LECCIÓN 4 UNIONES ATORNILLADAS...Uniones Atornilladas Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 2 A. Tomás 1. INTRODUCCIÓN Uniones de fuerza - Transmiten esfuerzos entre los elementos estructurales

Uniones Atornilladas

Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 1 A. Tomás

LECCIÓN 4

UNIONES ATORNILLADAS

1. INTRODUCCIÓN.

2. MEDIOS DE UNIÓN.

3. ESFUERZOS EN LOS ELEMENTOS DE LA UNIÓN.

4. COMPROBACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LOS ELEMENTOS

DE LA UNIÓN.

5. DISPOSICIONES RELATIVAS A LAS UNIONES

ATORNILLADAS.



1. INTRODUCCIÓN

Uniones de fuerza

- Transmiten esfuerzos entre los elementos estructurales que unen.

- Empalmes: Se utilizan para prolongar elementos estructurales.

- Comprobar el ELU de agotamiento por tensión en el elemento de unión y

en los elementos estructurales unidos.

Uniones de atado o de acoplamiento

Sólo mantienen la posición de los elementos a unir.

Empleo uniones atornilladas frente a uniones soldadas

- En obra conllevan un montaje más rápido, seguro y económico, además

de un fácil control de ejecución

- Permiten absorber deficiencias dimensionales, debidas a errores de

fabricación, interponiendo forros y cuñas entre los elementos estructurales

- Construcción desmontable

- Uniones provisionales y de montaje

- Si no se dispone de energía eléctrica para ejecutar soldadura



2. MEDIOS DE UNIÓN

Tornillos ordinarios (T) y de alta resistencia (TR)

Tabla 1.8 pront. CEDEX: d = espiga, vástago, caña (dmin = 12 mm) do = aguj f = long. apretadura = ti l = long. espiga

Diferencia de trabajo entre los T y los TR

T Sólo a corte

TR (1) Si no están pretensados, a corte (como los T)

(2) Si están pretensados, comprimiendo los elementos unidos mediante tracción (pretensado) de la espiga Fzas. rozamiento en las chapas a unir

Métodos de apriete (10.4.5.SE-A) ¡Ojo! sólo 60-70 % Fuerza teórica de pretensado Homologar el procedimiento y cuidar el control en obra

Diámetros

T o TR d (mm) d0 (mm) 12 12 (+1) 13 16 16 (+2) 18 20 20 (+2) 22 22 22 (+2) 24 24 24 (+2) 26 27 27 (+3) 30 30 30 (+3) 33 36 36 (+3) 39

Fuente: Garcimartín MA, 2000

Nota: Los diámetros más usuales van del 12 al 27



Aceros

Clase de tornillos y sus tuercas

Acero de los productos a

unir

Clase de acero de tornillos, tuercas

y arandelas

Límite elástico fy (MPa)

Límite de rotura

fu (MPa)

T

S 235 4.6 240 400

S 275 4.6 240 400

S 355 5.6 300 500

TR

Todos 6.8(*) 480 600

Todos 8.8 640 800

Todos 10.9(*) 900 1000

(*) 6.8 sólo en tuercas de los TR 8.8 ; 10.9 sólo se emplea en tornillos.

Designación

T ó TR + caña long. espiga, Acero

Ejemplos:

T 16 80, 4.6

TR 20 55, 10.9

Uso

T - En uniones realizadas en obra de elementos secundarios

- Unir elementos de acero S235 y S275 (no recomendados en S355)

- No acciones dinámicas

TR - Inmovilidad de la unión (nudos rígidos)

- Económicos y resistentes (buen comportamiento a tracción, fatiga, acciones dinámicas)

- Trabajan siempre bajo la misma tensión, independientemente de los esfuerzos exteriores existentes

Fuente: CTE DB SE-A, 2006



Tuercas y arandelas

FORMA Arandelas: Circular o en cuña (ajuste a alas IPN/UPN)

ACERO - Tuercas: Igual que el de los tornillos excepto para TR

- Arandelas: Se viene empleando F115 (e = 10 MPa)

T

Tipos arandelas: - Negras (A)

- Para perfiles IPN (AI) o UPN (AU)

Designación: Tuercas M + d, Acero

Arandelas A o AI o AU + d

Ejemplos: Tuerca M 16, 4.6

Arandela A 16

Arandela AU 16




TR

Tipos arandelas: - Normales (AR)

- Para perfiles IPN (ARI) o UPN (ARU)

Designación: Tuercas MR + d, Acero

Arandelas AR o ARI o ARU + d

Ejemplos: Tuerca MR 27, 8.8

Arandela AR 12

Arandela ARI 20




3. ESFUERZOS EN LOS ELEMENTOS DE LA UNIÓN

(3.A5 EA-95 y apdo. 8.8 CTE DB SE-A)

SOLICITACIONES QUE PRODUCEN CORTANTE EN EL

TORNILLO. CORTANTE CENTRADO

Empalme de piezas traccionadas mediante cubrejuntas

El esfuerzo se reparte entre cada conector i proporcional a su sección Ai:

PA

AR

ii

ii

En el caso habitual de que todos los n tornillos tengan la misma sección:

n

PRi

Apdo. 8.8.2 DB SE-A Empalmes con tornillos en piezas a axil

Fuente: Argüelles R, 1975




SOLICITACIONES QUE PRODUCEN CORTANTE EN EL

TORNILLO. CORTANTE EXCÉNTRICO

Empalme de vigas mediante cubrejuntas de alma y alas

Unión articulada viga-columna

ne

rX m

i

2

ePr

rR

m

imm

2

Apdo. 8.8.4 DB SE-A Empalmes en piezas flectadas (con cubrejuntas)

Apdo. 8.8.5 DB SE-A Uniones viga-viga o viga-soporte con doble

casquillo de angular atornillado



Fuente: NBE EA-95, 1996



SOLICITACIONES QUE PRODUCEN TRACCIÓN EN EL

TORNILLO. TRACCIÓN CENTRADA

- Condición de elemento (chapa) suficientemente rígido (no efecto palanca)

3

329,6

tl

mdL

efb

Lb long. alargamiento del tornillo o perno (distancia entre ejes de la cabeza a la tuerca; en anclajes a cimientos es el punto a 8d desde la superficie de la zapata)

lef longitud eficaz en flexión del ala de la T (suele corresponderse con b)

m distancia desde eje del orificio al comienzo del redondeo o soldadura (ver figura)

- Apdo. 8.8.3 DB SE-A Uniones en T a tracción (mecanismos de rotura

por formación de rótulas plásticas; se tiene en cuenta el efecto palanca)

SOLICITACIONES QUE PRODUCEN TRACCIÓN EN EL

TORNILLO. UNIONES A MOMENTO

Caso 1) TR: Piezas comprimidas El momento tiende a descomprimir la

parte traccionada y a comprimir más la zona comprimida

Caso 2) T: Piezas no comprimidas

Apdo. 8.8.4 DB SE-A Empalmes en piezas flectadas (con chapa frontal)

Apdo. 8.8.6 DB SE-A Uniones viga-pilar con chapa frontal

A continuación se reproduce el Anejo 3.A5, p. 199 EA-95:

n

FF d

Edt ,

Fuente: CTE DB SE-A, 2006



Fuente: NBE EA-95, 1996



4. COMPROBACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LOS ELEMENTOS DE LA UNIÓN

Comprobación T TR

Aplastamiento de la chapa

Agotamiento por cortante en el tornillo

Fb,Rd = 2,5 fu d t / M2

Fv,Rd = 0,5 fub A n / M2

Nota: EAE usa 0,6 en vez de 0,5 Fs,Rd = ks n Fp,Cd / M2

Agotamiento por tracción en el tornillo

El menor valor de:

Ft,Rd = 0,9 fub As / M2

Fp,Rd = 0,6 dm tp fu / M2

(si tp dfub/6fu no comprobar Fp,Rd)

Fp.Cd

Agotamiento por tracción y cortante en

el tornillo

Además de lo anterior:

14,1 ,

,

,

, Rdt

Edt

Rdv

Edv

F

F

F

F

Fs,Rd = ks n (Fp,Cd – 0,8Ft,Ed) / M2

ó si hay M+Q

Fs,Rd = ks n Fp,Cd / M2

fu resistencia última del acero estructural

d diámetro del tornillo

t menor espesor de las chapas que se unen

min (e1/3do ; p1/3do1/4 ; fub/fu ; 1) e1 distancia del eje del orificio al borde de la chapa en la

dirección de la fuerza que se transmite p1 separación entre ejes de orificios en la dirección de la fuerza

que se transmite do diámetro del orificio fub resistencia última del acero del tornillo

A área de la caña del tornillo (Ad) o el área resistente del tornillo (As), según se encuentren los planos de cortadura en el vástago o en la parte roscada del tornillo respectivamente

Tabla 7.3 Área resistente del tornillo

Diámetro (mm) 12 16 20 22 24 27 30 36

Área resistente (mm2) 84,3 157 245 303 353 459 561 817



n nº de planos de corte (o de superficies de rozamiento, para TR)

ks 1,00 para orificios con medidas normales 0,85 para orificios con sobremedidas o rasgados cortos 0,70 para orificios rasgados largos µ coeficiente de rozamiento entre las superficies de contacto

0,50 para superficies tratadas con chorro de granalla o arena (y posterior tratamiento con aluminio, opcional)

0,40 para superficies tratadas con chorro de granalla o arena y pintadas con un silicato alcalino de zinc

0,30 para superficies limpiadas a cepillo metálico o con llama, con eliminación de partes oxidadas

0,20 para superficies no tratadas Fp,Cd = 0,7 fyb As (fuerza de pretensado de cálculo del TR)

fyb = fub/M3 resist. de cálculo del acero del tornillo con M3 = 1,1 As área resistente del tornillo Tabla. Fp,Cd (kN)

Acero del tornillo

Diámetro del tornillo (mm)

12 16 20 22 24 27 30 36

8.8 43 80 125 154 180 234 286 416

10.9 54 100 156 193 225 292 357 520

M2 1,25 (resistencia de los medios de unión) 1,40 (resistencia al deslizamiento de uniones TR con orificios con

sobremedida en dirección paralela a la del esfuerzo) dm menor valor de la distancia media entre vértices y caras

de la cabeza del tornillo o la tuerca = min (s, e)

tp esp. placa bajo tornillo o tuerca. Si tp dfub/6fu No comprobar Fp,Rd Fv,Ed esfuerzo de cálculo perpendicular al eje del tornillo Ft,Ed esfuerzo axil de cálculo por tornillo, al que en su caso, se añadirán

las tracciones debidas al efecto palanca Fv,Rd resistencia de cálculo frente a la cortadura del vástago Ft,Rd resistencia de cálculo en tracción

Otras posibles comprobaciones en chapas:

- Tracción Nt,Ed Nt.Rd = Nu,Rd = 0,9 Aneta fud (Aneta = l tp – n do tp)

- Flexión (sección rectangular sometida a momento y/o cortante)

- Desgarro Cumplir disposiciones constr. + comprobación resist. Aneta



5. DISPOSICIONES RELATIVAS A LAS UNIONES ATORNILLADAS

Distancias máximas y mínimas entre ejes de orificios o de éstos a los bordes de las piezas:

- Separaciones mín. Concentración de tensiones entre conectores

Maniobrabilidad con las herramientas

- Separaciones máx. Abolladura de chapas entre conectores

- Sep. mín. a borde Desgarramiento de chapas

- Sep. máx. a borde Oxidación de chapas

Distancias mínimas según CTE (EAE difiere ligeramente)

En la dirección de la fuerza que se transmite

e1 1,2 do del eje del orificio al borde de la pieza

p1 2,2 do entre ejes de orificios

En la dirección perpendicular a la fuerza que se transmite

e2 1,5 do del eje del orificio al borde de la pieza

p2 3,0 do entre ejes de orificios

Distancia del eje del orificio a cualquier superficie paralela a dicho eje

m 2 d por maniobrabilidad con las herramientas (EAE)

Distancias máximas según CTE (EAE difiere ligeramente)

Al borde de la pieza

e1 y e2 min (40 mm + 4t ; 12t ; 150 mm)

Entre tornillos

Elem. a compresión p min (14t ; 200 mm)

Elem. a tracc., filas exteriores pe min (14t ; 200 mm)

Elem. a tracc., filas interiores pi min (28t ; 400 mm)

(t = menor espesor en mm de las piezas a unir)



Nº de tornillos:

- Recomendable mínimo 2

- Recomendable no considerar en los cálculos > 5 en cada fila paralela al

esfuerzo

- Apdo. 8.8.2 DB SE-A (Empalmes con tornillos en piezas a axil):

Si L > 15d Reducir Fv,Rd Lf Fv,Rd

75,0200

151

d

dLLf

L = distancia entre ejes de tornillos extremos en la dirección de la carga

Elección de d:

Perfil laminado Prontuario

Chapas 205(cm) min ,td (tmin en cm)

Elección de l:

Tablas (función de d y de la long. apretadura f = ti)

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