V Conexiones Estructurales.

INSTITUTO TECNOLOGICO DE CAMPECHE.

ASESOR: ING. SILVA RAMIREZ JORGE ENRIQUE. | Sulub Reyes Marco Antonio. VQ6 Arquitectura.

Introduccin.Desde hace muchos aos atrs, los remaches poco a poco han ido cayendo en desuso, pues las innovaciones tecnologas os han permitido optar por nuevas tendencias de uniones como lo son los tornillos o soldaduras.Dada la capacidad de montaje y resistencia que cada tcnica de unin nos da, nos provee de opciones al momento de disear uniones de acero para nuestras estructurasLas especificaciones de diseo para conexiones se incluyen en la Seccin E del AISI 1996. Las especificaciones del Mtodo ASD del AISI 1996 estn basadas en las especificaciones del AISI 1986, con algunas modificaciones que sern discutidas ms adelante. Las especificaciones del Mtodo LRFD del AISI 1996 estn basadas en las especificaciones del AISI 1991. El Suplemento 1999 incluye actualizaciones significativas a las Secciones E3.2, E3.3 y E5 y del AISI 1996 la nueva Seccin E2.7. Estos cambios son incluidos en este captulo. Como un criterio general de las especificaciones del AISI, todas las conexiones debern disearse para transmitir la carga mxima en el miembro conectado considerando debidamente la excentricidad de carga.

ndice de Contenido.Pg.

Introduccin.ii

ndice de Contenido.iii

ndice de Figuras.iv

ndice de Tablas.v

Unidad 5. Conexiones Estructurales.

5.1 Conexiones remachadas, atornilladas y soldadas.1

5.2 Eficiencia y diseo de conexiones.11

5.3 Modos de falla de las conexiones remachadas.22

5.4 Ventajas y desventajas de las uniones soldadas.26

Conclusin.28

Bibliografa.28

ndice de figuras. Pg.

Figura N 1. Tipos de remaches.1

Figura N 2. Conexin sujeta a cortante simple.5

Figura N 3. Conexin sujeta a cortante doble.5

Figura N 4. Ejemplo soldadura de punto en mm.12

Figura N 5. Ejemplo soldadura de filete en mm.15

Figura N 6. Ejemplo soldadura de filete en mm.17

Figura N 7. Ejemplo soldadura de penetracin en mm.19

Figura N 8. Ejemplo de conexin atornillada en mm.20

ndice de Tablas.Pg.

Tabla N 1. Dimensiones de remaches segn AHMSA.2

Tabla N 2. Espesores de placas y aplastamiento segn AHMSA.3

Tabla N 3.Tension requerida en tornillos para conexiones tipo friccin y para conexiones sujetas a tensin directa, en Klb.4

Tabla N 4. Dimensiones nominales de agujeros.4

Tabla N 5. Dimensiones de agujero nominal en milmetros.7

Tabla N 6. Distancia mnima al borde en milmetros.7

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Unidad 5Conexiones Estructurales.5.1 Conexiones remachadas, atornilladas y soldadas.Un robln o remache es un elemento de fijacin que se emplea para unir de forma permanente dos o ms piezas. Consiste en un tubo cilndrico (el vstago) que en su fin dispone de una cabeza. Las cabezas tienen un dimetro mayor que el resto del remache, ver Figura N 1, para que as al introducir ste en un agujero pueda ser encajado. El uso que se le da es para unir dos piezas distintas, sean o no del mismo material.Aunque se trata de uno de los mtodos de unin ms antiguos que hay, hoy en da su importancia como tcnica de montaje es mayor que nunca. Esto es debido, en parte, por el desarrollo de tcnicas de automatizacin que consiguen abaratar el proceso de unin, a sus resistencias y dimenciones, ver tabla N 1, en que podemos optarlos.

Figura N 1. Tipos de remaches.

Tabla N 1. Dimensiones de remaches segn Altos Hornos de Mxico S. A (AHMSA).Capacidad de carga.Resistencia al esfuerzo cortante y aplastamiento en Kg", ver tabla N 2.

Tabla N 2. Espesores de placas y aplastamiento segn AHMSA.Conexiones Atornilladas.El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos es un proceso que, adems de ser muy rpido, requiere de mano de obra menos especializada que cuando se trabaja con remaches o con soldadura. Estos factores dan a las juntas atornilladas una ventaja econmica en comparacin con los otros tipos de conexin, aunque el costo de adquisicin de un tornillo es mayor que el de un remache, el costo total de la construccin atornillada es menor que el de la construccin remachada debido a los menores costos por mano de obra y equipo, y al nmero de tornillos requeridos para resistir las mismas cargas. (Ver tabla N 3 y 4).

Tabla N 3.Tension requerida en tornillos para conexiones tipo friccin y para conexiones sujetas a tensin directa, en Klb. (McCormac)

Tabla N 4. Dimensiones nominales de agujeros. (McCormac)

Una conexin atornillada que falla por cortante puede fallar por los siguientes modos de falla:a) Cortante simple.- Donde el esfuerzo cortante promedio ser fv , siendo:

Dnde. : P: es la carga que acta sobre un sujetador individual.A: el rea de la seccin transversal del sujetador. Por lo tanto, la carga se puede escribir como:

Ejemplo.Figura N 2. Conexin sujeta a cortante simple.b) Cortante doble.- donde la carga que afecta a la seccin transversal del sujetador, se puede escribir como:Ejemplo.

Figura N 3. Conexin sujeta a cortante doble.Otros modo de falla en las conexiones de cortante implican la falla de las partes conectadas y se dividen generalmente en dos categoras.A) Falla que resulta de la tensin, cortante o flexin excesivas en las partes conectadas. En este caso se deben revisar las tensiones en el rea toral y en el rea neta efectiva as como el ya mencionado bloque de cortante.B) Falla de la parte conectada debido al aplastamiento ejercido por los sujetadores. En este caso la carga por aplastamiento es calculado por la siguiente formula:

Adems existen ciertos requisitos que se deben considerar para lograr la separacin y distancias de bordes adecuados en conexiones atornilladas. La seccin J3.3 de AISC, ver tabla N 5, nos exige que la separacin centro a centro de los sujetadores en cualquier direccin no ser menor que 2 2/3 d, donde d es el dimetro del sujetador. Las distancias mnimas a bordes en cualquier direccin, medidas de igual manera desde el centro del agujero, se encuentran en la tabla J3.4 del AISC, ver tabla N 6. Estas son funcin del tamao del tornillo y del tipo de borde.

Tabla N 5. Dimensiones de agujero nominal en milmetros.

Tabla N 6. Distancia mnima al borde en milmetros.La resistencia por aplastamiento en agujeros estndar se calcula mediante la utilizacin de la ecuacin LRFD 4.3 del RCSC:

Existen diferentes tipos de tornillos: los comunes tambin conocidos como tornillos no acabados, son designados como ASTM A301. Su resistencia se encuentra dada por Rn. Para este caso el factor es de 0.75 y su resistencia nominar a cortante equivale a:

Conexiones Soldadas.Una soldadura es el resultado de la operacin de soldar. Proceso mediante el cual se unen piezas de acero con la aplicacin de calor, con o sin fusin, con o sin adicin de material de relleno y con o sin la aplicacin de presin. Las soldaduras se clasifican de acuerdo con la posicin, forma y preparacin de las juntas. (AHMSA, 2013)Existen cinco tipos bsicos de juntas soldadas que se emplean en las estructuras de acero:1) A tope: la junta a tope se unas principalmente para unir los extremos de placas planas que tienen igual o aproximadamente el mismo espesor. La ventaja de este tipo de junta es la eliminacin de la excentricidad, que se presenta en las juntas traslapadas sencillas; al usarse con soldaduras de penetracin completa, este tipo de junta minimiza el tamao de la conexin. Su desventaja estriba en la necesidad de preparar los bordes y alisarlos cuidadosamente antes de aplicar la soldadura; por esto la mayor parte de las juntas a tope se hace en taller, donde es ms fcil regular el proceso de soldadura.2) En esquina: La junta en esquina se utiliza en especial para formar secciones rectangulares de tipo cajn destinadas a columnas y tambin vigas que estarn sometidas a elevados esfuerzos torsionantes.3) Junta traslapada: se emplea debido a las siguientes ventajas: las piezas destinadas a conectarse no requieren de una fabricacin tan precisa como en los dems tipos de juntas y pueden desplazarse ligeramente para absorber pequeos errores de fabricacin. Los bordes de las piezas no necesitan de una preparacin especial y se cortan generalmente con soplete. La unin entre las partes se pueden efectuar con soldadura de filete pudiendo hacerse esta tanto en campo como en taller. Finalmente la junta traslapada permite conectar fcilmente placas de distinto espesor como en el caso particular de los nudos en las armaduras.4) La junta en t se emplea en la fabricacin de trabes armadas, en la conexin de atiesadores, mnsulas, etc. La soldadura puede ser de filete o de ranura.5) Junta de borde: no son en muchos casos consideradas como juntas estructurales, ya que se utilizan para tener un acabado adecuado, impedir el paso de lquidos o gases entre las dos placas o mantenerlas alineadas.Tipos de soldadura.a) Soldaduras de filete: se obtienen depositando un cordn de metal de aportacin en el ngulo diedro formado por dos piezas. Su seccin transversal es aproximadamente triangular.b) Soldaduras de penetracin: se obtienen depositando metal de aportacin entre dos placas que pueden, o no, estar alineadas en un mismo plano. Pueden ser de penetracin completa o parcial, segn que la fusin de la soldadura y del metal base abarque todo o parte del espesor de las placas, o de la ms delgada de ellas.c) Soldaduras de tapn: se hacen en placas traslapadas o superpuestas, rellenando por completo, con metal de aportacin, un agujero circular, hecho en una de ellas, cuyo fondo est constituido por la otra placa.d) Soldaduras de ranura: se hacen en placas superpuestas o traslapadas, rellenando por completo, con metal de aportacin, un agujero alargado, hecho en una de ellas, cuyo fondo est constituido por la otra placa.Metal de aportacin.Se usara el electrodo, o la combinacin de electrodo y fundente, adecuados el metal base que se est soldando, teniendo especial cuidado en aceros con altos contenidos de carbn y otros alimentos aleados, y de acuerdo con la posicin en que se deposite la soldadura estructural. Se seguirn las instrucciones del fabricante respecto a los parmetros que controlan el proceso de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad y tipo de corriente. La resistencia del metal depositado con el electrodo ser compatible con la del metal base.5.2 Eficiencia y diseo de conexiones.Un aspecto importante en el diseo de uniones y conexiones es la determinacin, que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexin que se disea: si es rgida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rgidas aquellas que conservan el ngulo de los ejes entre las barras que se estn conectando, en tanto sern articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotacin entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rgidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero ser determinante el diseo, el uso de elementos complementarios (ngulos, barras de conexin, nervaduras de refuerzo, etc.), las posicin de los elementos de conexin y las holguras y/o los elementos que permitan la rotacin relativa de un elemento respecto del otro.A continuacin se presentan ejemplos numricos para el anlisis y diseo de conexiones atornilladas y soldadas. Todos los ejemplos consideran lminas con espesores menores a 4.763 mm, por lo que las especificaciones del AISI sern aplicables.

Ejemplo N1.Determine la carga de diseo por el Mtodo ASD y LRFD de la conexin a base de soldaduras de punto mostrada en la Figura N 4. Considere Fy = 3514 kg/cm2, Fu = 4568 kg/cm2 y electrodos E60.

Figura N 4. Ejemplo soldadura de punto en mm.1. Determinacin de la Resistencia a Cortante de la Soldadura de Punto.

6. Revisin de las Distancias entre Soldaduras y la Distancia de Soldaduras a Orillas de Lmina La distancia de la lnea central de la soldadura al extremo no deber ser menor que 1.5d. La distancia dada es de 32 mm > 1.5(15.875) = 23.813 mm, OK La distancia libre entre soldaduras no deber ser menor que 1.0d. La distancia dada es de 32.00 15.875 = 16.125 mm > 15.875 mm, OK La distancia libre entre soldaduras y la orilla de la lmina no deber ser menor que 1.0d. La distancia dada es de 32.00 15.875/2 = 24.063 mm > 15.875 mm, OKEjemplo N2.Revisar por los Mtodos ASD y LRFD si la conexin a base de soldaduras de filete mostrada en la Figura N 5 es adecuada para la resistencia requerida. Asuma que la resistencia requerida por carga muerta es de 0.50 Ton y por carga viva es de 1.40 Ton. Considere Fy = 3514 kg/cm2 y Fu = 4568 kg/cm2 y electrodos E60.

Figura N 5. Ejemplo soldadura de filete en mm.

Ejemplo N3.Revisar por el Mtodo ASD y LRFD que la conexin a base de soldadura de costura mostrada en la Figura N 6 cumple con la resistencia requerida. Asuma que la resistencia requerida es P = 1.3 Ton (ASD) y Pu = 1.9 Ton (LRFD). Considere Fy = 3514 kg/cm2 y Fu = 4568 kg/cm2 y electrodos E60. Asuma que la resistencia a tensin de la lmina no controla el diseo.

Figura N 6. Ejemplo soldadura de filete en mm.

Ejemplo N4.Disee la conexin a base de soldadura de penetracin abierta con bisel en J mostrada en la Figura N 7 por el Mtodo ASD y LRFD. Asuma que la resistencia requerida por carga muerta es de 0.50 Ton y por carga viva es de 1.40 Ton. Considere Fy = 3514 kg/cm2 y Fu = 4568 kg/cm2 y electrodos E60.

Figura N 7. Ejemplo soldadura de penetracin en mm.

Ejemplo N5.Determine la resistencia de diseo por el Mtodo ASD y LRFD para la conexin atornillada mostrada en la Figura N 8. Considere 2 tornillos A307 de 1/2 (12.7 mm) de dimetro con rondanas bajo la cabeza y tuerca. Considere lminas de acero con Fy = 2319 kg/cm2 y Fu = 3162 kg/cm2 y agujeros estndar.

Figura N 8. Ejemplo de conexin atornillada en mm.

5.3 Modos de falla de las conexiones remachadas.En las conexiones remachadas, se supone que las placas unidas no estn fuertemente sujetas entre s como para provocar fuerzas de friccin entre ellas y transmitir cargas.Por consiguiente, los remaches ejercen presin en los agujeros, y se debe investigar la falla por apoyo. Tambin podra ocurrira falla por cortante como por tensin. El mtodo de anlisis de estos tres modos de falla se describe a continuacin.Falla por cortante.Se supone que el remache se ve sometido a cortante directo cuando, se aplica una carga de tensin a la junta, siempre que la lnea de accin de la carga pase por el centroide de la disposicin de remaches. Tambin se supone que la carga total aplicada se reparte por igual entre lodos los remaches. La capacidad de una junta con respecto a cortante del remache es:

La falla por cortante se verifica como:Fs =ta As (95)Donde,Fs: es la capacidad de la junta a cortante.t: a Es el esfuerzo cortante permisible en el remache o tornillo.As: es el rea sometida a cortante, y se calcula como:As = Ns D 2 / 4Donde,D: es el dimetro del remache o tornillo.Ns: es el nmero de secciones transversales de remaches o tornillos disponibles para resistir cortante.

Falla por apoyo.Falla por apoyo. Cuando un remach cilndrico ejerce presin contra la pared de un agujero en la placa, existe una presin no uniforme entre ellas. Como uno una simplicidad de la distribucin del esfuerzo real, se supone que el rea sometida a apoyo, A es el rea rectangular calculada multiplicando el espesor de la placa / por el dimetro del remache D. Esta rea se puede considerar como el rea proyectada del agujero del remane, tanto la capacidad de resistir apoyo o aplastamiento de una junta es:Fb = ba AbDonde,Fb: es la capacidad de la junta de resistir al apoyo o aplastamiento.ba: es el esfuerzo de apoyo permisible.Ab: es el rea sometida a apoyo, y se calcula como:Ab = Nb tDonde,Nb: es el nmero de superficies sometidas a apoyo.t: es el espesor de la placa.

Falla por tensin.Una fuerza de tensin directa aplicada a travs del centroide del arreglo de remaches produce un esfuerzo de tensin Por tanto la capacidad de tu junta a tensin seria

La falla por tensin se verifica como:Ft = ta AtDonde,Ft: es la capacidad de la junta a tensin. ta: es el esfuerzo permisible a tensin.At: es el rea neta sometida a tensin, y se calcula como:At = (W N Dh) t

Donde,W: es el ancho de la placa.Dh: es el dimetro del agujero, calculado como:Dh = D + 1/16Dh = D + 2N: es el nmero de agujeros en la seccin de inters.t: es el espesor de las placas.D: es el dimetro del tornillo o remache.5.4 Ventajas y desventajas de las uniones soldadas.Ventaja de las uniones soldadas.- Economa. La soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado.- Zona de aplicacin mucho mayor en conexiones.- Las estructuras soldadas son estructuras ms rgidas, debido a una unin directa.- Permite una real continuidad en las estructuras- Proceso de unin silencioso- Permite una buena creacin de perfiles metlicos utilizados en la ingeniera.

Desventajas de las uniones soldadas.Algunos de los defectos que se encuentran en la soldadura son:Porosidad:Se usa para describir los huecos globulares, libre de todo material slido, que se encuentra con frecuencia en los cordones de soldadura.Agrietamiento:El agrietamiento se puede producir tanto en las juntas soldadas como en el metal de soldadura.El agrietamiento de las juntas soldadas ocurre por la presencia de esfuerzos multi-direccionales localizados que en algn punto rebasan la resistencia mxima del metal.El agrietamiento del metal de soldadura ocurre en la primera etapa del soldado y se expande hacia las prximas capas.Solucin:1. Disminuir velocidad de avance soldado.2. Modificar los electrodos.Penetracin incompleta:Esta expresin se usa para describir la situacin en que el metal depositado y el metal base no se funden en forma integral en la raz de la soldadura.Socavamiento:Se denomina as a la reduccin de espesor en el metal base, en la lnea en la que se uni por fusin el ltimo cordn de la superficie.Se generan a menudo por:Corriente demasiada alta.Arco no adecuado.

Conclusin.En esta unidad se ha estudiado y visto ejemplos de aplicacin en los distintos tipos de uniones o conexiones estructurales, basndonos por las especificaciones de la AISC.Recabado este trabajo optamos por diversos tipos de uniones, que cada una de ellas se usa en condiciones distintas. Cabe mencionar que tambin pudimos comparar la ejecucin de cada una de ellas, as como el costo de aplicacin, y en el caso de las soldaduras, el costo de materiales y mano de obra.Teniendo como conclusin que las uniones remachadas o roblones ya no se estn utilizando, debido a las nuevas innovaciones tecnolgicas y tcnicas que han sido puestas en prctica con resultados mucho ms beneficiales.

Bibliografa

AHMSA. (2013). Manual de Diseo para la Construccion con Acero. Mexico.

AISC, I. C. (2010). AISC. Santiago de Chile.: Asociacin Latinoamericana del Acero. (ALACERO).

McCormac. (s.f.). Diseo de estructuras de acero - Metodo LRFD. Mexico, Df. : ALFAOMEGA.