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• Julio Simon Cordero Valdivia

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica

ICE 3542 DISEÑO EN ACERO AVANZADO Hernán Santa María

Primer Semestre 2008

Conexiones Uniones soldadas. Uniones apernadas. Uniones de Corte. Uniones de Momento. – Parcialmente rígidas o restringidas. – Totalmente rígidas (NCh 2369).

Uniones Apernadas

Unión de Aplastamiento

Unión de aplastamiento – El esfuerzo se transmite por contacto entre las piezas conectadas y los pernos. Unión de fricción o deslizamiento crítico (Slip Critical) – El corte se transmite mediante el roce entre las piezas conectadas. – Los pernos deben tener una pretensión, cuyo valor es estándar. “Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Unión de fricción

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Uniones Apernadas Usar pernos de alta resistencia. Se pueden usar otros, pero deben cumplir disposiciones de A-3.4 (Diseño por fatiga). Se les debe dar una pretensión mínima de 70% de su resistencia a la tracción (Tabla J3.1), excepto si: – Es una conexión de aplastamiento. – Sólo para A325, si fatiga o pérdida de fricción no son consideraciones de diseño.

Dimensiones mínimas

Instalación de Pernos Instalar pernos usando alguno de los siguientes métodos: – Vuelta de tuerca (preferido). – Un indicador de fuerza de tracción. – Perno con control de tracción. – Llave calibrada (no recomendado). Logran valores medios de tensión entre 13 y 35% mayores que el mínimo especificado.

Dimensión de la perforación (Tabla J3.3): – d + 1/16” (o d + 2 mm) (d = diámetro del perno). – Otras dimensiones para perforaciones grandes, o alargadas, en Tabla J3.3. Espaciamiento mínimo entre centros = 2 2/3 d (recomendado 3 d). Distancia mínima al borde en Tablas J3.4 y J3.5. Estas distancias son para facilitar la construcción y no aseguran resistencia a desgarramiento.

Dimensiones mínimas

Conectores comúnmente usados: Acero

Alta Resistencia

Espaciamiento y distancias máximas a los bordes: – No debe ser mayor que 12 veces el espesor de la parte conectada considerada. – No debe exceder 150 mm. – Estas disposiciones son para minimizar la presencia de humedad, que puede iniciar procesos de corrosión.

Pernos

Tensión de Fluencia

Tensión de Rotura

A37 – 20

2000

A42 – 23

2300

3700 4200

A307

-

4200

A325

5600 a 6400

8400

A490

9100

10500

Resistencia de Pernos

Resistencia de Pernos Resistencia al corte (conexión de aplastamiento)

Resistencia a la tracción Rn = Fu An Fu = tensión de rotura en tracción An = área neta en la sección de hilos ≈ 0,75 Ab Ab = área nominal del perno Rn = 0,75 Fu Ab

Rn = τ An

τu = tensión de rotura en corte ≈ 0,62 Fu Rn = r (0,62 Fu) An

r = factor de reducción por longitud de la conexión, por la distribución no uniforme de deformaciones entre los pernos = 0,80 si l < 127 cm (50”) = 0,64 si l > 127 cm (50”) (reducción de 20%)

Resistencia de Pernos

Resistencia de Pernos

Resistencia al corte (conexión de aplastamiento)

“Specification for Structural Steel Buildings”, AISC360, 2005

Se producen 2 situaciones: que los hilos estén incluidos en el plano de corte o que no lo estén. Tomando r = 0,80 (caso más común): 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 las resistencias nominales.

Resistencia de Pernos

Resistencia de Pernos Interacción Corte – Tracción - Ensayos

Resistencia a tracción o corte, con o sin hilos incluidos (J3.6) en uniones de aplastamiento

Rut

φ Rnt Fn = Fnt en tracción Fnv en corte φ

Rn = Fn Ab

Rut

Ruv

φ Rnt

φ Rnv Ruv

φ Rnv

Resistencia de Pernos Rut /φ φRnt

Resistencia de Pernos Expresión de diseño para interacción Corte – Tracción (J3.7) F’nt = 1,3 Fnt – Fnt fv ≤ Fnt φFnv

(J3-2)

fv < φ Fnv

1.0

Elipse

0.8 0.6

AISC

0.4 0.2 0.0

φ

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

φRnv Ruv /φ

Conexiones de deslizamiento crítico (fricción)

Conexiones de deslizamiento crítico (fricción)

Esta es una condición de diseño en las situaciones en que el deslizamiento en la conexión puede producir disminuciones de resistencia o aumentos de deflexiones en la estructura.

Se puede verificar como estado límite de servicio o estado límite de resistencia, dependiendo del tipo de perforación. Si es muy grande, debe diseñarse por resistencia.

Por ejemplo: columnas armadas con sus partes apernadas, elementos en que la deflexión puede producir aumentos de cargas (techos planos) aumento de efectos P-∆.

Además, siempre se debe verificar como una conexión de aplastamiento.

Conexiones de deslizamiento crítico (fricción) φ = 1,0 en servicio, 0,85 en resistencia µ = 0,35 a 0,50 – depende de la rugosidad de contacto Du = 1,13, pueden usarse valores mayores si es aprobado hsc = depende del tamaño de la perforación: 1,0 para estándar, 0,85 para grande, 0,70 para alargado Tb = tracción mínima del perno (Tabla J3–1) Ns = Número de planos de deslizamiento

Rn = µ Du hsc Tb Ns

Conexiones de deslizamiento crítico (fricción) Evidentemente, si la conexión esta sometida a tracción hay una disminución de la resistencia al corte. La reducción es en la fuerza de apriete: Fapriete = Du Tb Nb Fapriete neta = Du Tb Nb – Tu (Tu es la fuerza aplicada, Nb es el número de pernos en la conexión) Multiplicar resistencia (J3-4) por el factor ks: ks = 1 – Tu Du Tb Nb

(J3-5)

Modos de falla por aplastamiento

Modos de falla por aplastamiento

Aplastamiento

Aplastamiento y desgarro de las partes conectadas en las perforaciones

“Connections Teaching Toolkit”, P. S. Green. T. Sputo, P. Veltri, AISC.

Modos de falla por aplastamiento

Modos de falla por aplastamiento AISC 360 - J3.10

τu = 0,62 Fu

Fu = resistencia a tracción de la placa

Rn = 2 t (Le – d/2) τu = 1,24 Fu t d (Le/d – 1/2) Rn ≈ 1,2 Fu t Le Si usamos el espaciamiento mínimo entre perforaciones, 2 2/3 d, da: Rn = 2,7 Fu d t

Modos de falla por aplastamiento En perforaciones alargadas normales a la dirección de la fuerza: Rn = 1,0 Lc t Fu

2,0 d t Fu

Lc = distancia libre del agujero al borde de la pieza conectora, en la dirección de la fuerza Fu = resistencia última de la pieza conectada t , d = espesor de la pieza y diámetro del perno

φ = Si la deformación en la perforación a nivel de servicio es una consideración: Rn = 1,2 Lc t Fu 2,4 d t Fu Si la deformación en la perforación a nivel de servicio no es una consideración: Rn = 1,5 Lc t Fu 3,0 d t Fu

Placas conectoras Elementos conectores y conectados deben verificarse a (J4): Tracción Corte Bloque de corte Compresión

Placas conectoras Tracción (J4.1): Igual que en capítulo D AISC360 En planchas conectoras Ae = An

Placas conectoras Tracción

0,85 Ag

Corte (J4.2): Estado límite de fluencia φ = 1,0 Rn = 0,60 Fy Ag Estado límite de Ruptura φ = 0,75 Rn = 0,60 Fu Anv “Connections Teaching Toolkit”, P. S. Green. T. Sputo, P. Veltri, AISC.

Placas conectoras

Placas conectoras

Falla de Bloque en Corte (J4.3): Se discutió para el caso de elementos en tracción

Corte

Compresión (J4.4): Si KL/r 25 φ = 0,9 Pn = Fy Ag Si KL/r > 25 usar disposiciones del capítulo E “Connections Teaching Toolkit”, P. S. Green. T. Sputo, P. Veltri, AISC.

Placas conectoras

Uniones apernadas Falla en Bloque

“Steel Structures – Design and Behavior LRFD”, Salmon, Johnson, Harper Collins, 1995

“Connections Teaching Toolkit”, P. S. Green. T. Sputo, P. Veltri, AISC.

Uniones apernadas Conexiones sometidas a corte excéntrico en su plano.

Uniones apernadas Conexiones sometidas a corte excéntrico en su plano (Derivar).

Método clásico – Pernos elásticos. - Elementos de conexión infinitamente rígidos.

Uniones apernadas

=

(

−

+

)

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

+

Pernos φ ¾” A325 Hilos excluidos

PL 10 mm – A42 – 27ES

Calcular la carga P que resiste la conexión. Usar método clásico y último. Verificar la resistencia de la placa. (Mostrar Ejemplo)

)

∆

Uniones apernadas Conexiones sometidas a corte excéntrico fuera de su plano. Se utiliza el Método clásico – El esfuerzo de corte se distribuye directo a los pernos. – Considerar el bloque de compresión, determinando la ubicación del eje neutro. – Verificar interacción Tracción – corte.

=

(−

Uniones apernadas

Método de la resistencia Última para conexiones sometidas a corte excéntrico en su plano – Considera redistribución de esfuerzos entre pernos. – Determinar el Centro Instantáneo de Rotación, verificando las ecuaciones de equilibrio. – Verificar pernos más solicitados. ∆

+

=

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

−

=

Uniones apernadas !

! Rmáx = Tracción en perno

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Determinar I de la sección resistentes (pernos+ área comprimida de placas) y luego la fuerza en el perno más solicitado: Rmáx = V eV (c1-e) A / I

Uniones soldadas

Uniones soldadas

Proceso para unir dos piezas metálicas calentándolas para que se fundan formando un nuevo material. Originado a fines del siglo 19. “Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Proceso por arco metálico protegido SMAW – manual Proceso por arco sumergido SAW – taller

Uniones soldadas • • • • •

Detalles simples. Se requieren menos partes conectoras. Simplifica la reparación de estructuras existentes. Permite materializar juntas con elementos curvos. Permite realizar conexiones herméticas. Especial para estanques, barcos, etc. • No hay reducciones de la sección de las partes conectadas.

Uniones soldadas Tipos de soldadura: Filete (J2.2) Para unir placas paralelas o en T. Tope o penetración (J2.1) Para unir placas de tope. Tapón o ranura (J2.3)

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Uniones soldadas

Soldadura de filete

• Soldadura de tope: • Penetración completa – transmite esfuerzo máximo de placa más débil conectada • Penetración parcial – espesor mínimo de la garganta de Tabla J2.3, según espesor menor conectado

Área efectiva A w = t lw

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Soldadura de filete TABLA J2.4 (AISC360) Espesor de la parte más delgada (mm) TABLA J2.4

Dimensión nominal mínima del filete (w) (mm)

hasta 6 7 a 13 14 a 19 más de 19

3 5 6 8

Soldadura de filete • Quedaría controlada por la placa más gruesa a unir, que es la que disipa temperatura con mayor facilidad (en especificaciones anteriores). • Se usa la placa conectada de menor espesor porque se considera que el electrodo usado es “bajo en hidrógeno”

Soldadura de filete • La dimensión mínima de soldadura es necesaria para asegurar que exista temperatura suficiente para que se produzca la fusión de los materiales (que no se enfríe muy rápido).

Soldadura de filete Dimensión nominal máxima del filete t < 6 mm

wmáx = t

t > 6 mm

wmáx = t – 2 mm

Longitud efectiva mínima lw = 4 w

Limitaciones de soldadura de filete • La dimensión máxima 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 cordón 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 final de un elemento, la longitud efectiva es igual a la longitud del cordón (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 tensión no se transmite uniformemente a la soldadura en toda su longitud.

Limitaciones de soldadura de filete

Electrodo

• Planchas traslapadas: deben traslaparse al menos 5tmín, pero no menos que 25 mm. • Este requerimiento es para que no ocurra demasiada rotación de las planchas al aplicárseles una tracción. • Si las partes están conectadas por soldadura transversal, ésta debe aplicarse en ambos extremos de la conexión.

• Electrodos (American Welding Society, AWS) • E 70 1 8 – A1 • E = electrodo • 70 = resistencia mínima a la tracción (ksi) • 1 = código de posición • 8 = característica del recubrimiento • A1 = composición química del metal

Resistencia de la Soldadura

“Specification for Structural Steel Buildings”, AISC360, 2005

“Specification for Structural Steel Buildings”, AISC360, 2005

En estados límite de ruptura en tracción, en corte, o de fluencia. FBM y Fw = resistencia nominal del material base y del electrodo ABM y Aw = área efectiva del material base y del electrodo

“Specification for Structural Steel Buildings”, AISC360, 2005

• Resistencia de la soldadura (J2.4): φ Rn = Menor valor entre φ FBM ABM y φ Fw Aw

Soldadura de filete Falla en Bloque Soldado

Topkaya, C. (2007). “Block shear failure of gusset plates with welded connections,” Engeneering Structures, AISC, 29, 11-20. “Selecting Filler Metals: Matching Strength Criteria”, R. Scott Funderburk, Welding Innovation Vol. XVI, No. 2, 1999

Resistencia de la Soldadura

Resistencia de la Soldadura

Soldadura de filete, corte en área efectiva (Tabla J2.5) : φ = 0,75 Fw = 0,60 FEXX Electrodo E60 E70 E80 E90 E110

FEXX (ksi)

FEXX (t/cm2) Fw (t/cm2)

60 70 80 90 100

4,2 4,9 5,6 6,3 7,0

2,52 2,94 3,36 3,78 4,20

“Diseño de estructuras de acero con LRFD”, Galambos, Lin, Johnston, Prentice Hall, 1999

Resistencia de la Soldadura Conexiones sometidas a corte excéntrico en su plano. Método clásico – Soldadura elástica. – Elementos de conexión infinitamente rígidos.

"

# "

Resistencia de la Soldadura

=

+

=

+

=

=

+

+

Resistencia de la Soldadura

Resistencia de la Soldadura

Método de la resistencia Última (J2.4) – Considera redistribución de esfuerzos en la soldadura. – Considera las distintas resistencia y rigidez de las soldaduras según el ángulo de incidencia de la fuerza solicitante.

R 0,60 FEXX

$ $

$

F

$ ∆ w

θ Transversal

Longitudinal

Resistencia de la Soldadura

Resistencia de la Soldadura Para el caso de un sistema lineal de soldaduras, cargadas en su plano, por su centro de gravedad (J2.4(a)).

φ

Rn = Fw Aw

Fw = 0,60 FEXX (1 + 0,50 sin1,5θ

Para el caso de un sistema cualquiera de soldaduras, cargadas en su plano, (J2.4(b)) – Considera redistribución de esfuerzos en la soldadura. – Determinar el Centro Instantáneo de Rotación, verificando las ecuaciones de equilibrio. – Verificar punto más solicitado de la soldadura.

θ

Resistencia de la Soldadura Curvas tensión-deformación parametrizadas

Resistencia de la Soldadura Centro instantáneo de rotación

Fwi = 0,60 FEXX (1 + 0,50 sin1,5θ f(p) f(p) = [p (1,9 – 0,9p)]0,3 p = ∆i ∆m

∆

0,209(θ+2)-0,32 w

∆%

&% ∆' &

∆'

1,087(θ+6)-0,65 w < 0,17w

&(

“Steel Structures – Design and Behavior LRFD”, Salmon, Johnson, Harper Collins, 1995

Ejemplo – Excentricidad en el plano

Resistencia de la Soldadura

Ejemplo 5.17.1 Salmon&Johnson -

W = 0,25” Calcular Pu -

Conexiones sometidas a corte excéntrico fuera de su plano. Se puede usar el Método de análisis elástico. Análisis por resistencia, como en el caso de corte excéntrico.

)*+, '&,

-

Ejemplo – Excentricidad fuera del plano Calcular el ancho de la soldadura. La consola tiene dos cordones verticales de soldadura EXX70

*

Ejemplo – Excentricidad fuera del plano Cálculo por unidad de espesor fvy = 7000/(25x2) = 140 kg/cm fmy = (7000x15)x12,5x(12/2(53x2 )) = 504 kg/cm 2+f 2 = fw = fvy my

w

φRw

140 2 + 504 2 = 523 kg/cm

φ tw 0,60 FEXX

φRw = 0,75 x 0,707 w x 0,60 x 4,9 Soldadura

Ejemplo – Excentricidad fuera del plano Cálculo por unidad de espesor fvy = 7000/(25x2) = 140 kg/cm fmy = (7000x15)x12,5x(12/2(53x2 )) = 504 kg/cm 2+f 2 = fw = fvy my

φRw

140 2 + 504 2 = 523 kg/cm

φ tw 0,60 FEXX

φRw = 0,75 x 0,707 w x 0,60 x 4,9 φRw = 1,56 w > 0,523 ton/cm w = 3,4 mm = 4 mm

φRw = 1,56 w > 0,523 ton/cm w = 3,4 mm = 4 mm