Curso de Alto Nivel de Diseño de Conexiones Estructurales Típicas de Edificios de Acero. M. en I. Ismael Vázquez Martínez 27 a 29 de marzo de 2008

Curso de Alto Nivel de Diseño de

Conexiones Estructurales Típicas de

Edificios de Acero

M. en I. Ismael Vázquez Martínez

Ejemplo 6.

Determine el numero de tornillos A325 de ¾” (1.9 cm.) de diámetro, colocados en agujeros estándar, necesarios para la conexión de la Fig. 1.

La junta debe diseñarse por aplastamiento; las roscas de los tornillos están fuera de los planos de corte.

Suponga que la distancia al borde es mayor que 1.5d y la distancia entre centros de agujeros mayor que 3d.

El acero de las placas es A36, y las cargas mostradas son de diseño (están ya multiplicadas por el factor de carga).

Fig. 1

El factor 2 se debe a que los tornillos trabajan en cortante doble, de manera que hay dos planos de corte en cada uno. 2.85 cm2 es el área de la sección transversal del vástago de

un tornillo de 1.9 cm de diámetro.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Resistencia al cortante por tornillo

:

Resistencia al aplastamiento por tornillo:

Para la placa de 2.54 cm. de espesor

Para la placa de 2.54 cm. de espesor

F_R = 0.75 x 2.4dt Fu = 0.75 x 2.4 x 1.9 x 2.54 x 4078 x 10-3 = 35.42 ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

F_R = 0.75 x 2.4dt Fu = 0.75 x 2.4 x 1.9 x 1.27 x 4078 x 10-3 = 17.71 ton.

Para la placa de 1.27 cm. de espesor

El diseño de los tornillos queda regido por su resistencia al cortante.

Número necesario de tornillos = 100 / 18.7 = 5.4 Se utilizarán 6 tornillos.

CONEXIÓN VIGA COLUMNA COMUNMENTE UTILIZADA ANTES DEL SISMO DE NORTHRIDGE EN LOS ESTADOS UNIDOS

PENETRACIÓN COMPLETA PLACA DE RESPALDO PERFORACIÓN DETALLE A PATÍN DE LA TRABE COLUMNA PATÍN DE LA ATIESADOR EN EL ALMA

FALLAS EN CONEXIONES

FRACTURA DE UNO DE LOS PATINES DE LA COLUMNA PROPAGANDOSE A TODA EL ALMA DE LA COLUMNA

Zona Común de Iniciación de Fracturas

Resultados de la Investigación Realizada

P rog ra m t o R ed u ce t h e E a rt h q u ak e H a za rd s of S te el M om en t F ram e S tr u ct u re s FEDER AL EM ERGE NCY M ANAG EMEN T AGE NCY FEMA 3 50 Ju ly, 199 9 Recom mend ed Sei smic D esign Cr iteria for Ne w Mom ent-Re sistin g Steel F rame B uildin gs P ro gr a m to R ed u ce t h e E a rt h q u a k e H a za rd s o f S te el M om en t F ram e S tr u ctu re s FEDERAL EM ERGENCY M ANAGEMEN T AGENCY FEMA 352 Ju ly,2000 Recommend ed Seismic D esign Criteria for New Mo ment-Resist ing

Steel Frame Buil dings P ro gr a m t o R ed u ce t h e E ar th q u a k e H az a r d s o f S te e l M om en t F ram e S tr u ct u re s

FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY FEMA 351 July, 1999

Recommended Seismic Design Criteria for New Moment-Resisting

Steel Frame Buildings

P ro gra m to R ed uce th e E ar thq u ak e H aza rd s o f Ste el M om en t F ram e S tru ctu re s

FEDERAL EMERGENC_{Y MANAGEMENT AGENCY}

FEMA 350 July, 1999

Recommended Seism_{ic Design} Criteria

for New Moment-R_esisting Steel Frame Buildings

Resultados de la Investigación Realizada

FEMA-350: Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings.

FEMA-351: Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings.

FEMA-352: Recommended Post-earthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded, Steel Moment- Frame Buildings.

FEMA-353: Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications.

La placa de respaldo debe ser

removida cuando se utiliza en las uniones de penetración completa entre el ala inferior de la viga y columna.

Realizar saneado de raíz y soldar cordón de Respaldo tipo filete de tamaño mínimo de 8 mm.

Requerimientos básicos de una conexión

Requerimientos básicos de una conexión

viga columna en zonas sísmicas

viga columna en zonas sísmicas

• Debe ser capaz de poder desarrollar la capacidad a

flexión de las trabes.

• Debe poder resistir varios ciclos de carga

reversibles con rotaciones plásticas de 0.03 radianes.

• Las articulaciones plásticas deben formarse en las

MECANISMO DESEABLE

3d/4 _3d/4 3d/4 ARTICULACIÓN PLÁSTICA 3d/4 d L L - 3d/2 ARTICULACIÓN PLÁSTICA ARTICULACIÓN PLÁSTICA ARTICULACIÓN PLÁSTICA

POR MEDIO DE ACARTELAMIENTOS

POR MEDIO DE ACARTELAMIENTOS

POR MEDIO DE CUBRE PLACAS

POR MEDIO DE PLACAS VERTICALES d d/2 d/4 POSIBLES COLOCACIONES d/4

CONEXIONES PRECALIFICADAS

DISMINUCIÓN INTENCIONAL DE LA RESISTENCIA EN UN SEGMENTO DE LA VIGA

(GEOMETRÍA TIPO “HUESO DE PERRO”)

d

TRAMO CON

POSIBLES GEOMETRIAS SECCIÓN REDUCIDA

DISMINUCIÓN INTENCIONAL DE LA RESISTENCIA EN UN SEGMENTO DE LA VIGA

(GEOMETRÍA TIPO “HUESO DE PERRO”)

d

b f b f d

2

PATINES CON ANCHO VARIABLE EN ESTE SEGMENTO DE LA TRABE

CONEXIÓN ATORNILLADA EN CAMPO

La conexión con la trabe es completamente atornillada

La conexión con la trabe es completamente atornillada

por lo que no es necesario soldar en campo.

por lo que no es necesario soldar en campo.

SECCIÓN CAJÓN b f b f d 2 CONEXIÓN ATORNILLADA ATIESADORES (4 PLACAS SOLDADAS) EN CAMPO

El muñón se fabrica en taller usando patines de ancho variable para

El muñón se fabrica en taller usando patines de ancho variable para

alejar la articulación plástica lejos de la cara de la columna.

alejar la articulación plástica lejos de la cara de la columna.

Alternativas para mejor la confiabilidad de la soldadura de

Alternativas para mejor la confiabilidad de la soldadura de

penetración completa en la conexión propuesta.

penetración completa en la conexión propuesta. PLACA DE RESPLADO

USAR ELECTRO DO

SOLDADURA DE PENETRACIÓ N CO MPLETA COLO CADA CUANDO LA CO LUM NA ESTÁ DE CABEZA

QUITAR PLACA DE

REFUERZO CO N SOLDADURA

REFUERZO CON FILETE

ATIESADOR

PATÍN INFERIOR DE LA TRABE HOYO

SOLDADURA CON DOBLE BISEL

ATIESADOR PATÍN INFERIOR DE LA TRABE HOYO DE FILETE RESPALDO QUITAR PLACA DE RESPALDO TIPO E701 8 ATIESADOR PATÍN INFERIOR DE LA TRABE HOYO ATIESADO R PATÍN INFERIOR DE LA TRABE HO YO

CONEXIONES PRECALIFICADAS

Conexión viga columna tipo árbol.

Conexión viga columna tipo árbol.

DISEÑO DE LA JUNTA

Resistencia. Las conexiones deben ser capaces de

resistir las acciones que les transmiten los miembros.

Rigidez. La conexión debe tener la rigidez suficiente

para conservar las posiciones relativas de los elementos que conecta.

Capacidad de rotación. La conexión debe admitir

rotaciones importantes conservando resistencia y rigidez suficiente de manera que se formen

articulaciones plásticas en los elementos que conectan y por lo tanto permitir la capacidad de deformación de la estructura.

Economía ?

M. en I. Ismael Vázquez Martínez

CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

Ejemplo 7.

Conexión Trabe T-1

Conexión Trabe T-1

Patín A = 30.48 x 1.9 = 57.9 cm2

F_MAX = 57.9 x 2530 x 1.15 x 10-3 = 168 Ton.

(Se considera una sobreresistencia del 15%)

Considerando tornillos A-325

φ R_N = 0.65 x 72* = 46.8 K_si =3300 kg 2 5 . 25 3300 2 168000 * * cm x N = =

* Cuerdas fuera del plano de corte ** Cortante doble

⇒

Considerando tornillos φ = ¾” A = 2.85 cm2 tornillo n 9 85 . 2 5 . 25 = = Considerando el momento ton x x d ZFy d M F 10 191 2 . 64 2530 4845 ₃ = = = = − F_MAX = 1.15 X 191 = 220 Ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

tornillos n 12 85 . 2 3 . 33 = =

φ

= ¾”

φ

= 1”

n 8 tornillos 07 . 5 3 . 33 = = 2 2 . 33 3300 2 220000 * * cm x N = =

* Cuerdas fuera del plano de corte ** Cortante doble

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Revisión placa de conexión.

Para tornillos Ø = 1” R_N=2.4 d_t t F_u = 2.4 x 2.5 x 1.0 x 4080 x 10-3= 24.5 Ton. φ R_N = 0.75 x 24.5 = 18.3 Ton. ton F 27.5 8 220 = =

Fuerza por tornillo φ =1”

ton ton F 3 . 18 8 . 13 2 5 . 27 2 * * < = =

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Capacidad a Cortante de la Viga V_N = 0.6 F_yw A_W

V_N = 0.6 x 2530 x 61 x 1.3 x 10-3 = 120 Ton.

(Nota: no se consideró sobreresistencia)

Ø V_N = 108 Ton Considerando tornillos Ø = ¾” 2 18 3300 2 120000 * * cm x N = = tornillos n 6.4 85 . 2 18 = = Se colocarán 6 tornillos

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Revisión Aplastamiento

R_N = 2.4 d_t t F_u = 2.4 x 2.0 x 1.0 x 4080 x 10-3 = 19.6 Ton.

(Ø = ¾”)

φ R_N = 0.75 x 19.6 = 14.7 Ton. Fuerza por tornillo Ø = ¾”

ton V F N ₁₈ 6 108 6 = = = φ ton ton F 7 . 14 9 2 18 2 * * < = =

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Revisión a tensión de la conexión (trabe T-1)

a) Placa de conexión a flexión

a.1) Fluencia en la sección gruesa

P_n = F_y A_g = 2530 x 30 x 1 x 10-3 = 75.9 Ton.

φ Pn = 0.9 x 75.9 = 68.3 Ton.

(2 φ P_n)* = 2 x 68.3 = 136.6 Ton < F = 191 Ton.

Será necesario incrementar la placa

Incrementando la placa A_t = 16 mm (5/8”)

P_n= F_y A_g = 2530 x 30 x 1.58 x 10-3 = 119.92 Ton.

(2 φ P_n)* = 2 x 0.9 x 119.9 = 215 Ton. > 191 Ton. Se colocarán 2 placas de 5/8’”

a.2) Fractura en la sección neta

(

)

[

_{30 2 2.5 0.2}

]

_33.04 2 58 . 1 85 . 0 × × − × + = cm P_n = 4080 x 33.04 x 10-3 = 134.8 Ton. 2 φ P_n = 2 x 0.75 x 134.8 = 202.2 Ton. > 191 Ton. P_n = F_u A_e A_e = U A_n =

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

a) placa de conexión a cortante

b.1) Flujo plástico en la sección total

P_n = F_y A_g = 2530 x 39 x 1 x 10-3 = 98.7 Ton.

φ P_n = 0.9 x 98.7 = 88.8 Ton.

(2 φ Pn)* = 2 x 88.8 = 177.6 Ton > V_N = 120 Ton. b.2) Fluencia en la sección neta

P_n = F_u A_e

A_e = UA_n = _{0.85× 1.0×}

[

_{39 − 6×}

(

_{1.9+ 0.2}

)

]

_{= 22.4 cm}2

P_n = 4080 x 22.4 x 10-3 = 91.55 Ton.

(2 φPn)* = 2 x 0.75 x 91.55 = 137.3 Ton > V_N = 120 Ton.

Revisión del aplastamiento del alma de la trabe

Revisión del aplastamiento del alma de la trabe

R_N = 2.4 d_t F_u

R_N = 2.4 x 1.9 x 1.3 x 4080 x 10-3 = 24.2 Ton.

R_N = 0.75 x 24.2 = 18.1 Ton.

Revisión soldadura alma Trabe / Columna

Revisión soldadura alma Trabe / Columna

V

_N

= 120 Ton.

Utilizando soldadura E-70xx

R

_E-70XX

= 70.ksi = 4900 kg/cm

2

φ

F

_BM

= 0.75 x 0.6 x R

_E-70XX

= 2205 kg/cm

2

L = 60.9 x 2 = 121.8 cm

R=﴾  F

_BM

﴿ L x 0.7071 t

mm cm t 0.63 6.3 2205 7071 . 0 8 . 121 000 120 = = × × = Se consideran 8 mm

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Sección de cuatro placas con soldadura de penetración.

Evitar en la medida de lo posible.

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

Sección de cuatro placas con soldadura de filete.

Alternativa 1

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

Sección de cuatro placas con soldadura de filete.

Alternativa 2

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

Forma eficiente de soldar el atiesador interior en sección

de cuatro placas.

Paso 1: soldar con filete en las primeras tres caras

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

Paso 2: soldar la cuarta cara con soldadura de botón

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR

FABRICACIÓN

M. en I. Ismael Vázquez Martínez

ESTRUCTURAS METÁLICAS

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ESTRUCTURAS METÁLICAS

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