CLASE - 06 Conexiones Apernadas

Conexiones Apernadas

Conexiones, Juntas y Conectores Las conexiones apernadas presentan ciertas características que las hacen más o menos apropiadas dependiendo de la aplicación. Las principales ventajas de las conexiones apernadas 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.

Pernos Estructurales

Cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La soldadura es una de esas maneras y fué tratada en el tema anterior. La otra es por medio de pasadores, como remaches o pernos. En este tema trataremos principalmente sobre pernos, en particular, pernos de alta resistencia. Pernos de alta resistencia Los dos tipos básicos de pernos de alta resistencia son designados por ASTM como A325 y A490. Estos pernos tienen cabeza hexagonal y se usan con tuercas

hexagonales no terminadas. Pernos A325 son de acero con mediano contenido de carbono, tratados al calor, su esfuerzo a la fluencia varía aproximadamente entre 5700 a 6470 kgf/cm

2, dependiendo del diámetro.

Los pernos A490 son también tratados al calor, pero son de acero aleado con un esfuerzo de fluencia de 8085 a 9140 kgf/cm

2, dependiendo del diámetro. Los

pernos A449 son usados ocasionalmente cuando se necesitan diámetros mayores de 1½" hasta 3".

Los pernos de alta resistencia tienen diámetros entre ½" a 1½". Los diámetros más usados en construcción de edificios son 3/4" y 7/8", mientras los tamaños más comunes en diseño de puentes son 7/8" y 1".

Fuerzas presentes en una unión resistente al deslizamiento. El deslizamiento entre las partes conectadas de una unión sólo se obtiene cuando el vástago del perno toma contacto con el borde de la perforación. En este estado de deslizamiento total, la carga es transferida por corte y aplastamiento sin la intervención de la pretracción del perno. Inicialmente, la tensión está concentrada en el punto de contacto, pero el incremento de la carga resultará en una distribución más uniforme. El perno mismo también soporta esta tensión, pero usualmente no se considera ya que por evidencia experimental la falla por aplastamiento solo puede ocurrir cuando las planchas sean de acero de mayor dureza que la del perno, cosa que normalmente no ocurre.

Los modos de falla por aplastamiento depende de factores geométricos, del diámetro del perno y de el espesor del material a unir. A menudo la falla se produce por corte o desgarramiento de la plancha después de una gran deformación frente a la perforación.

Posibles Modo de Falla en Uniones Empernadas

Para prevenir que uno o más de los modos posibles de falla se hagan presente, se debe proveer un número adecuado de pernos, con las separaciones entre conectores, distancias a los bordes, longitudes de pernos y demás exigencias geométricas recomendadas por las Especificaciones; todo ello presuponiendo que tanto el proceso de fabricación como el de montaje satifacen lo requerimientos de calidad. Resistencia Nominal de Pernos Individuales La norma AISC reconoce dos categorías generales de requerimientos de comportamiento para conexiones con pernos de alta resistencia: conexiones

críticas al deslizamiento y conexiones tipo aplastamiento. La diferencia básica entre los dos tipos es la hipótesis de deslizamiento que ocurre bajo cargas de servicio, lo que resulta en el uso de valores de resistencia nominal diferentes. La resistencia de diseño de pernos individuales es determinada de acuerdo con la sección J3 de la norma LRFD. Los estados límites a revisar son: Para conexiones tipo aplastamiento:

Pernos sometidos a corte, la resistencia a corte del perno y la resistencia al aplastamiento de los agujeros de los pernos.

Pernos sometidos a tracción, resistencia a tracción del perno. Pernos sometidos a corte y tracción, resistencia a la tracción del perno

incluyendo el efecto del corte presente y la resistencia al aplastamiento del agujero.

Para conexiones críticas al deslizamiento: Pernos sometidos a corte, resistencia al deslizamiento, resistencia a corte del

perno y resistencia al aplastamiento del agujero. Pernos sometidos a corte y tracción combinadas, resistencia al deslizamiento

incluyendo el efecto de la fuerza presente a tracción, resistencia a corte de los pernos y resistencia al aplastamiento en los agujeros.

Resistencia al Corte de los Pernos Este estado límite considera la falla por cortante del vástago del perno en el plano c-d-e-f. Cuando existe un solo plano de corte, el perno está en corte

simple. Capas adicionales de material pueden incrementar los planos de corte y, por lo tanto, la resistencia por corte del perno (cortante doble).

Adicionalmente, los pernos de alta resistencia se pueden especificar con la rosca incluida (N) o excluida (X) del plano de corte de la conexión. La resistencia a corte de pernos con la rosca incluida es aproximadamente 25% menor que la de pernos con a rosca excluida. La norma LRFD, sección J3.6 especifica que la resistencia de diseño a corte es

Rn donde es 0.75 y Rn = ( Fv A b ) n ... donde n es el número de pernos de la conexión, Fv es la resistencia nominal a corte y A b es el área nominal del perno.

Resistencia al Aplastamiento en los Agujeros de Pernos

Pernos Deformación del material en el agujero del perno

Como se muestra en la Figura, este estado límite considera tanto fractura por desgarramiento de las partes conectadas y deformación alrededor de los agujeros de los pernos. La resistencia al aplastamiento es función del material que se conecta, el tipo de agujero y el espaciamiento y la distancia a los bordes; es independiente del tipo de perno y la presencia o ausencia de la rosca en el área de aplastamiento. La resistencia al aplastamiento se debe chequear tanto para conexiones tipo aplastamiento como para conexiones críticas al deslizamiento.

La sección J3.10 de la norma AISC-LRFD, especifica la resistencia de diseño al aplastamiento como Rn donde = 0.75 y Rn es la resistencia nominal por aplastamiento y se debe chequear tanto para conexiones tipo aplastamiento como para conexiones críticas al deslizamiento. La resistencia nominal por aplastamiento es: a) Cuando d0 1.5 d, ó S 3 d y existen dos o más pernos en la línea de fuerza: Para agujeros estándar, agujeros de ranura corta o larga perpendicular a la línea de fuerza, agujeros agrandados en conexiones críticas a deslizamiento cuando la línea de fuerza es paralela al eje del agujero:

Cuando la deformación alrededor de los agujeros de los pernos es una consideración de diseño:

Rn = 2.4 d t Fy Cuando la deformación alrededor de los agujeros de los pernos no es una

consideración de diseño, para el perno más cercano al borde

y para los pernos restantes

Para agujeros de ranura larga perpendicular a la línea de fuerza:

d0 es la separación desde el C.G. del perno hasta el borde de la placa b) Cuando d0 < 1.5 d o s < 3 d ó para una sola fila de pernos en la línea de acción de la fuerza:

Para agujeros estándar, agujeros de ranura larga o corta perpendiculares a la línea de acción de la fuerza, agujeros agrandados en conexiones de deslizamiento crítico, agujeros de ranura en conexiones de deslizamiento crítico cuando la línea de fuerza es paralela al eje del agujero:

Para el agujero de un perno o para el agujero más cercano al borde cuando dos o más pernos están en la línea de acción de la fuerza.

y para los pernos restantes

Para agujeros de ranura larga perpendicular a la línea de la fuerza: Para un solo agujero de perno o para el agujero más cercano al borde cuando dos o mas pernos están en la línea de fuerza.

y para los pernos restantes

d0 = distancia medida a lo largo de la línea de acción de la fuerza desde el borde de la parte conectada al centro de un agujero estándar o el centro de un agujero de ranura larga o corta perpendicular a la línea de acción de la fuerza. Para agujeros agrandados y de ranura paralelos a la línea de acción de la fuerza, Le se incrementará con el factor C2 de la tabla J3.8. S = distancia medida a lo largo de la línea de acción de las fuerzas entre los centros de agujeros estándar o entre los centros de agujeros de ranura corta o larga perpendiculares a la línea de acción de la fuerza. Para agujeros agrandados, de ranura corta o larga paralelos a la línea de acción de la fuerza, s se incrementará por el factor C1 de la tabla J3.7. d = diámetro nominal del perno, t = espesor de la parte conectada crítica. Para pernos avellanados y remaches, dedúzcase la mitad de la profundidad del avellanado, Fu = Resistencia mínima de agotamiento en tracción especificada para la parte conectada. Procedimiento de Diseño de Conexiones Empernadas 1. Determinar el número de pernos y/o verificar su capacidad resistente

La capacidad de los pernos, según el caso, será el valor menor que se obtenga por:

Tracción. Corte.

Corte y Tracción simultáneas. Cargasaplicadas excéntricamente.

2. Disposición de los pernos en la conexión El detallado de la conexión puede modificar su capacidad resistente, en consecuencia se debe prestar atención a los siguientes aspectos:

Separación entre pernos. Distancia de los agujeros a los

bordes. Distancias que permitan colocar

y apretar los pernos. Longitudes de prensado.

3. Verificación del diseño de la conexión

3.1. Capacidad Resistente de los elementos conectados.

Bloque de corte

Tracción

Fluencia en la sección total Rotura en la sección efectiva

Corte

Fluencia en la sección total Rotura en la sección neta de corte

3.2. Capacidad de los pernos.

Resistencia de aplastamiento. Efecto de apalancamiento.

En el caso de conexiones de deslizamiento crítico se debe hacer una doble verificación.

No debe producirse deslizamiento bajo cargas de servicio.

La resistencia al corte y al aplastamiento de la conexión debe ser mayor que las solicitaciones generadas por las cargas amplificadas.

4. Consideraciones de fabricación, montaje y costos Capacidad de los Pernos 1. Tracción axial

Pernos A307 Pernos A325 Pernos A490

Ft = 3160 kgf/cm2

Ft = 6330 kgf/cm2

Ft = 7940 kgf/cm2

Los pernos A307 solo deben usarse para cargas estáticas

2. Corte

2.1 Conexiones por

aplastamiento

Pernos A307, incluida o no la rosca en el plano de corte Fv = 1690 kgf/cm

2

Pernos A325-X Pernos A325-N Pernos A490-X Pernos A490-N

Fv = 4220 kgf/cm2

Fv = 3370 kgf/cm2

Fv = 5270 kgf/cm2

Fv = 4220 kgf/cm2

N: Rosca incluida en el plano de corte

X: Rosca no incluida

2.2.1. Cargas de servicio

= 1.0, para agujeros estándar, ensanchados, alargados y sobrealargados cuando el eje largo del agujero es perpendicular a la línea de acción de la fuerza. = 0.85, para agujeros sobrealargados cuando el eje

largo del agujero es paralelo a la línea de acción de la fuerza.

2.2.2. Cargas de agotamiento resistente

=1.0, para agujeros estándar. = 0.85, para agujeros agrandados y de ranura corta. = 0.70, para agujeros de ranura larga normales a la dirección de la fuerza

aplicada. = 0.60, para agujeros de ranura larga paralelos a la dirección de la fuerza

aplicada. = Coeficiente de deslizamiento. = 0.33 Superficies Clase A. = 0.50 Superficies Clase B. = 0.40 Superficies Clase C.

Tb = Carga mínima de pretensión de los pernos. Nb = Número de pernos en el plano de corte. Ns = Número de planos de corte.

3. Aplastamiento Tomando en consideración la deformación del agujero, y para agujeros normales o estándar:

4. Solicitaciones simultáneas de corte y tracción

4.1. Conexiones por aplastamiento

...y los siguientes valores de Ft

...en estas fórmulas:

4.2. Conexiones por deslizamiento crítico

4.2.1. Cargas en el estado límite de servicio

4.2.2. Cargas en el estado límite de agotamiento resistente

...donde Tu es la demanda por cargas amplificadas.

Capacidad Resistente de Elementos Conectados, tanto en Conexiones Empernadas como Soldadas 1. Tracción

1.1 Fluencia

1.2 Rotura

2. Corte

2.1 Fluencia

2.2 Rotura

3. Bloque de corte

Distancias Mínimas al Borde, do, y Separación Mínima, S, entre los Centros de Agujeros Estándar

Capacidad Resistente a Tracción

Rnt (tf)

= 0.75

*cargas estáticas únicamente Pernos sujetos a Corte y Tracción Las figuras presentan los casos de conexiones sometidas a una combinación de corte y tracción.

Experimentalmente se ha establecido que la elipse de interacción representada en la figura describe adecuadamente el comportamiento a carga última de pernos solicitados simultáneamente por tracción y fuerza cortante. Las ecuaciones de estas curvas se presentan en la tabla anexa (Tabla J3.3 de las especificaciones AISC-LRFD).

Límites para los esfuerzos de tracción (FT) para pernos en conexiones tipo aplastamiento

Ejemplo 1 Para la conexión mostrada calcular la carga máxima de servicio por aplastamiento.

Planchas de calidad A36 Pernos 7/8” Bordes cortados a gas

Fy = 2530 kgf/cm2 A325-N Suponer CP = CV

FU = 4080 kgf/cm2 Agujeros Estándar

Solución 1. Capacidad de las planchas 1.1. Fluencia por tracción en la sección total

1.2. Fractura por tracción en la sección neta efectiva

1.3. Bloque de corte

2. Capacidad de los pernos 2.1. Por corte .... de la tabla tenemos que 7/8” A325-N en corte simple resiste Rn = 9.82 tf En corte doble: Rn = 2 x 9.82 tf = 19.64 tf/perno 2.2 Por aplastamiento ... analizaremos la plancha de 12 mm debido a la condición de borde S = 75 mm > 3 db = 3 x 22.2 = 66.6 mm d0 = 27.5 mm < 1.5 db = 1.5 x 22.2 = 33.3 mm

Separación entre pernos 2 2/3 db = 59.2 mm. Mínima distancia al borde (Tabla) = 30 mm > 27.5 mm. Entonces:

Pernos exteriores:

Pernos interiores:

La capacidad de los pernos es:

Entonces:

MODO DE FALLA Rn OBSERV.

Fluencia 54.6 CONTROLA

Fractura 54.8

Bloque de Corte 55.0

Corte pernos/Aplastamiento de la plancha

61.3

Consumo interno

Controla la resistencia de la conexión, el modo de falla por Fluencia, 54.6 tf

3. Cargas de Servicio 1.2 CP + 1.6 CV = 54.6 ..como CP = CV entonces 2.8 CP = 54.6 tf CP = 19.5 tf Consumo externo : Lo que hay que decirle al propietario La carga de servicio es de 19.5 tf

Ejemplo 2 Determinar el número de pernos de 3/4” tipo A325-F requeridos para desarrollar la capacidad total de las planchas de acero Fy = 4570 kgf/cm

2. Superficie Clase B

( = 0.50). CV = 4CP.

Solución: 1. Capacidad de las planchas 1.1. Fluencia por tracción en la sección total (Plancha de 9 mm)

1.2. Rotura por tracción en la sección neta efectiva (Plancha de 9 mm)

... máximo valor de

An = 0.85 A = 0.85 (0.90 x 15.2) = 11.6 cm2

...entonces:

Capacidad de las planchas

2. Cargas de Servicio

NU = 1.2 CP + 1.6 CV = 40.8 tf ...como CV = 4CP entonces NU = 1.2 (CP) + 1.6(4CP) = 7.6 CP = 40.8 tf

CP = 5.37 tf con lo cual: N = Cp + CV = 5.37 + 4(5.37)

N = 26.85 tf

Carga de servicio

Bajo cargas de servicio la capacidad de un perno 3/4 A325-F en corte doble, para superficie Clase B es entonces igual a:

3. Pernos en el estado límite de agotamiento resistente 3.1. Por aplastamiento

3.2. Por corte

Controla la condición de agotamiento resistente sobre la de servicio. Se usarán 4 pernos por razones de simetría.