conexiones i
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7/23/2019 Conexiones I
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ICE 3542 DISEO EN ACERO AVANZADO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE CHILE
Hernn Santa Mara
Departamento de Ingeniera Estructural y Geotcnica
Primer Semestre 2008
Conexiones
Uniones soldadas.Uniones apernadas.
Uniones de Corte.Uniones de Momento.
Parcialmente rgidas o restringidas.
Totalmente rgidas (NCh 2369).
Uniones Apernadas
Unin de aplastamiento El esfuerzo se transmite por contacto entre las
piezas conectadas y los pernos.Unin de friccin o deslizamiento crtico (Slip Critical)
El corte se transmite mediante el roce entre laspiezas conectadas.
Los pernos deben tener una pretensin, cuyovalor es estndar.
Unin de Aplastamiento
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999
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Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999
Unin de friccin
Usar pernos de alta resistencia.Se pueden usar otros, pero deben cumplir
disposiciones de A-3.4 (Diseo por fatiga).
Se les debe dar una pretensin mnima de 70% desu resistencia a la traccin (Tabla J3.1), excepto si: Es una conexin de aplastamiento. Slo para A325, si fatiga o prdida de friccin no
son consideraciones de diseo.
Uniones Apernadas
Instalar pernos usando alguno de los siguientesmtodos: Vuelta de tuerca (preferido). Un indicador de fuerza de traccin. Perno con control de traccin.
Llave calibrada (no recomendado).Logran valores medios de tensin entre 13 y 35%
mayores que el mnimo especificado.
Instalacin de Pernos
Dimensin de la perforacin (Tabla J3.3): d + 1/16 (o d + 2 mm) (d = dimetro del perno). Otras dimensiones para perforaciones grandes,
o alargadas, en Tabla J3.3.Espaciamiento mnimo entre centros = 2 2/3 d
(recomendado 3 d).
Distancia mnima al borde en Tablas J3.4 y J3.5.Estas distancias son para facilitar la construccin y
no aseguran resistencia a desgarramiento.
Dimensiones mnimas
Espaciamiento y distancias mximas a los bordes:
No debe ser mayor que 12 veces el espesor dela parte conectada considerada.
No debe exceder 150 mm. Estas disposiciones son para minimizar la
presencia de humedad, que puede iniciarprocesos de corrosin.
Dimensiones mnimas
Acero Tensin deFluencia
Tensin deRotura
A37 20 2000 3700
A42 23 2300 4200
A307 - 4200
A325 5600 a 6400 8400
A490 9100 10500
Conectores comnmente usados:
Alta
Resistencia
Pernos
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Rn = Fu An
Resistencia a la traccin
Fu = tensin de rotura en traccin
An = rea neta en la seccin de hilos 0,75 Ab
Ab = rea nominal del perno
Rn = 0,75 Fu Ab
Resistencia de Pernos
Rn = AnResistencia al corte (conexin de aplastamiento)
u = tensin de rotura en corte 0,62 Fu
Rn = r (0,62 Fu) An
r = factor de reduccin por longitud de la conexin,por la distribucin no uniforme de deformacionesentre los pernos
= 0,80 si l< 127 cm (50)= 0,64 si l> 127 cm (50) (reduccin de 20%)
Resistencia de Pernos
Se producen 2 situaciones: que los hilos estnincluidos en el plano de corte o que no lo estn.Tomando r = 0,80 (caso ms comn):
Resistencia al corte (conexin de aplastamiento)
Rn = 0,80 (0,62 Fu) An = 0,50 Fu Ab
Rn = 0,80 (0,62 Fu) 0,75 Ab 0,40 Fu Ab
Si l > 127 cm aplicar un factor de 0,80 a lasresistencias nominales.
Resistencia de Pernos
SpecificationforStructuralSteelBuildings
,AISC360,2005
Resistencia de Pernos
Resistencia a traccin o corte, con o sin hilosincluidos (J3.6) en uniones de aplastamiento
Fn = Fnt en traccinFnv en corte
Rn = Fn Ab
Resistencia de Pernos
Interaccin Corte Traccin - Ensayos
Rut Rnt
Ruv Rnv
Rut Rnt
Ruv Rnv
Resistencia de Pernos
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Expresin de diseo para interaccin Corte Traccin (J3.7)
Fnt = 1,3 Fnt Fnt fv Fnt (J3-2)Fnv
fv < Fnv
Resistencia de Pernos
Ruv/Rnv
Rut
/R
nt
Resistencia de Pernos
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Elipse
AISC
Esta es una condicin de diseo en las situacionesen que el deslizamiento en la conexin puedeproducir disminuciones de resistencia o aumentos dedeflexiones en la estructura.
Por ejemplo:
columnas armadas con sus partes apernadas,elementos en que la deflexin puede produciraumentos de cargas (techos planos)aumento de efectos P-.
Conexiones de deslizamiento crtico (friccin)
Se puede verificar como estado lmite de servicioo estado lmite de resistencia, dependiendo deltipo de perforacin. Si es muy grande, debedisearse por resistencia.
Adems, siempre se debe verificar como una
conexin de aplastamiento.Rn = Du hsc Tb Ns
Conexiones de deslizamiento crtico (friccin)
= 1,0 en servicio, 0,85 en resistencia
= 0,35 a 0,50 depende de la rugosidad de contacto
Du = 1,13, pueden usarse valores mayores si es
aprobado
hsc = depende del tamao de la perforacin: 1,0 para
estndar, 0,85 para grande, 0,70 para alargado
Tb = traccin mnima del perno (Tabla J31)
Ns = Nmero de planos de deslizamiento
Conexiones de deslizamiento crtico (friccin)
Evidentemente, si la conexin esta sometida atraccin hay una disminucin de la resistencia alcorte.La reduccin es en la fuerza de apriete:Fapriete = Du Tb NbFapriete neta = Du Tb Nb Tu (Tu es la fuerza aplicada,Nb es el nmero de pernos en la conexin)
Multiplicar resistencia (J3-4) por el factor ks:ks = 1 Tu (J3-5)
Du Tb Nb
Conexiones de deslizamiento crtico (friccin)
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Connections TeachingToolkit, P. S. Green. T. Sputo,P. Veltri, AISC.
Aplastamiento
Modos de falla por aplastamiento
Aplastamiento y desgarro de las partes conectadasen las perforaciones
Modos de falla por aplastamiento
u = 0,62 Fu Fu = resistencia a traccin de la placa
Rn = 2 t (Le d/2) u = 1,24 Fu t d (Le/d 1/2)
Rn 1,2 Fu t Le
Si usamos el espaciamiento mnimo entreperforaciones, 2 2/3 d, da:
Rn = 2,7 Fu d t
Modos de falla por aplastamiento
Si la deformacin en la perforacin a nivel deservicio es una consideracin:Rn = 1,2 Lc t Fu 2,4 d t Fu
=
Si la deformacin en la perforacin a nivel deservicio no es una consideracin:Rn = 1,5 Lc t Fu 3,0 d t Fu
AISC 360 - J3.10
Modos de falla por aplastamiento
Lc = distancia libre del agujero al borde de la piezaconectora, en la direccin de la fuerza
Fu = resistencia ltima de la pieza conectadat , d = espesor de la pieza y dimetro del perno
En perforaciones alargadas normales a ladireccin de la fuerza:
Rn = 1,0 Lc t Fu 2,0 d t Fu
Modos de falla por aplastamiento
Elementos conectores y conectados debenverificarse a (J4):
TraccinCorteBloque de corteCompresin
Placas conectoras
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Traccin (J4.1):Igual que en captulo D AISC360En planchas conectoras Ae = An 0,85 Ag
Corte (J4.2):Estado lmite de fluencia
= 1,0 Rn = 0,60 Fy AgEstado lmite de Ruptura
= 0,75 Rn = 0,60 Fu Anv
Placas conectoras
Connections TeachingToolkit, P. S. Green. T. Sputo, P.Veltri, AISC.
Traccin
Placas conectoras
Corte
Connections TeachingToolkit, P. S. Green. T.Sputo, P. Veltri, AISC.
Placas conectoras
Falla de Bloque en Corte (J4.3):Se discuti para el caso de elementos en
traccin
Compresin (J4.4):
Si KL/r 25 = 0,9 Pn = Fy Ag
Si KL/r > 25 usar disposiciones del captulo E
Placas conectoras
Connections TeachingToolkit, P. S. Green. T. Sputo,P. Veltri, AISC.
Falla enBloque
Placas conectoras
SteelStructures Design andBehaviorLRFD, Salmon, Johnson,
Harper Collins, 1995
Uniones apernadas
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Conexiones sometidas a corte excntrico en suplano.
Mtodo clsico Pernos elsticos.
- Elementos de conexininfinitamente rgidos.
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin,Johnston, Prentice Hall, 1999
Uniones apernadas
Conexiones sometidas acorte excntrico en suplano (Derivar).
( )
+=
+=
+=
Diseo de estructuras de acero conLRFD, Galambos, Lin, Johnston,
PrenticeHall, 1999
Uniones apernadas
Mtodo de la resistencia ltima para conexionessometidas a corte excntrico en su plano Considera redistribucin de esfuerzos entre
pernos. Determinar el Centro Instantneo de Rotacin,
verificando las ecuaciones de equilibrio.
Verificar pernos ms solicitados.
( ) =
Uniones apernadas
Pernos A325Hilos excluidos
Calcular la carga P que resistela conexin. Usar mtodoclsico y ltimo. Verificar laresistencia de la placa. (MostrarEjemplo)
Uniones apernadas
PL 10 mm A42 27ES
Conexiones sometidas a corte excntrico fuera de suplano.
Se utiliza el Mtodo clsico El esfuerzo de corte se distribuye directo a los
pernos.
Considerar el bloque de compresin,determinando la ubicacin del eje neutro.
Verificar interaccin Traccin corte.
Uniones apernadas
Determinar I de la seccin resistentes (pernos+ reacomprimida de placas) y luego la fuerza en el pernoms solicitado:
Rmx = V eV (c1-e) A / I
Rmx = Traccinen perno
!!
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin, Johnston,PrenticeHall, 1999
Uniones apernadas
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Proceso para unir dos piezas metlicascalentndolas para que se fundanformando un nuevo material.
Originado a fines del siglo 19.
Uniones soldadas
Proceso por arco metlico protegido SMAW manualProceso por arco sumergido SAW taller
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999
Uniones soldadas
Detalles simples. Se requieren menos partes conectoras.
Simplifica la reparacin de estructuras existentes. Permite materializar juntas con elementos curvos. Permite realizar conexiones hermticas. Especial
para estanques, barcos, etc. No hay reducciones de la seccin de las partesconectadas.
Uniones soldadas
Tipos de soldadura:
Filete (J2.2)Para unir placas paralelas o en T.
Tope o penetracin (J2.1)Para unir placas de tope.
Tapn o ranura (J2.3)
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin,Johnston, Prentice Hall, 1999
Uniones soldadas
Soldadura de tope:
Penetracin completa transmite esfuerzomximo de placa ms dbil conectada
Penetracin parcial espesor mnimo de lagarganta de Tabla J2.3, segn espesor menorconectado
Uniones soldadas
rea efectivaAw = t lw
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin,Johnston, Prentice Hall, 1999
Soldadura de filete
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Espesor de la parte msdelgada (mm) TABLA J2.4
Dimensin nominal mnima delfilete (w) (mm)
hasta 67 a 1314 a 19
ms de 19
3568
Soldadura de filete
TABLA J2.4 (AISC360) La dimensin mnima de soldadura es necesaria
para asegurar que exista temperatura suficientepara que se produzca la fusin de los materiales(que no se enfre muy rpido).
Soldadura de filete
Quedara controlada por la placa ms gruesa aunir, que es la que disipa temperatura con mayorfacilidad (en especificaciones anteriores).
Se usa la placa conectada de menor espesorporque se considera que el electrodo usado es
bajo en hidrgeno
Soldadura de filete
Dimensin nominal mxima del filete
Longitud efectiva mnima lw = 4 w
t < 6 mm wmx = t
t > 6 mm wmx
= t 2 mm
Soldadura de filete
La dimensin mxima de soldadura es para evitar
fundir la esquina de la placa cuando el filete
alcanza el espesor de ella.
Si se funde la esquina se puede obtener un cordn
de soldadura con una garganta efectiva menor que
la que aparentemente se tiene.
Limitaciones de soldadura de filete
Si se usan cordones paralelos a la fuerza al finalde un elemento, la longitud efectiva es igual a lalongitud del cordn (L) si L < 100 w
Si L/w > 100 la longitud efectiva es lw = bL Si L/w > 300, b = 0,6.
Si L/w entre 100 y 300, b = 1,2-0,002(L/w) Estas limitaciones se deben a que en uniones muy
largas la tensin no se transmite uniformemente ala soldadura en toda su longitud.
Limitaciones de soldadura de filete
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Planchas traslapadas: deben traslaparse al menos5tmn, pero no menos que 25 mm.
Este requerimiento es para que no ocurrademasiada rotacin de las planchas al aplicrselesuna traccin.
Si las partes estn conectadas por soldaduratransversal, sta debe aplicarse en ambosextremos de la conexin.
Limitaciones de soldadura de filete
Electrodos (American Welding Society, AWS) E 70 1 8 A1
E = electrodo 70 = resistencia mnima a la traccin (ksi) 1 = cdigo de posicin
8 = caracterstica del recubrimiento A1 = composicin qumica del metal
Electrodo
Resistencia de la soldadura (J2.4):
Rn = Menor valor entre FBM ABM y Fw Aw
En estados lmite de ruptura en traccin, en corte, ode fluencia.
FBM y Fw = resistencia nominal del material base ydel electrodoABM y Aw = rea efectiva del material base y delelectrodo
Resistencia de la Soldadura
SpecificationforStructuralSteelBuildings,AISC360,2005
SpecificationforStructural
SteelBuildings,AISC360,
2005
SpecificationforStructuralSteel
Buildings,AISC360,2005
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SelectingFillerMetals: MatchingStrengthC riteria, R. ScottFunderburk,WeldingInnovationVol. XVI, No. 2, 1999
Topkaya, C. (2007). Blockshear failureof gussetplates withweldedconnections,Engeneering Structures, AISC, 29, 11-20.
Falla enBloqueSoldado
Soldadura de filete
Soldadura de filete, corte en rea efectiva (TablaJ2.5) :
= 0,75 Fw = 0,60 FEXX
Electrodo FEXX (ksi) FEXX (t/cm2) Fw (t/cm2)
E60 60 4,2 2,52E70 70 4,9 2,94E80 80 5,6 3,36E90 90 6,3 3,78E110 100 7,0 4,20
Resistencia de la Soldadura
Diseo de estructuras de acero con LRFD, Galambos, Lin,Johnston, Prentice Hall, 1999
Resistencia de la Soldadura
Conexiones sometidas a corte excntrico en suplano.
Mtodo clsico Soldadura elstica. Elementos de conexin
infinitamente rgidos.
"
"
#
Resistencia de la Soldadura Resistencia de la Soldadura
+=
+=
+=
+=
+=
+=
+= +=
-
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Mtodo de la resistencia ltima (J2.4) Considera redistribucin de esfuerzos en lasoldadura.
Considera las distintas resistencia y rigidez delas soldaduras segn el ngulo de incidencia dela fuerza solicitante.
Resistencia de la Soldadura
Transversal Longitudinal
Resistencia de la Soldadura
F
R0,60 FEXX
R0,60 FEXX
w
w
$
$
$$
Para el caso de un sistema lineal de soldaduras,cargadas en su plano, por su centro de gravedad(J2.4(a)).
Fw = 0,60 FEXX (1 + 0,50 sin1,5
Rn = Fw Aw
Resistencia de la Soldadura
Para el caso de un sistema cualquiera desoldaduras, cargadas en su plano, (J2.4(b)) Considera redistribucin de esfuerzos en la
soldadura.
Determinar el Centro Instantneo de Rotacin,
verificando las ecuaciones de equilibrio. Verificar punto ms solicitado de la soldadura.
Resistencia de la Soldadura
Fwi = 0,60 FEXX (1 + 0,50 sin1,5 f(p)
f(p) = [p (1,9 0,9p)]0,3
p =i m
Resistencia de la Soldadura
Curvas tensin-deformacin parametrizadasCentro instantneo de rotacin
0,209(+2)-0,32 w
% &%' &&(
' 1,087(+6)-0,65 w < 0,17w
SteelStructures Design andBehaviorLRFD, Salmon,Johnson, Harper Collins, 1995
Resistencia de la Soldadura
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Ejemplo 5.17.1 Salmon&Johnson
Ejemplo Excentricidad en el plano
)*+,'&,
-
-
-
-
W = 0,25Calcular Pu
Conexiones sometidas a corte excntrico fuera de suplano.
Se puede usar el Mtodo de anlisis elstico.
Anlisis por resistencia, como en el caso de corteexcntrico.
Resistencia de la Soldadura
Calcular el ancho de la soldadura.La consola tiene dos cordones verticales desoldaduraEXX70
Ejemplo Excentricidad fuera del plano
*
Soldadura
w
fvy = 7000/(25x2) = 140 kg/cmfmy = (7000x15)x12,5x(12/2(53x2 )) = 504 kg/cm
523504140 2222 =+=+= myvyw fff
Rw tw 0,60 FEXXRw = 0,75 x 0,707 w x 0,60 x 4,9
Clculo por unidad de espesor
Rw = 1,56 w > 0,523 ton/cm
kg/cm
w = 3,4 mm = 4 mm
Ejemplo Excentricidad fuera del plano
fvy = 7000/(25x2) = 140 kg/cmfmy = (7000x15)x12,5x(12/2(53x2 )) = 504 kg/cm
523504140 2222 =+=+= myvyw fff
Rw tw 0,60 FEXXRw = 0,75 x 0,707 w x 0,60 x 4,9
Clculo por unidad de espesor
Rw = 1,56 w > 0,523 ton/cm
kg/cm
w = 3,4 mm = 4 mm
Ejemplo Excentricidad fuera del plano