Manual de uniones de HSS de Bull Moose Tube
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Prefacio ......... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............ ... 3 Introducción Introducción ......... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... ............. .... 4 Nudos articulados: articulados: Armado con pernos .................. ....................................... ....................................5 ...............5 Uniones Uniones para esfuerzo cortante: Unión de la columna HSS al perfil HEB .... ........ ........ ....... ... 6 Soldaduras en el centro de la HSS .................. ...................................... ........................................ ....................... ... 7 Chapa de unión............................ unión............................................... ...................................... ...................................... ......................... ......88 Método de diseño: Chapa de unión unión a HSS ................... ...................................... .............................. ...........11 11 Carteleta angular ................... ....................................... ....................................... ...................................... .............................. ...........14 14 Placa pasante ranurada ................. ..................................... ....................................... ....................................... ...................... .. 15 Las soldaduras se localizan cerca de la pared lateral de la HSS. HSS. ............... ...............15 15 Uniones de doble ángulo........... ángulo.............................. ...................................... ...................................... ............................ .........16 16 Perfil TD .................. ..................................... ...................................... ...................................... ....................................... ........................... .......17 17 Angular de asiento ................... ....................................... ....................................... ....................................... ............................ ........18 18 Conectador de tecnología tecnología avanzada para sistemas estructurales mayores 18 Uniones de cizallamiento simple: Unión de vigas y columnas HSS.......... HSS.............. ........ ........ ........ .... 19 Unión por doble perfil TD ................... ...................................... ...................................... ......................................19 ...................19 Unión de doble ángulo ................. .................................... ....................................... ....................................... ........................ ..... 19 Unión separada de doble ángulo........... ángulo.............................. ...................................... ...................................20 ................20 Nudos rígidos ......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... ......... 21 Nudos rígidos: rígid os: Unión de HSS a perfiles perf iles HEB .......... ................... .................. ................... ................... ................... .............. .... 21 Vigas continuas 21 Placas pasantes 22 Chapas angulares ................... ....................................... ........................................ ....................................... ............................ .........22 22 Diafragmas 23 Refuerzo de la cara de la columna 24 Nudo rígido por refuerzo de las alas de una viga .................. ........................................26 ......................26 Nudos rígidos: rígidos : Unión de HSS a HSS ......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. .................. ......... 27 Uniones escalonadas con b/D < 0.85 ................... ....................................... .......................................29 ...................29 Uniones donde b/D > 0.8 ................... ...................................... ....................................... ......................................29 ..................29 Uniones reforzadas reforzad as para p ara tubos t ubos ......... .................. .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ........... 31 Rigidizador de placas 31 Refuerzo por acartelamiento 31 Elementos de unión ciegos ................... ....................................... ....................................... ..................................32 ...............32 Conclusiones Conclusiones ......... .................. .................. ................... ................... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ............ 33 Bibliografía.................................................... Bibliografía................................. ...................................... ...................................... ........................... ........34 34
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Prefacio ......... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............ ... 3 Introducción Introducción ......... .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ................... ................... ............. .... 4 Nudos articulados: articulados: Armado con pernos .................. ....................................... ....................................5 ...............5 Uniones Uniones para esfuerzo cortante: Unión de la columna HSS al perfil HEB .... ........ ........ ....... ... 6 Soldaduras en el centro de la HSS .................. ...................................... ........................................ ....................... ... 7 Chapa de unión............................ unión............................................... ...................................... ...................................... ......................... ......88 Método de diseño: Chapa de unión unión a HSS ................... ...................................... .............................. ...........11 11 Carteleta angular ................... ....................................... ....................................... ...................................... .............................. ...........14 14 Placa pasante ranurada ................. ..................................... ....................................... ....................................... ...................... .. 15 Las soldaduras se localizan cerca de la pared lateral de la HSS. HSS. ............... ...............15 15 Uniones de doble ángulo........... ángulo.............................. ...................................... ...................................... ............................ .........16 16 Perfil TD .................. ..................................... ...................................... ...................................... ....................................... ........................... .......17 17 Angular de asiento ................... ....................................... ....................................... ....................................... ............................ ........18 18 Conectador de tecnología tecnología avanzada para sistemas estructurales mayores 18 Uniones de cizallamiento simple: Unión de vigas y columnas HSS.......... HSS.............. ........ ........ ........ .... 19 Unión por doble perfil TD ................... ...................................... ...................................... ......................................19 ...................19 Unión de doble ángulo ................. .................................... ....................................... ....................................... ........................ ..... 19 Unión separada de doble ángulo........... ángulo.............................. ...................................... ...................................20 ................20 Nudos rígidos ......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... ......... 21 Nudos rígidos: rígid os: Unión de HSS a perfiles perf iles HEB .......... ................... .................. ................... ................... ................... .............. .... 21 Vigas continuas 21 Placas pasantes 22 Chapas angulares ................... ....................................... ........................................ ....................................... ............................ .........22 22 Diafragmas 23 Refuerzo de la cara de la columna 24 Nudo rígido por refuerzo de las alas de una viga .................. ........................................26 ......................26 Nudos rígidos: rígidos : Unión de HSS a HSS ......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. .................. ......... 27 Uniones escalonadas con b/D < 0.85 ................... ....................................... .......................................29 ...................29 Uniones donde b/D > 0.8 ................... ...................................... ....................................... ......................................29 ..................29 Uniones reforzadas reforzad as para p ara tubos t ubos ......... .................. .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ........... 31 Rigidizador de placas 31 Refuerzo por acartelamiento 31 Elementos de unión ciegos ................... ....................................... ....................................... ..................................32 ...............32 Conclusiones Conclusiones ......... .................. .................. ................... ................... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ............ 33 Bibliografía.................................................... Bibliografía................................. ...................................... ...................................... ........................... ........34 34
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Prefacio
Este folleto no pretende tratar a fondo el tema de las secciones estructurales huecas (HSS), ya que a pesar de que existe un gran número de criterios de diseño, la información se encuentra diseminada en fragmentos en la literatura y no estaba disponible para los ingenieros al momento de la publicación. Después de la primera impresión de este folleto, Bull Moose Tube Company, en colaboración con el American Institute of Steel Construction, Inc. o AISC (Instituto de la Construcción y el Acero de Estados Unidos), el Steel Tube Institute of North America o STI (Instituto del Tubo de Acero de Norteamérica) y el American Iron and Steel Institute o AISI (Instituto del Hierro y el Acero de Estados Unidos) diseñó el libro intitulado “Hollow Structural Sections Connections Manual” (Secciones estructurales huecas: Manual de uniones), el cual fue publicado por el AISC. Copias de este libro están a su disposición a través de AISC. El presente folleto se limita a las HSS rectangulares y cuadradas y no comprende investigaciones científicas exhaustivas ni los criterios aplicables a las HSS circulares. Y aun en el caso de las HSS rectangulares, gran parte de la información se refiere a los diversos tipos de uniones para cerchas en donde las divisiones de carga axial se sueldan directamente a las cuerdas tubulares o elementos principales. Además, esta guía se limita a los casos en los que la unión está diseñada para transmitir momento y esfuerzo cortante en lugar de cargas axiales. La información presentada en esta publicación ha sido redactada con base en principios de ingeniería conocidos y tiene fines informativos exclusivamente. Si bien esta información se considera fidedigna, no debe usarse ni ponerse en práctica en ninguna aplicación específica sin un análisis profesional competente y la verificación de su exactitud, aptitud y posibilidad de aplicación por parte de un profesional titulado del área de ingeniería, diseño o arquitectura. La publicación del material aquí contenido no tiene como objetivo ofrecer declaraciones de hecho ni garantías por parte de Bull Moose Tube Company de que la información es apta para usos generales o específicos ni de que constituye una autorización para la infracción de patentes. Toda persona que haga uso de esta información asume las responsabilidades derivadas de dicho uso. Es importante proceder con precaución al usar especificaciones y códigos creados por otros organismos e incorporados en el presente por su sola mención, ya que esta información puede ser corregida o enmendada según corresponda con posterioridad a la publicación de esta edición. Bull Moose Tube Company no se hace responsable de esta información más allá de citarla e incorporarla por su sola mención al momento de la primera impresión de esta edición.
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Introducción
Las secciones estructurales huecas (HSS) no sólo tienen una capacidad superior de compresión y una belleza estética natural, sino que además son una opción excelente como columnas, cerchas y armazones para edificios. Debido a estos atributos, el uso de HSS continúa incrementándose en Estados Unidos y el resto del mundo. Sin embargo, los diseñadores y fabricantes que nunca han trabajado con HSS aún se expresan con incertidumbre acerca de las uniones de éstas. Con esto en mente, Bull Moose Tube reconoce que las uniones de las HSS exigen criterios especiales de diseño a fin de lograr eficiencia en la construcción y minimizar los costos. La unión de vigas a columnas HSS se puede clasificar en dos categorías generales. Una de estas categorías es la unión directa en donde la viga se suelda a una de las caras de la columna. Muchas veces esto resulta en la unión de dos HSS, aunque las vigas de perfil HEB o de forma diversa se pueden soldar a la cara de la columna. La otra categoría es la de elementos de unión que se usan a fin de permitir el remache simultáneo de las piezas del armazón en la zona de construcción. Éste es con mucho el método más económico de conectar las HSS y otros elementos de forma abierta. De hecho, las uniones estándar remachadas que funcionan tan bien para los perfiles abiertos que muchas veces también son aptas para las HSS. En el caso de uniones sencillas en las que sólo se necesita resistencia al esfuerzo cortante, las HSS cuentan con el mismo tipo de elementos de unión que las piezas de perfil HEB. De hecho, las tablas de carga de las Uniones para cizallamiento simple de las Especificaciones de diseño de factores de resistencia y carga se deben aplicar de la misma manera a las columnas HSS que a las vigas de perfil HEB. Por esta razón, el costo de las uniones sencillas para HSS es por lo general equivalente al de las piezas de perfil HEB.
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Nudos articulados: Armado con pernos
En condiciones prácticas, resulta difícil y costoso soldar uniones entre dos tubos. Por consiguiente, es importante tener nudos articulados semejantes a los que se usan en las columnas de perfil HEB a fin de facilitar el levantamiento en condiciones prácticas. Los métodos de cálculo que se aplican a las uniones remachadas entre secciones huecas son básicamente iguales a los que se aplican a otros tipos de uniones en construcciones convencionales de acero. Sin embargo, el método de cálculo para los perfiles cerrados en algunos casos exige un enfoque especial. Cuando se trata de una función sencilla de soporte, las uniones deben tener cierto grado de flexibilidad a fin de permitir la rotación del extremo de la viga a medida que ésta se desvía al soportar la carga. Las uniones de momento completo, las cuales evitan la rotación del extremo de la viga en relación con la columna, exigen una transferencia de momento mayor a la columna a una mayor rigidez de la unión. Sin embargo, la mayoría de las uniones que se describen en esta sección se consideran uniones articuladas o semi-articuladas. Casi siempre existen dos alternativas para efectuar las uniones articuladas. La articulación se ubica en el eje "a" y se fija ligeramente a la viga con una serie apropiada de pernos; el momento producido o M 2 actúa sobre la viga. Cuando la articulación se ubica en el eje "b" (fijada con un solo perno, por ejemplo), la columna reacciona al momento o M 2. La Figura 1 ilustra la organización básica de una unión convencional que indica las posibles condiciones de carga y las notas pertinentes.
Q: Reacción vertical en el punto de apoyo H: Reacción horizontal M1: Momento flector transmitido por la viga M2: Momento de flexión debido a la exentricidad de la unión: M2 = Q.e
Figura 1. Condicio nes de carga para uniones sencill as.
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Uniones para esfuerzo cortante: Unión de la colu mna HSS al perfil HEB
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Uno de los principales criterios de diseño de este tipo de armazones es la unión de campo de las vigas y las columnas. Por lo general, en el taller se suelda una unión sencilla a la viga o columna que se remacha en el campo. El método más económico consiste en emplear una unión sencilla que transmita el esfuerzo cortante con un momento mínimo. La unión sencilla satisfactoria para vigas de perfil abierto y columnas de sección hueca debe cumplir los siguientes requisitos: 1). Una resistencia adecuada al esfuerzo cortante a fin de soportar la reacción de la viga. 2). Una flexibilidad suficiente de manera que el momento flector transmitido a la columna sea mínimo. 3). Capacidad de soportar momentos leves sin ruptura de la unión ni de los conectadores. 4). Una configuración que no cause la deformación excesiva de la pared columnar. 5). Detalles razonablemente limpios y económicos para el fabricante. La práctica común para las uniones sencillas en el campo consiste en soldar en el taller los elementos de unión a la viga o columna y terminar la unión en el campo con pernos. A través de los años se ha desarrollado una variedad de uniones sencillas estándar para columnas de perfiles HEB, pero la mayoría de ellas también han sido adaptadas para las columnas HSS. Entre estas uniones se encuentran las siguientes: Doble ángulo Perfil TD Carteleta angular Angular de asiento Chapa de unión o placa de orejuelas Placa de cabeza Conectador de tecnología avanzada para sistemas estructurales mayores (auto guiados)
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Excepto en el caso de los asientos de viga, el elemento de unión se fija a la red de la viga. Sin embargo, si la viga tiene soldado un casquillo ciego para perfiles estructurales TD, estas uniones se pueden usar con vigas tubulares a fin de que el vástago funcione de manera semejante a la red de un perfil HEB. Las uniones se deben diseñar a fin de disminuir al mínimo las cargas secundarias, sobre todo haciendo coincidir en el mismo punto las líneas centrales de la cuerda y los elementos de la retícula. En el caso de los elementos estructurales principales, es aconsejable instalar las redes de manera simétrica en relación con el plano medio de estos elementos a fin de fijarlos también simétricamente. Soldaduras en el centr o de la HSS
Los dos tipos de uniones que presentan soldaduras cerca del centro de la cara de la HSS, la chapa de unión y la carteleta angular, se tratarán en detalle en las páginas siguientes. El patrón correspondiente de soldadura se ilustra en la Figura 2
Figura 2. soldaduras de la chapa de uni ón y carteleta angular.
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Chapa de unión
Uno de los métodos más eficientes y económicos de unir una viga a una columna tubular es por chapa de unión. Las investigaciones recientes efectuadas por el Dr. Donald Sherman de la Universidad de Milwaukee, Wisconsin, señalan claramente que las chapas de unión representan un medio seguro y económico para unir vigas a columnas tubulares. De hecho, estas investigaciones señalan que muchas veces las uniones por placas en serie son innecesarias y que pueden evitarse si se consideran ciertos criterios. El objetivo principal de las investigaciones del Dr. Sherman consistió en desarrollar normas de diseño para chapas de unión para columnas HSS y establecer las limitaciones de este tipo de uniones. El estudio concluyó que las chapas de unión no disminuyen la capacidad de las columnas comparado con las placas pasantes y que la fijación con pernos tiene un impacto mayor que el tipo de unión. Esta conclusión se ilustra en la Gráfica 1.
Gráfica 1. Prueba de column a de la chapa de un ión.
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El estudio de cualquier tipo de unión empieza con la identificación de las modalidades de falla crítica que ocurren en condiciones de carga extrema. Estas modalidades son : 1) ruptura tangencial de los pernos; 2) relajamiento del área principal de la placa; 3) fractura del área de la placa de la red; y 4) ruptura por carga del juego de la red de vigas. A fin de evitar la ruptura tangencial de los pernos, se ha establecido una relación entre el diámetro de los pernos y el espesor de la chapa de unión según la siguiente fórmula:
p chapa de unión ≤ dperno/2 + 1/16
Así mismo, el espesor de la chapa de unión se limita a 9/16" o menos. Si se tienen en cuenta estos puntos, existen ciertas combinaciones del espesor de la HSS y la chapa de unión y el diámetro de los pernos. Estas combinaciones se resumen en la Tabla 1 a continuación.
tHSS
tchapa de unión
tpernos
3/16
≤ 5/16
3/4, 7/8, 1
1/4
≤ 7/16 ≤ 7/16
3/4, 7/8, 1
≤ 1/2
7/8, 1
≤ 9/16
1
5/16, 1/2, 5/8
3/4, 7/8, 1
Tabla 1. Combinación de los parámetros de uni ón de las chapas de unió n.
Otro de los criterios que es necesario tener en cuenta al analizar la ruptura de las uniones de las columnas HSS es la limitación extra debida a la pared tubular flexible. En este caso, la pared tubular puede sufrir ruptura por flexión causada por la formación de una línea de relajamiento o por ruptura tangencial de punzonamiento. La Figura 3 ilustra el mecanismo de formación de la línea de relajamiento. Sin embargo, debido a que la profundidad de la chapa de unión es mucho mayor que su espesor, es posible que se produzca una deformación unitaria en el borde de la placa, lo cual causaría una ruptura localizada en la que la placa se desprendería de su lugar o perforaría la pared tubular. Esto ocurriría antes de que se formara un número suficiente de líneas de relajamiento para causar ruptura.
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Figura 3. Ruptur a por línea de relajamiento.
Figura 4. Ruptu ra tangencial de pun zonamiento.
La Figura 4 ilustra la ruptura tangencial de punzonamiento. En este caso, la ruptura se define como el punto en el que la carga aplicada supera la resistencia tangencial de la pared tubular alrededor del perímetro de la chapa de unión. Para prevenir este tipo de ruptura, el espesor de la pared tubular debe superar una fracción del espesor de la chapa de unión de manera que ésta se relaje antes de que la pared tubular se fracture tangencialmente. A continuación se plantea la ecuación para el espesor de la pared tubular, la cual se aplica conjuntamente con la ecuación de ruptura tangencial de los pernos para crear la Tabla 1. Fy (chapa de unión) t (chapa de unión) ≤ 1.2 Fu (HSS) t (HSS) En el caso de las uniones que sufrieron ruptura durante el estudio del Dr. Sherman, todas sufrieron relajamiento tangencial del área principal de la chapa de unión. Sin embargo, todas las uniones mostraron la posibilidad de múltiples tipos de ruptura. Para evitar la posibilidad de ruptura de la soldadura, se recomienda que la HSS se suelde conforme a las normas de la Sección D1.1 de la AWS, las cuales contemplan prácticas óptimas de soldadura. La existencia de momento localizado es un criterio importante para el diseño de los elementos de unión. El momento que se produce en la unión depende de la excentricidad de la reacción, la cual se define como la distancia de la cara de la columna HSS al punto del momento de cero flexión. Se ha demostrado que esta excentricidad es menor de tres pulgadas, es decir, la distancia entre la línea de soldadura y la línea de pernos, excepto cuando se usa una viga flexible con la cara más rígida de la columna HSS (b/t) = 8. Así mismo, se ha demostrado que el espesor mínimo de la cara de la columna debe guardar relación con el espesor de la chapa de unión a fin de forzar el relajamiento de la unión en lugar de permitir la posible ruptura tangencial de punzonamiento de la cara de la columna. Se sabe que la excentricidad de la reacción aumenta con el número y tamaño de los pernos y el espesor de la placa. Posteriormente se planteó una ecuación empírica para el cálculo de la excentricidad:
⎡ t ⎤ 1.3 tw ⎥ ⎛ ⎞ 1 . 35 ⎢ ( L d ) ⎜ d pl ⎟ (inches ) e = 0.08 ⎢ w t ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ 10
Con base en los resultados de las intensas investigaciones sobre chapas de unión, el Dr. Sherman refinó el método de diseño para estas uniones y estableció las siguientes reglas básicas:
Especificaciones generales (chapas de unión)
- Si la chapa de unión se encuentra en el extremo de un elemento largo no arriostrado, es necesario establecer un punto arriostrado cerca de la chapa de unión. - El área de la pared tubular que se habrá de soldar debe estar libre de batiduras y precalentarse en cierto grado antes de proceder con la soldadura. - La soldadura es en ángulo y se efectúa a lo largo de ambos lados de la placa; además, debe terminarse inmediatamente antes del extremo superior de la chapa de unión. - Queda a criterio del diseñador el emplear tubos con un índice de anchura a espesor mayor. Sin embargo, se recomienda lo siguiente: b t < 253
F y
- El diseño debe aplicarse tanto a los pernos apretados al par de torsión especificado como a los pernos apretados al ras.
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Método de diseño: Chapa de unión a HSS
1). Calcule el número de pernos necesarios para soportar la fuerza cortante. Suponga que la fuerza actúa en la línea de pernos:
n =
R r v
2). Calcule el espesor máximo permitido de la chapa de unión a fin de asegurar el relajamiento de la chapa de unión antes de que ocurra la ruptura tangencial de punzonamiento de la pared tubular:
t pl
1.2 F u
tw tw F y pl
≤ t
3). Calcule la longitud o el espesor necesario de la chapa de unión a fin de soportar la fuerza cortante.
d pl
≥
R
0.4 F y
pl
t pl
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4). Calcule la excentricidad de la reacción. a). Determine "e":
⎡ t ⎤ 1.35 1.3 tw ⎥⎛ L ⎞ ⎛ ⎞ ⎢ e = 0.08 d ⎜ ⎟ ⎜ pl ⎟ ⎢ (w t ) ⎥⎝ d ⎠ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ b). Si e< 3, el punto de excentricidad se encuentra entre la línea de pernos y la línea de soldadura.
e
b
' = 2.25 = ew
c). Si e >3, el punto de excentricidad se encuentra fuera de la línea de pernos. e b
= (n − 1) − 3
e
=n
w
5). Vuelva a calcular la capacidad del juego de pernos con la Tabla XI del Manual AISC-ASD: R b
= C r
v
donde L = e
b
6). Vuelva a calcular la longitud o el espesor de la chapa de unión con base en el factor de reducción, el cual contempla la reducción de la capacidad de resistencia al esfuerzo cortante debido a la distorsión de la pared tubular:
d pl
≥
R
⎛ ⎞ ⎜ ξ 0.4 F t ⎟ y pl ⎟ ⎜ pl ⎝ ⎠
donde ξ = 0.80 si e ≤ 3 y b t ≥ 15
= 1.00 para todos los casos 7). Verifique que no existan fracturas a lo largo de la sección de la red:
R
ns
⎛ ⎞ ⎞ ⎜ ⎟ 0 . 3 t F = ⎡⎢d pl − n d b + (1 16) ⎤⎥⎛ ⎜ pl ⎟⎜ ⎣ ⎦⎝ ⎠⎝ u pl ⎠⎟
(
)
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8). Calcule las dimensiones de la soldadura en dieciseisavos a fin de determinar la capacidad de resistencia al esfuerzo cortante de la chapa de unión con la Tabla XIX del Manual AISC-ASD:
D =
R pl
⎞ C ⎛ ⎜ d pl ⎟ ⎝ ⎠
donde aL = e w. Las dimensiones de la soldadura no deben ser mayores de 0.75 t pl. 9). Verifique la capacidad de carga del juego de pernos:
P b
⎛ ⎞ = ⎜1.2 F t d ⎟n u pl b ⎟ ⎜ pl ⎝ ⎠
10). Si la viga está recortada, verifique que no existan rupturas tangenciales de bloque.
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Carteleta angu lar
La carteleta angular ilustrada en la Figura 5 es una manera más de remachar las columnas HSS a las vigas. Los ángulos sencillos son muy fáciles de soldar en el taller, ya que sólo se necesita colocar los pernos a corte sencillo en la unión. El ángulo crea un momento excéntrico en la unión, lo cual puede influir en el diseño de los elementos de fijación. La cantidad de momento que se crea en el ángulo se puede aproximar mediante la ecuación m = R*e, donde "R" representa el corte de la reacción y "e" representa la excentricidad de la misma. La excentricidad de la reacción depende de varios factores, como el número de pernos, las dimensiones y el material del ángulo. A fin de permitir la flexibilidad necesaria, no debe haber soldaduras en la parte superior ni en el talón del ángulo; esto se aplica a los ángulos soldados a las columnas HSS y del perfil HEB. Para evitar que la viga se vuelque, la distancia del centro del perno superior al centro del perno inferior debe ser igual o superior a la mitad de la distancia T del elemento apoyado. iii Por consiguiente, la carteleta angular se considera más complicada que la chapa de unión debido a la complejidad de la excentricidad. Sin embargo, la distorsión de la pared para la HSS debe ser menor que para la chapa de unión debido a que una parte de la fuerza se transmite a la soldadura cercana a la pared lateral. Por lo tanto, como se ilustra en la Figura 3, no se produce ningún mecanismo causante de líneas de relajamiento que pueda causar la ruptura de las chapas de unión, así que la resistencia de la columna HSS no debe resultar afectada. Los métodos básicos de diseño para seleccionar carteletas angulares se encuentran en la Tabla XII de las Especificaciones de diseño de factores de resistencia y carga y se aplican también a las columnas HSS.
Figura 5. Carteleta angular.
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Placa pasante ranurada
La Figura ilustra la placa pasante ranurada. 6. La placa pasante ranurada es el tipo de unión sencilla más rígida de todas debido a la menor flexibilidad que permite entre la placa y la pared columnar, aunque también es la más costosa de fabricar. Por otro lado, las placas pasantes ranuradas minimizan la deformación de las columnas en el punto de unión y el comportamiento de la unión es prácticamente independiente de las dimensiones transversales de la columna.
Figura 6. Placa ranurada Las sol daduras se lo calizan cerca de la pared lateral de la HSS.
Las uniones de doble ángulo, las uniones en T y las uniones de asiento se fijan a la columna mediante soldaduras verticales por los dos bordes de los elementos de unión. Esta característica se ilustra en la Figura. 7. Si los elementos de unión no son del mismo ancho que la HSS, las soldaduras se ubican en la pared plana de la sección cercana al ángulo. Por otro lado, si el ancho de los elementos equivale al de la HSS, será necesario efectuar soldadura en U con borde expandido. En el caso de las uniones de doble ángulo, uniones en T y uniones por asiento de viga, la anchura del elemento debe ser ligeramente menor que la anchura de la pared.
Figura 7. Soldaduras cerca d e la pared lateral.
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Cuando se aplican uniones con soldaduras laterales, la distorsión local de la cara de la HSS no representa un criterio de diseño; además, debido a que el momento terminal de la unión es pequeño, la compresión de la pared lateral no constituye un factor crítico. El criterio de resistencia adicional primaria para el uso de estas uniones es que las soldaduras queden cerca de los ángulos que han sido trabajados en frío intensamente conforme al proceso directo de fabricación. Muchas veces esto aumenta las propiedades de tracción del acero en más de un 50%, compensando así la pérdida de resistencia a la tracción causada por el área de soldadura. El criterio para usar estas uniones con columnas HSS es la flexibilidad rotatoria. En la práctica, estas uniones se consideran como uniones articuladas para el análisis estructural. Cuando se usan con columnas de perfil HEB, las soldaduras se orientan hacia los bordes flexibles de las alas que no se apoyan directamente en la red, mientras que en las HSS las paredes laterales ofrecen la rigidez necesaria para la cara del tubo en las soldaduras. Debido a que se supone que gran parte de la distorsión de la unión ocurre en los mismos elementos de unión, aún debe existir flexibilidad entre éstos y las columnas HSS. De hecho, no se prevé que ni la resistencia ni la flexibilidad de la unión constituyan un factor crítico o necesario para las columnas HSS.
Uniones de doble ángul o
Es posible que la unión más apropiada en términos generales sea la unión tradicional de doble ángulo que se ilustra en la Figura. 8. Este tipo de unión ofrece la resistencia de los pernos en un corte doble combinada con una excelente flexibilidad; además, debido a su simetría, esta unión permite evitar la torsión lateral. Los fabricantes tienen la opción de seleccionar ángulos detallados estándar de las existencias de almacén en lugar de preparar componentes especiales, como las T. Si usted es ingeniero, consulte el manual de Especificaciones de diseño de factores de resistencia y carga para uniones de cizallamiento simple para seleccionar el ángulo apropiado con base en las condiciones de carga y el tamaño de los pernos. La unión se efectúa soldando en el taller los dos ángulos verticales a la columna con un retorno corto a lo largo de la parte superior del ángulo de doble tamaño comparado con el ancho de la soldadura, para después completarla en el campo remachándola a la red de la viga.
Figura 8. Doble ángulo.
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Perfil TD
La Figura 9 ilustra una unión formada por un perfil TD soldado a lo largo de los bordes de las dos alas de la columna HSS. El perfil TD está descentrado, lo cual permite centrar la red de la viga en la cara de la columna. iv Esto a su vez permite remachar fácilmente en el campo la viga al perfil TD. Este tipo de unión permite una rotación razonable sobre la distorsión del perfil y no induce una fatiga intensa ni distorsiones en la pared columnar HSS comparada con la chapa de unión. El comportamiento básico de este tipo de unión es un tanto semejante a los ángulos estructurales convencionales, aunque es más rígida debido a la continuidad de las alas del perfil TD a través de la cara de la HSS. Muchas veces, White y Fang sugieren una razón v mínima de anchura a espesor. No está de más mencionar nuevamente que la diferencia principal radica en la ubicación de la soldadura y la excentricidad de la unión. La Tabla XI de las Especificaciones de diseño de factores de resistencia y carga lista la resistencia de perfiles TD.
Figura 9. Perfil TD sencillo .
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An gul ar de as ie nt o
Algunas uniones muy comunes diseñadas para cargas de cizallamiento más pesadas se usan como uniones angulares de asiento con la opción de perfiles TD estándar y placas de rotura. La unión angular de asiento por lo general consiste en un ángulo soldado a la cara de la HSS que transfiere la carga de cizallamiento a ésta como se ilustra en la Figura 10a. O bien, los perfiles TD y las placas de cizallamiento tradicionales se pueden soldar a la cara de la HSS con un ángulo más pequeño soldado a través de la HSS como se ilustra en la Figura 10b.
Figura 10a. Ang ular de asiento.
Figura 10b. Ang ular de asiento para cargas mayores.
Conectador de tecnol ogía avanzada para sistemas estru cturales mayor es
Actualmente se encuentra en desarrollo una línea de uniones nuevas de viga a columna que se conocen con el nombre de conectadores de tecnología avanzada para sistemas estructurales mayores. El énfasis de estos diseños nuevos descansa en una función de auto guía que minimiza la participación humana durante la construcción, lo cual resulta en un levantamiento de la estructura más rápido, seguro y económico. El concepto se basa en el uso de una espiga sólida en forma de trapecio en la viga, la cual se desliza sobre una guía tridimensional de mortaja. Este concepto se ilustra en la fotografía de abajo. El conectador de tecnología avanzada para sistemas estructurales mayores puede ser ideal para HSS debido a que puede soldarse empotrado en el costado de un tubo. De hecho, actualmente se llevan a cabo investigaciones tendentes a evaluar las características de comportamiento de conectadores de tecnología avanzada para sistemas estructurales mayores al soldarlos a tubos de diverso espesor.
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Uniones de cizallamiento simple: Unión d e vigas y colu mnas HSS
Por lo general, el remache de uniones de vigas y columnas HSS exige el uso de material especial, como perfiles TD, ángulos o placas de manera semejante a los que se ilustran en las figuras 3 a 9. Las figuras 11 a y 11b ilustran una unión sencilla típica de las uniones de vigas y columnas HSS. La Figura 11a ilustra una unión formada por un perfil TD soldado horizontalmente en el taller a la columna con un retorno corto alrededor de los ángulos superiores, mientras que la Figura 11b representa un detalle semejante con dos ángulos que forman una ranura. Estas uniones se terminan en el campo remachando la viga a los dos ángulos verticales. Al igual que todas las uniones que exigen el remachado en el campo, esta unión es más económica que las uniones por soldadura en el campo.
Unión por d oble perfil TD
Como se ilustra en la Figura 11a, esta unión constituye un medio de remachar este sistema. Los perfiles TD se fabrican a partir de placas o secciones laminadas. A fin de conservar la alineación apropiada de la viga y la columna, la sección del perfil TD de la columna se puede centrar en la pared columnar. La sección del perfil TD de la columna se suelda a la columna en el taller a lo largo de los dos bordes de las alas. El perfil no se debe soldar por los cuatro lados a fin de conservar la flexibilidad. Se sugiere usar un índice mínimo de anchura a espesor de 10 para el ala del perfil TD. vi
Figur as 11a y 11b. Unión de doble ángulo
Esta unión, que se ilustra en la Figura 11b, permite usar los pernos en doble corte. Astenuh (1987) sugiere un índice mínimo de anchura a espesor de 10 para la sección del perfil TD y de 20 para la sección de la columna.
19
Unión separada de doble ángulo
La Figura 12a de abajo ilustra una unión de doble ángulo con la viga recortada a fin de facilitar el remachado. La cabeza de la viga se debe sellar a fin de evitar exponerla a la corrosión atmosférica. El índice de anchura a espesor de la columna debe ser mayor de 32 y los ángulos se deben soldar cerca del borde de la columna. Así mismo, como se ilustra en la Figura 12b, es posible usar placas en lugar de ángulos para permitir el uso de vigas más anchas. Según se ilustra, las placas se sueldan en el taller cerca del borde de los ángulos de la columna HSS para formar una unión relativamente rígida. Otra opción consiste en usar placas de rotura soldadas cerca de las paredes laterales de la columna como se ilustra en la Figura 12b. Nuevamente, el mejor método para seleccionar los pernos de tamaño apropiado y los ángulos es consultar en la Tabla XI la información sobre uniones de cizallamiento simple en el manual de Especificaciones de diseño de factores de resistencia y carga.
Figura 12a. Unión separada de dobl e ángulo.
Figura 12b. Placa de rotur a
Las placas de la cara de la columna, como las que se ilustran en la Figura 13, representan otro método de unión de los tubos. Las placas de cabeza se sueldan a la cara de la HSS y al extremo del tubo que sella la viga, pero permiten una fácil instalación.
Figur a 13. Placas de la cara de la col umn a. 20
Nudos rígidos
A continuación se listan los criterios básicos de diseño para las uniones rígidas o de momento: 1. Resistencia suficiente 2. Capacidad de rotación suficiente 3. Rigidez adecuada 4. Facilidad de levantamiento y fabricación económica
Nudos r ígidos: Unión d e HSS a perfiles HEB
Por lo general, los nudos rígidos son de fabricación más costosa que las uniones simples debido a la complejidad de la soldadura y la mano de obra requerida. El diseñador debe tener en cuenta las armazones simples y usar los nudos rígidos sólo cuando sea necesario. Existen diversos conceptos aplicables a la transferencia de momentos de vigas de perfiles HEB a columnas HSS rectangulares o cuadradas. Estos conceptos van de las vigas continuas con columna interrumpida a la disposición de continuidad mediante dos vigas a través de la columna y el refuerzo de la cara de la columna para permitir el uso de un nudo rígido. Vigas continuas
El uso de vigas continuas, como la que se ilustra en la Figura 14, permite evitar la necesidad de transferir momento a la columna HSS al instalar una viga continua a través de una columna interrumpida. La continuidad de la columna se establece mediante el refuerzo del perfil HEB con un rigidizador dividido para HSS. Este detalle supone que el ancho de las alas de la viga equivale al de la sección de la columna y que la viga no transferirá un momento considerable a la columna. La interrupción de la columna facilita el remachado de su unión, ya que la placa de cabeza se suelda a la cabeza de las secciones de la columna.
Figura 14. Rigidizador divid ido para HSS. 21
Placas pasantes
En las figuras 15a y 15b se ilustra un armado sencillo que permite la transferencia directa de momento de una viga a otra a través de la columna (o a la columna) y donde la columna se interrumpe para pasar platabandas a través de ésta y de una viga a otra. En este caso, es posible usar chapas de unión para las redes de vigas debido a que la rotación de la cabeza de las vigas (lo cual restringe su uso en uniones sencillas) no representa un factor. Para momentos más pesados, podrían requerirse uniones de corte para redes de doble ángulo. El detalle correspondiente de la sección superior de una columna se ilustra en la Figura 15b, donde otra columna en serie se puede remachar directamente sobre la columna deseada. Este armado se puede modificar en el caso de vigas dirigidas en tres o cuatro direcciones, aunque es necesario que todas ellas se encuentren a una distancia de acuñamiento de la misma profundidad. Así mismo, es posible disminuir el tamaño de la columna superior a fin de permitir cargas más ligeras a medida que aumenta el número de pisos del edificio, lo cual reduce la necesidad de secciones más pesadas.
Figur a 15a
Figur a 15b
Chapas angulares
Cuando se tienen vigas en un solo plano a la misma profundidad, una alternativa consiste en usar chapas angulares para unir la viga a las caras de las columnas paralelas a la viga, como se ilustra en la Figura. 16. No se usa ningún tipo de soldadura entre las alas de la viga y la cara de la columna, salvo para fijar la red de la viga a la chapa y la chapa a la pared lateral de la columna. El siguiente procedimiento tiene como objetivo vii lograr un comportamiento adecuado de la unión: 1). Los ángulos superiores se deben recortar a un radio igual al brazo del ángulo menos su espesor. 2). Los ángulos superiores deben ser más largos que los inferiores. 3). Es necesario soldar un segmento corto de los brazos horizontales de los ángulos superiores a la viga. 4). Es preferible dejar un espacio libre de aproximadamente 0.5" entre la pared de la columna y la cabeza de la viga. 22
Como es natural, el ancho de las alas de la viga debe ser igual o menor que el ancho de la columna. En el caso de uniones en las que las alas de la viga sean considerablemente más angostas que la columna, no se debe suponer que las chapas angulares reciban la fuerza cortante. Las uniones simétricas de red se deben diseñar a fin de que reciban toda la fuerza cortante. Existen ecuaciones para el cálculo de la resistencia de trabajo de las chapas angulares, seguirse al pie de la letra:
viii
las cuales deben
Diafragmas
Otro de los métodos para unir las alas de una viga a una columna HSS se ilustra en la Figura. 17. Primero se coloca un diafragma de placa alrededor de la columna para cada una de las alas de la viga para luego instalar placas verticales de red entre los diafragmas. La viga se conecta con uniones de cizallamiento simple en los extremos de este ensamblado donde se supone que se encuentran los puntos de contraflexión de la viga.
23
Este armado se puede adaptar a estructuras de dos, tres o cuatro vigas y una columna. Las investigaciones realizadas por Kato y col. (1981) y Tabuchi (1988) tendentes a establecer los criterios de diseño de este tipo de armado han sido definidas y aparecen en la ilustración. Refuerzo de la cara de la col umna
ix
El enfoque más directo para transferir el momento de una viga a una columna HSS consiste en reforzar la cara de la columna a fin de que reciba las fuerzas de las alas de la viga. Este enfoque se ilustra en la Figura. 19. Básicamente, se coloca un diafragma de placa alrededor de la columna para cada una de las alas de la viga para luego instalar placas verticales de red entre los diafragmas. La viga se conecta con uniones de cizallamiento simple en los extremos de este ensamblado donde se supone que se encuentran los puntos de contraflexión de la viga. Este armado se puede adaptar a estructuras de dos, tres o cuatro vigas y una columna. De acuerdo con las investigaciones realizadas por Dawe y Grondin x a fin de analizar los criterios clave de diseño, es necesario tener en cuenta cuatro modelos básicos de ruptura (ilustrados en la figura 20). a). Ruptura de la placa de refuerzo de la cabeza tendida de la viga a la columna. b). Esfuerzo cortante de punzonamiento de la placa de refuerzo de la cabeza tendida de la viga. c). El debilitamiento de las paredes laterales de la columna causado por la red en la cabeza comprimida de la viga. d). Esfuerzo cortante de punzonamiento de la cara de la columna a lo largo del borde de la placa de refuerzo, ya sea cerca de la cabeza tendida o de la cabeza comprimida de la viga.
Figur a 19. Refuerzo de la cara de la col umn a.
24
Figura 20. Tipos de rotu ra crítica.
La conclusión de estas investigaciones es que el tipo principal de ruptura es el descrito en el inciso (a), en el que la resistencia al momento de la unión se calcula de la siguiente manera: * M r 1
donde
=h
F t b b yb b e
F t ⎞ ⎛ 10 ⎞⎛ ⎜ y 0 0 ⎟b ⎜ ⎟ b e está dado por = pero ≤ bi ⎜ b t ⎟⎜⎜ F t ⎟⎟ i ⎝ 0 0 ⎠⎝ yi i ⎠
tb representa el espesor de las alas de la viga hb representa la altura de la viga
O bien, la resistencia al momento de la unión conforme al tipo de ruptura descrito en el inciso (b) se calcula de la siguiente manera: F yp * M = h t b r 1 b 3 p ep
donde
b ep está dado por [9.10] Tp representa el espesor de la placa de refuerzo
El tipo de ruptura descrito en el inciso (c), el cual exige el debilitamiento de las paredes laterales de la columna causado por la red, se puede relacionar con los métodos de refuerzo con placa y se calcula de la siguiente manera: * M r 1
⎞ = 0.5F t 0 ⎛ h + 5⎛ t + t ⎞⎟ ⎟2 ⎜ ⎜ k ⎝ b ⎝ 0 p ⎠ ⎠
donde Fk representa la fatiga de pandeo de las paredes laterales de la columna y se puede tomar como 0.8 Fy.
25
Las paredes laterales de la columna se estabilizan contra el pandeo cuando llevan vigas y los elementos de unión están instalados en las áreas vulnerables de las paredes. El tipo de ruptura descrito en el inciso (d) exige el esfuerzo cortante de punzonamiento de la cara de la columna sobre los bordes de la placa de refuerzo, ya sea hacia fuera de la cabeza tendida o hacia dentro de la cabeza comprimida de la viga. Si el esfuerzo cortante de punzonamiento es uniforme alrededor de la placa de refuerzo, se supone que la resistencia al momento de la unión para este tipo de ruptura es como sigue: * M r 1
= 0.5
F y 0
t ⎛ L 2 ⎜ 3 0 ⎝ p
B ⎞⎟ p p ⎠
+ 2 L
Sin embargo, otro tipo potencial de ruptura es el mecanismo de ruptura por línea de relajamiento de la placa de refuerzo. Estas investigaciones señalan que es posible producir el momento de capacidad de carga de las vigas con placas de refuerzo si se tienen en cuenta los tipos de ruptura descritos anteriormente. Además, se ha demostrado que: 1) la rigidez de la unión se refuerza cuando el ancho de la placa de refuerzo prácticamente equivale al de la parte plana de la cara de la columna; de hecho, la rigidez máxima de la unión se alcanza si el ancho de la placa es igual al ancho de la columna; 2) la resistencia se da más en función de la placa de refuerzo que en función del índice de anchura a espesor de la columna; y 3) las uniones con angulares de asiento distribuyen las cargas de las alas inferiores en la columna de manera más eficaz que las que sólo tienen platabandas. Nudo rígido p or refuerzo de las alas de una viga
Una alternativa interesante al reforzamiento de la cara de HSS es la expansión de las alas de una viga por medio de rigidizadores a fin de transferir directamente las fuerzas de las alas a las paredes laterales de la columna y muchas veces a toda la periferia de la cara de la HSS. Una de las investigaciones en esta área llevada a cabo por Ting xi y col. (1991) concluyó que el uso de rigidizadores para perfiles TD aumentan de manera eficaz la resistencia y rigidez de la unión. Se ha propuesto una diversidad de alternativas, las cuales se ilustran en las figuras 21a y 21b.
Figur a 21a
Figur a 21b
26
xii
Nudos r ígidos: Unión d e HSS a HSS
La terminología y las especificaciones empleadas para describir las uniones tubulares son importantes, aunque no siempre conocidas para quienes nunca han trabajado con este tipo de elemento. Las ramas son elementos que se unen para formar una estructura continua principal. En las uniones niveladas, las ramas y los elementos principales tienen el mismo ancho, mientras que en las uniones escalonadas las ramas son más angostas. Los nudos rígidos usados para unir columnas HSS a vigas HSS exigen la soldadura directa y se analizan mediante el examen del comportamiento, la resistencia y la flexibilidad de una cercha tipo Vierendeel en la que la unión transmite esfuerzo cortante y momento en una posición en "T" invertida, según se ilustra en la Figura 22 (con las diferencias del caso).
Figura 22. Diferencias de las u niones d e tubo a tub o.
Para efectos prácticos de diseño, el momento de capacidad de carga de una unión se determina de manera semejante al de las uniones en T de carga axial para HSS, donde la resistencia se caracteriza por una capacidad máxima de carga o por un límite de deformación o rotación. Nuevamente, el análisis de ruptura se aplica a la determinación de criterios de unión según se ilustra en la Figura 23 (Wardenheir, 1982). Esto supone que ni las soldaduras ni los elementos mismos son factores críticos.
Figura 23. Análisis por r uptur a de los nu dos r ígidos para la unió n de HSS a HSS
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Los tipos de ruptura en los que influye la geometría son los causados por distorsión o esfuerzo cortante de cizallamiento en la cara de la unión del elemento principal o por debilitamiento de las paredes laterales. En el caso de uniones que sufren flexión planar de la rama, las variables principales que influyen en la resistencia son las siguientes: 1). El índice de anchura o b/D 2). El D/T del elemento principal 3). El índice de espesor o t/T 4). El índice de profundidad de la rama a la anchura del elemento principal o h/D En vista de tantas variables, no es de sorprender que los criterios de diseño sean tan complicados. Sin embargo, CIDECT, un organismo internacional interesado en la construcción tubular, ha efectuado amplias pruebas y evaluaciones de uniones de tubo a tubo. Los investigadores Konig y Wardenheir (1985) concuerdan en que la resistencia y la rigidez flectora de uniones no rigidizadas disminuyen a medida que aumenta el índice de esbeltez de la cuerda (D/T) y disminuye el índice de anchura de la rama a la cuerda (b/D). Packer y Henderson han establecido complejos criterios de diseño de las uniones para tubos que exigen el uso de ecuaciones y monografías, las cuales exponen en su obra Design Guide for Hollow Structural Sections. A continuación se presenta un resumen de sus hallazgos: La mayoría de uniones Vierendeel para HSS presentan cierto grado de falta de rigidez. Por consiguiente, al calcular el momento y las deflexiones para este tipo de unión, es necesario conocer el grado de rigidez de la unión. La siguiente es una expresión empírica que aproxima el valor de rigidez de una unión de tubo a tubo:
(b D )2 (h b) 6 K = 560 × 10 , 3 ( D T )
(in − kips
rad )
Sin embargo, para efectos prácticos de diseño, el momento de capacidad de carga de una unión se puede calcular de manera semejante que para las uniones en T para HSS de carga axial. De hecho, la sección 10 del Código de soldadura estructural de la AWS detalla los criterios para las uniones de tubo a tubo. Estos criterios son de índole general para tubos rectangulares en una diversidad de configuraciones de cercha. Los criterios se basan en el esfuerzo cortante de punzonamiento a través del espesor de la pared del elemento principal. Se han hecho algunos ajustes a las constantes a fin de contemplar la ruptura por distorsión causada por la línea de relajamiento y compensaciones por debilitamiento de la red. Sin embargo, los criterios para las uniones de tubo a tubo con flexión planar se pueden deducir como sigue:
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Uniones escalonadas con b/D
0.85
El esfuerzo de flexión límite de la rama, f b, está dado por: t
f T b
donde
Q
y
Q Q Q
q q f f
≤
Q Q F q f y
.3( D T )
≤ 0.4 F
y
= 1 para b D ≤ 0.5 =
0.25 b D (1 − b D )
= 1 para
para b D > 0.5
f 0.6 F a y
= 1.2 − .5 f
a
≤ 0.44
0.6 F para f 0.6 F y a y
> 0.44
donde f a está representada por el esfuerzo sobre el elemento principal. Qq representa la constante que contempla el aumento de la resistencia de la pared para ramas anchas y Q f la constante que disminuye la resistencia de la pared cuando la columna soporta cargas axiales pesadas. Básicamente, los criterios limitan el esfuerzo de flexión de la rama a fin de prevenir una ruptura por distorsión de la pared del elemento principal, lo cual representa una función de D/t. Uno de los límites superiores de la ruptura consiste en que la fuerza cortante a través de la pared no debe ser superior al límite de cizallamiento. Qq aumenta la resistencia de la pared para ramas anchas, mientras que Qf disminuye esta resistencia cuando la columna soporta cargas axiales pesadas. Union es don de b/D > 0.8
En el caso de uniones niveladas o escalonadas donde b/D > 0.8, AWS ha establecido criterios esenciales de diseño. El diseño se basa en los tipos de falla más críticos: 1) la disminución de la capacidad de la rama (es decir, la anchura efectiva); y 2) la capacidad de carga o pandeo de la pared lateral de la cuerda. Las fuerzas de la pared lateral se basan en el límite total de cizallamiento del elemento principal para las uniones escalonadas y en el límite de la red del elemento principal para las uniones niveladas. Los criterios se redactan a manera de aplicarlos a la fuerza axial de la rama y resulta conservador usar la ecuación para b/D 0.8 cuando el valor de Qq se limita a 1.56, lo cual corresponde a b/D = 0.8. Las ecuaciones se pueden reordenar a fin de plantear índices limitantes para D/T en función de t/T para producir cierto grado de fatiga en la rama. D/T [ Qf Qq
pero no mayor que 8.33 Q f Qq como límite
Estos índices limitantes se trazan gráficamente en la Figura 24 para una fatiga permitida de la rama de 0.6 F y y Qf igual a uno para el grado de fatiga del elemento principal. La línea inferior representa Q q igual a uno y se aplica a b/D < 0.5. La línea superior representa el límite cuando b/D es igual a 0.8 y se puede usar con valores mayores del índice. Un grado mayor de fatiga en la rama o el elemento principal puede desviar las curvas hacia la izquierda, aunque no tendría ninguna influencia en la meseta. 29
En Canadá, Korol llevó a cabo algunas pruebas que demostraron que la transferencia total de momento en uniones niveladas no debe ocurrir a menos que D/T sea menor de 16. Esto parece conformar la tendencia que sugiere la Figura. 24. Si los límites de la Figura 24 no se cumplen, puede ser que el grado de fatiga de la rama haya disminuido o que la unión haya sido reforzada.
Figur a 24. Límit es de D/t y t/T.
Los criterios de AWS también permiten el análisis de la línea de relajamiento para uniones escalonadas cuando b/D < 0.8. Stockwell derivó el momento exacto con base en el análisis de la línea de relajamiento de la red de una columna W con una viga soldada a ella. Debido a que el patrón de la línea de relajamiento es semejante al que se observaría en la cara de una columna tubular, esta ecuación sólo se puede usar para uniones de tubo a tubo.
donde
M u
c=
⎡ (c + b)hT ( cD + h 2 )T 2 6hT 3 ⎤ ⎥ = F y ⎢ + + 12 2 c c ⎢⎣ ⎥⎦
D − b
2
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Uniones reforzadas para tubos Rigidizador de placas
El rigidizador del ala de la cuerda es el que causa menos obstrucciones y al mismo tiempo representa el método más sencillo de reforzar una unión de tubo a tubo, según se ilustra en la Figura. 25. Korol xiiiy col. (1982) crearon un análisis para líneas de relajamiento que condujo a la creación de los parámetros para placas de refuerzo que integran una resistencia suficiente para soportar la capacidad de flexión o capacidad axial de la estructura sobre la columna. Las siguientes son las recomendaciones de Korol para lograr uniones de resistencia total: 1. El ancho de la placa debe ser por lo menos igual que el ancho plano de la cara de la HSS tomada como ≥ bo - 4t o. 2. Por otro lado, la longitud debe ser el doble del ancho de la columna HSS, por ejemplo, 2b o. 3. el espesor de la placa depende de qué tipo de carga domina, axial o flectora. Para la capacidad total de compresión axial de la rama, t p ≥ 4 t 1 - to. Mientras que para el momento de capacidad total de carga de la rama, t p ≥ 0.63(b 1t1)0.5 - t o.
Figura 25. Refuerzo rigid izador de la p laca. Refuerzo por acartelamiento
Otra manera eficaz y estética de reforzar una unión es mediante el acartelamiento en 45 ° como se ilustra a continuación. De hecho, los recortes de la rama permiten un acartelamiento muy práctico por cualquiera de los extremos. Ambos métodos de refuerzo son apropiados para soportar momentos planares. Esta característica se ilustra a continuación en la Figura. 26.
Figura 26. Refuerzo po r acartelamiento.
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Elementos de unión ciegos
Recientemente, Huck International, Inc. desarrolló un nuevo tipo de elemento de unión ciego para casos en los que la parte posterior de la unión resulta inaccesible, como cuando se unen columnas HSS. De hecho, aparentemente los elementos de unión ciegos de alta resistencia tienen un buen potencial para nudos rígidos, según los resultados de las investigaciones de Mourad (1993). La Figura 27 ilustra la unión con elementos de unión ciegos de una viga en W y una columna HSS. En términos generales, es posible usar pernos roscados de torsión en las aplicaciones en las que el acceso a uno de los lados de la estructura sea difícil o esté restringido. El sistema de pernos roscados de torsión ofrece la expectativa de una mejora de la productividad del orden de 2 a 3 veces, lo cual es aun más notorio para las uniones de viga a columna tubular, donde ya no será necesario soldar, usar diafragmas ni efectuar ensamblajes laboriosos. El proceso de unión con este tipo de pernos permite al usuario armar parcial o completamente el conjunto en la zona de construcción. Huck International contempla empezar a producir comercialmente estos pernos a fines del primer trimestre de 1994.
Figura 27. Pernos d e Huck Internation al.
Además de los pernos creados por Huck International, el fresado de flujo (flow-drilling) es otro método de unión por pernos roscados. Este proceso consiste en forzar la formación de un orificio en una placa usando una fresa cónica de carburo girando a una velocidad suficiente como para producir calor en el metal y ablandarlo en un punto determinado. El material desplazado forma un cono truncado hueco o buje en la superficie interna y una elevación pequeña en la superficie externa. A continuación, se hace una rosca en el orificio con una terraja sin producir rebabas ni eliminar el material. Recientemente, este sistema se sometió a prueba y demostró potencial para usarse en el remachado de pernos roscados para columnas HSS. Sin embargo, esto supone el ofrecimiento de taladros de alta velocidad por parte del fabricante.
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Conclusiones
Las secciones estructurales huecas representan una opción excelente para ingenieros y arquitectos debido a su apariencia estética natural, a su eficacia estructural y a los ahorros considerables que ofrecen al usuario. Los conceptos más importantes de ahorro son por costo de materiales, costos de transporte y, cuando se usan como exposición estructural, el costo del ocultamiento estético del elemento. En el pasado, se tenía la idea de que las uniones de secciones estructurales huecas eran laboriosas y costosas. Sin embargo, no son tan difíciles de trabajar como pensaban muchos ingenieros. De hecho, existe abundante literatura de apoyo producto de investigaciones científicas tendentes a refinar los criterios de diseño de las HSS. Este folleto ha aprovechado estos recursos y tiene como objetivo ofrecer a los ingenieros ideas básicas sobre cómo efectuar uniones sencillas y nudos rígidos con HSS.
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