Conexiones Concentricas Atornilladas y Soldadas

INSTITUTO TECNOLOGICO DE MÉRIDA ING. CIVIL DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO CONEXIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

PROFESOR: ING FRANCISCO POOT VEGA ALUMNOS: ESTRELLA YAM MARVIN PÉREZ CHUC JENNIFER

FECHA: 25/NOVIEMBRE/2014

ÍNDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………..3 1 CONEXIONES CONCENTRICAS 1.1CONEXIONES CONCENTRICAS ATORNILLADAS……………………………………………………4 1.2CONEXIONES CONCENTRICAS SOLDADAS………………………………………………………….8 2 CONEXIONES EXCENTRICAS 2.1CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS…………………………………………………….10 2.2 CONEXIONES EXCENTRICAS SOLDADAS………………………………………………………….18 CONCLUSIÓN…………………………………………………………………………………………………26 REFERENCIAS

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INTRODUCCIÓN Las conexiones o juntas, permiten unir dos o más elementos. Es común el diseño de uniones en los miembros de una armadura, o de vigas y columnas para configurar un pórtico. También se unen diversos elementos planos, para construir recipientes de almacenamiento, o se unen piezas para construir elementos de máquinas. Las conexiones se clasifican en remachadas, atornilladas, y soldadas. Las uniones de los miembros de una armadura se realizan a través de placas de unión. Estas uniones o conexiones pueden ser de dos tipos: apernadas o soldadas, que a su vez pueden ser concéntricas o excéntricas. Las conexiones –y su diseño- dependen de cuatro factores principales: 

Tipo de cargas –el tipo y dirección de los esfuerzos que convergen sobre una conexión es determinante de su diseño.

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Resistencia y rigidez–de los elementos y de las conexiones.

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Economía – las conexiones tienen una relación directa con el costo total de la estructura. (Conexiones repetitivas pueden tener un impacto importante en la reducción de costos)

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Dificultad de ejecución – aunque una conexión puede ser muy eficiente en relación al uso de los materiales (y en consecuencia, ser razonablemente económica) aún puede significar un costo importante en obra en función de su complejidad.

La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida, flexible, por contacto, por fricción, etc.), las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura, uso de equipos automáticos, repetición de elementos posibles de estandarizar, etc.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno, equipos de levante, soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje, tiempo disponible, etc.). Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral, bajo el concepto de constructividad, materia en la que el acero muestra grandes ventajas.

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1 CONEXIONES CONCENTRICAS Al considerar el comportamiento de los diferentes tipos de conexiones, es conveniente clasificarlas de acuerdo al tipo de carga. El empalme traslapado del miembro en tensión, se somete a los sujetadores a fuerzas que tienden a cortar el vástago del sujetador. Similarmente, la soldadura que se muestra debe resistir a las fuerzas cortantes. La conexión de una mensula al patin de una columna, ya sea por los sujetadores o por la soldadura, somete la conexión a cortante cuando se carga como se muestra. La conexión colgante que se enseña en la figura pone los sujetadores en tensión. La conexión mostrada en la figura produce el cortante y la tension en la fila superior de los sujetadores. La resistencia de un sujetador depende de si esta sometido a cortante, a tensión o a ambos. Las soldaduras son débiles en cortante, por lo que es común que se suponga que falla en cortante independientemente de la dirección de la carga. Una vez que es determinada la fuerza por sujetador o la fuerza por unidad de longitud de soldadura, resulta simple evaluar lo adecuado de la conexión. Esta determinación es la base para las dos clasificaciones principales de las conexiones. Si la línea de acción de la fuerza resultante por ser resistida, pasa por el centro de gravedad de la conexión se supone que cada parte de esta resiste una porción igual de la carga y la conexión se llama, conexión simple. La capacidad de carga de la conexión puede, entonces encontrarse al multiplicar la capacidad de cada sujetador o pulgada de la soldadura por el numero total de sujetadores.

1.1CONEXIONES CONCENTRICAS ATORNILLADAS Las uniones atornilladas se realizan con tornillos y tuercas. Los tornillos estás provistos de una cabeza en un extremo del vástago en el que se ha recortado o enrollado una rosca, en el vástago se puede enroscar la tuerca. Una sección por eje del tornillo muestra que la rosca del vástago y de la tuerca están encajadas entre sí a modo de engranaje, por lo que los tornillos, a diferencia de los remaches, pueden soportar tracciones, además de esfuerzos de cizallamiento y compresión superficial sobre el vástago. En la construcción de estructuras de acero se emplean uniones atornilladas: 4

1.- Cuando se han de absorber esfuerzos axiales de tracción, por ejemplo, en tornillos de anclaje; 2.- Cuando la longitud de apriete es demasiado grande para un remache; 3.- Cuando se exige una determinada movilidad de la unión, por ejemplo, determinados enlaces de vigas; 4.- En todas las uniones que se han de poder desmontar, sobre todo en construcciones auxiliares, pabellones de exposiciones y construcciones en las que se prevén modificaciones; 5.- En los enlaces de materiales que no permiten realizar una unión remachada, por ejemplo, en la unión de piezas de acero con elementos de hierro de fundición; 6.- En lugares difícilmente accesibles, donde no puede realizarse una soldadura o una unión remachada. En general se prefieren las uniones atornilladas para unir elementos constructivos en obra, ya que son más fáciles, rápidas y baratas de ejecutar. Además, facilita el ajuste del entramado, ya que las uniones atornilladas permiten una movilidad mayor que las demás uniones. UNIONES PRINCIPALES •

Anclaje a cimentación.

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Unión de vigueta y columna.

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Nodo de armadura.

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Empotre de vigueta en muro de concreto o mampostería

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Conexión de columna y vigueta de acero, especificando las separaciones de los tornillos, las placas y los perfiles.

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EJEMPLO Revisar el aplastamiento, Ia separación entre los tomillos y Ias distancias a bordes para Ia conexión mostrada en Ia figura

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1.2CONEXIONES CONCENTRICAS SOLDADAS La soldadura estructural es un proceso po medio dei cual Las partes por conectarse son calentadas y fundidas, con metal fundido de aportación agregado a Ia junta. Por ejemplo, el miembro en tensión con junta traslapada que se muestra en Ia figura 3.la puede construirse al soldarse a través de los extremos de ambas partes conectadas. Una relativamente pequeña profundidad de material se fundirá y, al enfriarse, el acero estructural y el metal de aportación actuarán corno una parte continua donde ellos se unen. El metal adicional es depositado por un electrodo especial, que es parte de un circuito eléctrico que incluye a Ia parte conectada o metal base.

VENTAJAS DE LA SOLDADURA Actualmente es posible aprovechar Ias grandes ventajas que Ia soldadura ofrece, ya que los temores de fatiga e inspección se han eliminado casi por completo. A continuación se dan algunas de Ias muchas ventajas de Ia soldadura: 1. Se logra simplicidad en los detalles de diseño, eficiencia y peso minirno ya que Ia soldadura proporciona Ia transferencia más directa del esfuerzo de un miemixo a otro. 2. Los costos de fabricación se reducen porque manipulan menos partes y se eliminan Ias operaciones de punzonado, limado y taladrado. 3. Se logra un ahorro en peso en los miembros principales a tensión ya que no es necesaria una reducción en área por agujeros de tomillos. Se obtiene también un ahorro adicional debido a que se requieren menos partes conectoras. 4. La soldadura proporciona el único procedimiento para conectar placas inherentemente hermético al aire y al agua y por tanto es ideal en tanques de almacenamiento de agua, de aceite, en barcos, etc. 5. La soldadura permite el uso de Ias líneas de conexión con una continuidad que mejora Ia apariencia estructural y arquitectónica y que reduce concentraciones de esfuerzos debido a discontinuidades locales. 6. Una fabricación simple resulta práctica para aquellas juntas en que un miembro se une a una superficie curva o inclinada, como en Ias conexiones de tubos estructurales. 7. La soldadura simplifica el refuerzo y reparación de estructuras existentes atomilladas o soldadas.

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EJEMPLO Una barra plana que es utilizada como miembro en tensión, está conectado a una placa de nudo, como se muestra en Ia figura 3.36. Las soldaduras son de filete de w = 5 mm hechas con electrodos E70XX. Las partes conectadas son de acero A36. Suponer que Ia resistencia por tensión del miembro es adecuada y determinar Ia resistencia de diseño de Ia conexión soldada.

SOLUCIÓN Como Ias soldaduras están colocadas de manera simétrica con respecto aI eje del miembro, esta conexión se clasifica como simple y cada parte de Ia soldadura resistirá una porción igual de carga. Solo importa Ia longitud total de la soldadura y en tanto que Ia resultante de Ia carga aplicada pase por el centro de gravedad de Ia soldadura (ignorando ligeras excentricidades), Ia localización y orientación de los segmentos individuales de Ia soldadura no son importantes. De Ia Tabla 3.4, Ia resistencia del metal de Ia soldadura para electrodos E70XX es:

RESPUESTA.- La resistencia de diseño de Ia soldadura es de 15660 kg.

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2 CONEXIÓN EXCENTRICA Una conexión es excéntrica debido a que la línea de acción de la carga, que coincide con el eje longitudinal del miembro de la armadura, no coincide con el centro de gravedad de la conexión. En la figura se muestra una unión dos diagonales y la cuerda superior de la armadura. En este caso particular de conexión, no es posible colocar los pernos o tornillos en el eje longitudinal o línea media de la sección de las diagonales porque se requiere de un espacio para la cabeza del tornillo o tuerca y para poder acceder con el equipo de apriete. En una conexión excéntrica Ia resultante de Ias cargas aplicadas no pasa por el centro de gravedad de los sujetadores. Si Ia conexión tiene un plano de simetría, el centroide del área de corte de los sujetadores o Ias soldaduras se usa como punto de referencia, y Ia distancia perpendicular de Ia línea de acción de Ia carga al centroide se llama excentricidad. Aunque una gran mayoría de Ias conexiones están cargadas excéntricamente, en muchos casos Ia excentricidad es pequeña sin embargo, se recomienda revisar. 2.1 CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS

La conexión de Ia viga con ángulo que se muestra en Ia figura 2.30, es una conexión excéntrica típica. Esta conexión en forma atornillada o soldada, se usa comúnmente para conectar vigas a columnas. Aunque Ias excentricidades en este tipo de conexión son, por lo regular, despreciables, ellas existen y se emplean aquí como ilustración. Dos conexiones diferentes están en realidad presentes: Ia unión de Ia viga a los ángulos y Ia unión de los ángulos a Ia columna. Esas conexiones ilustran Ias dos categorías básicas de Ias conexiones excéntricas: aquellas que generan solo cortante en los sujetadores y aquellas que generan cortante y tensión.

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Si Ia viga y los ángulos se consideran por separado de Ia columna, como se mostró en Ia figura 2.30b, es claro que Ia reacción R actúa con una excentricidad e, medida desde el centroide de Ias áreas de los sujetadores en el alma de Ia viga Esos sujetadores quedan, entonces, sometidos a Ia fuerza cortante y un par que se halla en el plano de Ia conexión y que genera los esfuerzos cortantes torsionantes. Si Ia columna y los ángulos se aíslan de Ia viga, como se presentó en Ia figura 2.30c, es claro que los sujetadores en el patín de Ia columna están sometidos a Ia reacción R que actúa con una excentricidad e desde el plano de los sujetadores, por lo que el par tiende a tensionar Ia parte superior de Ia conexión y a comprimir Ia parte inferior. Los sujetadores en Ia parte superior de Ia conexión estarán, entonces, sometidos a cortante y tensión. CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS: SOLO CORTANTE La conexión de Ia ménsula de Ia columna que se muestra en Ia figura 2.31 es un ejemplo de una conexión atornillada sometida a un cortante excéntrico. Existen dos enfoques para Ia solución de este problema: el análisis tradicional elástico y el más exacto (pero más complejo) por análisis de resistencia última.

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EJEMPLO: Determinar la fuerza critica en los sujetadores de la conexión de mensula que se muestra en la figura.

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La figura 2.35b muestra Ias direcciones de todas Ias componentes de Ias fuerzas en los tornillos y Ia magnitud relativa de Ios componentes causadas por el par. Al emplear esas direcciones y magnitudes relativas como guía y al recordar que Ias fuerzas se suman según Ia ley delparalelogramo, concluimos que el sujetador inferior derecho tendrá Ia fuerza resultante máxima. Las componentes horizontal y vertical de Ia fuerza en cada tomillo que resulta de Ia carga:

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CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS: CORTANTE MÁS TENSIÓN En una conexión como Ia de Ia figura 2.40, de una ménsula formada por un muñón de T estructural, una carga excéntrica crea un par que incrementará Ia tensión en Ia fila superior de los sujetadores, y Ia disminuirá en Ia fila inferior. Si los sujetadores son tomillos sin tensión inicial, los tomillos superiores quedarán sometidos a Ia tensión y los inferiores no serán afectados. Independientemente del tipo de sujetador, cada uno recibirá una porción igual de carga cortante.

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Si los sujetadores son tornillos de alta resistencia pretensionados, Ia superficie de contacto entre el patín de Ia columna y el patin de Ia ménsula estará uniformemente comprimida entes de que se aplique Ia carga externa. La presión de apoyo será igual a Ia tensión total de los tornillos, dividida entre el área de contacto. Conforme Ia carga P es gradualmente aplicada, Ia compresión en Ia parte superior será aliviada y la presión en el fondo se incrementará. Cuando Ia compresión en Ia parte superior ha sido completamente vencida, Ias componentes se separarán y el par Pe será resistido por Ias fuerzas de tersión en los tomillos y por Ia compresión sobre Ia superficie restante de contacto. AI acercarse Ia carga última, Ias fuerzas en los tomillos se aproximarán a sus resistencias últimas de tensión. EJEMPLO Una conexión viga a columna está hecha con una T estructural, como se muestra en Ia figura 2.42. Se emplean ocho tornillos A325 de = 19 mm (3/4”) tipo aplastamiento totalmente apretados para unir el patin de Ia T al patin de Ia columna. Investigar si es adecuada esta conexión (T a columna) cuando está sometida a una carga factorizada de 36 tn con una excentricidad de 7.5 cm. Suponer que Ias roscas de los tornillos están en el plano de corte (N). Considerar que todo el acero es A36.

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La conexión es satisfactoria por aplastamiento La resistencia por cortante para un tornillo A325 de

¾” es 7265 Kg

Se calculará la fuerza de tensión por tornillo y luego se revisara la interaccion tensión-cortante. Debido a la simetría, el centroide de la conexión esta a media altura.

RESPUESTA.- La conexión es satisfactoria

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2.2 CONEXIONES EXCENTRICAS SOLDADAS

Las conexiones excéntricas soldadas se analizan en forma muy parecida a como se estudian Ias conexiones atornilladas, excepto que Ias longitudes unitarias de soldadura reemplazan a los sujetadores individuales en los cálculos Como en el caso de Ias conexiones excéntricas atornilladas cargadas en cortante, Ias conexiones en cortante soldadas pueden ser analizadas por métodos elásticos o de resistencia última. La carga sobre la ménsula que se muestra en Ia figura 3.44a se considera que actúa en el plano de Ia soldadura, es decir, en el plano de Ia garganta. Si se hace esta ligera aproximación, La carga será resistida por el área de Ia soldadura que se presenta en Ia figura 3.44b. Sin embargo, los cálculos se simplifican si se utiliza una dimensión unitaria para Ia garganta. La carga calculada se multiplica por 0.707 veces el tamailo de Ia soldadura para obtener Ia carga real.

Una carga excéntrica, en el plano de Ia soldadura, somete a Ia propia soldadura a un cortante directo y a un cortante torsionante. Como todos los elementos de La soldadura resisten una porción igual de cortante directo, el esfuerzo cortante directo es:

donde L es Ia longitud total de Ia soldadura y es numéricamente igual al área de cortante, porque se ha puesto un tamauio unitario de garganta. Si se emplean componentes rectangulares.

donde Px y Py son Ias componentes x y y de Ia carga aplicada. El esfuerzo cortante originado por el par que se encuentra con Ia fórmula de Ia torsión

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donde d = distancia del centroide del área de cortante al punto donde se está calculando el esfuerzo J = momento polar de inercia de tal área La figura 3.45 muestra este esfuerzo en Ia esquina superior derecha de Ia soldadura dada

EJEMPLO Determinar el tamaño de la soldadura requerida para la conexión de la ménsula mostrada en la figura. La carga de 27 500 Kg es factorizada. Se usara acero A36 para la ménsula y para la columna

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SOLUCIÓN La carga excéntrica puede ser reemplazada por una carga concéntrica y un par, como se muestra en Ia figura. EI esfuerzo cortante directo, en kg/cm, es el mismo para todos los segmentos de Ia soldadura y es igual a:

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Si se desprecia el momento de inercia de cada soldadura horizontal con respecto a su propio eje centroidal, el momento de inercia dei área total de ia soidadura con respecto a su ee centroidal horizontal es,

La figura muestra Ias direcciones de ambas componentes de un esfuerzo en cada esquina de Ia conexión. Por inspección, Ia esquina superior derecha o Ia esquina inferior derecha pueden tomarse como ia posición critica. Si se toma Ia esquina inferior derecha,

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RESPUESTA.- Utilizar una soldadura de filete de w=13 mm (1/2”) y electrodos de E70XX

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Muchas conexiones excéntricas, particulamiente Ias conexiones de viga a columna, someten a Ias soldaduras a tensión más cortante. Dos de tales conexiones se ilustran en Ia figura

EJEMPLO Un perfil LD 152 x 102 x 13 (L 6 x 1/2") se emplea en una conexión de viga con asiento, como se muestra en La figura. El ángulo debe soportar una reacción por carga factorizada de 10 000 kg. Todo el acero es A36 y se usarán electrodos E70XX. ¿Qué tamaño de soldadura de filete se requiere para Ia conexión con el patin de Ia columna?

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SOLUCIÓN Igual que en los ejemplos previos de diseño, se empleará un tamaño unitario de garganta en los cálculos. Aunque se necesita un remate de extremo para una soldadura de este tipo, por simplicidad lo despreciaremos en los siguientes cálculos. En todo caso, en este momento su longitud sólo podría ser estimada ya que el tamaño de Ia soldadura no ha sido aún determinada. Debido a Ia holgura de 19 mm de Ia viga, ésta última está soportada por 83 mm de los 102 mm del lado en voladizo del ángulo. Si se supone que Ia reacción actua por el centro de esta longitud de contacto, Ia excentricidad de Ia reacción con respecto a Ia soldadura es: Para la configuración supuesta de la soldadura

El tamaño w requerido de soldadura puede encontrarse al igualar f, a Ia capacidad de Ia soldadura por cm de longitud:

Tamaño mínimo de soldadura = 6.35 mm (con base en el espesor de 16.3 mm del patIn de Ia columna) De La Sección J2.2b del AISC, Tamaño máximo de soldadura =12.7—1 6 =11.1 mm 24

Revisando Ia Capacidad por Cortante del metal base: Esfuerzo cortante directo aplicado = 329 kg/cm Capacidad por cortante del lado del ángulo

RESPUESTA.- Utilizar una soldadura de filete de w = 6.35 mm (1I4) y electrodos E7OXX.

DISEÑO DE JUNTAS SOLDADAS CON CARGAS EXCENTRICAS

El esfuerzo cortante de un cordón de soldadura, se puede calcular como: t = P / (L t) (103) donde, P: es la carga de corte sobre el cordón de soldadura. L: es la longitud del cordón de soldadura. t: es el espesor del cordón de soldadura.

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CONCLUSIÓN En el presente trabajo se habla en forma breve de las conexiones que se emplean en estructuras de acero. Se puede concluir que las conexiones de acero tienen como finalidad resistir cargas axiales, fuerzas cortantes y momentos flexionantes producidos por Ias acciones que el proyectista haya considerado. En el análisis de Ias conexiones, se deben considerar todas Ias fuerzas que tengan una buena probabilidad de presentarse durante Ia vida útil de Ia estrUctura. AI diseñar una conexión, el ingeniero debe garantizar no solamente que no se producirá el colapso o falIa, sino que tampoco que se presenten desplazamientos y deformaciones excesivas. Las conexiones pueden llegar a estar sujetas a fuerzas y condiciones de servicio que no puedan ser previstas con buena precisión, tal es el caso de un gran impacto o un sismo extraordinario de alta intensidad.

Es necesario que Ias conexiones cumplan con requisitos mínimos de precisión geométrica, con el fin de que permitan Ia unión de los elementos que integran una estructura, sin necesidad de hacer ajustes, que siempre elevan el costo del montaje de manera importante. No obstante, Ias juntas deben diseñarse con tolerancias, ya que por mucho cuidado que se ponga el Ia fabricación, tanto de éstas como de los elementos prefabricados que van a unir, siempre existen pequeños errores de dimensiones. Por otra parte, si Ia junta requiere de un ajuste demasiado afinado, Ias operaciones de montaje se complican.

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REFERENCIAS: INSTITUTO MEXICANO DE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO, AC. (I.MC.A) MÉXICO D.R, 2001 “MANUAL DE CONSTRUCCIÓN EN ACERO IMCA”, VOLUMEN 1, 3a EDICIÓN EDITORIAL LIMUSA- NORIEGA EDITORES WILLIAM T SEGUI MEXICO DF., 2000 “DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD”. 2a EDICIÓN EDITORIAL: INTERNATIONAL THOMSON EDITORES, S.A. de C.V. http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000155/lecciones/lec10/10_1.htm http://www.ahmsa.com/Acero/Complem/Manual_Construccion_2013/Capitulo_2d.pdf http://192.155.192.179/~jarannac/acero/pdf/dbdacap6.pdf

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