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• Jesus Moises Paez Ron

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CONEXIONES: La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. Una conexión es la unión que se establece entre dos o más cosas (aparatos, sistemas, lugares, etc.) o personas para que entre ellas haya una relación o una comunicación. En este sentido una conexión es el conjunto de elementos que unen cada miembro estructural a la junta: placas o ángulos por patines o alma; soldaduras o tornillos.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE CONEXIONES EN ESTRUCTURAS METÁLICAS: La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración.    

El comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.). Las limitaciones constructivas. La facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.). Aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.).

Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas.

CLASIFICACIÓN DE LAS CONEXIONES: Existen varios criterios para la clasificación de las conexiones: 











Por tipo de conector:  Remaches (en desuso).  Soldadura.  Tornillos de alta resistencia. Por rigidez de la conexión:  Flexible.  Semirrígida.  Rígida. Por elementos de conexión:  Ángulos.  Placas de asiento.  Ángulos de asiento.  Perfiles Tee. Por la fuerza que transmite:  Fuerza cortante (flexible).  Fuerza cortante y momento (rígida y semirrígida).  Fuerza de tensión y compresión (armaduras y contraventeos). Por el lugar de fabricación:  Taller.  Campo. Por mecanismos de resistencia de la conexión:  Conexión por fricción.  Conexiones por aplastamiento.

CONEXIONES ATORNILLADAS: Son aquellas que utilizan tornillos para la unión de los elementos metálicos que conforman la conexión.

Ventajas de las conexiones atornilladas:   

Para su instalación no es necesario disponer de mano de obra calificada. Existen uniones que en las que no se puede utilizar soldadura por razones de facilidad o constructivas en las que sí se puede usar tornillos. Las estructuras con conexiones atornilladas son más flexibles.

Tipos de tornillos ASTM:  

A307 Tornillos corrientes (solo para obras estáticas). A325 y A490 Alta resistencia.

Resistencia de los tornillos ASTM: PERNO

TRACCIÓN 𝑭𝒏 𝒕 (KgF/cm2)

CORTE 𝑭𝒏 𝑽 (KgF/cm2)

A307 A325-N A325-X A490-N A490-X

3160 6330 6330 7940 7940

1690 3375 5065 4220 5275

Distancias mínimas al borde: DIÁMETRO NOMINAL (d) mm in 13 1/2 16 5/8 19 3/4 22 7/8 25 1 29 1-1/8 32 1-1/4 >32 >1-1/4

BORDES (Le) CIZALLADOS 22 30 32 38 45 52 58 1,75(𝑑)

BORDES (Le) CON SOPLETE Mm 20 25 27 30 32 38 48 1,25(𝑑)

Diámetros del agujero: Para perforaciones estándar se considera que los agujeros tienen un diámetro de 3mm (1/8”) mayor que los pernos. ∅𝐴𝐺 = diámetro efectivo = ∅𝑃𝐸𝑅𝑁𝑂 + 3𝑚𝑚 Espacios libres para llaves:

Ø TORNILLOS in 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1-1/8 1-1/4 1-3/8 1-1/2 1-5/8 1-3/4 1-7/8 2 2-1/8 2-1/4 2-1/2 2-3/4 3

mm 6,4 9,5 12,7 16 19 22 25,4 29 32 35 38 41 44,5 47,6 51 54 57 63,5 70 76

A

13 17,5 24 29 33 38 43 49 54 60 63,5 65 68 75 79 86 90,5 102 113 124

B

11 16 21 25 29 33 38 43 48 52 56 57 60 65 70 75 79 89 98 108

C (min) (Esquinas)

Mm 10 21 27 32 38 43 49 54 60 65 71 76 83 87 94 98 103 116 127 138

D (min)

E (min)

9,5 13 16 19 22 25 29 32 35 38 41 44,5 48 51 54 57 60 67 73 79

25 35 46 56 65 75 86 95 105 114 125 135 144,5 154 165 175 184 205 224 243

Área según el número de pernos: Diámetro

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.64

0.32

0.64

0.96

1.28

1.60

1.92

2.24

2.56

2.88

3.20

0.95

0.71

1.42

2.13

2.84

3.55

4.26

4.97

5.68

6.39

7.10

1.27

1.27

2.54

3.81

5.08

6.35

7.62

8.89

10.16

11.43

12.70

1.6

1.98

3.96

5.94

7.92

9.90

11.88

13.86

15.84

17.82

19.80

1.9

2.85

5.70

8.55

11.40

14.25

17.10

19.95

22.80

25.65

28.50

2.2

3.88

7.76

11.64

15.52

19.40

23.28

27.16

31.04

34.92

38.80

2.54

5.07

10.14

15.21

20.28

25.35

30.42

35.49

40.56

45.63

50.70

2.9

6.41

12.82

19.23

25.64

32.05

38.46

44.87

51.28

57.69

64.10

3.2

7.92

15.84

23.76

31.68

39.60

47.52

55.44

63.36

71.28

79.20

3.5

9.58

19.16

28.74

38.32

47.90

57.48

67.06

76.64

86.22

95.80

3.8

11.40

22.80

34.20

45.60

57.00

68.40

79.80

91.20 102.60 114.00

93.66 107.04 120.42 133.80

in

cm

1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1-1/8 1-1/4 1-3/8 1-1/2 1-5/8 1-3/4 1-7/8 2

4.1

13.38

26.76

40.14

53.52

66.90

80.28

4.45

15.52

31.04

46.56

62.08

77.60

93.12 108.64 124.16 139.68 155.20

4.76

17.81

35.62

53.43

71.24

89.05 106.86 124.67 142.48 160.29 178.10

5.1

20.27

40.54

60.81

81.08 101.35 121.62 141.89 162.16 182.43 202.70

Modos de falla: Existen varios modos de falla en las conexiones apernadas, los más comunes son:     

Cedencia (fluencia de la sección). Fractura de la conexión. Corte del perno. Aplastamiento del perno. Bloque de corte.

Resistencia del perfil-plancha a la fluencia: 𝜙𝑅𝑛 = 𝜙(𝐹𝑦)(𝐴𝑔 ) Donde:

𝐴𝑔 = Área gruesa de la sección.

Resistencia a la fractura de la conexión: 𝝓𝑹𝒏 = 𝝓(𝑭𝒖)(𝑨𝒆 )

𝜙 = 0,75

Área neta (Ae): Se utiliza para el cálculo de la resistencia del miembro a la fractura en la región de la conexión. Se calcula descontando del área gruesa (bruta) el área de las perforaciones para los conectores. 𝑨𝒏 = 𝑨𝒈 − (𝑵)(𝝓𝑨𝑮)(𝒕) Área neta efectiva (An): En el caso de ángulos en donde solo una de las alas está conectada a la estructura existe excentricidad con respecto al centro de gravedad. Esta excentricidad origina esfuerzos concentrados en el ala, por lo que, el área neta efectiva es menor que el área neta. El área neta efectiva se calcula multiplicando el área neta por un factor de reducción “U” que da cuenta de cuán uniforme es la distribución de esfuerzos en la sección. 𝐴𝑒 = 𝐴𝑛 (𝑈) Donde:

U = factor de corte diferido (Shear lag factor). Ver tabla D3.1 AISC 360-10 𝐴𝑒 = Área efectiva 𝐴𝑛 = Área neta

Factor de corte diferido:

Resistencia del perfil al bloque de corte: Ruptura por cortante y tensión combinadas (BLOCK SHEAR RUPTURE), un modo de falla en el cual el miembro estructural en tensión falla por desprendimiento del material en la conexión atornillada externa. 𝐴𝑔 𝑉 = Área bruta de corte 𝐴𝑔 𝑡 = Área bruta de tracción 𝐴𝑛 𝑉 = Área neta de corte 𝐴𝑛 𝑡 = Área neta de tracción Dn = ∅𝐴𝐺 (diámetro efectivo) n = número de pernos en función de 𝑑1 o 𝐿1 . Por ejemplo, en 𝐴𝑛 𝑉, n = 3, pero en 𝐴𝑛 𝑡 es 1. 𝐴𝑔 𝑉 = 𝑡(𝐿1 ) 𝐴𝑔 𝑡 = 𝑡(𝑑1 ) 𝐴𝑛 𝑉 = 𝑡(𝐿1 − 𝐷𝑛 (𝑛 − 0,50)) 𝐴𝑛 𝑡 = 𝑡(𝑑1 − 𝐷𝑛 (𝑛 − 0,50)) 𝜙𝑅𝑛 = 𝜙[0,60(𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑉) + (𝑈𝑏𝑠)(𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑡) ≤ 0,60(𝐹𝑦)(𝐴𝑔 𝑉) + 𝑈𝑏𝑠(𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑡)]

Donde:

Ubs = Factor de distribución de esfuerzos de tensión Ubs = 1,00 tensión uniforme Ubs = 0,50 tensión no uniforme (p.e. sometida a momento)

Si (𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑡) ≥ 0,60(𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑉) el mecanismo de falla es la cedencia por corte y fractura por tracción. Si (𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑡) ≥ 0,60(𝐹𝑢)(𝐴𝑛 𝑉) el mecanismo de falla es la cedencia por tracción y fractura por corte.

Resistencia de los pernos a corte: 𝜙𝑅𝑛 = 𝜙(𝐹𝑛 𝑉)(𝐴𝑏 )

^

𝐴𝑏 = 𝑛(𝑁)(0,25𝜋)(𝑑2 )

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙(𝐹𝑛 𝑉)(𝑛)(𝑁)(0,25𝜋)(𝑑2 )

Donde:

𝑛 = Número de planos de corte.

Resistencia de los peros al aplastamiento: 𝜙𝑅𝑛 = 𝜙(1,2)(𝐿𝑐)(𝑡)(𝐹𝑢) ≤ 𝜙(2,4)(𝑑)(𝑡)(𝐹𝑢) 𝜙 = 0,75 Donde:

𝐹𝑢 = Resistencia a la fractura de la plancha. 𝐿𝑐 = distancia libre entre agujeros paralelos a la línea de carga. 𝑑 = diámetro del perno. 𝑡 = espesor de la plancha. Si 𝜙(1,2)(𝐿𝑐)(𝑡)(𝐹𝑢) > 𝜙(2,4)(𝑑)(𝑡)(𝐹𝑢)

Falla primero el perno.

Si 𝜙(1,2)(𝐿𝑐)(𝑡)(𝐹𝑢) < 𝜙(2,4)(𝑑)(𝑡)(𝐹𝑢)

Falla primero la plancha.

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO ANZOÁTEGUI. EXTENSIÓN CANTAURA ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL CATEDRA: ADMINISTRACIÓN Y CONTROL DE OBRAS PROFESOR: JESÚS ÁLVAREZ

“CONEXIONES CON PERNOS”

Realizado por: Jesús Páez. C.I. 25436849.

CANTAURA, FEBRERO 2019.