fv de la parte unida. Si existen más de dos conectores en la línea del esfuerzo, se aplicara para gL lo indicado en la tabla N° 32. (1) Si la tensión del conector, ft , es inferior a Ft, esta distancia puede ser reducida en la razón ft/Ft , pero en todo caso ésta no será inferior a la indicada en Tabla N° 32. Por otra parte no requiere ser superior a 1,5 gt

105

5.4.9. Diseño a.- Criterio básico de diseño Las tensiones de trabajo de cizalle, fv, y de tracción ft, deberán ser menor o igual a las tensiones admisibles de corte Fv y de tracción Ft respectivamente. fv < Fv ft < Ft b.- Tensiones admisibles Las tensiones admisibles de corte, Fv, y de tracción Ft, para una solicitación pura o para una combinación de solicitaciones de corte y de tracción serán las dadas en la tabla siguiente según sea el tipo de unión que se emplee.

TENSIONES ADMISIBLES Fv y Ft [Kg/cm²]

TIPO DE TIPO DE UNION PERNO Unión tipo Aplastamiento A325 con hilo incluido en el A490 Plano de corte Unión tipo aplastamiento A325 con hilo fuera del A490 plano de corte Unión tipo fricción con A325 hilo incluido o excluido A490 del plano de corte

CORTE Fv 1050 1600

TRACCION Ft 2800 3800

INTERACCIÓN DE CORTE Y TRACCION Ft o Fv Ft = 3520 - 1.6 fv ≤ 2800 Ft = 4920 - 1.6 fv ≤ 3800

1550 2250

2800 3800

Ft = 3520 - 1.6 fv ≤ 2800 Ft = 4920 - 1.6 fv ≤ 3800

1050 1400

2800 3800

Fv ≤ 1050 (1 - ft*Ap/Tp) Fv ≤ 1400 (1 - ft*Ap/Tp)

Tabla N°31

106

NOTAS 1.-No se recomienda este tipo de unión en construcciones que usen perfiles delgados. 2.-Por el momento, en construcciones plegadas no se emplean los pernos A 490. 3.-La carga de diseño, en pernos de alta resistencia solicitados en tracción, será la suma de la carga externa aplicada, y cualquier tracción resultante de la sección de palanca producida por la deformación de las partes unidas. 4.-Para carga estática solamente. 5.- f t = tensión de tracción debida a la carga de tracción, externa aplicada en una unión, 2

Kgf/cm

Ap = Area nominal del perno, cm

2

Tp = Fuerza de pretensado especificada del perno Kgf. c.- AREA DE CALCULO En los pernos de alta resistencia el área a considerar para el cálculo de las tensiones de trabajo de corte fv y tracción ft es el área bruta o nominal del perno, es decir: Av = At = Ap =π d2 / 4 en que: 2

Av , At = Area de cálculo de corte y tracción (cm ). 2

Ap

= Area nominal del perno (cm ).

d

= Diámetro nominal del perno (cm)

107

5.4.10. Verificaciones En las uniones apernadas deberá considerarse los siguientes factores: a.-

APLASTAMIENTO EN EL MATERIAL A UNIR Esta verificación no se requiere efectuar en uniones tipo fricción que

emplean pernos A 325 ó A 490. En todos los casos en que el conector trabaja al corte se estará produciendo aplastamiento entre los elementos unidos y el cuerpo del conector. Pero debido a que la tensión admisible de aplastamiento es superior a la de fluencia del material, sólo cuando el espesor de las planchas es pequeño respecto al diámetro del perno el diseño será controlado por el espesor de las planchas. Esta verificación se realiza de acuerdo a lo indicado a continuación: 1. Tensión admisible de aplastamiento, Fap= 1,35 Ff 2

2. Area de cálculo de aplastamiento, Aap= d *e (cm ) en que: d = diámetro nominal del perno, cm. e = espesor menor de la plancha unida, cm. 3. Tensión de trabajo de aplastamiento f ap = P/Aap 4. Criterio de diseño fap ≤ Fap

108

La tabla siguiente da la razón e/d límite para que la falla por aplastamiento se produzca en la plancha.

RAZON e/d LIMITE CALIDAD DEL PERNO A 37-24 A 42-27 A 52-34 CONECTOR P.A.R. A 325 TIPO APLAST. HILO INCLUIDO HILO EXCLUIDO P.A.R. A 490 TIPO APLAST. HILO INCLUIDO HILO EXCLUIDO

0.24 0.37

0.22 0.33

0.17 0.26

0.39 0.55

0.34 0.48

0.27 0.38

Tabla N°32

b.-

TRACCIÓN EN EL ÁREA NETA DEL MATERIAL A UNIR 1. Tensión admisible Ft La tensión admisible Ft será la tensión base admisible de tracción indicada

en artículo 11.1 de Norma Nch 427. En planchas de espesor inferior a 5 mm esta tensión deberá afectarse por el factor: (1,0 – 0,9r + 3 rd/gt) en que: r = razón entre la carga transmitida por el o los conectores y la carga de tracción en el miembro en la sección considerada.

109

gt = distancia entre conectores en el sentido transversal a la dirección del esfuerzo. En el caso de existir un solo perno considerar d= diámetro nominal del perno. No se considerará esta reducción si r < 0.2. Los valores de este factor se indican en la figura N° 20

Figura N°20

110

2. Area de cálculo (Area neta) Para el área de cálculo se considerará el área neta de la sección según fórmula: 2

An = (B - ΣD + Σgl /4gt) * e =< 0,85A Este límite no se aplica a perfiles plegados de espesor inferior a 5 mm. en que: 2

An = Area o sección neta, cm . A = Area o sección bruta del perfil ΣD= Suma de los diámetros de los agujeros ubicados en la línea de falla en estudio. Esta lineas puede ser perpendicular, en diagonal o en zig-zag con respecto a la dirección del esfuerzo, cm.· B =Ancho total de la sección transversal del elemento, cm. Para planchas: B= ancho real de la plancha. Para perfiles laminados: B= suma medidas exteriores - n * e en que: n = número de dobleces a 90° e = espesor del perfil Para perfiles plegados: B= desarrollo total del perfil según línea central. g1,gt=Distancia longitudinal y transversal con respecto a la dirección del esfuerzo entre dos agujeros consecutivos de la línea de falla en estudio. La sección neta crítica se obtendrá a partir de la línea de falla que de el menor ancho neto. (Figura N°21)

111

3. Tensión de trabajo de tracción ft= P/ An 4. Criterio de diseño. Ft<= Ft

Figura N°21

112

5.5.

Diseño Elástico de Conexiones Debido a que las uniones con pernos de lata resistencia tipo fricción son

independientes del espesor de laos elementos conectados, su diseño se basa directamente en las tensiones dadas en la tablas (Ver tabla N° 31). En las conexiones del tipo aplastamiento es necesario considerar la rigidez (o elasticidad) relativa de los elementos conectados y el aplastamiento sobre ellos. 5.5.1. Cizalle axial y aplastamiento La figura muestra una unión de cizalle simple, en que intervienen dos planchas y una unión de cizalle doble con tres planchas.

Figura N° 22 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 es uniforme. Sin embargo, este efecto, se desprecia en el cálculo, aceptándose una distribución uiforme de tensiones similar a la de cizalle doble dada en ambos casos por:

113

fap=

P / (e1* d) ≤ Fap = 1.35* Ff

En que: fap = tensión de trabajo de aplastamiento e1 = menor espesor de las planchas d = diámetro del perno Ff = tensión de fluencia En el cálculo del cizalle se supone una distribución uniforme de tensiones en la sección del conector, por lo que la condición de diseño será: En cizalle simple: fv = P / Ap ≤ Fv En cizalle doble: fv = P / (2* Ap) ≤Fv En que: P = Carga transmitida por la unión Fv = Tensión, admisible de corte (Ver tabla N° 31) 2

Ap = Area nominal del perno, cm .

Como la norma establece que el mínimo de conectores mecánicos de una unión es dos, es normal que se tenga una serie de pernos en fila.

114

En este caso, por acción de la carga, la conexión de deforma de tal modo, que los conectores extremos se ven sometidos a una deformación mayor, lo que significa que tomarán una fracción mayor de la fuerza transmitida. Si las planchas fuesen perfectamente rígidas, cada conector estaría resistiendo la misma fracción de la carga solicitante, mientras si se comportasen en forma perfectamente elástica los extremos tomarían gran parte de la carga. La figura N° 23 a, muestra la distribución teórica de la carga para el caso de plancha elástica y plancha rígida en unión con seis pernos, mientras la figura N°23 b entrega los valores medidos en laboratorio para una conexión de cuatro pernos en fila

Figura N° 23 a

Figura N° 23 b Figura N°23

115

Se observa que realmente los pernos extremos toman una fracción de carga apreciablemente mayor que los centrales, similar al comportamiento elástico de la plancha. Sin embargo, en el diseño se considera que cada uno toma la misma fracción de carga, como si las planchas fuesen perfectamente rígidas, aunque limitando a 8 el número de corridas de pernos en fila. Es por ello que desde el punto de vista de los pernos es beneficioso poner el máximo en la primera corrida, aunque con ello se reduce el área neta del elemento conectado. 5.5.2. Cizalle excéntrico Cuando el centro de gravedad de los pernos no coincide con el perfil, debe considerarse el efecto de la excentricidad en el dimensionamiento de la unión. Se exceptúa de esta exigencia el caso de los perfiles ángulos simples o dobles y otros pernos similares, en esta excentricidad puede no considerarse (ver figura N°24b). En todo caso los casos en que la carga solicitante “P” actúe en el plano de la conexión pero no pase por el centro de gravedad de los pernos, implicará que los pernos estarán solicitados por una fuerza de corte “P” actuando en su centro de gravedad y un momento M = P * e

Figura N°24

116

La fuerza cortante P se reparte uniformemente entre los “n” conectores quedando cada uno solicitado por una fuerza:

P i = P * Ai / Σ A i Esta fuerza actúa en la dirección de P y Ai es el Area de cada perno. Para el momento M, si se considera plancha rígida y conectores elásticos , se tendrá que cada conector tomará una carga adicional Ri proporcional a su distancia “Vi” al centro de gravedad, dada por: 2

Ri = (Vi * Ai * M) / (Σ Vi * A1) Finalmente la fuerza de corte resultante en cada elemento se obtiene sumando vectorialmente:

Fi =

Pi

+ R1

Las conexiones con cizalle excéntrico son muy comunes por lo que a continuación se desarrolla un procedimiento de cálculo general.

117

a.- CONEXIONES CON EXCENTRICIDAD EN EL PLANO

Figura N°25 Sea una disposición cualquiera de “n”” pernos de área “A” Formulas que se aplican: -

Por momento: 2

2

2

2

R”x= My / Σ (x + y ) R”y= Mx / Σ (x + y ) M = P*e -

Por corte:

R’y= P/ n 2

2 0.5

R = (R x + (R’y* R”y ) )

118

En la práctica siempre los pernos van ordenados en una disposición de líneas, con separación uniforme. Consideramos el caso general de m líneas de n pernos de área “A”, separados uniformemente a q y p como se muestra en la figura.

Figura N°26

Figura N°27 2

Para simplificar el cálculo de las cantidades Σ x

2

y Σ y , cada perno se

reemplaza por un rectángulo equivalente. 2

2

CALCULO DE Σ x Y DE Σ y

Cada perno se reemplaza por un rectángulo de altura “P” y ancho 1/P, por lo que toda la disposición es equivalente a considerar m rectángulos de altura np y de ancho 1/P. 2

Ix= Σ (I’x+ Ay ) 3

2 3

Ix = m (1/P)(np) /12 = mp n /12

119

3

2

I’x = (1/P) P /12 = P /12

Σ I’x = m * n * I’x

A = P * 1/P = 1 Ix= Momento inercia c/r a x. I’x= Momento inercia de los rectangulos equivalentes de cada perno. A = Area de cada rectángulo equivalente. Luego 2

2 3

2

2

2

Σy = (m p n )/12 - (m p n)/12 = m n p (n - 1)/12 Si

2

n >> 1

2

n -1 ≈ n 2

2 3

Σy = (m p n )/12 Por analogía puede demostrarse que: 2

2

2

Σx = (n m q ) (m - 1)/12 Si

m >> 1 2

3

2

Σx = (m n q )/12 En caso más desfavorable se produce en un perno de esquina de coordenadas xi= q (m -1)/2

yi= p (n -1)/2

Estás formulas son válidas para valores pares e impares de m y n Cuando m y n >> 1

120

xi= q *m/2

yi= p *n /2 2

2

R"x= P * 6 * e / (m * n * np*( (mq) / (np) ) + 1) 2

2

R"y= P * 6 * e / (m * n * m q*( (np) / (mq) ) + 1) R'y= P / (m * n)

R = P m*n

[ (1 +

2

) +(

6*e n p [ (mq) (np)

2

2

+ 1]

2

) ]

6*e m q [ (np)

2

(mq)

2

0.5

+ 1]

R = P/C Los valores “C” se tabulan para valores de p, q, m, n, e, simplificándose de ésta manera el problema de diseño (ver ICHA pag. 706, 707, 708, 709) El procedimiento de diseño cuando se cuenta con dichas tablas es el siguiente:

a. Se calcula el “C” requerido como P/ Ra, en que Ra es el valor admisible para el perno seleccionado . b. Se selecciona la conexión que tenga un valor de “C” igual o mayor que el valor requerido.

121

En experiencias de laboratorio se ha comprobado que los esfuerzos producidos en los pernos son inferiores a los calculados por estás formulas, por eso es que el Manual ICHA, permite la reducción del brazo del momento originado por “P”. eefectivo= ereal- 0.635 * (1+ 2*n) Para 1 línea vertical eefectivo= ereal- 1.27 * (1+ n) Para 2y 4 línea vertical En donde n = n° de pernos por línea vertical. Ejemplo Determinar el diámetro de los pernos necesarios para soportar una carga de 400 Kg. con una excentricidad e= 50 cm. en la forma indicada en la figura

Figura N°28 n=2 p=8 n = 4 q = 14 cm.

Σx2 = 2 * 4 * 142 * ( 4 * 1) / 12 = 392 cm2 Σy2 = 2 * 4 * 82 * ( 16 - 1) / 12 = 640 cm2 Xi = 7 cm. Yi = 12 cm. M = 4 * 50 = 200 ( T*cm) 2 Iz= 392 + 640 = 932 cm R''x= 200 * 12 / 932 = 2.57 (T)

122

R''y= 200 * 7 / 932 = 1.5 (T) R'y= 4 / 8 = 0.5 (T)

2 0.5

2

R = ((2.57) + (2) ) = 3.26 (T) ≈ 3.3 (T) Esta es la carga más desfavorable Probaremos con pernos corrientes A 42 - 23 de 3/4 '' ∅ Fc : Fatiga admisible al corte = 1.1 T /cm

2

Fa : Fatiga admisible al aplastamiento = 2 T /cm Fc =

3.3 π * ( 0,75 * 2.54)

2 2

=

3.3 / 2.85 = 1.16 ≈ 1.1 ( T/cm )

=

3.3 / 1.9 = 1.74 < Fa = 2.0 ( T/cm )

2

4

Fa =

3.3

2

0,75 * 2.54 * 1.0 Nota : El Manual ICHA edición 1979, desarrolla y tabula este tipo de conexión, para diversas disposición de conectores ver pag. 703 a 709. 5.5.3. Tracción Si la carga P esta aplicada en el centro de masa de los n pernos y actúa perpendicular al plano formado por ellos, la tracción a que queda sometido cada perno estará dada por: T = P/ n

123

Sin embargo en ciertos tipos de conexiones, esta tensión se ve aumentada por el efecto elástico de palanca que se produce cuando el elemento en la conexión es susceptible de deformarse. Como se aprecia en la figura siguiente las alas se apoyan en su extremo, produciéndose una fuerza de compresión Q que deberá ser resistida por el conector y que introduce tensiones adicionales de flexión en las piezas de unión.

Figura N°29 Así la tracción total sobre el conector será T + Q. Además, el perfil de conexión deberá diseñarse considerando el momento M2= Q * a en el eje de los pernos o M1= T*b – Q*a en el centro.

124

a. PREDISEÑO a.1. PREDISEÑO DEL ELEMENTO DE UNION El diseño de prueba del elemento de unión (colgadores T o de doble ángulo TL) está basado en las siguientes simplificaciones:

• M1 = M 2 • Q=T • a = b/2 De esta forma, los puntos de momento crítico se suponen ubicados en la línea del conector y a 2 milímetros de la cara más cercana del ala saliente del ángulo o del alma de la te. Momento crítico : M = P * B /4 2

Tensión de trabajo de flexión : f m= (a/2) * ( P * b ) / ( c * t ) Tensión admisible de flexión : Fm = 0.75 * Ff Condición de diseño : fm ≤ Fm 2

P' = P/c ≤ (0.5 * Ff *t ) / b 2

M' = M/c ≤ (0.75 * Ff *t ) / b Espesor del ángulo o del ala de la te t ≥

((P * b) / (0.5 * Ff * c))

0.5

= ((P' * b) / (0.5 * Ff *))

0.5

125

En que: P = Carga externa aplicada a los ángulos o a la te, en tf. P'= Carga externa aplicada por unidad de longitud de elemento de unión, en tf/cm. b = Distancia desde el eje de la línea de conectores a la cara más cercana del ala saliente del ángulo o de la te menos 2 milímetros (b/2 es el brazo de palanca usado para determinar el momento supuesto). Ff = Tensión de fluencia del acero del elemento de unión. C = Longitud del elemento de unión. M = Momento crítico de diseño sobre el ala saliente del ángulo o del alma de la te. M'= Momento crítico por unidad de longitud de elemento de unión (tf * cm / cm). Luego, la pieza de unión prediseñada, se debe verificar para las tensiones de flexión debidas a la acción de palanca Q. a.2. PREDISEÑO DE LOS PERNOS En el caso de uniones que emplean remaches o pernos corrientes A 42-23, para los cuales no hay fórmulas semejantes a las obtenidas para pernos de alta resistencia, se puede suponer un valor de Q igual a: Q = F/2 el que generalmente entrega un diseño prudente.

126

En las uniones que emplean pernos de alta resistencia es posible determinar la fuerza de palanca real y, con ella, hacer los ajustes necesarios de espesor en el perfil de unión y de diámetro en los pernos. b. ACCION DE PALANCA Las especificaciones del Consejo de Investigación, han reconocido la importancia de diseñar los pernos de alta resistencia para la sumatoria de las cargas externas y cualquier tracción resultante de la acción de palanca producida por la deformación de las partes de las conexión. Estas exigencias fueron el resultado del comportamiento observado en pruebas donde alas de secciones les fueron apernadas y entonces sometidas a carga de tracción. Se encontró que los conectores podrán perder una parte importante de su eficiencia como resultado del "efecto de palanca"

Figura N° 30

127

Amplios estudios analíticos y experimentales se realizaron sobre la "acción de palanca" los que condujeron a desarrollar fórmulas semi-empíricas para calcular el efecto" de palanca. Estas expresiones analíticas condujeron a resultados concordantes con las experiencias realizadas. Las fórmulas consideran las propiedades de los pernos y la geometría de la conexión. El efecto palanca esta dado por:

Q=

4

2

1/2 - w * t / 30ab Ab (3a/4b) * ( a

4

2

+ 1 ) + w * t / 30ab Ab

4b En que Q = Acción de palanca por conector T = Tracción del Perno por carga externa Ab= Area nominal del perno a = Distancia desde el centro del perno al borde del ala. b = Distancia desde el centro del perno al borde del filete t = Espesor del ala del perfil T o del ángulo. w=Longitud del perfil T o del ángulo tributaria a cada perno. Los estudios realizados sobre las variables de la Fuerza provocada por el efecto de palanca, demostraron que las variables con mayor influencia el efecto de palanca son:

128

La razón b/a y el espesor t Una ecuación simplificada para calcular la acción de palanca es: 3

Q = T * 9* b / (16 * a) -

t /14

donde: a = Distancia desde el centro del perno al borde del ala. b = Distancia desde el centro del perno al borde del alma. t = Espesor de la parte más delgada de la conexión. Esta ecuación es comparable con la solución semi-empirica de Douty y Mc. Guirl, mostrada en los gráficos de las figuras N°31a y N° 31b. El Manual de Diseño para estructuras de Acero (ICHA) nos entrega las siguientes expresiones para calcular la acción de palanca. Estas ecuaciones empíricas son las especificadas en el Manual A.I.S.C. (7a. Edición). Para uniones con pernos de alta resistencia A 325: 2

Q = T

2

100bd - 18wt 2

2

70ad + 21w t

129

Para uniones con pernos de alta resistencia A 490 2

Q = T

2

100bd - 14wt 2

2

62ad + 21w t En que:

Q = Fuerza de palanca por conector en (tf) T = Carga externa aplicada por conector = P / n = w P'/2 (tf). w = Longitud tributaria de ala a cada perno (cm) d = Diámetro nominal del perno (cm) a = Distancia desde la línea de conectores al borde del ala, no debe exceder 2t, (cm). VERIFICACIONES 1. La capacidad de los conectores a la tracción total originada por la carga externa y la acción de la palanca. 2.

2. La capacidad a la flexión del ala del perfil de unión debido al momento producido por la acción de palanca.

3. 4.

3. La capacidad a la tracción del alma de la te o del ala saliente del ángulo debida a la carga externa aplicada P.

130

Figura N° 31 a

Figura N° 31 b Figura N°31

131

c. EJEMPLO (Ref. 8.1) Seleccionar un colgador "T" de acero con Ff = 2,4 (tf/cm2) para resistir una carga de 20 tf. El colgador está unido por pernos y se suspende del ala de una viga IN 90 x 202

DATOS Gramil de la viga:

:100 mm

Longitud de perfil Te

: 250 mm

Conectores

: 4 pernos A 325

132

SOLUCION a. SECCION DE PRUEBA P'= P/c = 20/25 = 0.80 (tf/cm) Solicitación en perfil Te Suponer que el espesor del alma de la Te es 10 mm. Luego, la distancia b es 43 mm para un gramil de la viga de 100 mm. Usar b= 45 mm. El espesor del ala de la te deberá ser:

t > (0.8 * 4.5 / (0.5 * 2.4))

0.5

= 1,73cm. = 17,3mm. Usar t = 18 mm.

Elegimos perfil T 15 x 38, ya que t = 18= B 2OOmm y e= 10 mm Observar que el espesor del ala del perfil soportante es 22 mm > 18mm. b.PERNOS DE PRUEBA Carga externa por perno T = P/4 = 20/4 = 5 (t f). Suponer Q = 0,5 T = 0,5 x 5 = 2,5 (t f ). Luego la carga total de prueba por perno 5 + 2,5 = 7,5 (tf) Para pernos A 325/d2O

Carga admisible de tracción = F t x Ab = 2,80 * 3,14 = 8,79 (t f) > 7,5 (tf)

133

c.CALCULO DE Q

Figura N° 32

2

Q = T * (100bd (70ad Q=T

2

2

-

18 wt )

+

21 wt )

2

100 * 4.3 * 2

2

2

70 * 3.6 * 2

-

18 * 12.5 * 1.8

+

21 * 12.5 * 1.8

2 2

Dado que: T = W P’/2 Q = 0.533 * 12.5 * 0.8 /2 = 2.67 (tf)

134

d.VERIFICACION 1.

Carga del Conector Carga total de tracción T + Q = 5 + 2,67 = 7,67 tf < 8,97 tf

2.

Flexión en el ala

Momento M2 = Qa = 2,67 x 3,6 = 9,61 (tf - cm) Momento M1 = (T + Q) b - Q (a + b) = 7,67 x 4,3 - 2,67 (4,3 + 3,6) = 11,9 (tf - cm) Determina el diseño Momento admisible del ala 2

2

M = 0.75 * F f * t * w / 6 = 1,8 * t * w/6 2

= 1,8 * 1,8 * 12,5/6=12,2 (tf-cm) > 11,9 tf cm

3. Tracción en el alma de la Te. Capacidad admisible en tracción 0,6 Ff * e (longitud del perfil) = 0,6 x 2,4 x 1,0 x 25 = 36 tf > 20 tf

135

5.5.4. Tracción y cizalle combinados (REF. 8.7) En la sección 4.3 hemos mostrado que la curva determinante de un conector solicitado por tracción y cizalle es una elipse centrada de semiejes las tensiones de fluencia de tracción y cizalle. La práctica actual limita la combinación de cargas de tracción y cizalle por algún método arbitrario.

Todo esto se basa en considerar solamente los esfuerzos

nominales de tracción y cizalle, despreciando la tensión inicial, la fracción y el desplazamiento. El procedimiento empírico para limitar los esfuerzos combinados esta basado en la interacción, cuya expresión generales es: x

y

A*(ftu/ Ftu) + B*(fvu/ Fvu) ≤ 1 En que: A, B, x, y son constantes empíricas Ftu = tensión última de tracción actuando independiente. Fvu = tensión última de cizalle actuando independiente. ftu = tensión última de tracción en condición de falla fvu

tensión última de cizalle en condición de falla.

Estudios preliminares indican que una expresión con A = B y x = y = 2, esta razonablemente de acuerdo con los resultados experimentales.

136

Para efecto de diseño la expresión anterior se transforma en otra utilizando las tensiones admisibles y así obtenemos la expresión: 2

2

(ft/ Ft) + (fv/ Fv) = 1

En que: Ft = Tensión admisible de tracción actuando independiente Fv = Tensión admisible de cizalle actuando independiente. ft, fv = Componentes de las tensiones nominales que resultan de la acción combinada.

Figura N° 33

137

Las especificaciones A.I.S.C. sección 1.6.3, aproximan la relación de interacción por medio de tres funciones lineales, según se muestran en la figura N° 33, las que se expresan por medio de las siguientes ecuaciones: ft/Ft = A1 - B1*fv/Fv ft/Ft ≤ 1 fv/Fv ≤ 1 Ecuaciones que también pueden escribirse de la forma siguiente: ft = A - Bfv ft < Ft fv < Fv Los valores de A y B son: Conexión tipo aplastamiento P.A.R.

A 325

A=3520

B = 1.6

P.A.R.

A 490

A=4920

B = 1.6

En las conexiones tipo fricción se especifica la siguiente fórmula de interacción. fv / Fv + ft/Fto < 1

Donde Fto es la tensión de tracción debida a la carga de prueba Fto =Tp (Carga de Prueba) / Ap Area Nominal del Perno

138

Fv es la tensión admisible del perno al cizalle. Por lo tanto las ecuaciones quedan: Conexiones tipo Fricción: P.A.R. A 325: Fv < 1050 (1 - ft *Ap/ Tp) P.A.R. A 490 : Tv < 1400 (1 - ft *Ap/ Tp) Los pernos están expuestos a estas cargas de tracción y cizalle, cuando la carga solicitante de la unión no está contenida en el plano de los pernos, uniones que son denominadas comúnmente como conexiones con excentricidad fuera del plano. Debido a que este tipo de unión es muy común (ej.: uniones de momentos de vigas a columnas) a continuación veremos sus procedimientos de cálculos.

139

a. CONEXIONES CON EXCENTRICIDAD FUERA DEL PLANO Para calcular este tipo de conexiones se consideran dos tipos de comportamiento: 1. Con tracción inicial 2. Sin tracción inicial

Figura N°34

140

Conviene considerar siempre el caso más desfavorable, es decir con tracción inicial. El caso 1. se calcula aplicando las fórmulas deducidas anteriormente para el caso de una sola columna o fila de conectores (sección 5.5.2.a.) 2

Σx =0 2

2

2

Σ y = n (n – 1) p /12 y

= (n-1)p/2

s

=n (n+1) p / 6

Rx

= My/Σ y = 6M/(n(n + 1)p) si n »1

n

= (6M/pR)

n

= (6M/pmR)

2

0.5

2

n (n+1) ≅ n

Esto es válido para 1 sola fila de conectores

0.5

Para m filas de conectores. En que R es un valor estimado con fatiga

admisible, por si hay cizalle y tracción determinante. Caso 2. Sin Tracción inicial 2

ΣAy = 0.5 * b * c C

= h/6

Igualando momento estáticos se ven que conectores quedan trabajando a la tracción.

141

b. EJEMPLO Calcular la conexión de la consola con la columna del gráfico para los casos 1 y 2. Probaremos con pernos corrientes de diámetro igual a 20 mm. A42-23.

Figura N° 35 p ≥ 3 d ≅ 6 cm. Usamos p = 8 cm b = 15 cm Como existe combinación de tracción con cizalle se utiliza la fórmula de interacción de AISC. 2

Ft = 1960 – 1.6 * fv (Kg/cm ) = 1,96 - - 1,6fV (T/cm²) < 1.4 (T/cm²) 2

Fv = 0.7 T/cm

M = 30 * 36= 1080 (T*cm)

142

Suponemos para "R" una fatiga admisible de 2

Ft = 1 T/ cm R = Ft * A t

n = (6 * 1080/(8 * 2 * 2.45))

0.5

n = 12.9 pernos /fila ≅13 pernos /fila Verificamos la fatiga al corte 2

2

fv= P/(2 * n * Av) = 30 / (24 *3.14) = 0.398 (T/cm ) < 0.7 (T/cm ) Verificamos la fatiga a la tracción 2

Ft(adm)= 1.96 - 1.6 x 0.40 = 1.32 (T/cm ) S = n (n + 1)p/6 = 12 * 13 *8/6 = 242 cm. (para 1 fila de pernos) S =485 (para 2 filas) 2

2

ft=1080/ (416 * 2.45) = 1.059 (T/cm ) < 1.32 (T/cm ) Queda un poco excedido . Probamos con 11 pernos/fila 2

2

fv = 30 / (22 *3.14) = 0.434 (T/cm ) < 0.7 (T/cm ) 2

Ft = 1.96 - 1.6 x 0.44 = 1.26 (T/cm ) S = 2 * 11 * 12 *8/6 = 352 cm. 2

ft=1080/ (352 * 2.45) = 1.25 (T/cm ) < Ft

143

Veamos el caso 2 Para un primer tanteo calculamos 0.5

n = 0.8*(6M/pmR)

(el valor real de la raíz se vio en el caso anterior) n = 0.8 * 12 n = 9 pernos Calculamos la altura h h = 8 * 8 + 2 *3.5 = 71 cm. c ≅ h/6 = 11.8 < 2.8 + 3.5 = 19.5 pero > 3.5 + 8 = 11.5 Quedan aproximadamente 11 pernos fuera, tomando momentos estáticos c/r al eje “ X ”para encontrar la ubicación real del eje neutro. 2

15 * x /2 = 2 * 7 *2.45 * (43.5 – x) 2

x + 4.57 * x – 198.94 = 0

Figura N° 36

x = 12 cm. (altura para n= 2) 11.5 < x < 19.5 (altura x para n=3) A continuación se calcula el momento de inercia 3

3

4

I1= bh /3 = 15 * 12 /3 = 8640 cm (zona comprimida)

144

2

(PERNOS) I2= 2 * (Ix’+ Ad ) 2

4

I2= 2* (7*48*64*2.45/12 + 7*2.45*31.5 ) = 42.815 cm 4

I = I1 + I2 = 51455 cm

2

ft= (1080 /51455 )*55.5 = 1.165 T/ cm 2

2

fv= 30 / ( 18*3.14) = 0.53 T/ cm < Fv = 0.7 T/ cm 2

Ft= 1.96 – 1.6 * 0.53 = 1.112 T/ cm ft ≅ F t

La conexión resulta adecuada con 2 filas de 9 pernos ∅ 20 con p = 8 cm. Nota: ver ejemplo N°2 ICHA. Pag 705 (Ref. 8.4)

Figura N° 37

145

5.6.

Ejemplos Los ejemplos que a continuación se desarrollan han sido extraídos del

artículo "Typical Design Examples for High - Strength Bolting" del Dr. John W. Fisher (REF. 8.1) EJEMPLO Nº 1 "UNIONES DE VIGA A COLUMNAS" Este ejemplo ilustra el diseño de una conexión usando pernos de alta resistencia A 490. El diseño es comparable con las Conexiones Enmarcadas Apernadas y Remachadas dadas en el manual A.I.S.C. e ICHA. Para calcular las fuerzas que actúan en los pernos, el efecto de la excentricidad para gramiles menores que 2 1/2", se ha despreciado. La fuerza de tracción (tensile force) que actúa en las alas salientes del perfil ángulo también se han despreciado. Los ángulos serán apernados en taller a las columnas y apernados en terreno a las alas de la columna

Figura N° 38

146

VALORES DE DISEÑO 2

CIZALLE SIMPLE : 0.442 pulg x 32 K.S.I. = 14.1 KIP/POR PERNO. CIZALLE DOBLE : = 28.2 KIP/POR PERNO APLASTAMIENTO : 1.35 Fy = 135 (50) = 67.5 K.S.I. APLASTA.MIENTO EN ALA COLUMNA : 67.5 x 0.606 x 0.75 = 30.7 KIP/PERNO APLASTAMIENTO EN ALMA VIGA : 67.5x 0.438 x 0.75 = 22.2 KIP/PERNO La acción de palanca puede calcularse utilizando la siguiente ecuación: 3

(*) Q =[9b/(16a) – t /14]* P/4 Donde: Q=

Fuerza apriete por perno en KIPS

P=

Carga total aplicada en KIPS

a=

Distancia del centro del perno al borde del ala ( a ≤ 1.25b)

b=

Distancia desde centro del perno a pie de alma de parte a conectar.

t=

Espesor del alma del perfil “T”

147

Esta ecuación de la “Acción de Palanca” ha sido desarrollada por una evaluación de estudios analíticos y experimentales a = 1.94 pulgadas b = 2 – f = 1.63 ’’ f = ½ ” alma + 1/16 ” w = ½ longitud 12 ST 56.95 = C/2 t = 1.102

Figura N° 39 Sustituyendo en * 3

Q =[9 * 163/(16 * 194) – (1.102) /14]* 69.9/4 Q = 6.57 Kips La fuerza que actúa en cada perno es P/4 + Q = 17.47 + 6.57 =24.04 Kips < 24.05 Kips

148

Tracción admisible pernos de alta resistencia A 325 ∅ 7/8 = 24.05 Kips S

L CLIPS EN EL ALMA

Los pernos requeridos para conectar el ángulo al alma de la viga, pueden conectarse en fricción o en aplastamiento. CONEXION TIPO FRICCION V = 2 x 0.6013 x 15 x 2 = 36.8 KIPS > 24 KIPS CONEXION TIPO APLASTAIIIENTO V = 2 x 0.6013 x 22 x 2 = 52.9 KIPS > 24 KIPS S

USAR 2L 4" x 3 1/2" x 3/8" x 5 1/2" ST 12 x 52.95 Tensión ft en sección neta del alma A n ft = P / An = 69.9 / (0.625 (7-2* 15/16) = 21.8 Ksi <

22 Ksi

TENSION DE FLEXION fm (trabajo) en ala

Figura N° 40

149

En sección x - x M = (P/2)*(b/2) Donde: M = Momento de flexión en ala del perfil “ST” en (KIP-PULGADAS) M = (692/2)*(163/2) = 28.5 (KIP-PULGADAS) 2

2

fm= M/S = M/(ct /6) = 6 *28.5/ (70 * 1.102 ) = 20.1 Ksi< 22 Ksi Donde: t = Espesor del ala c = Longitud de perfil DISEÑO DE LA CONEXION En alma de viga, es crítico el aplastamiento. 80/22.2 = 3.6

4 Pernos de Alta Resistencia

En ala columna, es crítico el corte (cizalle simple) 80/14.1 = 5.7

6 Pernos de Alta Resistencia

S

Utilizamos L 4 x 3 1/2 x 5/16 x 11½ Acero V5O

150

EJEMPLO N°2: UNIONES DE MOMENTO El diseño de una conexión de momento se ilustra en este ejemplo; los S

ángulos del alma tomarán el corte y los perfiles T en el momento. El diseño de los L ya fue ilustrado en el ejemplo N° 1. Los pernos que unen el alma de los perfiles T a las alas de la viga, están solicitados por cizalle simple producido por el perno de alta resistencia (momento). Los pernos que unen las alas de los perfiles T al ala de la columna resisten el momento tomando tracciones.

Figura N° 41

151

CARGAS PP + SC

VIENTO PP + SC + VIENTO

0.75*(PP + SC + VIENTO)

CORTE KIP 24

6

30

22.5

MOMENTO

60

128

96

KIP-PIES

68

Diseñar según especificación A.I.S.C Usar pernos de Alta Resistencia A 325 - ∅ 7/8 ” TENSIONES ADMISIBLE ACERO Ff = 36 Ksi Fm = 24 Ksi Ft = 22 Ksi Fv = 14.5 Ksi TENSIONES ADMISIBLES PERNOS DE ALTA RESISTENCIA A 325 Tracción = 40 Ksi Corte

= 15 Ksi (Tipo fricción)

Corte

= 22 Ksi (Tipo Aplastamiento)

152

Fuerza P actuando en el centro del perfil "T" P = (96 x 12)/16.475 = 69.9 KIPS CONEXION ALMA ST 12 x 52.95 A A LA DE VIGA Usando conexión tipo fricción CIZALLE SIMPLE = 0.6013 x 15 = 9.02 KIPS/PERNO APLASTAMIENTO

= NO HAY

Nº de Pernos = 69.9/9.02 = 7.75 Usar 8 pernos CONEXION ALA ST 12 x 52.95 A ALA DE COLUMNA TRACCION

= 0.6013 x 40 = 24.05 KIPS/PERNO

N° de Pernos

= 69.9 /24.05 = 2.91 Usar 4 pernos ∅ 7/8"

ES NECESARIO VERIFICAR LA ACCION DE PALANCA (PRYNG ACTION)

Figura N° 42

153

EJEMPLO Nº 3 (REF. 8.4) UNIONES DE MOMENTO SOLDADAS EN TALLER APERNADAS EN TERRENO Construcciones Tipo 1, Marco rígido Las uniones deben ser diseñadas para desarrollar los momentos propios del marco. El siguiente ejemplo ilustra el diseño de una unión de momento que puede ser usada en una construcción de marco rígido.

Para la nomenclatura, véase Sec. 5.4.1.

Uniones de momento soldadas. Se supone que el momento lo resisten las planchas en las alas de la viga, soldadas en taller a la columna y apernadas o remachadas en terreno a las alas de la viga; y que el corte transferido a la columna por una plancha vertical soldada en taller a la columna y apernada o remachada en terreno al alma de la viga.

Figura N° 43

154

NOMENCLATURA

M

= Momento en la unión tf-m

R

= Reacción extrema de la viga, tf

Rv

= Carga admisible de corte o valor de aplastamiento para un conector, tf.

(Ff)col = Tensión de fluencia de la columna, tf/cm2 (Ff)at = Tensión de fluencia del atiesador, tf/cm2 F vp

= Tensión admisible de corte en la plancha, tf/cm2

Fus

= Tensión admisible de corte en las soldaduras, tf/cm2

Ft

= Tensión admisible de tracción en las planchas y en la soldaduras de ranura. tflcm 2

Sv

= 1,05s = corte admisible en soldaduras de filete con electrodos E50XX, tf/cm (véase Tabla 2.2-1)

T

= Fuerza horizontal en el ala superior o inferior de la viga, tf

Ap

= Area de la plancha superior o inferior cm2

Aat

= Area de atiesador, cm2

Aatd = Area de atiesador diagonal, cm 2 Avc = Area del alma en la unión viga-columna, cm2 c1

= Razón entre la tensión de fluencia del ala de la viga y la tensión de fluencia de la

columna.

155

c2

= Razón entre la tensión de fluencia de la columna y la tensión de fluencia del

atiesador. Hv

= Altura total de la viga, cm.

Hc

= Altura total de la columna, cm.

Hv

= Altura libre entre las alas de la viga, cm.

hc

= Altura libre entre las alas de la columna, cm.

lc

= Longitud de la plancha al alma, cm.

ec

= Espesor de la plancha al alma, cm.

lp

= Longitud del atiesador diagonal,cm.

s

= Dimensión nominal de la soldadura, cm.

kc

= Distancia desde el exterior del ala al pie del filete de soldadura o de laminación de la columna, cm.

eA,B = Espesor de la plancha al ala traccionada, comprimida de la unión, cm. bA,B= Ancho de la plancha al ala traccionada, comprimida de la unión, cm. O

= Angulo entre el atiesador diagonal y el eje longitudinal de la viga.

eat

= Espesor de los atiesadores ubicados en linea con las planchas A y B

156

ETAPAS DE CALCULO 1. Determinación de la reducción de área del ala por las perforaciones de los conectores. 2. Determinación de la fuerza horizontal: T = M/Hv 3. Diseño de las planchas de las alas: Aap = T/F t b = Ap/ep + ΣD En que: D = Diámetro de la perforación 4. Determinación del número de conectores requeridos para desarrollar la fuerza horizontal en las alas: N = T/Rv 5. Diseño de la plancha A 5a. Determinación del número de conectores Na: Na=

R/Rv

157

5b. Dimensión de la plancha A Con Na elegir l (ea )min = R/(F vp * l) 5c. Dimensión de las soldaduras Se coloca soldadura en ambos lados y en toda la longitud de la plancha. Smin = R/(2 x 1,05 x l) Para electrodos E5OXX 6. Análisis del corte en el alma de la columna (véase Sec. 5.4.l., Etapas de cálculo, punto 5) 7. Verificación del pandeo y aplastamiento del alma (véase Sec. 5.4.l., Etapas de cálculo, punto 6.)

158

EJEMPLO 3.1. Diseñar una unión de momento para una viga IN45 x 76,5 (H= 450, B= 200, t= 8 y e= 16) enmarcada a una columna HN30 x 159 (e=28). El momento de diseño es de 23tf - m y la reacción extrema es de 16tf. Todos los materiales son de acero A 37-24. Usar pernos A 325-X y electrodos E5OXX. SOLUCION 1. M = 23 tf *m El ala de la viga esta arriostrada de tal modo que puede alcanzar su capacidad máxima a la flexión. Análisis de la sección Ala : b/e = 100/16 = 6,25 < 9,0 = (b/e)p

La sección es plástica

Alma: H/t = 450/8 = 56,3 < 70,4 = (H/t)p Luego: Fm = 0,66 F = 1,58 tf/cm

2

3

Wreq = 2300/1,58 = 1460 cm

Suponer dos filas de pernos A 325-X/d22 (Aa)total = 20 x 1,6 = 32 cm

2

(Aa)neta = 32 – 2* (2,2 + 0,2)* 1,6 = 24,3 cm (32 - 24,3)*100

2

= 24%

32

159

15% Inet

9% de exceso 2

4

= 35000 - 2 x 0,09 * 32,0*(45 - 1,6) /4 = 32288 cm 3

W net = 32288/22,5 = 1435 cm ≅ 1460 cm

3

= Wreq

2. T = 2300/45 = 51,1 tf 2

3. Ft = 1,44 tf/cm

2

Ap = 51,1/1,44 = 35,5 cm (neta) Suponer plancha de espesor ep = 22 mm btotal = 35,5/2,2 + 2* (2,2 + 0,2) = 20,9 cm. Usar planchas de ala PL22 x 220 4. Unión al ala Aplastamiento en el ala de la viga De Tabla 2.1-3 para: ev = 16mm, pernos d22 y Ft = 2,4 tf/ cm

2

: Rv = 11,4 tf

Corte en el perno De Tabla 2.1-2b, para pernos A 325-X/22 en cizalle simple: R v = 5,89 tf (determina el diseño) N° de pernos = 51,1/5,89 = 8,68 Usar 10 pernos 5. Unión al alma 5.a. Suponer pernos A 325-N/d22 Considerar una plancha de 6 mm de espesor Aplastamiento en la plancha de 6 mm

160

(véase Tabla 2.1-3): Rv = 4,28 tf Cizalle simple (Véase Tabla 2.1 -2b): R v = 3, 99 tf (determina el diseño) Na = 16/3,99 = 4,01 Usar 4 pernos 5b. Con un gramil de 75mm y una distancia de 40 mm. al borde, la longitud de la plancha A es de 305 mm. Usar l = 300mm. Luego, (ea)min = 16/(0,96*30) = 0,56 < 0,6cm. Usar plancha A PL6 x 100 x 300 5c. Soldadura A, que une la plancha A al ala de la columna Para ec = 28mm, la soldadura mínima es s = 8mm (véase NCh 427, Tabla 55) Smin = 16 / (2 * 1.05 * 30)

= 0,25cm. < 0,8 cm

Sin embargo, por ser 6mm. el espesor de la plancha A usar s = 6 mm. Usar soldadura E5OXX/6 a ambos lados de la plancha A y en toda su longitud. 6. Corte en el alma de la columna hc = 30 - 2 * 2,8 = 24,4 cm. Hv = 45 + 2 * 2,2 = 49,4 cm. 250 * 23/24,4 * 49,4 * 2,4 = 1,99 > t = 1,4 cm. Luego reforzar el alma empleando atiesadores diagonales: 2

2

cos0 = 49,4/ (49,4 + 24,4 ) =

0,879

C2 = 1

161

2

Aatd = (1/0.879) (1.67 * 23 / (49.4 * 2.4 )) - 1 * 0.67* l.4x 24.4 = 10,6cm 2

Para 2PL8 x 75 x 550: Aatd = 12cm > 10,6 cm

2

Sreq = 0,6 * 2,4 * 12/2 * 1,48 * 55 = 0,106 cm. < Smin = 6mm para te = 14mm Usar 2PL8 x 75 x 550 para atiesador diagonal y soldadura E5OXX/6 ambos lados de las planchas en la unión al alma de la columna. 7. Atiesadores del alma de la columna Area requerida neta de la plancha 2

Ap = 35,5 cm (Véase etapa 3) En el ala comprimida C1 = 1 k c = 3,.6 cm. 1 * 35,5/(2,2 + 5 * 3,6) = 1,76cm > tc = 1,4 cm luego, se requiere atiesador En el ala traccionada 0,4 * 1 * 35,5 = 2,38 cm < 2,8 cm. luego, no se requiere atiesador frente al ala traccionada c2 = 1 Aat > 1 * 22 * 2,2 - 1,4 (2,2 + 5 * 3,6) = 20,1 cm

2

ó 10 cm

2

por atiesador

Suponer un ancho total de atiesador b = 15 cm.

162

Considerar atiesador de 7,5 cm con esquinas recortadas dando un ancho de aplastamiento de 6 cm.

(eat)req =b/(b/e)c = 7,5/16,5 = 0,45 cm. Usar eat = 8 mm. 0,8 * 0,96/2 * 1,05 = 0,37 cm < S min = 6mm para te = 14 mm y S min = 8mm para ec = 28 mm. 0,6 * 2,4 * 20,1/1,05 * 0,6 = 46 cm. ó 23 cm. por atiesador Por lo tanto: Usar 2PL8 x 75 x 230 frente al ala comprimida con soldadura E5OXX/6 de 230 mm. de longitud en la unión alma y soldadura E5OXX/8 de 60 mm. de longitud en la unión al ala de la columna.

163

EJEMPLO N° 4 UNIONES DE MOMENTO CON PLANCHA EXTREMA Dada una viga con una reacción extrema de 13,5 tf y un momento negativo en el extremo de 15tf - m enmarcada a una columna HN40 x 266. Diseñar la unión de momento con plancha extrema correspondiente usando pernos A 325. 2

Todos los miembros son de acero con Ft 2,4 tf/ cm .

La plancha extrema debe ser doblada en taller a la viga con electrodos E5OXX. El momento ha sido reducido de acuerdo con Norma NCh427, Cap. 11.2.3a para vigas rígidamente unidas a columnas.

Figura N° 44

164

Solución Seleccionar la viga y suponer que sus alas están tensionadas con la tensión admisible máxima. Basados en las dimensiones de la viga y de la columna y de las líneas de gramiles normales, se selecciona la dimensión de una plancha extrema apernada. Usar soldaduras de filete, entre las alas de la viga y la plancha extrema capaz de soportar la fuerza necesaria del ala. El alma de la viga estará unida con soldadura de filete de modo que resista el corte extremo y el momento equivalente en el alma. La soldadura de filete debe cumplir con Norma Nch427, Cap. 15.3.4 A.

Selección de la viga

1.

Módulo resistente requerido: Wreq = 15 x 100 / (0.66 *2.44) = 947 cm

3

De Tabla 1-24, para IN40 x 55,4 (perfil más eficiente) W = 1140 cm

2

> 947 cm

2

Dimensiones Hv = 400 mm Bv = 200 mm tv = 6 mm ev = 12 mm T= 0,66 Ff *Bv * e v = 0,66 * 2,4 * 20 * 1,2 = 38 t f

165

B. Dimensiones de prueba de la plancha extrema 1. Suponer 4 pernos d24 en el ala superior de la viga. 2. Determinación de la dimensión de la soldadura requerida para resistir la solicitación del ala superior entre el ala y la plancha extrema l = 2 * Bv – tv = 2*20-0.6 = 39.4 cm. s = 38 / (1.05 * 39.4) =0.919

Usar s = 10 mm.

Figura N° 45 La sección IN40 * 55,4 cumple con los requisitos de esbeltez de sus elementos según lo indicado para secciones plásticas por la Norma Nch 427 tabla 14.

166

3. Determinación del ancho de la plancha extrema Para HN40 x 266: B = 400 mm y g = 140 mm (véase parte I Tablas de Dimensiones para detallar). Probar con w = 240 (Véase Fig. 6.2-2) 4. Determinación del espesor de la plancha extrema, incluyendo el efecto de la acción de palanca. Determinación de la distancia b (b= distancia desde el eje de los pernos al ala superior de la viga menos 2 mm. (Véase Sec. 6.1). De Tabla 7.1-8, tolerancia mínima de montaje para un perno d24: E = 35mm. Luego, b = E + s - 2 = 35 + 10 - 2 = 43 mm.

Figura N° 46

167

Espesor de prueba de la plancha extrema, ep Para el análisis de prueba suponer: Q=Q

y

M2 = 0 y usar Fm = 0,75 * F1

Luego, 2

M1 = 2 * F*b = T*b/2 = W*Fm = ep *w*Fm/6 Por lo tanto (ep)req= 3 * T * b /(w * Fm) = 3 * 38 *4.3 / (24 *1.8) = 3.37 cm. Sea ep =32 mm. C.

Verificación de la plancha de prueba

1.

Cálculo de la fuerza de palanca suponiendo pernos d24 (Véase Sec. 6.1) Para pernos A 325: 2

2

2

2

Q/ F = (100 * 4.3 * 2.4 – 18 * 12 * 3.2 )/ (70 * 4 * 2.4 + 21 *12 *3.2 ) Q/F = 0.063 F = T/4 =38 /4 = 9.5 tf Q = 0,063 x 9,5= 0,60 tf Carga total por perno = F + Q = 9,5 + 0,60 = 10,1 tf De Tabla 2.1-1b, para pernos A 325/d24: Carga admisible de tracción

12,7 tf > 10,l tf

168

2.

Flexión en la plancha M2= Qa = 0,60 x 4,5 = 2,70 tf - cm b

M1= (F + Q) - Q (a + b)= 10,1 * 4,3 - 0,60 * (4,5 + 4,3) = 38,2 tf-cm

Momento admisible: 2

2

1,8e w/6 = 1,8 x 3,2 x 12/6 = 36,9 tf-cm < 38,2tf - cm (3,5% de exceso) 3.

Interacción corte-tracción en el perno Suponer 6 pernos A 325/d24 De NCh427, Tabla 49, para pernos A 325: Fv = 1,05 tf/cm 2 2

2

fv = 13,5/(6 * 4,52) = 0,498 tf/cm < 1,05 tf/cm Suponer que los pernos están en unión tipo aplastamiento. NOTA:

De acuerdo con la Especificación para Uniones Estructurales que emplean pernos A325 o A490, Sec. 4, para la forma de la unión no se requiere verificar la interacción tracción-corte cuando los pernos están en unión tipo fricción. De NCh427, Tabla 50, para pernos A325 en unión tipo aplastamiento:

Ft = 3,52 - 1,6 *f v = < 2,8 tf/ cm

2

169

2

Ft = 3,52 - 1,6 x 0,498 = 2,72 tf/ cm < 2,8 tf/ cm 2

ft = 10,1/4,52 = 2,23tf/ cm < 2,72tf/ cm

2

y

2

Por lo tanto usar 6 pernos A325/d24 4.

Soldadura De Etapa B2, s = 10 mm NOTA El ala inferior no se analiza en aplastamiento. De NCh427, Tabla 55, para ep = 32mm: Smin= 8mm pero como el espesor del alma de la viga es tv = 6 mm, Usar Smin = 6mm Longitud mínima para evitar sobretensionar el alma en corte l =12/(0,6 * 0,96) = 20,8cm. Como la viga IN40 x 61,5 es de sección plástica, el alma debe ser capaz de resistir una tensión de flexión de 0,66 Ff en toda su altura. Luego soldar el alma por ambos lados y en su altura total. Soldadura requerida para desarrollar en el alma 0,66 Ff Sreq = 0,6 * 0,66 * 2,4/ (2 * 1.05) = 0,45cm < 0,6 cm Por lo tanto, usar soldadura al alma: E5OXX/6

170

D. Atiesadores y refuerzos El alma de la columna se debe verificar según lo indicado en Sec. 5.4 Uniones de Momento. NOTA: Si se prolonga la plancha bajo el ala inferior en aproximadamente un espesor (35rmm) y se supone que el flujo de tensión a través de la plancha extrema tiene una pendiente de 45°, el término (tv + 5kv ) de la Fórmula 32 de NCh427 se puede modificar, en forma conservadora, a (tv + 5kv + 2ep) En este ejemplo no se ha requerido atiesadores frente al ala comprimida de la viga, y debido a la separación de los pernos, tampoco se ha requerido atiesadores frente al ala traccionada. Por lo tanto, usar Plancha extrema PL32 x 240 x 520 sin atiesadores en el ala de la colunna.

171

Ejemplo N° 5 EMPALMES DE VIGAS (REF. 8.1) Este ejemplo describe el diseño de un empalme de viga en cual desarrolla todo el momento admisible y el corte admisible del perfil laminado. Se supone que las platabandas del ala desarrollan la resistencia al momento y las planchas del alma la resistencia al corte. Como la excentricidad excede las 2 1/2", es necesario considerar la combinación de tensiones. El método de diseño A.I.S.C. reconoce que ocurre una redistribución y por ello considera una reducción del brazo del momento. La fuerza total en un perno es la resultante de las componentes debido al corte y al momento. Para calcular el empalme del alma utilizaremos coeficientes C de tabla XII del Manual A.I.S.C. (Pág,. 4-64).

172

ACERO A36

21 WF 62

Ff = 36 Ksi

S = 126.4

Fm = 24 Ksi

tala= 0.615

Ft = 22 Ksi

Wala= 0.4

Fv = 145 Ksi

b = 8.24 d =20.99

Figura N° 47 Diseñar empalme para desarrollar todo el momento admisible M y todo el corte admisible V utilizando acero A36 y pernos de alta resistencia ∅ 7/8 A325 M = S * Fb Donde S = Módulo resistente M = 24 * 126.4 / 12 = 252.8 (Kip-pie) V= Fv*w*d Donde W = espesor del alma en pulgadas D = altura de la viga en pulgadas V = 14.5 * 0.4 * 20.99

173

Asumiendo que las planchas de las alas toman el momento y las planchas del alma el corte. DISEÑO PLANCHAS DE LAS ALAS R=M/d Donde: R = es la fuerza que actúa en las alas de la viga 252.8 * 12 / 20.99 = 144.5 KIPS Area requerida Aala= R/Ft = 144.5 / 22 =6.55 pulgadas

2

Espesor requerido “t” de planchas en las alas t = Af/ (b’ – 2*d’’) Donde: b’ = ancho de las planchas d’ = diámetro de los agujeros t= 6.55 / (8.5 – 2(937))= 0.99’ Usar dos planchas 8 ½” x 1”, una en ala superior y otra en ala inferior CIZALLE SIMPLE = 0.6013 * 22 =13.23 KIPS/PERNO APLASTAMIENTO = 0.875 * 0.615 * 1.35 * 36 = 26.1 KIPS/PERNO N° de Pernos = 144.5/13.23 = 10.9

Usar 12 pernos

174

Figura N° 48 DISEÑO DE EMPALME DE ALMA Usar plancha de empalme de ¼” en ambos lados del alma de la viga. Cizalle Doble : 0.6013 * 22 * 2 = 26.46 Kips / perno Aplastamiento: 0.875 * 0.4 * 1.35 *3.6 = 17 Kips / perno

Figura N° 49 Despreciando la excentricidad , el N° de pernos sería : 121.7 / 17 Considerando excentricidad, con tabla XII A.I.S.C pág. 4-64 C requeridp = 7.16 Para 10 pernos (2 filas de 5 c/una) lefectiva = 7 – (1+5)/2 = 4”

c = 5.69 < 7.16

Valor C insuficiente

175

Probando con 12 pernos (2 filas de 2 c/u) lefectiva = 7 – (1+6)/2 = 3.5

C= 8 > 7.16

Este valor de C es satisfactorio

Figura N° 50 EJEMPLO N° 6 UNIONES DE VIGAS RETICULADAS (Ref 8.1) Este ejemplo muestra una simple conexión de una cercha o enrejado que puede ser fácilmente apernada en taller. La unión sigue principios de diseño que han sido muy bien establecidos y usados en los diseños de uniones remachadas. Para limitar a un mínimo el efecto de momento en la unión, las líneas de trabajo se deben intersectar en un punto común.

Figura N°51 Acero A36 , Conexión tipo aplastamiento Pernos de Alta Resistencia ∅ 5 / 8 ” A325, Conexión de taller

176

VALORES DE DISEÑO CIZALLE DOBLE : 2 x 0.3068 x 22 = 13.5 KIP/PERNO APLASTAMIENTO : 1,35 * Fy = 1,35 x 36 = 48.5 Ksi A.PLASTIMIENTO EN GUSSET: 48.5 x (625) x (375) =11.37 KIPS/PERIJO DISEÑO DE LA CONEXION Para conectar 2 ⎤ ⎡ 2 ½” x 1 ½” x ¼’ al gusset es crítico el aplastamiento del gusset. 20/ 11.37 = 1.75

2 P.A.R. A325 ∅ 5/8"

Para la conexión de la cuerda superior al gusset 5 se resuelven los sistemas de fuerzas que están actuando: • La suma de F verticales = 0 • La suma de F horizontales = 20 KIPS actuando hacia la derecha. • Con 2 P.A.R. ∅ 5/8" es suficiente para resistir esta fuerza.

177

5.7.

Planos, Representación y Designación El empleo de pernos de alta resistencia debe venir explícitamente

determinado en los planos de diseño, de fabricación y montaje de estructuras de acero. Para la designación de los pernos de alta resistencia se utiliza la convención A.I.S.C. correspondiente seguida de la letra "d" y el valor del diámetro nominal, esta convención entrega la calidad del elemento de unión dada por la dimensión A.S.T.M. correspondiente A325 ó A490 o seguida de una letra que señala el tipo de unión a saber: F =Tipo Fricción N= Tipo Aplastamiento con hilo en los planos de corte X =Tipo Aplastamiento sin hilo en los planos de corte Ejemplos: - Conexión tido aplastamiento sin hilo en los planos de corte con pernos ASTM - A490 de 3/4" ∅ A 490 - x/d 3/4 - Conexión tipo aplastamiento con hilo en los planos de corte con pernos ASTM- A325 de 1" ∅ A 325 - N/d 1" - Conexión tipo fricción con pernos ASTM- A325 de 3/4" ∅ A 325 - F/d 3/4"

178

La representación de los pernos de alta resistencia en los planos es la siguiente: Taller

Terreno

Figura N° 52 El plano de montaje siempre debe acompañarse de la lista de colocación de pernos de alta resistencia, la que normalmente lleva el mismo número del plano. El objetivo de esta lista es identificar totalmente la conexión señalando los elementos a unir, el número de pernos, su diámetro, su largo y el N° de tuercas y golillas. Esta lista, además de la información que entrega al montador respecto de los pernos a usar en cada conexión permite cubicar los pernos, tuercas y golillas y calentar el largo de los pernos.

179

LONG 2'' 2 1/4''

TUERCAS GOLILLAS CANT. CANT. 2 2 3 3

LONGITUD TOTAL EN PULGADAS

SUMA 25 31 ∑ (ESPESORES +GOLILLA) (20+5 )mm

C10 a P2 C10 a D8

PERNOS ESPESORES POR UNIR 3/4'' 5 10 5 3/4'' 8 10 8 φ

ESPESOR ALMA PERFIL

UNIONES (Marcas de piezas por unir)

ESPESOR PLANCHA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

CANTIDAD DE PERNOS 2 3

ESPESOR ALMA PERFIL

ITEM

180

5.8

Agarre, Longitud del Perno Se denomina agarre (grip) a la suma de los espesores de todos los

elementos a conectar excluidos la golilla.

Figura N° 53 Para calcular el largo del perno se deben sumar al agarre la longitudes indicadas en la tabla siguiente:

181

Longitud a sumar a agarre

DIAMETRO LONGITUD A SUMAR AL AGARRE

Pulgadas Milimetros Pulgadas Milimetros

1/2 12 11/16 18

5/8 16 7/8 22

3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 19 22 25 28 32 1 1 1/8 1 1/4 1 1/2 1 5/8 25 28 30 38 40

1 3/8

1 1/2

35 1 3/4

38 1 7/8

45

48

Tabla N°33 – Longitud a Sumar a Agarre

Por cada golilla plana de la conexión sumar al agarre 3/16’’ (5 mm) y por cada golilla inclinada sumar al agarre 5/16’’ (8 mm). El largo del perno obtenido por la suma indicada (L = G + e + A) se debe ajustar al 1/4 ‘’ de pulgada por exceso. Por cada golilla plana de la conexión sumar al agarre 3/16” (5 mm) y por cada golilla inclinada sumar al agarre 5/16” (8 mm). El largo del perno obtenido por la suma indicada (L = G + e + A) se debe ajustar al ¼ ” de pulgada por exceso.

182

Tabla N°34 – Longitud de los Pernos

183

VI. ESPECIFICACIONES DE COLOCACION DE LOS PERNOS DE ALTA RESISTENCIA 6.1.

General Los planos de diseño, fabricación y montaje deberán incluir notas que

especifiquen la clase de los pernos que se van a colocar, el tipo de unión elegida en el diseño, la especificación correspondiente. El plano de montaje siempre debe ir acompañado de su correspondiente Lista de Colocación de Pernos de Alta Resistencia (Ver punto 5.7). 6.2.

Partes Apernadas La inclinación de las superficies de las partes apernadas en contacto con la

cabeza del perno y la tuerca, no debe exceder 1:20 respecto a un plano normal al eje del perno.

Figura N° 54

184

Las partes apernadas deben quedar en contacto sólido entre si al armarlas y no deben ser separadas por empaquetaduras ni ningún otro material compresible interpuesto. Los agujeros pueden ser punzonados, punzonados a menor diámetro y escariados, o taladrados, según lo requiera la norma o especificación correspondiente y deberán tener un diámetro nominal que no exceda los valores indicados en la tabla del punto N°5.4. Al armarlas, todas las superficies de unión,, incluso aquellas adyacentes a las cabezas de los pernos, tuercas o golillas, deberán estar libres de laminillas, excepto escamas duras de laminación y deberán estar libres también de rebabas, suciedad y otras, materias extrañas que puedan impedir el asiento sólido de las partes. Las superficies de contacto de las uniones de tipo fricción, deberán estar libres de aceite, pintura, laca o galvanizado. 6.3.

Tracción de los Pernos Cada perno se deberá apretar hasta obtener, cuando estén apretados todos

los pernos de una junta, como mínimo la tracción que muestra la tabla siguiente:

185

TRACCION MINIMA DIAMETRO En pulgadas En mm 1/2 12 5/8 16 3/4 19 7/8 22 1 25 1 1/8 29 1 1/4 32

TRACCION MINIMA Libras Kilos 12,000 5400 19,000 8600 28,000 12700 39,000 17600 51,000 23100 56,000 25400 71,000 32200 Tabla N°35

Los pernos deben apretarse con llaves adecuadas (manuales de impacto). El apriete necesario también puede darse girando el perno e impidiendo la rotación de la tuerca, si por la ubicación de la conexión el acceso de la llave a la tuerca fuera muy difícil o imposible.

186

6.4.

Métodos de Apriete Los métodos conocidos de apriete de los pernos de alta resistencia son: • El método de Giro de la Tuerca. • Apriete con Llaves Calibradas. Pueden emplearse herramientas de mano o llaves de impacto.

Cualquier tipo de llave que se use debe tener en cuenta las tolerancias necesarias para poder hacer uso de ellas. El proyectista debe considerar estas tolerancias, además de las determinadas por las normas de cálculo, en el esparcimiento de los pernos de alta resistencia de las conexiones. En la Tabla N° 36, adjunta se indican las distancias mínimas necesarias para usar llaves manuales de tubo y de punta. Cuando se usa llave de impacto las tolerancias indicadas en el Manual Icha son: C ≈ 350 mm D ≈ 55 mm d 16 mm a d 24 mm (Ver figura N° 55)

187

ESPACIOS MINIMOS PARA PERNOS Y TUERCAS

LLAVE DE TUBO

A

B

A

B

C

in.

3/4

1/2

1

7/8

5/8

mm.

19

13

25

22

16

in.

1 1/8

3/4

1 3/8

1 1/8

3/4

mm.

29

19

35

29

19

in.

1 3/8

7/8

1 3/4

1 3/8

7/8

mm.

35

22

45

35

22

in.

1 5/8

1

2 1/8

1 1/2

1 1/8

mm.

41

25

54

38

29

in.

1 7/8

1 1/8

2 5/8

1 5/8

1 1/4

mm.

47

29

67

41

32

in.

2 1/8

1 1/4

3

1 7/8

1 5/8

mm.

54

32

76

47

41

in.

2 3/8

1 3/8

3 1/4

2 1/8

1 7/8

mm.

54

32

76

47

41

in.

2 5/8

1 1/2

3 3/8

2 1/4

1 7/8

mm.

67

38

86

57

47

in.

2 7/8

1 5/8

3 7/8

2 1/2

mm.

73

41

98

64

51

in.

3 1/8

1 3/4

4 3/8

2 3/4

2 1/4

mm.

79

45

111

70

57

in.

3 3/8

1 7/8

4 7/8

2 7/8

2 1/2

mm.

86

47

124

73

64

PERNO 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8 1 1/2

LLAVE DE PUNTA

2

Tabla N° 36

188

DIMENSIONES Y TOLERANCIAS DE LLAVES DE IMPACTO DIAMETRO d (mm)

DIMENSION DADO A B

16 20 22 24

70 80 85 90

TOLERANCIAS MINIMAS E F

45 60 65 70

30 35 35

35 35 40

Tabla N°37

El manual del A.I.S.C. establece las siguientes tolerancias y dimensiones de llaves de impacto con sus respectivos aditamentos:

DIMENSION DE LLAVES TAMAÑO

C

D

LLAVES LIVIANAS

5/8" a 1"

(1'-1 1/4") a (1'- 2")

2 1/8"

LLAVES PESADAS

1' a 1 3/8"

(1'- 3 1/4") a (1'- 5 1/4'')

2 1/2"

Tabla N°38

Figura N°55

189

DIMENSIONES Y TOLERANCIAS DE LLAVES DE IMPACTO (Pulgadas). DIAMETRO "d"

DIMENSION DADO A B

TOLERANCIAS MINIMAS E F

5/8

2 5/8

1 3/4

1 1/8

1 1/4

3/4

3

2 1/4

1 1/8

1 1/4

7/8

3 1/4

2 1/2

1 1/4

1 3/8

1

3 1/2

2 5/8

1 5/16

1 7/16

1 1/8

3 3/4

2 7/8

1 7/16

1 9/16

1 1/4

4

3 1/8

1 9/16

1 11/16

1 3/8

4 1/4

3 1/4

Tabla N°39

6.5.

Método de Giro de la Tuerca El método "Giro de la Tuerca" es un método de aplicación de la pretensión

del perno sin medición directa del torque aplicado, en contraste con los métodos de apriete con llaves calibradas o de torque en los que se mide y controla el momento de torsión aplicado. El método de Giro de la Tuerca consiste en la rotación angular de la tuerca desde una posición determinada, denominada posición "Snugg", es decir el apriete o giro de la tuerca, se considera desde que la tuerca ha hecho un contacto total con la superficie del elemento a conectar.

190

Estudios han revelado que en los Pernos de Alta Resistencia A-325, 1/2 vuelta es suficiente para inducir la tensión requerida, sin embargo, para Pernos de Alta Resistencia A-490, 1/2 vuelta ni es suficiente para inducir la pretensión requerida para pernos largos. Debido a ello se requiere una rotación adicional para los pernos A-490 cuando el largo excede 8 diámetros o pulgadas. En aras de la uniformidad, la misma cantidad de rotación se aplica para ambos pernos A~325 y A-490, aunque esa rotación adicional no se requiere para lograr la tensión mínima para los pernos A-325. Por otra parte, investigaciones recientes realizadas por W. H. Munse ("Tightening of Short Grip High Strength Bolts") han evidenciado que los pernos A 325 ó A 490 con longitudes iguales o menores que 4 diámetros alcanzan la pretensión necesaria o carga de prueba con una rotación inferior a la 1/2 vuelta. Con el fin de mantener la máxima reserva de rotación después del apriete y asegurar al mismo tiempo la adecuada pretensión, se modificó el método de giro de la tuerca para éstos pernos a 1/3 de vuelta. Con el fin de evitar que los pernos queden con una pretensión inferior a la requerida, las normas especifican tolerancias de la rotación de la tuerca. Los pernos instalados de acuerdo con la rotación especificada ± la tolerancia puede resistir tensiones directas adicionales sin que se produzca una reducción en su resistencia límite.

191

GIRO DE LA TUERCA (A.I.S.C). ROTACIÓN ANGULAR DESDE LA POSICIÓN AJUSTADA LONGITUD DEL PERNO Medido desde la cara interior de la cabeza al

DISPOSICION DE LAS CARAS DE LAS PARTES APERNADAS Una cara ⊥ al eje del perno Ambas caras normales Ambas caras con al eje del perno

La otra con pendiente

pendiente

no mayor a 1:20 (sin usar golilla inclinada)

no mayor a 1:21 (sin usar golilla inclinada)

1/3 VUELTA

1/2 VUELTA

2/3 VUELTA

1/2 VUELTA

2/3 VUELTA

5/6 VUELTA

2/3 VUELTA

5/6 VUELTA

1 VUELTA

punto extremo del cuerpo.

Hasta 4 diámetros inclusive Sobre 4 diámetros pero sin exceder 8 diámetros Sobre 8 diámetros pero sin exceder 12 diámetros

Tabla N°40

a.- El giro de la tuerca es relativo al perno, sin considerar el elemento (Tuerca o Perno) que se gira. Para pernos instalados con 1/ 2 vuelta o menos, la tolerancia debe ser más o menos 30°. Para pernos instalados con 2/3 de vuelta o más la tolerancia debe ser de más o menos 45°. b.- El consejo no ha realizado investigación para establecer el procedimiento de giro de la tuerca para pernos de longitud mayor a 12 diámetros. Por lo tanto la rotación requerida en estos casos debe determinarse por ensayos en equipos de tensión adecuados, que simulen las tensiones reales. Experimentalmente se han encontrado los siguientes gráficos de comportamiento para pernos A325 y A490.

Figura N°56 192

Se observa que para pernos A325 la carga máxima se logra luego de girar casi una vuelta, mientras el A490 decrece después de ½ vuelta. Para definir la fracción de vuelta a girar la tuerca, ASTM considera dos casos: a) Ambas planchas son planas - Si el agarre a ≤ 8”, girar en ½ vuelta - Si el agarre a > 8”, girar en 2/3 vueltas b) (*)

- Si p

(*)

- Si p

≤ 0.05 usar el giro que corresponde a planchas planas. > 0.05, ¾ de vuelta y golilla inclinada.

Figura N° 57 Es de hacer notar que por el procedimiento de giro de la tuerca en fracción de vuelta no es necesario usar golilla endurecida bajo la tuerca, salvo en el caso recién indicado.

193

6.6.

Apriete con Llaves Calibradas (de torque) Las llaves calibradas pueden ser llaves de torque manual o llaves de

impacto (neumáticas). La llave de torque manual es una llave de boca ajustable con un limbo graduado que permite leer el torque aplicado. La llave de impacto es una herramienta neumática (ver diagrama en punto 6.4), que tiene la propiedad de cortar la rotación del dado cuando se alcanza el torque prefijado. El cálculo del torque de apriete se obtiene a partir de la expresión: T=K*d*p en que: K = cte., obtenida por calibración, del orden 0,2 d = diámetro nominal del perno p = carga de tracción generada en el perno El uso de llaves calibradas, es un procedimiento más controlado y exige, que se cumplan tres condiciones. - 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 las tablas.

194

6.7.

Especificación A.I.S.C. Sobre Regulación de Llaves Calibradas Cuando se usan llaves calibradas para obtener la tensión de los pernos dada

en la tabla N°35 su regulación se fijará en una posición tal que induzca una tensión por perno en exceso de 5% a 10% sobre el valor indicado. Estas llaves se deberán calibrar por lo menos una vez cada día de trabajo, mediante apriete en un dispositivo que indique la tensión del perno de no menos de (3) pernos típicos de cada diámetro de los que se van a instalar. Las llaves neumáticas se deben graduar para detenerse o cortar a la tensión elegida. Si se usan llaves de Torque manual, la indicación de torque manual correspondiente a la tensión de calibración se debe anotar y usar durante la colocación de todos los pernos del lote probado. Las tuercas deben estar en movimiento de apriete cuando se mide el torque. Cuando se usan llaves calibradas para apretar varios pernos en una sola unión, la misma llave se debe emplear en repasar los pernos que fueron apretados primero, que pueden haberse aflojado al apretar los siguientes, hasta que todos queden apretados con la tensión prescrita.

195

VII. INSPECCION La inspección con respecto al apriete de pernos instalados no habla sido claramente definida en el pasado. Sin embargo, las especificaciones actuales del Consejo lo expresan claramente. La inspección respecto a los demás aspectos señalados en los párrafos de colocación debe remitirse a comprobar el cumplimiento de esas especificaciones y debe ser una inspección constante durante el desarrollo del montaje. La inspección con respecto al apriete es innecesaria si el método de instalación ha sido cumplido concienzudamente. Cuando se usan llaves calibradas y estas han sido calibradas, frecuentemente todos los pernos debieran tener la pre-tensión requerida. Estudios experimentales realizados en la Universidad de Lehigh, probaron que pernos instalados de acuerdo con el método de "Giro de Tuerca" cuyo apriete fuera controlado con llave de torque debidamente calibrada, habían tenido valores de torque mayores que los necesarios para lograr la tensión requerida. 7.1.

Especificación A.I.S.C. - Inspección General El inspector debe comprobar que los requisitos especificados en el párrafo

colocación se cumplan en la obra. Cuando se emplea el método de apriete con llave calibrada el Inspector deberá tener todas las facilidades para presenciar las pruebas de calibración prescritas en el punto 6.7

196

El inspector deberá observar la colocación y el apriete de los pernos para comprobar que el procedimiento de apriete elegido se usa adecuadamente y deberá comprobar que todos los pernos estén apretados.

Esta inspección normalmente dará

seguridad de que el apriete especificado de pernos se ha obtenido. Cuando se necesite mayor inspección del apriete de los pernos que la indicada en el párrafo anterior, se deberá usar la siguiente inspección de arbitraje a menos que se especifique un procedimiento diferente en el contrato. 7.1.1. Llave de inspección El inspector deberá usar una “llave de inspección” que puede ser de torque manual o neumáticas que se pueda calibrar como se indica en punto 6.7. 7.1.2. Dispositivo de calibración Se deberá colocar individualmente tres pernos del mismo diámetro y condición, de longitud representativa, de los que están bajo inspección, en un dispositivo de calibración que indique la tensión del perno. En este dispositivo la superficie bajo la parte que va a girar al apretar cada perno deberá estar igual que la parte correspondiente en la estructura, por ejemplo: deberá haber una golilla bajo la parte que gira si se usan golillas en la estructura o si no se usa golilla, el material bajo la parte que gira deberá ser de la misma especificación que el de la estructura (Ver párrafo 3.1.5.5)

197

7.1.3. Llave de torque manual Cuando la “llave de inspección” es una Llave de Torque Manual, cada perno especificado en el párrafo anterior se deberá apretar en el dispositivo de calibración por cualquier medio conveniente hasta la tensión mínima especificada en la tabla. Se aplicará entonces la "llave de inspección" al perno apretado y se determinará el torque necesario para girar la tuerca o la cabeza 5 grados (aproximadamente 1 pulgada en un radio de una pulgada) en la dirección de apriete. Se deberá adoptar el torque promedio medido en la prueba de tres pernos como el "TORQUE DE INSPECCION" para usarlo en la forma especificada en el punto 7.I.5. siguiente. 7.1.4. Llave neumática Cuando la "llave de inspección" es neumática, se deberá ajustar de manera que apriete cada perno especificado en el punto 7.1.2. hasta una tensión de lo menos 5%, pero no más de 10% mayor que la tensión mínima especificada para su diámetro, ver tabla Página N° 74.

Esta posición o ajuste de la llave se tomará como el TORQUE DE

INSPECCION para usarlo en la forma especificada en el punto 7.I.5. siguiente. 7.1.5. Aplicación del torque de inspección Los pernos a los que representan las muestras del punto 7.1.2., que hayan sido apretados en la estructura, serán inspeccionados aplicando en la dirección de apriete la llave de inspección y su TORQUE DE INSPECCION al 10% de los pernos pero no menos de dos (2) pernos elegidos al azar en cada conexión.

198

Si ninguna tuerca o cabeza de perno gira con esta aplicación del "torque de inspección, la conexión se deberá aceptar como apretada correctamente. Si cualquiera tuerca o cabeza de perno gira por la aplicación del "torque de inspección" se deberá aplicar este torque a todos los pernos de la conexión, y todos los pernos cuya tuerca o cabeza gire por el "torque de inspección" se deberán apretar y reinspeccionar o, alternativamente, el fabricante o erector, según el caso, puede reapretar todos los pernos en la conexión y luego someterla a la inspección especificada.

199

7.2.

Conclusión En los capítulos de este trabajo hemos abordado todos los aspectos de las

conexiones de elementos estructurales con Pernos de Alta Resistencia, mostrando la evolución de la aplicación de este conector mecánico hasta las especificaciones de fabricación y su uso. Del estudio de estos capítulos podemos concluir que la aplicación de los Pernos de Alta Resistencia como toda técnica de construcción requiere el cumplimiento de las especificaciones pertinentes en todas las etapas del proceso constructivo a fin de asegurar el comportamiento adecuado del Perno de Alta Resistencia. Sin embargo, el cumplimiento de estas especificaciones es sencillo y requiere solamente cuidado y dedicación profesional, mas que de equipos caros y sofisticados, en comparación a las conexiones remachadas y soldadas, enfatizando que básicamente el Perno de Alta Resistencia es una conexión de terreno que ha sustituido al remache. Tanto la conexión remachada como la conexión apernada, implica la necesidad de realizar en el taller una gran cantidad de perforaciones en los elementos estructurales a conectar. El trazado de los ejes de estas perforaciones y el cumplimiento de las tolerancias de fabricación, usualmente alteradas por los calentamientos producidos por las soldaduras de taller de los elementos estructurales es uno de los problemas cotidianos que

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enfrenta el armador y el supervisor, en los elementos con conexiones apernadas y remachadas. Las perforaciones se hacen con punzonadoras neumáticas en planchas de un espesor menor o igual a 12 mm., estas punzonadoras producen un desgarramiento en las paredes de la perforación. Tienen la ventaja de ser muy maniobrables (generalmente se cuelgan de una consola pivoteada), por lo que su llegada a los puntos de perforación es expedito, son rígidas para perforar y su costo de mantención, operación es menor que los costos de la taladradora. Para espesores mayores a 12mm. las perforaciones se deben realizar con un taladro, esta máquina es de mayor costo que la punzonadora, su operabilidad es menor y el tiempo de perforación es mayor.

Tiene la ventaja que las perforaciones quedan sin

desgarramiento y solamente con una débil rebaba en sus bordes que se elimina fácil y rápidamente con “galleteado”. Los proyectos de Construcciones en Acero se caracteriza por su prefabricación total y ellos se planifican de tal modo que todos los trabajos de mayor complejidad se realicen en el taller, porqué es allí donde pueden ser más fácilmente realizados pudiéndose dar fiel cumplimiento a las especificaciones y controles de calidad correspondiente, los que en terreno se ven dificultados por accesibilidad de los elementos, por la carencia de instalaciones que son propias del taller y por los mayores costos de estas operaciones.

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Por estas razones, al menos en nuestro país (Ver proyectos indicados en punto 1.2) en las construcciones industriales fuertemente solicitadas, se prefiere realizar las conexiones de taller soldadas y conexiones de terreno apernadas. El Perno de Alta Resistencia como conector de terreno presenta las siguientes ventajas comparativas frente al remache o a la soldadura. • Gran resistencia frente a solicitaciones estáticas, dinámicas y cíclicas. • 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% menos que un remache de igual diámetro, ya que si bien la pieza es más cara, se ve compensado por la rapidez de colocación y menos personal necesario, sin considerar la economía por el menor tiempo de montaje. • En caso de deficiencia de colocación es más fácil y económico el reemplazo de un perno que el de un remache. • Disminución del ruido durante la faena de montaje. • Empleo de equipo más simple, con menores requisitos de espacio y mano de obra menos especializada.

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• Reducción en la inspección necesaria gracias a la uniformidad y control del procedimiento. • Menor costo y facilidad en la inspección, lo que es especialmente cierto en relación al costo y facilidad de realizar la inspección de las conexiones soldadas.

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VIII. BIBLIOGRAFIA 8.1. Historia, Teoría y Práctica de la Apernadura de Alta resistencia. Dr. John Fisher, Profesor Asociado. Ing. Civil Universidad Lehig, Bethtehem, Pensilvania 8.2. Republic High Strenght Bolts and Nuts 8.3. Manual of Steel Construction A.I.S.C Edición 1971 8.4. Manual de Diseño para Estructuras de Acero. Instituto Chileno del Acero, Edición 1976. 8.5. Structural Steel Detailing A.I.S.C. Edición 1971 8.6 Construcción en Acero Ing. Fernando Verbal Escuela de Ingeniería, Universidad Católica de Chile 1977. 8.7 Diseño de Estructuras de Acero Bresler, Lin, Scalzi. 8.8 Trabajos de Investigación Alumnos Curso ICC-243 8.9. NORMAS CHILENAS NCh 2114 a 74;

Ing. Mecánica Rosca Métrica ISO Diámetros y Pasos, Serie General

NCh 2115 a 74; Ing. Mecánica Rosca Métrica ISO Pérfil Básico. Dimensiones Métricas. NCh 427 cR 76;

Construcción: Especificaciones para el calculo de estructuras de acero para edificios.

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8.10 ASTM STANDARS A 153 : Specification for Zinc Coating (Hot Dip) on Iron and Steel Hard Ware A 194 : Specification for Carbon and Alloy Stell Nuts for Bolts for High-Temperature Service. A 242 : Specification for High-Strength Low-Alloy Structural Stell A 325 : High-Strength bolts for Structural Stell Joints. A 370 : Methods and Definitions for me Chanical Testing of Stell Products A 490 : Specifications for Quenched and Tempered Alloy Steel Bolts for Structural Steel Joint. A 563: Specification for Carbon Steel Nut. B 454 : Specification for Mechanically Deposited Coating of Cadmiun and Zinc on Ferrous Metals 8.11. AMERICAN NATIONAL STANDARDS ANSI B.1.1.

: Unified Screw Threads

ANSI B.18.2.1. : Square and Hex Bolts and Screws ANSI B.18.2.2. : Square and Hex Nuts. 8.12 MILITARY STANDARDS Mild – Std – 105D Sampling Procedure and Tables for Inspection by attributes for Inspection by Attributes. 8.13 ESPECIFICATIONS FOR STRUCTURAL JOINTS USING ASTM A 325 OR A 490 BOLTS Approved by the ResearchCouncil on Riveted and Bolted Structural Joints of the Engineering Foundation, May 8, 1974

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Pernos Alta Resistencia (PAR)

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