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Construcción de estructuras Unidad 4. Conexiones Atornilladas y Rotulas. Antoni Daniel Martínez Dibene Ingeniería Civil 25 de Octubre de 2012

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Construccin de estructurasUnidad 4. Conexiones Atornilladas y Rotulas.Antoni Daniel Martnez Dibene

Ingeniera Civil

25 de Octubre de 2012

Introduccin

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Una estructura de acero se forma del ensamblaje de los miembros estructurales que constituyen su armazn. Se requieren conexiones en los lugares donde los diversos miembros se deben unir por sus extremos a otros miembros de manera que permita que la carga siga su flujo ordenado y continuo hasta llegar a los cimientos. El diseo de las conexiones implica la produccin de una junta que sea segura, econmica en el uso de los materiales y que se pueda construir.

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Conexiones Atornilladas

Rotulas

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ConexionesLas conexiones (o juntas estructurales) se pueden clasificar segn: 1. El mtodo de sujecin, como son los remaches (casi nunca), tornillos, o soldaduras. Las conexiones que usan tornillos se clasifican adems como conexiones del tipo de aplastamiento o del tipo de friccin. 2. La rigidez de la conexin, que puede ser simple, rgida (segn se obtiene por un anlisis estructural indeterminado), o de rigidez intermedia. El AISC (Instituto Americano de Construccin en Acero) clasifica las juntas basadas en la rigidez de la conexin como: Tipo 1: Conexiones rgidas que desarrollan la capacidad total de momento de los miembros que se conectan y que mantienen un ngulo relativo constante entre las partes conectadas, bajo cualquier rotacin de la junta.

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ConexionesTipo 2: Estructuracin simple sin transferencia de momentos entre las partes conectadas. En realidad, se desarrollar una pequea cantidad de momento, pero no se le tiene en cuenta en el diseo. Se desprecia toda excentricidad que sea menor de una 2 pulg. (63 mm). Tipo 3: Conexiones semirrgidas donde se transfiere menos de la capacidad total de momento de los miembros conectados. El diseo de estas conexiones requiere la suposicin de una cantidad arbitraria de capacidad de momento. 3. El tipo de fuerzas transferidas a travs de la conexin estructural: a) Fuerzas cortantes: Corrientes para vigas de piso y viguetas. b) Momento: Ya sea a flexin o torsin. c) Cortante y momento: Como en las conexiones del tipo 1 3. d) Tensin o compresin; Como para los empalmes de columnas y para miembros articulados de las armaduras. e) Tensin o compresin con cortante: Como para el contraventeo transdiagonal.

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Conexiones4. La geometra de la conexin: a. Conectores a base de angulares que se usan para unir las viguetas de piso y los largueros a las vigas y columnas. b. Conexiones soldadas que se usan placas y angulares. c. Placas terminales en vigas o alfardas. d. Placas o angulares usados a un lado de una vigueta de piso o viga. e. Angulares de asiento con o sin atiesadores.

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Conexiones

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Figura 8.2 Diversas conexiones para marcos. Al inspeccionar la manera como se soporta la carga se determina si los tornillos estn a cortante o a tensin. Usualmente la soldadura en lugar de los tornillos en todas las conexiones anteriores, excepto (f). (a) Conexin usando un par de angulares. (b) Conexin que usa una placa terminal soldada en el taller y tornillos colocados en el campo. (c) Usando un angular de asiento y un angular de tope, o lateral. (d) Angular atiesado de asiento. (e) Angulares de asiento y auxiliares de tope, con un angular adicional opcional en el alma. (f) Conexin rgida o semirrgida que usan perfiles T para soportar el momento, y un angular en el alma para el cortante. Este ultimo ngulo es opcional.

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Conexiones5. El sitio donde se fabrican: a. Conexiones de taller; hechas en el taller de fabricacin. b. Conexiones de campo; las partes de la junta se fabrican en el taller, pero se arman en el sitio de la obra.

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Conexiones AtornilladasTipos de Tornillos Existen varios tipos de tornillos que pueden usarse para conectar miembros de acero: Tornillos ordinarios o comunes: los designa la ASTM como tornillos A307 y se fabrican con aceros al carbono con caractersticas de esfuerzos y deformaciones muy parecidas a las del acero A36. Estn disponibles en dimetros que van de 5/8 en incrementos de 1/8. Este tipo de tornillos son usados principalmente en estructuras ligeras sujetas a cargas estticas y en miembros secundarios (pielargueros, correas, riostras, plataformas, armaduras pequeas, etc.).

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Conexiones AtornilladasTornillos de alta resistencia: estos tornillos se fabrican a base de acero al carbono tratado trmicamente y aceros aleados; tienen resistencias a la tensin de dos o ms veces la de los tornillos ordinarios. Existen dos tipos bsicos, los A325 y los A490 de mayor resistencia. Los tornillos de alta resistencia se usan para todo tipo de estructuras, desde pequeos edificios hasta rascacielos y puentes monumentales. En ocasiones se fabrican tornillos de alta resistencia a partir de acero A449 con dimetros no mayores a 1 que es el dimetro mximo de los A325 y A490.

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Ventajas de los tornillos de alta resistencia

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1. Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar son menores. 2. En comparacin con los remaches, se requiere menor numero de tornillos para proporcionar la misma resistencia. 3. La instalacin apropiada de tornillos de alta resistencia puede aprenderse en cuestin de horas. 4. No se requieren pernos de montaje que deben removerse despus como en las juntas soldadas. 5. Resulta menos ruidoso en comparacin con el remachado. 6. Se requiere equipo mas barato para realizar conexiones atornilladas. 7. No existe riesgo de fuego ni peligro por el lanzamiento de los remaches calientes. 8. Las juntas atornilladas tienen una mayor resistencia a la fatiga que las juntas remachadas. Su resistencia a la fatiga es igual o mayor que la obtenida con juntas soldadas equivalentes. 9. Los cambios en las conexiones son muy sencillas por la facilidad para quitar los tornillos.

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Tornillos Apretados sin Holgura y Tornillos Completamente Tensados

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Estos tornillos requieren apretarse solo hasta quedar apretados sin holgura. Esto se logra cuando los paos de una conexin estn en contacto firme entre s. En general se obtiene con el esfuerzo realizado por un operario con una llave de impacto. Estos deben identificarse claramente tanto en los planos de diseo como en los de montaje.

Para casos de fatiga es necesario utilizar pernos completamente tensados, esto no permite que la conexin se deslice, este tipo de conexiones son llamadas de deslizamiento crtico. Los pernos completamente tensados conllevan un proceso muy caro, as como su inspeccin, es por esto que solo deben usarse cuando sean necesarios, es decir cuando las cargas de trabajo ocasionen un gran cambio de esfuerzos con la posibilidad de problemas de fatiga.

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Tornillos Apretados sin Holgura y Tornillos Completamente TensadosLa siguiente tabla presenta las tensiones necesarias para pernos en juntas tipo friccin y en juntas sujetas a tensin directa; para estar completamente tensados los pernos A325 o A490 deben apretarse por lo menos al 70% de la resistencia a la tensin mnima especificada.

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Mtodos para tensar completamente los tornillos de alta resistenciaMtodo del giro de la tuerca:

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Los pernos se aprietan sin holgura y luego se les da un giro de 1/3 o una vuelta completa, dependiendo de la longitud de stos y de la inclinacin de las superficies entre sus cabezas y tuercas. La magnitud de giro pude controlarse fcilmente marcado la posicin con marcador o rayador de metal. Indicador directo de tensin:Consiste en una roldana o arandela endurecida con protuberancias en forma de pequeos arcos, los cuales a medida que se aplica la carga se aplanan, la apertura es proporcional a la tensin aplicada al perno; se usa una cinta calibrada para medir la abertura, para pernos completamente tensados la separacin debe medir 0,015 pulgadas o menos. ADMD

Mtodos para tensar completamente los tornillos de alta resistenciaMtodo de la llave calibrada: En este mtodo los tornillos se aprietan con una llave de impacto para detenerse cuando se alcanza el par necesario para lograr la tensin deseada de acuerdo con el dimetro y la clasificacin de la ASTM del tornillo.

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Tornillos de diseo alternativo:Los tornillos con extremos ranurados que se extienden mas all de la porcin roscada llamados perno indicador de carga son un ejemplo. Se usan boquillas especiales en las llaves para apretar las tuercas hasta que se degollan los extremos ranurados. Este mtodo de apretar tornillos es bastante satisfactorio y conducir a menores costos de mano de obra.15

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Conexiones tipo Friccin y tipo Aplastamiento

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Cuando los tornillos de alta resistencia se tensan por completo, las partes conectadas quedan abrazadas fuertemente entre s, se tiene entonces una considerable resistencia al deslizamiento en la superficie de contacto. Esta resistencia es igual a la fuerza al apretar multiplicada por el coeficiente de friccin. Si la fuerza cortante es menor que la resistencia permisible por friccin, la conexin se denomina tipo friccin. Si la carga excede a la resistencia por friccin, habr un deslizamiento entre los miembros con un posible degollamiento de los tornillos y al mismo tiempo las partes conectadas empujaran sobre los tornillos. Es necesario que las superficies de las partes conectadas tengan pendientes no mayores de 1 a 20 con respecto a las cabezas y tuercas de los tornillos a menos que se usen roldanas biseladas

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Tamao de los agujeros para tornillos

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Adems de los agujeros de tamao estndar para tornillos que son 1/16 de pulg. de mayor dimetro que los correspondientes tornillos y remaches, hay tres tipos de agujeros agrandados:

Agujeros Holgados: Pueden usarse en todas las placas de conexin, siempre que la carga aplicada no exceda a la resistencia permisible al deslizamiento.Agujeros de ranura corta: Pueden usarse independientemente de la direccin de la carga aplicada si la resistencia permisible por deslizamiento es mayor que la fuerza aplicada. Agujeros de ranura Larga: Pueden usarse en cualquiera, pero solo en una de las partes conectadas y en cualquier superficie de contacto en conexiones por friccin o tipo de aplastamiento.

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Tamao de los agujeros para tornillosDIMENSIONES NOMINALES DE LOS AGUJEROS Dimensiones de los agujeros

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Dimetro del tornillo

Estndar (dimetro)

Agrandado (dimetro)

De ranura corta (anchoxlongitud)

De ranura larga (anchoxlongitud)

1/2 5/8 3/4 7/8 1 >1 1/8

9/16 11/16 13/16 15/16 1 1/16 d+1/16

5/8 13/16 15/16 1 1/16 1 1/4 d+5/16

9/16 x 11/16 11/16 x 7/8 13/16 x 1 15/16 x 1 1/8 1 1/16 x 1 5/16 (d+1/16)x(d+3/8)

9/16 x 1 1/4 11/16 x 1 9/16 13/16 x 1 7/8 15/16 x 2 3/16 1 1/16 x 2 1/2 (d+1/16)x(2.5xd)

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Tipos de JuntasJunta traslapada: Este tipo de junta tiene el inconveniente de que el eje de gravedad de la fuerza en un miembro no es colineal con el eje de gravedad de la fuerza en el otro miembro. Se presenta un par que causa una flexin que no es de desearse en la conexin como se muestra en la figura

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Tipos de JuntasLa junta a tope: Se forma cuando se conectan tres miembros. Si la resistencia al deslizamiento entre los miembros es insignificante, los miembros se deslizarn un poco y tendern a degollar simultneamente a los tornillos en los dos planos de contacto entre los miembros. Los miembros se apoyan sobre los tornillos y se dice que stos se encuentran sometidos a cortante doble y aplastamiento. Ventajas de la junta a tope: Los miembros se arreglan en forma tal que la fuerza cortante P se reparte en dos partes. Se tiene una condicin de carga mas simtrica.

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Tipos de Juntas y Fallas en JuntasConexiones de plano doble: En este tipo de conexiones los tornillos estn sujetos a cortante simple y aplastamiento, pero el momento flexionante no se presenta.

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Fallas en Juntas atornilladas: Para disear adecuadamente las juntas atornilladas es necesario entender claramente estas posibilidades. 1. La posibilidad de falla en una junta traslapada por corte del tornillo en el plano entre los miembros (a).21

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Fallas en Juntas Atornilladas

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2. En (b) se muestra la posibilidad de una falla a tensin de una de las placas a travs del agujero de un tornillo. 3. En (c) se muestra la posible falla del tornillo o de la placa por aplastamiento entre ambos. 4. En (d) se muestra otro posible desgarramiento del miembro. 5. En (e) se muestra la falla por cortante doble en dos planos atornillados.

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Separacin y Distancias a BordesDefiniciones: Paso: Es la distancia centro a centro entre tornillos en una direccion paralela al eje del miembro. Gramil: Es la distancia centro a centro entre hileras de tornillos perpendiculares al eje del miembro. Distancia al borde: Es la distancia del centro de un tornillo al borde adyacente de un miembro. Distancia entre tornillos: Es la distancia mas corta entre tornillos sobre la misma o diferentes hileras de gramiles.

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Separacin y Distancias a BordesSeparacin mnima:

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Los tornillos deben colocarse a una distancia suficiente entre s para permitir su instalacin eficiente y prevenir fallas por tensin en los miembros entre los tornillos. La especificacin LRFD estipula una distancia mnima centro a centro para agujeros holgados o de ranura, igual a no menos de 2 2/3 dimetros (de preferencia 3d). La distancia mnima centro a centro entre agujeros estndar debe determinarse con la expresin siguiente:

Distancia mnima centro a centro=Donde: P es la fuerza transmitida por un conector a la parte critica. Fu es la resistencia mnima a tensin especificada de la parte critica conectada. t es su espesor. d es el dimetro del agujero de tamao estndar.

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Separacin y Distancias a Bordes

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Si los agujeros son agrandados o ranurados la distancia mnima centro a centro se determinara con la expresin anterior mas el incremento aplicable C1 dado en la tabla.

VALORES DEL INCREMENTO C1 DE ESPACIAMIENTO PARA DETERMINAR LAS SEPARACIONES MINIMAS DE AGUJEROS AGRANDADOS Agujeros de ranura

Paralelo a la linea de fuerzadiametro nominal del tornillo 1 1/8 agujeros agrandados 1/8 3/16 1/4 Perpendicular a la linea de fuerza 0 0 0

De ranura corta

De ranura larga

3/16 1/4 5/16

1 1/2 d - 1/16 1 7/16 1 1/2 d - 1/16

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Separacin y Distancias a BordesDistancias mnimas al borde

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Como recomendacin los tornillos no deben ubicarse demasiado cerca de los bordes de un miembro por dos razones que son las siguientes: El punzonado de agujeros demasiado cercanos a los bordes ocasiona que el acero opuesto al agujero se agriete y la segunda razn se aplica a los extremos de los miembros donde existe el peligro de que el sujetador desgarre al metal. Se puede determinar la aplicacin para la prctica comn el colocar el sujetador a una distancia mnima del borde de la placa igual a 1.5 o 2 veces el dimetro del sujetador, logrando as una resistencia al cortante del metal en la zona por lo menos igual a la de los sujetadores.La distancia mnima al borde tambin se puede determinar con la formula siguiente: Distancia mnima al borde en la direccin = de la fuerza transmitida.

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Separacin y Distancias a Bordes

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Si los agujeros son holgados o ranurados, la distancia mnima al borde no debe ser menor que el valor requerido para un agujero estndar mas un incremento de C2 obtenido de la tabla.DISTANCIAS MINIMAS A BORES [a]pulg.(CENTRO DEL AGUJERO ESTNDAR [b] AL BORDE DE LA PARTE CONECTADA En bordes laminados de En bordes placas, perfiles o barras o Diametro nominal del recortados bordes cortados con gas tornillo remache(plg) mecanicamente [c] 1/2 7/8 3/4 5/8 1 1/8 7/8 3/4 1 1/4 1 7/8 1 1/2[d] 1 1/8 1 1 3/4[d] 1 1/4 1 1/8 2 1 1/2 1 1/4 2 1/4 1 5/8 Mayores de 1 1/4 1 3/4 x Dimetro 1 1/4 x Dimetro

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Separacin y Distancias a BordesDistancias mximas al borde Separacin mxima y distancias al borde:

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La distancia mxima del centro de un tornillo al borde de una ser 12 veces el espesor de la placa, pero sin exceder de 6 pulg. La separacin longitudinal entre conectores colocados en elementos en contacto continuo, consistentes en una placa y un perfil, o dos placas, ser la siguiente:

a) Para elementos, pintados o sin pintar, no sujetos a corrosin, no exced er de 24 veces el grueso de la placa ms delgada, o 305 mm.b) Para miembros no pintados de acero intemperizable, sujetos a corrosi n atmosfrica, no ser mayor que 14 veces el grueso de la placa ms delgada, o180 mm.28

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Separacin y Distancias a Bordes

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VALORES DEL INCREMENTO C2 PARA DISTANCIAS AL BORDE DE AGUJEROS AGRANDADOS en pulg. Agujeros de ranura Dimetro nominal del conector (pulg) Perpendicular al borde Agujeros agrandados 1/16 1/8 1/8 De ranura larga [a] Paralela al borde

De ranura corta 1/8 1/8 3/16