Conex i Ones

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

Conexiones

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Conexiones típicas Daños en conexiones Conexiones atornilladas Conexiones soldadas Elementos de conexión

CONTENIDO

1. Introducción

DEFINICIONES

• Conexión: conjunto de elementos que unen cada miembro a la junta: placas o ángulos por patines o alma, soldaduras, tornillos. • Junta: zona de intersección de los miembros estructurales.

1. Introducción 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Conexión viga-columna de esquina Conexión viga-columna Conexión de viga secundaria a viga principal Empalme de columna y de cabezal Placa base de columna Conexión de larguero de techo y de fachada

Tipos de conexiones estructurales para edificios

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

CLASIFICACION

• 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

1. Introducción

CONEXIONES COMPORTAMIENTO

Gráfica momento rotación para los tipos de Construcción adoptados por las Especificaciones AISC

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

1. Introducción

Conexiones flexibles

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

1. Introducción

Conexiones rígidas

1. Introducción

REFERENCIAS PARA DISEÑO

• 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.

2. Conexiones típicas

Ángulos dobles: Atornillado - Atornillado

CONEXIONES VIGA-TRABE

2. Conexiones típicas

Ángulos dobles: Soldado - Atornillado

CONEXIONES VIGA-TRABE

2. Conexiones típicas

Placa de cortante

CONEXIONES VIGA-TRABE

2. Conexiones típicas

Placa simple (Placa de cortante)

CONEXIONES VIGA-TRABE

2. Conexiones típicas

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

CONEXIONES VIGA-TRABE

2. Conexiones típicas

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA

2 Ángulos

Ángulos Dobles Conexión al patín de la columna

2. Conexiones típicas

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA

2 Ángulos

Ángulos dobles Conexión al alma de la columna

2. Conexiones típicas

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA

Placa simple

Placa simple (Placa de cortante)

2. Conexiones típicas

Ángulo de asiento

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA

2. Conexiones típicas

Ángulo de asiento

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA

2. Conexiones típicas

CONEXIONES SIMPLES VIGA-COLUMNA

Conexión atornillada con perfil T atiesado

2. Conexiones típicas

CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA

Placas horizontales en patines de la trabe

2. Conexiones típicas

CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA

V M

Patines de la trabe soldados a la columna

2. Conexiones típicas

CONEXIONES DE MOMENTO VIGA-COLUMNA

Placa de extremo

2. Conexiones típicas

CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO

2. Conexiones típicas

CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO

2. Conexiones típicas

CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO

Conexión de contraventeos en edificios altos

2. Conexiones típicas

CONEXION DIAGONALES DE CONTRAVENTEO

2. Conexiones típicas

Empalme atornillado de tramos de columnas

EMPALMES

2. Conexiones típicas

Empalme soldado de columna

EMPALMES

2. Conexiones típicas

Placa base de columna

BASES DE COLUMNAS

3. Daños en conexiones

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS

3. Daños en conexiones

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS

3. Daños en conexiones

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO COMO CONSECUENCIAS DE SISMOS INTENSOS

3. Daños en conexiones

CONEXIONES VIGA-COLUMNA

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

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

3. Daños en conexiones

DAÑOS EN CONTRAVENTEOS

DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO

3. Daños en conexiones

DAÑOS EN CONTRAVENTEOS

DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO

3. Daños en conexiones

DAÑOS EN PLACAS BASE

DAÑOS TÍPICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO

4. Conexiones atornilladas

CARACTERISTICAS

• 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

4. Conexiones atornilladas

COMPORTAMIENTO

IV

III II I

Comportamiento general de una junta atornillada

4. Conexiones atornilladas

Aplastamiento (bearing-type joints)

CLASIFICACION

Fricción (slip-critical joints)

4. Conexiones atornilladas Las formas típicas de falla son: • • • •

Cortante Aplastamiento Desgarramiento Sección insuficiente

MODOS DE FALLA

4. Conexiones atornilladas • Falla del tornillo por cortante

• Falla de la placa por cortante

MODOS DE FALLA

4. Conexiones atornilladas

MODOS DE FALLA

• Falla por aplastamiento:

Aplastamiento en el tornillo

Aplastamiento en la placa

• Falla por sección insuficiente (sección crítica)

4. Conexiones atornilladas

MODOS DE FALLA

• Falla del tornillo por flexión o tracción

Deformación por flexión

Ruptura por tensión

4. Conexiones atornilladas

TIPOS DE TORNILLOS

Tornillos de alta resistencia, tuercas y arandelas

4. Conexiones atornilladas

TIPOS DE TORNILLOS

4. Conexiones atornilladas

Tornillos en tensión

Tornillos en cortante

ACCIONES EN TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA

Tornillos sujetos a tensión y cortante

EN CONEXIONES 4. Conexiones atornilladas ACCIONES ATORNILLADAS

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

EN CONEXIONES 4. Conexiones atornilladas ACCIONES ATORNILLADAS

Tornillos de alta resistencia a cortante

4. Conexiones atornilladas

COMPORTAMIENTO DE TORNILLOS

Respuesta de tornillos de alta resistencia a tracción directa

4. Conexiones atornilladas

COMPORTAMIENTO DE TORNILLOS

Respuesta de tornillos de alta resistencia a fuerzas cortantes

4. Conexiones atornilladas

METODOS DE INSTALACION

• 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

4. Conexiones atornilladas • Pretensión mínima

METODOS DE INSTALACION

4. Conexiones atornilladas

METODOS DE INSTALACION

Elongación del tornillo, mm

Tensión del tornillo versus elongación

Tensión del tornillo versus rotación de la rosca

4. Conexiones atornilladas

Comportamiento de conexión pretensada

METODOS DE INSTALACION

4. Conexiones atornilladas Ru ≤ φ Rn (LRFD) • Resistencia a la tracción φ = 0.75

Ra ≤ Rn / Ω (ASD) Ω = 2.0

Rn = Fnt ⋅ Ab Ab = área bruta del perno Fnt = 0,75 Fu (ver Tabla J3.2) Tornillos A325: Fu = 8440 kg/cm² Fnt = 6330 kg/cm² Tornillos A490: Fu = 10550 kg/cm ² Fnt = 7913 kg/cm²

RESISTENCIA DE DISEÑO EN TENSIÓN

(120 ksi) (90 ksi) (150 ksi) (113 ksi)

4. Conexiones atornilladas

Roscas fuera de los planos de corte

RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE

Roscas dentro de los planos de corte

4. Conexiones atornilladas Ru ≤ φ Rn (LRFD) • Aplastamiento φ = 0.75

Ra ≤ Rn / Ω (ASD) Ω = 2.0

Rn = Fnv ⋅ Ab

• • • •

RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE

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)

4. Conexiones atornilladas Ru ≤ φ Rn (LRFD) • Fricción φ = 1.00 φ = 0.85

RESISTENCIA DE DISEÑO EN CORTANTE

Ra ≤ Rn / Ω (ASD) Ω = 1.50 (nivel de servicio) Ω = 1.86 (nivel último)

Rn = µ ⋅ Du hscTb N s 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

4. Conexiones atornilladas

AGUJEROS PARA TORNILLOS

Tipos de agujeros en conexiones atornilladas

4. Conexiones atornilladas

INTERACCION CORTANTE-TRACCION

• Aplastamiento

Fnt  1,3Fnt − φF f v ≤ Fnt nv Fnt' =  ΩFnt 1,3Fnt − f v ≤ Fnt  Fnv

LRFD ASD

INTERACCION CORTANTE-TRACCION

4. Conexiones atornilladas • Fricción

R = k s ⋅ Rn ' n

Tu  1 −  D T N u b b ks =  1,5Ta 1 −  DuTb N b

LRFD ASD

Ta = tracción de servicio Tu = tracción ultima Nb = número de pernos traccionados

APLASTAMIENTO EN AGUJEROS

4. Conexiones atornilladas Modos de falla

• Elongación excesiva del agujero por deformación de la placa d espesor t

• Desgarramiento de la placa

Lc espesor t

Lc

4. Conexiones atornilladas

APLASTAMIENTO EN AGUJEROS

• 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

Rn = 1,2 Lc tFu ≤ 2,4dtFu • Deformación de perforación no es consideración

Rn = 1,5 Lc tFu ≤ 3,0dtFu – Ranuras largas perpendiculares a la dirección de carga

Rn = 1,0 Lc tFu ≤ 2,0dtFu

5. Conexiones soldadas

CARACTERISTICAS

• 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

5. Conexiones soldadas • SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

METODOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas • GMAW (Gas Metal Arc Welding)

METODOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas • FCAW (Flux Core Arc Welding)

METODOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas • SAW (Submerged Arc Welding)

METODOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

CONEXIONES TIPICAS VIGA-COLUMNA

Conexión típica trabe-columna empleada comúnmente en Latinoamérica

5. Conexiones soldadas

CONEXIONES TIPICAS VIGA-COLUMNA

Conexión típica viga-columna pre-Northridge

5. Conexiones soldadas

CONEXIONES TIPICAS VIGA-COLUMNA

Conexión típica viga-columna en Japón

5. Conexiones soldadas

TIPOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

TIPOS DE JUNTA SOLDADA

5. Conexiones soldadas

Socavación

Falta de fusión

DEFECTOS EN SOLDADURAS

5. Conexiones soldadas

DEFECTOS EN SOLDADURAS

Falta de penetración

Ilusión de escoria

Porosidad

5. Conexiones soldadas

USOS DE SOLDADURAS DE FILETE

Usos típicos de soldaduras de filete

5. Conexiones soldadas

USOS DE SOLDADURAS DE FILETE

5. Conexiones soldadas

USOS DE SOLDADURAS DE FILETE

Conexiones de momento

Empalmes

5. Conexiones soldadas

Conexiones simples

Angulos de apoyo

USOS DE SOLDADURAS DE FILETE

SIMBOLOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

Símbolo de soldadura

Soldadura deseada

Soldaduras de filete junta traslapada

SIMBOLOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

Símbolo de soldadura

Soldadura deseada

Soldaduras de filete miembro armado

SIMBOLOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

Símbolo de soldadura

Soldadura deseada

Soldaduras de filete intermitentes

SIMBOLOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

Símbolo de soldadura

Soldadura deseada

Soldaduras de penetración parcial

5. Conexiones soldadas

Conexión columna placa base

SIMBOLOS DE SOLDADURA

SIMBOLOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

Símbolo de soldadura

Soldadura deseada

Soldaduras de penetración completa

SIMBOLOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

Símbolo de soldadura

Soldadura deseada

Soldaduras de tapón

5. Conexiones soldadas

POSICIONES DE SOLDADURA

AREA EFECTIVA DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

• Soldadura de penetración (tamaño mínimo ver Tabla J2.3, sección J2.1b) T1

T2

T

T te = T

te = T1 45° ≤ α < 60° D

te

60° ≤ α T

te = D – 1/8” GMAW, FCAW, posiciones v y s

te

D te = D

T

AREA EFECTIVA DE SOLDADURA

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

0,707a = te w

w

• Soldadura de tapón: área transversal de la perforación

5. Conexiones soldadas

RESISTENCIA DE DISEÑO

• Factores φ y Ω dependen de la solicitación y el tipo de soldadura (ver Tabla J2.5) • Resistencia nominal – Metal base

Rn = FBM ⋅ ABM

– Soldadura

Rn = Fw ⋅ Aw = Fw ⋅ te ⋅ lw

te = garganta efectiva de soldadura lw = longitud de soldadura

RESISTENCIA DE DISEÑO

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

Rn = Fy ⋅ te ⋅ lw • Soldadura

φ = 0.8

Ω = 1.88

Rn = 0,60 FEXX ⋅ te ⋅ lw

RESISTENCIA DE DISEÑO

5. Conexiones soldadas • Soldaduras de penetración – Corte • Metal base: ver sección J4 • Soldadura

φ = 0.75

Ω = 2.00

Rn = 0,60 FEXX ⋅ te ⋅ lw

RESISTENCIA DE DISEÑO

5. Conexiones soldadas • Soldaduras de filete – Corte • Metal base: ver sección J4 • Soldadura

φ = 0.75

Ω = 2.00

Rn = 0,60 FEXX ⋅ te ⋅ lw • Soldadura de tapón – Corte • Metal base: ver sección J4 • Soldadura

φ = 0.75

Ω = 2.00

Rn = 0,60 FEXX ⋅ Atapon

5. Conexiones soldadas

GRUPOS DE SOLDADURA

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

θ

(

Fw = 0,60 FEXX 1 + 0,5(sin θ )

1, 5

)

GRUPOS DE SOLDADURA

5. Conexiones soldadas

• Grupos de soldaduras de filete (método plástico)

(

Fw = 0,60 FEXX 1 + 0,5(sin θ )

1, 5

f ( p ) = [ p(1,9 − 0,9 p )] p = ∆i ∆ m

)f ( p)

0,3

j j

rj

∆ i = ri ∆ u rcrit ∆ m = 0,209(θ + 2)

− 0 , 32

ri

∆ u = 1,087(θ + 6)

− 0 , 65

i

i

Rnx = ∑ Fwix Awi

w

w ≤ 0,17 w

Rny = ∑ Fwiy Awi

5. Conexiones soldadas

GRUPOS DE SOLDADURA

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

Rn = max (Rwl + Rwt ,0,85 Rwl + 1,5 Rwt )

6. Elementos de conexión • • • •

CONSIDERACIONES DE DISEÑO COMPLEMENTARIAS

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

6. Elementos de conexión

ELEMENTOS EN TENSION

Placa de unión en tensión

P

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

Placa de unión en tensión

P

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

Sección Whitmore

a) Junta atornillada

b) Junta soldada

ELEMENTOS EN CORTANTE

6. Elementos de conexión

Vu

Revisar la fluencia por cortante en la placa de conexión Rn = Ag (0.6 Fy) φ = 1.0 Ω = 1.50 V ≤ φ R (LRFD) u

n

Va ≤ Rn / Ω (ASD)

6. Elementos de conexión

ELEMENTOS EN CORTANTE

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)

BLOQUE DE CORTANTE

6. Elementos de conexión

Superficie de falla por tensión

P Superficie de falla por cortante

φ = 0,75

Ω = 2,00

Rn = U bs Fu ⋅ Ant + min (0,6 Fu ⋅ Anv ,0,6 Fy ⋅ Agv ) 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

6. Elementos de conexión

BLOQUE DE CORTANTE

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

Ángulo soldado

Conexión extrema de viga Extremos de con una hilera de tornillos ángulos

Placas de unión

• Ubs ≠ 1 para esfuerzos no uniformes en superficies en tensión Conexión extrema de viga con varias hileras de tornillos

Ubs = 0.50

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

6. Elementos de conexión • Flexión local del ala φ = 0.90

Ω = 1.67

Rn = 6,25t 2f Fyf – 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

P

6. Elementos de conexión • Fluencia local del alma φ = 1.00

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

Ω = 1.50

– fuerza aplicada a más de d del borde del elemento

Rn = (5k + N )Fywt w – fuerza aplicada a menos de d del borde del elemento

Rn = (2,5k + N )Fywt w 5k+N k N

6. Elementos de conexión • Arrugamiento del alma φ = 0.75

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

Ω = 2.00

– fuerza es aplicada a más de 0,5d del borde del elemento 1, 5     EFywt f t N   2 w Rn = 0,80t w 1 + 3    tw   d  t f    

6. Elementos de conexión

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

• Arrugamiento del alma – fuerza aplicada a menos de 0.5d del borde del elemento 1, 5     EFywt f t N   2 w N ≤ 0,2 Rn = 0,40t w 1 + 3    d tw   d  t f     1, 5   EF t   4 N t   yw f w   N > 0,2 R = 0,40t 2 1 +   − 0 , 2   n w d tw   d  t f    

6. Elementos de conexión • Pandeo lateral del alma

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

6. Elementos de conexión • Pandeo lateral del alma φ = 0.85

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

Ω = 1.76

– Ala comprimida está restringida a la rotación

(h t w )

3   h tw   Ct t   1 + 0,4 (l b f ) ≤ 2,3 Rn = l b   h   f    3 r w f 2

– Ala comprimida no está restringida a la rotación

(h t w )

3   h tw   Ct t   0,4 (l b f ) ≤ 1,7 Rn = h   l b f     3 r w f 2

6. Elementos de conexión

ELEMENTOS BAJO CARGAS CONCENTRADAS

• Pandeo del alma en compresión φ = 0.90 Ω = 1.67

Rn =

24t

3 w

EFyw h

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