Madera Uniones de Elementos Estructurales

Apuntes del Curso de Diseño en Acero Isaac Flores Gutiérrez – Ing. Civil - UTFSM

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INTRODUCCION.

Uno de los aspectos importantes en el diseño de elementos estructurales lo

constituye el diseño de sus conexiones. El diseñador cuenta con varias formas para unir

piezas metálicas.

Conectores mecánicos:

remaches,

pasadores,

pernos.

Soldadura

7.1. Conectores Mecánicos

7.1.1. Remaches

Son piezas de sección transversal circular de acero dúctil, forzado en terreno para

unir varias piezas metálicas. Se fabrican con una cabeza manufacturada en uno de sus

extremos.

d : diámetro nominal


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Generalmente el proceso de remachado se hace en caliente, dada la facilidad con

que éste puede ser trabajado.

Al forjar el remache en caliente, este se expande llenando totalmente el agujero. Al

enfriarse tenderá a encogerse en el sentido transversal (lo que origina una holgura final), y

en el sentido longitudinal, lo que producirá compresión en las placas denominado “acción

de apriete” o “de agarre”, lo que redunda en una resistencia a la fricción.

Los remaches en frío tienen la ventaja de que aumentan la resistencia del remache,

sin embargo, requieren de grandes presiones para formar la cabeza remachada, por lo que su

uso se restringe a remaches de diámetros pequeños (1/2” a 7/8”).

La norma especifica las siguientes calidades de aceros para remaches:

A 34-19 Nch 207

A 502-2 ASTM A 502

7.1.2. Pernos Corrientes

Un perno es un pasador de metal con una cabeza hexagonal en un extremo y el

vástago con hilo en el otro, en el cual atornilla una tuerca también hexagonal.


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D: DIAMETRO DEL CASTAGO

L: LONGITUD DEL PERNO.

Debido a las variaciones en los diámetros de los vástagos se pide que el agujero sea

punzonado o taladrado 1/16”, mayor que el diámetro del perno.

Las normas chilenas especifican para pernos corrientes los aceros:

A 37-20 y A 52-34

La sección menos resistente de un perno es la zona con hilo, luego en la

determinación de la resistencia se recomienda utilizar un área neta o equivalente dada por:

uA D n cm 0 785 0 9743 2 2, ( , / ) ( )

D : diámetro nominal del perno (cm)

n : número de hilos por centímetro

7.1.3. Pernos de Alta Resistencia

Deben producir un agarre suficiente para que se desarrolle fricción entre las placas.

Se usan las designaciones ASTM A 325 y A 490.

A 325 corresponde a:

A 85-63 para diámetros entre 1/2” y 1”


90 _________________________________________________________________________

A 74-57 para diámetros entre 1 1/8” y 1 1/2”

A 490 corresponde a:

A 106-92 usado en perfiles de buena calidad

La norma especifica además, la forma y las presiones de apriete que se deben

aplicar a la tuerca.

7.1.4. Pasadores

En ocasiones se utiliza un solo pasador cilíndrico de acero para conectar miembros

metálicos, que debe tener una rotación relativa entre uno y otro.

No se exige apriete a un pasador y sus dimensiones son mayores que las de un

remache o perno.

El tipo más común tiene extremos hilados y dos tuercas.

Para diámetros mayores de 10”, se acostumbra a utilizar un perno pasado por el

cuerpo del pasador.


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En el caso de pasadores pequeños, basta con una cabeza manufacturada y una

chaveta..

7.2. Tipos de Conexiones

Las uniones o conexiones estructurales se pueden clasificar de acuerdo a la forma

en que se transmiten las cargas.

7.2.1. Conexiones o Cizalle

La carga transmitida tiende a cortar el conector , lo que a su vez provoca

aplastamiento en la plancha.

CIZALLE SIMPLE


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CIZALLE DOBLE

7.2.2. Conexiones a Tracción

7.2.3. Conexiones a Tracción y Cizalle


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Si las cargas pasan por el centro de gravedad de las áreas de los conectores, se dice

que la conexión es centrada, en caso contrario se dice que la conexión es excéntrica.

7.3. Condiciones para el Diseño

7.3.1. Dimensiones Normales para el Diseño

d (pulg) 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1/4 1 1/2

(mm) 13 16 19 22 25 29 32 38

D (mm) 14 17 22 24 27 30 34 40

A (cm2) 1.26 1.98 2.85 3.88 5.07 6.41 7.92 11.4

An (cm2) 0.81 1.31 1.95 2.70 3.55 4.46 5.72 9.2

d : diámetro nominal del conector

D : diámetro de la perforación

D d 110

''

Generalmente para el cálculo se recomienda:

D d 18

''

En diseños importantes la norma especifica D variable, dependiendo del diámetro

del conector:

D = d + 0.06 si d 0.6 cm

D = d + 0.1 si 0.6 d 1.2 cm


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D = d + 0.2 si 1.2 d 2.0 cm

D = d + 0.3 si 2.0 d 3.9 cm

A : área bruta

An : área neta o reducida

7.3.2. Esparcimientos

i) Distancias mínimas entre conectores (s, g)

s : paso

s d 2.67 (de preferencia s 3d)

g : gramil

g d 2.67 (de preferencia g 3d)

ii) Distancia máxima entre conectores

má x má xs g 12e

iii) Distancias mínimas a los bordes (a, b)

a b d 1.75 (en cantos cortados a tijera)

a b d 1 25. (en cantos laminados o cortados a llama)


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En perfiles con 1 o 2 conectores en línea, con la dirección del esfuerzo, se debe

verificar

iv) En remaches y pernos corrientes

a Ae Cizalle simple

a Ae 2 Cizalle doble

v) En pernos de alta resistencia

a CAe Cizalle simple

a Ae 2C Cizalle doble

donde:

A : área del conector

e : espesor de la plancha

C : Fc/Fa

Fc : tensión de ruptura del perno

FA : tensión de ruptura de la plancha

7.3.3. Ancho Neto en Perfiles Perforados

En el diseño de conectores se debe considerar una reducción en la tensión

admisible de los perfiles producto de las perforaciones.

Se define Bn, como el ancho neto y está dado por:

nB B Dsi

gi

2

4

donde:

Bn : ancho neto de la plancha o perfil

B : ancho total

D : diámetro de la perforación

s : distancia entre perforación en la dirección del esfuerzo (paso)

g : distancia entre perforaciones en la dirección perpendicular al esfuerzo

(gramil)

Di: suma de los diámetros de los agujeros ubicados en la línea de falla. Esta línea

puede ser en diagonal o en zigzag, con respecto a la dirección del esfuerzo.

Se verificará que:

nB B 0.85


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En perfiles L se considerará:

(i) (ii)

B = A+ C - e

g = a + c - e

7.4. Análisis de Resistencia en Conexiones Centradas

La resistencia de una conexión con conectores, dependerá fundamentalmente del

tipo de falla que se pueda presentar en la unión.

7.4.1. Falla con Tracción en las Placas

La tensión de trabajo en este caso queda dada por:

tn

f PA


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donde:

nA A D e (área neta de la placa)

Para evitar la falla se verifica que:

t tf F

con t tF F 0.6 (tensión admisible en tracción)

En el caso que existan varias perforaciones se usará:

n nA B e

7.4.2. Falla por Cizalle del Conector

La tensión de trabajo está dada por:

vv

f PA

donde vAd

2

4 (área de los conectores que resisten el corte)

d : diámetro nominal del conector

Se debe verificar que:

v vf F


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con

Fv : tensión admisible de cizalle (corte) dada por la tabla siguiente:

Conector Calidad de conector Fv (Kg./m2)

Unión a fricción Unión a aplast.

Remaches colocados

en caliente

A 34-19

A 49-28 (A502-2)

1.000

1.400

Pernos corrientes A 37-20

A 42-23

600

700

P.A.R., con hilo en el

plano del corte

P.A.R., con hilo fuera

del plano de corte

A 325 (A 85-63)

A 490 (A 106-92)

A 325 (A 74-57)

A 490 (A 106-92)

1.050

1.400

1.050

1.400

1.050

1.600

1.550

2.250

7.4.3. Falla por Aplastamiento de las Placas o del Conector

La tensión de trabajo, en este caso, se calcula considerando la carga uniformemente

distribuida en el área proyectada del conector, sobre la placa.

apf Pd e (en la placa)

con e : espesor de la placa

vv

f PA (en el conector)


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Para el diseño se debe verificar que:

ap ap

v v

f F

f F

con:

Fap : tensión admisible de aplastamiento

Fap : 1.35 Ff, y

Fv : como en el caso anterior

Nota: En uniones a fricción no se debe considerar el efecto de aplastamiento.

7.4.4. Falla por Tracción del Conector

La tensión de trabajo se calculará como:

tn

f PA

An : corresponde al área neta en pernos corrientes

Au : corresponde al área nominal o bruta en P.A.R.

Se verificará que:

t tf F

Ft : tensión admisible de tracción


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Conector Calidad Ft (seg/cm2)

Remaches en caliente

Pernos corrientes

Pernos de alta resistencia

A 34-19

A 502-2

A 37-20

A 42-23

A 325

A 490

1.400

1.900

1.200

1.400

2.800

3.800

7.4.5. Falla por Desgarramiento de la Placa

a : distancia al borde

Este tipo de falla se previene limitando las distancias a los bordes.

7.5. Análisis de Resistencia en Conexiones Excéntricas

7.5.1. Conexión a Cizalle


101 _________________________________________________________________________

El problema se puede analizar por

superposición de una conexión a

cizalle centrado, y otra a momento

puro.

La primera ya la hemos analizado,

por lo que nos evocaremos a la

segunda.

Si la placa gira un ángulo , un punto con conector, gira solidario a la placa,

desplazándose Ai = i y generando una fuerza de reacción proporcional al desplazamiento

y al radio de giro.

i i iR KA K

Esta reacción produce tensiones en x e y, en cada conector dadas por:

M R K ri i i 2


102 _________________________________________________________________________

kR Mi i

i i

2 2

Luego

i i

i

i

R k M

2, que se puede escribir

como:

jx j jx

j j

i i i

jy j jy

j j

i i i

R A fA Y

A X YM

R A fA X

A X YM

( )

( )

2 2

2 2

Para el caso de cizalle centrado, se puede escribir:

jc j jcRP

nA f

Que en este caso, incrementará la acción del momento puro, en el sentido y, luego

R R R R

A f A f A f A f

jx jy jc

j j jx j jy j jc

2 2

2 2 1 2

( )

( ) ( )/

o bien

f f f fjx jy jc 2 2( )

Para evitar la falla se exigirá que:

f Fv

Fv : tensión admisible de cizalle (corte)


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7.5.2. Conexión a Cizalle y Tracción

Se puede representar el problema como una superposición de una fuerza cortante y

un momento:

M P e

El efecto del cortante ya lo hemos analizado, por lo que analizaremos el efecto del

momento puro.

Existe una zona de conectores traccionados, sobre la línea neutra, y otra comprimida bajo la

línea neutra, que ejerce presión entre la placa de apoyo y la columna.


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be = (m*A)/P hc/ht = (be/b)

m: Nº columnas. Ie = (be*ht3)/3 + (b*hc

3)/3

A: área conector. (Momento de Inercia).

P: peso.

F = (M*ht)/Ie < Ft

7.6. Soldadura

La soldadura es un proceso mediante el cual se unen entre sí dos piezas de metal,

por la aplicación de calor, con o sin presión.

Esta definición es aplicable a una gran variedad de procesos, de los cuales

distinguiremos:

i) Soldadura de Resistencia

Este es un proceso de soldadura a presión, donde se genera calor por medio de

una resistencia eléctrica en una pequeña área de contacto de dos piezas

metálicas, las piezas se unen localmente aplicando

ii) Soldadura al Arco

Es el proceso más usado para uniones de aceros estructurales, consiste en

establecer un arco eléctrico formado por un electrodo y la parte que se va a

soldar. El calor del arco funde el metal del electrodo y la base, el campo

electromagnético conduce el metal fundido de la varilla de soldadura, hacia el

metal base.

Detalle del Arco


105 _________________________________________________________________________

7.6.1. Especificaciones

El material de los electrodos y sus características son especificados por la norma,

de acuerdo a los requisitos indicados por A.W.S. (American Wilding Society), y las

designaciones propuestas por el ICHA.

Designación del Electrodo para Arco Manual

E 40 XX

E 50 XX

según I.N.N.

Nch 304 of 68

Nch 305 of 68

Nch 306 of 69

* E 60 XX

E 70 XX

según Indura

según A.W.S.

A.W.S. A5.1

(*) Es el más usado en obras de construcción, estructuras de acero

galvanizado, reparaciones piezas de máquinas, etc. (CA, CC).

donde

electrodo E 40 X X características del electrodo y de la corriente a usar

resistencia posición para soldar a la tracción (kg/mm2)

i) Posiciones para Soldar


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x = 1 El electrodo se puede usar en toda posición para soldar (incluso sobre

cabeza).

x = 2 Posición plana u horizontal.

Plana Horizontal

Vertical sobre cabeza

(a)

Plana Vertical

Sobre Cabeza Horizontal


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(b)

Posiciones para soldar: (a) soldaduras de filete, (b) soldaduras a tope.

ii) Características del Electrodo

Se especifica con un número del 0 al 8, e indica el tipo de corriente a usar (CC

o CA), y las características químicas del electrodo (Anexo D ICHA).

7.6.2. Tipos de Soldadura

En general se habla de 3 tipos de soldadura:

i) Soldadura de Filete

En la forma triangular y se colocan a modo de cordones, en los bordes de las

placas.

ii) Soldadura de Tapón o Canal

Se obtienen superponiendo filetes en agujeros o canales, se utilizan

principalmente para transmitir tensiones de corte.


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iii) Soldadura de Ranura o Tope

Se obtienen conectando piezas en el mismo plano, debiendo prepararse la zona

a conectar.

7.6.3. Nomenclatura Básica para Soldadura

i) Soldadura de Filete


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ai : tamaño del filete de soldaduras en (mm)

l1 : largo del filete de soldadura en (cm).

pi : paso del filete (espaciamiento entre los centros de las soldaduras) en

(cm).

Otras especificaciones:

Soldadura en todo el contorno


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soldar en terreno

Soldar en todo el contorno por

ambos lados y en terreno, con un

filete de 10 mm.

ii) Soldadura de Tope: Se especifican:

- Penetración : 4 mm. lado mostrado

2 mm, lado opuesto al mostrado

- Separación de las placas : 3 mm

- Acabado : curvo lado mostrado, esmerilado o liso en el lado opuesto

- Forma del chaflán : recto //


111 _________________________________________________________________________

Ejemplo:

7.6.4. Resistencia de las Soldaduras de Tope

Las diferencias de calidad entre el metal base y las soldaduras, o las

irregularidades, suelen ocasionar concentraciones de esfuerzos que afectan la resistencia de

la unión.

En la práctica la resistencia se estima como la resistencia última del metal base y el

área efectiva de la soldadura.

i) Dimensiones Efectivas

La norma especifica dimensiones efectivas para espesor (ey) y longitud (ly),

dependiendo de la penetración de la soldadura.

e; para penetración completa

ey =

altura de la garganta; para penetración parcial

ly = B en todos los casos

Ejemplo:


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eef = ¾ e 1/8” < e ¼”

Soldadura de tope abierta, soldada por un solo lado.

ii) En Soldadura Tipo Bisel : Eje se reducirá en 3 mm.

eef = D – 3mm 2.1 e D: Altura de la garganta


113 _________________________________________________________________________

Juntas aceptadas sin calificación bajo el código AWS


114 _________________________________________________________________________

iii) Tensiones Admisibles

Las tensiones admisibles de tracción (Ft), compresión (Fc), y corte (Fv); serán

las tensiones admisibles que correspondan al metal base, aplicadas en el área

efectiva de la soldadura.

3.6.5. Resistencia de las Soldaduras de Filete

La distribución real de tensiones en las soldaduras de filetes son extremadamente

complejas, debido a las discontinuidades en la forma de la sección y a que introducen

excentricidades en la transmisión de las fuerzas.

El filete de soldadura transmite la fuerza P de a a b, mediante tensiones de corte.

Analicemos el filete de soldadura:


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La práctica indica que la falla del filete se produce en un ángulo, medido en los

catetos del filete.

El caso más desfavorable se produce cuando 45º

: ángulo de falla (45º)

s : cateto del filete de soldadura

g : garganta del filete

donde:

gs

s 2

0.7075

Si los catetos son diferentes entonces 1 2s s , y:


116 _________________________________________________________________________

gs s

s s

1 2

1 2

El tamaño de la soldadura debe considerar dos aspectos importantes (fijados por la

norma).

Un tamaño mínimo, que evite el enfriamiento rápido de la soldadura, lo cual

podría ocasionar problemas de fragilidad en ésta.

Un tamaño máximo determinado por razones prácticas.

Espesor de la placa más Dimensión Nominal

gruesa a unir [mín smín (mm) smáx (mm)

3 e 4 3 si e < 6

4 e 6 4

6 < e 12 5 smáx = e

12 < e 20 6

20 < e 38 8 si e 6

38 < e 56 10

56 < e 132 12 smáx = e - 2

132 < e 16

i) Tensiones admisibles

Independiente de la calidad del metal base y la especificación del electrodo, la

tensión admisible será la menor de las indicadas para el metal base o electrodo:

Fv = 950 kg/cm2 si e 4 mm

Fv = 1270 kg/cm2 si e > 4 mm

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