Tema 2. Uniones. Diseño de uniones en estructura metálica · PDF...

Diseño de uniones en estructura metálica

ingenieriaRural

Diseño de uniones en estructura metálicaMáster en Ingeniería Agronómica.

Escuela de Ingenieros Agrónomos (Ciudad Real). Universidad de Castilla La Mancha.

Tema 2. Uniones.


IndiceingenieriaRural

Consideraciones previas.1.

Influencia de las uniones en la estructura.

2.

Criterios generales de diseño.3.

Uniones viga-soporte: Diagrama momento-rotación.

4.


ingenieriaRural

El proceso de ejecución de una estructura metálica consiste básicamente en enlazar entre sí una serie de barras en puntos denominados nudos, mediante soldadura o tornillos.

Consideraciones previas

La primera etapa del proceso de cálculo de cualquier estructura consiste en idealizarla, definiendo un modelo físico matemáticosobre el que realizar las comprobaciones.


ingenieriaRural

La idealización afecta a tres aspectos:


Los nudos influyen en la forma geométrica.

Las propiedades del material-El estado de cargas-

La forma geométrica-

La idealización de la forma geométrica se reduce a sustituir la masa de cada barra porlíneas coincidentes con sus ejes baricéntricos, que se cortan en nudos.


ingenieriaRural

Esta sustitución en las barras no supone ningún cambio importante, ya que la longitud de los perfiles predomina sobre sus dimensiones transversales.

Sin embargo, a la hora de definir los nudoscomo punto de encuentro de las barras, se ha de hacer de manera que las coaccionesque se producen en los extremos de ellas sean las mismas en la estructura real que en la ideal.



ingenieriaRural

Al estar formados los perfiles metálicos por elementos de poco espesor, se pueden producir en los nudos deformaciones localesal transmitir esfuerzos entre ellos.

Hay que tomar conciencia de que hay que cuidar minuciosamente el detalle de las uniones para asegurar el correcto funcionamiento de la estructura de acuerdocon las previsiones del proyecto.



ingenieriaRural

Clasificación de las uniones:

Articulaciones.-Uniones rígidas.-

Por su rigidez#

Tienen en cuenta la posibilidad de que se produzcan giros relativos entre las barras unidas (variación del ángulo inicial).

Uniones semirrígidas.-



ingenieriaRural

Articulaciones.-

Uniones rígidas.-

Permiten el giro entre las barras.

Las únicas reacciones que se producen son fuerzas.

No debe variar el ángulo inicial entre las barras concurrentes.

Las reacciones que se producen son fuerzas y momentos.

Sus deformaciones locales no han de tener influencia en la distribución de esfuerzos del conjunto.



ingenieriaRural

Esta condición de los nudos rígidos se satisface cuando las uniones no reducen en más de un 5% la rigidez de la estructura completa, para lo que hay que colocar frecuentemente rigidizadores.

Uniones semirrígidas.-

Permiten parcialmente el giro de las barras concurrentes.

Para coaccionar la otra parte del giro se desarrollan fuerzas y momentos.

Para conocer el grado de rigidez de estas uniones hay que recurrir a los diagramas momento-rotación.



ingenieriaRural

Hasta ahora ha sido tradicional usar solo uniones articuladas o rígidas, por la dificultad de caracterizar el comportamiento de las semirrígidas.

El estudio de las uniones semirrígidas ha permitido establecer de forma clara y cuantificable lo que son uniones articuladas o rígidas.



ingenieriaRural

Clasificación de las uniones:

Uniones de resistencia completa-

Uniones de resistencia parcial-

Por su resistencia#

Su resistencia será al menos igual a la de las barras unidas.

Si aumentan progresivamente las cargas exteriores, antes fallarán las barras que el nudo.

Su resistencia puede ser menor que la del elemento unido.



ingenieriaRural

Este criterio tiene que ver con la posibilidad de formación de rótulas plásticas con suficiente capacidad de giro.

Si se utilizan métodos de análisis elásticopara el cálculo global de la estructura esto noes relevante.

Si se emplean métodos de análisis plásticopara el cálculo global de la estructura es preciso tener en cuenta su deformabilidad.



ingenieriaRural

Bajo la acción de cargas gravitatorias, la influencia del tipo de nudos sobre el comportamiento global de la estructura se limita a la distribución de esfuerzos de cada una de las barras.

Influencia sobre la estructura

Si los nudos son articulaciones, los momentos máximos en las vigas se producen en su parte central y son nulos en los extremos.

En los soportes no se generan momentos, salvo los debidos a la excentricidad de la unión, por lo que trabajan fundamentalmente a compresión.


ingenieriaRural

En el caso de nudos rígidos:

La rigidez del nudo hace que los soportes reciban momentos transmitidos por las vigas, por lo que trabajan a flexocompresión.


En las vigas se generan momentos en sus extremos, mientras que se reducen en el tramo central.

-

-


ingenieriaRural

De forma general, bajo la acción de cargas gravitatorias, puede afirmarse que la rigidez de los nudos reduce las solicitaciones que se producen en las vigas, trasladando parte de ellas a los pilares.

Los únicos desplazamientos horizontalesque pueden producirse son debidos a falta de simetría.



ingenieriaRural

No sucede lo mismo cuando actúan cargas horizontales significativas, ya que sus efectos influyen sobre el comportamiento global de la estructura.

Si se resuelven todos los encuentros entre jácenas y soportes con articulaciones:

- La rigidez de la estructura es la de los pilares trabajando como ménsulas empotradas en la cimentación.

- Las jácenas transmiten esfuerzos a todos los soportes de manera que la flecha horizontal sea la misma en todos.



ingenieriaRural

- Solución válida para 2 ó 3 alturas, contando con que también se han de verificar las flechas horizontales.

- Para asegurar la estabilidad horizontal hay que recurrir a celosías trianguladas o pantallas o núcleos de hormigón.



ingenieriaRural

- Los nudos articulados son relativamente sencillos de ejecutar.

- En los soportes no se producen momentos importantes.

Ventajas

Inconvenientes -Las diagonales de arriostramiento ocupan un espacio útil del edificio, por lo que hay que disponerlas en paños ciegos.



ingenieriaRural


Si se resuelven las uniones con nudos rígidos:

Los momentos que se generan en los extremos de cada soporte transmitidos por las vigas, inducen cortantes cuya resultante horizontal en cada planta equilibra la acción exterior.


ingenieriaRural


- Los soportes trabajan a flexocompresión, lo que obliga a sobredimensionarlos.

- Hay que limitar el desplazamiento horizontaldel pórtico.

Inconvenientes

- La ejecución de los nudos rígidos encarecela estructura.


ingenieriaRural


Si los esfuerzos horizontales son importantes o el pórtico es muy esbelto, esta solución es antieconómica.

Hay que considerar los posibles asientos diferenciales, que repercuten mucho más en las estructuras de nudos rígidos.


ingenieriaRural


Soluciones combinadas de nudos rígidos y articulados:


ingenieriaRural

Las coacciones de los nudos a los movimientos en los extremos de las barras que unen, se ejercen por medio de los esfuerzos de interacción que transmiten.

Criterios generales de diseño

En un nudo rígido, que coacciona el giro y el desplazamiento, se generan tensionesdebidas al momento flector y al esfuerzo cortante.

En un nudo articulado solo se coacciona el desplazamiento, por lo que solo se producen tensiones debidas al cortante.


ingenieriaRural


En el caso de vigas en doble T

(a) Distribución de tensiones debidas al momento flector M y al esfuerzo cortante V considerando un comportamiento elástico del material.

(b) Simplificación de los diagramas con los siguientes criterios:


ingenieriaRural


1.- Las tensiones normales máximas se producen en las cabezas de la sección, donde a su vez se concentra la mayor parte de su área.

Se considera que las resultantes de las compresiones y de las tracciones coinciden con el c.d.g. de sus cabezas, y se sustituye las tensiones por dos F formando un par que equilibra el M solicitación.

hMF

Error no despreciable

Válido conceptualmente


ingenieriaRural


2.- Las tensiones tangenciales que se producen en las cabezas son mínimas, por lo que se desprecian. Se considera que el cortante solo genera tensiones en el alma de la viga, con una distribución constante.

Error pequeño (3-5%)

Aceptable en cálculos


ingenieriaRural


- Si se quiere realizar un nudo rígido

la unión debe afectar a las cabezas, para que las fuerzas F generen un momento que coaccione el giro

y al alma, para que se produzcan tensiones tangenciales que impidan el desplazamiento.


ingenieriaRural


- Si se quiere realizar un nudo articulado

la unión solo afecta al alma, dejando libres las cabezas para que no exista coacción al giro.


ingenieriaRural


En el caso de nudos rígidos, no solo es necesario comprobar la unión, también hay que verificar la rigidez de las partes unidas para evitar deformaciones que supongan un giro relativo entre las barras.

Los axiles transmitidos por las cabezas de la viga cuando actuán sobre el alma del soporte originan, por su pequeño espesor, un incremento de tensiones.


ingenieriaRural


Este incremento de tensionespuede producir fluencia o abollamiento, según se trate de tracción o compresión.

Estas deformacionesmodificarían el ángulo entre las barras.

Para evitar este efecto hay que comprobar el espesor del alma del soporte, o rigidizar si es necesario.


ingenieriaRural


Los mismos esfuerzos axiles transmitidos por las cabezas de la viga pueden originar flexión con deformación excesiva en la cabeza del soporte.

Por ello se ha de comprobar la resistencia de este elemento o rigidizar.


ingenieriaRural


El panel rectangular del alma del soporte limitado por sus cabezas y los rigidizadores está sometido a esfuerzos tangenciales a consecuencia de los cortantes transmitidos por las barras,

tiene tendencia a deformarse según un rombo, por lo que hay que comprobar su rigidez para evitar este efecto o reforzarlo como se indica en (c) o (d).


ingenieriaRural


En una unión atornillada con chapa frontal, la deformabilidad por flexión de la chapa de la zona traccionada se traduce en un giro relativo entre viga y soporte.

Hay que dimensionar su espesor para evitar esta deformación.


ingenieriaRural

Para el estudio de los nudos mediante el diagrama M- solo se considera la influencia del momento flector en el giro de la barra, despreciando el efecto de los axiles, cortantes y torsores.

Uniones viga soporte: Diagrama momento-rotación (M-)

Así, un nudo cualquiera se puede modelizar como un resorte con rigidez a torsión, de tal manera que en función del momento que le transmite la viga se producirá un giro entre las barras unidas.


ingenieriaRural

Uniones viga soporte: Diagrama momento-rotación

El diagrama M- de un nudo permite cuantificar su rigidez para analizar el comportamiento global de la estructura.

Para comprobar la influencia del comportamiento del nudo en la estructura se va a analizar el siguiente caso:


ingenieriaRural


Se considera rigidez infinita en sus extremos (empotramiento perfecto, giro nulo), y el punto M-en el diagrama será el A.

(a)

(c) Se considera rigidez nula en sus extremos (articulación, giro libre), y el punto M- en el diagrama será el B.

A

B


ingenieriaRural


La recta AB representa el comportamiento de los nudos extremos en cualquier situación intermediaentre las dos consideradas, con análisis elástico-lineal.

(b) Si se superpone la curva M- de un nudo semi-rígido, su intersección proporciona los valores M1-1 de la situación (b).

Es necesario conocer la ley de comportamiento del nudo para el análisis de la estructura.


ingenieriaRural


Los diagramas M- vienen definidos por leyes no lineales. Estos diagramas se pueden sustituir por otros más sencillo, bi o tri-rectilíneos,

con la única condición de que la curva aproximada(de cálculo) quede siempre por debajo de la más precisa.


ingenieriaRural


Cualquier curva M- de cálculo viene definida por:M

MRd

Sj

cd

- Momento resistente de cálculo MRd: Es el valor máximo del momento en el diagrama.

- Rigidez Sj: Se adopta como la pendiente del tramo recto (en un diagrama bilineal) o el valor secante correspondiente al momento solicitación MSd (en un diagrama trilineal o no lineal).

- Capacidad de rotación de cálculo cd: Es el giro máximo producido por MRd.


ingenieriaRural


M

MSd

Sj

La rigidez Sj en un diagrama trilineal es el valor de la secante en un punto.

con


ingenieriaRural


M

MSd1

Sj1

MSd2

Sj2

Se pueden considerar distintos valores de esta rigidez secante para un mismo nudo (en diagramas trilineal o no lineal), correspondientes a cada caso de carga y estado límite que se considere.

cd


ingenieriaRural


La capacidad de rotación tiene interés para la comprobación general de la estructura en ELUsi se utilizan análisis plástico o elastoplástico. No así en el análisis elástico, pues los momentos son inferiores a MRd, y por tanto los giros inferiores a cd

La capacidad de rotación también se utiliza para discernir entre uniones de resistencia parcial y completa.

- Si MRd ≥ 1,2∙Mpl,Rd no es necesario verificar el giro de la unión, puesto que la rótula se forma en el extremo de la viga.


En uniones de resistencia completa#

- Si MRd < 1,2∙Mpl,Rd es necesario verificar el giro de la unión.

En uniones de resistencia parcial#

- Es necesario verificar el giro de la unión (la rótula se forma en la unión).


ingenieriaRural


Así como la capacidad de rotación afecta solo a los ELU, la rigidez afecta también a los ELS y condiciona la clasificación de las uniones en rígidas o semirrígidas.

En el caso de que la unión experimente algún giro inicial como consecuencia de deslizamiento de los tornillos o falta de ajuste, este valor se incluirá en el diagrama M-.


ingenieriaRural


1

Cuantificación de las uniones

p

b

b

Rd,pl

LIE

M

Rd,plb

b

MLIE

p: Es el giro plástico. Giro relativo entre los extremos de la viga cuando en cada uno de ellos actúan momentos iguales y opuestos de valor Mpl,Rd.


ingenieriaRural


1


Estructuras sin arriostrar(a)

0,12

2/3

0,04

Rígida

Semirrígida

25m32m Si

7425m1m

32 Si


ingenieriaRural


1


Estructuras arriostradas(b)

0,20

2/3

0,125

Rígida

Semirrígida

8m32m Si

7320m1m

32 Si


Unión rígida#

- Una unión se considera rígida con respecto a la viga que une si el tramo inicial ascendente de su curva M- está situado por encima de la línea de referencia correspondiente en la figura.En pórticos no arriostrados, solo será aplicable cuando en cada planta se cumpla:

1

m

0,12

2/3

0,04

Rígida

Semirrígida

1

m

0,20

2/3

0,125

Rígida

Semirrígida

ingenieriaRural

-


Unión semirrígida#Las uniones que no verifiquen ninguna de las condiciones anteriores.

ingenieriaRural

Unión de resistencia completa#- Si MRd ≥ 1,2∙Mpl,Rd no es necesario verificar el giro

de la unión.

- Si MRd < 1,2∙Mpl,Rd es necesario verificar el girode la unión.

Uniones de resistencia parcial#

- MRd ≤ Mpl,Rd

-

-


Unión articulada#

- Todas las soluciones constructivas que dejenlibres las cabezas de la viga permiten su giro, por lo que tienen rigidez prácticamente nula.

b

bj L

IE5,0S La rigidez es inferior a la mitad de

la correspondiente a la viga unida.

ingenieriaRuralApoyo sobre angular


Unión articulada#

ingenieriaRural

Apoyo sobre cartela

Unión por soldadura directa


Unión articulada#

ingenieriaRural

Unión con chapa frontal atornillada

Unión con angulares al alma (soldados y atornillados)

-


Unión rígida#En pórticos no arriostrados

ingenieriaRural

En términos dimensionales

- En pórticos arriostrados

En términos dimensionales

-


Unión rígida#Con ello, sería suficiente determinar la rigidezcuando el momento solicitación adopta el valor MSdy verificar que se cumple la limitación recogida en la expresión correspondiente.

ingenieriaRural

- En la práctica, las soluciones constructivas con rigidizadores cumplirán estos requisitos y pueden admitirse como nudos rígidos.

En pórticos no arriostrados, hay que comprobar que se cumpla:

-


ingenieriaRural

Tema 2. Uniones. Diseño de uniones en estructura metálica · PDF...

Documents

Transcript of Tema 2. Uniones. Diseño de uniones en estructura metálica · PDF...