Consideraciones sismorresistentes en el análisis y detallado de conexiones precalificadas plancha extrema tipos 4E, 4ES y 8ES según la guía AISC 358-05 por Salegui, Jon ; Urdaneta, Alvaro. Se encuentra bajo una Licencia Creative
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
CARACAS, ESTADO MIRANDA
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TESIS II
CONSIDERACIONES SISMORRESISTENTES EN EL ANÁLISIS Y
DETALLADO DE CONEXIONES PRECALIFICADAS PLANCHA EXTREMA
TIPOS 4E, 4ES Y 8ES SEGÚN LA GUÍA AISC 358-05
Tutor:
Ing. Sigfrido Loges
C.I.: V-11.310.481
C.I.V.: 112.284
Proyecto de Tesis
Presentado por:
Br. SALEGUI, Jon
C.I.: V- 20.219.359
Br. URDANETA, Álvaro
C.I.: V- 18.714.062
Octubre, 13 del 2011
III
DEDICATORIA:
A mis padres, Marilú Huerta y Alvaro Urdaneta, por todo el cariño,
comprensión y dirección que han dedicado a lo largo de toda mi vida.
A mi familia entera, especialmente mis abuelas, María González y
María Chávez (QEPD), mi tía Mercedes Huerta, mi tío Carlos Huerta, mi
hermano Carlos, quienes siempre me apoyaron en todo momento y me
alentaron a seguir adelante.
A mi querida novia, Jennifer Cairo Conace, quien siempre me apoyó
en buenas y malas a seguir adelante y poder terminar mis estudios
universitarios.
Alvaro Urdaneta Huerta
VIII
DEDICATORIA:
El siguiente trabajo de grado está enteramente dedicado a mi familia
ya que fueron ellos los que me dieron la posibilidad de estudiar una carrera
universitaria y confiar en mí en todo momento, gracias a ustedes he
alcanzado todas las metas que me he propuesto. Ustedes son las bases de
mi vida profesional y siempre estaré agradecido. Realmente no hay palabras
que logren expresar lo mucho que quiero agradecerles
Jon José Salegui de León
IX
AGRADECIMIENTOS
A Dios todo poderoso a quien todo se lo debo.
A quienes me enseñaron todo lo que sé, me apoyaron en todo
momento, me ayudaron sin importar qué, unas de mis mayores amistades,
mis casi-padres, Geralis Gois y Cesar Bastidas. ¡Gracias por todo!
A Carlos E. Larralde por otorgarme mi primera oportunidad de trabajo,
por siempre estar dispuesto a mis necesidades como estudiante y por su
apoyo durante la realización de este trabajo de grado.
Al profesor Sigfrido Loges quien nos ayudo sin dudar durante la
elaboración de este trabajo de grado y por ser un modelo a seguir; y a mi
amigo y compañero de tesis quien me ayudo a salir adelante en este trabajo
de grado.
A mis amigos y amigas, a mis profesores y a todos los que hicieron
posible este trabajo de grado de alguna u otra forma, por apoyarnos y
alentarnos durante la elaboración de este trabajo de grado. ¡Gracias!.
Alvaro Urdaneta Huerta
X
AGRADECIMIENTOS
Gracias a Dios.
A mis padres, que siempre me han dado su apoyo incondicional y a
quienes debo este triunfo profesional, por todo su trabajo y dedicación para
darme una formación académica y sobre todo humanista y espiritual. De ellos
es este triunfo y para ellos es todo mi agradecimiento.
Para mis hermanos, para que también continúen superándose. A toda
mi familia por su apoyo.
. A todos mis maestros que aportaron a mi formación. Para quienes me
enseñaron más que el saber científico, a quienes me enseñaron a ser lo que
no se aprende en salón de clase y a compartir el conocimiento con los
demás.
A mi amigo y compañero de tesis, que me enseño a salir adelante
para la culminación del trabajo y a nuestro tutor de tesis, por su confianza y
apoyo y dedicación en desarrollar nuestra investigación.
A todos gracias…
G R A C I A S
Jon José Salegui de León
XI
RESUMEN
El objetivo principal de este trabajo de grado es el análisis y desarrollo
de las conexiones tipo plancha extrema, estableciendo sus consideraciones
sismorresistentes en este. Este trabajo se fundamenta en la Norma AISC 358
del año 2005 “Conexiones Precalificadas para Momentos Especiales e
Intermedios en Vigas de Acero para Aplicaciones Sísmicas” (Prequalified
Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic
Applications). Mediante una hoja de cálculo de Microsoft Excel, se calcularon
y diseñaron las conexiones tipo plancha extrema para los tres casos
tipificados, como lo son, cuatro pernos sin rigidizador, cuatro pernos con
rigidizador y ocho pernos con rigidizador (4E, 4ES y 8ES).
Primeramente se procedió a determinar las propiedades geométricas y
resistentes de los perfiles empleados en Venezuela para posteriormente
hacer el análisis de la conexión tipo plancha extrema. Basándose en trabajos
de grado anteriormente desarrollados y en la Norma AISC 358-05, se
desarrolló una hoja de cálculo, en la cual se vació toda la información
encontrada y se obtuvo un análisis y diseño de este tipo de conexiones. De
esta forma se logró obtener un método de cálculo y diseño rápido, ajustado a
los perfiles y a las unidades comúnmente empleados en Venezuela.
XII
ABSTRACT
The main objective of this thesis is the analysis and development of
the end-plate connections, setting up the seismic resistance considerations in
the analysis, mainly based on the AISC Standard 358 of 2005 "Prequalified
Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic
Applications" through a worksheet in Microsoft Excel, this worksheet is based
in the development of the steps for the analysis of extreme plate type
connections for the three cases typified (4E, 4ES and 8ES).
We proceeded to determine the geometric and resistance properties of
the structural slabs used in Venezuela to later make the analysis of
connection type end- plate. Based on previously developed thesis and the
Standard AISC 358-05, we proceeded to make a worksheet in which he went
on to empty all the information recovered and obtaining an analysis and
design of this connection types. In this way, we managed to obtain a quick
calculation and design method, adjusted to commonly used profiles in
Venezuela.
XIII
ÍNDICE GENERAL
CONTENIDO. PÁG.
DEDICATORIAS. II
AGRADECIMIENTOS. IV
RESUMEN. VI
ABSTRACT. VII
ÍNDICE. VIII
INTRODUCCIÓN. XV
CAPITULO I: EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. 1
1.1 Planteamiento del Problema. 2
1.2 Justificación de la Investigación. 3
1.3 Formulación del Problema. 4
1.4 Objetivos.
1.4.1 Objetivo General. 5
1.4.2 Objetivos Específicos. 5
1.5 Delimitaciones. 5
1.6 Limitaciones. 6
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO. 8
2.1 Antecedentes. 9
2.2 Bases Teóricas. 12
2.2.1 Reseña Histórica. 12
2.2.2 Tipos de Carga que Influyen en la Estructura. 14
2.2.3 Solicitaciones de Miembros a Flexión. 15
2.2.4 Transferencia de Cargas en Estructuras Aporticadas
Viga Columna.
16
2.2.5 Solicitaciones Sísmicas en la Estructura. 16
XIV
CONTENIDO. PÁG.
2.2.6 Estructuras Aporticadas. 17
2.2.6.1 Tipos de Conexiones en Acero Estructural (Rígidas,
Semirrígidas y Flexibles).
18
2.2.8 Tipos de Soldaduras. 20
2.2.8.1 Soldaduras y procesos de Soldaduras. 24
2.2.8.2 Ventajas y Desventajas de la soldadura y del
Empernado.
24
a. Desventajas de la soldadura. 25
b. Ventajas del empernado. 26
2.2.9 Tipos de Pernos (A325 y A490). 26
2.2.9.1 Propiedades mecánicas de los pernos. 29
2.2.9.2 Agujeros de los pernos. 30
2.2.9.3 Casos de cargas en pernos. 32
2.2.9.4 Procedimiento de apriete. 33
2.2.10 Materiales (Acero A36). Características Resistentes de
Cada Tipo de Material.
34
2.2.10.1 Aceros de Alta Resistencia y Baja Aleación (HSLA). 36
2.2.10.2 Aceros ASTM A572. 36
2.2.10.3 Aceros ASTM A922. 37
2.2.10.4 Aceros ASTM A588. 37
2.2.10.5 Aceros ASTM A514. 37
2.2.10.6 Aceros al Carbono. 38
2.2.11 Tipología de Planchas y Medidas Comerciales. 38
2.2.12 Limitaciones Paramétricas de las Conexiones
Precalificadas Según AISC 358-05.
38
2.2.12.1 Criterios Generales. 39
a. Pernos. 39
b. Geometría de la Conexión. 39
c. Soldadura. 40
XV
CONTENIDO. PÁG.
d. Fuerzas Cortantes. 40
e. Planchas de Continuidad. 40
f. Rigidizador de la Plancha Extrema. 41
2.2.7 Partes y Procedimientos en que se Componen las
Conexiones Plancha Extrema.
41
2.2.13 Parámetros de Diseño. 42
a. Momento de Diseño de la Conexión. 43
b. Resistencia de los Pernos de la Conexión. 43
c. Detallado de la Conexión. 45
2.2.14 Limitaciones para el Uso de las Conexiones de Plancha
Extrema en el Diseño Sismorresistente.
51
2.2.15 Estados Limites de la Conexión de Plancha Extrema. 52
2.3 Terminología Básica. 54
2.4 Sistema de Variables. 59
CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO. 64
3.1 Nivel de la Investigación. 65
3.2 Diseño de Investigación. 66
3.3 Población y Muestra. 66
3.4 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos. 67
3.5 Técnicas de Procesamiento y Análisis de los Datos. 67
CAPITULO IV: ANÁLISIS Y PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. 69
4.1 Cálculo de Parámetros Generales. 72
4.1.1 Cálculo del rigidizador. 72
4.1.2 Cálculo de la Soldadura. 74
4.1.3 Procedimiento de Diseño. 75
4.1.3.1 Diseño de la Plancha Extrema y los Pernos. 75
4.1.3.2 Diseño del Lado de la Columna. 85
4.2 Diseño por Hoja de Cálculo de Microsoft Excel. 92
4.3 Resultados obtenidos a través de la Hoja de Cálculo de 96
XVI
CONTENIDO. PÁG.
Microsoft Excel.
4.4 Comprobación de resultados. 98
a) Para conexión cuatro pernos sin rigidizador. 98
b) Para conexión cuatro pernos con rigidizador. 100
c) Para conexión ocho pernos con rigidizador. 102
CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 104
5.1 Conclusiones. 105
5.1 Recomendaciones. 108
BIBLIOGRAFÍA. 112
ÍNDICE DE IMÁGENES.
Figura #1: Conexiones Típicas. 18-19
Figura #2: Corte Transversal de Soldadura. 20
Figura #3: Soldadura Tipo Filete. 23
Figura #4: Corte Transversal de Perno Hexagonal (a). 26
Figura #5: Corte Transversal de Perno Hexagonal (b). 27
Figura #6: Tipos de Fallas Típicas de Pernos. 31
Figura #7: Apriete de Pernos. 32
Figura #8: Conexión Plancha Extrema con Acero A36, Fuerte Tiuna. 35
Figura #9: Conexión Tipo Plancha Extrema. 42
Figura #10: Localización de Rotulas Plásticas. 44
Figura #11: Grafico de Diseño de Planchas Extremas. 46
Figura #12: Detallado de Rigidizadores en Plancha Extrema. 47
Figura #13: Procedimiento de Soldaduras. 48
Figura #14: Modelado de Conexión Plancha Extrema en AutoCAD. 49
Figura #15: Modelado de Conexión Plancha Extrema en AutoCAD. 50
Figura #16: Conexión Plancha Extrema Fuerte Tiuna (a). 51
Figura #17: Conexión Plancha Extrema Fuerte Tiuna (b). 52
Figura #18: Referencia de Parámetros en la Conexión. 71-72
XVII
CONTENIDO. PÁG.
Figura #19: Referencia de Rigidizador. 73
Figura #20: Selección de Conexión. 93
Figura #21: Datos Preliminares. 95
Figura #16: Conexión Real Fuerte Tiuna (a). 51
Figura #17: Conexión Real Fuerte Tiuna (b). 52
Figura #18: Referencia de Parámetros en la Conexión. 72
Figura #19: Referencia de Rigidizador. 73
Figura #20: Selección de Conexión. 93
Figura #21: Datos Preliminares. 95
Figura #22: Resultados 4E. 98
Figura #23: Resultados 4E. 98
Figura #24: Resultados 4E. 99
Figura #25: Resultados 4E. 99
Figura #26: Resultados 4ES. 100
Figura #27: Resultados 4ES. 100
Figura #28: Resultados 4ES. 101
Figura #29: Resultados 4ES. 101
Figura #30: Resultados 8ES. 102
Figura #31: Resultados 8ES. 102
Figura #32: Resultados 8ES. 103
Figura #33: Resultados 8ES. 103
ÍNDICE DE FORMULAS.
Formula #1: Calculo de Rigidizador. 72
Formula #2: Momento en Cara de la Columna. 75
Formula #3: Máxima Resistencia de la Conexión. 76
Formula #4: Diámetro de Perno para Conexiones de Cuatro Pernos. 76
Formula #5: Diámetro de Perno para Conexiones de Ocho Pernos. 77
Formula #6: Espesor de Plancha Requerido. 77
XVIII
CONTENIDO. PÁG.
Formula #7: Factor de Fuerza del Ala de la Viga. 78
Formula #8: Resistencia al Corte para Conexiones de Cuatro
Pernos Sin Rigidizador.
78
Formula #9: Resistencia a la Rotura para Conexiones de Cuatro
Pernos Sin Rigidizador.
78
Formula #10: Área de Plancha Extrema. 79
Formula #11: Espesor del Rigidizador. 83
Formula #12: Chequeo del Rigidizador. 83
Formula #13: Chequeo del Corte de los Pernos. 84
Formula #14: Calculo del Corte de los Pernos. 84
Formula #15: Chequeo de Fallas por Desprendimiento. 84
Formula #16: Chequeo del Rendimiento del Ala de la Columna. 85
Formula #17: Fuerza a Flexión del Ala de la Columna. 89
Formula #18: Fuerza Equivalente de Diseño de la Columna. 89
Formula #19: Chequeo de Desprendimiento del Alma de la
Columna. 89
Formula #20: Pandeo de la Columna (a). 90
Formula #21: Pandeo de la Columna (b). 90
Formula #22: Chequeo de la Rigidez del Ala de la Columna (a). 91
Formula #23: Chequeo de la Rigidez del Ala de la Columna (b). 91
Formula #24: Chequeo de la Rigidez del Ala de la Columna (c). 92
Formula #25: Resistencia de Planchas Rigidizadoras. 92
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla #1: Clasificación de Pernos. 28
Tabla #2: Dimensiones Típicas de Pernos. 30
Tabla #3: Efecto de Apalancamiento. 45
Tabla #4: Limitaciones Paramétricas de las Conexiones. 70
80
XIX
CONTENIDO. PÁG.
Tabla #5: Sumario de Formulas para Conexión de Cuatro Pernos
Sin Rigidizador.
Tabla #6: Sumario de Formulas para Conexión de Cuatro Pernos
Con Rigidizador.
81
Tabla #7: Sumario de Formulas para Conexión de Ocho Pernos
Con Rigidizador.
82
Tabla #8: Sumario de Formulas para Columna con Conexión de
Cuatro Pernos.
87
Tabla #9: Sumario de Formulas para Columna con Conexión de
Cuatro Pernos.
88
INTRODUCCIÓN
En edificaciones de acero estructural, el aspecto de las conexiones
entre los miembros (vigas, columnas, por ejemplo) es sumamente
importante, ya que el comportamiento estructural previsto mediante la
idealización de la estructura en un programa de computación, puede verse
alterado de importantes maneras. Las conexiones en acero estructural deben
ser, no solamente resistentes, sino también dúctiles, de comportamiento
predecible, de fabricación y montaje sencillo. Es por estas razones, que el
Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC, por sus siglas en
inglés), ha desarrollado una serie de procedimientos para el análisis y
detallado de conexiones entre miembros de acero estructural, con lo cual se
puedan garantizar las premisas anteriores.
El presente trabajo trata el análisis y detallado, bajo ciertas
restricciones y limitantes, de las conexiones tipo plancha extrema. Se definirá
que es una conexión tipo plancha extrema, sus parámetros generales, y la
manera en que se desarrollaron los procedimientos de cálculo.
Se pretende llegar a un método de análisis detallado mediante una
hoja de cálculo de Microsoft Excel, que contemple las condiciones sísmicas
adaptadas a nuestra zona de sismicidad y 3 tipos de conexiones de plancha
extrema, las cuales se analizarán y explicarán con detenimiento.
CAPITULO I:
EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
CAPITULO I: EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En edificaciones de acero estructural, el aspecto de las conexiones
entre los miembros (vigas, columnas, por ejemplo) es sumamente
importante, ya que el comportamiento estructural previsto mediante la
idealización de la estructura en un programa de computación, puede verse
alterado de importantes maneras. Las conexiones en acero estructural deben
ser, no solamente resistentes, sino también dúctiles, de comportamiento
predecible, de fabricación y montaje sencillo. Es por estas razones, que el
Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC), ha desarrollado una
serie de procedimientos para el análisis y detallado de conexiones entre
miembros de acero estructural, con lo cual se puedan garantizar las premisas
anteriores.
Es cierto que una de las principales dificultades que se presenta en el
diseño de conexiones radica, principalmente, en la predicción del nivel de
rigidez real que éstas poseen, es decir, las totalmente restringidas son
menos rígidas mientras que las flexibles son más rígidas de lo que se supone
en el análisis de las mismas. Por lo tanto y a efectos de análisis, se asume
que las conexiones totalmente restringidas garantizan un nivel de
empotramiento superior al 90%. Cabe destacar, que aún cuando las
parcialmente restringidas presentan en muchos casos un nivel de
empotramiento cercano al 50%, solamente se admiten en zonas de baja
sismicidad. Entre las conexiones totalmente restringidas, una de las más
ampliamente utilizadas es la tipo Plancha Extrema, o “End Plate”, como se le
conoce por su terminología en inglés. Este tipo de conexión consiste en una
plancha de importante espesor soldada en taller a los extremos de la viga, la
cual se une mediante pernos a otra plancha de características similares, que
se encuentra unida a la columna de ciertas formas particulares. La gran
rigidez de las planchas extremas de unión, garantiza que no exista la acción
de apalancamiento en la conexión que se presenta en planchas con
espesores inferiores, con lo cual se pudiera reducir la rigidez y el grado de
empotramiento de dicha conexión.
La guía de diseño del AISC, bajo el número 358-05 “Conexiones
Precalificadas para Momentos Especiales e Intermedios en Vigas de
Acero para Aplicaciones Sísmicas” (Prequalified Connections for Special
and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications), indica la
metodología de análisis y detallado de conexiones precalificadas tipo
Plancha Extrema a seguir para garantizar que las mismas tendrán un
adecuado comportamiento sismorresistente. Esta guía surge posteriormente
al terremoto de Northridge (1994), el cual marca un hito en los
procedimientos de diseño de conexiones en acero estructural, ya que debido
a los grandes e inesperados daños ocurridos en conexiones que fueron
diseñadas para presentar un adecuado comportamiento sismorresistente, fue
necesario revisar y reformular muchos de los procedimientos existentes
hasta la fecha. Entre las conexiones estudiadas en esta guía de diseño, se
encuentran las siguientes: 4E (cuatro pernos a tracción sin rigidizador), 4ES
(cuatro pernos a tracción con rigidizador) y 8ES (ocho pernos a tracción con
rigidizador).
1.2 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Al elaborar un trabajo de investigación, deben existir razones
suficientes que ameriten utilizar el tiempo y recursos disponibles. Entre las
razones que justificaron la elaboración de la presente investigación, se
encuentran las siguientes:
La elaboración de una metodología de análisis y diseño de las
conexiones tipo Plancha Extrema Precalificadas que pueda ser
suministrada a todos los profesionales involucrados en el cálculo y
diseño estructural, para mejorar la práctica actual en Venezuela con
respecto a este tipo de conexión, permitiendo aumentar la rigurosidad
de las inspecciones de estructuras de acero.
Debido a que en Venezuela no existe una Normativa cuya
actualización sea constante, en cuanto a diseño de conexiones de
acero se refiere, es imperativo el uso de procedimientos de análisis
provenientes de Normas y demás documentos foráneos para la
elaboración de proyectos estructurales particulares. Por lo tanto, y en
lo referente a estructuras de acero, es muy importante el estudio
riguroso de las conexiones existentes entre sus miembros, con lo cual
el comportamiento de las mismas garantice que la estructura tendrá
incursiones alternantes en el dominio inelástico sin pérdida apreciable
de su resistencia o ductilidad. Una de las conexiones más
ampliamente utilizadas, bien sea por el comportamiento
sismoresistente evidenciado y facilidad constructiva en comparación
con otros tipos de conexiones, es la Plancha Extrema o “End Plate”.
Las disposiciones vigentes acerca del comportamiento
sismorresistente de este tipo de conexiones en particular, se
encuentran en la Guía AISC 358-05 y demás documentos
complementarios.
1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cuáles son las consideraciones sismorresistentes que se deben tomar en
cuenta para el análisis y detallado de conexiones precalificadas tipo Plancha
Extrema según la Guía AISC 358-05?
1.4 OBJETIVOS: GENERAL Y ESPECÍFICOS
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar las consideraciones sismorresistentes que se deben tener
presentes en el análisis y detallado de conexiones precalificadas tipo
Plancha Extrema según la Guía AISC 358-05.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Establecer la metodología a seguir para analizar las conexiones
precalificadas tipo plancha extrema, según la Guía AISC 358-05.
Determinar las propiedades geométricas y resistentes de los perfiles
permitidos en conexiones precalificadas y empleados en Venezuela,
para ser usados como vigas y columnas, con lo cual se seleccionarán
unos generales, para el análisis de las conexiones Plancha Extrema.
Diseñar una hoja de cálculo en Microsoft Excel para el análisis y
detallado de conexiones precalificadas tipo plancha extrema 4E, 4ES y
8ES, según la guía AISC 358.
Indicar cuáles son los programas comerciales más confiables para el
análisis y detallado de las conexiones precalificadas tipo plancha
extrema.
1.5 DELIMITACIONES
Cuando se elabora un trabajo de investigación, debe circunscribirse
dentro de ciertos límites, los cuales normalmente abarcan el Tiempo,
Espacio, Contenido y Universo. Las delimitaciones de la presente
investigación son las siguientes:
En cuanto a Tiempo, este proyecto se llevó a cabo en un lapso de 9
meses, contados a partir del mes de Enero hasta el mes Octubre del año
2011.
En lo referente a Espacio, la investigación se desarrolló enteramente
en la Universidad Nueva Esparta, en el municipio El Hatillo, Caracas,
Venezuela.
En cuanto al Contenido, este trabajo de investigación trató,
exclusivamente, el análisis y detallado de conexiones precalificadas tipo
Plancha Extrema en estructuras metálicas, con base en los procedimientos
indicados en la guía AISC 358-05, sin tomar en consideración las “Cuñas
Dedos” o “Finger Shims”.
1.6 LIMITACIONES
En todo trabajo de investigación, existirán obstáculos que de una u
otra forma retrasarán la culminación del mismo. Esos obstáculos se conocen
como Limitaciones de la investigación. Dentro de las limitaciones que se
presentaron en el presente trabajo de investigación, se mencionan las
siguientes:
Manejo de los programas de computación que serán empleados en la
investigación, tales como AutoCad, RamConnection y programación
en Visual Basic para Excel. Todos estos programas fueron necesarios
para certificar los procedimientos que se estudiaron en lo referente al
análisis y detallado de conexiones tipo plancha extrema, de acuerdo a
aquellos establecidos en la Guía AISC 358-05. Esta limitación se
solucionó mediante cursos virtuales de AutoCAD y el aprendizaje
autodidacta del programa Microsoft Excel.
Dificultad para adquirir publicaciones en idioma inglés, debido al
problema del control cambiario existente en Venezuela. La bibliografía
consultada, en su gran mayoría, era del Instituto Americano de la
Construcción en Acero (AISC), y traerlas a Venezuela resultó
sumamente difícil, lo cual se solucionó con la compra virtual de las
bibliografías antes mencionadas y se tradujo por medio de traductores
virtuales y complementando con conocimientos propios del idioma
inglés.
CAPITULO II:
MARCO TEÓRICO
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO.
2.1 ANTECEDENTES.
Para el desarrollo del presente trabajo de investigación, se consultaron
varios estudios relacionados con el mismo, para así adquirir conocimientos y
una orientación más clara acerca del tema en estudio. Los estudios
consultados que dieron aporte al siguiente trabajo de grado son:
Elimar Corina Gómez Ferrer (Junio 2005), UCAB, “CONEXIONES
PRECALIFICADAS DE PLANCHA EXTREMA PARA PROYECTOS
SISMORRESISTENTES DE ACERO”.
“El objetivo principal de este Trabajo Especial de Grado es la
sistematización de los procedimientos de diseño de las conexiones de
plancha extrema precalificadas para diseño sismoresistente, según la
guía de diseño AISC N° 4 “Extended End-plate momento connections,
seismic and wind applications“, mediante un programa en lenguaje
Excel. El programa se basa en el desarrollo de los pasos de diseño de
las conexiones de plancha extrema para los tres casos tipificados.”
Este trabajo de grado nos aportó conocimiento relacionados en
el área de conexiones tipo plancha extrema, se completó con mayor
información obtenida acerca del dimensionado de planchas. En el
diseño de las conexiones se desarrollaran con mayor profundidad
puntos específicos como, el espesor de la plancha, los tamaños de la
soldadura y del detallado de los pernos estructurales de manera
general. También nos ayudó de gran manera en el desarrollo del
programa en la hoja de cálculo de Microsoft Excel, ya que se trataba
este tema, pero lamentablemente, de manera generalizada.
Arriaga M, Juan Carlos (1994), UCAB, “NORMALIZACIÓN DE
CONEXIONES EN ESTRUCTURAS METÁLICAS A FUERZA AXIAL,
CORTE SIMPLE Y MOMENTO”.
“El objetivo principal del este trabajo de grado fue, normalizar
las conexiones en estructuras de acero sometidas fuerza axial, corte
simple y momento, determinando así cuales son los aspectos de
cálculo y diseño más significativos para la normalización de conexión
en estructuras metálicas.”
Este trabajo de grado nos aportó los parámetros a seguir
referente a las conexiones en estructuras metálicas por fuerza axial,
corte simple y momento. Se consideraron los siguientes estados
límites en el diseño de las conexiones de momento de plancha
extrema de la viga a la columna: Flexión por cedencia del material de
la plancha extrema en la cercanía de los pernos en tracción, Corte por
cedencia de la plancha extrema (Este Estado Limite no es usual, pero
la interacción corte-flexión puede reducir la capacidad de flexión y
rigidez), Ruptura por corte de la plancha extrema no rigidizada a
través de la línea exterior de agujeros de los pernos.
Mazzeo A., Marianella (1997), UCAB, “DISEÑO SÍSMICO DE
CONEXIONES VIGA-COLUMNA EN ESTRUCTURAS DE ACERO”.
“El objetivo principal de este trabajo de grado es,
esencialmente, el diseño de una conexión capaz de soportar
esfuerzos debido a solicitaciones sísmicas. Se trata en gran
profundidad de los tipos de soldadura y de la forma en que deben
realizarse. De igual forma se trató todo lo relacionado a los pernos, y
se especificó, tanto el tipo de acero a usarse, como las dimensiones
mínimas de los mismos.
Se especifica de manera muy amplia el tipo de acero estructural
a usar y el grado. De igual forma, se habla de manera muy
generalizada ciertos puntos a tener en cuenta para evitar
deformaciones y/o distorsiones en los materiales para asi poder
garantizar la efectividad optima de la conexión y prevenir accidentes o
fallas de gravedad.”
Este trabajo de grado nos aportó amplios conocimientos en
cuanto al cálculo y diseño de las conexiones tipo plancha extrema en
el aspecto sismoresistente en vigas y columnas. Se detalla de gran
manera todo lo relacionado a la soldadura de la plancha, de igual
manera se obtuvieron ciertas recomendaciones a tener en cuenta a la
hora del desarrollo de la conexión, como lo son: el estricto ensamblaje
de la pieza en un taller cualificado, ya que así se garantiza la calidad
de la misma; evitar siempre el excesivo calor al momento de la
soldadura ya que puede provocar distorsiones de la plancha,
causando que la conexión no sea optima; entre otras. Se adquirió
también mayor conocimiento acerca de los tipos de aceros
estructurales y su graduación; también se obtuvo mayor información
acerca de los pernos estructurales, tanto de su composición, como de
su dimensionado.
Gómez F., Laura (1979), UCAB, “ASPECTOS CONSTRUCTIVOS EN
ESTRUCTURAS METÁLICAS”.
“El objetivo principal de dicho trabajo de grado fue el aporte
sistemático de los métodos constructivos en estructuras metálicas, ya
que en nuestro país la obtención de conocimientos en la construcción
de estructuras de acero es muy limitado, afectando así la resistencia
de dichos elementos al haber una mala praxis a la hora de su
ejecución en obras.”
Este trabajo de grado nos aportó los aspectos constructivos
para el análisis y diseño de las conexiones de momento de plancha
extrema.Estos comenzaron a principios del año de 1950.Haciendo un
breve resumen de lo que engloba el proyecto de las conexiones de
momento de plancha extrema, los métodos de diseño se basaron en la
estática e hipótesis simplificadoras concernientes al efecto de
apalancamiento. Estos métodos daban como resultado planchas
gruesas y pernos de grandes diámetros. Estudios posteriores usaron
la teoría de las líneas de cedencia y el método de los elementos
finitos.
2.2 BASES TEÓRICAS.
2.2.1 RESEÑA HISTÓRICA.
Las investigaciones para el análisis y diseño de las conexiones de
plancha extrema comenzaron a principios de los años de 1950. Los métodos
de diseño para esta época se basaron en la estática e hipótesis
simplificadoras concernientes al efecto de apalancamiento. Estos métodos
daban como resultado planchas gruesas y pernos de grandes diámetros.
Posteriormente, antes del terremoto de Northridge en el año de 1994, se
descubrió la efectividad de varias teorías, como la teoría de las líneas de
cedencia y el método de los elementos finitos.
Estos métodos fueron efectivos hasta llegado el año de 1994. En este
año ocurrió un evento sísmico tan fuerte que cambió la forma de pensar en
cuanto a diseño estructural, y ocurrió en la ciudad de Los Ángeles, California,
EEUU.Tuvo una magnitud de 6.7 grados y una duración aproximada de 45
segundos. El sismo causó grandes daños a estructuras gubernamentales,
públicas y de alta importancia y resistencia sísmica debido no solo a la
intensidad y duración, sino debido a la alta aceleración del suelo (medida
para cuantificar la fuerza de las sacudidas de un sismo, y se expresa como
una fracción de la aceleración de la gravedad “g”, por lo cual sus unidades
son m/s2).
A partir de este hecho, el AISC (American Institute Of Steel
Construcción) reformuló el manual para diseño sísmico de construcciones en
acero. A partir de este momento se estudiaron y rediseñaron los
procedimientos analíticos existentes para las conexiones tipo plancha
extrema.
El Terremoto de Caracas, Venezuela, ocurrido el 29 de julio de 1967 a
las (8:02 pm) fue un movimiento sísmico ocurrido en el litoral central, a 20 km
de la ciudad de Caracas. El sismo afectó mayormente a las zonas de
Altamira, Los Palos Grandes y el Litoral Central. El Distrito Federal fue
Sacudido por un sismo de 6.5 a 6.7 grados en la escala de Richter con una
duración de 35 a 55 segundos dejando así a la ciudad inmersa en caos con
grandes pérdidas humanas y materiales.
Luego de la ocurrencia de este lamentable hecho se designo una
comisión para evaluar los daños estructurales llamada FUNVISIS encargada
del estudio sísmico y las fallas ocurridas en las edificaciones después del
terremoto.
A raíz de este terremoto, el Ministerio de Obras Públicas, por
intermedio de su Comisión de Normas, elaboró la "Norma Provisional para
Construcciones Antisísmicas 1967". A esta Norma se le dio carácter
obligatorio para todos los proyectos y construcciones de dicho despacho sin
que su aplicación eximiera de responsabilidad profesional.
Posteriormente a este lamentable hecho se realizaron un sin número
de estudios para el desarrollo de una normativa (no provisional) venezolana
que contemplara el análisis estructural en caso sísmico, la cual se fue
desarrollando año tras año hasta llegar a la mas vigente la norma COVENIN
1756-2001, en esta normativa se delimitan las zonas sísmicas dependiendo
de la ubicación y los parámetros de cálculo y constructivos a seguir para un
comportamiento idóneo de las estructuras en caso de un sismo.
Nuestro trabajo de grado toma en cuenta las consideraciones sismo
resistentes de nuestro país para el análisis y diseño de estructuras en acero
en conexiones tipo plancha extrema, este estudio es de gran importancia ya
que, la construcción en acero no es las más idónea debido a que se efectúan
muchos errores constructivos en campo como es el caso de la soldadura,
debilitando así la estructura y teniendo un comportamiento inadecuado a la
hora de un sismo.
2.2.2 TIPOS DE CARGAS QUE INFLUYEN EN LA ESTRUCTURA.
Las cargas y las fuerzas para las que se ha diseñado la estructura de
un edificio se pueden dividir ampliamente en tres clases: cargas
permanentes, cargas relacionadas con el uso o la ocupación y cargas
relacionadas con el medio ambiente. Las cargas permanentes representan el
peso de los materiales permanentes (fijos) de la construcción incluido el peso
propio de los elementos de la estructura y otras partes complementarias del
edificio necesarias para darle el uso deseado. Las cargas relacionadas con la
ocupación o cargas vivas representan, la ocupación, el uso o el
mantenimiento de la estructura. Algunos ejemplos son las cargas originadas
por los ocupantes, el mobiliario, los elementos divisorios movibles, entre
otras.
Las cargas relacionadas con el medio ambiente son cargas impuestas
a la estructura por el este, como por ejemplo: el viento, la lluvia y cargas por
sismo. No es necesario que todas estas cargas se apliquen a la estructura de
un edificio dado, ni que todas se acumulen. Las cargas de un edificio en
particular deben diseñarse según lo estipulado por una normativa y
dependiendo de la zona sisma en donde se encuentre.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.3 SOLICITACIONES DE MIEMBROS A FLEXIÓN.
Se consideran solicitados en flexión los miembros estructurales que
transfieren las acciones del sistema de cargas mediante momento flector y
fuerzas cortantes.
El diseño de las vigas consiste esencialmente en el dimensionamiento
de sus secciones transversales y arriostramientos laterales, para prevenir de
manera segura y económica que no se presenten situaciones de fallas o mas
propiamente, estados limites.
El estado límite último esta dado por la capacidad de soportar de
manera dúctil los momentos y fuerzas cortantes (criterio de resistencia) sin
que se presenten fenómenos de pandeo lateral local, o fracturas frágiles. El
estado límite de servicio debe asegurar el correcto funcionamiento del
miembro bajo estados de deformación por flexión, vibración, retención, etc.
El momento resistente de un perfil de acero es igual al momento
plástico (Mr=Mp), cuando las proporciones de los elementos planos
constituyentes de la seccion transversal, los arriostramientos laterales, y las
condiciones de carga, temperatura, son tales que puedan desarrollarse las
deformaciones del material sin falla prematura de tipo frágil o por pandeo
local o lateral. Estas características permiten la aplicación de redistribución
de momentos y denominar a esta sección como plástica.
Si el perfil no reune las condiciones geométricas adecuadas para
prevenir el pandeo local, no está arriostrado lateralmente en forma efectiva, o
debe trabajar en condiciones que impidan su comportamiento dúctil, la falla
se presentará de otra manera y deberá tomarse en cuenta la correspondiente
disminución del valor del momento resistente.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.4 TRANSFERENCIA DE CARGAS EN ESTRUCTURAS APORTICADAS
VIGA-COLUMNA.
La transferencia de carga viga columna en estructuras aporticadas
suele estar sujeta únicamente a la fuerza en los extremos. Por lo general la
fuerza axial en una conexión viga-columna se debe a la carga axial
transferida por la columna que se encuentra arriostrada al miembro en
estudio y de los cortantes en los extremos de las vigas.
Los momentos flexionantes en los extremos de la unión viga-columna
representan la resistencia a dichos momentos impuestos por los momentos
de la viga que integran el pórtico. La unión viga columna en estructuras de
acero suele estar sujeta a momentos flexionantes que actúan en dos planos
principales. Estos momentos flexionantes biaxiales se deben a la acción en
el espacio del sistema reticular. La forma de la columna suele orientarse de
modo que produce una considerable flexión alrededor del eje mayor del
miembro, pero los momentos flexionantes alrededor del eje menor pueden
adquirir una importancia significante, porque la resistencia a la flexión en el
eje menor de una sección de perfil tipo “I” es relativamente pequeña, en
comparación con la resistencia a la flexión en el eje mayor.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.5. SOLICITACIONES SÍSMICAS EN LA ESTRUCTURA.
El sismo es una liberación súbita de energía en las capas interiores de
la corteza terrestre que produce un movimiento ondulatorio del terreno. Este
movimiento ondulatorio se traduce en una aceleración inducida a la
estructura que contando esta con su propia masa y conociendo la 2da ley de
Newton se convierte en una fuerza inercial sobre la estructura. Es inercial
debido a que depende directamente de la masa de la estructura sometida al
sismo.
Como mencionamos la magnitud de esta fuerza depende de la masa
de la edificación y de la aceleración correspondiente de la estructura. La
aceleración de la estructura, es decir, la respuesta de esta a una
perturbación en la base, depende a su vez de su rigidez y de la magnitud y
frecuencia de la aceleración del terreno.
La masa y la rigidez determinan el período de vibración de la
estructura que para una aceleración del terreno produce una aceleración de
vibración en ella.
Por medio de un espectro de diseño (gráfica de aceleración del
terreno vs. período de vibración de la estructura) se determina la aceleración
de diseño para la estructura y por medio de la ecuación de la 2da. Ley de
Newton, encontramos una fuerza estática equivalente al sismo.
La fuerza total sísmica en la base de la estructura se conoce como
cortante basal.
(Fuente: http://estructuras.eia.edu.co/estructurasI/cargas/fuerzas%20y%20metodos.htm)
2.2.6 ESTRUCTURAS APORTICADAS.
Para el estudio y análisis de las conexiones plancha extrema, es
necesario acotar que su uso es exclusivo para obtener juntas rígidas en
estructuras aporticadas.
Una estructura aporticada no es más que el conjunto de columnas y
vigas unidas entre sí por medio de conexiones del tipo rígido. Puede definirse
como aquella estructura compuesta por miembros que se unen mediante
conexiones, las cuales son resistentes a tensiones por flexión y corte,
principalmente, para formar una configuración rígida. Los miembros de los
pórticos pueden clasificarse simplemente como columnas y vigas. Los
miembros de una estructura aporticada están de manera general, sometidos
a tensiones por flexión, cargas axiales y corte. Los miembros verticales
(columnas) son los que resisten las tensiones por corte y flexión biaxial. El
uso más común de este tipo de estructuras aporticadas es en la construcción
de edificios, casas, galpones etc.
(Fuente: Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, Arnaldo Gutiérrez, 1982)
2.2.6.1 TIPOS DE CONEXIONES EN ACERO ESTRUCTURAL.
Los elementos de conexión pueden ser rígidos en forma sustancial, de
manera que los extremos de todos los miembros conectados no solo se
trasladen, sino que también giren en forma idéntica. Esas conexiones, se
conocen como conexiones rígidas o conexiones resistentes a momento, las
cuales tiene la capacidad de transmitir tanto momentos flexionantes como
fuerzas cortantes de un miembro a otro. En las conexiones semirrígidas, en
cambio, hay rotación relativa entre los extremos de la viga y la unión a la que
está conectada, y el momento trasmitido por la conexión es una función
conocida y dependiente de esta rotación de la conexión.
Comparadas con las conexiones rígidas, las conexiones semirrígidas
son más fáciles de fabricar y montar, así como las de más bajo costo. Sin
embargo, las conexiones semirrígidas pueden utilizarse solo cuando las
propiedades momento–rotación de la conexión se consideran de manera
explícita en el análisis y diseño. Así mismo, con frecuencia, su ductilidad
limita su uso para edificios de baja altura y en zonas de baja sismicidad.
Figura #1: CONEXIONES TIPICAS (Fuente: Estructuras de Acero: comportamiento y LRFD, editorial Mc Graw Hill, Sriramulu Vinnakota)
En ocasiones, los elementos de la conexión son tan flexibles que
trasmiten solo momentos insignificantes a través de la conexión. Estas se
conocen como conexiones flexibles. (Figura #1).
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.7 TIPOS DE SOLDADURAS.
Para este tipo de conexión plancha extrema, la soldadura es una parte
esencial y de suma importancia, por lo cual solo dede ser realizada por un
taller. La soldadura es un proceso por el cual se funden las piezas metálicas
a unir pero solamente en un punto específico de estas. Es importante
mencionar que una soldadura bien realizada es mucho más fuerte y
resistente que la propia pieza soldada (Figura #2).
Las soladuras se pueden clasificar por: fuerza o resistencia de la
soldadura estructural, tipo o forma de la soldadura, por configuración o
aproximación, o por su profundidad.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
Figura #2: CORTE TRANSVERSAL DE SOLDADURA (Fuente: Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, Arnaldo Gutiérrez, 1982)
Las soldaduras que se clasifican según fuerza o resistencia se sub-
clasifican de la siguiente forma, tensión (igual al eje de la soldadura),
compresión (igual al eje de la soldadura), tensión o compresión (paralelo al
eje de la soldadura) o cortante. Para la soldadura por tensión (igual al eje), la
fuerza de la junta es controlada por la base del metal y un metal de
resistencia igual debe ser usado para el relleno. Para la soldadura por
compresión (igual al eje), la fuerza de la junta es controlada por la base del
metal y un metal de relleno de resistencia igual o de un nivel menor está
permitido. Para la soldadura a tensión o compresión (paralela al eje), no se
considera el diseño en lugares a soldar ubicados de forma paralela a una
soldadura. Para la soldadura de tipo cortante, la fuerza de la junta es
controlada por la base del metal y un metal de resistencia igual debe ser
usado para el relleno.1
Las soldadura que se clasifican por su tipo o forma se sub-clasifican
de la siguiente manera, soldadura punteada, continua, por puntos, punta-
punta, de superposición, de esquina, tipo T, y de borde. La soldadura
punteada es una soldadura temporal que se hace para aguantar las partes
en su lugar hasta que se le realice otro tipo de soldadura. La soldadura
continua es un tipo de unión que se que se extiende de forma continua de un
punto a otro. La soldadura por puntos es una serie de soldadura que se
hacen a una distancia en especifica una de la otra de manera permanente.
La soldadura punta-punta es una soldadura que se hace uniendo un extremo
de una pieza con otro. La soldadura de superposición se realiza
superponiendo ligeramente una pieza con otra y luego soldándolas. La
soldadura de esquina se realiza uniendo en ángulo de 90 grados una pieza
con otra, a modo de formar, de manera redundante, una esquina. La
soldadura tipo T se realiza semejante a la soldadura de esquina solo que
1 Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006
esta se realiza formando una especie de T y luego uniéndolas. La soldadura
de borde se realiza uniendo los elemento pero cada una de forma vertical y
soldando a lo largo del borde. Es importante denotar que los tipos más
comunes de soldadura son, la soldadura punteada, la soldadura continua, la
soldadura punta-punta, la soldadura de superposición y la soldadura tipo T.2
Las soldadura que se clasifican por configuración o aproximación se
sub-clasifican en, soldadura en ángulo recto, de tapón y de surco, que estas
a su vez se sub-clasifican en, soldaduras de surco de penetración completa y
de surco de penetración parcial. Las soldaduras en ángulo recto se realizan
formando una especie de biselado con las piezas metálicas. La soladura de
tapón se realiza rellenando un surco que se encuentra en una de las piezas
de forma que quede completamente lisa como si fuera parte de la misma
pieza. La soldadura de surco de penetración completa se realiza haciendo
una especie de surco que separe las dos piezas a unir para luego ser
rellenado por la soldadura. La soladura de surco de penetración parcial se
realiza haciendo una especie de surco pero que no atraviese por completo la
pieza y luego es rellenado por soldadura. Los tipos más comunes de
soldadura de este tipo son, la soldadura de ángulo recto y las de surco.
(Figura #3).
La profundidad de una soldadura siempre debe ser igual al diseñado
en planos y va a depender al tipo de equipamiento de soldadura, que puede
ser, soldadura de arco metálico blindado, soldadura de arco metálico a gas,
soldadura de arco metálico por fundición o soldadura por arco sumergido. La
soldadura de arco metálico blindado consiste en una varilla larga con un
electrodo y por medio de este va soldando, este es el tipo más común y
básico de soldadura, también es el menos resistente, más superficial y
económico. La soldadura de arco metálico a gas consiste en una pistola con
2 Fuente: Bolting & Welding, presentación de Power Point, AISC
un electrodo al final de la punta y un conducto alrededor de este, el electrodo
va fundiendo y mientras que un gas va recubriendo el material fundido y
protegiéndolo de la atmosfera, este método es un poco más rápido y penetra
mas en comparación con la soldadura de arco metálico blindado.3
La soldadura de arco metálico por fundición consiste en una pistola
con un tubular interno por el cual fluye polvo de metal fundente y materiales
productores de vapor, esta mezcla de gases es lo que produce la fundición
de los metales; alrededor de este tubular existe un conducto por el cual fluye
gas y protege la soldadura del medio ambiente, esta pistola se puede usar
con o sin gas y penetra mucho más que la soldadura de arco metálico a gas.
La soldadura de arco sumergido consiste en una gran maquina automatizada
que atreves de un electrodo va fundiendo el metal, pero primero antes de
3 Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006
Figura #3: SOLDADURA TIPO FILETE (Fuente: : Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, Arnaldo Gutiérrez, 1982)
pasar el electrodo fundidor, pasa una tubería que descarga un material
granular donde luego se introduce el electrodo y realiza la soldadura, este
material tiene la doble función de proteger la soldadura y promover la mezcla
de soldadura.4
2.2.7.1 SOLDADURAS Y PROCESO DE SOLDADURA.
En la fabricación de acero estructural se utiliza de manera muy
extensa la soldadura de arco de fusión. Por medio de un cable de tierra se
conecta una fuente de potencia eléctrica a la pieza de trabajo a soldar, un
segundo cable de la fuente de potencia, denominado cable del electrodo, se
conecta al porta electrodo y después al electrodo alambre (alambre
soldante). El electrodo arco se inicia en la punta del electrodo cuando este
toca la pieza de trabajo, se cierra así el circuito, elevándolo después
ligeramente sobre la pieza. El arco genera un intenso calor, suficiente para
reducir el acero en su estado fundido. Por lo común, las temperaturas en los
elementos que se sueldan rebasan los 1649 °C, mientras que dentro del arco
la temperatura puede ser tan alta como 5538 °C. El campo electromagnético
generado arrastra los glóbulos de metal fundido, del electrodo al material
base fundido, y al enfriarse, se mezclan con los elementos a unir. Por tanto la
soldadura esta en realidad compuesta de una mezcla de material base y de
metal del electrodo. El electrodo se mueve a lo largo de la trayectoria de la
soldadura a una velocidad apropiada, ya sea de manera manual por el
soldador o en forma automática por una maquina soldadora.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.7.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA SOLDADURA Y DEL
EMPERNADO.
La soldadura ofrece muchas ventajas con respecto al empernado:
4 Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006
1. Con soldadura, se reducen o eliminan los conectores, tales
como placas de unión, cubre placas, y lugares de empalme que
con frecuencia no son necesarios. Esto representa un ahorro en
peso y menos piezas a ser fabricadas manipuladas y montadas.
2. Las conexiones soldadas de medio en tensión producen ahorro
de peso para estos miembros, puesto que no es necesario
hacer deducciones por agujeros de pernos.
3. Con el uso de soldadura se reducen los costos y el tiempo de
fabricación, porque se eliminan las funciones con
punzonamiento, rebordeado y perforado.
4. Las conexiones soldadas típicas producen conexiones lisas sin
obstrucciones las cuales se puede exhibir sin menoscabar la
apariencia arquitectónica.
5. Las uniones fundidas obtenidas mediante soldadura producen
una estructura más rígida en comparación con conexiones
empernadas.
6. La soldadura es el único procedimiento de conexión de placas
que produce uniones que son intrínsecamente herméticas e
impermeables.
7. Las estructuras soldadas se pueden montar en relativo silencio,
una gran ventaja cuando se construye en cercanía de
hospitales, escuelas etc.
a. DESVENTAJAS DE LA SOLDADURA
1. La soldadura requiere de trabajadores capacitados.
2. Se requiere de considerable práctica y experiencia para la
inspección de la soldadura terminada.
3. Por lo general, la tolerancia de fabricación son más estrictas
que la de las conexiones apernadas.
b. VENTAJAS DEL EMPERNADO
1. Los pernos de alta resistencia requieren menos trabajadores y
menos capaces, lo que reduce los costos de mano de obra.
2. El empernado no requiere gran cantidad de equipo.
3. Las técnicas de instalación son sencillas y se puede capacitar a
un trabajador en horas.
4. No existe riesgo de incendios con la construcción empernado.
2.2.8 TIPOS DE PERNOS (A325 Y A490).
Un perno es un dispositivo mecánico con cabeza hexagonal, formado
por el roscado exterior de una espiga o alambre y diseñado para insertar a
través de agujeros pasantes donde se acoplan piezas conjuntamente con
tuercas sobre las cuales se hace el ajuste y desacople (Figura #4). Por lo
Figura #4: CORTE TRANSVERSAL DE PERNO HEXAGONAL (Fuente: : Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, Arnaldo Gutiérrez, 1982)
general, un ensamble simple de pernos consiste de un perno, una tuerca y
de ser necesario una arandela. Cuando lo requiere la especificación, la
arandela se coloca bajo el elemento que se va a atornillar (por lo general la
tuerca). El tamaño nominal de un perno es el diámetro (d), de la espiga del
perno, en la parte sin roscar.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
Los pernos de alta resistencia tienen cabezas de forma hexagonal, de
uso pesado o simplemente cabezas hexagonales pesadas. Tienen diámetros
que van de 1/2 pulgada 1 1/2 pulgada.
En la actualidad, los pernos de alta resistencia disponible para las
uniones estructurales que cumplen con los requisitos de dos grados
principales de resistencia, son (Figura #5):
ASTM A325-97, son pernos estructurales de acero con tratamiento
térmico, con resistencia mínima a la tensión de 827 a 724 MPa. La
especificación ASTM A490-97, son pernos estructurales de acero con
tratamiento térmico y resistencia mínima a la tensión de 1034 MPa,
para aplicación de cargas más grandes.
Figura #5: CORTE TRANSVERSAL DE PERNO HEXAGONAL
(Fuente: Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, Arnaldo Gutiérrez, 1982)
Los pernos A325 son de acero con contenido medio de carbono
tratados térmicamente, los pernos A490 también tienen tratamiento
térmico pero son de acero con aleaciones, estos se desarrollaron para
ser utilizados con miembros de acero de alta resistencia. Las
especificaciones ASTM permiten el galvanizado de los pernos A325,
pero no el de los pernos A490. Por mucho el A325 es el perno
estructural que se utiliza comúnmente, entre un rango de diámetro de
3/4 y 7/8 de pulgada.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
Grado
Diámetro
Nominal
Plg.
Dureza
Rockwell
Resist. Mín.
a Tracción
Tf/cm2
KSI
Carga de
Prueba
(c)
Tf/cm2 -
KSI
Para Muestras
Maquinadas
Dureza
Superficial
Min Max Axial Con
Cuña
Elongación
Mínima
(%)
Reducción
de Área
Mínima (%)
Rockwell 30N
Max
2
(d)
1/4 < d ≤ 3/4 B 80 B 100
5.24
(74) -
3.9
(55) 18 35 -
3/4 < d ≤ 1 1/2 B 70 B 100 4.25
(e)
(60)
- 2.35
(33) 18 35 -
5
A325
1/4 < d ≤ 1 C 25 C 34 8.5
(120)
6.9
(96)
6.0
(85) 14 35 54
1 < d ≤ 1 1/2 C 19 C 30 7.4
(105)
6.0
(85)
5.24
(74) 14 35 50
8
A490 1/4 < d < 1 1/2 C 32 C 38
10.6
(150)
8.5
(120)
8.5
(120) 12 35 57.5
Los pernos de alta resistencia utilizan tuercas hexagonales de trabajo
pesado del mismo tamaño nominal que el de la cabeza del perno, para que
el montador utilice una sola llave o dado para la cabeza y para la tuerca. La
Tabla #1 TABLA DE CLASIFICACIÓN DE PERNOS (Fuente: AISC & NISD 2000 – BoltingWelding1.ppt)
tuerca ASTM A563 Grado C es la tuerca hexagonal pesada que se utiliza con
mayor frecuencia para el empernado de estructuras y es la tuerca
recomendada para el uso con los pernos A325 de alta resistencia para
estructuras (Tabla #1).
2.2.8.1 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS PERNOS.
El rendimiento de los pernos se ve fuertemente influido por la
presencia de la parte roscada, y dado que su influencia no es proporcional al
diámetro, ni al área de la espiga, cuando se analiza el comportamiento de los
pernos es más apropiado utilizar la fuerza total que los esfuerzos. Las
propiedades mecánicas de los pernos de alta resistencia A325 Y A490 se
determinan al aplicar una carga de tensión axial a un perno de tamaño
completo.
Para determinar la curva carga-elongación de un perno, se coloca este
en un dispositivo adecuado de sujeción y se aplica una carga de tensión
pura, entre la cabeza del perno y la tuerca. La curva resultante consiste en
una región lineal elástica inicial que termina en el límite proporcional, en el
que la elongación ya no es lineal, al que sigue de inmediato en el límite
elástico. Las cargas que hacen que el perno exceda el límite elástico
producen alguna deformación permanente cuando se retira la carga. A la
máxima tensión alcanzada, mediante a la aplicación de carga adicional, se le
conoce resistencia última o resistencia a la tensión del perno. Dado que el
material del perno muestra un comportamiento carga-deformación que no
tiene un punto de influencia bien definido, se establece lo que se denomina
prueba de carga del perno, al utilizar una deformación de desviación del
0.2%. Se considera que este valor es equivalente a la resistencia de la
fluencia del perno.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.8.2 AGUJEROS DE PERNOS.
Los agujeros estándar para los pernos son circulares y se hacen con
un diámetro de 1/16 de pulgada mayor que el tamaño nominal del cuerpo del
perno. Esto da un cierto juego en el agujero, que compensa las pequeñas
faltas de alineación de la ubicación del agujero o del ensamble y que ayuda a
instalar los pernos en el taller o en el campo.
El comportamiento de un perno solicitado a tracción axial está
controlado por las características de su longitud roscada, por lo cual el
diagrama de Tensión vs. Deformación, de un perno es significativamente
distinto al que se obtiene al ensayar una probeta del acero correspondiente
que lo constituye. En la práctica al colocar un perno y apretar su tuerca, se
introduce una carga de pre-tracción, pero a la vez la fricción entre las roscas
del perno y la tuerca induce tensiones torsionales (Tabla #2), resultando así
una combinación de tensiones simultaneas sobre el sujetador mecánico.
El comportamiento a corte de un conector mecánico está influenciado
por el signo de la fuerza cortante. La resistencia al corte de pernos en
Tabla #2: TABLA DE DIMENSIONES TÍPICAS DE PERNOS (Fuente: AISC & NISD 2000 – BoltingWelding1.ppt)
uniones ensayadas a tracción es menor que la correspondiente a uniones
ensayadas a compresión. Esta menor resistencia se atribuye al efecto de
palanca que tiende a flexionar las placas traslapadas. Por representar un
límite inferior de resistencia y por la mayor consistencia de los resultados
obtenidos, se aceptan las relaciones Tensión vs Deformación provenientes
de ensayos a fuerza cortante por tracción como las más idóneas para
establecer los valores de diseño a corte.
La capacidad resistente al corte está controlada por el área resistente
más que por la ubicación misma del plano de corte. Cuando el plano de corte
pasa por el cuerpo del perno, es decir, se excluye la rosca, la capacidad
resistente y de deformación se maximiza (X), y cuando el plano de corte
incluyea la parte roscada se minimiza (N).
Figura #6: TIPO DE FALLAS TÍPICAS EN PERNOS
(Fuente: Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, SIDOR, 1982)
Experimentalmente se ha establecido que la elipse de interacción
describe adecuadamente el comportamiento a carga última de pernos
solicitados simultáneamente por fuerza cortante y tracción (Figura #6). Los
pernos estructurales ofrecen dos posibilidades de utilización en uniones.
Aquellos donde la resistencia última se establece por condiciones de
deslizamiento, uniones del tipo fricción, y las uniones del tipo aplastamiento
del vástago del perno contra la pared de la perforación.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.8.3 CASOS DE CARGAS EN PERNOS.
Existen tres esfuerzos que actúan en cualquier punto en una
superficie, el esfuerzo nominal y los dos esfuerzos cortantes ortogonales. El
resultante se define como la integral de un esfuerzo sobre el área de una
sección transversal, o la integral del momento causado por los esfuerzos
sobre áreas elementales, con relación a un eje elegido, sobre el área de una
sección transversal.
Figura #7: APRIETE DE PERNOS (Fuente: Guía de Diseño de Conexiones End Plate INESA)
Es usual considerar que los esfuerzos resultantes actúan sobre
secciones transversales normales al eje del perno. Con el tipo de conexiones
apernadas que se utilizan en las estructuras de acero, en las que todas las
placas unidas están en contacto una con otra y la relación longitudinal a
diámetro del perno es pequeña, los momentos de torsión y de flexión
resultantes en las secciones transversales del perno son iguales a cero o
insignificantes. Por tanto, el esfuerzo resultante en la sección del perno se
reduce a tres fuerzas, una normal y dos cortantes. Debido al perfil circular de
la sección del perno se puede remplazar por su resultante, reduciendo así a
una fuerza de tensión que es la que actúa a lo largo del eje del perno.
(Fuente: Manual de Proyectos de Estructuras de Acero Segunda Edición, Arnaldo Gutiérrez, 1982)
2.2.8.4 PROCEDIMIENTO DE APRIETE.
La esencia de la acción del perno es la fuerza de penetración que por
apriete de la tuerca se aplica durante la instalación (Figura #7). Esta debe ser
lo más alta posible sin que se produzca deformación permanente ni falla. La
fuerza mínima de colocación según las especificaciones actuales es igual al
70% de la mínima tensión de tracción la cual es igual a la carga de prueba
para pernos A325, y alrededor de 85 a 90% de la carga de prueba de los
pernos A490
Los pernos pueden instalarse por medio de llave de tuercas de torque
calibrado, llave de tuercas corriente, o llave de tuercas de impacto. Sin
embargo, la naturaleza errática de las relaciones torque versus tracción
restringen los métodos de control de colocación a los realizados con el
método denominado “rotación de la tuerca”, a aquellos mediante un indicador
directo de tracción, o con herramientas calibradas. Los primeros
procedimientos son controles de tracción por deformación, lo que les confiere
una mayor precisión con respecto al último que controla únicamente la
resistencia del conector las fuerzas de apriete con herramientas calibradas o
taradas, se incrementan ligeramente un 5% para evitar errores de
apreciación de la lectura del registro, apretándose los pernos en orden
alterado hasta un 60% de su valor de penetración final para acabar aplicando
la fuerza total cuidando de apretar al último los pernos de las filas externas.
Un ejemplo de indicador directo de tracción es la arandela circular
expresamente fabricada para los pernos A325 y A490 instalada debajo del
elemento que no rota, la reducción de la separación medida mediante una
lámina calibradora indicada cuando se ha alcanzado la tracción mínima
específica. El método denominado rotación de la tuerca, el perno desde una
posición determinada se aprieta adicionalmente en una cierta cantidad que
es función de la longitud. Se entiende por “posición ajustada” al apriete dado
a la tuerca que se obtiene por unas pocas aplicaciones de la llave de impacto
o por el esfuerzo total de y un hombre con una llave de tuerca corriente.
(Fuente: Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Sriramula Vinnkota, 2006)
2.2.9 MATERIALES. (ACERO A36). CARACTERÍSTICAS RESISTENTES
DE CADA TIPO DE MATERIAL.
Las propiedades del acero pueden modificarse en gran medida
variando las cantidades presente de carbono y añadiendo otros elementos
como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades
considerables de estos últimos elementos se denominara acero aleado.
Aunque esos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero,
las cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeños.
Por ejemplo el contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que
el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3%
Hasta hace poco tiempo, el acero estructural básico utilizado más
comúnmente en construcciones de edificios y puentes ha sido el acero A36.
Tiene un contenido máximo de carbono, que varía entre 0,25 y 0,29
dependiendo del espesor, y aún es la especificación de material preferido
para los perfiles M, S-HP,C, MC, MT, ST y L. El acero A36 tiene esfuerzos de
fluencia mínimo de 248 MPa excepto para las placas de más de 8 pulgadas
de espesor para las cuales el esfuerzo de fluencia minino es de 221 MPa.
Normalmente el material de conexión se especifica como A36, sin importar el
grado de sus propios componentes primarios. Además el A36 es el único
acero que puede obtenerse en espesor mayores a 8 pulgadas, aunque estas
placas según se menciona, solo están disponibles con esfuerzo de fluencia
mínimo especificado inferior a 221 MPa. El esfuerzo último de tensión de
este acero varia de 400 MPa a 552 MPa para cálculos de diseño se utiliza el
valor mínimo especificado de 400 MPa.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
Figura #8: CONEXIÓN PLANCHA EXTREMA EN ACERO A36, FUERTE TIUNA (Fuente: Propia)
2.2.9.1 ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACIÓN (HSLA).
Los aceros de alta resistencia y baja aleación, contienen cantidades
moderadas de elementos de aleación diferentes del carbono, algunas de las
cuales son: cromo, columbio, cobre, manganeso, níquel, vanadio y zirconio.
El termino acero de baja aleación se utiliza generalmente para describir
aceros cuyo contenido total de elementos de aleación no excede de 5% de la
composición total del acero. Esos aceros han sido desarrollados como
compromiso entre las características convenientes de fabricación y el bajo
costo de los aceros dulces, así como la alta resistencia de los aceros de
aleación tratados térmicamente. Los aceros HSLA tienen tensiones cedentes
en un rango de 276 MPa a 483 MPa y algunos de los aceros de alta
resistencia ofrecen una resistencia mejorada a la corrosión. Los aceros
HSLA, como los aceros dulces tienen puntos de cedencia bien definidos.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
2.2.9.2 ACEROS ASTM A572.
Los aceros ASTM A572 son aceros de vanadio, columbio de baja
aleación y alta resistencia de calidad estructural. La especificación A572
define 5 grados de acero HSLA 42, 50, 55, 60 Y 65. (En las especificaciones
ASTM, el término grado identifica el nivel de tensión cedente. Así el grado 42
representa acero con tensión cedente de 42 KSI (290 MPa)). El esfuerzo
último de estos aceros corresponde respectivamente a 60, 65, 70, 517, y 552
MPa. Los incrementos de tensión cedente mínimo para grados A572 a 448
MPa se logran al incrementar el máximo contenido de carbono desde
0,21%(grado 42) hasta 0.26% (grado 65), además de otros ajustes químicos
dentro de estas especificaciones. El contenido de carbono máximo permitido
por las especificaciones depende tanto por el espesor de la placa como el
nivel de resistencia.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
2.2.9.3 ASTM A922.
La nueva especificación ASTM A922 cubre solo los perfiles W
(secciones laminadas de ala ancha) con el fin de ser utilizados en la
construcción de edificios. Tiene valores mínimos especificados de 375 MPa.
También especifica un límite superior de tensión cedente de 480 MPa, una
relación máxima entre la tensión cedente y el esfuerzo ultimo en tensión de
0.85 y un porcentaje máximo de carbono equivalente especificado de 0.50%
además posee excelentes características de ductilidad y soldabilidad.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
2.2.9.4 ACERO ASTM A588.
El ASTM A588 es un acero de intemperie de baja aleación con un
punto de fluencia mínimo de 375 MPa para espesores hasta 4 pulgadas.
También está disponible en mayores espesores con menores tensiones de
fluencia, 317 y 290 MPa este acero se produce principalmente para
estructuras de acero soldadas y apernadas. Su resistencia atmosférica es
cuatro veces la del acero A36.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
2.2.9.5 ACERO ASTM A514.
La especificación ASTM A514 define diversos tipos de placas de
acero aleado, enfriado y templado de calidad estructural apropiada para la
soldadura. La tensión cedente mínima especificada es de 689 MPa para un
espesor de hasta 2 pulgadas o más y de 620 MPa para espesores mayores a
2 pulgas a 6 pulgadas, inclusive. Los aceros A514 pueden utilizarse para
edificaciones muy altas, torres de televisión, puentes soldados, tanques para
almacenamiento de agua y muchos más, donde se requieren proporciones
altas de resistencia a la cedencia contra el peso. Aunque A514 es bastante
apropiado como material estructural no está disponible en perfiles laminados
en caliente o de ala ancha.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
2.2.9.6 ACERO DE CARBONO.
Estos aceros tienen como principales elementos de resistencia al
carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificada. Los
aceros al carbono son aquellos que tienen los siguientes elementos con
cantidades máximas de 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de
silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías
dependiendo de porcentaje de carbón, como sigue:
Acero de bajo contenido de carbono < 0.15%.
Acero dulce al carbono 0.15 a 0.29% (el acero estructural al
carbono queda dentro de esta categoría).
Acero medio al carbono 0.30 a 0.59%.
Acero con alto contenido de carbono 0.60 a 1.70%.
(Fuente: Diseño de Estructuras de Acero método LRFD, segunda edición, Jack C. McCormak, 2003)
2.2.10 TIPOLOGÍA DE PLANCHAS Y MEDIDAS COMERCIALES.
Las planchas extremas pueden ser de todos los aceros anteriormente
mencionados, pero en Venezuela los tipos comúnmente encontrados son
ASTM: A36, A572 grado 50 y A588.
Sus medidas varian pero comúnmente se encuentran de 2,10 mt. x
1,20 mt. Los espesores son medidas estándar y varian de 5 mm a 50 mm, las
medidas exactas son: 5, 6, 7, 8, 10, 13, 16, 19, 22, 25, 31, 38, 44 y 50 mm.
(Fuente: Conexiones Precalificadas de Plancha Extrema para Proyectos Sismorresistentes de Acero,
Elimar Gomez, 2005).
2.2.11 LIMITACIONES PARAMÉTRICAS DE LAS CONEXIONES
PRECALIFICADAS SEGÚN AISC 358-05.
Las vigas deben satisfacer las siguientes limitaciones:
1. No existirá limite en el peso de las vigas.
2. Los valores ancho-espesor deberán estar dentro de las previsiones
sísmicas AISC.
Las columnas deberán satisfacer las siguientes limitaciones:
1. La plancha extrema deberá estar conectada al borde de una columna
2. No hay límite en el peso de las columnas.
3. No hay requerimientos adicionales del espesor del borde.
(Fuente: Guía AISC 358, 2005)
2.2.11.1 CRITERIOS GENERALES.
Los más recientes trabajos teórico-experimentales para el diseño de
este tipo de conexiones han permitido establecer los siguientes criterios
generales para su análisis y diseño:
a. PERNOS.
El procedimiento de diseño es válido para pernos de grado ASTM
A325 ó ASTM A490, siempre y cuando se cumplan las condiciones de
instalación y apriete.5
b. GEOMETRÍA DE LA CONEXIÓN.
Para pernos de hasta 1 pulgada de diámetro, la distancia mínima entre
la fila de pernos adyacente a cada ala de la viga debe ser el diámetro de los
pernos más 1/2 pulgada. Para pernos mayores de 1 pulgada, será el
diámetro de los pernos más 3/4 de pulgada. Sin embargo, muchos
fabricantes prefieren utilizar una distancia estándar de 2 pulgadas ó 2 1/2
pulgadas para todos los diámetros de los pernos.
El ancho efectivo de la plancha extrema que resiste el momento
aplicado a la viga, no es mayor que el ancho del ala la viga mas 1 pulgada
(2.54 cm.). El paso (distancia horizontal entre las líneas verticales de pernos
en tracción) no debe exceder del ancho del ala de la viga traccionada.
5 Fuente: Guía AISC 358, 2005
c. SOLDADURA.
La soldadura entre el alma de la viga y la plancha extrema debe
desarrollar las tensiones de cedencia del alma de la viga, para que así el ala
de la viga no desarrolle totalmente su capacidad.
d. FUERZAS CORTANTES.
En cuanto a pernos, se supone que todas las fuerzas de corte de la
conexión son resistidas por los pernos en la zona comprimida de la conexión.
La conexión de la plancha extrema no requiere ser diseñada como conexión
de deslizamiento crítico, raramente el corte es una variable importante en el
diseño de las conexiones de momento de plancha extrema.
En cuanto a la soldadura, el corte entre el alma de la viga y la plancha
extrema es resistido por la soldadura dispuesta entre la media altura de la
viga y la cara interna del ala comprimida de la viga. Este criterio todavía está
en discusión.6
e. PLANCHAS DE CONTINUIDAD.
Rigidizar el alma y el ala de la columna mediante planchas de
continuidad resulta costoso y puede interferir con las conexiones internas de
esta. Por eso se recomienda evitarlas en lo posible, usualmente es más
económico cambiar el tipo de columna cuando el refuerzo del alma de esta
es menor en cuanto a la resistencia o la rigidez, en comparación con la
plancha de continuidad. La longitud de la plancha extrema se debe aumentar
cuando no chequea la rigidez de la columna con respecto a la plancha de
continuidad; de igual manera, al aumentar la longitud de la plancha se debe
realizar el arreglo de los pernos, incrementando la resistencia a tracción.
6 Fuente: Guía AISC 358, 2005
f. RIGIDIZADOR DE LA PLANCHA EXTREMA.
El rigidizador de la plancha extrema toma la resistencia adecuada para
transferir una porción de la fuerza del ala de la viga a los pernos en la parte
extendida de la plancha extrema. La resistencia del rigidizador debe ser la
misma que el alma de la viga.
2.2.12 PARTES Y PROCEDIMIENTOS EN QUE SE COMPONEN LAS
CONEXIONES PLANCHA EXTREMA.
Las principales partes que conforman una conexión de plancha
extrema son7:
Plancha extrema: es la plancha ubicada al final de la viga (pre-
ensamblada en taller) la cual se empernará al ala de la columna o a su
alma mediante planchas de continuidad, para crear la conexión de
plancha extrema.
Pernos: son semejantes a los tornillos pero de mayores dimensiones
con los que se sujetan las piezas de la estructura. Estos se colocarán
para unir las dos planchas y su cantidad variará dependiendo de la
configuración de la conexión (4E, 4ES y 8ES).
Rigidizadores: son miembros metálicos con forma triangular que se
colocan soldados por taller, a la plancha extrema y al ala de la viga.
Estos están incluidos en las conexiones tipo 4ES y 8ES.
Soldadura: es el proceso por el cual se fusionan múltiples piezas de
metal llevándolas a estado líquido pero en un lugar específico. Para
estas conexiones son sumamente importantes y deben ser realizadas
únicamente por el taller. Las soldaduras recorrerán toda la unión entre
la viga y la plancha extrema, y dependiendo del caso, también
recorrerá la unión entre el rigidizador, la plancha extrema y la viga.
7 Fuente: Guía AISC 358, 2005
Vigas: son los miembros horizontales de una estructura, y van unidas
por medio de una soldadura a las planchas extremas.
2.2.13 PARÁMETROS DE DISEÑO
El procedimiento de diseño unificado para las conexiones de momento
de plancha extrema, solicitados por cargas cíclicas requiere la consideración
de cuatro parámetro de diseño: el momento de diseño, la resistencia de la
plancha extrema, la resistencia de los pernos, y la resistencia de las alas de
la columna (Figura #9).8
8 Fuente: Guía AISC 358, 2005
Figura #9: CONEXIÓN TIPO PLANCHA EXTREMA (Fuente: guía de diseño de conexiones End Plate INESA)
a. MOMENTO DE DISEÑO DE LA CONEXIÓN.
Cuando se utilizan las conexiones de plancha extrema, las rótulas
plásticas se desarrollan por deformaciones inelásticas de flexión en las vigas
que conectan y en la zona del panel de la columna. Lo que resulta en una
columna fuerte con una conexión fuerte y una viga débil.9 La localización de
la rótula plástica en las vigas depende del tipo de conexión de plancha
extrema utilizado, porque es diferente para conexiones no rigidizados y
rigidizados.
Para conexiones de momento de plancha extrema no rigidizadas, las
rótulas plásticas se forman a una distancia de la cara de la columna
aproximadamente igual a la mitad de la altura mínima de la viga o tres veces
el ancho de su ala. Para la conexiones rigidizadas de momento de plancha
extrema, la rotula plástica se forma en la base del rigidizador de la plancha
extrema.
b. RESISTENCIA DE LOS PERNOS DE LA CONEXIÓN.
El uso de conexiones de plancha extrema bajo cargas cíclicas
(sísmicas) requiere consideraciones especiales para satisfacer la filosofía de
diseño de columna fuerte con conexión fuerte y viga débil. Se requiere que
bajo el comportamiento inelástico de las vigas que se conectan, la conexión y
la columna sigan siendo elásticas (Figura #10), lo cual supone eliminar el
efecto de apalancamiento mediante el uso de planchas extremas y alas de
columnas gruesas, de esta manera la plancha extrema y el ala de la columna
se mostrarán elásticas y los pernos no estarán sometidos a ninguna fuerza
significativa.
9 Fuente: Conexiones Precalificadas de Plancha Extrema para Proyectos Sismorresistentes de Acero,
Elimar Gomez, 2005
Para asegurar el comportamiento de la plancha la resistencia de los
pernos en el efecto de apalancamiento (Tabla #3), Mnp, debe ser menor o
igual a la resistencia a flexión de la plancha extrema, Mpl, o del ala de la
columna10, Mcf:
Mnp 0.9 Mpl y Mnp 0.9 Mcf
Que también puede expresarse como:
Mpl 1.11 Mnp y Mcf 1.11 Mnp
10
Fuente: Conexiones Precalificadas de Plancha Extrema para Proyectos Sismorresistentes de Acero, Elimar Gomez, 2005
Figura #10: LOCALIZACIÓN DE LAS ROTULAS PLASTICAS (Fuente: AISC, Guía de Diseño N°4)
b. DETALLADO DE LA CONEXIÓN:
En el detallado de una conexión de plancha extrema es necesario
asegurar que la trayectoria de las cargas y las hipótesis geométricas estén
integradas en el procedimiento de diseño. La selección apropiada de las
dimensiones, la disposición de los pernos y la correcta soldadura, son críticos
en el diseño de la conexión de plancha extrema.
Una separación pequeña entre los pernos dará lugar a conexiones
más económicas pero esta menor distancia entre pernos puede causar
dificultades constructivas. Como se indica en la (Figura #11) las tres
dimensiones que deben ser controladas al diseñar las conexiones de plancha
Nivel de Diseño Efecto de Apalancamiento
ND2 y ND3
Sismorresistente
ND1
No sismoresistente
Tabla #3: EFECTO DE APALANCAMIENTO (Fuente: AISC, Guía de Diseño N°4)
extrema son: distancia horizontal ente pernos de una misma fila (g), distancia
del perno al ala de la viga (pf), distancia entre las filas adyacentes de pernos
(pb). 11
La distancia horizontal entre pernos de una misma fila, se debe
seleccionar tomando en cuenta la separación adecuada para la instalación y
apriete los mismos. Además esta distancia debe ser lo bastante grande como
para que los pernos no interfieran con el radio de transición entre el ala y el
alma de la columna. La distancia máxima (g), se limita a la anchura del ala de
la viga, esta restricción es para asegurar una trayectoria favorable de la
carga entre el ala de la viga y los pernos de la conexión.
La anchura de la plancha extrema debe ser mayor o igual a la anchura
del alma de la viga. Esta se selecciona sumando 1 pulgada a la anchura de
la viga y después se redondea a dimensiones prácticas. En estos cálculos la
11
Fuente: Conexiones Precalificadas de Plancha Extrema para Proyectos Sismorresistentes de Acero, Elimar Gomez, 2005
Figura #11: GRAFICO DE DISEÑO DE PLANCHAS EXTREMAS (Fuente: AISC, Guía de Diseño N°4)
anchura eficaz no debe tomarse mayor que el ala conectada de la viga más 1
pulgada (2.54 cm).
El uso de una conexión con ocho pernos puede eliminar la necesidad
de utilizar rigidizadores entre las alas de la columna ya que hay una
distribución más amplia de las fuerzas del ala de la viga en el ala de la
columna.
La plancha rigidizadora de la plancha extrema actúa como una porción
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