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Construcción de estructuras Unidad 4. Conexiones Atornilladas y Rotulas. Antoni Daniel Martínez Dibene Ingeniería Civil 25 de Octubre de 2012

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Construcción de estructuras

Unidad 4. Conexiones Atornilladas y Rotulas.

Antoni Daniel Martínez Dibene

Ingeniería Civil 25 de Octubre de 2012

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Una estructura de acero se forma del ensamblaje de los miembros estructurales que constituyen su armazón. Se requieren conexiones en los lugares donde los diversos miembros se deben unir por sus extremos a otros miembros de manera que permita que la carga siga su flujo ordenado y continuo hasta llegar a los cimientos.

El diseño de las conexiones implica la producción de una junta que sea segura, económica en el uso de los materiales y que se pueda construir.

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Conexiones Atornilladas

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Rotulas

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Las conexiones (o juntas estructurales) se pueden clasificar según:

1. El método de sujeción, como son los remaches (casi nunca), tornillos, o soldaduras. Las conexiones que usan tornillos se clasifican además como conexiones del tipo de aplastamiento o del tipo de fricción.

2. La rigidez de la conexión, que puede ser simple, rígida (según se obtiene por un análisis estructural indeterminado), o de rigidez intermedia. El AISC (Instituto Americano de Construcción en Acero) clasifica las juntas basadas en la rigidez de la conexión como:

Tipo 1: Conexiones rígidas que desarrollan la capacidad total de momento de los miembros que se conectan y que mantienen un ángulo relativo constante entre las partes conectadas, bajo cualquier rotación de la junta.

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Tipo 3: Conexiones semirrígidas donde se transfiere menos de la capacidad total de momento de los miembros conectados. El diseño de estas conexiones requiere la suposición de una cantidad arbitraria de capacidad de momento.

Tipo 2: Estructuración simple sin transferencia de momentos entre las partes conectadas. En realidad, se desarrollará una pequeña cantidad de momento, pero no se le tiene en cuenta en el diseño. Se desprecia toda excentricidad que sea menor de una 2 ½ pulg. (63 mm).

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3. El tipo de fuerzas transferidas a través de la conexión estructural:a) Fuerzas cortantes: Corrientes para vigas de piso y viguetas.b) Momento: Ya sea a flexión o torsión.c) Cortante y momento: Como en las conexiones del tipo 1 ó 3.d) Tensión o compresión; Como para los empalmes de columnas y para miembros “articulados” de las armaduras.e) Tensión o compresión con cortante: Como para el contraventeo transdiagonal.

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4. La geometría de la conexión:

a. Conectores a base de angulares que se usan para unir las viguetas de piso y los largueros a las vigas y columnas.

b. Conexiones soldadas que se usan placas y angulares.c. Placas terminales en vigas o alfardas.d. Placas o angulares usados a un lado de una vigueta de

piso o viga.e. Angulares de asiento con o sin atiesadores.

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Conexiones

Figura 8.2 Diversas conexiones para marcos. Al inspeccionar la manera como se soporta la carga se determina si los tornillos están a cortante o a tensión. Usualmente la soldadura en lugar de los tornillos en todas las conexiones anteriores, excepto (f). (a) Conexión usando un par de angulares. (b) Conexión que usa una placa terminal soldada en el taller y tornillos colocados en el campo. (c) Usando un angular de asiento y un angular de tope, o lateral. (d) Angular atiesado de asiento. (e) Angulares de asiento y auxiliares de tope, con un angular adicional opcional en el alma. (f) Conexión rígida o semirrígida que usan perfiles T para soportar el momento, y un angular en el alma para el cortante. Este ultimo ángulo es opcional.

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5. El sitio donde se fabrican:

a. Conexiones de taller; hechas en el taller de fabricación.b. Conexiones de campo; las partes de la junta se fabrican

en el taller, pero se arman en el sitio de la obra.

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Tipos de Tornillos

Existen varios tipos de tornillos que pueden usarse para conectar miembros de acero:

Tornillos ordinarios o comunes: los designa la ASTM como tornillos A307 y se fabrican con aceros al carbono con características de esfuerzos y deformaciones muy parecidas a las del acero A36. Están disponibles en diámetros que van de 5/8” en incrementos de 1/8”.Este tipo de tornillos son usados principalmente en estructuras ligeras sujetas a cargas estáticas y en miembros secundarios (pielargueros, correas, riostras, plataformas, armaduras pequeñas, etc.).

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Tornillos de alta resistencia: estos tornillos se fabrican a base de acero al carbono tratado térmicamente y aceros aleados; tienen resistencias a la tensión de dos o más veces la de los tornillos ordinarios. Existen dos tipos básicos, los A325 y los A490 de mayor resistencia. Los tornillos de alta resistencia se usan para todo tipo de estructuras, desde pequeños edificios hasta rascacielos y puentes monumentales. En ocasiones se fabrican tornillos de alta resistencia a partir de acero A449 con diámetros no mayores a 1 ½” que es el diámetro máximo de los A325 y A490.

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Ventajas de los tornillos de alta resistencia

1. Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar son menores.2. En comparación con los remaches, se requiere menor numero de

tornillos para proporcionar la misma resistencia.3. La instalación apropiada de tornillos de alta resistencia puede

aprenderse en cuestión de horas.4. No se requieren pernos de montaje que deben removerse después

como en las juntas soldadas.5. Resulta menos ruidoso en comparación con el remachado.6. Se requiere equipo mas barato para realizar conexiones

atornilladas.7. No existe riesgo de fuego ni peligro por el lanzamiento de los

remaches calientes.8. Las juntas atornilladas tienen una mayor resistencia a la fatiga que

las juntas remachadas. Su resistencia a la fatiga es igual o mayor que la obtenida con juntas soldadas equivalentes.

9. Los cambios en las conexiones son muy sencillas por la facilidad para quitar los tornillos.

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Estos tornillos requieren apretarse solo hasta quedar apretados sin holgura. Esto se logra cuando los paños de una conexión están en contacto firme entre sí. En general se obtiene con el esfuerzo realizado por un operario con una llave de impacto. Estos deben identificarse claramente tanto en los planos de diseño como en los de montaje.

Para casos de fatiga es necesario utilizar pernos completamente tensados, esto no permite que la conexión se deslice, este tipo de conexiones son llamadas de deslizamiento crítico. Los pernos completamente tensados conllevan un proceso muy caro, así como su inspección, es por esto que solo deben usarse cuando sean necesarios, es decir cuando las cargas de trabajo ocasionen un gran cambio de esfuerzos con la posibilidad de problemas de fatiga.

Tornillos Apretados sin Holgura y Tornillos Completamente Tensados

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Tornillos Apretados sin Holgura y Tornillos Completamente Tensados

La siguiente tabla presenta las tensiones necesarias para pernos en juntas tipo fricción y en juntas sujetas a tensión directa; para estar completamente tensados los pernos A325 o A490 deben apretarse por lo menos al 70% de la resistencia a la tensión mínima especificada.

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Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia

Método del giro de la tuerca:

Los pernos se aprietan sin holgura y luego se les da un giro de 1/3 o una vuelta completa, dependiendo de la longitud de éstos y de la inclinación de las superficies entre sus cabezas y tuercas. La magnitud de giro pude controlarse fácilmente marcado la posición con marcador o rayador de metal.Indicador directo de tensión:

Consiste en una roldana o arandela endurecida con protuberancias en forma de pequeños arcos, los cuales a medida que se aplica la carga se aplanan, la apertura es proporcional a la tensión aplicada al perno; se usa una cinta calibrada para medir la abertura, para pernos completamente tensados la separación debe medir 0,015 pulgadas o menos.

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Métodos para tensar completamente los tornillos de alta resistencia

Método de la llave calibrada:

En este método los tornillos se aprietan con una llave de impacto para detenerse cuando se alcanza el par necesario para lograr la tensión deseada de acuerdo con el diámetro y la clasificación de la ASTM del tornillo.

Tornillos de diseño alternativo:

Los tornillos con extremos ranurados que se extienden mas allá de la porción roscada llamados “perno indicador de carga” son un ejemplo.Se usan boquillas especiales en las llaves para apretar las tuercas hasta que se degollan los extremos ranurados. Este método de apretar tornillos es bastante satisfactorio y conducirá a menores costos de mano de obra.

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Conexiones tipo Fricción y tipo Aplastamiento

Cuando los tornillos de alta resistencia se tensan por completo, las partes conectadas quedan abrazadas fuertemente entre sí, se tiene entonces una considerable resistencia al deslizamiento en la superficie de contacto. Esta resistencia es igual a la fuerza al apretar multiplicada por el coeficiente de fricción.

Si la fuerza cortante es menor que la resistencia permisible por fricción, la conexión se denomina tipo fricción. Si la carga excede a la resistencia por fricción, habrá un deslizamiento entre los miembros con un posible degollamiento de los tornillos y al mismo tiempo las partes conectadas empujaran sobre los tornillos.

Es necesario que las superficies de las partes conectadas tengan pendientes no mayores de 1 a 20 con respecto a las cabezas y tuercas de los tornillos a menos que se usen roldanas biseladas

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Tamaño de los agujeros para tornillos

Además de los agujeros de tamaño estándar para tornillos que son 1/16 de pulg. de mayor diámetro que los correspondientes tornillos y remaches, hay tres tipos de agujeros agrandados:

Agujeros Holgados: Pueden usarse en todas las placas de conexión, siempre que la carga aplicada no exceda a la resistencia permisible al deslizamiento.

Agujeros de ranura corta: Pueden usarse independientemente de la dirección de la carga aplicada si la resistencia permisible por deslizamiento es mayor que la fuerza aplicada.

Agujeros de ranura Larga: Pueden usarse en cualquiera, pero solo en una de las partes conectadas y en cualquier superficie de contacto en conexiones por fricción o tipo de aplastamiento.

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Tamaño de los agujeros para tornillos

DIMENSIONES NOMINALES DE LOS AGUJEROS

Dimensiones de los agujeros

Diámetro del tornillo

Estándar (diámetro)

Agrandado (diámetro)

De ranura corta (anchoxlongitud)

De ranura larga (anchoxlongitud)

1/2 9/16 5/8 9/16 x 11/16 9/16 x 1 1/4

5/8 11/16 13/16 11/16 x 7/8 11/16 x 1 9/16

3/4 13/16 15/16 13/16 x 1 13/16 x 1 7/8

7/8 15/16 1 1/16 15/16 x 1 1/8 15/16 x 2 3/16

1 1 1/16 1 1/4 1 1/16 x 1 5/16 1 1/16 x 2 1/2

>1 1/8 d+1/16 d+5/16 (d+1/16)x(d+3/8) (d+1/16)x(2.5xd)

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Tipos de Juntas

Junta traslapada:

Este tipo de junta tiene el inconveniente de que el eje de gravedad de la fuerza en un miembro no es colineal con el eje de gravedad de la fuerza en el otro miembro. Se presenta un par que causa una flexión que no es de desearse en la conexión como se muestra en la figura

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Tipos de Juntas

La junta a tope:

Se forma cuando se conectan tres miembros. Si la resistencia al deslizamiento entre los miembros es insignificante, los miembros se deslizarán un poco y tenderán a degollar simultáneamente a los tornillos en los dos planos de contacto entre los miembros. Los miembros se apoyan sobre los tornillos y se dice que éstos se encuentran sometidos a cortante doble y aplastamiento.

Ventajas de la junta a tope:

Los miembros se arreglan en forma tal que la fuerza cortante P se reparte en dos partes.Se tiene una condición de carga mas simétrica.

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Tipos de Juntas y Fallas en Juntas

Conexiones de plano doble:

En este tipo de conexiones los tornillos están sujetos a cortante simple y aplastamiento, pero el momento flexionante no se presenta.

Fallas en Juntas atornilladas:

Para diseñar adecuadamente las juntas atornilladas es necesario entender claramente estas posibilidades.

1. La posibilidad de falla en una junta traslapada por corte del tornillo en el plano entre los miembros (a).

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Fallas en Juntas Atornilladas

2. En (b) se muestra la posibilidad de una falla a tensión de una de las placas a través del agujero de un tornillo.

3. En (c) se muestra la posible falla del tornillo o de la placa por aplastamiento entre ambos.

4. En (d) se muestra otro posible desgarramiento del miembro.5. En (e) se muestra la falla por cortante doble en dos planos

atornillados.

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Separación y Distancias a BordesDefiniciones:

Paso: Es la distancia centro a centro entre tornillos en una direccion paralela al eje del miembro.Gramil: Es la distancia centro a centro entre hileras de tornillos perpendiculares al eje del miembro.Distancia al borde: Es la distancia del centro de un tornillo al borde adyacente de un miembro.Distancia entre tornillos: Es la distancia mas corta entre tornillos sobre la misma o diferentes hileras de gramiles.

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Separación y Distancias a Bordes

Separación mínima:

Los tornillos deben colocarse a una distancia suficiente entre sí para permitir su instalación eficiente y prevenir fallas por tensión en los miembros entre los tornillos. La especificación LRFD estipula una distancia mínima centro a centro para agujeros holgados o de ranura, igual a no menos de 2 2/3 diámetros (de preferencia 3d).

La distancia mínima centro a centro entre agujeros estándar debe determinarse con la expresión siguiente:

Distancia mínima centro a centro=

Donde:P es la fuerza transmitida por un conector a la parte critica.Fu es la resistencia mínima a tensión especificada de la parte critica conectada.t es su espesor.d es el diámetro del agujero de tamaño estándar.

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Separación y Distancias a Bordes

Si los agujeros son agrandados o ranurados la distancia mínima centro a centro se determinara con la expresión anterior mas el incremento aplicable C1 dado en la tabla.

VALORES DEL INCREMENTO C1 DE ESPACIAMIENTO PARA DETERMINAR LAS SEPARACIONES MINIMAS DE AGUJEROS AGRANDADOS

    Agujeros de ranura

Paralelo a la linea de fuerza

diametro nominal del

tornilloagujeros

agrandadosPerpendicular a la

linea de fuerzaDe ranura

corta De ranura larga

<= 7/8 1/8 0 3/16 1 1/2 d - 1/16

1 3/16 0 1/4 1 7/16

>1 1/8 1/4 0 5/16 1 1/2 d - 1/16

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Separación y Distancias a Bordes

Distancias mínimas al borde

Como recomendación los tornillos no deben ubicarse demasiado cerca de los bordes de un miembro por dos razones que son las siguientes: El punzonado de agujeros demasiado cercanos a los bordes ocasiona que el acero opuesto al agujero se agriete y la segunda razón se aplica a los extremos de los miembros donde existe el peligro de que el sujetador desgarre al metal.

Se puede determinar la aplicación para la práctica común el colocar el sujetador a una distancia mínima del borde de la placa igual a 1.5 o 2 veces el diámetro del sujetador, logrando así una resistencia al cortante del metal en la zona por lo menos igual a la de los sujetadores.

La distancia mínima al borde también se puede determinar con la formula siguiente:

Distancia mínima al borde en la dirección = de la fuerza transmitida.

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Separación y Distancias a Bordes

Si los agujeros son holgados o ranurados, la distancia mínima al borde no debe ser menor que el valor requerido para un agujero estándar mas un incremento de C2 obtenido de la tabla.

DISTANCIAS MINIMAS A BORES [a]pulg.(CENTRO DEL AGUJERO ESTÁNDAR [b] AL BORDE DE LA PARTE CONECTADA

Diametro nominal del tornillo remache(plg)

En bordes recortados

mecanicamente

En bordes laminados de placas, perfiles o barras o bordes cortados con gas

[c] 1/2 7/8 3/4 5/8 1 1/8 7/8 3/4 1 1/4 1 7/8 1 1/2[d] 1 1/8

1 1 3/4[d] 1 1/41 1/8 2 1 1/21 1/4 2 1/4 1 5/8

Mayores de 1 1/4 1 3/4 x Diámetro 1 1/4 x Diámetro

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Separación y Distancias a Bordes

Distancias máximas al borde

Separación máxima y distancias al borde:

La distancia máxima del centro de un tornillo al borde de una será 12 veces el espesor de la placa, pero sin exceder de 6 pulg. La separación longitudinal entre conectores colocados en elementos en contacto continuo, consistentes en una placa y un perfil, o dos placas, será la siguiente:

a) Para elementos, pintados o sin pintar, no sujetos a corrosión, no excederá de 24 veces el grueso de la placa más delgada, o 305 mm.

b) Para miembros no pintados de acero intemperizable, sujetos a corrosión atmosférica, no será mayor que 14 veces el grueso de la placa más delgada, o180 mm.

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VALORES DEL INCREMENTO C2 PARA DISTANCIAS AL BORDE DE AGUJEROS AGRANDADOS en pulg.

Diámetro nominal del conector

(pulg)Agujeros

agrandados

Agujeros de ranura

Perpendicular al borde

Paralela al bordeDe ranura corta

De ranura larga [a]

<= 7/8 1/16 1/8

3/4 d 01 1/8 1/8

<=1 1/8 1/8 3/16

Separación y Distancias a Bordes

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30/49Conexiones Tipo Aplastamiento

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Resistencia al cortante

En las conexiones tipo aplastamiento se supone que las cargas por transmitir son mayores que la resistencia a la fricción generada al apretar los tornillos, como consecuencia se presenta un pequeño deslizamiento, sometiendo a los tornillos a corte y aplastamiento. La resistencia permisible de diseño de un tornillo en cortante simple es igual al esfuerzo cortante permisible del tornillo x el área de sección transversal.

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31/49Conexiones Tipo Aplastamiento

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Conexiones Tipo Aplastamiento

Resistencia al aplastamiento.

La resistencia permisible de diseño de un tornillo por aplastamiento es igual al esfuerzo permisible por aplastamiento de la parte conectada multiplicado por el diámetro del tornillo y por el espesor del miembro que se apoya en el tornillo.

Cuando la distancia en la dirección de la fuerza desde el centro de un agujero agrandado o regular, hasta el borde de una parte conectada no es menor que 1 ½ veces el diámetro d del tornillo y la distancia s centro a centro de los agujeros no es menor que 3d y se usan dos o mas tornillos en la dirección de la línea de fuerza, la resistencia por aplastamiento será:

Fp = 1.2 Fu para agujeros estándar o de ranura corta.Fp = 1.0 Fu para agujeros de ranura larga perpendiculares a la carga.

Si las deformaciones alrededor de un agujero no son de consecuencia para el diseño, las dos expresiones anteriores pueden reemplazarse por:

Fp = 1.5 Fu

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Introducción

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Permite un relativo movimiento dentro de cierto ángulo en todos los planos que pasan por una línea. Denominada también articulación a rótula. Una rótula tiene tres grados de libertad, aunque la amplitud del movimiento en dos de ellos esté limitada.

En algunas estructuras es recomendable la conexión por medio de rótulas ya que permite el giro relativo y que existan fuerzas a ambos lados de la rótula pero NO MOMENTOS.

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En el estudio de estructuras, sobre todo aquellas que se someten a los efectos sísmicos, los ingenieros se han topado con la expresión “rótula plástica”.

Ya que el fenómeno de la rótula plástica es intrínseco al comportamiento de los materiales utilizados en construcción como el acero y el concreto reforzado, y que ante esfuerzos de gran intensidad su aparición es inevitable, el diseño sismo-resistente establece como un criterio el determinar mediante la manipulación de las rigideces de los elementos, la ubicación de dichas rótulas en las zonas donde su efecto estructural negativo sea menor.

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Las uniones de apoyo de vigas, vigas armadas y vigas reticuladas serán proyectadas como articulaciones, excepto que se especifique de otra manera en los documentos de proyecto. Se admitirá que sean dimensionadas para transmitir solamente el esfuerzo de corte requerido y la fuerza axil requerida, si ella existiera, de la unión. Las articulaciones deberán permitir las rotaciones extremas de las barras supuestas como articuladas. Para lograr esa capacidad de rotación se podrá permitir en la unión alguna deformación plástica auto limitada.

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Las uniones extremas rígidas o semirrígidas de vigas, vigas armadas, vigas reticuladas y barras en general deberán ser dimensionadas para resistir los efectos combinados de fuerzas y momentos requeridos resultantes de la rigidez de la unión.

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El sistema de pasadores en formación de juntas de dilatación, se compone fundamentalmente de dos elementos: el vástago o macho, que se corresponde con la pieza normalmente de acero inoxidable, en forma de cilindro macizo encargada de soportar la transmisión de cargas y la vaina o hembra, que constituye la parte, normalmente en forma tubular de polipropileno o acero inoxidable, donde se introducirá el vástago y que sirve de guía para el libre movimiento del mismo, haciendo posible el trabajo del conjunto en su desplazamiento longitudinal. El sistema se complementa en su unión a los frentes de forjado mediante un zuncho corrido de refuerzo que garantiza una mejor redistribución de esfuerzo o suspensión, configurada generalmente a partir de ferralla en forma de U que abraza puntualmente a cada pasador.

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El ingeniero estructural Mark Sarkisian de la empresa “Skidmore, Owings & Merrill (SOM)”, ha inventado una serie de dispositivos que pueden ser útiles en nuestro esfuerzo diario para combatir los efectos de los sismos en las estructuras.Uno de esos inventos lo ha denominado Pin-Fuse Joint, en su patente, que no es otra cosa que una rótula física, que ubicada convenientemente en el elemento estructural, permite disipar la energía que durante un sismo lleva a la plastificación una zona del referido elemento.

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Esquema de las deformaciones y plastificación que se dan en un pórtico tradicional

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Básicamente se retoma la idea de que las estructuras, y especialmente en el caso de los edificios, no son estáticas, sino dinámicas, por lo que hay que considerar las uniones como partes o elementos móviles potencialmente, en especial durante extremos eventos sísmicos.Con estos criterios, el invento de Sarkisian, permitirá que las estructuras conformadas por pórticos más o menos homogéneos (como es el caso de los edificios) puedan contar con un elemento que instalado en sus vigas, doten a estas de un doble comportamiento, como un elemento de sección continua capaz de soportar las cargas estáticas y sobrecargas de diseño específico, y simultáneamente como un elemento capaz de absorber y disipar mediante los giros y desplazamientos adecuados, las fuerzas extremas de un sismo, sin llegar a la plastificación y por tanto, sin presentar deformaciones permanentes que puedan mermar su capacidad original.

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Esquema de deformaciones de un pórtico modificado con el sistema Pin-Fuse Joint.

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Otro de los inventos del ingeniero estructural Mark Sarkisian, es el LINK-FUSE JOINT que siguiendo el mismo principio de comportamiento estructural de formación de rótulas plásticas, permite rotaciones y deslizamientos.

La Link-Fuse Joint es una articulación que durante movimientos moderados como un sismo mediano funciona mecánicamente, pero que ante fuertes acciones como las que produce un sismo de gran magnitud, rotan y se desliza para absorber y disipar la energía de dichos movimientos, reduciendo los potenciales daños en la estructura.

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Inspirada en articulaciones óseas como el hombro y la cadera, está pensada para que vigas y marcos puedan girar de forma similar a las rótulas plásticas, pero sin el agravio de deformaciones permanentes.La Link-Fuse Joint está compuesta de dos conjuntos de placas que poseen una ranura en su centro cada una, un pasador sirve de unión de los dos extremos del elemento, y son dichas ranuras las que jugando con las diferentes posiciones posibles dentro de sus rangos permite a la estructura su adaptación a los movimientos impuestos por los eventos sísmicos. Este tipo de conexión permite a la estructura mantener un comportamiento elástico durante sismos de importancia, conservando su integridad estructural.

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GRACIAS PORSU ATENCIÓN

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