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Conexiones
Héctor Soto RodríguezCentro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil
Morelia, Mich. MéxicoAgosto de 2005
Revisión, elaboración del guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
Conexiones
1. Introducción
2. Conexiones típicas
3. Daños en conexiones
4. Conexiones atornilladas
5. Conexiones soldadas
6. Elementos de conexión
CONTENIDO
DEFINICIONES1. Introducción
• Conexión: conjunto de elementos que unen cada miembro a la junta: placas o ángulos por alas o alma, soldaduras, tornillos.
• Junta: zona de intersección de los miembros estructurales.
Tipos de conexiones estructurales para edificios
1. Introducción
1. Conexión viga-columna de esquina
2. Conexión viga-columna
3. Conexión de viga secundaria a viga principal
4. Empalme de columna y de cabezal
5. Placa base de columna
6. Conexión de larguero de techo y de fachada
TIPOS
1. Introducción
• Por tipo de conectores – Remaches (en desuso)– Soldadura– Tornillos de alta resistencia ASTM A325 y ASTM 490
• Por rigidez de la conexión– Flexible– Semi-rígida– Rígida
• Por elementos de conexión– Ángulos– Placas y ángulos
– Ángulos de asiento– Perfiles Te
CLASIFICACION
1. Introducción
• Por fuerza que transmiten– Fuerza cortante (conexión flexible)– Fuerza cortante y momento flexionante (conexión rígida o semi-rígida)– Fuerzas internas de tensión y compresión (armaduras y contraventeos)
• Por lugar de fabricación– Conexiones de taller (hechas en el taller de fabricación de estructuras
metálicas)– Conexiones de campo (fabricadas en el taller y armadas en el sitio de la
obra)
• Por mecanismo de resistencia de la conexión– Conexiones por fricción– Conexiones por aplastamiento
CLASIFICACION
CONEXIONESCOMPORTAMIENTO
Gráfica momento rotación para los tipos de Construcción adoptados por las
Especificaciones AISC
1. Introducción
CONEXIONES VIGA-COLUMNA
1. Introducción
Conexiones flexibles
1. Introducción CONEXIONES VIGA-COLUMNA
Conexiones rígidas
1. Introducción
• Especificación AISC 2005: – Capitulo J - Diseño de Conexiones
• Referencias Adicionales para Conexiones en Estructuras de Acero Sismo - Resistentes:– Norma AISC 2005 Para Diseño Sísmico de Edificios de Acero.– Conexiones Precalificadas Para Marcos de Acero a Momento
especiales e intermedios para aplicaciones sísmicas.
REFERENCIASPARA DISEÑO
Ángulos dobles: Atornillado - Atornillado
CONEXIONESVIGA-TRABE
2. Conexiones típicas
Ángulos dobles: Soldado - Atornillado
2. Conexiones típicas CONEXIONESVIGA-TRABE
Placa de cortante
2. Conexiones típicas CONEXIONESVIGA-TRABE
Placa simple (Placa de cortante)
2. Conexiones típicas CONEXIONESVIGA-TRABE
2. Conexiones típicas
Placa simple (Placa de cortante).Vigas de igual peralte
CONEXIONESVIGA-TRABE
2 Ángulos
Ángulos DoblesConexión al patín de la columna
2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA
2 Ángulos
Ángulos doblesConexión al alma de la columna
2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA
Placa simple
Placa simple (Placa de cortante)
2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA
Ángulo de asiento
2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA
Ángulo de asiento
2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA
Conexión atornillada con perfil T atiesado
2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA
2. Conexiones típicas
Placas horizontales en patines de la trabe
CONEXIONES DE MOMENTOVIGA-COLUMNA
2. Conexiones típicas
V M
Patines de la trabe soldados a la columna
CONEXIONES DE MOMENTOVIGA-COLUMNA
2. Conexiones típicas
Placa de extremo
CONEXIONES DE MOMENTOVIGA-COLUMNA
CONEXION DIAGONALESDE CONTRAVENTEO
2. Conexiones típicas
2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALESDE CONTRAVENTEO
Conexión de contraventeos en edificios altos
2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALESDE CONTRAVENTEO
2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALESDE CONTRAVENTEO
Empalme atornillado de tramos de columnas
EMPALMES2. Conexiones típicas
Empalme soldado de columna
2. Conexiones típicas EMPALMES
Placa base de columna
BASES DECOLUMNAS
2. Conexiones típicas
DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO
COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS
CONEXIONESVIGA-COLUMNA
3. Daños en conexiones
DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO
COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS
3. Daños en conexiones CONEXIONESVIGA-COLUMNA
DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO
COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS
3. Daños en conexiones CONEXIONESVIGA-COLUMNA
Fractura en el patín de la viga y el patín de la columna en la zona próxima a la soldadura
3. Daños en conexiones CONEXIONESVIGA-COLUMNA
Fractura en la soldadura y fractura vertical en el patín de la columna.
3. Daños en conexiones CONEXIONESVIGA-COLUMNA
DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO
DAÑOS ENCONTRAVENTEOS
3. Daños en conexiones
DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO
3. Daños en conexiones DAÑOS ENCONTRAVENTEOS
DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO
DAÑOS EN PLACAS BASE
3. Daños en conexiones
CARACTERISTICAS4. Conexiones atornilladas
• VENTAJAS– Rapidez en el atornillado y menor tiempo de ejecución de una obra– No se requiere mano de obra especializada– Inspección visual sencilla y económica
– Facilidad para sustituir piezas dañadas– Mayor calidad en la obra
• DESVENTAJAS– Mayor trabajo en taller – Cuidado en la elaboración de los planos de taller y de montaje– Mayor precisión en geometría (las tolerancias son al milímetro)
– Mayor peso de la estructura– Menor amortiguamiento
COMPORTAMIENTO4. Conexiones atornilladas
Comportamiento general de una junta atornillada
I
II
III
IV
4. Conexiones atornilladas CLASIFICACION
Aplastamiento (bearing-type joints) Fricción (slip-critical joints)
MODOS DE FALLA4. Conexiones atornilladas
Las formas típicas de falla son:
• Cortante• Aplastamiento• Desgarramiento
• Sección insuficiente
• Falla del tornillo por cortante
• Falla de la placa por cortante
4. Conexiones atornilladas MODOS DE FALLA
4. Conexiones atornilladas
• Falla por aplastamiento:
• Falla por sección insuficiente (sección crítica)
MODOS DE FALLA
Aplastamiento en el tornillo Aplastamiento en la placa
Deformación por flexión Ruptura por tensión
4. Conexiones atornilladas
• Falla del tornillo por flexión o tracción
MODOS DE FALLA
TIPOS DE TORNILLOS4. Conexiones atornilladas
Tornillos de alta resistencia, tuercas y arandelas
4. Conexiones atornilladas TIPOS DE TORNILLOS
Tornillos en cortante
ACCIONES EN TORNILLOSDE ALTA RESISTENCIA
4. Conexiones atornilladas
Tornillos sujetos atensión y cortantey cortante
Tornillos en tensión
Tipos de fuerza que actúan en los tornillos de alta resistencia y en las placas de una conexión atornillada
4. Conexiones atornilladasACCIONES EN CONEXIONESATORNILLADAS
Tornillos de alta resistencia a cortante
4. Conexiones atornilladasACCIONES EN CONEXIONESATORNILLADAS
4. Conexiones atornilladas
Respuesta de tornillos de alta resistencia
a tracción directa
COMPORTAMIENTODE TORNILLOS
Respuesta de tornillos de alta resistencia
a fuerzas cortantes
4. Conexiones atornilladas COMPORTAMIENTODE TORNILLOS
4. Conexiones atornilladas
• Apretado (“snug-tight”): instalado usando pocos impactos de una llave de impacto o manualmente.
• Pretensado: instalado por métodos mas controlados– Vuelta de tuerca– Llave calibrada– Tornillos especiales– Indicadores de tensión
Pretensión nominal = 70% de la capacidad del tornillo
METODOS DEINSTALACION
4. Conexiones atornilladas
• Pretensión mínima
METODOS DEINSTALACION
Elongación del tornillo, mm
Tensión del tornillo versus elongación
4. Conexiones atornilladas
Tensión del tornillo versusrotación de la rosca
METODOS DEINSTALACION
Comportamiento de conexión pretensada
4. Conexiones atornilladas METODOS DEINSTALACION
4. Conexiones atornilladas
Ru ≤ φ Rn (LRFD) Ra ≤ Rn / Ω (ASD)
• Resistencia a la tracción
φ = 0.75 Ω = 2.0
Ab = área bruta del perno
Fnt = 0,75 Fu (ver Tabla J3.2)
Tornillos A325: Fu = 8440 kg/cm² (120 ksi)
Fnt = 6330 kg/cm² (90 ksi)
Tornillos A490: Fu = 10550 kg/cm ² (150 ksi)
Fnt = 7913 kg/cm² (113 ksi)
bntn AFR ⋅=
RESISTENCIA DEDISEÑO EN TENSIÓN
Roscas fuera de los planos de corte
4. Conexiones atornilladas
Roscas dentro de los planos de corte
RESISTENCIA DEDISEÑO EN CORTANTE
4. Conexiones atornilladas
Ru ≤ φ Rn (LRFD) Ra ≤ Rn / Ω (ASD)
• Aplastamiento
φ = 0.75 Ω = 2.0
Ab = área bruta del perno
Fnv = 0,50 Fu (hilos excluidos)
0,40 Fu (hilos incluidos)
• A325-N Fnv = 3375 kg/cm² (48 ksi)
• A325-X Fnv = 5065 kg/cm² (72 ksi)
• A490-N Fnv = 4220 kg/cm² (60 ksi)
• A490-X Fnv = 5275 kg/cm² (75 ksi)
bnvn AFR ⋅=
RESISTENCIA DEDISEÑO EN CORTANTE
4. Conexiones atornilladas
Ru ≤ φ Rn (LRFD) Ra ≤ Rn / Ω (ASD)
• Fricción
φ = 1.00 Ω = 1.50 (nivel de servicio)
φ = 0.85 Ω = 1.86 (nivel último)
µ = 0,35 superficie Clase A
= 0,50 superficie Clase B
Du = sobre-pretensión promedio = 1,13
hsc = factor por perforación = 1,0 s; 0,85 ss y o; 0,70 ls
Tb = pretensión mínima
Ns = número de planos de deslizamiento
RESISTENCIA DEDISEÑO EN CORTANTE
sbscun NThDR ⋅= µ
AGUJEROS PARA TORNILLOS
Tipos de agujeros en conexiones atornilladas
4. Conexiones atornilladas
4. Conexiones atornilladas
• Aplastamiento
≤Ω−
≤−=
ASDFfF
FF
LRFDFfF
FF
F
ntvnv
ntnt
ntvnv
ntnt
nt
3,1
3,1' φ
INTERACCIONCORTANTE-TRACCION
4. Conexiones atornilladas
• Fricción
Ta = tracción de servicio
Tu = tracción ultima
Nb = número de pernos traccionados
−
−=
⋅=
ASDNTD
T
LRFDNTD
T
k
RkR
bbu
a
bbu
u
s
nsn
5,11
1
'
INTERACCIONCORTANTE-TRACCION
Modos de falla
APLASTAMIENTOEN AGUJEROS
4. Conexiones atornilladas
• Elongación excesiva del agujero por deformación de la placa
• Desgarramiento de la placa
Lc
Lc
despesor t
espesor t
4. Conexiones atornilladas
• Aplastamiento o desgarramiento de la perforación
φ = 0,75 Ω = 2,0– Perforaciones estándar, sobredimensionadas, ranuras cortas
cualquiera y ranuras largas paralelas a la dirección de carga• No deformación de perforación a nivel de servicio
• Deformación de perforación no es consideración
– Ranuras largas perpendiculares a la dirección de carga
APLASTAMIENTOEN AGUJEROS
uucn dtFtFLR 4,22,1 ≤=
uucn dtFtFLR 0,35,1 ≤=
uucn dtFtFLR 0,20,1 ≤=
CARACTERISTICAS5. Conexiones soldadas
• VENTAJAS– Rigidez. Se obtienen estructuras más rígidas– Sencillez. Se elimina material (placas, ángulos, conectores)– Economía. Menor trabajo en taller– Mayor amortiguamiento
• DESVENTAJAS– Se inducen altas temperaturas al acero durante la aplicación de la
soldadura– Requiere mayor supervisión en obra– Necesita mano de obra calificada– Las condiciones climáticas y sitio de la obra afectan la calidad final– Inspección cara. Se requiere la asistencia de un laboratorio
especializado
5. Conexiones soldadas
• SMAW (Shielded Metal Arc Welding)
METODOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• GMAW (Gas Metal Arc Welding)
METODOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• FCAW (Flux Core Arc Welding)
METODOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• SAW (Submerged Arc Welding)
METODOS DESOLDADURA
Conexión típica trabe-columnaempleada comúnmente en Latinoamérica
5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICASVIGA-COLUMNA
Conexión típica viga-columna pre-Northridge
5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICASVIGA-COLUMNA
Conexión típica viga-columna en Japón
5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICASVIGA-COLUMNA
5. Conexiones soldadas TIPOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas TIPOS DE JUNTASOLDADA
Socavación
DEFECTOS ENSOLDADURAS
Falta de fusión
5. Conexiones soldadas
Falta de penetración
Ilusión de escoria Porosidad
5. Conexiones soldadas DEFECTOS ENSOLDADURAS
Usos típicos de soldaduras de filete
5. Conexiones soldadas USOS DE SOLDADURASDE FILETE
5. Conexiones soldadas USOS DE SOLDADURASDE FILETE
5. Conexiones soldadas
Empalmes
USOS DE SOLDADURASDE FILETE
Conexiones de momento
5. Conexiones soldadas
Angulos de apoyo
USOS DE SOLDADURASDE FILETE
Conexiones simples
SIMBOLOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas
Soldaduras de filete junta traslapada
Símbolo de soldadura Soldadura deseada
Soldaduras de filete miembro armado
Símbolo de soldadura
5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA
Soldadura deseada
5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA
Símbolo de soldadura Soldadura deseada
Soldaduras de filete intermitentes
5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA
Soldaduras de penetración parcial
Símbolo de soldadura Soldadura deseada
Conexión columna placa base
5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA
Soldaduras de penetración completa
Símbolo de soldadura Soldadura deseada
5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA
Soldaduras de tapón
Símbolo de soldadura Soldadura deseada
5. Conexiones soldadas POSICIONES DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• Soldadura de penetración (tamaño mínimo ver Tabla J2.3, sección J2.1b)
T1 T2
te = T1
T T
te = T
D T
te = D – 1/8”
te
45° ≤ α < 60°
GMAW, FCAW, posiciones v y s
D T
te = D
te
60° ≤ α
AREA EFECTIVADE SOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• Soldadura de filete– Tamaño mínimo ver Tabla J2.4– Tamaño máximo
t≤1/4”: t
t>1/4”: t-1/16”
lw ≥ 4w
• Soldadura de tapón: área transversal de la perforación
w
w
0,707a = te
AREA EFECTIVADE SOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• Factores φ y Ω dependen de la solicitación y el tipo de soldadura (ver Tabla J2.5)
• Resistencia nominal
– Metal base
– Soldadura
te = garganta efectiva de soldadura
lw = longitud de soldadura
wewwwn ltFAFR ⋅⋅=⋅=
BMBMn AFR ⋅=
RESISTENCIADE DISEÑO
5. Conexiones soldadas
• Soldaduras de penetración– Tracción o compresión normal al eje de la soldadura en
elementos diseñados para contacto• Metal base
φ = 0.9 Ω = 1.67
• Soldadura
φ = 0.8 Ω = 1.88
weyn ltFR ⋅⋅=
weEXXn ltFR ⋅⋅= 60,0
RESISTENCIADE DISEÑO
5. Conexiones soldadas
• Soldaduras de penetración– Corte
• Metal base: ver sección J4
• Soldadura
φ = 0.75 Ω = 2.00
weEXXn ltFR ⋅⋅= 60,0
RESISTENCIADE DISEÑO
5. Conexiones soldadas
• Soldaduras de filete– Corte
• Metal base: ver sección J4• Soldadura
φ = 0.75 Ω = 2.00
• Soldadura de tapón– Corte
• Metal base: ver sección J4• Soldadura
φ = 0.75 Ω = 2.00
weEXXn ltFR ⋅⋅= 60,0
RESISTENCIADE DISEÑO
taponEXXn AFR ⋅= 60,0
5. Conexiones soldadas
• Grupos colineales o paralelos de filetes cargados a través del centro de gravedad
( )( )5,1sin5,0160,0 θ+= EXXw FF
θ
GRUPOS DESOLDADURA
5. Conexiones soldadas
• Grupos de soldaduras de filete (método plástico)
( )( ) ( )( ) ( )[ ]
( )( ) ww
w
rr
p
pppf
pfFF
u
m
crituii
mi
EXXw
17,06087,1
2209,0
9,09,1
sin5,0160,0
65,0
32,0
3,0
5,1
≤+=∆
+=∆
∆=∆∆∆=
−=
+=
−
−
θ
θ
θ
j
i
rj
ri
j
i
GRUPOS DESOLDADURA
∑∑ == wiwiynywiwixnx AFRAFR
5. Conexiones soldadas
• Grupos de filetes longitudinales y transversales cargados a través del centro de gravedad
( )wtwlwtwln RRRRR 5,185,0,max ++=
GRUPOS DESOLDADURA
6. Elementos de conexión
• Elementos en tensión
• Elementos en cortante• Ruptura en bloque por cortante y tensión• Elementos bajo cargas concentradas
CONSIDERACIONES DE
DISEÑO COMPLEMENTARIAS
P
Placa de unión en tensión
Revisar la fluencia de la placa de unión
Rn = Ag Fy
φ = 0.9 Ω = 1.67Pu ≤ φ Rn (LRFD)
Pa ≤ Rn / Ω (ASD)
6. Elementos de conexión ELEMENTOS
EN TENSION
P
Placa de unión en tensión
Revisar la fractura de la placa de unión
Rn = Ae Fu
φ = 0.75 Ω = 2.00Pu ≤ φ Rn (LRFD)
Pa ≤ Rn / Ω (ASD)
6. Elementos de conexión ELEMENTOS
EN TENSION
Sección Whitmore
a) Junta atornillada b) Junta soldada
6. Elementos de conexión ELEMENTOS
EN TENSION
Vu
Revisar la fluencia por cortante en la placa de conexión
Rn = Ag (0.6 Fy)φ = 1.0 Ω = 1.50 Vu ≤ φ Rn (LRFD)
Va ≤ Rn / Ω (ASD)
6. Elementos de conexión ELEMENTOS
EN CORTANTE
Vu
Revisar la fractura por cortante de la placa de conexiónRn = Ae (0.6 Fu)φ = 0.75 Ω = 2.00 Vu ≤ φ Rn (LRFD)
Va ≤ Rn / Ω (ASD)
6. Elementos de conexión ELEMENTOS
EN CORTANTE
P
Ant = área neta de la superficie de falla por tensión
Agt = área total de la superficie de falla por cortante
Ant = área neta de la superficie de falla por cortante
Superficie de falla por tensión
Superficie de fallapor cortante
6. Elementos de conexión BLOQUE DE
CORTANTE
( )gvynvuntubsn AFAFAFUR ⋅⋅+⋅= 6,0,6,0min
φ = 0,75 Ω = 2,00
• Ubs = 1 para esfuerzos uniformes en la superficie en tensión
• Ubs ≠ 1 para esfuerzos no uniformes en superficies en tensión
Extremos deángulos
Conexión extrema de vigacon varias hileras de tornillos
Ubs = 0.50
6. Elementos de conexión BLOQUE DE
CORTANTE
Conexión extrema de vigacon una hilera de tornillos
Ángulo soldado Placas de unión
6. Elementos de conexión
• Flexión local del ala
φ = 0.90 Ω = 1.67
– no chequear si ancho de carga ≤ 0,15 bf
– reducir capacidad en 50% si fuerza es aplicada a menos de 10 t f del borde del elemento
yffn FtR 225,6=
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS
P
6. Elementos de conexión
• Fluencia local del alma
φ = 1.00 Ω = 1.50– fuerza aplicada a más de d del borde del elemento
– fuerza aplicada a menos de d del borde del elemento
( ) wywn tFNkR += 5
( ) wywn tFNkR += 5,2
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS
N
k
5k+N
6. Elementos de conexión
• Arrugamiento del alma
φ = 0.75 Ω = 2.00– fuerza es aplicada a más de 0,5d del borde del elemento
w
fyw
f
wwn t
tEF
t
t
d
NtR
+=
5,1
2 3180,0
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS
6. Elementos de conexión
• Arrugamiento del alma– fuerza aplicada a menos de 0.5d del borde del elemento
w
fyw
f
wwn
w
fyw
f
wwn
t
tEF
t
t
d
NtRd
N
t
tEF
t
t
d
NtRd
N
−+=>
+=≤
5,1
2
5,1
2
2,04
140,02,0
3140,02,0
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS
6. Elementos de conexión
• Pandeo lateral del alma
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS
6. Elementos de conexión
• Pandeo lateral del alma
φ = 0.85 Ω = 1.76– Ala comprimida está restringida a la rotación
– Ala comprimida no está restringida a la rotación
( ) ( )
=≤
3
2
3
4,07,1f
wfwrnfw bl
th
h
ttCRblth
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS
( ) ( )
+=≤
3
2
3
4,013,2f
wfwrnfw bl
th
h
ttCRblth
6. Elementos de conexión
• Pandeo del alma en compresión
φ = 0.90 Ω = 1.67
reducir 50% si está a menos de d/2 del extremo del elemento
h
EFtR
yww
n
324=
ELEMENTOS BAJO
CARGAS CONCENTRADAS