4.3 Tipos de Uniones en El Plano

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ESTRUCTURAS BE ACERO

ESTRUCTURAS BE ACERO

IIIRMINCIél AL DEMI

IIIRMINCIél AL DEMI

Gabriel Valencia Ciernen

Gabriel Valencia Ciernen

1

1

21151

21151

)

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T

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A

A

L

L

D DE E COCOLLOOMMBIBIAA S E D E B O G O T Á S E D E B O G O T Á FACU

(2)

4. UNIONES SIMPLES.

4. UNIONES SIMPLES.

Los m

Los miiemembrbros os que que comcomponen ponen ununa a esesttrructuctururaaddeeaceacerro o sse e uunnen en parpara a ququee

t

trrababajajenenenen conconjjuunntto, o, pparara a llo o quque e se se coconnectectan an enenttrre e si si con con uunno o o o varivarios os dde e llosos

cuat

cuatrro o mmététododos os qquue e hhay ay parpara a uunniirrllos, os, a a ssaberaber, , mmediedianantte e perpernnos, os, rrememaches,aches,

sol

soldadadudurras as o o ppasadorasadores; es; en en esesttrruuctctuurras as dde e aceracero o nno o suelsuelen en uusarsarse se llas as uunniiononeses

p

pegadegadas, as, práctpráctiica ca quque e si si se se eenncucuenenttrra a en en lla a ffabriabricacicación ón dde e estestrruuctctuurras as ddee

al

aluummiinniio. o. Las Las uunniionones es ppuuedeeden n hhaceracerse se en en ttalalllerer, , paparra a ararmmar ar llas as ppiiezasezasddeellaa

est

estrruuctctuurra, a, o o en en obobrra a pparara a eennsamsamblblar ar esesas as ppiiezas ezas AAsí sí mmiismsmo, o, si si llas as ppiiezasezas

son

son mmuuy y grgranandes, des, para para ssu u ttrrasportasporte e pupuede ede ser ser nnecesarecesariio o ffabrabriicarcarllasaseenn

s

segmegmenenttos os quque e deberdeberán án sser er ununiidos dos en en obrobra. a. DDebiebido do al al alaltto o coscostto o ququee eenn

gen

genereral al ttiienenen en llas as conconexiexionones es en en oobra, bra, su su nnúúmmerero o ddebe ebe ser ser el el mmenenor or pposiosiblble.e.

E

En n el el pprresenesentte e capcapiittuullo o se se pprresenesenttan an llos os pprriinncicippiios os bbásiásicocos s ddel el ddiiseñseñoo ddee

un

uniionesones, , ttemema a que que en en ggenereneral al sse e conconoce oce comcomooddiisesenno o dde e uunniionones es ssiimmpplleses..

D

Denenttrro o ddel el obobjjetetiivo vo ddel el pprresenesentte e texttexto o nno o cabe cabe el el estestuuddiio o en en pprrofofuunnddiiddad ad ddelel

t

temema a dde e llas as conconexiexiononeses, , camcampo po en en el el quque e se se iinnclcluuyeyeeelldidisseñeño o de de conconexiexionones es aa

cor

corttanantte e dde e vviigasgas, , llas as plplacas acas de de base base de de colcoluummnnas, as, llas as conconexiexionones es a a mmomomenentto,o,

l

los os enensamsamblbles es de de cocolluummnnas, as, llas as conconexiexionones es ppararcicialalmmenentte e rrestestrriinngigidadas, s, etetc.c.,,

pa

parra a el el quque e el el llectector or pupuedede e coconnsulsulttar ar el el MMananuual al de de CCononssttrruuccicción ón en en AAcercero o dede

l

la a AAIISSC C ((RRefef. . 22)), , el el cucual al ddedediica ca su su vovolluummen en III I a a eesstte e ttemema, a, o o bibien en a a uunno o dde e llosos

 v

 vaarriioos s lliibbrroos s dde e eessttrruuccttuurraas s dde e aacceerro o qquue e iinncclluuyyeen n eel l cciittaaddo o ddiisseeññoo, , ppoorr

ej

ejememppllo o llas as RRefef. . 1166, , 2200, , 2244, , 3377, , 3388, , enenttrre e oottrras as vvariarias.as.

4.1

4.1

UUrrnnoioinniiaaREMREMACHADASACHADAS..

Por m

Por muchuchos os añañosos, , llas as ununiionones es rrememacachhadas adas ffuerueron on el el mmététodo odo gegennereralalmmententee

acept

aceptado ado en en lla a conconexiexión ón de de elelememenenttos os dde e aceracero. o. La La grgran an ventaventajja a de de llosos

r

rememachaches es es es qquue e peperrmmiitten en rrealealiizar zar jjuunnttas as TTiillddas, as, llo o quque e nno o se se llogra ogra coconn

perno

pernos s dde e rresiesissttenencicia a nnormormalal, , sisin n emembarbargo, go, desde desde mmediediadoados s ddel el sisiglglo o XXXX, , elel

u

uso so de de llos os rrememachaches es ffuue e dedeclcliinnanando do rrápiápidamdamenentte, e, debdebiido do al al desardesarrrololllo o de de llaa

sol

solddadaduurra a y y dde e llos os pperernnos os dde e aalltta a rresiesiststenencicia, a, elelememenenttos os dde e conconexiexión ón con con llosos

cual

cuales es se se llogrogra a lla a mmiissmma a rriigigidez dez quque e con con llos os rrememachacheses, , perpero o con con costcostos os yy

t

tiiemempopos s de de iinnststalalaciación ón mmenenorores.es.

Lo

Los s rrememachaches es son son elelememenenttos os de de ssecciección ón ttrranansversversal sal cicirrcucullarar, , mmananuuffactactuurradadosos

con

con aceracero o ddúúctctiill. . TTiienenen en uunna a cabcabeza eza en en cadcada a exexttrrememo, o, véase véase lla a FFiig. g. 44..11, , uunnaaddee

l

las as cucualales es se se ffabriabrica ca ddespuespués és de de cocollocaocarrllos os en en su su lluugargar, , opopereraciación ón quque e sese

E

(3)

puede realizarencaliente o en frio, siendo el primero de los sistemaselmás

empleado, debido a que formar la cabeza en filo requiere de la aplicación de grandes presiones.Elproceso en caliente, es entonces un proceso de forja.El

uso de los remaches, se ve limitado precisamente por el equipo necesario para su instalación, y particularmente por la inconveniencia de usarloencampo.

(4)

Figura4.1-Unionesremachadas.(a)Remacheantesde suinstalación.(b)Forjadodela

segundacabeza.(c)Remacheinstalado.

Considerando que el uso de las uniones remachadas es hoy en chi' t muy reducido, no se presenta la metodología de diseño de las mismas, aclarando que esta metodología es muy similar a la usada en el diseñodelas uniones empernadas.

4.2UrnowssEMPILIPAADAS.

Las uniones empernadas sonengeneral las más económicas, particularmente comparadas con lasunionessoldadasencampo. Los pernos son piezas compuestas por un vástago roscadoenparte de su longitud, para recibir una tuerca, y una cabeza normalmentedeforma hexagonal.

Deacuerdo con ASTM, los pernos usados en juntas estructurales están incluidos en una delas siguientes tres calidades: A307, A325 y A490.En

Colombia estas calidades no son de uso frecuente, se usan unos pernos clasificados de acuerdo con la norma ISO como Grado 2, Grado 5y Grado 8, los cuales, si bien tienen una resistencia al corte similar a los ASTI( A307,  A325 y A490, respectivamente, no tienen las mismas dimensionesdecabeza y tuerca, y por lo tanto no deben usarse reemplazando a los ASTM, salvo que la única solicitación en ellos sea una fuerza cortante, pero noen juntas por deslizamiento critico, (definidas más adelante), ni cuando haya cargasde

pretensionamientoenlos pernos, o estos deban transmitir fuerzasdrtensión. Los pernos A307 son los más usados,y cn Colombia a veces se les denomina

pernos comunes o pernosdehierro, (denominación errada, pues son de acero). Los A325 y A490 se denominan dealtaresistencia,y sefabrican bajo pedido. Los pernos A307,normalmente no se aprietan con un torque específico, simplemente, apretando la tuerca hasta que se sienta una

EstructurasdeAcero   Jurjrte;Simp¿es

(b)

1

 \ Cabeza

Remachada Agarre .-- (c)

(5)

resistencia al giro alta cuando se usa una llavedeapriete corriente. Por su parte, los pernos de alta resistencia si suelen apretarse induciendo en los

mismos una carga de tensión alta, que esengeneral igual al70%dela carga

(6)

Tabla 4.1 - Resistenciade diseñ de sti!etadnss a la tensi"n. #NSR-$%. Tabla &.'-%(.

Desonpción del sujetador. Coeficiente de resístencie

Residencie Nominal, 114Pa.

PernosA307 310(a)

PernosA325 620(b)

Pernos A490 0.75 110(b)

Barres roscadas 0.75-Fe (ex)

Remaches !" 1# A$%& A502 310(a)

Remaches Gr 2 y3 AST A!"2 #1!(a)

Nta) #e( *nica+ente ca)e ca),as Mb

#b( Pa)a cines de /alls Mas NSR-$% &'.'0'

#b( Pa)e be))eae+ndsdas2a3 )eisits es5ecieAss.

4.'.1 Pe)ns en tensi"n6 De ace)d cn las NSR-$%7 n 5e)n en

tensi"n tiene na )esistencia de diseñ6

T Re ,-4F ft 44. #4.1(

Dnde6

- /act) de )esistencia7 i,al a 0.89.

F. )esistencia n+inal a la tensi"n #Tabla 4.'(7 ItPa.

 Ab :)ea n+inal del ;:sta, sin )scas7 ++2.

El :)ea c)itica a t)a;és de la cal se t)ans+ite la ca),a del 5e)n a la

te)ca7 es +en) e el :)ea n+inal del ;:sta, debid a la 5)esencia de la )sca. La )sca es 2elicidal7 5) l cal el :)ea e/ecti;a en tensi"n n se +ide en la )a<= de la )sca7 5e) en td cas si se ;e dis+inida 5) esa )sca. Las NSR-$% 5e)+iten t)aba!a) cn el :)ea n+inal del ;:sta,7 sin )edccines 5) la 5)esencia de la )sca7 5e) 5a)a c+5ensa)7 >!a n ;al) de es/e)= de diseñ +en) e el de /alla )eal7 de se)te e ls ds e/ects se c+5ensan 3 la )esistencia de diseñ calclada cn la ecaci"n 4.1 )eslta cn>able.

En la tabla 4.1 se 5)esenta la )esistencia de diseñ de s!etad)es a tensi"n.

4.'.' Pe)ns en c)tante6 De ace)d cn las NSR-$%7 n 5e)n slicitad 5) /e)=a c)tante tiene na )esistencia de diseñ6

y -1/! #4.'( Dnde6 4 ? /act) de )esistencia7 i,al a 0.89.

".# )esistencia n+inal a la tensi"n #Tabla 4.'(7

MPa. Ab la :)ea n+inal del ;:sta, sin )scas7

++2

@%

Estructurasde Acero Uniones Sirnpies

(7)

Anne en con"ac"o en"re 'eono 

paredde h*eco

(e) (b)

F!+*ra 4.2 - ,n!ones con 'ernos (a)or"e s!m'e (b) obe cor"e# en a ons 1el;:sta,

es"/ s!n roscas en e 'ano de cor"e# er a ona2 s! haroscas en e 'ano de cor"e.

n es"e caso# el /rea Ab 'odra corres'onder a /rea de /s"a+o s! no ha

roscas en el plano de cor"e# o a /rea eec"!a donde ha roscas# s! e 'ano de cor"e 'asa 'or es"as# "a como se a'rec!a en a F!+. 4.2# s!n embar+o# 'ara eec"os de d!seo# as $R-9 'ro'onen *sar el :)ea nom!na de /s"a+o s!n

)scas7 y 'ara com'ensar# en e caso en *e haa roscas en e 'ano de cor"e# e es*ero de d!seo es'ec!!cado es menor *e e ace'"ado s! en e 'ano de

cor"e no ha roscas# "a como se m*es"ra en a "aba 4.2.

%aba 4.2 - Res!s"enc!ade c8seodes*e"adores acor"an"e. ($R-9# %aba F.2-)#

Coeticient Resistencia

DescripcIón el su!e"eor. ede Nominal, resistencia $4Pa.

PernosA307 15(P.c)

Pernos A325# s! ha roscas en e 'ano de cor"e 330 (d) Pomos A325# s! no ha roscas en e 'ano de cor"e 415(d) Pernos &90# s! ha roscas en e '!ano de cor"e 415 (d) Pernos A490# s! no ha roscas en e 'ano de cor"e 015 520(d) Barras roscadas s! ha roscas en 'ano de cor"e 0.40- F# Barras rascadas s! no ha roscas en 'ano de core 0.50-F# (cc) Remaches :r 1# A$%& A502 170 (d)

Remache$:r 2  3 A$% A502 225(d) o"as; (<<) ar!=!aa!&!>'aracar+as es"&!cas.

#2( e2 s5lan )scasen eplano do cor"e

#a( En ilcaso2a3com'robac!ones ad!c!onaes# ?ase $R-9 %aba F.24

#d(*ando en *na conex!en"!'o a'!as"am!en"ode m!embros en "ens!@n# e d!s"anc!a med!da en d!recc!@n de e "*era en"re os 'ernos m/s &!dos# sea maor de 1#250 mm#2a ca5acidad dada debered*c!rse 20C.

Estructuras eAcero Uniones$!m'!se

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 Tabla 4.3-Esfuerzolimiteatensión. R. parasujetadoresenconexionestipoaplastamiento

cuando hay tensión y cortante combinados, MPa.

Descripción del sujetador  %ay Rosca en el piano de corte

No &ay Roscaen

e' piano de corte Pe)ns A@08 Pe)ns A@'9 Pe)ns

A4$0

a))as )scadas.pernos A449n di:+et)+a3) de @% ++

Re+ac2es A90' B) 1 Re+ac2es A90' B) '

4.2.3 Pernos a tensión y cortante: En las uniones por aplastamiento, cuando los pernos están solicitados por tensión y cortante actuando simultáneamente, los esfuerzos reales, que resultan de la combinación de

aquellos, calculados mediante círculode Mohr, con las ecuaciones de von Misiles, uotro procedimiento, no deben superar la resistencia del material. Considerando que la evaluación deesos esfuerzos reales puede resultar dispendiosa, las NSR-98 especifican que la resistencia de diseño debe evaluarse con las ecuacionesdeinteracción que se incluyen en la tabla 4.3, (NSR-98, tabla F.2-11). Debe hacerse notar que, en todo caso, es necesario comprobar queel esfuerzo cortante no supere el valor dado en la tabla 4.2. Estas ecuaciones son el resultadodeuna simplificaciónde las curvasde

interacción halladas medianteel empleo delos métodos mencionados atrás para la evaluacióndelos esfuerzos reales en el material. La representación gráficade las citadas ecuaciones, en forma adimensional, tal como se presentaen la Fig. 4.3, permite visualizar mejoresta formulación.

1.0

Figura4.3-Curvadeinteraccióntensión-cortantetipica,parapernosenunionestipo aplastamiento.

EstructurasrAcero Uniones(tionpíes

407-t91, 5 310 807-1.9t.5820807-1.51.5820 1.010-191.57801,010-1_515780 0.98F1-1.9fsO.75F.O 98F.-1.5f,50.75F, 407 —1 % I. 9 @10 9@%-1.8 f. 5 414 40

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La parte horizontal de la curva corresponde al límite establecido en el término

dela derecha de las ecuaciones de la tabla 4.3, esto es, la resistencia a la tensión; la linea inclinada, al término de la izquierda, y la linea vertical, al limite dado en la tabla 4.2, esto es, a la resistencia a cortante del sujetador. La resistencia total se calcula multiplicando el esfuerzo nominal porelárea nominal del sujetador y por el factor de resistencia. En el caso de pernos, tal como se explicó paraelcaso de pernos a tensión,elárea nominal se halla con

eldiámetro del vástago del perno, esto es, sin deducir áreas por roscas.

4.2.4 Aplastamiento: En lasunionespor aplastamiento, en las zonas en contacto entre el sujetador y las paredes del hueco, se presentan esfuerzos de aplastamiento tanto en los sujetadores comoen elmiembro conectado. La resistenciaal aplastamiento es función de varios factores:

a)  El tamañode la perforación :Las perforaciones pueden ser de tamaño estándar, agrandadas, poco alargadas o alargadas, tal comose

presenta en la Fig. 4.4.

a) La deformación aceptable:al entrar encontacto las superficies del perno y del hueco por la accióndela carga,elmaterial alrededor del hueco sufre deformaciones. Para controlar su magnitud, las NSR-98 establecen la resistencia de diseño en función de las deformaciones queeldiseñador acepte.

b) las distancias entre perforaciones y al bordela resistencia se incrementaenla medidaenque se trabaja con mayores distancias, (con un límite por ercima del cual no hay incrementos a pesar de mayores distancias). Este factor realmente no tiene que ver con los esfuerzos de aplastamiento, sino con la posibilidad de desgarramiento del material, el que puede presentarse con menores cargas cuando las distancias mencionadas son pequeñas que cuando son grandes.

En la Fig. 4.5 se muestran las fallas tanto por aplastamiento como

por desgarramiento.

%

D+1.6

(10)

(3) (b) (c) (d)

Figura4.4 Ti- pos deperforaciones para uniones empernadas. El tamaño depende del

diámetroddelperno.(a)Estándar.(b)Agrandada.(c)Pocoalargada.(d)Alargada.

(11)

Estructurase Acero

Figura4.6-Fallaporbloquedecortante.

4.2.5 Bloque de cortante: se presenta cuando en un plano de la conexión hay esfuerzos cortantes, y en otro plano, perpendicular al anterior hay tensión, véase la Fig. 4.6. La resistencia de diseño se halla sumando la resistencia a la tensión y la resistencia a cortante, pudiendo presentarse una

dedos combinacionesdeestadosdeesfuerzos:

a) Si la zona en tensión tiene una resistencia última mayor que la zona en cortante, esto es, siF.-A„,k 0.6

=4-(0.6F;-11g.Fu-Ant  ) (4.10)

 b) Si la zona en tensión tiene una resistencia última menor que la zona en cortante, esto es, si FA,1<0.6

ORa *(0.6Fu'Aim+ FiAr) (4.11) En las ecuaciones precedentes se tiene:

-0.75

 As„ área bruta solicitada por corte, mm'.

 As, área bruta solicitada por tensión, mm'.

 A„„ - área neta solicitada por corte, rarn2

 Am= área neta solicitada por tensión, mm'.

4.2.6 Tipos de uniones empernadas: Las conexiones empernadas pueden ser de dos tipos, de acuerdo con la forma en la cual se transmite la carga entre las barras: (a) Uniones por aplastamiento. (b) Uniones por deslizamiento crítico.

(a)Unionespor aplastamienta también conocidas como uniones a cortante, Cna slicitadas 5)

(12)
(13)

especificado, por lo tanto, aunque se puede presentar cierta fricción entre los elementos unidos, esta se desprecia, y por lo tanto, se supone que las superficies en contacto de loa miembros pueden deslizarse una con respecto a la otra, en la medida en que actúen cargas en la dirección de los ejes de tales miembros. Al producirse ese desplazamiento, las caras de los pernos y las de los huecos entran en contacto, generándose entre ellas un fenómeno de aplastamiento, y a su vez, unas fuerzas cortantes en la sección transversal de los pernos, tal como se puede apreciar en la Fig. 4.2.

 Al diseñar uniones empernadas del tipo aplastamiento, debe revisarse lo siguiente:

1). Tensión de la barra:depende del espesor y el ancho de los elementos unidos. Se sigue el procedimiento estudiado en el capitulo 3, véase el numeral 3.2.

2).Cortanteenlos pernos hay3 parámetros por definir: la calidad de los pernos a usar, su diámetro y su cantidad. Normalmente se eligen la calidad y el diámetro y se calcula la cantidad requerida, pero puede seguirse otro camino, véase 4.3.2. Los pernos pueden estar trabajando en corte simple o en corte doble, tal como se aprecia en la Fig. 4.2.

3).Aplastamientor.se evalúa la resistencia del material de la barra y la resistencia de los pernos. Véase 4.2.4.

4).Desgarrcuniento:deben cumplirse distancias minimas entre pernos, (siendo la recomendada 3d), y al borde (recomendada 1.5d). Véase NSR-98 F.3.10.3.

5).Tensión ycortantesi hay tensiónademásde esfuerzos cortantes en los pernos, debe revisarse la interacción de esfuerzos. Véase 4.2.3.

6).Bloquedecortante:Este fenómeno se presenta en conexiones de extremo en

 vigas donde la aleta superior se destijera, y en situaciones similares, tales como miembros a tensión y platinasdeunión. Véase 4.2.5.

(b)Uniones por deslizamiento critico:al contrario de las uniones por

aplastamiento, cuando se utilizan pernos de alta resistencia apretados con el

torque especificado, se desarrolla una fricción entre las superficies de los elementos unidos, la cual permite transmitir las cargas de uno a otro

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elemento. La hipótesis en la que se basa el diseñodeeste tipo de juntas, es

que las cargasdeservicio, esto es, sin afectar por los coeficientes de carga, deben ser transmitidas por la fricción sin que se presente deslizamiento; se acepta sin embargo, que para cargas mayores puede presentarse deslizamiento, por lo cual los pernos entran a trabajar a aplastamiento y a cortante.

(15)

Tabla #.# - nima 'ensin *+e debe a,licarse a ,ern&s de a''a resis'encia /.

Di*metro del Pernos Pernos  perno, p+ mm) $  $ 40  112 !! 0" ! ao 11" 3# 12" 1" 01 10" 21! 1 22! 2! 111 2!" 3!" 11# 31! #!" 13 3" !#" 1112 #!! "

Para establecer la carga que puede transmitir una unión de este tipo, se multiplica la carga de pretensionarniento que se aplica al perno, de acuerdo con la tabla 4.4, (NSR-98, tabla F.2-7), la que debe ser igual al 70% desu cargadefalla, por el coeficiente de rozamiento, que es funcióndela rugosidad

del material. El "Research Council on Structural Connections" cuyo documentoSpecification for Stnizturral Joints Using ASTM A325 or A490 Bolis

(Ref. 4), especifica valores de este coeficiente para diferentes casos. Parael

caso más frecuente, superficie clase A, el coeficiente es 0.33.

La tensión en los pernos se induce mediante el apriete de las tuercas. Para garantizar que la tensión inducida sea la especificadaenla tabla 4.4 hay  varios métodos aceptados (véase la Ref. 4).

4.2.7 Ejemplos de diseño de unionesempernadas.

EJEMPLO 4.1- Calcular la resistenciadediseño a la tensióndelos pernos de diámetros usuales comprendidos entre 3/8 y 1 pg,decalidades A307, A325y A#4".

1. Elárea nominal de la sección transversal es: A •n(d/2)3.

1. De acuerdo con las NSR-98, tabla F.2-8, los esfuerzosdediseño son: Pernos A307

Pernos A325 Pernos A490

*F„

= 0.75 x 310 = 232 MPa

+Fa•0.75 x 620 - 465 MPa

4F„-0.75 x 780 - 585 MPa.

Estructuras Ue Acero Uruones Simp4es

(16)

(e)BloquedeCortante:la longitud solicitada por corte, observando las Fig. 4.6 y 4.7, y con ¡queeneste caso se toma igual a 30 mm (1.5 d 29 rara), es:

= 3.3+1=3 x 100 + 30 = 328 mm, luego, = 328 x 9.5 - 3,116 mm2 , y (L,-44)1 =(328 - 4 x 22.7) x 2 x 6.4 = 3,036 rnm3  Ao= (b -=(4 x 25.4 - 50) x 2 x 6.4 660 mm 2 .  Am (b-g-14d71.• 514 mm 2 .

Mecanismosdefractura por tensión y fractura por cortante: =Fu.A„,-400 x 514/1,000 -206 kN.

R.„ = =0.6 x 400 x 3,036/1,000 - 728 kN.

Como.1?„,.,>1?..,laresistenciadediseñosehallaráconlaEc4.11:

Rn =1(0.6 Fu•Aw+ FiAct) = 0.75x(728 + 250 x 660/1,000) •

670 kN Resumen:elsistema tiene una resistencia de diseño de: (a).Tensiónen2L 4 x4 x 3/8 A36 ...-563 kN.

(b). Cortante en 4 pernosde

3/4

pg A325-N - 564 kN. (c)...Fractura del miembro en el área critica 575 kN. (d)...Aplastamiento eR.,=

704 kN.

(e).Bloque de cortante... S.& = 670 kN.

Conclusión:elsistema resiste 563 kN.

4.3thaowssSOLDADAS.

4.3.1. Generalidades.

La soldadura ea un proceso usado para conectar piezasdemetal entre si, mediante la aplicación de calor, ya sea con o sin presión. Estructuralmente se aceptaelproceso por fusión, que es un método para conectar piezas mediante metal fundido. El método consiste en someter un alambre o varilla

(17)

especial, que se denominametal de aportación,a un calor intensoensu extremo, lo que hace que se funda, depositándoseenelpunto donde se desea hacer la conexión. Los materiales a unir, denominadosmeta/base,también se funden localmente, se mezclan con el metaldeaportación, y al enfriarse consolidan una unión rigida.

(18)

Encomparación con las uniones empernadas lasunionessoldadas ofrecen  varias ventajas, las que pueden ser resumidas como sigue:

1. Mayor simplicidad en el detallado.

2.Menor peso deiO3elementos, por dos razones principales: (a) Se requieren menos platinas, cartelas, etc., para realizar la conexión, debido a que las  barras, usualmente se unen directamente unas con otras.(b)En miembros

solicitados por tensión no hay reducción por los huecos practicados para pernos o remaches.

3.Los costos de fabricación sonengeneral menores, debido a que hay menor trasiego de partes, y menos operaciones, tales como punzonado, rimado, taladrado,etc.

4.La soldadura permite hacer conexiones estancas, lo que resulta de gran utilidad en la fabricación de tanques, tuberías de conducción de liquidos, cascos de barcos, etc.

5.Las conexiones soldadas ocupan menos espacio, y desde el punto de vista estético permiten soluciones más limpias que las empernadas.

6.Facilitan la conexión entre elementos tales como tubos, vigas curvas, etc. 7.Lasoldadurafacilitaelreforzamiento y la reparación de las estructuras que

requieran estos procesos, sean originalmente soldadas o empernadas.  A su vez, la soldadura presenta algunas desventajas:

1.La aplicacióndela soldadura requiere controle*decalidad mucho más estrictos que los necesarios en conexiones empernadas. La reparación de

soldaduras que presenten fallas es complicada.

2.Loa esfuerzos residuales producto del enfriamiento de las uniones soldadas, modifican el comportamiento estructural de los elementos, (véase el

capitulo de diseño de elementos solicitados por flexión, por ejemplo).

3.El proceso de enfriamiento puede inducir deformaciones muy considerables en los elementos conectados mediante soldadura.

4. Las conexiones soldadas en obra han demostrado problemas de

calidad más frecuentes que las soldadurasdetaller. Cuando se requiera aplicar soldaduras en obra, estas deben diseñarse muy cuidadosamente para garantizar un fácil acceso al sitiodela junta, una posición cómoda del operario,enfin una condiciones favorables para la aplicación de la soldadura y para su control de la calidad.

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4.3.2. Procedimientospara soldar.

Delos varios procedimientos que hay para soldar, el de arco eléctrico es prácticamente cl único que se usa en las estructuras de acero. Consisteen

fundir la barra del metal de aportación creando un arco eléctrico o chispa por corto circuito entre la barra y las piezas a unir. El material fundido debe

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aialarse de la atmósfera, pues de lo contrario los gases presentes en ésta se combinarán con los componentes del acero, generando impurezas y poros, los cuales disminuirán la resistencia de la conexión.

De los procedimientos existentes de soldadura por arco, cuatro se aceptanen

la conexión de piezas estructurales de acero:

(a)Con electrodorevestido:conocido como SMAW, por sus siglas en inglés (Shielded Metal Are Welding), es el más utilizado. Se usa una barra compuesta por un núcleo metálico, que es el metalde aportación, y un

recubrimiento conocido como fundente, el que, al gasificarse por efecto del calor, crea la atmósfera protectora, tal como se observa esquemáticamente en laFig.4.8.

(b)Arcosumergido:SAW, (Submerged Arc Welding). En este sistema, el metal fundido se protege mediante un material granular no combustible, usualmente arena de grano uniforme que se deposita sobre dicho metal simultáneamente con el proceso de fusión. Debido a que el recubrimiento tiene una menor densidad que el metal, se ubica sobre éste y lo aísla del contacto con la atmósfera. Además, este recubrimiento confina mejor el calor del arco, lo que permite una mayor penetración de la fusión. Este proceso no es de fácil aplicación manual, y por ello se requiere del uso de equipos automáticos.

(a) Arco protegido con gas.GMAW (Gas Metal Are Welding): la protección del metal fundido se logra envolviendoelarco en un gas inerte que lo aíslade

la atmósfera.

(d)Alambrecon n#cleo $unenteFCAW (Flux Cored Arc Welding): en este caso el fundente se encuentra ubicado en el interior del alambrede

aportación. Se conoce también como inner shield.

Estructuras e Acero Uniones Simples

Electrodo

Revestimie nto

(21)

Figure 4.8 - Soldadura de arco revestido

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4.3.3. Tipos desoldaduras.

Enla conexión de elementos estructurales se usan 3 tipos de soldaduras: acanaladas,defilete ydetapón o ranuraEnla Fig. 4.9 pueden observarse estostipos desoldaduras y sus variantes: (a) soldaduras acanaladasde

penetración total,enlas cuales toda la sección transversalde lagarganta queda soldada,(b)depenetración pardal, cuando solo un porcentajedeesa sección queda soldado. (c) y04 Soldadurasdefilete longitudinales y transversales, respectivamente.(e)Soldadurasderanura ydetapón.

4.3.4. Posiciones para soldar.

Deacuerdo con la posición en la cual se apliquen las soldaduras, estas se clasificanenplanas,horizontales,verticalesosobrecabeza,(Fig.4.10.).

*

-

t

(a) (b)

Figura 4.9 - Tiposde soldaduras:(a)Acanaladadepenetración total.(b)Acanaladade

penetraciónparcial.(c) e !e"e longitudinal_(d) e !e"e "ransersa.(e)Densnurayde tapón.(AdaptadadeRef.35). EstructurasdeAcero Uniones Simples

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-1( 56 ~r• •-.

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4.3.3. Tipos de soldaduras.

Enla conexión de elementos estructurales se usan 3 tipos desoldaduras: acanaladas,defilete ydetapón o ranura. En la Fig. 4.9 pueden observarse estostipos desoldaduras y sus variantes:a) soldaduras acanaladasde

penetración total,enlas cuales toda la sección transversaldela garganta queda soldada,) depenetración parcial, cuando solo un porcentajedeesa sección queda soldado. (c) y (cq Soldadurasdefilete longitudinales y transversales, respectivamente.e)Soldadurasderanura ydetapón.

4.3.4. Posiciones para soldar.

De acuerdoconlaposiciónenla cual se apliquen las soldaduras, estas se

clasificanenplanas, horizontales,  verticales o sobre cabeza, (Fig. 4.10.).

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Estructurasde Acero Uniones S i m p I e s

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