CONEXIONES SIMPLES CON PERNOS

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1 CONEXIONES SIMLES CON ERNOS Tipos de pernos estructurales (F ) Si identifican según ASTM, dependiendo de una resistencia ultima como alta o baja. La fluencia no es un estado límite para los pernos, debido a que son muy cortos y deformación baja. ernos de baja resistencia: A307 (Acero al carbono) Fu=410 Ma (60Ksi), usado para aplicaciones secundarias. ernos de Alta resistencia: A325 y A490. El A325 es el más usado, con un Fu= 825 Ma (120Ksi), para ф < 1 =25.4 mm y Fu= 725 Ma (105 Ksi) para pernos de mayor diámetro. En cuanto al perno A490, tiene un Fu=1035 (150 Ksi). Otros pernos menos usados son A449. A345 Gr 80, A36 y A572 Gr 50. De acuerdo al F.2.10 del NSR10. F ernos de alta resistencia El uso de pernos de alta resistencia se ajustará a los requisitos de la Especificación para Juntas Estructurales con ernos ASTM A325 o A490 del Consejo de Investigación de Conexiones Estructurales, en adelante referenciadas como las especificaciones RCSC, excepto donde el numeral F.2.10 defina otros requisitos. Los pernos de alta resistencia se agrupan según la resistencia del material: Grupo A ASTM A325, A325M, F1852, A354 Grado BC y A449 Grupo B ASTM 490, A490M, F2280 y A354 Grado BD Según la ASTM las características geométricas de los pernos son: Cabeza Hexagonal (Dimension Estandar) Arandela Endurecida (ASTM F436) Tuerca Hexagonal ASTM A563 o A194 Diametro perno dp Dimensiones rosca ANSI B.1 Longitud perno Longitud rosca Hay 3 tipos de pernos: Tipo 1: Galvanizado y sin galvanizar (Uso estructural) Tipo 2: Sin galvanizar no se producen más (otra composición química) Tipo 3: de acero resistente a la intemperie (Weathering Steel), que forma una capa de oxido que previene corrosión adicional. 1

2 Tabla F Mínima tensión y Diámetros de pernos Entre 12.7 mm 1/2 " 38.1 mm 1 1/2 ", con incrementos de 3.2 mm 1/8 ". Los más usados son 3/4, 7/8", y 1". Longitud de perno: Especificada en planos de taller o fabricación según espesor de platinas, desde 1 hasta 8. La longitud de rosca estándar. Transferencia de carga a los pernos Están bajo tensión, compresión, cortante y combinación de esfuerzos. Cortante sobre los pernos. /2 /2 Tres latinas: Conexión viga- columna COLUMNA VIGA V Tensión: Conexión perfil T 2

3 Combinación de Fuerzas Cortantes y Tensión Resistencia a tensión y cortante or tener alto contenido de carbono no hay un límite de fluencia definido, sin embargo en la rosca se llega primero a la fluencia localmente. ara, la deflexión está entre 1.2 mm y 5 mm, depende de la localización de la tuerca en la parte roscada. La falla se presenta por fractura. Otra posible falla se presenta cuando la rosca se ruede, generalmente pernos galvanizados. 3

4 T ult A490 T ult Limite proporcional A325 Fractura rosca (sección neta) Resistencia del perno en tensión = =0.75 Donde: : Área neta efectiva (arte roscada) : Área de sección transversal (arte lisa) = 0.75 Constante para todos los diámetros. Según el F del NSR-10 la Resistencia de diseño a tensión y cortante de pernos y partes roscadas es: = t : Resistencia nominal a tensión o cortante [Ma]. : Área nominal del perno o parte roscada antes de roscar, [mm ] Tabla F

5 El reglamento aplica el factor de reducción de área al esfuerzo. (Tabla F ) Tn =T ult =!0.75"= # Superficie de fractura Espaciamiento mínimo de pernos y distancia al borde. Tabla (F y F M). La distancia mínima entre huecos estándar es 2 2$ 3 %& se sugiere usar 3%&. La distancia al borde depende del diámetro del perno. RESISTENCIA DE ELEMENTOS CONECTADOS Y DE CONEXIÓN (F ) La resistencia de diseño de los elementos de conexión aplica a los elementos de los miembros en la zona de la conexión y a los elementos de conexión solicitados por tensión como platinas, cartelas, ángulos y ménsulas, será el menor valor de los obtenidos de los estados límites: La Resistencia de elementos a Tensión φrn (F ) a) Fluencia por tensión en elementos conexión. =0.90 =() b) Rotura por tensión en elementos conexión. =0.75 =* * : Área neta efectiva F [mm ] * = 0.85 ). ara platinas de empalme con perforaciones, el valor de An está limitado a un máximo de 0.85Ag 5

6 roblema: Calcula la resistencia de un perno A325 7/8 a tensión. = + % 4 = =387,, #= =620 /01 Tabla F = = La Resistencia de elementos a cortante φrn (F ) c) ara fluencia por cortante del elemento: =1.0 =0.60()4 Agv = área bruta sometida a cortante, mm2 d) ara rotura por cortante del elemento: =0.75 =0.604 Anv = área neta sometida a cortante, mm2 Considerando un solo plano de falla, para fractura de cortante. 5 = 6# ~ #: Máxima fuerza en el perno 5 : Esfuerzo promedio en la falla. : Área neta transversal del perno a la altura del plano de cortante : Esfuerzo resistente promedio de resultados experimentales de ensayos en pernos de cortante especificado por NSR10. 6# =0.60 El plano de cortante se puede localizar en: 1) El plano de cortante no atraviesa la rosca: = 6# =0.60 2) El plano de cortante atraviesa la rosca: =0.8 6# =0.48 Si la conexión está construida, se puede determinar el caso, ya que la longitud de la rosca es función del diámetro del perno. Cuando se diseña se supone el caso 2 por ser mas conservativo. ara m planos de cortante. 6# =0.60, Si la conexión tiene más de un perno: 6# $ donde n es el número de pernos. Se supone una distribución uniforme de esfuerzos en todos los pernos, aunque en realidad los pernos exteriores toman más carga. ara diseño se toma la resistencia de cada perno 6# = #, para tener en cuenta la distribución irregular de fuerzas. Tabla F

7 1) lano de cortante no atraviesa la rosca (arte lisa): =0.75!0.60 " ~ ) lano de cortante atraviesa la rosca: =0.75!0.80 "!0.60 " ~ 0.36 Ecuación de diseño =, 4 Donde: Fnv: Resistencia nominal a cortante = = 0.45 Fu falla parte lisa 4 = 0.36 Fu falla en rosca, : numero de planos, =1 Conexión esta en cortante simple., =2 Conexión esta en cortante doble. ara rosca excluida el perno se denomina A325-x y A490-X ara rosca incluida el perno se denomina A325-N y A490-N roblema: Calcular para falla en cortante de pernos A325-N de 7/8 /2 /2 =, 4 = =/01/&* = =5 192=23 Los Esfuerzos combinados de cortante y tensión en conexiones tipo aplastamiento será determinada por los estados límites de rotura por tensión y por cortante, con: 7

8 = # (F ) Donde: F nt = resistencia nominal a tensión por unidad de área, modificada para incluir los efectos del esfuerzo cortante, Ma. Fnt = resistencia nominal a tensión por unidad de área de la tabla F , Ma. Fnv = resistencia nominal a cortante por unidad de área de la tabla F , Ma. fv = resistencia requerida a cortante por unidad de área, Ma. La resistencia al desgarramiento en bloque φrn a lo largo de una o más líneas de falla a cortante y de una línea de falla a tensión en dirección perpendicular, se calculará tomando: (F ). φ = 0.75 Rn = 0.60FuAnv + UbsFuAnt 0.6FyAgv + UbsFuAnt (F ) Donde: Agv = área bruta sometida a cortante, mm2 Ant = área neta sometida a tensión, mm2 Anv = área neta sometida a cortante, mm2 Cuando el esfuerzo de tensión sea uniforme, se tomará Ubs = 1; en caso contrario se tomará Ubs = 0.5 ara esfuerzos combinados (F ) El diseño de pernos consiste en estimar las combinaciones de carga en tensión y cortante, de tal manera que de dentro del diagrama de interacción. T u T n Ru R n TRANSFERENCIA DE CARGA EN CONEXIONES ERNADAS La carga se puede transferir por 8

9 - Fricción - Aplastamiento y cortante 1) Transferencia por fricción N N D < =μ T Carga en la cual empieza el deslizamiento en la conexión.?:a9*bcac*#*%* 8CAACó? =0 E 3 0 E : Carga requerida para mover el bloque. T: Tensión inicial en el perno al apretarlo (Fuerza normal a las platinas). En la conexión antes de que se deslice el perno, la carga se transmite por cortante entre platinas debido a la ficción, pero solo el perno toma la tensión. resion sobre la platina T Esfuerzo cortante Si son varios pernos 0 E =? de pernos. donde T es la tensión por perno y n b es el número ara cualquier número de platinas y pernos la resistencia de la conexión se define como: 0 E = G? Donde G : es el número de planos de deslizamiento. 9

10 =? H hb J K μ: Coeficiente promedio de fricción para superficies Clase A o B, según sea aplicable, tomado de los casos que se presentan a continuación u obtenido por ensayos fricción en platinas (F ) 0.30 μ ) Transferencia de carga por aplastamiento Se supone que no hay tensión inicial en el perno, la platina se desliza y contacta al perno latina en contacto Diagrama Carga Deformación conexiones apernadas. Se supone que las platinas no fallan primero por fluencia, fractura o bloque de cortante, el deslizamiento depende del tamaño del hueco. 0 <0 E : Carga que se transfiere por fricción. 0 >0 E : Carga se transfiere por esfuerzos de contacto y cortante. ult D Contacto perno platina Falla por cortante del perno o aplastamiento de la platina. Deslizamiento DISEÑO DE CONEXIONES OR ALASTAMIENTO Ocurre si el desplazamiento no es un estado límite, esto lo cumplen las conexiones con huecos estándar. Falla de la platina (F ) 10

11 Criterios de desempeño: - revención de la falla a cortante en pernos. - revención de la falla de la platina por aplastamiento. Requisitos de instalación: - No apretar los pernos (ajustados) - No se requiere preparación especial de la superficie. - Inspección mínima. Resistencia aplastamiento Falla la platina en el hueco del perno o elemento en tensión. Se considera una falla local de bloque de cortante. Tipos de falla: R R R Desgarramiento Hueco Elongación excesiva Desgarramiento de 2 huecos cercanos Estas fallas se evitan limitando esfuerzos de contacto en la platina y cumpliendo con los espaciamientos entre huecos y distancias al borde. (Tabla F ) La distribución de esfuerzos de aplastamiento sobre la platina es compleja, para el diseño se define un esfuerzo de aplastamiento promedio. N = O Q : Fuerza transmitida al perno. % R : Diámetro del perno. # : Espesor platina. En platinas gruesas con # grande, N es bajo, y la falla puede ocurrir por cortante en pernos. En platinas delgadas, N es alto, y la falla ocurre por aplastamiento de la platina. Diseño al aplastamiento (F ) : Resistencia de diseño de un perno con base en la falla por aplastamiento de la platina, es la máxima carga transmitida por el perno para no causar falla por aplastamiento. =!% R #"& Donde: = 0.75 & = Resistencia nominal de aplastamiento, que depende del espaciamiento y de la distribución de los huecos, es decir, la distancia al borde. 11

12 &= O R Donde 6# es la máxima carga que soporta un perno antes de ocurrir la falla de aplastamiento, se obtiene mediante ensayos. En la NSR-10 se establece la resistencia al aplastamiento en perforaciones con pernos según F , con base en la distancia entre pernos s y distancia al borde de la platina Lc. CASO 1 para dos pernos o más a lo largo de la línea de la fuerza, S 3 %& y UA 1.5%&, &=2.4. Este límite previene una excesiva elongación de la perforación independientemente de la dirección de la carga. Se puede incrementar &=3, si la deformación alrededor de la perforación del perno, bajo cargas de servicio, no es una consideración de diseño, no se recomienda para grandes deformaciones. Lc 1.5 dp Almenos 2 pernos en la linea de acción R R Lc: Distancia libre en la dirección de la fuerza entre el borde de la perforación y el borde del material. ara un perno en una perforación estándar, agrandada o de ranura corta, independientemente de la dirección de aplicación de la carga, o en una perforación de ranura larga con la ranura paralela a la dirección de la fuerza de aplastamiento: Cuando la deformación alrededor de la perforación del perno, bajo cargas de servicio, es una consideración de diseño: =1.2UA # 2.4 % R # S 3 dp Cuando la deformación alrededor de la perforación del perno, bajo cargas de servicio, no es una consideración de diseño: =1.5UA # 3.0 % R # CASO 2 ara un perno en una perforación de ranura larga con la ranura perpendicular a la dirección de la fuerza: La distancia Lc < 1.5 dp, o existe un solo perno en la línea de acción de la fuerza para cualquier Le. 12

13 ara pernos cercanos al borde. &= =% R # WX Y R = # UA 2.0 %& # Lc 1.5 dp WX Y R, =0.75 Fractura cortante R R R Cualquier Lc Esta regla se usa para prevenir desgarramiento en la perforación. Se deriva de forma simplificada del bloque de cortante. =8*1 A98#1#* =2 # 6A 0.6 =1.2 6A # 6A # CASO 3 Espaciamiento centro a centro de pernos S < 3dp. &=[S %& $ 2 ] $ %& = % R # [S %& $ 2 ] $ %& = # ^S R _ 2.4 %&# R R S 3 dp CONEXIONES Las conexiones típicas en edificios son del tipo aplastamiento con huecos estándar, pues son más económicos que los de deslizamiento critico. = Resistencia de diseño de un perno. 0 = Resistencia de la conexión. Diseño aplastamiento tipo deslizamiento crítico Depende de las condiciones de servicio o deslizamiento - Si se utilizan pernos alargados, el deslizamiento puede causar grandes deformaciones, causando fallas estructurales. - La conexión se puede deslizar por carga cíclica o fatiga (uentes) - En conexiones de pernos mas soldadura, los pernos no deberían deslizarse para tomar la carga (No se recomienda). 13

14 - Las deformaciones por deslizamiento causan deflexiones muy grandes o vibraciones en las aletas. Criterios de Diseño El deslizamiento es un estado limite de resistencia para: - revenir el deslizamiento por cargas mayoradas. - revenir la falla de platina por aplastamiento. El deslizamiento es un estado limite de servicio para: - revenir el deslizamiento por cargas de servicio - revenir la falla de cortante en pernos por cargas mayoradas. - revenir la falla de platina por aplastamiento por cargas mayoradas. Requisitos de instalación: - Apretar los pernos fuertemente para obtener Tmin (Tensión de diseño) - reparación de la superficie, para obtener? - Inspección detallada de superficies y pernos. Las conexiones tipo deslizamiento son más costosas que las de aplastamiento, porque requieren más pernos y una mayor longitud de conexión, aumento de costos de mano de obra por instalación, preparación e inspección. Resistencia de diseño al deslizamiento. GaR =K? ns: Numero de planos de deslizamiento µ: Coeficiente de deslizamiento, depende de la superficie. ara el diseño de la conexión solo se considera la resistencia, no se tiene en cuenta el estado límite de servicio: 1) Revisar deslizamiento/erno 2) Revisar falla aplastamiento bajo carga mayorada. 3) Tomar el menor con base en deslizamiento y aplastamiento. 4) Resistencia de la conexión 0 = GaR = 3K!1.13,C"? Resistencia al deslizamiento de un perno. NSR-10 (F ) =? H hb J K Donde: : Depende del tipo de hueco. =1.0 Hueco estándar o de ranura corta perpendicular a la dirección de la carga =0.85 erforaciones agrandadas o ranura corta paralela a la dirección de la carga =0.70 Hueco alargado ranura larga y cara perpendicular a la ranura. =0.60 Hueco alargado ranura larga y cara paralela a la ranura. K = Numero de planos de deslizamiento. 14

15 J =,C : Tensión mínima según NSR-10 ver tablas. H: 1.13 relación entre el valor promedio de tensión en pernos instalados y pretensión mínima especificada. hb: Factor asociado al uso de platinas de relleno hb =1.0? : Coeficiente de fricción para superficies clase A o B clase A y 0.50 clase B. μ= 0.30 para superficies Clase A (superficies de acero sin pintar libres de escamas de laminación, superficies tratadas con chorro y revestidas con un recubrimiento Clase A o superficies galvanizadas por inmersión en caliente y procesadas para darles rugosidad) μ= 0.50 para superficies Clase B (superficies de acero tratadas con chorro sin pintar o superficies tratadas con chorro y revestidas con un recubrimiento clase B) La resistencia de diseño para el estado límite de deslizamiento, φrn se determinará con base en el coeficiente de reducción de resistencia, φ, y la resistencia nominal, Rn, como. roblema: Calcular la máxima carga mayorada para la conexión mostrada para acero A572 grado 50, los pernos son A490-SC (Slip critical) de 5/8 : El deslizamiento es un estado límite en la resistencia. Hueco estándar y superficie clase A. Deslizamiento pernos: b K6C& = b K HK J μ. b K6C& = bk6c& = /&*89 μ= 0.3 &181 K&*8BCAC16 A61K* Aplastamiento ángulos. -ernos interiores. b =b%&#!2.4"=0, !2 4.8" = /&*89 -ernos de borde: Lc=1.5dp*25mn. b =bua #. =0,75 25!2 4,8" 450=81 23/&*89 Resistencia de la conexión Φ n =Σ Φ Rn. b 0 = =233.4U3! 1 &*89 1 #9&*" 15

16 ROBLEMA: Calcular la carga máxima mayorada que puede aplicarse a la conexión mostrada, si primero se diseñó por aplastamiento (rosca incluida) y luego deslizamiento critico platina acero Gr50 de ¾ hueco estándar A325. )&6 = = =2000,,2. =2000 2!19,1+2 1,59" 10=1554.4,,2 e =1.0 Fluencia sección bruta Φ n =ΦAg fy = 2000*345=690 kn Fractura sección neta ΦRn =ΦAn Fu =1554,4*448=696.4 kn*0.75 Bloque cortante: Agv=104*10=1040 mm2 Agt=150*10=1500 mm2 Anv=1040-1,5*(19,1+2*1,59)*10 Anv=705,8mm2 Ant=1500-1,5*(19,1+2*1,59)*10=1165,8mm2 16

17 # =1165,8 448=522,3 U3 0,6 8 =0,6 705,8 448= 189,7 f3 Como la Resistencia a la tension es mayor, la capacidad de la platina falla por bloque cortante. b 0 = 0,75!# +0,6)8 ("= 0,75!522,3+0, " b 0 =553,2 f3 Revisión conexión por aplastamiento. Falla por cortante perno. A325 N de ¾ b =b,j4 b =0, ,5!0,4 825"= 141,8 23 Falla aplastamiento platina: Controlada por la platina 10 mm, debido a la menor distancia al borde: Separación entre pernos 5=75mm 3dp= 57,3 mm Distancia al borde Lc= 29 mm > 1,5 dp = 28,7 mm or lo tanto la resistencia al aplastamiento es: ernos interiores b= b%& #!2,4"= 0,75 19,1 10!2,4 400"= 143 f3/&*89 ernos borde b =bu*.# =0, =87 23/&*89 Cortante en pernos y aplastamiento de la platina: b = 2 141,8+2 87=457,6 23 Estados limites resumen: B6*AC1 18*1 J8#1 = 690 f3 B81A#81 18*1 *#1 = 696,4 f3 g69h* A98#1#* =553,2 f3 A98#* * &*89 ( 1&61K#1,C*#9 * &61#C1 = 457,6 f3 A9#8961 Revisión conexión tipo deslizamiento crítico: Superficie clase A b K6C&=b K!1,13,C" μ b = 1,0 h*a9 *K#á%18 hk =2 17

18 bk6c&=1,0 2 1, bk6c&=84.8 f3,c =125 f3!#1j " μ=0, or aplastamiento 0*89K C#*8C98*K = 143 f3 0*89K g98%* = 87 f3/&*89 Los pernos interiores están controlados por deslizamiento y las de borde por aplastamiento; la resistencia de la conexión es 0 = = k9#8961 ESTADOS LÍMITES 1) Fluencia área bruta 2) Fractura área neta 3) Bloque cortante 4) Deslizamiento perno y aplastamiento (controla la conexión) 18

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