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• Elizabeth Daniela

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CONEXIONES  Cuando se diseña una estructura de acero es tan

importante optimizar los perfiles a emplear como unirlos adecuadamente para que el conjunto trabaje armoniosamente. No hay estructura segura si las conexiones no se diseñan y construyen adecuadamente. La experiencia vista en el colapso de estructuras de acero en donde se han producido sismos fuertes nos lleva a concluir que los daños fueron causados por fallas significativas en las conexiones.  Hoy en día contamos con varios programas de diseño que le permiten al ingeniero modelar la estructura para las diferentes solicitaciones de carga buscando soluciones ajustadas a la economía y factibilidad.

CONEXIONES  El modelo matemático se establece con base en la

geometría de la estructura, del tipo de miembros y del comportamiento de los nudos para que en caso de un comportamiento real, ésta coincida con el planteado.  En las estructuras de acero se tienen varios tipos de conexiones en consideración a la geometría y a la magnitud y forma de aplicación de las cargas.  Cada conexión debe cumplir una serie de requisitos para asegurar su ductilidad, rotación, y capacidad para resistir las diferentes cargas : momentos flectores, cortantes, torsión y cargas axiales.

CONEXIONES  TIPOS DE CONECTORES

PERNOS 2. SOLDADURA 3. COMBINACIÓN DE PERNOS CON SOLDADURA De acuerdo a como se realiza la conexión: 1.

a) Conexiones traslapadas: los elementos a conectar se traslapan una sobre la otra

CONEXIONES CON PERNOS CONEXIONES CON PERNOS Tipos de pernos a) Pernos de acero A-36 b) Pernos de alta resistencia : Pernos ASTM A325 y Pernos ASTM A490 El Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente, NSR-10, establece que las juntas estructurales con pernos se deben construir con pernos de alta resistencia. Un perno que hace parte de una conexión estará sometido a fuerza axial o a fuerza cortante, o a una combinación de las dos, actuando en el plano de su sección recta.

CONEXINES CON PERNOS  TIPOS DE PERNOS

 PERNOS A325

 PERNOS A490

CONEXIONES CON PERNOS PERNO A490 CON ARANDELAS

PERNOS CON CBEZA REMACHADA

CONEXIONES CON PERNOS PERNOS CON ROSCA DISEÑADA, O PERNOS ESTANDAR

PERNOS TODO ROSCA

CONEXIÓN CON PERNOS PERNOS DE ACERO INOXIDABLE

CONEXIONES CON PERNOS PARTES DE UN PERNO. NOMENCLATURA

CONEXIONES CON PERNOS PARTES DE UN PERNO. NOMENCLATURA

CONEXIONES CON PERNOS PARTES DE UN PERNO. DIMENSIONES

CONEXIÓN CON PERNOS LONGITUD TOTAL DE UN PERNO DE db: = 1” MIEMBROS A CONECTAR t=2”

CONEXIONES CON PERNOS  COMO CONECTAR LOS PERNOS: 1. Apriete apenas ajustados: Conexión Tipo Aplastamiento. Se define como el requerido para que las partes conectadas queden en contacto firme. Proceso manual. 2. Pernos Totalmente Tensionados o de deslizamiento critico: Deberán apretarse hasta obtener una tensión no menor que la indicada en las tablas F.2.10.3.1 y F.2.10.3.1M. La instalación de estos pernos se deberá hacer por medio de uno de los siguientes métodos: a) Indicadores directos de Tensión. b) Método del giro de tuerca c) Llave calibrada. d) SISTEMA HYTORC.

CONEXIONES CON PERNOS  De acuerdo con la fuerza ejercida para apretar los

pernos, éstos se consideran:

i.

Pernos apenas ajustados: se logra cuando los

elementos a conectar están en contacto firme entre sí , con el esfuerzo realizado por un operario con una llave manual, o el apretado que logra después de unos golpes con una llave de impacto. ii. Pernos totalmente tensionados: a los pernos se les aplica una fuerza de tensionamiento de acuerdo con su diámetro y resistencia, que garantice que los elementos que se conectan resulten completamente ajustados sin ningún tipo de holgura, condición que les permite desarrollar una resistencia por fricción. La tabla F.2.10.3-1 de NSR-10 indica la fuerza mínima de tensionamiento para los pernos.

CONEXIONES CON PERNOS  Se permite instalar pernos apenas ajustados en: a) Conexiones tipo aplastamiento, excepto en las placas

extremas de secciones armadas y lo dispuesto en F.2.10.1.10. b) Conexiones bajo cargas de tensión, o de cortante y tensión combinadas, para pernos del grupo A únicamente, cuando no se esperen condiciones de aflojamiento o fatiga debido a vibraciones o a fluctuaciones de carga. Los pernos que se instalen totalmente tensionados deberán quedar claramente identificados tanto en los planos de diseño y montaje como en la construcción.

CONEXIONES CON PERNOS PERNOS DE ALTA RESISTENCIA  PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS  INDICADOR DIRECTO DE TENSION. Se utiliza una roldana endurecida con protuberancias en una de sus caras con forma de pequeños arcos. Los arcos se aplanan cuando se aprieta el tornillo.

CONEXIONES CON PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS INDICADORES DIRECTOS DE TENSION

CONEXIONES CON PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS INDICADORES DIRECTOS DE TENSION

INDICADORES DIRECTOS DE TENSION

CONEXIONES TOTALMENTE TENSIONADAS  METODOS DE APRIETE DE LAS TUERCAS



METODO DE GIRO DE TUERCA  Este método fue desarrollado en 1950.  Condición de ajustado: Los elementos a conectar deben estar en contacto firme antes de aplicar la tensión inicial.

CONEXIONES CON PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS La Condición de ajustado se puede lograr con el “máximo esfuerzo de una persona empleando para el apriete una llave inglesa convencional”

CONEXIONES TOTALMENTE TENSIONADAS  En el paso siguiente, los pernos deben ser

emparejados y marcados, para luego aplicar la rotación necesaria.  El consejo de Investigación de Uniones Estructurales (ECSC) proporciona una tabla de requerimientos de giros que se deben aplicar según el tamaño del perno y el grado del acero del mismo, y varían entre 1/3, 2/3, 5/16 de un giro completo de la tuerca. Existen calibradores de promedios de tensión que pueden verificar el procedimiento.  La corrosión y la falta de lubricación hacen que las tuercas se bloqueen impidiendo la rotación.

CONEXIONES CON PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS  LLAVE CALIBRADA O LLAVE CORTA ESPIGA

CONEXIONES CON PERNOS TOALMENTE TENSIONADOS  PERNO TIPO

CONEXIONES CON PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS  Procedimiento para tensionar

Pernos de tensión controlada  Llave neumática de impacto

Perno de tensión controlada espiga

CONEXIONES CON PERNOS  SISTEMA HYTORC  SISTEMA ICE

JGUN SINGLE SPEED

STEALTH

JGUN DUAL SPEED

AVANTI

DIGITAL J-GUN

LITHIUM

CONEXIONES CON PERNOS SE DEBEN UTILIZAR JUNTAS CON PERNOS TOTALMENTE TENSIONADOS, O JUNTAS SOLDADAS EN LAS SIGUIENTES CONEXIONES: a) Empalmes de columnas en todas las estructuras de

varios pisos de más de 38m de altura. b) Todas las conexiones de vigas y viguetas a columnas, y todas las conexiones entre vigas y viguetas de las cuales depende el arriostramiento de las columnas en estructuras de más de 38m de altura. c) En todas las estructuras que soporten puentes grúa de más de 50 KN de capacidad. Empalmes en armaduras de cubierta y conexiones de armaduras a columnas. d) Conexiones para soportar maquinaria en movimiento u otras cargas vivas que produzcan impacto.

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS  b) Conexiones al tope : cuando se emplea soldadura,

las dos placas se juntan al tope y se aplica la soldadura transversalmente; si se emplean pernos, los elementos a conectar se juntan al tope y se unen mediante dos cubre-placas atornilladas a las placas principales

CONEXIONES CON PERNOS CONEXIÓN CON PERNOS  Pernos sometidos a Cortante  Pernos sometidos a Tensión

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS Carga combinada: cortante y tracción

CONEXIONES CON PERNOS Conexiones sometidas a carga excéntrica

CONEXIONES CON PERNOS Dos o más miembros conectados en un nudo

CONEXIONES CON PERNOS EMPALME VIGA IPN EN ALMA Y ALETAS

CONEXIÓN CON PERNOS NUDO DE CERCHA

CONEXIÓN CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS Pernos totalmente tensionados

CONEXIONES CON PERNOS  TABLA F.2.10.3-1

 Mínima tensión de instalación de los pernos, KN  Pernos con diámetros en pulgadas Diámetro del perno, mm (pulg)

Grupo A Pernos ASTM A325 ASTM F1852

Grupo B ASTM A490 ASTM F2280

12.7 (1/2”)

53

67

15.9 (5/8”)

84

107

19.1 (3/4”)

125

156

22.2 (7/8”

173

218

25.4 ( 1” )

227

285

28.6 (1 1/8”)

249

356

31.8 (1 ¼”)

316

454

34.9 (1 3/8”)

378

538

38.1 (1 ½” )

458

658

CONEXIONES CON PERNOS  TABLA F.2.10.3-1M  Mínima tensión de instalación de los pernos, KN  Pernos con diámetros en milímetros Diámetro del perno (mm)

Grupo A ASTM A325

Grupo B ASTM A490

M16

91

114

M20

142

179

M22

176

221

M24

205

257

M27

267

334

M30

326

408

M36

475

595

CONEXIONES CON PERNOS  Tamaño y condiciones de uso de las perforaciones  En las conexiones entre miembros se deben usar

perforaciones estándar o de ranura corta perpendicular a la dirección de la carga , excepto que se aprueben perforaciones agrandadas, de ranura corta paralela a la dirección de la carga o de ranura larga.  Las perforaciones agrandadas se pueden utilizar en algunas o en todas las capas en una conexión de deslizamiento crítico, pero en ningún caso en conexiones tipo aplastamiento. Se deberán instalar arandelas endurecidas sobre las perforaciones agrandadas en las caras exteriores de los empalmes.  Las perforaciones de ranura corta se podrán utilizar en conexiones tipo aplastamiento o de deslizamiento crítico.

CONEXIONES CON PERNOS  En conexiones de deslizamiento crítico se permite el

uso de perforaciones de ranura corta independientemente de la dirección de la carga, pero en conexiones tipo aplastamiento, la dimensión mayor de la ranura debe ser perpendicular a la dirección de la carga. Se deberán instalar arandelas endurecidas en las caras exteriores.  Las perforaciones de ranura larga se pueden emplear solo en una de las partes conectadas en cada superficie de contacto en conexiones tipo aplastamiento o de deslizamiento crítico. En conexiones de deslizamiento crítico la orientación de la ranura será independiente de la dirección de la carga, pero en conexiones tipo aplastamiento la ranura será perpendicular a la dirección de la carga.

CONEXIONES CON PERNOS PERFORACIONES PARA PERNOS

CONEXIONES CON PERNOS  Tabla F.2.10.3-3  Dimensiones nominales de las perforaciones  Pernos con diámetros en pulgadas Diámetro Perforación del perno, Estándar mm(pulg) mm

Perforación Agrandada mm

Ranura corta (ancho x largo) mm

Ranura larga Ancho x largo mm

12.7( 1/2”)

14

16

14x18

14x32

15.9 (5/8”)

18

21

18x22

18x40

19.1 (3/4”)

21

24

21x25

21x48

22.2 (7/8”)

24

27

24x28

24x56

25.4 ( 1” )

27

32

27x33

27x64

d+3.2

d+7.9

(d+32)x(d+9.5)

(d+3.2)x(2.5xd)

≥28.6 ≥ ( 1 1/8”)

CONEXIONES CON PERNOS  Tabla F.2.10.3-3M  Dimensiones nominales de las perforaciones  Pernos con diámetros en milímetros Diámetro del perno

Perforación estándar

Perforación agrandada

Ranura corta Ranura larga Ancho x largo Ancho x largo

16

18

20

18 x 22

18 x 40

20

22

24

22 x 26

22 x 50

22

24

28

24 x 30

24 x 55

24

27

30

27 x 32

27 x 60

27

30

35

30 x 37

30 x 67

30

33

38

33 x 40

33 x 76

≥36

d+3

d+8

(d+3 )x (d+10)

(d+3) x 2.5d

CONEXIONES CON PERNOS  Espaciamiento mínimo. La distancia entre centros de

perforaciones estándar, agrandadas o de ranura no podrá ser menor que 2 2/3 veces el diámetro nominal del perno, d, se recomienda usar 3d.  Distancia mínima al borde. La distancia del centro de una perforación estándar a cualquier borde de la parte conectada, en cualquier dirección, no será inferior al dado por la tabla F.2.10.3-4 o F.2.10.3-4M. La distancia del centro de una perforación agrandada o de ranura a un borde de la parte conectada no será inferior a la requerida para la perforación estándar más el incremento aplicable, C2 , de la tabla F.2.10.35 ,o, F.2.10.3-5M.  Máximos valores de espaciamiento y distancia al borde.  La distancia máxima del centro de cualquier perno al borde más próximo de las partes en contacto será igual a 12 veces el espesor de la parte conectada, sin exceder 150mm.

CONEXIONES CON PERNOS  El espaciamiento longitudinal de conectores entre dos

elementos en contacto continuo, en el caso de una platina y un perfil o de dos platinas será: a) Para miembros pintados o sin pintar que no estén sometidos a corrosión, smáx = 24 veces el espesor de la parte conectada, sin exceder de 300mm. b) Miembros sin pintar de acero resistente a corrosión atmosférica expuestos a corrosión, smáx ≤ 14 veces el espesor de la platina más delgada y smáx ≤ 180mm.

CONEXIONES CON PERNOS  TABLA F.2.10.3-4  Distancia mínima de una perforación estándar al borde de

la parte conectada (pernos con diámetro en pulgadas). Diámetro del perno mm, (pulg)

Distancia mínima al borde mm

12.7 (1/2”)

19.1

15.9(5/8”)

22.2

19.1(3/4”)

25.4

22.2 (7/8”)

28.6

25.4 (1”)

31.8

28.6 (1 1/8”)

38.1

31.8 (1 ¼”)

41.3

Mayor que 31.8 (1 ¼”)

1.25 x d

CONEXIONES CON PERNOS  TABLA F.2.10.3-4M  Distancia del centro de una perforación estándar al borde

de la parte conectada (pernos con diámetro en mm) Diámetro del perno mm

Distancia mínima al borde mm

16

22

20

26

22

28

24

30

27

34

30

38

36

46

>36

1.25 x d

CONEXIONES CON PERNOS  Tabla F.2.10.3-5  Valores del incremento de la distancia al borde, c2  Pernos con diámetros en pulgadas Diámetro del perno mm

Perforación agrandada mm

≤22.2(7/8”)

1.6

3.2

25.4( 1”)

3.2

3.2

≥28.6(1 1/8”)

3.2

4.8

Perforaciones de ranura Ranura perpendicular al borde Ranura corta

Ranura larga(a)

Ranura paralela al borde

0.75d

0

 (a) Cuando la longitud de la ranura es menor que el

máximo permisible (Tabla F.2.10.3-3)se permite reducir el valor de c2 en la mitad de la diferencia entre las longitudes máxima y real de la ranura.

CONEXIONES CON PERNOS  Tabla F.2.10.3-5M  Valores del incremento de la distancia al borde, c2  Pernos con diámetros en mm Diámetro Nominal mm

Perforación agrandada mm

Perforaciones ranuradas

≤22

2

3

24

3

3

≥27

3

5

Ranura perpendicular al borde Ranura corta

Ranura larga (a)

Ranura paralela al borde

0.75d

0

 (a) Cuando la longitud de la ranura es menor que el máximo

permisible (Tabla F.2.10.3-3M), se permite reducir el valor c2

en la mitad de la diferencia entre la longitud máxima y real de la ranura.

CONEXIONES CON PERNOS  RESISTENCIA DE DISEÑO A TENSION Y CORTANTE  DE PERNOS Y PARTES ROSCADAS

 Para pernos de alta resistencia apenas ajustados o

totalmente tensionados, la resistencia será:  ФRn  Ф = 0.75  Rn = F n Ab  Ab = área nominal del perno antes de roscar, mm2  Fn = resistencia nominal a tensión Fnt , o a cortante, Fnv , dada en la tabla F.2.10.3-2

Tabla F.2.10.3-2 Resistencia nominal para pernos y piezas roscadas, Mpa Descripción de conectores

Resistencia nominal a tensión, Fnt

Resistencia nominal a cortante conexiones tipo aplastamiento, Fnv (Mpa)

Perno A307

310

188

Pernos Grupo A (A325) con roscas incluidas en planos de corte

620

372

Pernos Grupo A (A325) sin roscas en los planos de corte

620

457

Pernos Grupo B (A490) con roscas incluidas en planos de corte

780

457

Pernos Grupo B (A490) sin roscas en planos de corte

780

579

Piezas roscadas ,con roscas incluidas en planos de corte

0.75Fu

0.45Fu

Piezas roscadas, roscas excluidas de los planos de corte

0.75Fu

0.563Fu

CONEXIONES CON PERNOS  Pernos de alta resistencia en conexiones de deslizamiento crítico  Resistencia de diseño =

ФRn

Ф = 1.00, Para perforaciones estándar o de ranura corta perpendicular a la .dirección de la carga. Ф = 0.85, Para perforaciones agrandadas o de ranura corta paralela a la .dirección de la carga. Ф = 0.70, Para perforaciones de ranura larga.

Resistencia nominal: Rn = μDu hf Tb ns μ= coeficiente promedio de fricción para superficies clase A o B, tomado de los casos a continuación, u obtenido de ensayos.

CONEXIONES CON PERNOS  μ = 0.30 para superficies clase A (superficies de acero sin pintar libres de escamas de laminación, superficies tratadas con chorro y revestidas con recubrimiento clase A o superficies galvanizadas por inmersión en caliente y procesadas para darles rugosidad.  μ = 0.50 para superficies clase B (superficies de acero tratadas con chorro sin pintar o superficies tratadas con chorro y revestidas con recubrimiento clase B).  Du = 1.13 factor de seguridad por pretensionamiento  Tb = Tensión mínima del perno Tablas F.2.20.3-1  hf = 1.0, cuando se añaden pernos para distribuir las cargas en platinas de relleno.  hf = 1.0, si no se añaden pernos y se usa una platina.  hf = 0.85, no se añaden pernos y se usan 2 o más platina  ns = número de planos sobre los cuales debe producirse el deslizamiento para que la conexión deslice.

CONEXIONES CON PERNOS  Resistencia al aplastamiento de las

perforaciones.  ϕRn . Φ = 0.75 ; Rn se calcula como sigue: a) Para un perno en perforación estándar, agrandada o de

ranura corta, independientemente de la dirección de la carga, o en perforación de ranura larga paralela a la dirección de la fuerza de aplastamiento: i.

(i) Cuando la deformación alrededor de la perforación, bajo cargas de servicio es una consideración de diseño:

Rn = 1.2Lc t Fu ≤ 2.4 d t Fu (ii) Cuando la deformación alrededor del orificio no es una consideración de diseño:

Rn = 1.5Lc t Fu ≤ 3.0 d t Fu

CONEXIONES CON PERNOS  b) Para una perforación de ranura larga perpendicular a

la dirección de la fuerza:

 Rn = 1.0 Lc t Fu ≤ 2.0 d t Fu  c) Para conexiones donde los pernos atraviesan un miembro en cajón sin rigidizar o un PTE :  Rn = 1.8 Fy Apb  Apb = área de apoyo en proyección, mm2 d=diámetro nominal del perno, mm Fu = resistencia mínima a tensión del material , mm Lc = distancia libre, en la dirección de la fuerza, entre el borde de la conexión considerada y el borde de la conexión adyacente, o el borde del material, mm t= espesor del material conectado

CONEXIONES CON PERNOS  Esfuerzos combinados a cortante y tensión en conexiones tipo aplastamiento  La resistencia de diseño a tensión de un perno sometido a una combinación de esfuerzos de tensión y cortante se calculará de acuerdo con los estados límite de rotura por tensión y por cortante :

ФRn Ф = 0.75 Rn = F´nt Ab  F´nt = resistencia nominal a tensión por unidad de 

área, modificada para incluir los efectos esfuerzo cortante.

del

CONEXIONES CON PERNOS Cortante y tensión conexión tipo aplastamiento  Fnt = resistencia nominal a tensión por unidad de área

de la tabla F.2.10.3-2 , Mpa  Fnv = resistencia nominal a cortante por unidad de área de la tabla F.2.10.3-2, Mpa  f v = resistencia requerida a cortante , Mpa.  La resistencia de diseño a cortante de los conectores será ≥ resistencia requerida a cortante , f v .  Cuando la resistencia requerida, f , ya sea por cortante o por

tensión, sea ≤ 30% de la resistencia de diseño correspondiente no se requerirá verificar los efectos de esfuerzos combinados.  Resistencia nominal a cortante :

CONEXIONES CON PERNOS  Esfuerzos combinados de cortante y

tensión en conexiones de deslizamiento crítico. Rn = ksc (μDu hf Tb ns ) 

 nb = número de pernos que soportan la tensión aplicada  Tb = mínima tensión en el perno, según tablas F.2.10.3-1  Tu = fuerza de tensión debida a combinaciones de cargas mayoradas.

CONEXIONES CON PERNOS  CONEXIONES EN CORTANTE EXCÉNTRICO  Se presentan cuando la resultante de las cargas aplicadas a

la conexión cae en su plano, pero no pasa por el centro de gravedad del grupo de pernos.

CONEXIONES CON PERNOS  La resultante de las cargas aplicadas (Fuerza por corte

directa y Momento de Torsión se deben trasladar al centro de gravedad del grupo de pernos. El momento de torsión genera en los pernos Fuerzas de corte que actúan en dirección perpendicular a la línea que conectan el centro de gravedad del grupo de pernos.  Se presentan dos métodos para realizar el análisis:  1. Método Elástico. No considera la ductilidad de los pernos ni la redistribución de las cagas. El método es aproximado y da resultados conservadores  2. Método de la Resistencia última. Utiliza la relación Carga-Deformación de un perno y predice en forma más real la resistencia del grupo de pernos cargados excéntricamente.

CONEXIONES CON PERNOS  Esfuerzos combinados de cortante y

tensión en conexiones de deslizamiento crítico. Rn = ksc (μDu hf Tb ns ) 

 nb = número de pernos que soportan la tensión aplicada  Tb = mínima tensión en el perno, según tablas F.2.10.3-1  Tu = fuerza de tensión debida a combinaciones de cargas mayoradas.