Conexiones

Conexiones

Héctor Soto RodríguezCentro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil

Morelia, Mich. MéxicoAgosto de 2005

Revisión, elaboración del guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

Conexiones

1. Introducción

2. Conexiones típicas

3. Daños en conexiones

4. Conexiones atornilladas

5. Conexiones soldadas

6. Elementos de conexión

CONTENIDO

DEFINICIONES1. Introducción

• Conexión: conjunto de elementos que unen cada miembro a la junta: placas o ángulos por alas o alma, soldaduras, tornillos.

• Junta: zona de intersección de los miembros estructurales.

Tipos de conexiones estructurales para edificios

1. Introducción

1. Conexión viga-columna de esquina

2. Conexión viga-columna

3. Conexión de viga secundaria a viga principal

4. Empalme de columna y de cabezal

5. Placa base de columna

6. Conexión de larguero de techo y de fachada

TIPOS

1. Introducción

• Por tipo de conectores – Remaches (en desuso)– Soldadura– Tornillos de alta resistencia ASTM A325 y ASTM 490

• Por rigidez de la conexión– Flexible– Semi-rígida– Rígida

• Por elementos de conexión– Ángulos– Placas y ángulos

– Ángulos de asiento– Perfiles Te

CLASIFICACION

1. Introducción

• Por fuerza que transmiten– Fuerza cortante (conexión flexible)– Fuerza cortante y momento flexionante (conexión rígida o semi-rígida)– Fuerzas internas de tensión y compresión (armaduras y contraventeos)

• Por lugar de fabricación– Conexiones de taller (hechas en el taller de fabricación de estructuras

metálicas)– Conexiones de campo (fabricadas en el taller y armadas en el sitio de la

obra)

• Por mecanismo de resistencia de la conexión– Conexiones por fricción– Conexiones por aplastamiento

CLASIFICACION

CONEXIONESCOMPORTAMIENTO

Gráfica momento rotación para los tipos de Construcción adoptados por las

Especificaciones AISC

1. Introducción

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

1. Introducción

Conexiones flexibles

1. Introducción CONEXIONES VIGA-COLUMNA

Conexiones rígidas

1. Introducción

• Especificación AISC 2005: – Capitulo J - Diseño de Conexiones

• Referencias Adicionales para Conexiones en Estructuras de Acero Sismo - Resistentes:– Norma AISC 2005 Para Diseño Sísmico de Edificios de Acero.– Conexiones Precalificadas Para Marcos de Acero a Momento

especiales e intermedios para aplicaciones sísmicas.

REFERENCIASPARA DISEÑO

Ángulos dobles: Atornillado - Atornillado

CONEXIONESVIGA-TRABE


Ángulos dobles: Soldado - Atornillado

2. Conexiones típicas CONEXIONESVIGA-TRABE

Placa de cortante


Placa simple (Placa de cortante)



Placa simple (Placa de cortante).Vigas de igual peralte

CONEXIONESVIGA-TRABE

2 Ángulos

Ángulos DoblesConexión al patín de la columna

2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLESVIGA-COLUMNA

2 Ángulos

Ángulos doblesConexión al alma de la columna


Placa simple

Placa simple (Placa de cortante)


Ángulo de asiento


Conexión atornillada con perfil T atiesado



Placas horizontales en patines de la trabe

CONEXIONES DE MOMENTOVIGA-COLUMNA


V M

Patines de la trabe soldados a la columna



Placa de extremo


CONEXION DIAGONALESDE CONTRAVENTEO


2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALESDE CONTRAVENTEO

Conexión de contraventeos en edificios altos


Empalme atornillado de tramos de columnas

EMPALMES2. Conexiones típicas

Empalme soldado de columna

2. Conexiones típicas EMPALMES

Placa base de columna

BASES DECOLUMNAS


DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO

COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS

CONEXIONESVIGA-COLUMNA


DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO

COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS

3. Daños en conexiones CONEXIONESVIGA-COLUMNA

Fractura en el patín de la viga y el patín de la columna en la zona próxima a la soldadura


Fractura en la soldadura y fractura vertical en el patín de la columna.


DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO

DAÑOS ENCONTRAVENTEOS



3. Daños en conexiones DAÑOS ENCONTRAVENTEOS


DAÑOS EN PLACAS BASE


CARACTERISTICAS4. Conexiones atornilladas

• VENTAJAS– Rapidez en el atornillado y menor tiempo de ejecución de una obra– No se requiere mano de obra especializada– Inspección visual sencilla y económica

– Facilidad para sustituir piezas dañadas– Mayor calidad en la obra

• DESVENTAJAS– Mayor trabajo en taller – Cuidado en la elaboración de los planos de taller y de montaje– Mayor precisión en geometría (las tolerancias son al milímetro)

– Mayor peso de la estructura– Menor amortiguamiento

COMPORTAMIENTO4. Conexiones atornilladas

Comportamiento general de una junta atornillada

I

II

III

IV

4. Conexiones atornilladas CLASIFICACION

Aplastamiento (bearing-type joints) Fricción (slip-critical joints)

MODOS DE FALLA4. Conexiones atornilladas

Las formas típicas de falla son:

• Cortante• Aplastamiento• Desgarramiento

• Sección insuficiente

• Falla del tornillo por cortante

• Falla de la placa por cortante

4. Conexiones atornilladas MODOS DE FALLA


• Falla por aplastamiento:

• Falla por sección insuficiente (sección crítica)

MODOS DE FALLA

Aplastamiento en el tornillo Aplastamiento en la placa

Deformación por flexión Ruptura por tensión


• Falla del tornillo por flexión o tracción

MODOS DE FALLA

TIPOS DE TORNILLOS4. Conexiones atornilladas

Tornillos de alta resistencia, tuercas y arandelas

4. Conexiones atornilladas TIPOS DE TORNILLOS

Tornillos en cortante

ACCIONES EN TORNILLOSDE ALTA RESISTENCIA


Tornillos sujetos atensión y cortantey cortante

Tornillos en tensión

Tipos de fuerza que actúan en los tornillos de alta resistencia y en las placas de una conexión atornillada

4. Conexiones atornilladasACCIONES EN CONEXIONESATORNILLADAS

Tornillos de alta resistencia a cortante

4. Conexiones atornilladasACCIONES EN CONEXIONESATORNILLADAS


Respuesta de tornillos de alta resistencia

a tracción directa

COMPORTAMIENTODE TORNILLOS

Respuesta de tornillos de alta resistencia

a fuerzas cortantes

4. Conexiones atornilladas COMPORTAMIENTODE TORNILLOS


• Apretado (“snug-tight”): instalado usando pocos impactos de una llave de impacto o manualmente.

• Pretensado: instalado por métodos mas controlados– Vuelta de tuerca– Llave calibrada– Tornillos especiales– Indicadores de tensión

Pretensión nominal = 70% de la capacidad del tornillo

METODOS DEINSTALACION


• Pretensión mínima


Elongación del tornillo, mm

Tensión del tornillo versus elongación


Tensión del tornillo versusrotación de la rosca


Comportamiento de conexión pretensada

4. Conexiones atornilladas METODOS DEINSTALACION


Ru ≤ φ Rn (LRFD) Ra ≤ Rn / Ω (ASD)

• Resistencia a la tracción

φ = 0.75 Ω = 2.0

Ab = área bruta del perno

Fnt = 0,75 Fu (ver Tabla J3.2)

Tornillos A325: Fu = 8440 kg/cm² (120 ksi)

Fnt = 6330 kg/cm² (90 ksi)

Tornillos A490: Fu = 10550 kg/cm ² (150 ksi)

Fnt = 7913 kg/cm² (113 ksi)

bntn AFR ⋅=

RESISTENCIA DEDISEÑO EN TENSIÓN

Roscas fuera de los planos de corte


Roscas dentro de los planos de corte

RESISTENCIA DEDISEÑO EN CORTANTE



• Aplastamiento

φ = 0.75 Ω = 2.0

Ab = área bruta del perno

Fnv = 0,50 Fu (hilos excluidos)

0,40 Fu (hilos incluidos)

• A325-N Fnv = 3375 kg/cm² (48 ksi)

• A325-X Fnv = 5065 kg/cm² (72 ksi)

• A490-N Fnv = 4220 kg/cm² (60 ksi)

• A490-X Fnv = 5275 kg/cm² (75 ksi)

bnvn AFR ⋅=




• Fricción

φ = 1.00 Ω = 1.50 (nivel de servicio)

φ = 0.85 Ω = 1.86 (nivel último)

µ = 0,35 superficie Clase A

= 0,50 superficie Clase B

Du = sobre-pretensión promedio = 1,13

hsc = factor por perforación = 1,0 s; 0,85 ss y o; 0,70 ls

Tb = pretensión mínima

Ns = número de planos de deslizamiento


sbscun NThDR ⋅= µ

AGUJEROS PARA TORNILLOS

Tipos de agujeros en conexiones atornilladas



• Aplastamiento

≤Ω−

≤−=

ASDFfF

FF

LRFDFfF

FF

F

ntvnv

ntnt

ntvnv

ntnt

nt

3,1

3,1' φ

INTERACCIONCORTANTE-TRACCION


• Fricción

Ta = tracción de servicio

Tu = tracción ultima

Nb = número de pernos traccionados

−

−=

⋅=

ASDNTD

T

LRFDNTD

T

k

RkR

bbu

a

bbu

u

s

nsn

5,11

1

'

INTERACCIONCORTANTE-TRACCION

Modos de falla

APLASTAMIENTOEN AGUJEROS


• Elongación excesiva del agujero por deformación de la placa

• Desgarramiento de la placa

Lc

Lc

despesor t

espesor t


• Aplastamiento o desgarramiento de la perforación

φ = 0,75 Ω = 2,0– Perforaciones estándar, sobredimensionadas, ranuras cortas

cualquiera y ranuras largas paralelas a la dirección de carga• No deformación de perforación a nivel de servicio

• Deformación de perforación no es consideración

– Ranuras largas perpendiculares a la dirección de carga

APLASTAMIENTOEN AGUJEROS

uucn dtFtFLR 4,22,1 ≤=



CARACTERISTICAS5. Conexiones soldadas

• VENTAJAS– Rigidez. Se obtienen estructuras más rígidas– Sencillez. Se elimina material (placas, ángulos, conectores)– Economía. Menor trabajo en taller– Mayor amortiguamiento

• DESVENTAJAS– Se inducen altas temperaturas al acero durante la aplicación de la

soldadura– Requiere mayor supervisión en obra– Necesita mano de obra calificada– Las condiciones climáticas y sitio de la obra afectan la calidad final– Inspección cara. Se requiere la asistencia de un laboratorio

especializado


• SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

METODOS DESOLDADURA


• GMAW (Gas Metal Arc Welding)

METODOS DESOLDADURA


• FCAW (Flux Core Arc Welding)

METODOS DESOLDADURA


• SAW (Submerged Arc Welding)

METODOS DESOLDADURA

Conexión típica trabe-columnaempleada comúnmente en Latinoamérica

5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICASVIGA-COLUMNA

Conexión típica viga-columna pre-Northridge


Conexión típica viga-columna en Japón


5. Conexiones soldadas TIPOS DESOLDADURA

5. Conexiones soldadas TIPOS DE JUNTASOLDADA

Socavación

DEFECTOS ENSOLDADURAS

Falta de fusión


Falta de penetración

Ilusión de escoria Porosidad

5. Conexiones soldadas DEFECTOS ENSOLDADURAS

Usos típicos de soldaduras de filete

5. Conexiones soldadas USOS DE SOLDADURASDE FILETE

5. Conexiones soldadas USOS DE SOLDADURASDE FILETE


Empalmes

USOS DE SOLDADURASDE FILETE

Conexiones de momento


Angulos de apoyo

USOS DE SOLDADURASDE FILETE

Conexiones simples

SIMBOLOS DESOLDADURA


Soldaduras de filete junta traslapada

Símbolo de soldadura Soldadura deseada

Soldaduras de filete miembro armado

Símbolo de soldadura

5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DESOLDADURA

Soldadura deseada



Soldaduras de filete intermitentes


Soldaduras de penetración parcial


Conexión columna placa base



Soldaduras de penetración completa



Soldaduras de tapón


5. Conexiones soldadas POSICIONES DESOLDADURA


• Soldadura de penetración (tamaño mínimo ver Tabla J2.3, sección J2.1b)

T1 T2

te = T1

T T

te = T

D T

te = D – 1/8”

te

45° ≤ α < 60°

GMAW, FCAW, posiciones v y s

D T

te = D

te

60° ≤ α

AREA EFECTIVADE SOLDADURA


• Soldadura de filete– Tamaño mínimo ver Tabla J2.4– Tamaño máximo

t≤1/4”: t

t>1/4”: t-1/16”

lw ≥ 4w

• Soldadura de tapón: área transversal de la perforación

w

w

0,707a = te

AREA EFECTIVADE SOLDADURA


• Factores φ y Ω dependen de la solicitación y el tipo de soldadura (ver Tabla J2.5)

• Resistencia nominal

– Metal base

– Soldadura

te = garganta efectiva de soldadura

lw = longitud de soldadura

wewwwn ltFAFR ⋅⋅=⋅=

BMBMn AFR ⋅=

RESISTENCIADE DISEÑO


• Soldaduras de penetración– Tracción o compresión normal al eje de la soldadura en

elementos diseñados para contacto• Metal base

φ = 0.9 Ω = 1.67

• Soldadura

φ = 0.8 Ω = 1.88

weyn ltFR ⋅⋅=

weEXXn ltFR ⋅⋅= 60,0



• Soldaduras de penetración– Corte

• Metal base: ver sección J4

• Soldadura

φ = 0.75 Ω = 2.00




• Soldaduras de filete– Corte

• Metal base: ver sección J4• Soldadura

φ = 0.75 Ω = 2.00

• Soldadura de tapón– Corte

• Metal base: ver sección J4• Soldadura

φ = 0.75 Ω = 2.00



taponEXXn AFR ⋅= 60,0


• Grupos colineales o paralelos de filetes cargados a través del centro de gravedad

( )( )5,1sin5,0160,0 θ+= EXXw FF

θ

GRUPOS DESOLDADURA


• Grupos de soldaduras de filete (método plástico)

( )( ) ( )( ) ( )[ ]

( )( ) ww

w

rr

p

pppf

pfFF

u

m

crituii

mi

EXXw

17,06087,1

2209,0

9,09,1

sin5,0160,0

65,0

32,0

3,0

5,1

≤+=∆

+=∆

∆=∆∆∆=

−=

+=

−

−

θ

θ

θ

j

i

rj

ri

j

i

GRUPOS DESOLDADURA

∑∑ == wiwiynywiwixnx AFRAFR


• Grupos de filetes longitudinales y transversales cargados a través del centro de gravedad

( )wtwlwtwln RRRRR 5,185,0,max ++=

GRUPOS DESOLDADURA


• Elementos en tensión

• Elementos en cortante• Ruptura en bloque por cortante y tensión• Elementos bajo cargas concentradas

CONSIDERACIONES DE

DISEÑO COMPLEMENTARIAS

P

Placa de unión en tensión

Revisar la fluencia de la placa de unión

Rn = Ag Fy

φ = 0.9 Ω = 1.67Pu ≤ φ Rn (LRFD)

Pa ≤ Rn / Ω (ASD)

6. Elementos de conexión ELEMENTOS

EN TENSION

P

Placa de unión en tensión

Revisar la fractura de la placa de unión

Rn = Ae Fu

φ = 0.75 Ω = 2.00Pu ≤ φ Rn (LRFD)

Pa ≤ Rn / Ω (ASD)


EN TENSION

Sección Whitmore

a) Junta atornillada b) Junta soldada


EN TENSION

Vu

Revisar la fluencia por cortante en la placa de conexión

Rn = Ag (0.6 Fy)φ = 1.0 Ω = 1.50 Vu ≤ φ Rn (LRFD)

Va ≤ Rn / Ω (ASD)


EN CORTANTE

Vu

Revisar la fractura por cortante de la placa de conexiónRn = Ae (0.6 Fu)φ = 0.75 Ω = 2.00 Vu ≤ φ Rn (LRFD)

Va ≤ Rn / Ω (ASD)


EN CORTANTE

P

Ant = área neta de la superficie de falla por tensión

Agt = área total de la superficie de falla por cortante

Ant = área neta de la superficie de falla por cortante

Superficie de falla por tensión

Superficie de fallapor cortante

6. Elementos de conexión BLOQUE DE

CORTANTE

( )gvynvuntubsn AFAFAFUR ⋅⋅+⋅= 6,0,6,0min

φ = 0,75 Ω = 2,00

• Ubs = 1 para esfuerzos uniformes en la superficie en tensión

• Ubs ≠ 1 para esfuerzos no uniformes en superficies en tensión

Extremos deángulos

Conexión extrema de vigacon varias hileras de tornillos

Ubs = 0.50

6. Elementos de conexión BLOQUE DE

CORTANTE

Conexión extrema de vigacon una hilera de tornillos

Ángulo soldado Placas de unión


• Flexión local del ala

φ = 0.90 Ω = 1.67

– no chequear si ancho de carga ≤ 0,15 bf

– reducir capacidad en 50% si fuerza es aplicada a menos de 10 t f del borde del elemento

yffn FtR 225,6=

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS

P


• Fluencia local del alma

φ = 1.00 Ω = 1.50– fuerza aplicada a más de d del borde del elemento

– fuerza aplicada a menos de d del borde del elemento

( ) wywn tFNkR += 5

( ) wywn tFNkR += 5,2

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS

N

k

5k+N


• Arrugamiento del alma

φ = 0.75 Ω = 2.00– fuerza es aplicada a más de 0,5d del borde del elemento

w

fyw

f

wwn t

tEF

t

t

d

NtR

+=

5,1

2 3180,0

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS


• Arrugamiento del alma– fuerza aplicada a menos de 0.5d del borde del elemento

w

fyw

f

wwn

w

fyw

f

wwn

t

tEF

t

t

d

NtRd

N

t

tEF

t

t

d

NtRd

N

−+=>

+=≤

5,1

2

5,1

2

2,04

140,02,0

3140,02,0

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS


• Pandeo lateral del alma

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS


• Pandeo lateral del alma

φ = 0.85 Ω = 1.76– Ala comprimida está restringida a la rotación

– Ala comprimida no está restringida a la rotación

( ) ( )

=≤

3

2

3

4,07,1f

wfwrnfw bl

th

h

ttCRblth

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS

( ) ( )

+=≤

3

2

3

4,013,2f

wfwrnfw bl

th

h

ttCRblth


• Pandeo del alma en compresión

φ = 0.90 Ω = 1.67

reducir 50% si está a menos de d/2 del extremo del elemento

h

EFtR

yww

n

324=

ELEMENTOS BAJO

CARGAS CONCENTRADAS

Conexiones

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