Guia 4 Acero

PNF: CONSTRUCCION CIVIL TRAYECTO: IV – TRIMESTRE: I ACERO Y MADERA TEMA 4: DISEÑO DE JUNTAS, CONECTORES Y SOLDADURAS. Juntas: los tipos de construcción están relacionados con las características resistentes de las conexiones que vinculan los miembros de la estructura. Básicamente hay tres tipos diferentes de construcción, cada uno de los cuales tiene sus hipótesis de diseño referidas a las dimensiones de los miembros y a la resistencia de sus conexiones, que son: •

Tipo I: estructuración con conexiones rígidas: estas conexiones se conocen por uniones de momento y son las usadas para materializar los empotramientos elásticos o nodos de los pórticos rígidos capaces de transmitir el 100% de los momentos flectores, las fuerzas cortantes y axiales entre las vigas y las columnas del sistema. Estas uniones mantienen inalterados los ángulos iníciales que forman los miembros entre si, antes y después de la deformación, por lo cual no se produce ninguna rotación relativa entre ellos cuando se aplican las cargas anteriores. Las conexiones rígidas se pueden lograr mediante uniones empernadas o con soldadura de las alas y el alma de la viga al ala de la columna. Para hacer más resistente la unión, el alma de la columna debe reforzarse mediante rigidizadores que siguen la línea de las alas de la viga y diagonales en ambas caras. Esto permite que la viga se considere perfectamente empotrada a la columna y los momentos flectores resultantes son los indicados en el respectivo diagrama bajo las cargas gravitacionales uniformemente distribuidas en la luz de la viga. Las estructuras con conexiones rígidas pueden diseñarse mediante métodos elásticos o plásticos de acuerdo a las respectivas exigencias normativas.

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Tipo II, Estructuración con conexiones flexibles: son las conexiones de corte, estas pueden materializarse mediante ángulos de asiento en contacto con el ala inferior de la viga, y ángulos de sujeción en el ala superior, unidos con cordones de soldadura de filete a la viga y a la columna respectivamente, la deformación luego de flexada la viga permite la rotación libre en los extremos: ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli

Por lo tanto, el diagrama de momento flector, corresponde al de una viga simplemente apoyada en sus extremos, bajo una carga uniformemente distribuida en su luz. Luego de producida la flexión, los ángulos de sujeción se deforman, quedando unidos a la estructura solo por cordones de soldadura. El ángulo superior de sujeción también puede conectarse mediante pernos, con lo que se logra algo más de restricción a la rotación. Otra forma de lograr uniones flexibles o de corte, es conectar el alma de la viga al ala de la columna mediante ángulos dobles que luego flexada la viga, pueden deformarse. Si bien se acepta que además del corte, estas conexiones pueden resistir hasta un 10% de los momentos flectores correspondientes al caso de empotramiento perfecto, no se los toma en cuenta en el análisis y se supone la viga con extremos libres bajo las cargas actuantes.

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Tipo III, Estructuración con conexiones semi rígidas: una situación intermedia entre los tipos de construcción 1y2 corresponde a las conexiones de este tipo, que otorgan un grado de restricción de aproximadamente un 75% del caso de empotramiento perfecto. Estas conexiones pueden materializarse mediante ángulos empernados conectando las alas y el alma de la viga a la columna. Si bien el comportamiento de estas uniones es generalmente complejo, se pueden aplicar hipótesis simplificativas y considerar que los ángulos que conectan las alas de la viga resisten los momentos flectores de magnitud controlada, mientras que los ángulos en el alma resisten al corte. Otro tipo de unión semirrígida se presenta con conexiones de asiento en contacto con el ala inferior de la viga, y planchas o vigas “T” soldadas al ala superior y a la columna. El diagrama de momento flector correspondiente a las conexiones semi rígidas indica que la magnitud de la flexión disminuye en los extremos y se incrementa en el centro de la luz bajo cargas uniformemente distribuidas. ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli

Según el análisis de curvas típicas M- θ para conexiones empernadas, según el caso, se tiene que Mf=(1/12)wL2

Conectores Mecánicos: las juntas rígidas, flexibles o semirrígidas se materializan conectando los diferentes miembros estructurales mediante diferentes tipo de unión, clasificados en conectores mecánicos y soldaduras, en todos los casos se exige que las uniones sean resistentes, dúctiles, de alta calidad, fácil montaje y máxima economía. La inspección de la calidad de las uniones resulta de primordial importancia para asegurar su óptimo comportamiento estructural. Además el detalle de las conexiones debe mostrarse explícitamente en los planos de diseño, en especial en los miembros aporticados en la estructura; en este particular, los conectores mecánicos son de tres tipos: •

REMACHES:

se caracterizan por su uso histórico en conexiones fijas no desmontables, cuyo proceso de montura se fundamenta por la presencia de las altas temperaturas, calentándolo hasta 980ºC (no excede de 1070ºC ni desciende menos de 550ºC) colocados dentro de agujeros de 1/16” con respecto a “d” Luego de ser colocados y estampados se hallan en estado plástico, el proceso de forja a que son sometidos forma simultáneamente la nueva cabeza y se expande la espiga hasta llenar completamente el agujero. Al enfriarse, se encoge originando tracción en el vástago y aplastamiento entre las planchas, uniendo con sus cabezas las planchas produciendo una acción de agarre. Se han desarrollado técnicas de remaches en frio que utiliza enormes presiones y esta limitada solo a remaches de diámetros bajos (1/2” a 7/8”) utilizando prensas hidráulicas y costosa mano de obra, aunque de esta forma se elimina el costo por proceso de calentamiento ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli

TIPOS DE REMACHES: clasificados por ASTM A502 grado1: tienen un contenido de carbono de 0.8% lo cual los hacen mas débiles que el o acero común, son muy dúctiles y de gran facilidad de colocación. o A502 grado 2: son de acero al carbono con aleación de manganeso, por lo cual son mas resistentes que los de grado1 y pueden usarse con aceros de alta resistencia. Su mayor capacidad de carga permite realizar uniones de menores dimensiones con un reducido número de conectores. A502 grado3: tienen la misma resistencia nominal que el de grado2, pero el metal ofrece una o alta capacidad anticorrosiva por la aleación del acero al carbono con cobre, que lo vuelve hasta 4 veces más resistente a la acción desintegrante de un medio ambiente agresivo. •

PERNOS O TORNILLOS:

estos dispositivos mecánicos de conexión, con cabeza cuadrada o hexagonal formados por un vástago cilíndrico con roscado exterior en su extremo libre, que se insertan a través de agujeros pasantes en placas o piezas a unir y se ajustan con tuercas o arandelas de apriete en su extremo sobresaliente de rosca, se clasifican en Normales, Pesados y Semipesados. En las estructuras se utilizan pernos hexagonales normalizados debido a que las cabezas hexagonales son mas fáciles de ajustar y necesitan un espacio menor para girar con las llaves de apriete. Las tuercas también pueden ser cuadradas o hexagonales. Clasificados en los grados: Los pernos A307 son conectores sin tornear, conocidos como pernos standard o comunes, elaborados con acero de bajo contenido de carbono y diámetros entre ¼” y 1 ½” usándose en miembros secundarios de edificios industriales con cargas estaticas de limitada magnitud o en construcciones precarias o provisionales, de corta vida y fácil desarme. Se diseñan a tracción o al corte en conexiones por aplastamiento. Los pernos A325 y A490 son de alta resistencia, elaborados con aceros de medio carbono aleados, templados y revenidos, su uso estructural se aplica en juntas o nodos de pórticos de edificios, puentes, armaduras de techo y galpones, usualmente requiere el uso de rondana o arandela.

ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli


Espaciamiento entre conectores: toda conexión debe resultar suficientemente resistente, dúctil, compacta y efectiva. El espaciamiento entre ellos esta regido por las siguientes consideraciones: Si los conectores están muy juntos, se produce interferencia entre ellos, por superposición de los esfuerzos debido a la fricción de apriete. Un espaciamiento demasiado cercano trae dificultades al instalar los conectores, ya que en el caso de los pernos la cabeza de la llave requiere un espacio mínimo de operación, y en los remaches la pistola remachadora debe poder usarse sin interferencias entre cabezas. Una distancia pequeña entre conector y el borde cargado axialmente, puede producir desgarramiento en las planchas. La excesiva proximidad entre los conectores disminuye el área neta de la sección transversal, al aumentar el número de conectores por hilera. Con ello se favorece la falla por tracción en el área neta de los miembros. Cuando el espaciamiento es muy es muy grande, el peligro reside en que en miembros comprimidos, se puede producir pandeo local de las planchas entre conectores o separación por levantamiento de los bordes, cuando la distancia al borde es excesiva. Distancias: •

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Paso S: es la separación centro a centro de los agujeros, medida paralelamente al eje del miembro y a la dirección de la carga aplicada. Gramil G: es la separación centro a centro de los agujeros, medida normalmente al eje del miembro y a la dirección de la carga aplicada. Distancia al borde L: distancia entre el centro del agujero de la fila extrema y el borde adyacente de la plancha, medida paralela o perpendicularmente al eje del miembro y a la dirección de la carga aplicada.


La distancia mínima Lc min a los bordes es por valor tabulado. Usualmente se colocan los conectores a una distancia mínima del borde de la placa igual o mayor a 1.5 o 2 veces el diámetro del perno, de modo que el metal en esa zona ofrezca una resistencia al corte. La distancia máxima a los bordes debe cumplir: Le ≤(12t o 15cm) los agujeros tampoco deben punzonarse muy cerca de de la unión del alma y el ala de los perfiles doble T o T ni en la unión de los lados de los perfiles de angulo. La distancia libre Le media en la dirección paralela a la carga aplicada, del borde del agujero del perno al borde de la placa o al borde del agujero adyacente, se obtiene: Pernos extremos: Lc=Le-(dh/2) Pernos restantes: Lc=S-dh .. d h: diam. Nominal del agujero. La separación de S no será menor que 2,7 veces el diámetro nominal de los mismos, ni mayor a: • •

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Miembros pintados y no pintados expuestos a corrosión (t: espesor de la plancha delgada) 2.7db≤S≤(24tmin o 30cm)

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Miembros no pintados resistentes a corrosión (t: espesor de la plancha delgada) 2.7db≤S≤(14tmin o 18cm) Para mayor uniformidad, se adoptara una separación única para pasos y gramiles S=G=3 db .. d b es el diam. Nom. Del perno sin rosca

TIPOS DE JUNTAS.



Juntas Solapadas: donde las planchas o los perfiles estructurales se superponen o traslapan, manteniéndose en contacto en toda el área. El inconveniente es que los ejes donde actúan las fuerzas en ambos miembros no coinciden, por lo cual se producen esfuerzos secundarios de flexión que usualmente no son tomados en cuanta durante el análisis, por lo cual este tipo de junta no es común en miembros principales. Juntas a tope: este tipo de junta se muestra con planchas de enlace simétricamente ubicadas a ambos lados de los miembros a conectar. Una de las ventajas de este tipo de unión es que aquí los pernos trabajan a cortante doble y aplastamiento, por lo cual se necesita la mitad de los pernos que usualmente trabajan a corte simple. Además la transmisión de de las cargas entre miembros se realiza en forma simétrica, cuando las planchas tienen el mismo espesor, con ello se eliminan los esfuerzos secundarios de flexión que se originan en las juntas solapadas. Juntas en Doble Plano: es el caso de conexiones simétricamente cargadas, donde las filas de pernos trabajan a cortante simple y aplastamiento, pero en dos planos diferentes en ausencia de flexión. Juntas Múltiples: en estos casos, los pernos están sometidos a cortante múltiple, con los conectores trabajando a corte en cuatro o mas planos diferentes. Usualmente en la práctica no se toma en cuenta el corte en mas de dos planos, dado que es poco probable que la falla ocurra en los pernos en tres o más planos simultáneamente. En el caso de pernos muy largos conectando múltiples planchas, se debe verificar además el vástago de los pernos a flexión. Área Total o Área Gruesa: esta área de la sección transversal de un miembro estructural, se obtiene de la suma de las áreas parciales de cada parte que la compone, en ausencia de perforaciones. En cada caso, las áreas resultan del producto de su espesor “t” por el ancho “b” respectivo, que se mide perpendicularmente al eje del miembro. En el caso de ángulos, el área gruesa es el resultado del producto del espesor “t” por la suma de sus lados menos el espesor. Área Neta: la presencia de agujeros en las uniones, disminuye el área total inicial del miembro, ocasionando un incremento en los esfuerzos con concentraciones de estos en los huecos. Los esfuerzos se suponen sin embargo, uniformemente distribuidos en las secciones netas calculadas, en rango elástico, para simplificar el análisis. Esta área neta se obtiene conocida el área total o gruesa, menos el área de las ranuras, muescas y agujeros, al calcularse estas áreas de miembros a tracción o corte, el diámetro de los agujeros d a se adopta lo siguiente: d a=d h+2mm=d b+3mm .dh es el diam. Nom. Del agujero y d b es el diam. Nom. Del perno Cuando se analizan trayectorias en zigzag o en diagonal, para cada tramo inclinado en la sucesión considerada, se añade el termino s2/4g (s: paso; g: gramil). La menor de las esas áreas netas será el área neta critica. En ningún ncaso el área neta critica se tomara mayor al 85% del área gruesa de la sección transversal del miembro. An≤0.85ª LAS ÁREAS NETAS DEFINIDAS POR TRAYECTORIAS RECTAS PERPENDICULARES AL EJE DEL MIEMBRO Y A LA DIRECCIÓN DE LAS CARGAS APLICADAS, SOPORTAN ESFUERZOS A TRACCION UNICAMENTE, MIENTRAS QUE LAS TRAYECTORIAS DIAGONALES RESISTEN ESFUERZOS DE TRACCION Y CORTE SIMULTANEAMENTE.


Suponiendo agujeros normales o estándar, de igual tamaño, de diámetro d a obtenido de su ecuación, dispuestos de forma alternada, el área neta en cada trayectoria potencial resulta:

Las áreas netas de las diferentes trayectorias de falla de las conexiones son:

EL ÁREA NETA SE TOMA EN CONSIDERACION EN MIEMBROS TRACCIONADOS, EN MIEMBROS COMPRIMIDOS EL DISEÑO DE LA CONEXIÓN SE BASA EN EL ÁREA TOTAL O ÁREA GRUESA.


Las áreas netas de las trayectorias de falla posible en ángulos, resulta:

Las áreas netas de los perfiles doble T son:

Área Neta efectiva: es una consecuencia de uniones parciales en conexiones, los elementos resultan sobrecargados, mientras las áreas restantes, mas alejadas, no alcanzan los esfuerzos previstos en el diseño. Por lo tanto no se logra el 100% de efectividad, para tomar en cuenta este efecto se afecta el área neta calculada An por un factor Ct≤1 y se obtiene el área neta efectiva Ae Ae= Ct*An  

 �    �� donde X: excentricidad de la conexión y L long. De la conex medida en direcc a la carga

X representa la distancia entre el baricentro de la sección conectada y el plano de transferencia de las cargas. Si X es menor, Ae es mayor. ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli

En base a los valores promedios de X/L correspondiente a los tipos de conexiones de miembros traccionados empernados, se pueden adoptar los siguientes valores de Ct Ct

Condicion de perfiles o miembros Perfiles doble T y T recortados de los anteriores, con relación bf/d≥2/3 y la conexión se realice solo en 0.9 alas, con tres o mas pernos o remaches por fila en la dirección de la carga Perfiles doble T o T recortados de los anteriores con relación bf/d<2/3 y otros perfiles incluyendo 0.85 secciones armadas con tres o mas pernos o remaches por fila en la dirección de carga 0.75 Todos los miembros con solo dos conectores por fila paralela a la carga

Forma de trabajo de los pernos: trabajan bajo las siguientes solicitaciones: • • •

Tracción Axial. Corte: conexiones tipo deslizamiento critico y tipo aplastamiento. Tracción y Corte ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli

Falla en las uniones con conectores mecánicos: el agotamiento de la resistencia se produce por: • •

En los conectores: por tracción, por corte y por aplastamiento En los miembros conectados: aplastamiento de las planchas, desgarramiento del material, falla por tracción en el área gruesa, por tracción en el área neta y falla por bloque cortante. o

Por tracción en los conectores:

o

Por corte en los pernos:

o

Por Aplastamiento de los pernos:


o

Por aplastamiento de planchas:

o

Por desgarramiento del material:

o

Por Tracción en el Área Gruesa

o

Por Tracción en el Área Neta

o

Por bloque de corte



Capacidad Resistente de los conectores •

Capacidad resistente a tracción de los pernos

La capacidad resistente a tracción en cada uno de los pernos de una conexión se obtiene:

Φ   Φ     Para Φ=0.75. Ft es la capacidad teórica a tracción de los conectores. Ab es el área nominal de la parte del vástago no roscado, Tu son las cargas de tracción factorizadas que resultan de sumar las cargas de tracción aplicadas, mas las debidas al efecto de palanca, producido por la deformación de las partes conectadas. Capacidad resistente a corte en deslizamiento critico Implica que el deslizamiento esta impedido, es decir que no puede existir ningún tipo de corrimiento relativo entre las planchas conectadas, debido a la gran friccion producida por el estricto ajuste de los pernos con las llaves calibradas. Esta capacidad se verifica en: CASO I: deslizamiento critico bajo cargas de servicio: Φv=1 y P=∑Pt  se debe cumplir Φv*Fv*Ab*η*n ≥ P Donde P es la carga de servicio actuante en la conexión, η el número de pernos y n el numero de planos de corte; Fv es el esfuerzo admisible a corte en régimen de servicio, para los pernos de alta resistencia. Para Ptv=Fv*Ab, se obtieneΦv*Ptv*η*n≥P CASO II: deslizamiento critico en agotamiento resistente: Φv*Rstr≥Pu ..agujeros standard Φv=1 y la capacidad resistente nominal resulta: Rstr=1.13µ*Tb*η*n Tb es la tracción mínima en el conector, representa la fuerza normal aplicada entre las partes conectadas, η es el numero de pernos y n el numero de planos de corte de la conexión, µ es el coeficiente de fricción estática •

µ

Clase de superficie 0.33 A: libres de cascarilla de laminación, no pintadas o limpias sometidas a tratamiento con chorros de arena y que se le han aplicado protector clase A 0.5 B: limpias, sometidas a tratamientos con chorros de arena y no pintadas, se le han aplicado tratamiento con protector clase B 0.4 C: galvanizada en caliente y rugosas.

Capacidad resistente a corte por aplastamiento Para cargas factorizadas y Φv=0.75, se obtiene: Φv*Fv*Ab*η*n≥Pu Donde Fv es la capacidad teorica a corte, Ab es el área nominal del perno, η es el numero de pernos y n el numero de planos de corte de la conexión, adoptando •

Piv=Fv*Ab..se obtiene: Φv*Piv*η*n≥Pu


Capacidad Resistente de las Planchas o Miembros conectados •

Cap. Res. De Planchas por Aplastamiento:

Se verifica tanto en conexiones tipo deslizamiento crítico como de tipo aplastamiento. La cap. Resist. al aplastamiento será Φp*Rn para Φp=0.75 Фp*Rn*ƞ≥Pu .. la capacidad teórica Rn se obtiene para dos casos diferentes: CASO I: cuando Le≥1,5db o S≥3db con dos o mas pernos en la línea de acción de la fuerza, se debe considerar a) Rn=2,4db*T*Fu .la deformación alrededor de los pernos se considere en el diseño. b) Rn=Le*T*Fu≤3db*T*Fu (pernos cercanos al borde) y Rn=(S-0.5db)*T*Fu≤3db*T*Fu (para el resto de los pernos).. cuando la deformación alrededor de los pernos no sea una consideración de diseño CASO II: Le<1.5db o S<3db o para una sola fila de pernos en la línea de acción de la fuerza, se considera: a) Rn=Le*T*Fu≤2,4db*T*Fu .. para el agujero de un perno o para el agujero más cercano al borde cuando dos o más pernos están en la línea de la fuerza. b) Rn=(S-0.5db)*T*Fu≤2,4 db*T*Fu . Para los agujeros restantes

Capacidad Resistente de las Planchas por desgarramiento: será Φv*Rn para Φv=0,75 de planchas a lo largo de un plano de corte. Rn=0.6Fu*Anv  debe cumplir ΦvRn≥Pu Anv es el área neta sometida a corte, donde puede desgarrar el material. Esta capacidad resistente se usara para determinar la resistencia del bloque de corte. •

•

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Capacidad resistente por tracción en área gruesa: Φt*Nt=Φt*Fy*A≥Pu . Siendo A el área total o área gruesa de la sección transversal de la plancha o perfil conectado. Φt=0,9 Capacidad resistente a tracción en área neta: se debe verificar para An≤0.85 siendo A el área total o gruesa del miembro conectado. Cuando se colocan pernos en todos los elementos del miembro, Ct=1 y en este caso, el área neta coincide con el área neta efectiva. ING. JORGE ISAAC RODRÍGUEZ Fte: Dra. Ma. Fratelli

Cuando solamente se conectan algunos elementos de un miembro mediante pernos, resulta Ct≤0.9 y el área neta efectiva es Ae=Ct*An en este caso, para hallar la capacidad resistente a tracción se debe usar el área neta efectiva dada en: Φt*Nt=Φt*Fu*Ae≥Pu  siendo Φt=0.75. •

Capacidad resistente por bloque cortante: es ΦRbs y esta definida por el mecanismo que controla el modo de falla, pueden ser:

a) CEDENCIA POR CORTE Y FRACTURA POR TRACCIÓN : Fu*Ant≥0.6Fu*Anv en este caso: ΦRbs=Φ(0.6*Fy*Av+Fu*Ant)≥Pu . Φ=0.75 b) CEDENCIA POR TRACCIÓN Y FRACTURA POR CORTE : Fu*Ant<0.6Fu*Anv en este caso: ΦRbs=Φ(0.6*Fu*Anv+Fy*At)≥Pu . Φ=0.75 Av=área total sometida a corte; Anv=área neta sometida a corte; At=área total sometida a tracción; Ant= Area neta sometida a tracción.



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