INSTITUTO TECNOLOGICO DEMÉRIDA 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 2 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.) y aspectos de montaje (accesibilidad para apernar o soldar en terreno. o se unen piezas para construir elementos de máquinas. las limitaciones constructivas. También se unen diversos elementos planos. o de vigas y columnas para configurar un pórtico. ser razonablemente económica) aún puede significar un costo importante en obra en función de su complejidad. permiten unir dos o más elementos. Economía – las conexiones tienen una relación directa con el costo total de la estructura. repetición de elementos posibles de estandarizar. Hoy en día estas variables se analizan en forma conjunta e integral. Resistencia y rigidez–de los elementos y de las conexiones. soportes provisionales y hasta aspectos relacionados con clima en el lugar de montaje. por contacto. la facilidad de fabricación (accesibilidad de soldadura.). etc. para construir recipientes de almacenamiento. Las conexiones se clasifican en remachadas. La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión (rígida. etc. por fricción. bajo el concepto de constructividad. tiempo disponible. equipos de levante. (Conexiones repetitivas pueden tener un impacto importante en la reducción de costos) Dificultad de ejecución – aunque una conexión puede ser muy eficiente en relación al uso de los materiales (y en consecuencia. y soldadas. etc. Es común el diseño de uniones en los miembros de una armadura. Las uniones de los miembros de una armadura se realizan a través de placas de unión. El proyecto y detalle de las conexiones puede incidir en forma significativa en el costo final de la estructura. 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. atornilladas. Las conexiones –y su diseño. que a su vez pueden ser concéntricas o excéntricas.INTRODUCCIÓN Las conexiones o juntas. 3 . La construcción en estructuras metálicas debe entenderse como prefabricada por excelencia. uso de equipos automáticos. Estas uniones o conexiones pueden ser de dos tipos: apernadas o soldadas. materia en la que el acero muestra grandes ventajas.). flexible. se somete a los sujetadores a fuerzas que tienden a cortar el vástago del sujetador. ya sea por los sujetadores o por la soldadura. El empalme traslapado del miembro en tensión. Esta determinación es la base para las dos clasificaciones principales de las conexiones. 1 CONEXIONES CONCENTRICAS Al considerar el comportamiento de los diferentes tipos de conexiones.1CONEXIONES CONCENTRICAS ATORNILLADAS Las uniones atornilladas se realizan con tornillos y tuercas. a diferencia de los remaches. La resistencia de un sujetador depende de si esta sometido a cortante. La capacidad de carga de la conexión puede. 1. la soldadura que se muestra debe resistir a las fuerzas cortantes. Similarmente. Una sección por eje del tornillo muestra que la rosca del vástago y de la tuerca están encajadas entre sí a modo de engranaje. entonces encontrarse al multiplicar la capacidad de cada sujetador o pulgada de la soldadura por el numero total de sujetadores. además de esfuerzos de cizallamiento y compresión superficial sobre el vástago. Los tornillos estás provistos de una cabeza en un extremo del vástago en el que se ha recortado o enrollado una rosca. La conexión mostrada en la figura produce el cortante y la tension en la fila superior de los sujetadores. En la construcción de estructuras de acero se emplean uniones atornilladas: 4 . La conexión colgante que se enseña en la figura pone los sujetadores en tensión. es conveniente clasificarlas de acuerdo al tipo de carga. Una vez que es determinada la fuerza por sujetador o la fuerza por unidad de longitud de soldadura. a tensión o a ambos. resulta simple evaluar lo adecuado de la conexión. La conexión de una mensula al patin de una columna. conexión simple. Las soldaduras son débiles en cortante. por lo que los tornillos. somete la conexión a cortante cuando se carga como se muestra. 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. pueden soportar tracciones. en el vástago se puede enroscar la tuerca.. por lo que es común que se suponga que falla en cortante independientemente de la dirección de la carga. Si la línea de acción de la fuerza resultante por ser resistida. En general se prefieren las uniones atornilladas para unir elementos constructivos en obra.En los enlaces de materiales que no permiten realizar una unión remachada. ya que las uniones atornilladas permiten una movilidad mayor que las demás uniones. ya que son más fáciles. pabellones de exposiciones y construcciones en las que se prevén modificaciones. por ejemplo. determinados enlaces de vigas. 2. sobre todo en construcciones auxiliares. por ejemplo.. 5 . rápidas y baratas de ejecutar. facilita el ajuste del entramado.Cuando se exige una determinada movilidad de la unión. las placas y los perfiles. especificando las separaciones de los tornillos.Cuando la longitud de apriete es demasiado grande para un remache.En todas las uniones que se han de poder desmontar. • Nodo de armadura.1. en tornillos de anclaje. en la unión de piezas de acero con elementos de hierro de fundición...Cuando se han de absorber esfuerzos axiales de tracción. Además. UNIONES PRINCIPALES • Anclaje a cimentación. donde no puede realizarse una soldadura o una unión remachada. 5. 3.. 4... • Empotre de vigueta en muro de concreto o mampostería • Conexión de columna y vigueta de acero. • Unión de vigueta y columna. 6. por ejemplo.En lugares difícilmente accesibles. Ia separación entre los tomillos y Ias distancias a bordes para Ia conexión mostrada en Ia figura 6 .EJEMPLO Revisar el aplastamiento. 7 . limado y taladrado. 7. de aceite. 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. VENTAJAS DE LA SOLDADURA Actualmente es posible aprovechar Ias grandes ventajas que Ia soldadura ofrece. Por ejemplo. el acero estructural y el metal de aportación actuarán corno una parte continua donde ellos se unen. 3. el miembro en tensión con junta traslapada que se muestra en Ia figura 3. al enfriarse. 6. etc. El metal adicional es depositado por un electrodo especial. 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. como en Ias conexiones de tubos estructurales. 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. con metal fundido de aportación agregado a Ia junta. Una fabricación simple resulta práctica para aquellas juntas en que un miembro se une a una superficie curva o inclinada. en barcos. 4. Los costos de fabricación se reducen porque manipulan menos partes y se eliminan Ias operaciones de punzonado. ya que los temores de fatiga e inspección se han eliminado casi por completo. Se logra simplicidad en los detalles de diseño. A continuación se dan algunas de Ias muchas ventajas de Ia soldadura: 1.1. que es parte de un circuito eléctrico que incluye a Ia parte conectada o metal base. 8 . La soldadura simplifica el refuerzo y reparación de estructuras existentes atomilladas o soldadas. Una relativamente pequeña profundidad de material se fundirá y. 5.la puede construirse al soldarse a través de los extremos de ambas partes conectadas. eficiencia y peso minirno ya que Ia soldadura proporciona Ia transferencia más directa del esfuerzo de un miemixo a otro. Se obtiene también un ahorro adicional debido a que se requieren menos partes conectoras. 2.2CONEXIONES CONCENTRICAS SOLDADAS La soldadura estructural es un proceso po medio dei cual Las partes por conectarse son calentadas y fundidas. Las soldaduras son de filete de w = 5 mm hechas con electrodos E70XX. Ia resistencia del metal de Ia soldadura para electrodos E70XX es: RESPUESTA.. esta conexión se clasifica como simple y cada parte de Ia soldadura resistirá una porción igual de carga.36.4. está conectado a una placa de nudo. Suponer que Ia resistencia por tensión del miembro es adecuada y determinar Ia resistencia de diseño de Ia conexión soldada. De Ia Tabla 3.La resistencia de diseño de Ia soldadura es de 15660 kg. 9 . 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). Las partes conectadas son de acero A36. SOLUCIÓN Como Ias soldaduras están colocadas de manera simétrica con respecto aI eje del miembro. como se muestra en Ia figura 3.EJEMPLO Una barra plana que es utilizada como miembro en tensión. Ia localización y orientación de los segmentos individuales de Ia soldadura no son importantes. 2. se usa comúnmente para conectar vigas a columnas. 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. el centroide del área de corte de los sujetadores o Ias soldaduras se usa como punto de referencia. Esta conexión en forma atornillada o soldada.1 CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS La conexión de Ia viga con ángulo que se muestra en Ia figura 2.30. no coincide con el centro de gravedad de la conexión. En una conexión excéntrica Ia resultante de Ias cargas aplicadas no pasa por el centro de gravedad de los sujetadores. despreciables.2 CONEXIÓN EXCENTRICA Una conexión es excéntrica debido a que la línea de acción de la carga. 10 . Dos conexiones diferentes están en realidad presentes: Ia unión de Ia viga a los ángulos y Ia unión de los ángulos a Ia columna. en muchos casos Ia excentricidad es pequeña sin embargo. ellas existen y se emplean aquí como ilustración. 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. Aunque una gran mayoría de Ias conexiones están cargadas excéntricamente. por lo regular. En este caso particular de conexión. Aunque Ias excentricidades en este tipo de conexión son. Si Ia conexión tiene un plano de simetría. que coincide con el eje longitudinal del miembro de la armadura. es una conexión excéntrica típica. y Ia distancia perpendicular de Ia línea de acción de Ia carga al centroide se llama excentricidad. se recomienda revisar. En la figura se muestra una unión dos diagonales y la cuerda superior de la armadura. 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. es claro que Ia reacción R actúa con una excentricidad e. como se presentó en Ia figura 2. CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS: SOLO CORTANTE La conexión de Ia ménsula de Ia columna que se muestra en Ia figura 2. Los sujetadores en Ia parte superior de Ia conexión estarán. entonces. 11 . sometidos a cortante y tensión.30c. 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. medida desde el centroide de Ias áreas de los sujetadores en el alma de Ia viga Esos sujetadores quedan. como se mostró en Ia figura 2. entonces.30b. sometidos a Ia fuerza cortante y un par que se halla en el plano de Ia conexión y que genera los esfuerzos cortantes torsionantes.31 es un ejemplo de una conexión atornillada sometida a un cortante excéntrico.Si Ia viga y los ángulos se consideran por separado de Ia columna. Si Ia columna y los ángulos se aíslan de Ia viga. EJEMPLO: Determinar la fuerza critica en los sujetadores de la conexión de mensula que se muestra en la figura. 12 . concluimos que el sujetador inferior derecho tendrá Ia fuerza resultante máxima. Al emplear esas direcciones y magnitudes relativas como guía y al recordar que Ias fuerzas se suman según Ia ley delparalelogramo.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. Las componentes horizontal y vertical de Ia fuerza en cada tomillo que resulta de Ia carga: 13 . Si los sujetadores son tomillos sin tensión inicial. Independientemente del tipo de sujetador. una carga excéntrica crea un par que incrementará Ia tensión en Ia fila superior de los sujetadores. de una ménsula formada por un muñón de T estructural. los tomillos superiores quedarán sometidos a Ia tensión y los inferiores no serán afectados.40. y Ia disminuirá en Ia fila inferior.CONEXIONES EXCENTRICAS ATORNILLADAS: CORTANTE MÁS TENSIÓN En una conexión como Ia de Ia figura 2. 14 . cada uno recibirá una porción igual de carga cortante. EJEMPLO Una conexión viga a columna está hecha con una T estructural. 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. Suponer que Ias roscas de los tornillos están en el plano de corte (N). Ia compresión en Ia parte superior será aliviada y la presión en el fondo se incrementará. Conforme Ia carga P es gradualmente aplicada.5 cm. La presión de apoyo será igual a Ia tensión total de los tornillos.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. 15 .Si los sujetadores son tornillos de alta resistencia pretensionados. Investigar si es adecuada esta conexión (T a columna) cuando está sometida a una carga factorizada de 36 tn con una excentricidad de 7. Ias fuerzas en los tomillos se aproximarán a sus resistencias últimas de tensión. 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. dividida entre el área de contacto. como se muestra en Ia figura 2. AI acercarse Ia carga última. Considerar que todo el acero es A36. Cuando Ia compresión en Ia parte superior ha sido completamente vencida. 16 . .La conexión es satisfactoria 17 . el centroide de la conexión esta a media altura. RESPUESTA.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. La carga calculada se multiplica por 0. 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. 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. El esfuerzo cortante originado por el par que se encuentra con Ia fórmula de Ia torsión 18 .44b. La carga será resistida por el área de Ia soldadura que se presenta en Ia figura 3. Si se emplean componentes rectangulares. Como todos los elementos de La soldadura resisten una porción igual de cortante directo. donde Px y Py son Ias componentes x y y de Ia carga aplicada. somete a Ia propia soldadura a un cortante directo y a un cortante torsionante. Si se hace esta ligera aproximación.44a se considera que actúa en el plano de Ia soldadura. el esfuerzo cortante directo es: donde L es Ia longitud total de Ia soldadura y es numéricamente igual al área de cortante. en el plano de Ia garganta.707 veces el tamailo de Ia soldadura para obtener Ia carga real. porque se ha puesto un tamauio unitario de garganta. Una carga excéntrica. en el plano de Ia soldadura.2 CONEXIONES EXCENTRICAS SOLDADAS Las conexiones excéntricas soldadas se analizan en forma muy parecida a como se estudian Ias conexiones atornilladas. Sin embargo. los cálculos se simplifican si se utiliza una dimensión unitaria para Ia garganta.2. es decir. 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. La carga de 27 500 Kg es factorizada.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. Se usara acero A36 para la ménsula y para la columna 19 . SOLUCIÓN La carga excéntrica puede ser reemplazada por una carga concéntrica y un par. es el mismo para todos los segmentos de Ia soldadura y es igual a: 20 . en kg/cm. como se muestra en Ia figura. EI esfuerzo cortante directo. Si se toma Ia esquina inferior derecha. Por inspección.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. 21 . Ia esquina superior derecha o Ia esquina inferior derecha pueden tomarse como ia posición critica. .RESPUESTA.Utilizar una soldadura de filete de w=13 mm (1/2”) y electrodos de E70XX 22 . como se muestra en La figura. particulamiente Ias conexiones de viga a columna. 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. ¿Qué tamaño de soldadura de filete se requiere para Ia conexión con el patin de Ia columna? 23 .Muchas conexiones excéntricas. Todo el acero es A36 y se usarán electrodos E70XX. someten a Ias soldaduras a tensión más cortante. El ángulo debe soportar una reacción por carga factorizada de 10 000 kg. 1 mm 24 . a Ia capacidad de Ia soldadura por cm de longitud: Tamaño mínimo de soldadura = 6. ésta última está soportada por 83 mm de los 102 mm del lado en voladizo del ángulo.35 mm (con base en el espesor de 16.SOLUCIÓN Igual que en los ejemplos previos de diseño. 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. por simplicidad lo despreciaremos en los siguientes cálculos. en este momento su longitud sólo podría ser estimada ya que el tamaño de Ia soldadura no ha sido aún determinada. se empleará un tamaño unitario de garganta en los cálculos.2b del AISC.3 mm del patIn de Ia columna) De La Sección J2.7—1 6 =11. Si se supone que Ia reacción actua por el centro de esta longitud de contacto. Tamaño máximo de soldadura =12. En todo caso. Debido a Ia holgura de 19 mm de Ia viga. Aunque se necesita un remate de extremo para una soldadura de este tipo. 25 .35 mm (1I4) y electrodos E7OXX. P: es la carga de corte sobre el cordón de soldadura.Utilizar una soldadura de filete de w = 6. t: es el espesor del cordón de soldadura..Revisando Ia Capacidad por Cortante del metal base: Esfuerzo cortante directo aplicado = 329 kg/cm Capacidad por cortante del lado del ángulo RESPUESTA. DISEÑO DE JUNTAS SOLDADAS CON CARGAS EXCENTRICAS El esfuerzo cortante de un cordón de soldadura. L: es la longitud del cordón de soldadura. se puede calcular como: t = P / (L t) (103) donde. fuerzas cortantes y momentos flexionantes producidos por Ias acciones que el proyectista haya considerado. Es necesario que Ias conexiones cumplan con requisitos mínimos de precisión geométrica. que siempre elevan el costo del montaje de manera importante. si Ia junta requiere de un ajuste demasiado afinado. 26 . el ingeniero debe garantizar no solamente que no se producirá el colapso o falIa. tanto de éstas como de los elementos prefabricados que van a unir. Las conexiones pueden llegar a estar sujetas a fuerzas y condiciones de servicio que no puedan ser previstas con buena precisión. sino que tampoco que se presenten desplazamientos y deformaciones excesivas. No obstante. Ias operaciones de montaje se complican. ya que por mucho cuidado que se ponga el Ia fabricación. Por otra parte. sin necesidad de hacer ajustes. tal es el caso de un gran impacto o un sismo extraordinario de alta intensidad. En el análisis de Ias conexiones. AI diseñar una conexión. con el fin de que permitan Ia unión de los elementos que integran una estructura. siempre existen pequeños errores de dimensiones. Ias juntas deben diseñarse con tolerancias. se deben considerar todas Ias fuerzas que tengan una buena probabilidad de presentarse durante Ia vida útil de Ia estrUctura. Se puede concluir que las conexiones de acero tienen como finalidad resistir cargas axiales.CONCLUSIÓN En el presente trabajo se habla en forma breve de las conexiones que se emplean en estructuras de acero. V. S.pdf http://192.unal. 2001 “MANUAL DE CONSTRUCCIÓN EN ACERO IMCA”. http://www.REFERENCIAS: INSTITUTO MEXICANO DE LA CONSTRUCCIÓN EN ACERO.155.R.179/~jarannac/acero/pdf/dbdacap6. (I. de C.co/cursos/sedes/palmira/5000155/lecciones/lec10/10_1. AC.virtual..A) MÉXICO D. VOLUMEN 1.ahmsa. 3a EDICIÓN EDITORIAL LIMUSA.MC.com/Acero/Complem/Manual_Construccion_2013/Capitulo_2d. 2a EDICIÓN EDITORIAL: INTERNATIONAL THOMSON EDITORES.edu.pdf 27 .A.NORIEGA EDITORES WILLIAM T SEGUI MEXICO DF.htm http://www. 2000 “DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD”.192.
Report "Conexiones Concentricas Atornilladas y Soldadas"