Apuntes del Curso de Diseño en Acero INTRODUCCION Conectores Mecánicos

Transcripción

1 INTRODUCCION. Uno de los aspectos importantes en el diseño de elementos estructurales lo constituye el diseño de sus conexiones. El diseñador cuenta con varias formas para unir piezas metálicas. Conectores mecánicos: remaches, pasadores, pernos. Soldadura 7.1. Conectores Mecánicos Remaches Son piezas de sección transversal circular de acero dúctil, forzado en terreno para unir varias piezas metálicas. Se fabrican con una cabeza manufacturada en uno de sus extremos. d : diámetro nominal 87

2 Generalmente el proceso de remachado se hace en caliente, dada la facilidad con que éste puede ser trabajado. Al forjar el remache en caliente, este se expande llenando totalmente el agujero. Al enfriarse tenderá a encogerse en el sentido transversal (lo que origina una holgura final), y en el sentido longitudinal, lo que producirá compresión en las placas denominado acción de apriete o de agarre, lo que redunda en una resistencia a la fricción. Los remaches en frío tienen la ventaja de que aumentan la resistencia del remache, sin embargo, requieren de grandes presiones para formar la cabeza remachada, por lo que su uso se restringe a remaches de diámetros pequeños (1/2 a 7/8 ). La norma especifica las siguientes calidades de aceros para remaches: A Nch 207 A ASTM A Pernos Corrientes Un perno es un pasador de metal con una cabeza hexagonal en un extremo y el vástago con hilo en el otro, en el cual atornilla una tuerca también hexagonal. 88

3 D: DIAMETRO DEL CASTAGO L: LONGITUD DEL PERNO. Debido a las variaciones en los diámetros de los vástagos se pide que el agujero sea punzonado o taladrado 1/16, mayor que el diámetro del perno. Las normas chilenas especifican para pernos corrientes los aceros: A y A La sección menos resistente de un perno es la zona con hilo, luego en la determinación de la resistencia se recomienda utilizar un área neta o equivalente dada por: 2 2 Au 0, 785 ( D 0, 9743 / n) ( cm ) D : diámetro nominal del perno (cm) n : número de hilos por centímetro Pernos de Alta Resistencia Deben producir un agarre suficiente para que se desarrolle fricción entre las placas. Se usan las designaciones ASTM A 325 y A 490. A 325 corresponde a: A para diámetros entre 1/2 y 1 89

4 A para diámetros entre 1 1/8 y 1 1/2 A 490 corresponde a: A usado en perfiles de buena calidad La norma especifica además, la forma y las presiones de apriete que se deben aplicar a la tuerca Pasadores En ocasiones se utiliza un solo pasador cilíndrico de acero para conectar miembros metálicos, que debe tener una rotación relativa entre uno y otro. No se exige apriete a un pasador y sus dimensiones son mayores que las de un remache o perno. El tipo más común tiene extremos hilados y dos tuercas. Para diámetros mayores de 10, se acostumbra a utilizar un perno pasado por el cuerpo del pasador. 90

5 En el caso de pasadores pequeños, basta con una cabeza manufacturada y una chaveta Tipos de Conexiones Las uniones o conexiones estructurales se pueden clasificar de acuerdo a la forma en que se transmiten las cargas Conexiones o Cizalle La carga transmitida tiende a cortar el conector, lo que a su vez provoca aplastamiento en la plancha. CIZALLE SIMPLE 91

6 CIZALLE DOBLE Conexiones a Tracción Conexiones a Tracción y Cizalle 92

7 Si las cargas pasan por el centro de gravedad de las áreas de los conectores, se dice que la conexión es centrada, en caso contrario se dice que la conexión es excéntrica Condiciones para el Diseño Dimensiones Normales para el Diseño d (pulg) 1/2 5/8 3/4 7/ /8 1 1/4 1 1/2 (mm) D (mm) A (cm 2 ) A n (cm 2 ) d : diámetro nominal del conector D : diámetro de la perforación D d 1 10 '' Generalmente para el cálculo se recomienda: D d 1 8 '' En diseños importantes la norma especifica D variable, dependiendo del diámetro del conector: D = d si d 0.6 cm D = d si 0.6 d 1.2 cm 93

8 D = d D = d si 1.2 d 2.0 cm si 2.0 d 3.9 cm A : área bruta A n : área neta o reducida Esparcimientos i) Distancias mínimas entre conectores (s, g) s : paso s 2.67 d (de preferencia s 3d) g : gramil g 2.67 d (de preferencia g 3d) ii) Distancia máxima entre conectores s má x g má x 12e iii) Distancias mínimas a los bordes (a, b) a b 1.75 d (en cantos cortados a tijera) a b d (en cantos laminados o cortados a llama) 94

9 En perfiles con 1 o 2 conectores en línea, con la dirección del esfuerzo, se debe verificar iv) En remaches y pernos corrientes a A e Cizalle simple a 2 A e Cizalle doble v) En pernos de alta resistencia a C A e Cizalle simple a 2C A e Cizalle doble donde: A : área del conector e : espesor de la plancha C : F c /F a F c : tensión de ruptura del perno F A : tensión de ruptura de la plancha Ancho Neto en Perfiles Perforados En el diseño de conectores se debe considerar una reducción en la tensión admisible de los perfiles producto de las perforaciones. Se define B n, como el ancho neto y está dado por: si Bn B D 4 gi 2 donde: B n : ancho neto de la plancha o perfil B : ancho total D : diámetro de la perforación s : distancia entre perforación en la dirección del esfuerzo (paso) g : distancia entre perforaciones en la dirección perpendicular al esfuerzo (gramil) D i : suma de los diámetros de los agujeros ubicados en la línea de falla. Esta línea puede ser en diagonal o en zigzag, con respecto a la dirección del esfuerzo. Se verificará que: Bn 0.85 B 95

10 En perfiles L se considerará: (i) (ii) B = A+ C - e g = a + c - e 7.4. Análisis de Resistencia en Conexiones Centradas La resistencia de una conexión con conectores, dependerá fundamentalmente del tipo de falla que se pueda presentar en la unión Falla con Tracción en las Placas La tensión de trabajo en este caso queda dada por: f t P An 96

11 donde: An A D e (área neta de la placa) Para evitar la falla se verifica que: f t F t con Ft 0.6 Ft (tensión admisible en tracción) En el caso que existan varias perforaciones se usará: A B e n n Falla por Cizalle del Conector La tensión de trabajo está dada por: f P v Av donde Av d 2 4 (área de los conectores que resisten el corte) d : diámetro nominal del conector Se debe verificar que: f v F v 97

12 con F v : tensión admisible de cizalle (corte) dada por la tabla siguiente: Conector Calidad de conector F v (Kg./m 2 ) Unión a fricción Unión a aplast. Remaches colocados en caliente A A (A502-2) Pernos corrientes A A P.A.R., con hilo en el plano del corte A 325 (A 85-63) A 490 (A ) P.A.R., con hilo fuera del plano de corte A 325 (A 74-57) A 490 (A ) Falla por Aplastamiento de las Placas o del Conector La tensión de trabajo, en este caso, se calcula considerando la carga uniformemente distribuida en el área proyectada del conector, sobre la placa. f ap P d e (en la placa) con e : espesor de la placa f P v A (en el conector) v 98

13 Para el diseño se debe verificar que: f f ap v F F v ap con: F ap : tensión admisible de aplastamiento F ap : 1.35 F f, y F v : como en el caso anterior Nota: En uniones a fricción no se debe considerar el efecto de aplastamiento Falla por Tracción del Conector La tensión de trabajo se calculará como: f P t An A n : A u : corresponde al área neta en pernos corrientes corresponde al área nominal o bruta en P.A.R. Se verificará que: f t F t F t : tensión admisible de tracción 99

14 Conector Calidad F t (seg/cm 2 ) Remaches en caliente Pernos corrientes Pernos de alta resistencia A A A A A 325 A Falla por Desgarramiento de la Placa a : distancia al borde Este tipo de falla se previene limitando las distancias a los bordes Análisis de Resistencia en Conexiones Excéntricas Conexión a Cizalle 100

15 El problema se puede analizar por superposición de una conexión a cizalle centrado, y otra a momento puro. La primera ya la hemos analizado, por lo que nos evocaremos a la segunda. Si la placa gira un ángulo, un punto con conector, gira solidario a la placa, desplazándose Ai = i y generando una fuerza de reacción proporcional al desplazamiento y al radio de giro. Ri KA i K i Esta reacción produce tensiones en x e y, en cada conector dadas por: 2 i i i M R K r 101

16 k R i M i 2 i 2 i Luego i Ri k i M 2, que se puede escribir i como: R A f jx j jx A j Y A ( X Y ) 2 2 i i i j M R A f jy j jy A j X A ( X Y ) 2 2 i i i j M Para el caso de cizalle centrado, se puede escribir: P n R jc A j f jc Que en este caso, incrementará la acción del momento puro, en el sentido y, luego 2 2 jx jy jc R R ( R R ) 2 2 j j jx j jy j jc A f ( A f ) ( A f A f ) 1/ 2 o bien 2 2 jx jy jc f f ( f f ) Para evitar la falla se exigirá que: f F v F v : tensión admisible de cizalle (corte) 102

17 Conexión a Cizalle y Tracción Se puede representar el problema como una superposición de una fuerza cortante y un momento: M P e El efecto del cortante ya lo hemos analizado, por lo que analizaremos el efecto del momento puro. Existe una zona de conectores traccionados, sobre la línea neutra, y otra comprimida bajo la línea neutra, que ejerce presión entre la placa de apoyo y la columna. 103

18 b e = (m*a)/p hc/ht = (b e /b) m: Nº columnas. I e = (b e *ht 3 )/3 + (b*hc 3 )/3 A: área conector. (Momento de Inercia). P: peso. F = (M*ht)/I e < F t 7.6. Soldadura La soldadura es un proceso mediante el cual se unen entre sí dos piezas de metal, por la aplicación de calor, con o sin presión. Esta definición es aplicable a una gran variedad de procesos, de los cuales distinguiremos: i) Soldadura de Resistencia Este es un proceso de soldadura a presión, donde se genera calor por medio de una resistencia eléctrica en una pequeña área de contacto de dos piezas metálicas, las piezas se unen localmente aplicando ii) Soldadura al Arco Es el proceso más usado para uniones de aceros estructurales, consiste en establecer un arco eléctrico formado por un electrodo y la parte que se va a soldar. El calor del arco funde el metal del electrodo y la base, el campo electromagnético conduce el metal fundido de la varilla de soldadura, hacia el metal base. Detalle del Arco 104

19 Especificaciones El material de los electrodos y sus características son especificados por la norma, de acuerdo a los requisitos indicados por A.W.S. (American Wilding Society), y las designaciones propuestas por el ICHA. Designación del Electrodo para Arco Manual E 40 XX E 50 XX * E 60 XX E 70 XX Nch 304 of 68 según I.N.N. Nch 305 of 68 Nch 306 of 69 según Indura según A.W.S. A.W.S. A5.1 (*) Es el más usado en obras de construcción, estructuras de acero galvanizado, reparaciones piezas de máquinas, etc. (CA, CC). donde electrodo E 40 X X características del electrodo y de la corriente a usar resistencia posición para soldar a la tracción (kg/mm 2 ) i) Posiciones para Soldar 105

20 x = 1 El electrodo se puede usar en toda posición para soldar (incluso sobre cabeza). x = 2 Posición plana u horizontal. Plana Horizontal Vertical sobre cabeza (a) Plana Vertical Sobre Cabeza Horizontal 106

21 (b) Posiciones para soldar: (a) soldaduras de filete, (b) soldaduras a tope. ii) Características del Electrodo Se especifica con un número del 0 al 8, e indica el tipo de corriente a usar (CC o CA), y las características químicas del electrodo (Anexo D ICHA) Tipos de Soldadura En general se habla de 3 tipos de soldadura: i) Soldadura de Filete En la forma triangular y se colocan a modo de cordones, en los bordes de las placas. ii) Soldadura de Tapón o Canal Se obtienen superponiendo filetes en agujeros o canales, se utilizan principalmente para transmitir tensiones de corte. 107

22 iii) Soldadura de Ranura o Tope Se obtienen conectando piezas en el mismo plano, debiendo prepararse la zona a conectar Nomenclatura Básica para Soldadura i) Soldadura de Filete 108

23 a i : l 1 : p i : tamaño del filete de soldaduras en (mm) largo del filete de soldadura en (cm). paso del filete (espaciamiento entre los centros de las soldaduras) en (cm). Otras especificaciones: Soldadura en todo el contorno 109

24 soldar en terreno Soldar en todo el contorno por ambos lados y en terreno, con un filete de 10 mm. ii) Soldadura de Tope: Se especifican: - Penetración : 4 mm. lado mostrado 2 mm, lado opuesto al mostrado - Separación de las placas : 3 mm - Acabado : curvo lado mostrado, esmerilado o liso en el lado opuesto - Forma del chaflán : recto // 110

25 Ejemplo: Resistencia de las Soldaduras de Tope Las diferencias de calidad entre el metal base y las soldaduras, o las irregularidades, suelen ocasionar concentraciones de esfuerzos que afectan la resistencia de la unión. En la práctica la resistencia se estima como la resistencia última del metal base y el área efectiva de la soldadura. i) Dimensiones Efectivas La norma especifica dimensiones efectivas para espesor (e y ) y longitud (l y ), dependiendo de la penetración de la soldadura. e; para penetración completa e y = altura de la garganta; para penetración parcial l y = B en todos los casos Ejemplo: 111

26 e ef = ¾ e 1/8 < e ¼ Soldadura de tope abierta, soldada por un solo lado. ii) En Soldadura Tipo Bisel : Eje se reducirá en 3 mm. e ef = D 3mm 2.1 e D: Altura de la garganta 112

27 Juntas aceptadas sin calificación bajo el código AWS 113

28 iii) Tensiones Admisibles Las tensiones admisibles de tracción (F t ), compresión (F c ), y corte (F v ); serán las tensiones admisibles que correspondan al metal base, aplicadas en el área efectiva de la soldadura Resistencia de las Soldaduras de Filete La distribución real de tensiones en las soldaduras de filetes son extremadamente complejas, debido a las discontinuidades en la forma de la sección y a que introducen excentricidades en la transmisión de las fuerzas. El filete de soldadura transmite la fuerza P de a a b, mediante tensiones de corte. Analicemos el filete de soldadura: 114

29 La práctica indica que la falla del filete se produce en un ángulo, medido en los catetos del filete. El caso más desfavorable se produce cuando 45º : ángulo de falla (45º) s : cateto del filete de soldadura g : garganta del filete donde: g s 2 s Si los catetos son diferentes entonces s1 s2, y: 115

30 g s s s 1 2 s 1 2 norma). El tamaño de la soldadura debe considerar dos aspectos importantes (fijados por la Un tamaño mínimo, que evite el enfriamiento rápido de la soldadura, lo cual podría ocasionar problemas de fragilidad en ésta. Un tamaño máximo determinado por razones prácticas. Espesor de la placa más Dimensión Nominal gruesa a unir [mín s mín (mm) s máx (mm) 3 e 4 3 si e < 6 4 e < e 12 5 s máx = e 12 < e < e 38 8 si e 6 38 < e < e s máx = e < e 16 i) Tensiones admisibles Independiente de la calidad del metal base y la especificación del electrodo, la tensión admisible será la menor de las indicadas para el metal base o electrodo: F v = 950 kg/cm 2 F v = 1270 kg/cm 2 si e 4 mm si e > 4 mm 116