Conexiones I

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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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%)


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.


SpecificationforStructuralSteelBuildings

,AISC360,2005


Resistencia a traccin o corte, con o sin hilosincluidos (J3.6) en uniones de aplastamiento

Fn = Fnt en traccinFnv en corte

Rn = Fn Ab


Interaccin Corte Traccin - Ensayos

Rut Rnt

Ruv Rnv

Rut Rnt

Ruv Rnv



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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


Ruv/Rnv

Rut

/R

nt


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


= 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


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



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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


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


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


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


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


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)


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


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.



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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.


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




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.


Transversal Longitudinal


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


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.


Fwi = 0,60 FEXX (1 + 0,50 sin1,5 f(p)

f(p) = [p (1,9 0,9p)]0,3

p =i m


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



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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.


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


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


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