Curso de Alto Nivel de Diseño de Conexiones Estructurales Típicas de Edificios de Acero

M. en I. Ismael Vázquez Martínez 27 a 29 de marzo de 2008

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Ejemplo 6. Determine el numero de tornillos A325 de

¾” (1.9 cm.) de diámetro, colocados en agujeros estándar, necesarios para la conexión de la Fig. 1. La junta debe diseñarse por aplastamiento; las roscas de los tornillos están fuera de los planos de corte. Suponga que la distancia al borde es mayor que 1.5d y la distancia entre centros de agujeros mayor que 3d. El acero de las placas es A36, y las cargas mostradas son de diseño (están ya multiplicadas por el factor de carga).

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Fig. 1

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Resistencia al cortante por tornillo: Rv = 0.65 (2 x 2.85 x 5060) x10-3 = 18.7 ton.

El factor 2 se debe a que los tornillos trabajan en cortante doble, de manera que hay dos planos de corte en cada uno. 2.85 cm2 es el área de la sección transversal del vástago de un tornillo de 1.9 cm de diámetro.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Resistencia al aplastamiento por tornillo: Para la placa de 2.54 cm. de espesor FR = 0.75 x 2.4dt Fu = 0.75 x 2.4 x 1.9 x 2.54 x 4078 x 10-3 = 35.42 ton.

Para la placa de 1.27 cm. de espesor FR = 0.75 x 2.4dt Fu = 0.75 x 2.4 x 1.9 x 1.27 x 4078 x 10-3 = 17.71 ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

EJEMPLOS DE APLICACIÓN El diseño de los tornillos queda regido por su resistencia al cortante. Número necesario de tornillos = 100 / 18.7 = 5.4 Se utilizarán 6 tornillos.

CONEXIÓN VIGA COLUMNA COMUNMENTE UTILIZADA ANTES DEL SISMO DE NORTHRIDGE EN LOS ESTADOS UNIDOS

FALLAS EN CONEXIONES

PATÍN DE LA COLUMNA

PENETRACIÓN COMPLETA

PATÍN DE LA TRABE

ATIESADOR PLACA DE RESPALDO PERFORACIÓN EN EL ALMA

DETALLE A

FALLAS EN CONEXIONES

FALLAS EN CONEXIONES

FRACTURA DE UNO DE LOS PATINES DE LA COLUMNA PROPAGANDOSE A TODA EL ALMA DE LA COLUMNA

FALLAS EN CONEXIONES

FALLAS EN CONEXIONES

FALLAS EN CONEXIONES

FALLAS EN CONEXIONES

Zona Común de Iniciación de Fracturas

FALLAS EN CONEXIONES

FALLAS EN CONEXIONES

FALLAS EN CONEXIONES

Resultados de la Investigación Realizada

P ro

g

ds of thquake Haz ar

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Steel Momen

Program to Reduce the E ar

Steel Moment Frame Structures

Program to Reduce the Earthquake Hazards of

tF el M teel Momen Ste S

r f Ea ards o s ke Haz the a ure u q t e h c t c Ea r tru edu euSce the torR tnot FRraemd res m a m tructu raProg ome rame S

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EM

FEMA 350

ia Criter Design ic m is ded Se Recommended Seismic Design Criteria mmenting nt-Resisting Reecisom for New Moment-Resisting s i ome s S d NReew M gs uildinSteel nde mfeonrtFrame Buildings B s Recommende e e g m a m n r d Seismic De i F o l m e d e sign Criteria M Stuil co for New Mom B Re Ne w e en tR r m es isting fo ra Steel Frame el F Buildings Ste

a za eH k a u thq

L RA DE FE

999 00 y, 1 uly,20 Jul 352 J F E MA 50 3 A M FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY FEMA 351 July, 1999 FE ENCY NT AG E M E G FEDERAL EM MANA ERGENCY ENCY MANAGEME MERG NT AGENCY RAL E FEDE CY N GE a A ri T EN rite EM AG nC g AN i M s e CY EN ic D

July, 1999

Resultados de la Investigación Realizada FEMA-350: Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings. FEMA-351: Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings. FEMA-352: Recommended Post-earthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded, Steel MomentFrame Buildings. FEMA-353: Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications.

Resultados de la Investigación Realizada

La placa de respaldo debe ser removida cuando se utiliza en las uniones de penetración completa entre el ala inferior de la viga y columna. Realizar saneado de raíz y soldar cordón de Respaldo tipo filete de tamaño mínimo de 8 mm.

Requerimientos básicos de una conexión viga columna en zonas sísmicas •

•

•

Debe ser capaz de poder desarrollar la capacidad a flexión de las trabes. Debe poder resistir varios ciclos de carga reversibles con rotaciones plásticas de 0.03 radianes. Las articulaciones plásticas deben formarse en las trabes y no en la columna.

MECANISMO DESEABLE

ARTICULACIÓN PLÁSTICA

ARTICULACIÓN PLÁSTICA

3d/4

3d/4

ARTICULACIÓN PLÁSTICA

ARTICULACIÓN PLÁSTICA

d 3d/4

L - 3d/2 L

3d/4

CONEXIONES PRECALIFICADAS

POR MEDIO DE ACARTELAMIENTOS

CONEXIONES PRECALIFICADAS

POR MEDIO DE ACARTELAMIENTOS

CONEXIONES PRECALIFICADAS

POR MEDIO DE CUBRE PLACAS

CONEXIONES PRECALIFICADAS

d/4

d

d/4

POSIBLES COLOCACIONES d/2

POR MEDIO DE PLACAS VERTICALES

CONEXIONES PRECALIFICADAS

d

TRAMO CON SECCIÓN REDUCIDA

POSIBLES GEOMETRIAS

DISMINUCIÓN INTENCIONAL DE LA RESISTENCIA EN UN SEGMENTO DE LA VIGA (GEOMETRÍA TIPO “HUESO DE PERRO”)

CONEXIONES PRECALIFICADAS

DISMINUCIÓN INTENCIONAL DE LA RESISTENCIA EN UN SEGMENTO DE LA VIGA (GEOMETRÍA TIPO “HUESO DE PERRO”)

CONEXIONES PRECALIFICADAS CONEXIÓN ATORNILLADA EN CAMPO

d

d 2

bf

bf

PATINES CON ANCHO VARIABLE EN ESTE SEGMENTO DE LA TRABE

La conexión con la trabe es completamente atornillada por lo que no es necesario soldar en campo.

CONEXIONES PRECALIFICADAS

ATIESADORES

d 2

b

f

CONEXIÓN ATORNILLADA EN CAMPO

bf

SECCIÓN CAJÓN (4 PLACAS SOLDADAS)

El muñón se fabrica en taller usando patines de ancho variable para alejar la articulación plástica lejos de la cara de la columna.

CONEXIONES PRECALIFICADAS QUITAR PLACA DE RESPALDO USAR ELECTRO DO TIPO E701 8

ATIESADOR HOYO

HO YO PLACA DE RESPLADO ATIESADO R

PATÍN INFERIOR DE LA TRABE

PATÍN INFERIOR DE LA TRABE

SOLDADURA DE PENETRACIÓ N CO MPLETA COLO CADA CUANDO LA CO LUM NA ESTÁ DE CABEZA

QUITAR PLACA DE RESPALDO REFUERZO CON FILETE ATIESADOR

HOYO

ATIESADOR PATÍN INFERIOR DE LA TRABE

SOLDADURA CON DOBLE BISEL

HOYO PATÍN INFERIOR DE LA TRABE

REFUERZO CO N SOLDADURA DE FILETE

Alternativas para mejor la confiabilidad de la soldadura de penetración completa en la conexión propuesta.

CONEXIONES PRECALIFICADAS

Conexión viga columna tipo árbol.

DISEÑO DE LA JUNTA Resistencia. Las conexiones deben ser capaces de resistir las acciones que les transmiten los miembros. Rigidez. La conexión debe tener la rigidez suficiente para conservar las posiciones relativas de los elementos que conecta. Capacidad de rotación. La conexión debe admitir rotaciones importantes conservando resistencia y rigidez suficiente de manera que se formen articulaciones plásticas en los elementos que conectan y por lo tanto permitir la capacidad de deformación de la estructura. Economía ? Facilidad de fabricación y montaje ?

CONEXIONES ATORNILLADAS

M. en I. Ismael Vázquez Martínez

CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

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CONEXIONES ATORNILLADAS

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Conexión con Placas de Momento Atornilladas Ejemplo 7. Conexión Trabe T-1

Conexión con Placas de Momento Atornilladas

Conexión con Placas de Momento Atornilladas

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Conexión Trabe T-1 Patín A = 30.48 x 1.9 = 57.9 cm2 FMAX = 57.9 x 2530 x 1.15 x 10-3 = 168 Ton. (Se considera una sobreresistencia del 15%)

Considerando tornillos A-325 φ RN = 0.65 x 72* = 46.8 Ksi =3300 kg 168000 N ** = = 25.5 cm 2 2 x 3300 * Cuerdas fuera del plano de corte ** Cortante doble

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Considerando tornillos φ = ¾” n=

⇒

A = 2.85 cm2

25.5 = 9 tornillo 2.85

Considerando el momento M ZFy 4845 x 2530 F= = = x10 − 3 = 191 ton d d 64.2 FMAX = 1.15 X 191 = 220 Ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN N ** =

φ = ¾” φ = 1”

220000 = 33.2 cm 2 2 x 3300

33.3 n= = 12 tornillos 2.85 33.3 n= = 8 tornillos 5.07 * Cuerdas fuera del plano de corte ** Cortante doble

Se utilizarán tornillos de diámetro de 1’’

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Revisión placa de conexión. Para tornillos Ø = 1” RN=2.4 dt t Fu = 2.4 x 2.5 x 1.0 x 4080 x 10-3= 24.5 Ton. φ RN = 0.75 x 24.5 = 18.3 Ton. Fuerza por tornillo φ =1” 220 F= = 27.5 ton 8 F * * 27.5 = = 13.8 ton < 18.3 ton 2 2

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Capacidad a Cortante de la Viga VN = 0.6 Fyw AW VN = 0.6 x 2530 x 61 x 1.3 x 10-3 = 120 Ton. Ø VN = 108 Ton

(Nota: no se consideró sobreresistencia)

Considerando tornillos Ø = ¾”

120000 N ** = = 18 cm 2 2 x 3300 18 n= = 6.4 tornillos 2.85

Se colocarán 6 tornillos

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Revisión Aplastamiento

RN = 2.4 dt t Fu = 2.4 x 2.0 x 1.0 x 4080 x 10-3 = 19.6 Ton. (Ø = ¾”) φ RN = 0.75 x 19.6 = 14.7 Ton. Fuerza por tornillo Ø = ¾” F=

φ VN 108 = = 18 ton 6 6

F * * 18 = = 9 ton < 14.7 ton 2 2

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Revisión a tensión de la conexión (trabe T-1) a) Placa de conexión a flexión a.1) Fluencia en la sección gruesa Pn = Fy Ag = 2530 x 30 x 1 x 10-3 = 75.9 Ton. φ Pn = 0.9 x 75.9 = 68.3 Ton. (2 φ Pn)* = 2 x 68.3 = 136.6 Ton < F = 191 Ton. Será necesario incrementar la placa

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Incrementando la placa At = 16 mm (5/8”) Pn= Fy Ag = 2530 x 30 x 1.58 x 10-3 = 119.92 Ton. (2 φ Pn)* = 2 x 0.9 x 119.9 = 215 Ton. > 191 Ton. Se colocarán 2 placas de 5/8’”

a.2) Fractura en la sección neta Pn = Fu Ae

2 [ ( ) ] 0 . 85 × 1 . 58 × 30 − 2 × 2 . 5 + 0 . 2 = 33 . 04 cm Ae = U A n =

Pn = 4080 x 33.04 x 10-3 = 134.8 Ton. 2 φ Pn = 2 x 0.75 x 134.8 = 202.2 Ton. > 191 Ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN a) placa de conexión a cortante

b.1) Flujo plástico en la sección total Pn = Fy Ag = 2530 x 39 x 1 x 10-3 = 98.7 Ton. φ Pn = 0.9 x 98.7 = 88.8 Ton. (2 φ Pn)* = 2 x 88.8 = 177.6 Ton > VN = 120 Ton.

b.2) Fluencia en la sección neta Pn = Fu Ae Ae = UAn = 0.85 × 1.0 × [ 39 − 6 × (1.9 + 0.2) ] = 22.4 cm 2 Pn = 4080 x 22.4 x 10-3 = 91.55 Ton. (2 φPn)* = 2 x 0.75 x 91.55 = 137.3 Ton > VN = 120 Ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Revisión del aplastamiento del alma de la trabe RN = 2.4 dt Fu RN = 2.4 x 1.9 x 1.3 x 4080 x 10-3 = 24.2 Ton. RN = 0.75 x 24.2 = 18.1 Ton.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Revisión soldadura alma Trabe / Columna VN = 120 Ton. Utilizando soldadura E-70xx

RE-70XX = 70.ksi = 4900 kg/cm2 φ FBM = 0.75 x 0.6 x RE-70XX = 2205 kg/cm2 L = 60.9 x 2 = 121.8 cm R=﴾  FBM ﴿ L x 0.7071 t 120 000 t= = 0.63 cm = 6.3 mm 121.8 × 0.7071 × 2205 Se consideran 8 mm

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN Sección de cuatro placas con soldadura de penetración.

Evitar en la medida de lo posible.

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN Sección de cuatro placas con soldadura de filete.

Alternativa 1

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN Sección de cuatro placas con soldadura de filete.

Alternativa 2

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN Forma eficiente de soldar el atiesador interior en sección de cuatro placas.

Paso 1: soldar con filete en las primeras tres caras

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN

Paso 2: soldar la cuarta cara con soldadura de botón

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN

RECOMENDACIONES PARA FACILITAR FABRICACIÓN

ESTRUCTURAS METÁLICAS

M. en I. Ismael Vázquez Martínez

ESTRUCTURAS METÁLICAS

M. en I. Ismael Vázquez Martínez

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M. en I. Ismael Vázquez Martínez Clave de correo electrónico: [email protected]