Conexiones
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Este documento presenta información sobre diferentes tipos de conexiones estructurales para edificios de acero. Describe conexiones típicas entre vigas y columnas, así como entre otros elementos estructurales. También analiza daños comunes en conexiones debidos a sismos y explica características y comportamiento de conexiones atornilladas y soldadas. El documento proporciona referencias para el diseño sísmico de edificios de acero.
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Conexiones
- 1. Conexiones Héctor Soto Rodríguez Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil Morelia, Mich. México Agosto 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
- 2. Conexiones 1. Introducción 2. Conexiones típicas 3. Daños en conexiones 4. Conexiones atornilladas 5. Conexiones soldadas 6. Elementos de conexión CONTENIDO
- 3. DEFINICIONES 1. 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.
- 4. 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
- 5. 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
- 6. 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
- 7. CONEXIONES COMPORTAMIENTO Gráfica momento rotación para los tipos de Construcción adoptados por las Especificaciones AISC 1. Introducción
- 10. 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. REFERENCIAS PARA DISEÑO
- 11. Ángulos dobles: Atornillado - Atornillado CONEXIONES VIGA-TRABE 2. Conexiones típicas
- 12. Ángulos dobles: Soldado - Atornillado 2. Conexiones típicas CONEXIONES VIGA-TRABE
- 13. Placa de cortante 2. Conexiones típicas CONEXIONES VIGA-TRABE
- 14. Placa simple (Placa de cortante) 2. Conexiones típicas CONEXIONES VIGA-TRABE
- 15. 2. Conexiones típicas Placa simple (Placa de cortante). Vigas de igual peralte CONEXIONES VIGA-TRABE
- 16. 2 Ángulos Ángulos Dobles Conexión al patín de la columna 2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA
- 17. 2 Ángulos Ángulos dobles Conexión al alma de la columna 2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA
- 18. Placa simple Placa simple (Placa de cortante) 2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA
- 19. Ángulo de asiento 2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA
- 20. Ángulo de asiento 2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA
- 21. Conexión atornillada con perfil T atiesado 2. Conexiones típicas CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA
- 22. 2. Conexiones típicas Placas horizontales en patines de la trabe CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA
- 23. 2. Conexiones típicas V M Patines de la trabe soldados a la columna CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA
- 24. 2. Conexiones típicas Placa de extremo CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA
- 25. CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO 2. Conexiones típicas
- 26. 2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO
- 27. Conexión de contraventeos en edificios altos 2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO
- 28. 2. Conexiones típicas CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO
- 29. Empalme atornillado de tramos de columnas EMPALMES 2. Conexiones típicas
- 30. Empalme soldado de columna 2. Conexiones típicas EMPALMES
- 31. Placa base de columna BASES DE COLUMNAS 2. Conexiones típicas
- 32. DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS CONEXIONES VIGA-COLUMNA 3. Daños en conexiones
- 33. DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS 3. Daños en conexiones CONEXIONES VIGA-COLUMNA
- 34. DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS 3. Daños en conexiones CONEXIONES VIGA-COLUMNA
- 35. Fractura en el patín de la viga y el patín de la columna en la zona próxima a la soldadura 3. Daños en conexiones CONEXIONES VIGA-COLUMNA
- 36. Fractura en la soldadura y fractura vertical en el patín de la columna. 3. Daños en conexiones CONEXIONES VIGA-COLUMNA
- 37. DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO DAÑOS EN CONTRAVENTEOS 3. Daños en conexiones
- 38. DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO 3. Daños en conexiones DAÑOS EN CONTRAVENTEOS
- 39. DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO DAÑOS EN PLACAS BASE 3. Daños en conexiones
- 40. CARACTERISTICAS 4. 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
- 41. COMPORTAMIENTO 4. Conexiones atornilladas Comportamiento general de una junta atornillada I II III IV
- 42. 4. Conexiones atornilladas CLASIFICACION Aplastamiento (bearing-type joints) Fricción (slip-critical joints)
- 43. MODOS DE FALLA 4. Conexiones atornilladas Las formas típicas de falla son: • Cortante • Aplastamiento • Desgarramiento • Sección insuficiente
- 44. • Falla del tornillo por cortante • Falla de la placa por cortante 4. Conexiones atornilladas MODOS DE FALLA
- 45. 4. Conexiones atornilladas • Falla por aplastamiento: • Falla por sección insuficiente (sección crítica) MODOS DE FALLA Aplastamiento en el tornillo Aplastamiento en la placa
- 46. Deformación por flexión Ruptura por tensión 4. Conexiones atornilladas • Falla del tornillo por flexión o tracción MODOS DE FALLA
- 47. TIPOS DE TORNILLOS 4. Conexiones atornilladas Tornillos de alta resistencia, tuercas y arandelas
- 48. 4. Conexiones atornilladas TIPOS DE TORNILLOS
- 49. Tornillos en cortante ACCIONES EN TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA 4. Conexiones atornilladas Tornillos sujetos a tensión y cortantey cortante Tornillos en tensión
- 50. Tipos de fuerza que actúan en los tornillos de alta resistencia y en las placas de una conexión atornillada 4. Conexiones atornilladasACCIONES EN CONEXIONES ATORNILLADAS
- 51. Tornillos de alta resistencia a cortante 4. Conexiones atornilladasACCIONES EN CONEXIONES ATORNILLADAS
- 52. 4. Conexiones atornilladas Respuesta de tornillos de alta resistencia a tracción directa COMPORTAMIENTO DE TORNILLOS
- 53. Respuesta de tornillos de alta resistencia a fuerzas cortantes 4. Conexiones atornilladas COMPORTAMIENTO DE TORNILLOS
- 54. 4. Conexiones atornilladas • 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 DE INSTALACION
- 55. 4. Conexiones atornilladas • Pretensión mínima METODOS DE INSTALACION
- 56. Elongación del tornillo, mm Tensión del tornillo versus elongación 4. Conexiones atornilladas Tensión del tornillo versus rotación de la rosca METODOS DE INSTALACION
- 57. Comportamiento de conexión pretensada 4. Conexiones atornilladas METODOS DE INSTALACION
- 58. 4. Conexiones atornilladas 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 DE DISEÑO EN TENSIÓN
- 59. Roscas fuera de los planos de corte 4. Conexiones atornilladas Roscas dentro de los planos de corte RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE
- 60. 4. Conexiones atornilladas Ru ≤ φ Rn (LRFD) Ra ≤ Rn / Ω (ASD) • 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 ⋅= RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE
- 61. 4. Conexiones atornilladas Ru ≤ φ Rn (LRFD) Ra ≤ Rn / Ω (ASD) • 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 RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE sbscun NThDR ⋅= µ
- 62. AGUJEROS PARA TORNILLOS Tipos de agujeros en conexiones atornilladas 4. Conexiones atornilladas
- 63. 4. Conexiones atornilladas • Aplastamiento ≤ Ω − ≤− = ASDFf F F F LRFDFf F F F F ntv nv nt nt ntv nv nt nt nt 3,1 3,1 ' φ INTERACCION CORTANTE-TRACCION
- 64. 4. Conexiones atornilladas • Fricción Ta = tracción de servicio Tu = tracción ultima Nb = número de pernos traccionados − − = ⋅= ASD NTD T LRFD NTD T k RkR bbu a bbu u s nsn 5,1 1 1 ' INTERACCION CORTANTE-TRACCION
- 65. Modos de falla APLASTAMIENTO EN AGUJEROS 4. Conexiones atornilladas • Elongación excesiva del agujero por deformación de la placa • Desgarramiento de la placa Lc Lc d espesor t espesor t
- 66. 4. Conexiones atornilladas • 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 APLASTAMIENTO EN AGUJEROS uucn dtFtFLR 4,22,1 ≤= uucn dtFtFLR 0,35,1 ≤= uucn dtFtFLR 0,20,1 ≤=
- 67. CARACTERISTICAS 5. 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
- 68. 5. Conexiones soldadas • SMAW (Shielded Metal Arc Welding) METODOS DE SOLDADURA
- 69. 5. Conexiones soldadas • GMAW (Gas Metal Arc Welding) METODOS DE SOLDADURA
- 70. 5. Conexiones soldadas • FCAW (Flux Core Arc Welding) METODOS DE SOLDADURA
- 71. 5. Conexiones soldadas • SAW (Submerged Arc Welding) METODOS DE SOLDADURA
- 72. Conexión típica trabe-columna empleada comúnmente en Latinoamérica 5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICAS VIGA-COLUMNA
- 73. Conexión típica viga-columna pre-Northridge 5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICAS VIGA-COLUMNA
- 74. Conexión típica viga-columna en Japón 5. Conexiones soldadas CONEXIONES TIPICAS VIGA-COLUMNA
- 75. 5. Conexiones soldadas TIPOS DE SOLDADURA
- 76. 5. Conexiones soldadas TIPOS DE JUNTA SOLDADA
- 77. Socavación DEFECTOS EN SOLDADURAS Falta de fusión 5. Conexiones soldadas
- 78. Falta de penetración Ilusión de escoria Porosidad 5. Conexiones soldadas DEFECTOS EN SOLDADURAS
- 79. Usos típicos de soldaduras de filete 5. Conexiones soldadas USOS DE SOLDADURAS DE FILETE
- 80. 5. Conexiones soldadas USOS DE SOLDADURAS DE FILETE
- 81. 5. Conexiones soldadas Empalmes USOS DE SOLDADURAS DE FILETE Conexiones de momento
- 82. 5. Conexiones soldadas Angulos de apoyo USOS DE SOLDADURAS DE FILETE Conexiones simples
- 83. SIMBOLOS DE SOLDADURA 5. Conexiones soldadas Soldaduras de filete junta traslapada Símbolo de soldadura Soldadura deseada
- 84. Soldaduras de filete miembro armado Símbolo de soldadura 5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DE SOLDADURA Soldadura deseada
- 85. 5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DE SOLDADURA Símbolo de soldadura Soldadura deseada Soldaduras de filete intermitentes
- 86. 5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DE SOLDADURA Soldaduras de penetración parcial Símbolo de soldadura Soldadura deseada
- 87. Conexión columna placa base 5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DE SOLDADURA
- 88. 5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DE SOLDADURA Soldaduras de penetración completa Símbolo de soldadura Soldadura deseada
- 89. 5. Conexiones soldadas SIMBOLOS DE SOLDADURA Soldaduras de tapón Símbolo de soldadura Soldadura deseada
- 90. 5. Conexiones soldadas POSICIONES DE SOLDADURA
- 91. 5. Conexiones soldadas • 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 EFECTIVA DE SOLDADURA
- 92. 5. Conexiones soldadas • 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 EFECTIVA DE SOLDADURA
- 93. 5. Conexiones soldadas • 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 ⋅= RESISTENCIA DE DISEÑO
- 94. 5. Conexiones soldadas • 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 RESISTENCIA DE DISEÑO
- 95. 5. Conexiones soldadas • Soldaduras de penetración – Corte • Metal base: ver sección J4 • Soldadura φ = 0.75 Ω = 2.00 weEXXn ltFR ⋅⋅= 60,0 RESISTENCIA DE DISEÑO
- 96. 5. Conexiones soldadas • 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 weEXXn ltFR ⋅⋅= 60,0 RESISTENCIA DE DISEÑO taponEXXn AFR ⋅= 60,0
- 97. 5. Conexiones soldadas • Grupos colineales o paralelos de filetes cargados a través del centro de gravedad ( )( )5,1 sin5,0160,0 θ+= EXXw FF θ GRUPOS DE SOLDADURA
- 98. 5. Conexiones soldadas • 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 DE SOLDADURA ∑∑ == wiwiynywiwixnx AFRAFR
- 99. 5. Conexiones soldadas • Grupos de filetes longitudinales y transversales cargados a través del centro de gravedad ( )wtwlwtwln RRRRR 5,185,0,max ++= GRUPOS DE SOLDADURA
- 100. 6. Elementos de conexión • Elementos en tensión • Elementos en cortante • Ruptura en bloque por cortante y tensión • Elementos bajo cargas concentradas CONSIDERACIONES DE DISEÑO COMPLEMENTARIAS
- 101. P Placa de unión en tensión Revisar la fluencia de la placa de unión Rn = Ag Fy φ = 0.9 Ω = 1.67 Pu ≤ φ Rn (LRFD) Pa ≤ Rn / Ω (ASD) 6. Elementos de conexión ELEMENTOS EN TENSION
- 102. P Placa de unión en tensión Revisar la fractura de la placa de unión Rn = Ae Fu φ = 0.75 Ω = 2.00 Pu ≤ φ Rn (LRFD) Pa ≤ Rn / Ω (ASD) 6. Elementos de conexión ELEMENTOS EN TENSION
- 103. Sección Whitmore a) Junta atornillada b) Junta soldada 6. Elementos de conexión ELEMENTOS EN TENSION
- 104. 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) 6. Elementos de conexión ELEMENTOS EN CORTANTE
- 105. Vu Revisar la fractura por cortante de la placa de conexión Rn = Ae (0.6 Fu) φ = 0.75 Ω = 2.00 Vu ≤ φ Rn (LRFD) Va ≤ Rn / Ω (ASD) 6. Elementos de conexión ELEMENTOS EN CORTANTE
- 106. 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 falla por cortante 6. Elementos de conexión BLOQUE DE CORTANTE ( )gvynvuntubsn AFAFAFUR ⋅⋅+⋅= 6,0,6,0min φ = 0,75 Ω = 2,00
- 107. • Ubs = 1 para esfuerzos uniformes en la superficie en tensión • Ubs ≠ 1 para esfuerzos no uniformes en superficies en tensión Extremos de ángulos Conexión extrema de viga con varias hileras de tornillos Ubs = 0.50 6. Elementos de conexión BLOQUE DE CORTANTE Conexión extrema de viga con una hilera de tornillos Ángulo soldado Placas de unión
- 108. 6. Elementos de conexión • 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 tf del borde del elemento yffn FtR 2 25,6= ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS P
- 109. 6. Elementos de conexión • 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
- 110. 6. Elementos de conexión • Arrugamiento del alma φ = 0.75 Ω = 2.00 – fuerza es aplicada a más de 0,5d del borde del elemento w fyw f w wn t tEF t t d N tR += 5,1 2 3180,0 ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS
- 111. 6. Elementos de conexión • Arrugamiento del alma – fuerza aplicada a menos de 0.5d del borde del elemento w fyw f w wn w fyw f w wn t tEF t t d N tR d N t tEF t t d N tR d N −+=> +=≤ 5,1 2 5,1 2 2,0 4 140,02,0 3140,02,0 ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS
- 112. 6. Elementos de conexión • Pandeo lateral del alma ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS
- 113. 6. Elementos de conexión • 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 4,07,1 f wfwr nfw bl th h ttC Rblth ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS ( ) ( ) +=≤ 3 2 3 4,013,2 f wfwr nfw bl th h ttC Rblth
- 114. 6. Elementos de conexión • 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 EFt R yww n 3 24 = ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS
Editor's Notes
- Conexiones
- En este capítulo se presentan los conceptos principales del diseño de conexiones. El capítulo comienza con definiciones y clasificación de conexiones, para seguir con una muestra de conexiones típicas y sus diferentes usos. A continuación se presentan algunos de los daños típicos observados en conexiones de estructuras de acero. Luego, se presentan las características principales de las conexiones atornilladas y soldadas, para finalmente resumir las disposiciones de diseño para estos tipos de conexiones.
- Una conexión es el conjunto de elementos que unen cada miembro estructural a la junta: placas o ángulos por patines o alma, soldaduras, tornillos. Junta es la zona completa de intersección de los miembros estructurales. En la mayoría de los casos, esta zona es la parte de la columna que queda comprendida entre los planos horizontales que pasan por los bordes superior e inferior de la viga de mayor peralte, incluyendo atiesadores y placas de refuerzo del alma, cuando los haya. Nota importante: El costo de las uniones representa un porcentaje elevado del valor total de la estructura.
- La figura muestra los distintos tipos de conexiones que se pueden encontrar en edificios industriales y urbanos estructurados como marcos rígidos.
- Las conexiones se pueden clasificar de acuerdo a varios criterios. El primero de ellos es de acuerdo al tipo de conectores usados. Podemos clasificar las conexiones en aquellas que usan: remaches, soldadura o tornillos de alta resistencia. Los remaches fueron usados mayormente en la primera mitad del siglo XX para luego ser reemplazados por métodos de conexión más confiables, como la soldadura o los tornillos de alta resistencia. El uso de la soldadura estructural como principal medio de unión entre miembros estructurales data de más de 50 años, mientras que los tornillos de alta resistencia se han utilizado a partir de hace más de 20 años en conexiones estructurales viga-columna, principalmente en edificios altos. Con mucha frecuencia, el diseñador debe tomar la decisión de emplear conexiones soldadas o atornilladas. Esta decisión se basa en la experiencia práctica, costo de las conexiones y rapidez constructiva. Una segunda clasificación está relacionada con el comportamiento de la conexión. De acuerdo a este criterio, podemos clasificar las conexiones en Flexibles: su resistencia a momento no sobrepasa el 20% de la capacidad de los miembros que conectan. Normalmente se consideran como conexiones simples que sólo transmiten cortante. Semi-rígidas: resisten una fracción de la capacidad de momento de los elementos que conectan, pero poseen gran capacidad de deformación. Rígidas: su resistencia es mayor que la de los miembros que conectan y su rigidez es suficientemente alta para despreciar su deformación con respecto a la de los mismos miembros. Una tercera clasificación es de acuerdo a los elementos que conforman la conexión. Como veremos más adelante, para conectar dos miembros estructurales, a menudo es necesario utilizar elementos de conexión adicionales, los que incluyen ángulos, placas, y perfiles T.
- Podemos también clasificar las conexiones de acuerdo a los esfuerzos que transmiten. Tenemos entonces conexiones que transmiten sólo cortante (las que corresponden a las conexiones flexibles definidas anteriormente), conexiones que transmiten cortante y momento flexionante (correspondientes a las conexiones rígidas y semi-rígidas) y conexiones que transmiten esfuerzo axial, ya sea tracción o compresión, normalmente utilizadas en armaduras y contraventeos. También es posible dividir las conexiones de acuerdo al lugar en que son ejecutadas. Así, existen conexiones de taller y conexiones de campo, las que a menudo coexisten en las juntas estructurales. Por último, en el caso particular de las conexiones atornilladas y remachadas, es posible dividirlas de acuerdo al mecanismo resistente en conexiones por fricción y conexiones por aplastamiento. En las conexiones por fricción se considera que su resistencia se desarrolla por fricción entre las partes unidas en el plano potencial de deslizamiento. No se presenta ningún movimiento relativo entre las partes conectadas hasta que no se exceda la carga de diseño. En las conexiones por aplastamiento se considera que su resistencia es una combinación de la resistencia a cortante de los sujetadores (tornillos o remaches) y del aplastamiento del material unido, contra el sujetador.
- La figura ilustra el comportamiento de conexiones rígidas, semi-rígidas y flexibles. Como se explicó anteriormente, las conexiones rígidas no permiten rotaciones apreciables en la conexión y soportan el máximo momento que pueda transferir la viga. Las conexiones semi-rígidas permiten mayor rotación en la conexión, ya sea por inelasticidad o cambio de rigidez elástica. Las conexiones flexibles o simples, por último, tienen una capacidad de momento que no es considerable y permiten la rotación casi libre de los extremos de la viga.
- La figura muestra dos ejemplos de conexiones flexibles. La conexión de la izquierda utiliza ángulos para servir de apoyo a la viga. La conexión mostrada en el centro y a la derecha utiliza ángulos para conectar el alma de la viga a la columna. Las conexiones flexibles se tratan como si fueran articulaciones y se diseñan para trasmitir solamente la reacción vertical.
- La figura muestra dos tipos de conexiones rígidas. En la conexión de la izquierda, las alas de la viga están directamente soldadas al ala de la columna y el alma puede estar soldada directamente o conectada a través de una placa o ángulo para transmitir el cortante. En la conexión de la derecha, se utilizan placas para conectar tanto las alas como el alma. Las conexiones rígidas transmiten momento flexionante y fuerza cortante.
- Las disposiciones de diseño que se presentan en este capítulo corresponden a las presentadas en la especificación AISC 2005, en su capítulo J. Las recomendaciones de diseño sismorresistente provienen de la norma de diseño sísmico de la AISC 341 y del documento AISC 358, ambas del 2005.
- A continuación se presentan algunas de las conexiones típicas utilizadas en estructuras de acero. Las conexiones están agrupadas por los tipos de miembros que conectan y por el tipo de esfuerzo que transmiten. El primer grupo es el de conexiones entre vigas principales (trabes) y vigas secundarias. Estas conexiones se diseñan para transmitir sólo cortante. El esquema y las fotos muestran una conexión donde la viga secundaria se conecta al alma de la viga principal a través de ángulos, los que están apernados al alma de ambas vigas. Dependiendo de la altura de la viga secundaria, puede ser necesario cortar el ala superior o ambas alas de esta viga. En la conexión de la foto superior, los pernos que conectan el ángulo a la viga secundaria se han desplazado con respecto a los que conectan el ángulo a la viga principal para facilitar su instalación.
- La misma conexión anterior se puede realizar atornillando el ángulo al alma de la viga principal y soldándolo al alma de la viga secundaria. Se debe tener cuidado con la especificación de la soldadura para no generar una conexión muy rígida que genere esfuerzos de flexión importantes, para los que la conexión no está diseñada.
- Es posible utilizar placas en lugar de ángulos, las que están atornilladas a la viga principal y soldadas al alma de la viga secundaria.
- Una variante más común es el uso de placas de cortante, donde la viga secundaria se atornilla a una placa previamente soldada al alma de la viga principal. La figura ilustra el caso en que la viga secundaria es más baja que la viga principal.
- Si la viga secundaria tiene el mismo peralte que la viga principal, será necesario recortar ambas alas de la primera para realizar la conexión.
- El siguiente grupo de conexiones es el de conexiones entre vigas y columnas. Estas conexiones se pueden a la vez dividir en conexiones que transmiten sólo cortante (conexiones simples) y conexiones que transmiten cortante y momento. Las conexiones simples viga-columna son similares a las conexiones viga-trabe vistas antes. Tenemos entonces la conexión a través de ángulos, donde los ángulos pueden ser atornillados o soldados a la viga y al ala de la columna.
- Este mismo tipo de conexión se puede realizar cuando la viga conecta con el eje débil de la columna. En este caso, los ángulos de conexión se conectan directamente al alma de la columna.
- Otro tipo de conexión similar al caso de viga secundaria a viga principal, es la conexión a través de placa de cortante. En el caso de utilizar este tipo de conexión con columnas tubulares rectangulares, es necesario verificar que el tubo no se desgarre por efecto de la carga.
- Otro tipo de conexión simple viga-columna consiste en utilizar ángulos de asiento. En este tipo de conexión, la viga se apoya sobre un ángulo, el que puede estar atornillado o soldado a la columna. Para estabilizar la viga su utiliza un ángulo en la parte superior de ésta, el que puede ser soldado o atornillado a la viga y a la columna. Este ángulo es de dimensiones mucho menores que el ángulo de asiento para no inducir una restricción significativa a la rotación de la viga. La figura muestra el caso del ángulo superior conectado al ala superior de la viga.
- La figura ilustra una conexión con ángulo de asiento donde el ángulo superior está conectado al alma. Esto puede ser por razones arquitectónicas o de limitación de espacio.
- Es posible que debido a la magnitud de la reacción el ángulo de asiento no sea suficientemente rígido o resistente. En estos caso es posible atiesar el ángulo o utilizar un perfil T como asiento, como se muestra en la figura.
- A menudo es necesario transferir cortante y momento flexionante de la viga a la columna. Una conexión de este tipo es la conexión con placas. En esta conexión las alas de la viga se conectan a la columna a través de placas, la que están soldadas a esta última y pueden ser soldadas o apernadas a la viga, mientras que el alma se conecta usando una placa de cortante a la columna. Las placas de las alas se encargan de transferir el momento y la placa del alma, el cortante.
- También es posible evitar el uso de placas y soldar directamente las alas a la columna. Esto involucra, sin embargo, tener que cortar parte del alma cerca de las alas de la viga para permitir el paso del electrodo sin interrupciones al hacer la soldadura. En el caso de una conexión al eje débil de la columna, es necesario instalar atiesadores, como se muestra en la foto de la derecha.
- Otro tipo de conexión de momento consiste en conectar la viga a través de una placa soldada en su extremo, la que se atornilla a la columna. Normalmente, la soldadura de la viga a la placa se realiza en taller y luego se atornilla la viga con las placas de extremo a la columna en obra.
- Un tercer grupo de conexiones lo constituyen aquellas que conectan las diagonales de contraventeo al resto de la estructura. La configuración más común es conectar la diagonal (a través de tornillos o soldadura) a una placa, la que a su vez está soldada a la viga y la columna. La figura muestra este tipo de conexión para una diagonal tubular. En este caso se hace una ranura en el tubo para insertarlo en la placa y se conectan ambas partes con soldadura.
- En el caso de contraventeos en X con diagonales tubulares, una solución es interrumpir una diagonal para dejar pasar al otra e insertar una placa a través de una ranura en la diagonal continua para conectar las dos partes de la diagonal interrumpida, como se muestra en la figura de la izquierda. La figura de la derecha muestra el detalle de conexión de la diagonal a una columna en la base de la estructura. En este caso, la placa de conexión está soldada a la columna y la placa base.
- En edificios altos, a veces es necesario utilizar diagonales de contraventeo que cubren más de un piso. La figura ilustra una solución a este problema de conexión, en que la diagonal es continua en dos pisos y la viga se interrumpe. Las dos partes de la viga se conectan a las diagonales con conexiones simples.
- Otro tipo de conexión cuando se usan diagonales de contraventeo consiste en dividir la estructura en partes, donde una sección de la diagonal es conectada a la viga y la otra a la columna en taller. Luego en terreno, se unen con tornillos ambas partes.
- Otro grupo de conexiones lo constituyen aquellas que permiten dar continuidad a un miembro estructural cuando hay cambios de sección o cuando la longitud de los miembros disponibles no permite cubrir toda la longitud del miembro estructural. Este tipo de conexiones se conoce como empalmes y su uso más común es en columna de edificios de varios pisos de altura. La figura muestra un empalme de columna completamente atornillado.
- Los empalmes también pueden hacerse a través de soldaduras. En la figura se muestra un empalme entre dos secciones de columna donde las alas están unidas con soldadura de penetración completa y las almas está apernadas.
- Por último, existe un grupo de conexiones cuya función es conectar la estructura de acero a la fundación de hormigón. Este tipo de conexiones se materializa normalmente usando placas base, las que son soldadas al extremo de la columna y atornilladas a las barras roscadas de fundación, embebidos en el hormigón. La figura de la izquierda muestra una conexión donde no se esperan grandes esfuerzos de tracción. El detalle de la derecha es usado cuando la tracción es significativa en la base, de modo de proveer una longitud deformable a la barra de fundación.
- Revisaremos, a continuación algunos de los daños observados en conexiones por efecto de la acción de sismos severos. Los daños observados en conexiones de momento viga-columna incluyen: En las vigas: pandeo local del alma (V6) y las alas (V1), pandeo lateral del ala inferior (V2 y V8), fractura de las alas (V3 y V4), fractura del alma (V7). En las columnas: pandeo local de las alas (C6), fractura de las alas en la vecindad de la conexión con la viga (C1, C2, C3 y C4), delaminación del ala (C5) fractura de la sección transversal (C7).
- En la zona de panel (intersección de viga y columna): fractura de la sección transversal (T7, T9), pandeo (T3, T8), desgarramiento local (T5, T6), pandeo del atiesador (T7)
- En los elementos de conexión: fractura del área neta de la placa de cortante (PC4), fractura de la soldadura de la placa de cortante a la columna (PC6), fractura de los pernos en cortante (PC5), fractura de la soldadura de la placa de cortante al alma de la viga (PC2), fractura de la soldadura del ala de la viga a la columna (S2, S3, S4 y S5).
- En el caso particular de las fallas en o cerca de la soldadura del ala de la viga a la columna, se observaron los siguientes casos: Fracturas en las regiones afectadas por la temperatura de la soldadura en vigas y columnas: el calor generado por la soldadura genera zonas menos dúctiles en el área inmediatamente adyacente a ellas.
- Fractura de la soldadura y fractura del material base del ala de la columna, debidos a esfuerzos de tracción mayores que los esperados en el ala inferior de la viga.
- En el caso de contraventeos, se ha observado la falla de las placas de conexión por pandeo local, lo que induce la deformación de la diagonalde contraventeo fuera del plano.
- También se ha observado la falla de la diagonal por pandeo local seguido de fractura de la pared de esta. La fractura se produce después de pocos ciclos de pandeo local en compresión, el que induce deformaciones inelásticas grandes, y estiramiento en tracción.
- Por último, se han observado fracturas en placas base de columnas. Estas fracturas se originan en el borde de la soldadura, en el material base afectado por el calor, y se extienden hacia el borde de la placa.
- A continuación, vamos a estudiar más en detalle las conexiones atornilladas. Las conexiones atornilladas presentan ciertas características que las hacen más o menos apropiadas dependiendo de la aplicación. Las principales ventajas de las conexiones atornilladas están en la rapidez de ejecución, el bajo nivel de calificación requerido para construirlas, la facilidad de inspección y reemplazo de partes dañadas y la mayor calidad que se obtiene al hacerlas en obra comparadas con conexiones soldadas. Entre las desventajas podemos mencionar: El mayor trabajo requerido en taller, lo que puede significar un costo más alto El mayor cuidado requerido en la elaboración de los detalles de conexión para evitar errores en la fabricación y montaje La mayor precisión requerida en la geometría, para evitar interferencias entre conectores en distintos planos. El peso mayor de la estructura, debido a los elementos de conexión y los conectores. Y el menor amortiguamiento.
- El comportamiento de una junta hecha con tornillos de alta resistencia se puede visualizar mediante la observación de los resultados de una prueba carga-deformación en un espécimen típico. De la curva resultante se pueden distinguir 4 zonas: Zona I. Comportamiento lineal. El tornillo soporta carga y se deforma, exhibiendo un comportamiento lineal. La zona termina cuando se produce un deslizamiento en los tornillos para un nivel de carga constante. Zona II. Fin del comportamiento elástico lineal. Inicia en el instante en que se produce un deslizamiento de los tornillos con carga prácticamente constante y que está controlado por el diámetro del agujero, al hacer contacto con los bordes. Zona III. Comportamiento lineal. El tornillo soporta nuevamente carga y se reinicia otra vez el comportamiento elástico lineal. Zona IV. Comportamiento inelástico. El tornillo soporta carga exhibiendo un comportamiento inelástico, que termina con la falla de la junta atornillada.
- De acuerdo con el comportamiento descrito en la gráfica anterior, se tienen dos tipos de juntas: Juntas por aplastamiento (bearing type joints). Son aquellas que se diseñan para que la transmisión de fuerza cortante entre las partes unidas se haga por contacto directo entre los tornillos y las partes conectadas. Al someterse a carga creciente, atraviesan por las cuatro zonas definidas anteriormente. Juntas de fricción o de deslizamiento crítico (slip-critical joints). Son aquellas en las que los esfuerzos se transmiten por fricción, sin que haya deslizamientos relativos entre las partes conectadas. En teoría, se mantienen dentro de las zonas 1 y 2.
- A diferencia de las conexiones hechas con soldaduras de penetración completa o parcial, los modos de falla que pueden presentarse eventualmente en tornillos de alta resistencia, o en el material conectado de juntas y conexiones atornilladas y remachadas se detectan fácilmente debido a que son aparentes y visibles a simple vista. Las formas típicas de falla son por: Cortante Aplastamiento Desgarramiento Sección insuficiente
- La falla del tornillo por cortante se origina cuando se excede la capacidad de los tornillos. En la mayor parte de los casos esto se manifiesta con la fractura de los conectores (tornillos o remaches). La falla de la placa por cortante se caracteriza por el desgarramiento del material enfrente del tornillo y se debe a una distancia insuficiente entre el agujero y el borde de la placa.
- En el caso de la falla por aplastamiento (compresión de la placa en el interior del agujero), la capacidad de los tornillos es mucho mayor que la de las placas, por lo que normalmente el aplastamiento ocurre en la placa y no en el tornillo. El esfuerzo de aplastamiento es igual a la carga transmitida por el tornillo dividida entre el área proyectada del agujero. El área proyectada es igual al diámetro del tornillo por el grueso de la placa. La falla por sección insuficiente (sección crítica) se presenta exclusivamente en miembros en tensión. El diámetro de los tornillos y la separación de los agujeros influyen de manera importante, debido a que se reduce el área neta, lo que ocasiona que la resistencia disminuya y ocurra la ruptura de la placa en dos partes. Esta falla se puede evitar proporcionando una distancia suficiente entre centros de agujeros para tornillos y una distancia mínima al borde de la placa. El esfuerzo de tensión a través de la sección neta es igual a la carga que actúa en la conexión dividida por el área neta (área total menos la que ocupan los tornillos para los agujeros).
- La falla del tornillo por flexión puede ocurrir cuando se unen elementos de espesor muy grande, de modo que el tornillo puede desarrollar esfuerzos de flexión entre los planos conectados. Por ser de sección circular, los tornillos tienen una resistencia a la flexión limitada y pueden fallar prematuramente si este es el estado de esfuerzos que predomina. La falla del tornillo por tracción se caracteriza por la deformación o ruptura del vástago del tornillo en el interior de la junta atornillada cuando la carga de tensión es elevada.
- La figura muestra las características distintivas de los tornillos de alta resistencia, las tuercas y las arandelas.
- La tabla muestra las características geométricas que definen a los tornillos de alta resistencia, las tuercas y las arandelas.
- Los tornillos pueden trabajar bajo tres condiciones de carga: Tornillos en tracción Tornillos en cortante Tornillos en cortante y tracción combinados Para cualquier condición de carga el estado límite es el de fractura del tornillo.
- En una conexión atornillada como la de la figura, el tornillo está sujeto a esfuerzos de tracción, causados por la pretensión aplicada a este, y si el cortante se transmite por contacto directo entre el tornillo y las placas, a esfuerzos de cortante. Las placas, por otro lado, están sujetas a una presión de contacto con la cabeza del perno, la tuerca y entre si, y a una fuerza de fricción proporcional a la resultante de las presiones de contacto multiplicada por el coeficiente de roce entre placas.
- Un tornillo en una conexión puede estar sujeto a cortante simple, si es que hay una sola superficie de falla, como se muestra en las figuras superiores, o a cortante múltiple, si es que hay más de una superficie de falla. La figura inferior ilustra el caso de dos superficies de falla, donde el tornillo está en cortante doble. Como se puede ver, el mismo tornillo tendrá el doble de la capacidad en cortante doble que en cortante simple.
- La figura muestra el comportamiento carga axial-elongación para tornillos corrientes (A307) y de alta resistencia (A325 y A490). Se puede ver que a mayor resistencia, la ductilidad se ve reducida significativamente. En general, se recomienda utilizar tornillos A325 en lo posible, para obtener una buena resistencia con un comportamiento dúctil.
- En el caso de la resistencia al corte, la diferencia en ductilidad no es tan pronunciada.
- Los tornillos pueden instalarse en la conexión de dos formas, de acuerdo a la tensión inicial inducida: En la condición apretada, el tornillo se instala con una pretensión mínima, manualmente o con pocos golpes de una llave de impacto. En la condición pretensada, el tornillo se instala con una pretensión nominal igual al 70% de su resistencia nominal. Existen varios métodos para lograr este nivel de tensión inicial: Vuelta de tuerca: el más sencillo y más extendido, relaciona la pretensión aplicada con la fracción de vuelta de la tuerca aplicada. Llave calibrada: es una llave que indica directamente el torque o la tensión aplicada al tornillo. Tornillos especiales: tornillos de tensión controlada, poseen un fusible que se desprende del tornillo al alcanzar la tensión requerida. Indicadores de tensión: las más usadas son arandelas con resaltes que proveen un espacio entre la tuerca y la placa. Al aplicarse la tensión este espacio se cierra proporcionalmente a la magnitud de la fuerza, por lo que midiendo ese espacio se puede tener una aproximación al nivel de tensión inicial aplicado. En aplicaciones bajo cargas cíclicas o sísmicas, no se permite utilizar tornillos apretados.
- La tabla, extraída del Capítulo J de la especificación AISC 2005, presenta algunos valores de la pretensión nominal que se debe aplicar a tornillos en uniones pretensadas.
- Debido a que es el método más ampliamente utilizado y provee un grado de precisión aceptable, nos concentraremos en el método de la vuelta de tuerca. Este método se basa en que al girar la tuerca se induce una elongación en el tornillo, lo que se traduce en una esfuerzo de tracción. Estadísticamente se ha determinado los valores más probables de tensión resultantes de una fracción de vuelta de tuerca, como se ilustra en la figura inferior izquierda, y estos son los que recomienda la especificación. La figura de la derecha ilustra la diferencia en la tensión inicial inducida por la misma fracción de vuelta en dos tornillos de distinto material. Se puede ver que para el tornillo A325, media vuelta induce una tensión muy cercana a la carga de rotura, mientras que para el tornillo A490, se obtiene una tensión apropiada, un poco sobre la pretensión nominal.
- La figura muestra la respuesta de una conexión entre dos placas utilizando un tornillo pretensado a una tensión inicial B0. Es sencillo demostrar que mientras la carga de tracción no sobrepase el valor de la pretensión inicial, el esfuerzo de tracción en el tornillo no aumenta significativamente. Una vez sobrepasado este nivel, las placas comienzan a separarse y toda la tracción es resistida por el tornillo.
- La resistencia a la tensión de tornillos está dada por la capacidad de la sección roscada. Para considerar la reducción de área útil con respecto al área nominal del tornillo, se aplica el factor de 0.75 a la tensión de rotura Fu y se usa el área nominal.
- En una conexión atornillada existen dos posible situaciones Roscas excluidas de los planos de corte: el plano de corte no atraviesa la zona roscada del vástago del tornillo, debido a su longitud. Roscas dentro de los planos de corte: el plano de corte atraviesa la parte roscada del vástago del tornillo debido a su longitud. La resistencia a cortante va a depender de en cual de las situaciones se encuentre la conexión. Es recomendable asumir que la parte roscada siempre va a atravesar un plano de corte, salvo que exista plena certeza de que no va a ser así.
- El factor de reducción de la tensión de rotura en el caso de la resistencia a cortante por aplastamiento, corresponde a la multiplicación del factor de reducción del área (0.75 si los hilos están incluidos en el plano de falla) por la tensión de rotura en cortante, que es aproximadamente 0.6Fu, y por un factor de reducción igual a 0.8 que da cuenta de la posible distribución no uniforme de las tensiones en tornillos de una misma conexión.
- Para tornillos de fricción, el estado límite es el de deslizamiento entre las partes conectadas. El factor de reducción de la resistencia y el factor de seguridad dependen de si se requiere que no exista deslizamiento al nivel de servicio o al nivel de resistencia última. La resistencia corresponde a la fricción que se genera entre las placas conectadas debido a la pretensión de los tornillos. Esta resistencia se afecta por un factor de reducción hsc si el tamaño de la perforación es mayor que el estándar (s), es decir, si la perforación es alargada corta (ss), sobredimensionada (o) o alargada larga (ls) en la dirección de carga.
- La figura ilustra los distintos tipos de perforaciones para tornillos y sus dimensiones nominales.
- En el caso de que el tornillo esté sometido a esfuerzos combinados de tracción y cortante, es necesario modificar la resistencia de la conexión para considerar este efecto. En el caso de tornillos de aplastamiento, se reduce la tensión nominal de tracción por efecto de la tensión de corte y además se debe revisar la resistencia al corte por separado.
- En el caso de tornillos de fricción, se debe reducir la resistencia, debido a que la tensión presente en la conexión reduce la presión de compresión entre las placas.
- Además de los estados límite del tornillo es necesario considerar la falla de la placa. Existen dos posibles modos de falla dependiendo de la ubicación del tornillo: El primero es para tornillos rodeados por otros tornillos y consiste en la elongación excesiva del agujero por aplastamiento de la placa. El segundo es para tornillos en el borde de la conexión y consiste en el desgarramiento de la placa en frente del tornillo por cortante.
- Para definir la capacidad por desgarramiento de la perforación, se usa Lc, que es la distancia libre entre perforaciones adyacentes en la línea de acción de la carga, o la distancia del borde de la perforación al borde de la placa. Para definir la capacidad por aplastamiento de la perforación, se considera el área proyectada de ésta, es decir el diámetro d de la perforación multiplicado por el espesor de la placa.
- En esta sección se ahonda en las características principales de las conexiones soldadas. Las mayores ventajas de las conexiones soldadas son: Mayor rigidez: la soldadura une dos partes en una región de ancho muy limitado, las que se vuelven una sola. En ese sentido, la flexibilidad añadida por la soldadura es prácticamente nula. Sencillez: ya no es necesario utilizar tantos elementos de conexión como en el caso de las conexiones atornilladas. En el extremo, basta con soldar directamente los miembros a unir y se pueden eleiminar todos los elementos extra. Economía: el trabajo de taller requerido se reduce al mínimo, por lo que el costo de la conexión disminuye en ese ítem. Mayor amortiguamiento Entre las desventajas podemos mencionar: Inducción de altas temperaturas: el proceso de soldadura genera transformaciones de la estructura del material base en la cercanía, generando zonas menos dúctiles. Mayor supervisión requerida: la resistencia de la conexión soldada depende significativamente de la calidad de la soldadura. Mano de obra calificada requerida: la mano de obra debe estar adecuadamente calificada para realizar la soldadura en las condiciones requeridas. Dependencia del entorno: la soldadura requiere tener la menor cantidad de imperfecciones e inclusiones posible. Por esto, se ve afectada por condiciones climáticas y del medioambiente de la obra. Inspección costosa: las imperfecciones de la soldadura no son, en general, visibles por lo que debe ocuparse equipos especializados de costo elevado.
- A continuación se presentan los procesos de soldadura más usados en estructuras de acero. La elección correcta del proceso depende del lugar, el montaje, el acceso, la posición, la composición del acero y factores económicos. El método SMAW es manual y es de los más empleados en los procesos de soldadura al arco. Requiere gran habilidad para realizar soldaduras de buena calidad. El electrodo consiste en una varilla de acero revestido que contiene elementos en aleación, como manganeso o sílice. El arco funde el metal base y el electrodo. Al pasar el metal desde la varilla revestida a la masa fundida, el soldador acerca el electrodo para que la longitud del arco sea siempre igual. Esto es esencial, pues la longitud del arco determina en gran medida la anchura del cordón. El fundente se funde con la varilla, fluye por la superficie de la masa de metal derretido y forma una escoria que protege la soldadura y que hay que quitar cuando se solidifique.
- El método GMAW se llama a veces soldadura de metal con gas inerte (MIG), pese a que estrictamente hablando, el término MIG debe limitarse al cubrimiento con gas argón puro, que no se utiliza con el acero al carbono. El GMAW es un proceso semiautomático en el que el soplete, unido a un conducto flexible, se maneja a mano, pero todas las demás operaciones son automáticas. El arco y la masa derretida están envueltas en un gas que no reacciona con el acero fundido; en la práctica normal este gas es bióxido de carbono o una mezcla de argón y bióxido de carbono. No hace falta fundente para cubrir la masa derretida, ya que los elementos de aleación están en la varilla del electrodo, pero a veces se utiliza un electrodo forrado de fundente para crear una escoria que gradúa el perfil del cordón y reduce el riesgo de defectos por falta de fusión y la incidencia de porosidad. La longitud del arco es gobernada por la fuente de energía. Aunque soldar con GMAW es algo más fácil que con SMAW, hace falta destreza para preparar la soldadura en las debidas condiciones.
- El proceso FCAW es similar al proceso GMAW. Utiliza el mismo equipo, excepto por la línea de gas, ya que el gas protector se forma al fundirse el recubrimiento del electrodo.
- El proceso SAW es totalmente mecanizado pues el cabezal soldador recorre la unión automáticamente. El electrodo es un alambre desnudo movido a motor con mandos. La tensión y corriente se eligen antes de soldar y se mantienen a valores prefijados por sistemas de información que, en la práctica, varían en complejidad. El fundente es granular y se pone sobre la unión. El arco actúa por debajo del fundente fundiendo una parte de él, que forma una escoria. El fundente que no se ha fundido se recoge y sirve para la siguiente soldadura.
- La figura muestra una conexión soldada típica utilizada en Latinoamérica para conectar columnas tubulares con vigas I. Las placas de conexión de las alas se conectan a la columna con soldadura de penetración completa y a la viga con soldaduras de filete. Todas las soldaduras son de obra, excepto la de la placa de conexión de ala inferior a la columna.
- Conexión viga-columna de momento típica utilizada en Estados Unidos antes del sismo del 17 de enero de 1994, en Northridge, California. Las alas de la viga se unen con soldadura de penetración completa al ala de la columna, mientras el alma de la viga se conecta con una placa de corte a la columna.
- Conexión viga-columna de momento típica en Japón. El muñón de viga es soldado en taller a la columna y luego se une con el resto de la viga en obra, usando una conexión apernada.
- La figura muestra los diferentes tipos de soldadura que existen. Estos son: Soldadura de filete: la más sencilla de ejecutar, no requiere mayor fabricación de las partes a unir. Soldadura de penetración: utilizada cuando se quiere una soldadura monolítica entre los elementos conectados. Puede ser de penetración parcial, si solo cubre parte del espesor de uno de los elementos, o total. Pueden requierir algo de fabricación si es necesario biselar alguno de los elementos para facilitar la fusión. Soldadura de tapón y de ranura: utilizada cuando no hay espacio para hacer una de las otras soldaduras o para hacer uniones de corte menos visibles. Requieren fabricación intensiva para materializar las perforaciones a llenar luego con soldadura.
- Podemos además clasificar las soldaduras según como se encuentren los elementos conectados. Teneos entonces juntas traslapadas, juntas en T y juntas de esquina.
- Existen diversos defectos en soldaduras que deben evitarse para obtener una buena conexión. Entre ellos tenemos: Socavación: debido a un exceso de temperatura, es posible fundir demasiado el material base, de modo que parte de este fluye fuera de la conexión, creando huecos que luego pueden ser zonas de iniciación de fractura. Falta de fusión: por falta de calor, es posible que el material base no se funda completamente con el electrodo, quedando una interfaz entre los dos materiales que actúa como una imperfección y puede ser un punto de inicio de fractura.
- Falta de penetración: por una mala ejecución de la soldadura, es posible que el material fundente no penetre hasta donde fue especificado. Esto genera una conexión de resistencia menor a la esperada. Formación de escoria: debido a un enfriamiento muy rápido, se puede generar una capa de escoria en la soldadura. Esta capa parece sólida, sin embargo su resistencia es muy baja. Porosidad: la inclusión inadvertida de hidrógeno y otros gases puede generar una soldadura llena de pequeños poros, como una esponja. Cada uno de estos poros es una imperfección que es un punto potencial de iniciación de fractura.
- Esta lámina y las tres siguientes muestran los usos típicos de soldadura de filete. Las soldaduras de filete tienen una excelente resistencia al corte y son por lo tanto una buena opción para uniones traslapadas o aquellas donde la soldadura trabaje principalmente en corte.
- Filetes de soldadura también pueden usarse en placas base o placas de extremo en vigas. Sin embargo, su uso está limitado a perfiles de capacidad no muy alta. Este tipo de soldadura también se utiliza comúnmente en la unión de placas de corte o ángulos al alma de vigas, y es la soldadura preferida para fabricar miembros armados.
- También son usadas en conexiones de momento y empalmes donde hay juntas traslapadas.
- Y en conexiones simples y soldadura de ángulos de apoyo a la columna.
- Se presentan a continuación los principales símbolos de soldadura. Para mayor claridad, en cada lámina se muestran lado a lado el o los símbolos y la soldadura deseada. En primer lugar se muestran los símbolos para una soldadura de filete. El número en frente del triángulo es la dimensión nominal del filete y el número detrás del triángulo es la longitud del filete. Este orden se mantiene sin importar la orientación de la flecha.
- La soldadura indicada por debajo de la línea es la que se hace en el lado que apunta la flecha, mientras que la que se hace en el lado opuesto se indica sobre la línea.
- En el caso de soldaduras intermitentes, se indica primero la longitud del filete seguida de la distancia entre centros de filetes adyacentes. Si los filetes están intercalados a un lado y al otro, se desplaza el símbolo de soldadura de uno de los lados.
- En el caso de soldaduras de penetración parcial, el símbolo indica el tipo de preparación de las placas a unir y se agrega información sobre la separación entre placas, si es requerida.
- Para indicar una soldadura en todo el contorno se dibuja un círculo en el quiebre de la línea de soldadura.
- En el caso de soldaduras de penetración completa, el símbolo también indica el tipo de preparación de las placas a conectar, si hay una separación requerida, y si se debe poner placas de rebalse por el lado opuesto.
- Finalmente, en el caso de soldaduras de tapón o ranura, se indican las características de la perforación a llenar y si se deben llenar completamente o sólo hasta una cierta altura.
- Desde el punto de vista que ocupa el soldador respecto a la junta, durante la colocación de las soldaduras, la soldadura puede ser (en orden de menor a mayor dificultad) plana, horizontal, vertical o sobrecabeza. En la soldadura plana, el metal de aportación se deposita desde el lado superior de la junta, y la cara visible de la soldadura es aproximadamente horizontal. En la soldadura horizontal, el metal de aportación se coloca sobre una superficie horizontal y contra otra vertical. En una soldadura de filete de lados iguales la inclinación de la cara exterior es de 45º y en una soldadura de penetración, su eje es una recta horizontal, y la cara exterior ocupa un plano vertical. En la soldadura vertical, el eje de la soldadura es una recta vertical. Finalmente, en la soldadura sobrecabeza, el metal de aportación se coloca desde la parte inferior de la junta. Se recomienda que la mayor parte de las soldaduras, tanto de taller como de campo, se efectúen en posición plana y que se reduzcan a un mínimo, o se eliminen si es posible, las soldaduras sobrecabeza.
- En la determinación de la resistencia de las soldaduras es necesario estimar correctamente el valor del área efectiva de soldadura. Se indican algunos ejemplos del valor de la garganta efectiva te para el caso de soldaduras de penetración.
- En el caso de soldaduras de filete, la garganta efectiva es la menor distancia del vértice de la soldadura al lado opuesto. El tamaño nominal de la soldadura, w, está limitado como se indica en la figura. Para espesores mayores de 1/4 de pulgada, el uso del ancho total de la placa a conectar podría enmascarar el vaciamiento de parte del material base, por lo que se estipula una separación mínima entre el finald e la soldadura y la arista de la placa conectada. En el caso de soldaduras de tapón el área efectiva es simplemente el área transversal de la perforación para el tapón.
- La resistencia de la unión en el caso de conexiones soldadas puede estar dada por la resistencia del material base o de la soldadura. En el caso del material base, FBM es la tensión que define la resistencia del material y ABM es el área resistente. En el caso de la soldadura, Fw es la tensión que define la resistencia de la soldadura y Aw es el área efectiva de soldadura que está resistiendo la fuerza.
- En el caso de soldaduras de penetración resistiendo cargas de tracción normal, el área resistente es la misma para el metal base y la soldadura y sólo cambia la tensión que define la capacidad, la tensión de fluencia en el caso del material y la tensión última de corte en el caso de la soldadura.
- Si la soldadura de penetración debe resistir corte, la resistencia nominal es la misma, pero se exige un mayor nivel de confiabilidad al usar factores de reducción de la resistencia más pequeños o factores de seguridad mayores.
- Las soldaduras de filete, así como las de tapón resisten las cargas exclusivamente por cortante en el área efectiva. En las ecuaciones, FEXX es la resistencia última del electrodo.
- En el caso de grupos de líneas paralelas de soldadura, la norma AISC permite tomar ventaja del aumento de la capacidad de la soldadura con el ángulo que forma la línea de soldadura con la carga aplicada. Este aumento se ilustra en la figura de la derecha.
- Para el caso de soldaduras orientadas arbitrariamente, se permite utilizar un método plástico de diseño de la soldadura, conocido como el método del centro instantáneo de rotación. En este método, la soldadura es discretizada en pequeños tramos y para cada uno de estos se determina la fracción de la fuerza que están resistiendo, basado en la ubicación del centro instantáneo de rotación.
- En el caso de grupos de soldaduras compuestos sólo por líneas de soldadura paralelas y perpendiculares a la dirección de la carga, se puede utilizar la expresión simplificada que se presenta, donde Rwl y Rwt son las resistencias de las líneas paralelas (longitudinales) y perpendiculares (transversales), determinadas sin considerar el aumento por el ángulo que forman las líneas de soldadura con la carga.
- Para cerrar este capítulo, vamos a considerar las posibles fallas de los elementos de conexión y los elementos conectados. En particular, vamos a revisar los modos de falla de los elementos en tensión y los elementos en cortante, el modo de falla combinado conocido como bloque de corte, y los modos de falla de elementos sometidos a cargas concentradas.
- En el caso de elementos en tensión, como la placa de conexión de la figura, es necesario determinar la capacidad a tracción por fluencia de la sección bruta …
- … y por fractura de la sección neta efectiva. En ambos casos, Pu es la carga correspondiente a las solicitaciones mayoradas y Pa es la carga correspondiente a las solicitaciones de servicio.
- Para placas de conexión de un ancho considerable, donde la conexión tiene una longitud finita (ya sea porque son varias líneas de tornillos o de soldadura), la fractura en la sección neta debe evaluarse en la sección al final de la conexión conocida como sección Whitmore. Esto se debe a que los esfuerzos se traspasan gradualmente a lo largo de la conexión, por lo que el ancho de placa que forma la sección neta va aumentando. La figura muestra como determinar esta sección para el caso de uniones atornilladas y soldadas.
- Similarmente al caso de elementos en tracción, para elementos en cortante, como la placa de cortante mostrada en la figura, es necesario determinar la capacidad a la fluencia en cortante en la sección bruta …
- … y la capacidad por fractura en cortante en la sección neta efectiva.
- Existe un tercer modo de falla, conocido como bloque de cortante, en que la falla se produce por fractura en tracción combinada con fractura o fluencia en cortante. En versiones anteriores de la norma AISC la expresión para determinar la capacidad por bloque de cortante ha sufrido modificaciones sucesivas, considerando el avance del conocimiento de este modo de falla. En esta última versión ya no se considera la posibilidad de tener fluencia en tracción combinada con fractura en cortante, debido a que se detectó que este modo de falla nunca dominaba.
- El factor Ubs en la ecuación de resistencia por bloque de cortante da cuenta de la forma de la distribución de tensiones al final de la conexión. En el caso que esta distribución es cercana a uniforme, Ubs se toma como uno. En caso contrario, es necesario determinarlo. En la figura se muestra el valor de Ubs para una conexión de cortante en el extremo de una viga que tiene dos líneas de conectores.
- Finalmente, vamos a mostrar las disposiciones de diseño para el caso de cargas concentradas. Dependiendo de cómo estén actuando estas cargas, existen varios estados límite aplicables. El primero corresponde al caso de cargas concentradas en el ala de un perfil I, las que pueden causar la plastificación local del ala y la consiguiente falla del elemento. La expresión de la resistencia nominal proviene de una análisis de líneas de fluencia en el ala del perfil, considerando un ancho colaborante de 12 veces el espesor del ala tf. Por esta razón, si la carga está cerca del extremo del miembro, sólo se permite utilizar la mitad de la capacidad.
- Si el perfil es de alma delgada, es posible que se produzca la plastificación local del alma cerca del ala superior, donde se aplica la carga concentrada. Para efectos de la resistencia, se considera una sección crítica al final de la curva de laminación o el filete de soldadura, como se muestra en la figura.
- Otro posible estado límite es el de pandeo local o arrugamiento del alma. Si el alma es esbelta, es posible que se produzca pandeo local de ésta justo debajo de la carga de compresión, antes de que la fluencia ocurra.
- Si la fuerza de compresión está aplicada cerca del extremo del miembro, se reduce la capacidad a la mitad. Sin embargo, la norma permite aumentar esta capacidad si el área sobre la que se aplica la carga de compresión es significativa respecto a la altura de la viga.
- Otro estado límite que puede ocurrir bajo cargas de compresión en al ala comprimida es le de pandeo lateral del alma. Para una explicación más detallada del fenómeno, ver el capítulo de flexión, en la parte de pandeo lateral-torsional.
- La resistencia a este estado límite va a depender del grado de restricción del ala en compresión. Si la razón entre las razones de esbeltez es mayor que los límites establecidos, este estado límite no es aplicable.
- Por último, si hay dos cargas de compresión actuando en la misma línea en las alas superior e inferior, se puede producir pandeo global del alma. La ecuación de capacidad es adecuada para casos en que el ancho del área comprimida es menor o igual a la altura de la viga. Para otros casos, se debe determinar la capacidad de acuerdo al Capítulo E de la AISC 2005, considerando el alma como un elemento en compresión.