Capítulo 1 Uso y clasifcación de conexiones de momento con plancha de cabeza 1.1Introducción La indu indust stri ria a de la cons constr truc ucci ción ón de edif edifci cios os de me meta tall de baja baja altu altura ra ha promovido el uso de conexiones de plancha de cabeza en los stados Unidos. sta stass cone conexi xion ones es aper aperna nada dass son son usad usadas as entr entre e vi!a vi!ass y colu column mnas as y para para conect conectar ar dos dos se!me se!mento ntoss de vi!a vi!a en marcos marcos de pórtic pórticos os típico típicoss como como los mostrados en la "i!ura 1.1 y 1.#. $or lo tanto% en los ejemplos son usados exclusivamente perfles armados usados en la industria de la construcción met&lica% sin embar!o% el procedimiento de dise'o tambi(n aplica a perfles laminados de dimensiones comparables a los ran!os de par&metros testeados )es decir *ablas +,- y ,/0.
"i!ura 1,1 Usos típicos de conexiones de momento de plancha de momento )enrasadas0 "i!ura 1,# Usos típicos de conexiones de momento de plancha de cabeza )extendidas0 arcos rí!idos o marcos continuos% dise'ados tipo "2 en la specifcación 3I4C L2"5 o *ipo 1 en la specifcación 345% es usualmente asumido para el dise'o de los marcos. La conexión de momento con plancha de cabeza es una de las
tres conexiones de momento completamente restrin!idas% se!6n se defne en el anual 3I4C% 7ue puede ser usada para conexiones vi!a a columna en "2. Una conexión típica de momento con plancha de cabeza es compuesta de una plancha de acero soldada al t(rmico de la sección de la vi!a con unión a un miembro adyacente usando flas de pernos de alta resistencia. Conexiones de momento con plancha de cabeza se clasifcan en enrasadas o extendidas% con o sin atiesadores y adem&s clasifcadas dependiendo del n6mero de pernos en el ala en tracción. 5ependiendo de la dirección del momento y si la conexión ver& una inversión de momento% la plancha de cabeza apernada puede ser dise'ada para trans8erir tracción en el extremo superior o in8erior% o ambos. sto podría resultar en un dise'o con una combinación de conf!uraciones como una plancha de cabeza enrasada en el lado en compresión y una plancha de cabeza extendida en el lado en tracción. Una Una cone conexi xión ón enra enrasa sada da es deta detall llad ada a tal tal 7ue 7ue la plan planch cha a de ca cabe beza za no se extienda apreciablemente m&s all& de las alas de la vi!a con todos los pernos ubicados entre las alas de la vi!a. Una plancha de cabeza extendida es una 7ue se extiende m&s all& del ala de tracción una distancia sufciente para permitir la ubicación de pernos distintos a los entre alas de vi!a. Conexiones de plancha de cabeza enrasada son usadas típicamente en marcos sometidos a car!as laterales bajas o cerca de puntos de in9exión de marcos de pórticos. $lanchas de cabeza extendidas son usadas típicamente para conexiones de momento vi!a a columna. 4in embar!o% planchas de cabeza enrasadas son a veces veces usada usadass para para conex conexion iones es de momen momento to vi!a vi!a a column columna a cuand cuando o una una extensión de plancha podría inter8erir con otros elementos de la losa de techo. Cuatro conexiones enrasadas y cinco conexiones extendidas de plancha de cab ca beza eza es est& t&n n dentr entro o del alca alcan nce de es estta :uía uía. Los cuat uatro tip tipos de conf!uraciones conf!uraciones de plancha de cabeza enrasadas son mostradas en la "i!ura 1, +. "i!ura 1,+a y 1,+b muestran conexiones no atiesadas de plancha de cabeza enrasada con # y pernos cerca del ala en tracción. "i!ura 1,+c y 1,+d muestran conf!uraciones atiesadas de plancha de cabeza con pernos cerca del ala en tracción. n la "i!ura 1,+c una plancha atiesadora de alma est& ubicada en ambos lados del alma entre las dos flas de pernos en tracción% mien mientr tras as 7ue 7ue en la "i!ur i!ura a 1,+d 1,+d las las plan planch chas as atie atiesa sado dora rass de alma alma es est& t&n n ubicadas dentro de las dos flas de pernos en tracción. $ara ambas conexiones% las planchas atiesadoras est&n soldadas soldadas a la plancha de cabeza y al alma de la vi!a.
"i!ura 1,+ Conexiones de plancha de cabeza enrasada Las cinco conf!uraciones de plancha de cabeza extendida est&n mostradas en la "i!ur i!ura a 1,. 1,. "i!ur i!ura a 1,a 1,a mues muestr tra a una una cone conexi xión ón de plan planch cha a de ca cabe beza za extendida y no atiesada con pernos en el ala en tracción y la "i!ura 1,b muestra la misma conexión con un atiesador de la plancha de cabeza al ala de la vi!a. La conexión no atiesada mostrada en la "i!ura 1,a es probablemente la conf conf!u !ura raci ción ón de plan planch cha a de ca cabe beza za m& m&ss usad usada a com6 com6nm nmen ente te.. *res conf!uraciones de plancha de cabeza con m6ltiples flas se muestran en la "i!ura 1,c% 1,d y 1,e. stas conf!uraciones tienen una fla de pernos 8uera del ala en tracción y tambi(n dos o tres flas de pernos dentro del ala en tracción. st&n identifcados con la notación 1;n% donde
% mien mientr tras as 7ue 7ue las las cone conexi xion ones es most mostra rada dass en la "i!ur i!ura a 1,d 1,d y 1,e 1,e es est& t&n n desi desi!n !nad adas as como como conf!uración no atiesada 1;+ y atiesada 1;+% respectivamente.
"i!ura 1, Conexiones de plancha de cabeza extendida l propó propósi sito to princ principa ipall de esta esta :uía :uía es propo proporc rcion ionar ar una una buena buena 8uente 8uente de procedimientos procedimientos de dise'o para las nueve conexiones conexiones mostradas en la "i!ura 1, + y 1,. 3dem&s% consideraciones consideraciones de dise'o para el <&rea de rodilla= de marcos rí!idos son discutidas. l procedimiento de dise'o de la conexión de plancha de cabeza presentado a7uí usa t(cnicas de línea de 9uencia para la determinación del espesor de la plancha de cabeza e incluye la predicción de las 8uerzas de tracción del perno. Las ecuaciones de 8uerza de perno 8ueron desarrolladas por7ue las 8uerzas tenazas son importantes y deben ser consideradas en los c&lculos de la 8uerza del perno. Consideraciones de momento;rotación tambi(n est&n incluidas en los proce procedim dimien ientos tos de dise' dise'o. o. $roce $rocedim dimien ientos tos de dise' dise'o o para para cone conexio xiones nes enrasadas se encuentran en el Capítulo + y para conexiones extendidas en el Capítulo . l criterio de dise'o de la zona de rodilla est& dada en el Capítulo ?. l an&lisis de conexione de plancha de cabeza est& cubierto en el 3p(ndice @. *anto *anto el procedimiento procedimiento 345 y el procedimiento procedimiento L2"5 est&n discutidos e ilustrados a trav(s de esta :uía. 1.#3ntecedentes 1.#.1 1.#.1 $roc $rocedi edimi mient entos os de dise'o dise'o para plancha planchass de cabez cabeza a de momento momento con pernos completamente tensionados. La conexión de momento con plancha de cabeza vio su primera aplicación en 1A-B% derivada de la investi!ación en 1A?B. La conexión no 8ue un nuevo concepto m&s bien una evolución de la muy utilizada conexión con split tee )5is7ue 1A-#0. Los primeros dise'os !eneralmente daban como resultado una planc lancha ha de cabez abeza a !rues ruesa a y di&m di&met etrros de perno ernoss !ran randes des debid ebido o principalmente a las consideraciones de dise'o y an&lisis simplifcados de la
conexión. La conexión !anó lentamente aceptación y 8ue incluida en el anual 3I4C en 1A/B debido en !ran parte a los es8uerzos de 5outy y c:uire )1A-?0. 4us m(todo m(todoss usar usaron on consi consider deraci acion ones es relac relacion ionada adass a las 8uerz 8uerzas as del perno perno debido al e8ecto tenaza y a la est&tica simple resultante del an&lisis de tee, stub. stub. 4e!6n 4e!6n lo discu discutid tido o por :rit :riths hs )1AD0 )1AD0%% este este primer primer acer acercam camien iento to a estand estandari arizar zar el dise' dise'o o resu resultó ltó en una conex conexión ión muy muy conser conservad vadora ora.. sto sto despertó un mayor inter(s como lo vieron varios estudios a principios de 1A/B. Eato y c:uire )1A/+0 y Fair% y otros )1A/0 continuaron el concepto tee,stub para cuantifcar la acción tenaza. Como antes% los procedimientos continuaron produciendo un dise'o con planchas !ruesas y di&metros de pernos !randes. @asado en esta investi!ación y la de 3!ersGoH )1A/-% 1A//0% :ranstrom :ranstrom )1ADB0 continuó con un dise'o simple de tee,han!ers. 4u dise'o resultante produjo espesores de plancha m&s del!ados y di&metros de pernos m&s pe7ue'os 7ue antes% pero (l no consideró los e8ectos del e8ecto tenaza. $acGer y orris )1A//0 8ueron los primeros en usar an&lisis de la línea de 9uen 9uenci cia. a. Usan Usando do el mode modelo lo tee, tee,st stub ub para para la plan planch cha a de ca cabe beza za%% ello elloss desarrollaron desarrollaron un an&lisis de línea de 9uencia de las alas de la columna. ann y orris )1A/A0 extendió este es8uerzo inicial en el uso del an&lisis de línea de 9uencia. 5e la revisión de la investi!ación previa% ellos supusieron 7ue la plancha de cabeza debía exhibir de8ormación pl&stica y la 8ormación de líneas de 9uencia cuando est& cerca de su capacidad. 4u procedimiento de dise'o propuesto determina el espesor de la plancha y el di&metro del perno como tambi(n el adecuado che7ueo de la columna soportante. Erishnamurthy )1A/D0 rompió con el an&lisis tradicional y derivó relaciones empíricas basadas en el an&lisis estadístico de resultados de elementos fnitos. Las 8ormulas derivadas para el espesor de plancha de cabeza entre!ó planchas m&s del!adas 7ue las obtenidas previamente. l explicó las 8uerzas de tenaza como un bulbo de presiones presiones bajo la cabeza del perno debido al tensionamiento tensionamiento de los pernos. La ubicación del bulbo de presión varió% dependiendo del nivel de 8uerza del ala en la vi!a. 3 medida de 7ue la 8uerza aumenta% el bulbo de presión se desplaza hacia el borde de la plancha. Los procedim procedimientos ientos de dise'o en las ediciones actuales del anual 3U4C est&n en parte basados en su trabajo b&sico. Eennedy% Eennedy% y otros )1AD10 refno el an&lisis tee,stub al incluir la predicción de las 8uerza tenaza utilizando teoría de línea de 9uencia y la 8ormación de rotulas pl&sticas. llos cate!orizaron el desarrollo del ala tee,stub en tres niveles. $rimero% en car!as bajas% est& la ausencia de la 8ormación de al!una rotula en la plancha del ala y se dice 7ue la plancha es
no atiesada )"i!ure 1,+a0. Un in8orme posterior de 4rouji% y otros )1AD+b0 extendió el trabajo a otras conf!uraciones incluyendo incluyendo la conexión enrasada de pernos sin atiesador )"i!ure 1,+b0. Las predicciones de la 8uerza del perno incluyendo e8ecto tenaza 8ueron desarrolladas para las conf!uraciones de # y pernos enrasadas y no atiesadas. Una investi!ación experimental se llevó a cabo para verifcar la plancha de cabeza y las predicciones de la 8uerza de los pern pernos os.. 4e conc conclu luyó yó 7ue 7ue el an&l an&lis isis is de la líne línea a de 9uen 9uenci cia a y el m( m(to todo do modifcad modifcado o de Eennedy ennedy son m(todos m(todos precisos precisos para predec predecir ir res resisten istencia cia de plancha de cabeza y las 8uerzas del perno. end e ndri ricG cG%% y otr otros )1AD )1AD0 0 cont contin inua uaro ron n el trab trabaj ajo o de 4rou 4rouji ji anal analiz izan ando do y testea testeando ndo dos di8er di8erent entes es conf!u conf!urac racion iones es de planc plancha ha de cabeza cabeza enras enrasada ada atiesada de pernosM a7uellas con el atiesador entre las flas de pernos en tracción )"i!ura 1,+c0% y a7uellas con el atiesador dentro de las flas de pernos en tracción )"i!ura 1,+d0. l an&lisis incluyo el uso de la teoría de línea de 9uencia para predicciones de resistencia resistencia de plancha de cabeza y el en8o7ue de Eenne ennedy dy modi modifc fcad ado o para para las las pred predic icci cion ones es de la 8uer 8uerza za del del per perno. no. La Lass predicciones analíticas para la resistencia de la plancha de cabeza usando la teoría de la línea de 9uencia y 8uerzas del perno usando el en8o7ue de Eennedy Eennedy modifcado correlacionan bien con los datos. 4in embar!o% una mejora en el m(todo para la determinación del trabajo interno para el an&lisis de línea de 9uencia 8ue presentado por endricG% y otros )1AD?0 para la conexión con el atiesador 8uera de la flas de perno en tracción. *ambi(n *ambi(n 8ue determinado determinado por endricG% y otros )1AD?0 7ue las conexiones se comportaron comportaron como *ipo 1 o "2 sobre un cierto porcentaje del momento de 8alla de la plancha de cabeza en el punto en 7ue se suaviza la curva momento, curvatura. Un an&lisis de las curvas momento,curvatura para las probetas de vi!a ensayadas indica indica 7ue un valor conservador conservador del DBN del momento de 8alla 8ue un límite razonable para ase!urar el comportamiento *ipo 1 o "2. Conf!uraciones Conf!uraciones extendidas de pernos atiesada )"i!ura 1,b0 y m6ltiples flas no atiesadas )"i!ura 1,d0 8ueron ensayadas y analizadas por orrison% y otros )1AD?% 1AD-0. $rocedimientos $rocedimientos de an&lisis incluyen el uso de la teoría de la línea de 9uencia y las predicciones modifcadas de Eennedy para las 8uerzas del per perno. no. odi odifc fcac acio ione ness al m( m(to todo do de Eenne ennedy dy 8uer 8ueron on nec eces esar aria iass para para determinar la distribución de la 8uerza aplicada al ala entre los pernos externos e internos en las conf!uraciones con plancha de cabeza. Los 8actores de modif odifccac ació ión n de orriso ison salier liero on direc irecttam amen ente te de los los res esu ulta ltados dos expe experi rime ment ntal ales es de seis seis ensa ensayo yoss de cone conexi xion ones es exte extend ndid idas as de pern pernos os atiesa atiesada da )"i!u )"i!ura ra 1,b0 1,b0 y sei seiss ensayo ensayoss de conex conexion iones es de m6lti m6ltipl ples es flas flas no atiesa atiesada da 1;+ )"i!u )"i!ura ra 1,d0. 1,d0. 5e estos estos ensayo ensayoss se conclu concluyó yó 7ue los pernos pernos externos no exhiben e8ecto tenaza% y por lo tanto transferen la mayor parte de la 8uerza aplicada del ala. 3dicionalmente se concluyó 7ue las conf!uraciones extendidas de pernos atiesada y la de m6ltiples flas no atiesada 1;+ tienen ri!idez adecuada para ser clasifcadas como conexiones *ipo 1 o "2. 3bel y urray )1AA#b0 a!re!aron a!re!aron una conf!uración fnal para la unifcación del dise'o de la plancha de cabeza de momentoM la conf!uración extendida de pernos no atiesada )"i!ura 1,a0. l an&lisis se llevó a cabo usando el mismo an&lisis de línea de 9uencia y el m(todo modifcado de Eennedy. ensayos a escala real se llevaron a cabo para verifcar las predicciones. 4e concluyó 7ue las flas de pernos externas e internas cada una lleva la mitad de la car!a del ala aplicada% sin embar!o% cuando la predicción de la 8uerza del perno controla
en el an&lisis% no existe e8ecto tenaza en los pernos externos. 3l i!ual 7ue las otras otras conf! conf!ura uracio ciones nes%% la planc plancha ha de cabeza cabeza de moment momento o extend extendida ida de pernos pernos no atiesa atiesada da tiene tiene adecua adecuada da ri!id ri!idez ez moment momento,c o,curv urvatu atura ra para para ser clasifcada como conexión *ipo 1 o "2. 4e realizaron ensayos patentadas en la conf!uración extendida de m6ltiples flas no atiesada > de la "i!ura 1,c y la conf!uración extendida de m6ltiples flas atiesada 1;+ 5 L3 "i!ura 1,e como reportó 3bel y urray )1AA#a0 y 4I )1AD0. La inclusión de estas conf!uraciones en esta :uía es con el permiso de los auspiciadores de los ensayos e indicado en los 3!radecimientos. *ambi(n% ensayos confrmatorios adicionales 8ueron llevados a cabo en la conf!uración extendida de m6ltiples flas no atiesada 1;# de la "i!ura 1,c por 4ummer y urray )#BB10. Una visión histórica del avance y del desarrollo del dise'o de la conexión de momento de plancha de cabeza es presentada presentada en mayores detalles por urray )1ADD0. Cabe se'alar 7ue como los in8ormes de investi!ación re8erenciados de las di8erentes conexiones estudiadas a lo lar!o de los a'os 8ueron siendo asimiladas dentro de la :uía% al!unas actualizaciones 8ueron incorporadas. sto incluye al!unos nuevos mecanismos mecanismos de línea de 9uencia y el en8o7ue L2"5 con los 8actores de resistencia respectivos. $or lo tanto% uno debe usar los reportes previos con cuidado y pre8erentemente% remitirse a esta !uía como el en8o7ue correcto para el dise'o de las conexiones de plancha de cabeza apernada. 1.#. 1.#.# # $roc $roced edim imie ient ntos os de dise dise'o 'o para para plan planch cha a de ca cabe beza za de mome moment nto o con con pernos apretados )4nu! *i!ht0 asta hace poco% todos los pernos de alta resistencia en tracción% incluyendo con co nexio xiones de planc lanch ha de cabez abeza a% han han sido ido pret preten enssiona ionado doss hast hasta a aproximadamente el /BN de la resistencia a tracción del perno. 4e obtendrías ahorr ahorros os consid considera erabl bles es duran durante te el monta montaje je si el re7ue re7uerim rimien iento to de pernos pernos tensiona tensionados dos 8uera 8uera rel relajad ajado o para al!unas al!unas aplicacio aplicaciones. nes. "leischm "leischman% an% y otros otros )1AA10 estudiaron el comportamiento de pernos apretados en conexiones de momento de !ran capacidad con plancha de cabeza y mostró 7ue menos 7ue el apriete total no a8ectó la resistencia resistencia de la conexión. conexión. Eline% y otros )1ADA0 como tambi(n se in8ormó en urray% y otros )1AA#0% sometió un n6mero de conf!uraciones de plancha de cabeza a car!a cíclica. n su inve invest sti! i!ac ació ión% n% las las ca car! r!as as de vien viento to 8uer 8ueron on cons consid ider erad adas as como como el contribuyente dominante en la car!a de por vida en un edifcio. 4e estableció una secuencia de car!a de prueba basada en las estadísticas de velocidad del viento en los stados Unidos. Como se sabe 7ue la distribución de car!a de viento en construcciones de baja altura es dependiente del lu!ar% la car!a de prueba estaba destinada a ser representativa de las ubicaciones de m&s severa car!a de viento. La parte experimental del estudio incluyó ensayos de 11 conexiones de plancha de cabeza a escala real repre presentando ? conf!uraciones di8erentes% los 7ue se muestran en la "i!ura 1,+a% 1,+b% 1,a% 1,b y 1,d. *odos los pernos usados 8ueron 3+#? y ellos estaban apretados antes del ensayo. Una condición de apriete est& defnida por el 2C4C )#BBB0 como
pernos pernos apretado apretadoss es directam directamente ente propor proporcion cional al al di&metr di&metro o del perno perno )d b0. @asad @asado o en estos estos datos datos%% una una recom recomend endaci ación ón para para la 8uerza 8uerza de prete pretens nsión ión asumida en pernos apretados para el procedimiento de dise'o esM db O ?;D in% usar /?N de la pretensión especifcada en el 3I4C db P +; in% usar ?BN de la pretensión especifcada en el 3I4C db P /;D in% usar +/%?N de la pretensión especifcada en el 3I4C db Q 1 in% usar #?N de la pretensión pretensión especifcada en el 3I4C 1B de las probetas 8ueron sometidas a m&s de DBBB ciclos de car!a 7ue representan representan la car!a esperada para una vida 6til de ?B a'os. Una conexión 8ue some someti tida da a DB.B DB.BBB BB cicl ciclos os para para veri verifc fcar ar el e8ec e8ecto to de ca car! r!a a cícl cíclic ica a en la conexión. 3un7ue las 8uerzas del perno disminuyeron con el incremento del n6mero de ciclos% todas las conexiones soportaron la car!a cíclica sin 8allas en perno% plancha de cabeza o soldadura. 3l fnalizar la car!a cíclica% cada conexión 8ue car!ada a la 8alla. Los momentos 6ltim 6ltimos os resis resisten tentes tes 8uero 8ueron n calcu calculad lados os y compar comparado adoss a los resul resultad tados os del ensayo. 3n&lisis de línea de 9uencia 8ue usado para determinar la resistencia de la plancha de cabeza y el m(todo de Eennedy modifcado 8ue usado para pred predec ecir ir la res esis iste tenc ncia ia de la cone conexi xión ón basa basada da en las las 8uer 8uerza zass del del pern perno o incluyendo 8uerzas tenaza% excepto para la conexión extendida de pernos no atiesada mostrada en la "i!ura 1,a. l m(todo de dise'o en el anual 3I4C 1ADA 8ue usado para esta conexión. ste m(todo no incluye las 8uerzas tenaza en el dise'o de los pernos. 4e obtuvo na buena correlación entre los momentos 6ltim 6ltimos os aplica aplicados dos y predi predicho choss para para todas todas las conexi conexion ones es excep excepto to para para la conf!uración extendida de pernos no atiesada. 3sí% se concluyó 7ue los pernos apretados podrían ser usados en conexiones de momento con plancha de cabeza si las 8uerzas tenaza son consideradas en el modelo de dise'o. $oste osteri rior orme ment nte% e% 3bel 3bel y urr urray ay )1AA )1AA#b #b00 most mostrró 7ue 7ue un mode modelo lo líne línea a de 9uencia;m(todo Eennedy modifcado predice adecuadamente la resistencia de la conexión extendida de pernos no atiesadas con pernos apretados. l 2C4C y el 3I4C han adoptado disposiciones para permitir el uso de pernos 3+#? apretados en conexiones de plancha de cabeza y otros pernos en tracción 7ue no est&n sometidos a car!a de 8ati!a. 1.#.+ 3n&lisis 3n&lisis de element elementos os fnitos fnitos de plancha plancha de cabeza cabeza de momento momento La Investi!ación de conexiones de momento de plancha de cabeza usando modelamiento con elementos fnitos ha !anado recientemente el ímpetu de primeros limitados intentos. Erishnamurthy y :raddy )1A/-0 intentó calcular la de8ormación de la plancha de cabeza para las conexiones extendidas de pernos% pero el tama'o y la velocidad del computador limitó la extensión y la complejidad de las mallas de los primeros intentos del modelo computacional de las conexiones apernadas. sta investi!ación% y la de EuGreti% y otros )1AD/0% hizo comparaciones de an&lisis #5 y +5 para complejidad y exactitud de la representación. llos concluyeron 7ue% en el tiempo% el an&lisis #5 provee un adecuado confable modelo de conexiones de momento de plancha de cabeza. 3huja )1AD#0 usó elementos fnitos para investi!ar las propiedades propiedades el&sticas de conexiones de D pernos atiesadas. La pro!ramación contenía elementos de mode modela lado do #5 y +5 para para la co cone nexi xión ón.. :has :hasse semi mieh eh )1AD )1AD+0 +0 co cont ntin inuó uó la
investi!ación de 3huja para incluir comportamiento no lineal de la plancha de cabeza y de los pernos. EuGreti% y otros )1AAB0 continuó el modelamiento con elem elemen ento toss fnit fnitos os para para una una cone conexi xión ón de D per pernos nos y% al i!ua i!uall 7ue 7ue con con la invest investi!a i!ació ción n anteri anterior% or% se reali realizó zó estudi estudios os param param(tr (trico icoss para para prede predecir cir el desplazamiento de la plancha de cabeza y las 8uerzas en los pernos internos. sta stass pred predic icci cion ones es 8uer 8ueron on comp compar arad adas as con con dato datoss expe experi rime ment ntal ales es para para correlacionarlos. 4e llevó a cabo un an&lisis de re!resión de los datos para proporcionar ecuaciones empíricas para el dise'o de planchas de cabeza de momento bajo car!as monótonas. l uso del códi!o de elementos fnitos 3@3RU4 por @ursi y Leonelli )1AA0 ayud ayudó ó en la pred predic icci ción ón de la de8o de8orm rmac ació ión n de la plan planch cha a de ca cabe beza za y el desplazamiento para planchas de cabeza extendida. l códi!o de elementos fnitos 3F4S4 ha sido usado exitosamente por @ahaari y 4herbourne )1AA+0 para modelar planchas de cabeza extendidas. 3mbos códi!os han desarrollado desarrollado exito exitosam sament ente e model modelam amien iento to tridim tridimens ension ional al de las planch planchas as de cabeza cabeza y proveído predicciones y an&lisis validos de comportamiento y de8ormación de planchas del!adas y !ruesas. &s modelos de elementos fnitos de conexiones de momento de plancha de cabeza han analizados car!a monótona% aun7ue en! )1AA-0 8ue exitoso en el modelamiento de una conexión bajo car!a sísmica. Los avances en la investi!ación e elementos fnitos de planchas de cabeza contin contin6an 6an en varias varias universi universidad dades% es% tales como como el uso de modelo modeloss +5 no lineales para para simular el comportamiento de la curva de hist(resis y la respuesta debido a car!a variada. stas respuestas se utilizan para predecir el componente de 8alla dentro de las conexiones de plancha de cabeza. 1.#. 5esarr 5esarrollo ollo de conexion conexiones es de momento momento de plancha de cabeza cabeza para car!a car!a sísmica. La car!a cíclica de las conexiones de momento de plancha de cabeza 8ue por primera vez estudiado por $opov y *sai )1ADA0. 5esde entonces un n6mero de estudios ha sido desarrollado a lo ancho del mundo. 5os estudios 7ue usaron procedimientos de dise'o similares a los de esta :uía son en! y urray )1AA;0 y 4umer% y otros )#BBB0. en! y urray )1AA/0 desarrollaron una serie de ensayos usando la conexión extendida de pernos no atiesada de la "i!ura 1,a. Las conexiones 8ueron dise'a dise'adas das usando usando los proce procedim dimien ientos tos de línea línea de 9uenci 9uencia a y de Eennedy ennedy modifcado 7ue incluyen los e8ectos de la 8uerza tenaza en el dise'o de los pernos. Las probetas 8ueron dise'adas tal 7ue la conexión 8uera m&s resistente 7ue la vi!a conectada. Cada probeta 8ue sometida al protocolo de car!a 3*C 1AA#. 3un7ue las 8uerzas del perno disminuyeron desde el nivel completamente apretado )en al!unos ensayos% incluso a B0 a medida 7ue avanzó el ensayo% la 8alla ocurrió en la vi!a para cada ensayo. 4i los a!ujeros de acceso a la soldadura no son usados% curvas de hist(resis robustas son obte obteni nida das. s. n toda todass las las prob probet etas as ensa ensaya yada dass con con a!uj a!ujer eros os de ac acce ceso so de soldadura% la 8ractura del ala en el a!ujero de acceso de soldadura ocurrió con unos pocos ciclos dentro del r(!imen inel&sticos del protocolo 3*C,#. 3n&lisis de elementos fnitos posteriores mostraron 7ue la presencia del a!ujero de acceso acceso de soldadur soldadura a incremen incremento to si!nifca si!nifcativam tivamente ente la de8ormaci de8ormación ón del ala adyacente al a!ujero. en! y urray recomendaron 7ue los a!ujeros de acceso de soldadura no sean usaos en conexiones de momento de plancha de cabeza.
Como Como parte parte del 43C Toint Toint Kentur enture% e% 4umm 4ummer% er% y otros otros )#BBB0 )#BBB0 desar desarro rolla llaro ron n ensayos vi!a a columna usando el $rotocolo 43C )1AA/0. 4u matriz de ensayo incluyó la conexión de plancha de cabeza extendida de pernos% no atiesada. $ara cada !eometría de plancha de cabeza% dos ensayos 8ueron desarrolladosM uno con el dise'o de la conexión para desarrollar el 11BN de la resistencia nominal del momento pl&stico )conexión plancha resistente0 y la otra con la conexión dise'ada para desarrollar el DBN de la resistencia del momento pl&stico de la vi!a )conexión plancha d(bil0. 4e encontró 7ue la conexión de plancha de cabeza extendida de pernos no atiesada puede ser dise'ada y detallada para ser adecuada para car!a sísmica. Un procedimiento de dise'o% muy muy sim similar ilar al proc proced edim imie ient nto o co cont nten enid ido o en esta esta :uía :uía%% 8ue 8ue ento entonc nces es desarrollado. desarrollado. l procedimiento es encontrado en el "3 2ecomended 2ecomended 4eismic 5esi!n Criteria 8or FeH 4teel oment,"rame buildin!s )#BBB0. Capítulo # $rocedimientos de dise'o #.1Introducción Los procedimientos de dise'o para las conexiones de momento de plancha de cabeza enrasada y extendida usadas en esta :uía 8ueron desarrollados en la Universidad de JGlahoma y el Instituto $olit(cnico de Kir!inia y est&n basados en a0 teoría de línea de 9uencia% b0 m(todo para predecir 8uerzas del perno incluyendo los e8ectos tenaza% y c0 consideraciones de momento,rotación. &s específcamente el procedimiento de dise'o entre!aM 1., 5eterminación del espesor de plancha de cabeza por la teoría de línea de 9uenci 9uencia a dada dada una !eomet !eometría ría de planc plancha ha de cabeza cabeza%% !eomet !eometría ría de vi!a vi!a y tensión de 9uencia del material un criterio de resistencia. #., 5eterminación 5eterminación de las 8uerzas del perno incluyendo 8uerzas tenaza dada una !eometría de la plancha% di&metro y tipo de perno un criterio de 8uerza del perno. +., +., Una Una eval evalua uaci ción ón del del tipo tipo de cons constr truc ucci ción ón para para la 7ue 7ue la cone conexi xión ón es adecuada un criterio de ri!idez. Los procedimientos 8ueron verifcados usando una serie de ensayos a escala real de cada una de las nueve conexiones mostradas en las "i!uras 1,+ y 1, )4rouji% y otros% 1AD+a% 1AD+b endricG% y otros% 1AD% 1AD? orrison% y otros% 1AD? 1AD?%% 1AD1AD- 3bel 3bel y ur urray ray 1AA# 1AA#a% a% 1AA# 1AA#b b y 4I 4I 1AD 1AD0. 0. Lo Loss par& par&me metr tros os !eo eom m(tr (trico icos para ara cada ada serie erie 8uer 8ueron on varia ariado doss dentr entro o de los los lím límites tes determinados determinados para la pr&ctica actual de la industria de edifcios de baja altura. Las bases bases para para cada cada parte parte del proce procedim dimien iento to de dise'o dise'o son son breve breveme mente nte descritas en las secciones si!uientes. ayores descripciones se encuentras en las re8erencias citadas. #.#*eoría y mecanismos de la línea de 9uencia Las líneas de 9uencia son la continua 8ormación de rotulas pl&sticas a lo lar!o de una línea recta o curva. 4e asume 7ue las líneas de 9uencia dividen una plancha en re!iones planas rí!idas ya 7ue las de8ormaciones el&sticas son despreciables cuando se comparan con de8ormaciones pl&sticas. 3un7ue el mecanismo de 8alla de una plancha usando la teoría de la línea de 9uencia 8ue
inic inicia ialm lmen ente te desa desarrrolla ollada da para para hor hormi!ó mi!ón n re8or e8orza zado do%% los los prin princi cipi pios os y conclusiones son tambi(n aplicables a planchas de acero. l an&lisis del mecanismo de una línea de 9uencia puede ser desarrollado por dos m(todos di8erentes% )10 el m(todo del e7uilibrio% o )#0 el m(todo de ener!ía del trabajo virtual. ste 6ltimo m(todo es m&s adecuado para la aplicación de plancha de cabeza. n este m(todo% el trabajo externo hecho por la car!a aplica aplicada% da% al mover moverse se a trav(s trav(s de un pe7ue' pe7ue'o o campo campo de de9ex de9exión ión virtua virtuall arbitrario% es i!ualado al trabajo interno realizado realizado a medida 7ue la plancha !ira en las líneas de 9uencia para 8acilitar el campo de de9exión virtual. $ara un patrón de línea de 9uencia y car!a seleccionada% se re7uiere una resistencia específca a momento pl&stico a lo lar!o de estas líneas de rotulas. $ara la misma car!a% otro patrón puede resultar en una mayor resistencia re7uerida a momento pl&stico. $or lo tanto% el patrón apropiado es el 7ue re7uiere la resistencia resistencia a momento pl&stico m&s !rande a lo lar!o de las líneas de 9uencia. Conservadoramente% para una resistencia a momento pl&stico dada a lo lar!o de las líneas de 9uencia% el mecanismo apropiado es el 7ue produce la car!a 6ltima m&s pe7ue'a. sto implica 7ue la teoría de la línea de 9uencia es un procedimiento para el límite superior% por lo tanto% uno debe encontrar el menor límite superior. l procedimiento para determinar la resistencia a momento pl&stico de una plancha plancha de cabeza% cabeza% o car!a car!a ultima% ultima% es primer primero o seleccion seleccionar ar arbitrar arbitrariame iamente nte posibles mecanismos de línea de 9uencia. 5espu(s% el trabajo externo y el traba trabajo jo inter interno no son son i!ual i!ualado ados% s% establ estableci eciend endo o así la relac relación ión entre entre la car!a car!a aplicada y el momento ultimo resistente. sta ecuación se resolvió entonces para una car!a desconocida o momento resistente desconocido. Comparando los valores valores obtenidos obtenidos de los mecanism mecanismos os arbitrar arbitrariame iamente nte sele seleccio ccionado nados% s% el mecanismo de de línea de 9uencia apropiado apropiado es el con la resistencia resistencia re7uerida re7uerida a momento pl&stico m&s !rande o el de la car!a ultima m&s pe7ue'a. Los mecanismos mecanismos de línea de 9uencia 7ue controlan para cada una de las nueve conexiones de plancha de cabeza consideradas en esta :uía est&n mostradas en los Capítulos + y . #.+$redicciones #.+$redicciones de la 8uerza del perno La teoría de la línea de 9uencia no entre!a predicciones de la 8uerza del perno 7ue incluyan 8uerzas del e8ecto tenaza. 5ado 7ue los res esu ultados experimentales indican 7ue el comportamiento de e8ecto tenaza est& presente en las conexiones de plancha de cabeza% una variación del m(todo su!erido por Eennedy% y otros )1AD10 8ue adoptado para predecir 8uerzas como una 8unción de la car!a aplicada al ala. l m(todo de Eennedy est& basado en la analo!ía de split,tee y tres etapas de comporta comportamient miento o de la plancha. plancha. Considera Considera un modelo modelo split,te split,tee% e% "i!ura i!ura #,1% consistente del ala apernada a un soporte rí!ido y unido al alma a trav(s de la cual la car!a de tracción es aplicada.
"i!ura #,1 odelo 4plit,tee n los niveles m&s bajos de car!a aplicada% el comportamiento del ala es defnido como
)a0 $rimera etapa ; Comportamient Comportamiento o de plancha !ruesa !ruesa
)b0 4e!unda etapa ; Comportamiento Comportamiento de plancha intermedia intermedia
)c0 *ercera etapa ; Comportamiento de plancha del!ada "i!ura #,# odelos de comportamiento de ala $ara todas las etapas del comportamiento de la plancha% el m(todo de Eennedy predice una 8uerza del perno como la suma de la porción de la car!a aplicada y una 8uerza tenaza. La porción de la 8uerza aplicada depende de la car!a aplicada% mientras 7ue la ma!nitud de la 8uerza tenaza depende de la etapa de comportamiento de la plancha. $ara la primera etapa de comportamiento% o compor comportam tamien iento to de la planc plancha ha !rues !ruesa% a% la 8uerza 8uerza tenaza tenaza es cero. cero. $ara ara la se!unda etapa del comportamiento% comportamiento% o comportamiento comportamiento de plancha intermedia% intermedia% la 8uerza tenaza se incrementa desde cero en el límite de la plancha !ruesa al m&xi m& ximo mo en el lím límite ite de la plan planch cha a del! del!ad ada. a. $ara ara la ter terce cera ra etap etapa a de comportamiento% o comportamiento de la plancha del!ada% la 8uerza tenaza es m&xima y constante. #.2elaciones momento,rotación momento,rotación La ri!ide ri!idezz de la conex conexión ión es la resi resiste stenci ncia a rotac rotacion ional al de una una cone conexió xión n al momento aplicado. sta característica de la conexión es a veces descrita con un dia!rama momento versus rotación ,V. La pendiente inicial de la curva , V% típicamente obtenida de los datos de un ensayo% es una indicación de la ri!idez rotacional rotacional de la conexión% es decir% mayor pendiente de la curva% mayor ri!idez de la conexión. sta ri!idez es re9ejada en tres tipos de construcción construcción defnidos en el 3I4CM *ipo 1% *ipo # y *ipo +. La construcción *ipo 1% o marcos rí!ido% asume 7ue la conexión tiene sufciente ri!idez para resistir totalmente la rotación de los nudos. La construcción *ipo #% o marcos simples% asume 7ue las conexiones est&n libre para rotar bajo car!a !ravitacional y 7ue las vi!as est&n conectadas solo a corte. La construcción *ipo +% o marco semi,rí!ido% asume 7ue las conexiones tienen una capacidad a momento conocida y confable en 8unción de la rotación entre la construcción *ipo 1 y *ipo #. l La specifcación 3I4C defne defne do tipos tipos de constr construcc ucción iónMM "2 o $2. $2. La constr construcc ucción ión comple completam tament ente e restrin!ida o "2 es la misma 7ue la construcción 345 *ipo1. La construcción parcialmente restrin!ida o $2 en!loba la construcción 345 *ipo # y *ipo +. n la "i!ura #,+ se muestran curvas idealizadas ,V para las tres conexiones típicas 7ue representan los tres tipos de construcción 3I4C. Fotar 7ue la curva ,V para una conexión idealmente 8ija es una 7ue atraviesa la ordenada del dia!rama ,V% mientras 7ue la curva ,V para una conexión idealmente simple es una 7ue atraviesa la abscisa del dia!rama ,V.
$ara vi!as% los criterios han sido su!eridos por 4almon y Tohnson )1ADB0% y @jorhovde% y otros )1AD/% 1AAB0% para correlacionar el comportamiento ,V de la conexión y el tipo de construcción 3I4C. *radicionalmente% conexiones *ipo 1 o "2 son re7ueridas para acarrear un momento fnal m&s !rande o i!ual al ABN del momento fnal de la vi!a completamente fja y no rotar m&s all& del 1BN de la rotación del tramo simple )4almon y Tohnson 1ADB0. 4e permite 7ue una conexión *ipo # resista un momento fnal no m&s !rande 7ue el #BN del momento fnal de la vi!a completamente f!a y rotar al menos DBN de la rotación del tramo simple. Una conexión *ipo + est& entre los límites de las conexiones *ipo 1 y *ipo#. Una conexión $2 es una conexión 7ue no satis8ace los re7uerimientos de una "2.
"i!ura #,+ Curvas momento,rotación La rotación fnal del tramo de vi!a simple para una cara sim(trica est& dada porM M F L θs = ( 2 −1) 2 EI
5onde " P momento fnal fjo para la car!a. 3justando " i!ual al momento de 9uencia de la vi!a% 4"y% y con I;4 P h;#M F y L ( 2− 2) θs = Eh
*omando *omando como como límite L;h L;h i!ual a #% y i!ual a #A.BBB #A.BBB GsiM 0.1
( θs ) =8.3 x 10− F y y radianes (2 −3 ) 5
ste ste valor valor 8ue 8ue usado usado para para deter determi minar nar la idonei idoneidad dad de las conex conexion iones es de momento de plancha de cabeza consideradas en esta :uía. 4e encontró 7ue el DBN de la capacidad total de momento de las conexiones enrasadas y el
1BBN de la capacidad total de momento de las ? conexiones conexiones extendidas podría utilizarse en construcción *ipo 1 o "2. Cabe se'alar 7ue esta clasifcación no aplica a car!a sísmica. &s recientemente% @jorhovde y otros )1AD/% 1AAB0 ha su!erido criterios de rotación en 8unción del vano de vi!a conectado. *ambi(n% asan% y otros )1AA/0 comparo una base de datos experimentales de curvas ,V para DB ensayos de conexiones de plancha de cabeza extendida con los resultados del an&lisis de tres conf!uraciones de marcos y concluyó 7ue casi todas las conexiones de plan planch cha a de ca cabe beza za exte extend ndid ida a pose poseen en ri!i ri!ide dezz inic inicia iall Q 1B- Gip,in;r Gip,in;rad ad se comportan como conexiones rí!idas. #.?$rocedimientos #.?$rocedimientos de dise'o @or!smiller @or!smiller y urray )1AA?0 propusieron propusieron un m(todo simplifcado para el dise'o de conexiones de momento de plancha de cabeza. l m(todo usa el an&lisis de línea de 9uencia para determinar espesor de plancha de cabeza como 8ue discutido en la 4ección #.#. Una versión simplifcada del m(todo de Eeneddy 8ue usado para determinar las 8uerzas de tracción del perno incluyendo el e8ecto tenaza. Los c&lculos de la 8uerza del perno son reducidos por7ue solo la 8uerza 8uerza tenaza tenaza m& m&xim xima a es necesa necesaria ria%% eli elimi minan nando do la necesi necesida dad d de evalua evaluarr 8uerza 8uerzass tenaza tenaza del del compor comportam tamien iento to de planch plancha a inter interme media dia.. l supue supuest sto o principal en este en8o7ue es 7ue la plancha de cabeza debe 9uir sustancialmente para producir 8uerzas tenaza en los pernos. Conser Conservad vadora oramen mente% te% si la planc plancha ha es lo sufci sufcient entem ement ente e 8uerte 8uerte%% el e8ecto e8ecto tenaza ocurre y los pernos son car!ados en tracción directa. ste en8o7ue simplifcado tambi(n permite al dise'ador optimizar directamente el di&metro del perno o espesor de plancha de cabeza como desee. specífcamente% @or!smiller y urray )1AA?0 examino ? ensayos y concluyó 7ue el umbral cuando comienza a producirse el e8ecto tenaza es el ABN de la resistencia resistencia total de la plancha% o B.A pl. 4i la car!a aplicada es menor 7ue este valor% la plancha de cabeza se comportan como una plancha !ruesa y el e8ecto tenaza puede ser despreciado en los pernos. Una vez 7ue el momento aplicado cruza el umbral de B.A pl% la plancha puede ser aproximadamente como una plancha del!ada y el e8ecto tenaza m&ximo es incorporado en el an&lisis del perno. Los procedimientos de dise'o usado en el Capítulo + para planchas de cabeza enrasa enrasadas das y en el Capítu Capítulo lo para para planch planchas as de cabez cabeza a extend extendida idass est&n est&n basa basado doss en el en8o en8o7u 7ue e de @or @or!smi !smill ller er y urr urray ay )1AA )1AA?0 ?0.. $ara ara un dise dise'o 'o específco% si se desea minimizar el di&metro del perno% se usa el $rocedimiento de 5ise'o 1. 4i se desea minimizar el espesor de la plancha de cabeza% se usa el $rocedimiento de 5ise'o #. La "i!ura #, muestra un dia!rama de 9ujo 7ue entre!a un resumen de los procedimientos de dise'o descritos en la 4ección #.?.1 y #.?.#. $ara dise'o dise'oss L2"5% L2"5% u es la resis resisten tencia cia a la 9exió 9exión n re7ue re7ueri rida da )mome )momento nto 8actorizado0. $ara dise'o 345 el momento de trabajo o momento de car!a de servicio% H% es multiplicado por 1.? para obtener u. 5espu(s de determinar u% el procedimiento de dise'o es exactamente el mismo para 345 y L2"5. #.?.1 #.?.1 $roc $rocedi edimi mient ento o de dise dise'o 'o 1
$lancha de cabeza !ruesa y di&metro de pernos m&s pe7ue'oM l si!uiente procedimiento da como resultado un dise'o con un espesor de plancha de cabeza relativamente !ruesa y pernos de di&metro m&s pe7ue'os. l dise'o es !obernado por la ruptura del perno con e8ecto tenaza incluido% re7uiriendo un comportamiento de plancha !ruesa. Las
√
2 M u
π ϕ F t (
∑d )
( 2 −4 )
n
5onde% W P B./? "t P 2esistencia a la tracción del material del perno% especifcada en la *abla *abla T+.#% 3I4C 1AAA% es decir "t P AB Gsi para pernos 3+#? y "t P 11+ Gsi para pernos 3AB. u P 2esistencia a la 9exión re7uerida dn P distancia desde la línea central de la línea de pernos a tracción en(sima al ala en compresión. FotaM sta ecuación se deriva de i!ualar u a Wnp como se muestra en las
[
M u=ϕ M np=ϕ 2 P t (
∑ d ) ] ( 2− 5 ) n
2esolviendo la cuación #,? para la 9uencia de $ tM Pt =
M u 2ϕ
(∑ d )
( 2 −6 )
n
#0 2es 2esolver olver el espesor re7uerido re7uerido de la plancha plancha de cabeza% t p%re7d% t p ,reqd =
√
(1.11 ) γ r ϕ M np ϕ b F py Y
( 2 −7 )
5onde% Wb P B.AB Xr P un 8actor% m&s !rande o i!ual a 1.B% usado para modifcar el momento 8actorizado re7uerido para limitar la rotación de la conexión a
1BN de la rotación de vano simple en el momento 6ltimo. )Ker 4ección +.1.1 para explicaciones adicionales0 P 1.#? para placas de cabeza enrasadas y 1.o para placas de cabeza cabeza extendidas "py P resistencia la 9uencia del material de placa de cabeza S P par&metro par&metro del mecanismo de línea de 9uencia defnido para cada conexión en las
ϕ M np=0.9 ϕ b M pl pl = 0.9 ϕ b F py py t p p Y ( 2 − 8 )
2esolviendo para tp% junto con la inclusión de un 8actor de car!a X r% 9uye 2esolviendo la cuación #,/. Fotar 7ue el reciproco del 8actor B.AB )1.110 es tomados en el numerador para evitar con8usión con el 8actor de resistencia a la 9exión Wb del mismo valor. #.?.# #.?.# $roc $rocedi edimi mient ento o de dise dise'o 'o # $lancha de cabeza del!ada y di&metro de pernos m&s !randeM l si!uiente procedimiento resulta en un dise'o con una plancha de cabeza relat elativ ivam amen ente te del! del!ad ada a y per pernos nos de di&m di&met etrro m& m&ss !ran !rande de.. l dise dise'o 'o es !obernado por la 9uencia de la placa de cabeza o la ruptura del perno cuando el e8ecto tenaza es incluido% re7uiriendo un comportamiento de plancha de cabeza cabeza
√
γ r M u ( 2−9 ) ϕ b F py Y
FotaM sta ecuación se deriva de i!ualar X ru a W bpl dado en las
γ r M u =ϕ b M pl =ϕ b F py t p Y ( 2−10 )
#0 4eleccio 4elecciona na un di&met di&metro ro de pern perno o de prueba% prueba% db y calcula la 8uerza tenaza m&xima.
$ara cone conexio xiones nes de planch plancha a de cabez cabeza a enras enrasada ada y para para los pernos pernos interiores de las conexiones de plancha de cabeza extendida% calcular Rmax% i como si!ueM 2
Qmax,i=
w ' t p 4 ai
√ ( )
2
'
F i
2
F py −3
(2 −11)
w ' t p p
5onde% '
w=
b p 2
−( d b + 1 / 16 ) ( 2−12 )
( )
3
ai= 3.682
2
t p F Py ' i
F =
t p p −0.085 (2 −13 ) db
(
0.85
)
b p
3
+ 0.80 w ' +
2
π db F t t 8
4 p , i
(2 −14 )
Fotar 7ue las conexiones enrasadas p 8%i P p8 . 3dem&s% el 6ltimo t(rmino en el numerador de la cuación #,1 representa la 9exión del v&sta!o del perno )b en la "i!ura #,10. $ara conexiones extendidas% adem&s calcular R max%o como si!ue% basado en los pernos exterioresM 2
Qmax,!=
w ' t p 4 a!
√ ( )
2
'
F !
2
F py −3
w ' t p p
( 2−15 )
5onde%
( )
3
a! =min ( 3.682
2
t p F Py ' !
F =
(
0.85
t p −0.085 # pext − p , !)( 2 −16 ) db b p 2
)
+ 0.80 w ' +
4 p , !
3
π d b F t t 8
( 2−17 )
4i el radical en cual7uiera de las expresiones para R max )cuaciones #,11 y #,1?0 es ne!ativo% la 9uencia de la placa de cabeza en corte y 9exión
combinada es el estado límite 7ue controla y la plancha de cabeza no es adecuada para el momento especifcado. +0 Calcular Calcular la resiste resistencia ncia de dise'o dise'o de la conexión conexión para para el estado límite límite de ruptura de perno incluyendo el e8ecto tenaza como si!ueM $ara una conexión enrasadaM ϕ M q=max ( ϕ
P −Q ]) (2−18 ) ) ( d +d ) ] # ϕ [ 2 ($ ) ( d +d ) ])( [ 2 ( P t
max,i
1
b
2
1
2
$ara una conexión extendidaM
|
ϕ
ϕ M q=max
P −Q P −Q ) d + 2 ( P ) ( d +d ) +2 $ d ] [ 2 ( P ϕ [ 2 ( P −Q ) d + 2 $ ( d + d + d ) ] (2 −19) ϕ [ 2 ( P P −Q ) ( d +d ) +2 $ ( d + d ) ] t
max,! t
t
0
t
max ,i
max,!
0
b
max ,i
1
3
1
1
2
b
b
3
0
2
3
2
ϕ [ 2 $ b ( d0 + d 1+ d3 + d 4)]
5onde% W P B./? 2
Pt =π d b F t t / 4
di P distancia desde la línea central de cada fla de perno en tracción al centro del ala en compresión )FotaM $ara las flas 7ue no existen en una conexión% esta distancia d es tomada como cero0 *b P pret preten ensi sión ón es espe peci cifc fcad ada a en la *abla abla T+.1 T+.1 del del 3I4C 3I4C )tam )tambi bi(n (n reproducida en la *abla #,1 de esta :uía0. FotaM $ara pernos 3+#? apretados% los si!uientes valores de *b deben ser usadosM db O ?;D in% usar /?N de la pretensión especifcada en el 3I4C db P +; in% usar ?BN de la pretensión especifcada en el 3I4C db P /;D in% usar +/%?N de la pretensión especifcada en el 3I4C db Q 1 in% usar #?N de la pretensión especifcada en el 3I4C 0 Che7 Che7u uea earr 7ue 7ue W7 Y u. 4i es necesario% ajustar el di&metro del perno hasta 7ue W7 sea m&s !rande 7ue u. *abla *abla #,1 $retensión $retensión mínima mínima del perno% perno% *b )Gips0 *ama'o *ama'o del perno perno )in0 1;# ?;D +; /;D
3+#?
3AB
1# 1A #D +A
1? # +? A
1 1 1;D 1 1; 1 +;D 1 1;#
?1 ?/1 D? 1B+
- DB 1B# 1#1 1D
#.?.+ 4upuesto 4upuestoss y condi condicion ciones es a adici dicional onales es Los si!uientes supuestos o condiciones son inherentes en procedimientos de dise'oM 1., $ernos apretados no deben ser usados para otras condiciones 7ue car!a est&tica. est&tica. *emperatur emperatura% a% viento% viento% y car!as car!as de nieve son consider consideradas adas car!as car!as est&ticas. Conexiones de plancha de cabeza con pernos apretados no est&n recomendados para elementos sometidos a condiciones de !randes car!as de 8ati!a como las vi!as porta !r6a y estructuras de soporte para ma7uinaria y e7uipo. 3I4C y 2C4C solo permite pernos 3+#? para ser apretados )pernos 3AB deben ser completamente apretados0. #., l momento re7uerido 8actorizados para el dise'o de la plancha% u% debe ser increm increment entado ado por Xr P 1.#? 1.#? para para cone conexi xion ones es de plan planch cha a de ca cabe beza za enrasadas si se asume 7ue son de estructura rí!ida como se explica en el Capítulo +. +., 2e7uisitos 7ue excedan el alcance de esta :uía deben ser considerados al dise'a dise'arr conexi conexione oness de planch plancha a de cabeza cabeza para para &reas &reas !eo!r !eo!r&fc &fcas as de alta alta sismicidad. sismicidad. n espera de nuevas investi!aciones investi!aciones los pernos apretados apretados no est&n recomendados para estas aplicaciones. ., La menor distancia de paso posible% p 8 % )distancia entre la cara del ala de la vi!a vi!a al pern perno o m& m&ss ce cerrca cano no00 !ene !enera ralm lmen ente te res esul ulta ta en la cone conexi xión ón m& m&ss económica. La dimensión de paso mínima absoluta para pernos est&ndares es el di&metro m&s > in. para pernos de hasta 1 in. de di&metro y el di&metro del pernos m&s Z in. para pernos m&s !randes. $ara pernos de tensión controlada% distancias de paso m&s !randes son re7ueridas. ?., Conexiones de placa de cabeza pueden ser dise'adas para resistir 8uerza de corte en la inter8az e la plancha de cabeza y el ala de la columna usando supues supuestos tos de
-., l ancho de la plancha de cabeza% 7ue es e8ectiva en resistir el momento de la vi!a aplicado% no debe ser tomada en los c&lculos m&s !randes 7ue el ala de la vi!a m&s 1 in. /., l !rami !ramill de los pernos pernos en tracc tracción ión )dista )distanci ncia a horiz horizont ontal al entre entre líneas líneas verticales de perno0 no debe exceder el ancho del ala de la vi!a en tracción. D., Formalmente% la soldadura del ala de la vi!a a la plancha de cabeza es dise dise'a 'ada da para para desa desarrroll rollar ar la res esis iste tenc ncia ia de 9uen 9uenci cia a del del ala ala de la vi!a vi!a cone conect ctad ada. a. sto sto se hace hace !ene !enera ralm lmen ente te con con sold soldad adur uras as de pene penetr trac ació ión n completa pero alternativamente% soldaduras de flete pueden ser usadas para alas del!adas. Cuando el momento aplicado es menor 7ue la resistencia de dise'o a 9exión de la vi!a% la soldadura del ala de la vi!a a la plancha de cabeza puede ser dise'ada para la resistencia a momento re7uerido perno no menor 7ue el -BN de la resistencia resistencia a la 9uencia mínima especifcada del ala de la vi!a conectada. A., Las soldaduras del alma de la vi!a a la plancha de cabeza en la cercanía de los pernos en tracción son dise'adas para desarrollar la resistencia a la 9uencia del alma de la vi!a a menos 7ue ni se re7uiera la resistencia resistencia de dise'o total de la vi!a. Cuando no se re7uiere la resistencia resistencia de dise'o total% las soldaduras del alma de la vi!a a la plancha de cabeza deben ser dise'adas para desarrollar el -BN de la resistencia a la 9uencia mínima especifcada del alma de la vi!a. 1B., $ara la resistencia en corte de la vi!a en el alma a la plancha de cabeza% solo la distancia entre la mitad de la pro8undidad de la vi!a y la cara interior del ala en compresión de la vi!a% o entre la fla interior de los pernos en tracción m&s dos di&metros de perno y la cara interior del ala en compresión de la vi!a% la 7ue sea menor% debe ser usada. sta suposición se basa en el juicio de in!eniería% no se encontró literatura 7ue sustente o contradi!a esta suposición. 11., $ara el conocimiento de los escritores% no se han realizado ensayos de conexiones de momento de plancha de cabeza con 8uerzas axiales. La inclusión de 8uerzas axiales en un an&lisis de línea de 9uencia en plancha de cabeza resul resulta ta en un moment momento o e8ecti e8ectivo vo de planc plancha ha de cabez cabeza a i!ual i!ual al momen momento to aplicado m&s )tracción0 o menos )compresión0 la 8uerza axial multiplicada por la mitad de la altura de la vi!a. Ker jemplo .#.+ para el procedimiento de dise'o modifcado para incluir una car!a axial. 1#., <4titch bolts= a veces son usados entre los pernos del ala en tracción y compresión compresión de la plancha de cabeza. l propósito de estos pernos es reducir la separación de la plancha causada por distorsiones de soldadura. 5ebido a 7ue los
plancha de cabeza extendida contiene las recomendaciones de dise'o para atiesar la columna. *ambi(n% ver la :uía de 5ise'o F\1+ ] 3tiesadores en columnas de ala ancha en conexiones conexiones de momentoM 3plicaciones 3plicaciones sísmicas y de viento para una !uía adicional. #.-Lista de che7ueo de estados límites Los estados límites 7ue deben ser considerados en el dise'o de conexiones de momento vi!a a columna de plancha de cabeza sonM 1., "luencia a 9exión del material de la plancha de cabeza cerca de los pernos del ala en tracción. ste estado en sí mismo no es limitante% pero la 9uencia resulta en aumentos r&pidos en las 8uerzas de tracción del perno y excesiva rotación. #., "luencia en corte del material de la plancha de cabeza. ste estado límite no es usualmente observado% pero el corte en combinación con 9exión puede resultar en una capacidad y ri!idez a la 9exión reducida. +., "ractura en corte de la plancha de cabeza a trav(s de los a!ujeros de los pernos externos. ., "ractura "ractura del perno debido a la car!a directa y 8uerza del e8ecto tenaza. ste estado limite es obviamente un modo de 8alla 8r&!il y es el estado limite m&s crítico en una conexión con plancha de cabeza. ?., ?., "ract ractur ura a del del per perno o desl desliz izam amie ient nto o del del perno erno en una una co cone nexi xión ón de deslizamiento critico debido a corte en la inter8az entre la plancha de cabeza y el ala de la columna. -., "alla por aplastamiento de la plancha de cabeza o ala de columna en pernos. /., "ractura de las soldaduras del ala en tracción de la vi!a a la plancha de cabeza o soldaduras de la re!ión en tracción del alma a la plancha de cabeza. D., "luencia en corte de la soldadura del alma de la vi!a a la plancha de cabeza o del metal base del alma de la vi!a. A., A., "lu "luenci encia a del del alma alma de la co colu lumn mna a opue opuest sta a a las las alas alas en trac tracci ción ón o comprensión de la vi!a conectada. 1B.,
car!a% tal como en un tope de puente. l alma en estas &reas est& sometida a
Capítulo + 5ise'o de plancha de cabeza enrasada +.1cuaciones% Limitaciones y 5efniciones de dise'o +.1.1 +.1.1 cuac cuacion iones es de dise' dise'o o Los procedimientos de dise'o descritos en la 4ección #.? son usados en este Capítulo para el dise'o de conf!uraciones de pernos de plancha de cabeza enrasa enrasada da mostr mostrad adas as en la "i!ura i!ura 1,+. 1,+. n la *abla abla +,1 se encuen encuentra tran n las ecuaciones re7ueridas para la determinación de las 8uerzas en el perno. Los patr patron ones es de líne línea a de 9uen 9uenci cia a cont contro rola lado dorres y las las ec ecua uaci cion ones es de dise dise'o 'o restantes se encuentran en la *abla +,# a +,? para las conf!uraciones de pernos. La expresión para R max en la *abla +,1 contiene t(rminos en una raíz. 4i la cantidad dentro del radical es ne!ativa% la combinación de la 9uencia en corte y 9exión de la plancha de cabeza es el estado límite 7ue controla y la plancha de cabeza no es adecuada para el momento especifcado. $or lo tanto% se re7uiere una plancha de cabeza m&s !ruesa. $ara construcciones construcciones de marco rí!ido 345 *ipo 1 y L2"5 "2% el momento 8actorizado re7uerido% u% debe estar incre incremen mentad tado o un #?N para para limita limitarr la rotac rotación ión dela dela conexión en el momento fnal al 1BN de la rotación de la vi!a simple. $or lo tanto% el 8actor X r P 1.#? es usado en este procedimiento para el dise'o de la plancha de conexión enrasada. Las conexiones pueden ser dise'adas usando pernos pretensionados o apretados. $ara pernos complemente apretados% la 8uerza de pretensión% *b en la *abla +,1% es la 8uerza especifcada en la *abla T+.1 )3I4C0 como est& indicado en la *abla +,1. +.1. +.1.# # Limi Limita taci cion ones es Los procedimientos analíticos 8ueron verifcados a trav(s de ensayos% 4rouji et al )1AD+a% 1AD+b0% y endricG et al. )1AD% 1AD?0% en 7ue los par&metros !eom(tricos 8ueron variados a lo lar!o de las conf!uraciones de las probetas. Camb Ca mbio ioss si!n si!nifc ifcat ativ ivos os en las las relac elacio ione ness !eom !eom(t (tri rica cass podr podría ían n a8ec a8ecta tarr la conf!uración del mecanismo y así la resistencia predicha. $or lo tanto% los ran!os de par&metros ensayados entre!ados en la *abla +,- aplican a las
ecuaci ecua cion ones es de dise dise'o 'o para para las las conf conf!u !ura raci cion ones es de plan planch chas as de ca cabe beza za enrasada. +.1. +.1.+ + 5efn 5efnic icio ione ness Las defniciones de las principales variables en las si!uientes *abla +,1 a la *abla *abla +,?. 5efniciones 5efniciones para para otras variables variables est&n en el 3p(ndice 3. 3. $t P 2esistencia a la tracción perno P Car!a de prueba perno P 3 b"t *b P "uerza de pretensión del perno Rmax P "uerza e8ecto tenaza m&xima posible n P 2esistencia a momento de la conexión pl P 2esistencia nominal de la conexión para el estado límite de 9uencia de la plancha de cabeza 7 P 2esistencia nominal de la conexión para el estado límite de 8ractura del perno con e8ecto tenaza np P 2esistencia nominal de la conexión para el estado límite de 8ractura del perno sin e8ecto tenaza H^ P 3nch 3ncho o e8ec e8ecti tivo vo de de plan planch cha a de cab cabez eza a por por pern perno o meno menoss el di& di&me metr tro o del del a!ujero del perno *abla *abla +,1 2es 2esumen umen de ecuaciones de predicción predicción de 8uerza de perno para conexiones de plancha de cabeza enrasada
Car!a de prueba perno
$retensión del perno
2
Pt = % b F t =
π db 4
F t
"t P 2es 2esistencia istencia nominal a la tracción de pernos P AB Gsi para 3+#? P 11+ Gsi para 3AB )*abla )*abla T+.#% T +.#% 3I4C0 3I 4C0 $ernos completamente apretados *b P "uerza de pretensión pretensión especifcada en *abla T+.1% 3I4C para pernos completamente apretados $ernos apretados 3+#? *b P es tomada como los si!uientes porcentajes de la pretensión compl completa eta especi especifca fcada da en la *abla abla T+.1% 3I4C db O ?;D in% usar /?N db P +; in% usar ?BN db P /;D in% usar +/%?N db Q 1 in% usar #?N
"uerza m&xima e8ecto tenaza
2
Qmax,i=
w ' t p 4 ai
5onde%
√ ( )
2
'
F i
2
F py py − 3
w ' t p p
( )
3
ai= 3.682 '
w= 2
t p F Py ' i
F =
(
b p 2
t p −0.085 db
−( d b + 1 / 16 )
0.85
b p 2
)
+ 0.80 w ' +
3
π db F t t 8
4 p ,i
4i el radical en la expresión para R max es ne!ativo% 9exión combinada y 9uencia en corte de la plancha de cabeza es el estado límite 7ue controla y la plancha de cabeza no es adecuada para el momento especifcado. especifcado. *abla *abla +,- 2an!o de par&metros par&metros testeados para conexiones de plancha de cabeza enrasada *ope *ope in8erior *ope superior )in0 in mm in mm p8 1 ?;1++ 1 /;D / pb 1 /;D / + /! # 1; ?/ + +; A? a h 1B# -BA bp ? 1#/ 1?# t8 +;1 +;D A a $ara la conexión enrasada de # pernos% el límite in8erior para la altura es D in )#B+ mm0. $ar&metro
Capítulo 5ise'o de plancha de cabeza enrasada .1cuaciones% Limitaciones y 5efniciones de dise'o .1.1 .1.1 cuac cuacion iones es de dise' dise'o o Los procedimientos de dise'o descritos en la 4ección #.? son usados en este Capítulo para el dise'o de conf!uraciones de ? pernos de plancha de cabeza extend extendid ida a mostr mostrada adass en la "i!ura i!ura 1,. 1,. n la *abla abla ,1 ,1 se encuen encuentra tran n las ecuaciones re7ueridas para la determinación de las 8uerzas en el perno. Los patr patron ones es de líne línea a de 9uen 9uenci cia a cont contro rola lado dorres y las las ec ecua uaci cion ones es de dise dise'o 'o restantes se encuentran en la *abla ,# a ,- para las conf!uraciones de pernos. Las expresiones para Rmax%i y R max%o en la *abla ,1 contiene t(rminos en un raíz. 4i la cantidad dentro del radical es ne!ativa% la combinación de la 9uencia en
corte y 9exión de la plancha de cabeza es el estado límite 7ue controla y la plancha de cabeza no es adecuada para el momento especifcado. especifcado. $or lo tanto% se re7uiere una plancha de cabeza m&s !ruesa. Lass cone La conexi xion ones es pued pueden en ser ser dise dise'a 'ada dass usan usando do pern pernos os pret preten ensi sion onad ados os o apretados. apretados. $ara pernos complemente apretados% la 8uerza de pretensión% *b en la *abla +,1% es la 8uerza especifcada en la *abla T+.1 )3I4C0 como est& indicado en la *abla ,1. .1. .1.# # Limi Limita taci cion ones es Los procedimientos analíticos 8ueron verifcados a trav(s de ensayos% orrison et al )1AD?% 1AD-0% 3bel y urray )1AA#a% 1AA#b0% y 4I )1AD0% en 7ue los par&metros !eom(tricos 8ueron variados a lo lar!o de las conf!uraciones de las probeta probetas. s. Cambios Cambios si!nifca si!nifcativo tivoss en las rel relacio aciones nes !eom(tric !eom(tricas as podrían podrían a8ectar la conf!uración del mecanismo y así la resistencia predicha. $or lo tanto% los ran!os de par&metros ensayados entre!ados en la *abla ,/ aplican a las ecuaciones de dise'o para las conf!uraciones de planchas de cabeza enrasada. .1. .1.+ + 5efn 5efnic icio ione ness Las defniciones de las principales variables en las si!uientes *abla ,1 a la *abla *abla ,-. 5efniciones 5efniciones para para otras variables variables est&n en el 3p(ndice 3. 3. $t P 2esistencia a la tracción perno P Car!a de prueba perno P 3 b"t *b P "uerza de pretensión del perno Rmax%i P "uerza e8ecto tenaza m&xima posible en los pernos en tracción entre las alas de la vi!a Rmax%o P "uerza e8ecto tenaza m&xima posible en los pernos en tracción 8uera de las alas de la vi!a n P 2esistencia a momento de la conexión pl P 2esistencia nominal de la conexión para el estado límite de 9uencia de la plancha de cabeza 7 P 2esistencia nominal de la conexión para el estado límite de 8ractura del perno con e8ecto tenaza np P 2esistencia nominal de la conexión para el estado límite de 8ractura del perno sin e8ecto tenaza H^ P 3nch 3ncho o e8ec e8ecti tivo vo de de plan planch cha a de cab cabez eza a por por pern perno o meno menoss el di& di&me metr tro o del del a!ujero del perno *abla *abla ,1 2es 2esumen umen de ecuaciones de predicción predicción de 8uerza de perno para conexiones de plancha de cabeza extendida
Car!a de prueba perno
2
Pt = % b F t =
π db 4
F t
$retensión del perno
"uerza m&xima e8ecto tenaza flas de perno internas
"t P 2es 2esistencia istencia nominal a la tracción de pernos P AB Gsi para 3+#? P 11+ Gsi para 3AB )*abla )*abla T+.#% T +.#% 3I4C0 3I 4C0 $ernos completamente apretados *b P "uerza de pretensión pretensión especifcada en *abla T+.1% 3I4C para pernos completamente apretados $ernos apretados 3+#? *b P es tomada como los si!uientes porcentajes de la pretensión compl completa eta especi especifca fcada da en la *abla abla T+.1% 3I4C db O ?;D in% usar /?N db P +; in% usar ?BN db P /;D in% usar +/%?N db Q 1 in% usar #?N 2
Qmax,i=
w ' t p 4 ai
5onde%
√ ( )
2
'
F i
2
F py py − 3
w ' t p
( )
3
ai= 3.682 '
w= 2
t p F Py ' i
F =
"uerza m&xima e8ecto tenaza flas de perno externas
(
b p 2
t p p −0.085 db
−( d b + 1 / 16 )
0.85
b p 2
)
3
+ 0.80 w ' +
π db F t t 8
4 p ,i 2
Qmax,!=
w ' t p 4 a!
5onde%
√ ( ) '
F !
2
F py py − 3
w ' t p
( )
3
a! =3.682 '
w=
b p 2
2
t p p −0.085 & ( pext − p , ! ) db
−( d b + 1 / 16 )
2
t p F Py ' !
F =
(
0.85
b p 2
)
+ 0.80 w ' +
3
π d b F t t 8
4 p , !
*abla *abla ,/ 2an!o de par&metros par&metros testeados para conexiones de plancha de cabeza extendida *ope *ope in8erior *ope superior )in0 in mm in mm a p8 1 #? # 1;# -+ $ext # 1;# -+ ? 1;D 1+B ! # +; -A / 1// b h 1? +; BB # -BA bp 1?# 1B 1; #-B t8 +;D A 1 #? a Un paso interior !rande% p 8%i% de ? in. para la conexión m6ltiple extendida no atiesada > tambi(n 8ue verifcado como reportó 4umner y urray )#BB10. b $ara las conexiones extendidas de m6ltiples flas% el límite superior para la altura es -# in. $ar&metro
Capítulo ? 5ise'o zona panel marco de dos a!uas ?.1Introducción La plancha de la zona panel del
"i!ura ?,1 `rea de rodilla del
