madera uniones de elementos estructurales
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Apuntes del Curso de Diseño en Acero Isaac Flores Gutiérrez – Ing. Civil - UTFSM
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INTRODUCCION.
Uno de los aspectos importantes en el diseño de elementos estructurales lo
constituye el diseño de sus conexiones. El diseñador cuenta con varias formas para unir
piezas metálicas.
Conectores mecánicos:
remaches,
pasadores,
pernos.
Soldadura
7.1. Conectores Mecánicos
7.1.1. Remaches
Son piezas de sección transversal circular de acero dúctil, forzado en terreno para
unir varias piezas metálicas. Se fabrican con una cabeza manufacturada en uno de sus
extremos.
d : diámetro nominal
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Generalmente el proceso de remachado se hace en caliente, dada la facilidad con
que éste puede ser trabajado.
Al forjar el remache en caliente, este se expande llenando totalmente el agujero. Al
enfriarse tenderá a encogerse en el sentido transversal (lo que origina una holgura final), y
en el sentido longitudinal, lo que producirá compresión en las placas denominado “acción
de apriete” o “de agarre”, lo que redunda en una resistencia a la fricción.
Los remaches en frío tienen la ventaja de que aumentan la resistencia del remache,
sin embargo, requieren de grandes presiones para formar la cabeza remachada, por lo que su
uso se restringe a remaches de diámetros pequeños (1/2” a 7/8”).
La norma especifica las siguientes calidades de aceros para remaches:
A 34-19 Nch 207
A 502-2 ASTM A 502
7.1.2. Pernos Corrientes
Un perno es un pasador de metal con una cabeza hexagonal en un extremo y el
vástago con hilo en el otro, en el cual atornilla una tuerca también hexagonal.
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D: DIAMETRO DEL CASTAGO
L: LONGITUD DEL PERNO.
Debido a las variaciones en los diámetros de los vástagos se pide que el agujero sea
punzonado o taladrado 1/16”, mayor que el diámetro del perno.
Las normas chilenas especifican para pernos corrientes los aceros:
A 37-20 y A 52-34
La sección menos resistente de un perno es la zona con hilo, luego en la
determinación de la resistencia se recomienda utilizar un área neta o equivalente dada por:
uA D n cm 0 785 0 9743 2 2, ( , / ) ( )
D : diámetro nominal del perno (cm)
n : número de hilos por centímetro
7.1.3. Pernos de Alta Resistencia
Deben producir un agarre suficiente para que se desarrolle fricción entre las placas.
Se usan las designaciones ASTM A 325 y A 490.
A 325 corresponde a:
A 85-63 para diámetros entre 1/2” y 1”
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A 74-57 para diámetros entre 1 1/8” y 1 1/2”
A 490 corresponde a:
A 106-92 usado en perfiles de buena calidad
La norma especifica además, la forma y las presiones de apriete que se deben
aplicar a la tuerca.
7.1.4. Pasadores
En ocasiones se utiliza un solo pasador cilíndrico de acero para conectar miembros
metálicos, que debe tener una rotación relativa entre uno y otro.
No se exige apriete a un pasador y sus dimensiones son mayores que las de un
remache o perno.
El tipo más común tiene extremos hilados y dos tuercas.
Para diámetros mayores de 10”, se acostumbra a utilizar un perno pasado por el
cuerpo del pasador.
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En el caso de pasadores pequeños, basta con una cabeza manufacturada y una
chaveta..
7.2. Tipos de Conexiones
Las uniones o conexiones estructurales se pueden clasificar de acuerdo a la forma
en que se transmiten las cargas.
7.2.1. Conexiones o Cizalle
La carga transmitida tiende a cortar el conector , lo que a su vez provoca
aplastamiento en la plancha.
CIZALLE SIMPLE
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CIZALLE DOBLE
7.2.2. Conexiones a Tracción
7.2.3. Conexiones a Tracción y Cizalle
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Si las cargas pasan por el centro de gravedad de las áreas de los conectores, se dice
que la conexión es centrada, en caso contrario se dice que la conexión es excéntrica.
7.3. Condiciones para el Diseño
7.3.1. Dimensiones Normales para el Diseño
d (pulg) 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 1/2
(mm) 13 16 19 22 25 29 32 38
D (mm) 14 17 22 24 27 30 34 40
A (cm2) 1.26 1.98 2.85 3.88 5.07 6.41 7.92 11.4
An (cm2) 0.81 1.31 1.95 2.70 3.55 4.46 5.72 9.2
d : diámetro nominal del conector
D : diámetro de la perforación
D d 110
''
Generalmente para el cálculo se recomienda:
D d 18
''
En diseños importantes la norma especifica D variable, dependiendo del diámetro
del conector:
D = d + 0.06 si d 0.6 cm
D = d + 0.1 si 0.6 d 1.2 cm
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D = d + 0.2 si 1.2 d 2.0 cm
D = d + 0.3 si 2.0 d 3.9 cm
A : área bruta
An : área neta o reducida
7.3.2. Esparcimientos
i) Distancias mínimas entre conectores (s, g)
s : paso
s d 2.67 (de preferencia s 3d)
g : gramil
g d 2.67 (de preferencia g 3d)
ii) Distancia máxima entre conectores
má x má xs g 12e
iii) Distancias mínimas a los bordes (a, b)
a b d 1.75 (en cantos cortados a tijera)
a b d 1 25. (en cantos laminados o cortados a llama)
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En perfiles con 1 o 2 conectores en línea, con la dirección del esfuerzo, se debe
verificar
iv) En remaches y pernos corrientes
a Ae Cizalle simple
a Ae 2 Cizalle doble
v) En pernos de alta resistencia
a CAe Cizalle simple
a Ae 2C Cizalle doble
donde:
A : área del conector
e : espesor de la plancha
C : Fc/Fa
Fc : tensión de ruptura del perno
FA : tensión de ruptura de la plancha
7.3.3. Ancho Neto en Perfiles Perforados
En el diseño de conectores se debe considerar una reducción en la tensión
admisible de los perfiles producto de las perforaciones.
Se define Bn, como el ancho neto y está dado por:
nB B Dsi
gi
2
4
donde:
Bn : ancho neto de la plancha o perfil
B : ancho total
D : diámetro de la perforación
s : distancia entre perforación en la dirección del esfuerzo (paso)
g : distancia entre perforaciones en la dirección perpendicular al esfuerzo
(gramil)
Di: suma de los diámetros de los agujeros ubicados en la línea de falla. Esta línea
puede ser en diagonal o en zigzag, con respecto a la dirección del esfuerzo.
Se verificará que:
nB B 0.85
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En perfiles L se considerará:
(i) (ii)
B = A+ C - e
g = a + c - e
7.4. Análisis de Resistencia en Conexiones Centradas
La resistencia de una conexión con conectores, dependerá fundamentalmente del
tipo de falla que se pueda presentar en la unión.
7.4.1. Falla con Tracción en las Placas
La tensión de trabajo en este caso queda dada por:
tn
f PA
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donde:
nA A D e (área neta de la placa)
Para evitar la falla se verifica que:
t tf F
con t tF F 0.6 (tensión admisible en tracción)
En el caso que existan varias perforaciones se usará:
n nA B e
7.4.2. Falla por Cizalle del Conector
La tensión de trabajo está dada por:
vv
f PA
donde vAd
2
4 (área de los conectores que resisten el corte)
d : diámetro nominal del conector
Se debe verificar que:
v vf F
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con
Fv : tensión admisible de cizalle (corte) dada por la tabla siguiente:
Conector Calidad de conector Fv (Kg./m2)
Unión a fricción Unión a aplast.
Remaches colocados
en caliente
A 34-19
A 49-28 (A502-2)
1.000
1.400
Pernos corrientes A 37-20
A 42-23
600
700
P.A.R., con hilo en el
plano del corte
P.A.R., con hilo fuera
del plano de corte
A 325 (A 85-63)
A 490 (A 106-92)
A 325 (A 74-57)
A 490 (A 106-92)
1.050
1.400
1.050
1.400
1.050
1.600
1.550
2.250
7.4.3. Falla por Aplastamiento de las Placas o del Conector
La tensión de trabajo, en este caso, se calcula considerando la carga uniformemente
distribuida en el área proyectada del conector, sobre la placa.
apf Pd e (en la placa)
con e : espesor de la placa
vv
f PA (en el conector)
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Para el diseño se debe verificar que:
ap ap
v v
f F
f F
con:
Fap : tensión admisible de aplastamiento
Fap : 1.35 Ff, y
Fv : como en el caso anterior
Nota: En uniones a fricción no se debe considerar el efecto de aplastamiento.
7.4.4. Falla por Tracción del Conector
La tensión de trabajo se calculará como:
tn
f PA
An : corresponde al área neta en pernos corrientes
Au : corresponde al área nominal o bruta en P.A.R.
Se verificará que:
t tf F
Ft : tensión admisible de tracción
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Conector Calidad Ft (seg/cm2)
Remaches en caliente
Pernos corrientes
Pernos de alta resistencia
A 34-19
A 502-2
A 37-20
A 42-23
A 325
A 490
1.400
1.900
1.200
1.400
2.800
3.800
7.4.5. Falla por Desgarramiento de la Placa
a : distancia al borde
Este tipo de falla se previene limitando las distancias a los bordes.
7.5. Análisis de Resistencia en Conexiones Excéntricas
7.5.1. Conexión a Cizalle
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El problema se puede analizar por
superposición de una conexión a
cizalle centrado, y otra a momento
puro.
La primera ya la hemos analizado,
por lo que nos evocaremos a la
segunda.
Si la placa gira un ángulo , un punto con conector, gira solidario a la placa,
desplazándose Ai = i y generando una fuerza de reacción proporcional al desplazamiento
y al radio de giro.
i i iR KA K
Esta reacción produce tensiones en x e y, en cada conector dadas por:
M R K ri i i 2
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kR Mi i
i i
2 2
Luego
i i
i
i
R k M
2, que se puede escribir
como:
jx j jx
j j
i i i
jy j jy
j j
i i i
R A fA Y
A X YM
R A fA X
A X YM
( )
( )
2 2
2 2
Para el caso de cizalle centrado, se puede escribir:
jc j jcRP
nA f
Que en este caso, incrementará la acción del momento puro, en el sentido y, luego
R R R R
A f A f A f A f
jx jy jc
j j jx j jy j jc
2 2
2 2 1 2
( )
( ) ( )/
o bien
f f f fjx jy jc 2 2( )
Para evitar la falla se exigirá que:
f Fv
Fv : tensión admisible de cizalle (corte)
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7.5.2. Conexión a Cizalle y Tracción
Se puede representar el problema como una superposición de una fuerza cortante y
un momento:
M P e
El efecto del cortante ya lo hemos analizado, por lo que analizaremos el efecto del
momento puro.
Existe una zona de conectores traccionados, sobre la línea neutra, y otra comprimida bajo la
línea neutra, que ejerce presión entre la placa de apoyo y la columna.
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be = (m*A)/P hc/ht = (be/b)
m: Nº columnas. Ie = (be*ht3)/3 + (b*hc
3)/3
A: área conector. (Momento de Inercia).
P: peso.
F = (M*ht)/Ie < Ft
7.6. Soldadura
La soldadura es un proceso mediante el cual se unen entre sí dos piezas de metal,
por la aplicación de calor, con o sin presión.
Esta definición es aplicable a una gran variedad de procesos, de los cuales
distinguiremos:
i) Soldadura de Resistencia
Este es un proceso de soldadura a presión, donde se genera calor por medio de
una resistencia eléctrica en una pequeña área de contacto de dos piezas
metálicas, las piezas se unen localmente aplicando
ii) Soldadura al Arco
Es el proceso más usado para uniones de aceros estructurales, consiste en
establecer un arco eléctrico formado por un electrodo y la parte que se va a
soldar. El calor del arco funde el metal del electrodo y la base, el campo
electromagnético conduce el metal fundido de la varilla de soldadura, hacia el
metal base.
Detalle del Arco
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7.6.1. Especificaciones
El material de los electrodos y sus características son especificados por la norma,
de acuerdo a los requisitos indicados por A.W.S. (American Wilding Society), y las
designaciones propuestas por el ICHA.
Designación del Electrodo para Arco Manual
E 40 XX
E 50 XX
según I.N.N.
Nch 304 of 68
Nch 305 of 68
Nch 306 of 69
* E 60 XX
E 70 XX
según Indura
según A.W.S.
A.W.S. A5.1
(*) Es el más usado en obras de construcción, estructuras de acero
galvanizado, reparaciones piezas de máquinas, etc. (CA, CC).
donde
electrodo E 40 X X características del electrodo y de la corriente a usar
resistencia posición para soldar a la tracción (kg/mm2)
i) Posiciones para Soldar
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x = 1 El electrodo se puede usar en toda posición para soldar (incluso sobre
cabeza).
x = 2 Posición plana u horizontal.
Plana Horizontal
Vertical sobre cabeza
(a)
Plana Vertical
Sobre Cabeza Horizontal
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(b)
Posiciones para soldar: (a) soldaduras de filete, (b) soldaduras a tope.
ii) Características del Electrodo
Se especifica con un número del 0 al 8, e indica el tipo de corriente a usar (CC
o CA), y las características químicas del electrodo (Anexo D ICHA).
7.6.2. Tipos de Soldadura
En general se habla de 3 tipos de soldadura:
i) Soldadura de Filete
En la forma triangular y se colocan a modo de cordones, en los bordes de las
placas.
ii) Soldadura de Tapón o Canal
Se obtienen superponiendo filetes en agujeros o canales, se utilizan
principalmente para transmitir tensiones de corte.
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iii) Soldadura de Ranura o Tope
Se obtienen conectando piezas en el mismo plano, debiendo prepararse la zona
a conectar.
7.6.3. Nomenclatura Básica para Soldadura
i) Soldadura de Filete
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ai : tamaño del filete de soldaduras en (mm)
l1 : largo del filete de soldadura en (cm).
pi : paso del filete (espaciamiento entre los centros de las soldaduras) en
(cm).
Otras especificaciones:
Soldadura en todo el contorno
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soldar en terreno
Soldar en todo el contorno por
ambos lados y en terreno, con un
filete de 10 mm.
ii) Soldadura de Tope: Se especifican:
- Penetración : 4 mm. lado mostrado
2 mm, lado opuesto al mostrado
- Separación de las placas : 3 mm
- Acabado : curvo lado mostrado, esmerilado o liso en el lado opuesto
- Forma del chaflán : recto //
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Ejemplo:
7.6.4. Resistencia de las Soldaduras de Tope
Las diferencias de calidad entre el metal base y las soldaduras, o las
irregularidades, suelen ocasionar concentraciones de esfuerzos que afectan la resistencia de
la unión.
En la práctica la resistencia se estima como la resistencia última del metal base y el
área efectiva de la soldadura.
i) Dimensiones Efectivas
La norma especifica dimensiones efectivas para espesor (ey) y longitud (ly),
dependiendo de la penetración de la soldadura.
e; para penetración completa
ey =
altura de la garganta; para penetración parcial
ly = B en todos los casos
Ejemplo:
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eef = ¾ e 1/8” < e ¼”
Soldadura de tope abierta, soldada por un solo lado.
ii) En Soldadura Tipo Bisel : Eje se reducirá en 3 mm.
eef = D – 3mm 2.1 e D: Altura de la garganta
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Juntas aceptadas sin calificación bajo el código AWS
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iii) Tensiones Admisibles
Las tensiones admisibles de tracción (Ft), compresión (Fc), y corte (Fv); serán
las tensiones admisibles que correspondan al metal base, aplicadas en el área
efectiva de la soldadura.
3.6.5. Resistencia de las Soldaduras de Filete
La distribución real de tensiones en las soldaduras de filetes son extremadamente
complejas, debido a las discontinuidades en la forma de la sección y a que introducen
excentricidades en la transmisión de las fuerzas.
El filete de soldadura transmite la fuerza P de a a b, mediante tensiones de corte.
Analicemos el filete de soldadura:
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La práctica indica que la falla del filete se produce en un ángulo, medido en los
catetos del filete.
El caso más desfavorable se produce cuando 45º
: ángulo de falla (45º)
s : cateto del filete de soldadura
g : garganta del filete
donde:
gs
s 2
0.7075
Si los catetos son diferentes entonces 1 2s s , y:
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gs s
s s
1 2
1 2
El tamaño de la soldadura debe considerar dos aspectos importantes (fijados por la
norma).
Un tamaño mínimo, que evite el enfriamiento rápido de la soldadura, lo cual
podría ocasionar problemas de fragilidad en ésta.
Un tamaño máximo determinado por razones prácticas.
Espesor de la placa más Dimensión Nominal
gruesa a unir [mín smín (mm) smáx (mm)
3 e 4 3 si e < 6
4 e 6 4
6 < e 12 5 smáx = e
12 < e 20 6
20 < e 38 8 si e 6
38 < e 56 10
56 < e 132 12 smáx = e - 2
132 < e 16
i) Tensiones admisibles
Independiente de la calidad del metal base y la especificación del electrodo, la
tensión admisible será la menor de las indicadas para el metal base o electrodo:
Fv = 950 kg/cm2 si e 4 mm
Fv = 1270 kg/cm2 si e > 4 mm
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