LECCIÓN 4 UNIONES ATORNILLADAS

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1 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. Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 1 A. Tomás

2 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 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 2 A. Tomás

3 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 ( SE-A) Ojo! sólo % Fuerza teórica de pretensado Homologar el procedimiento y cuidar el control en obra Diámetros T o TR d (mm) d0 (mm) (+1) (+2) (+2) (+2) (+2) (+3) (+3) (+3) 39 Nota: Los diámetros más usuales van del 12 al 27 Fuente: Garcimartín MA, 2000 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 3 A. Tomás

4 Aceros Clase de tornillos y sus tuercas T TR Acero de los productos a unir Clase de acero de tornillos, tuercas y arandelas Límite elástico fy (MPa) Límite de rotura fu (MPa) S S S Todos 6.8 (*) Todos Todos 10.9 (*) (*) 6.8 sólo en tuercas de los TR 8.8 ; 10.9 sólo se emplea en tornillos. Fuente: CTE DB SE-A, 2006 Designación Ejemplos: Uso T ó TR + caña long. espiga, Acero T 16 80, 4.6 TR 20 55, 10.9 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 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 4 A. Tomás

5 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 Fuente: Garcimartín MA, 2000 Arandelas A o AI o AU + d Ejemplos: Tuerca M 16, 4.6 Arandela A 16 Arandela AU 16 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 5 A. Tomás

6 TR Fuente: Garcimartín MA, 2000 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 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 6 A. Tomás

7 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 Fuente: Argüelles R, 1975 Fuente: Garcimartín MA, 2000 El esfuerzo se reparte entre cada conector i proporcional a su sección Ai: R i i Ai A i P En el caso habitual de que todos los n tornillos tengan la misma sección: R i Apdo DB SE-A Empalmes con tornillos en piezas a axil P n Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 7 A. Tomás

8 SOLICITACIONES QUE PRODUCEN CORTANTE EN EL TORNILLO. CORTANTE EXCÉNTRICO Empalme de vigas mediante cubrejuntas de alma y alas Fuente: Argüelles R, 1975 Unión articulada viga-columna Fuente: Argüelles R, 1975 X i r 2 m e n R m rim r 2 m P e Fuente: NBE EA-95, 1996 Apdo DB SE-A Empalmes en piezas flectadas (con cubrejuntas) Apdo DB SE-A Uniones viga-viga o viga-soporte con doble casquillo de angular atornillado Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 8 A. Tomás

9 SOLICITACIONES QUE PRODUCEN TRACCIÓN EN EL TORNILLO. TRACCIÓN CENTRADA F t, Ed Fd n - Condición de elemento (chapa) suficientemente rígido (no efecto palanca) L b 2 6,9d m 3 l t ef 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 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 3 Fuente: CTE DB SE-A, 2006 Caso 2) T: Piezas no comprimidas Apdo DB SE-A Empalmes en piezas flectadas (con chapa frontal) Apdo DB SE-A Uniones viga-pilar con chapa frontal A continuación se reproduce el Anejo 3.A5, p. 199 EA-95: Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 9 A. Tomás

10 Fuente: NBE EA-95, 1996 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 10 A. Tomás

11 4. COMPROBACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LOS ELEMENTOS DE LA UNIÓN Comprobación T TR Aplastamiento de la chapa Agotamiento por cortante en el tornillo Agotamiento por tracción en el tornillo Agotamiento por tracción y 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 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) Además de lo anterior: F F v, Ed v, Rd Ft, 1,4Ft, Ed Rd 1 Fs,Rd = ks n Fp,Cd / M2 Fp.Cd Fs,Rd = ks n (Fp,Cd 0,8Ft,Ed) / M2 ó si hay M+Q Fs,Rd = ks n Fp,Cd / M2 fu d t resistencia última del acero estructural diámetro del tornillo 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) Área resistente (mm 2 ) 84, Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 11 A. Tomás

12 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) M2 dm 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) menor valor de la distancia media entre vértices y caras de la cabeza del tornillo o la tuerca = min (s, e) tp Fv,Ed Ft,Ed Fv,Rd Ft,Rd esp. placa bajo tornillo o tuerca. Si tp dfub/6fu No comprobar Fp,Rd esfuerzo de cálculo perpendicular al eje del tornillo esfuerzo axil de cálculo por tornillo, al que en su caso, se añadirán las tracciones debidas al efecto palanca resistencia de cálculo frente a la cortadura del vástago 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 Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 12 A. Tomás

13 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 Entre tornillos e1 y e2 min (40 mm + 4t ; 12t ; 150 mm) 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) Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 13 A. Tomás

14 Nº de tornillos: - Recomendable mínimo 2 - Recomendable no considerar en los cálculos > 5 en cada fila paralela al esfuerzo - Apdo DB SE-A (Empalmes con tornillos en piezas a axil): Si L > 15d Reducir Fv,Rd Lf Fv,Rd Lf L 15d 1 0,75 200d L = distancia entre ejes de tornillos extremos en la dirección de la carga Elección de d: Perfil laminado Prontuario Chapas d (cm) 5tmin 0, 2 (tmin en cm) Elección de l: Tablas (función de d y de la long. apretadura f = ti) Dpto. Ingeniería Civil - UPCT 14 A. Tomás