DISEÑO BÁSICO DE
CONEXIONES EN
ESTRUCTURAS DE ACERO
Ing. Octavio Alvarez Valadez
12, 13, 19 y 20 de julio 2019
1
Documentos de referencia
La última edición del Manual de Construcción en Acero de IMCA, que incluye las
siguientes especificaciones, códigos y Normas:
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Especificación para el Diseño de Estructuras de Acero del IMCA;
Especificación para Uniones Estructurales utilizando Tornillos de Alta
Resistencia;
Normas Mexicanas Seleccionadas para Fabricación de Acero Estructural del
IMCA:
ANSI/AWS D1.1. Código de Soldadura Estructural-Acero;
ANSI/AWS A2.4 Símbolos;
ANSI/AWS A3.0 Términos y Definiciones;
AWS Guía de Aseguramiento de Calidad en Soldadura para Fabricantes;
ANSI/AISC 341 Disposiciones Sísmicas para Edificaciones de Estructura de
Acero;
AISC Detallado para Construcción en Acero 3ra Ed;
SSPC-QP 3/IMCA 121-19 Certification Standard for Shop Application of
Complex Protective Coating Systems.
INTRODUCCIÓN
• Uno de los aspectos de mayor trascendencia en el diseño de
estructuras de acero para edificios es la concepción de las
diversas conexiones estructurales. La solución de éstas,
depende de numerosos factores: criterio y experiencia del
estructurista, forma y tamaño de las piezas que se van a unir,
tipos de solicitaciones que se presentan en los elementos
estructurales involucrados, tipos y características de los
sujetadores empleados (tornillos de alta resistencia y
soldadura) y del material de los miembros estructurales.
INTRODUCCIÓN
2
• La importancia de las conexiones, radica en la forma en
que se transmitirán las acciones a la estructura, de
acuerdo al modelo con que se hizo el análisis.
• La resistencia de la estructura depende del adecuado uso
de los métodos de conexión.
• Es conveniente que las conexiones soldadas se hagan en
taller y atornilladas en campo.
• La soldadura en campo se restringe en lo posible por las
condiciones del medio ambiente y la accesibilidad.
INTRODUCCIÓN
Conexiones estructurales trabe columna.
Existe una amplia variedad de conexiones y uniones
estructurales en edificios de acero y sus
componentes, aunque no todas se utilizan
comúnmente en nuestro medio. A pesar de la
importancia de las conexiones estructurales trabecolumna, en muchos casos no se presta la atención
necesaria en este aspecto fundamental, lo que puede
propiciar el comportamiento inadecuado de una
estructura e incrementar sustancialmente el costo de
la obra.
INTRODUCCIÓN
3
La elección de un tipo específico de una conexión, junta o
unión estructural depende de los siguientes factores:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Condiciones de la carga.
Tipo y espesor de los materiales conectados.
Resistencia requerida de la conexión.
Configuración del material.
Disponibilidad de equipo o herramientas y elementos de
unión.
Lugar de montaje, taller o campo.
Costo.
Experiencia de la mano de obra.
Normalización.
INTRODUCCIÓN
En nuestro medio, actualmente se
utilizan fundamentalmente tres tipos de
conexiones rígidas entre trabes y
columnas:
• conexión con placas horizontales,
• conexión con placa extrema y
• conexión tipo árbol.
Conexión rígida trabe columna atornillada.
Columna circular OC y trabes de sección
transversal “I”.
INTRODUCCIÓN
4
Las conexiones atornilladas presentan mejores ventajas cuando
se emplean en obra.
Las conexiones estructurales rígidas trabe columna atornilladas
pueden fabricarse a menor costo y con mayor rapidez en taller
mediante el uso de máquinas computarizadas de control
numérico CNC y el atornillado en campo elimina muchos de los
errores comunes que se cometen en estructuras diseñadas con
uniones soldadas.
INTRODUCCIÓN
Una estructura atornillada es un mecano, y solamente puede
armarse de una sola manera, no se deforma por la aplicación del
calor en las pocas soldaduras depositadas en campo. En una
conexión atornillada, con un porcentaje bajo de soldadura, todas
los tipos de éstas (de penetración completa y de filete), se hacen
en taller y las deformaciones ocasionadas por el calor durante el
proceso de soldadura, pueden corregirse antes de que la
estructura sea embarcada a obra. El montaje se vuelve mucho
más rápido y la calidad mucho más fácil de controlar. Es cierto
que por lo general las juntas atornilladas pesan ligeramente más
que las estructuras soldadas en campo, pero las ventajas que
proporcionan compensan en mucho este incremento de costo.
INTRODUCCIÓN
5
Conexión trabe columna con placa extrema.
Este tipo de conexión rígida trabe columna, es la que se
denomina “end plate “(placa extrema) y consiste en colocar
en taller, una placa vertical rectangular en los extremos de
las trabes y en este caso, los tornillos de alta resistencia
requeridos para la unión de las trabes con las columnas se
colocan horizontales.
Conexión atornillada trabecolumna con placa de extremo
INTRODUCCIÓN
La placa extrema debe garantizar la transmisión del
momento flexionante y de la fuerza cortante a la columna.
Debe tener dimensiones adecuadas para evitar la rotación
de la trabe respecto a su propio eje y ser lo
suficientemente flexible para permitir la rotación de la
trabe respecto a la columna. El uso frecuente y la gran
popularidad de las conexiones con placa extrema se
deben fundamentalmente a la sencillez y economía que
brinda su diseño, fabricación y montaje. Estas conexiones
tienen la ventaja de que requieren menor supervisión y el
tiempo de montaje en obra se reduce de manera
importante con relación a las conexiones totalmente
soldadas.
INTRODUCCIÓN
6
Conexión trabe columna con placas horizontales soldadas
en los patines de la trabe.
Esta junta rígida es una de las
más comunes en México;
consiste en colocar placas
horizontales
de
sección
rectangular prismática por
arriba y debajo de los patines
superior e inferior de la trabes
para transmitir el momento
flexionante de la columna a la
viga, y una placa vertical
rectangular en el alma de la
trabe para transmitir la fuerza
cortante.
INTRODUCCIÓN
Conexión trabe columna con placas
atornilladas en los patines de la trabe.
horizontales
Esta junta rígida. En este caso, los
tornillos que se colocan en las placas
a momento son perpendiculares a las
fuerzas de tensión y compresión
derivadas del momento flexionante, y
trabajan a cortante como ocurría con
las conexiones remachadas, aunque
por medio del apriete que se les
proporciona, en realidad trabajan a
tensión.
INTRODUCCIÓN
7
INTRODUCCIÓN
Conexión rígida trabe columna tipo árbol cien por ciento
atornillada en campo.
En el diseño de las conexiones
estructurales rígidas
trabe
columna atornilladas en México y
Japón hay una analogía, éstas
son resistentes a momento en las
dos direcciones ortogonales. Esta
unión se basa en el concepto de
columna tipo árbol, que ha sido
ampliamente utilizado en Japón,
en la que un tramo corto de la
trabe que se denomina muñón o
brazo, se fabrica y suelda en taller
directamente a los patines de la
columna.
INTRODUCCIÓN
8
Debido a que los perfiles de sección transversal “I” tienen
propiedades desfavorables en la dirección de menor
resistencia, en Japón se utilizan secciones estructurales
laminadas huecas, cuadradas, del tipo HSS (Hollow Structurals
Sections), de grandes dimensiones y fuertes espesores. La
conexión estándar en Japón es la de tipo árbol, las columnas
HSS se envían del taller en tramos de uno o dos niveles con
los muñones para recibir las trabes principales en las dos
direcciones perpendiculares. Para colocar los atiesadores o
placas horizontales requeridas en la conexión, la columna se
corta y se suelda por arriba y abajo con soldadura de
penetración completa.
INTRODUCCIÓN
Conexión rígida trabe-columna
tipo árbol
Conexión trabe-columna tipo
árbol de uso frecuente en Japón.
INTRODUCCIÓN
9
El uso de sección cruciforme para las columnas, facilita la
colocación de atiezadores para transmitir los momentos en las
conexiones trabe-columna
INTRODUCCIÓN
Capítulo J
Diseño de Conexiones
J1. Disposiciones generales
J2. Soldaduras
J3. Tornillos y partes roscadas
J4. Componentes de la conexión que son parte
de los miembros y elementos de conexión
J5. Elementos de relleno
J6. Empalmes
J7. Resistencia al aplastamiento
J8. Bases de columnas y apoyo sobre concreto
J9. Anclas de columnas
J10. Patines y almas bajo fuerzas concentradas
INTRODUCCIÓN
10
Se define como Conexión, al conjunto de elementos que unen cada miembro
a la junta, placas o ángulos por patines y/o alma, soldaduras, tornillos de alta
resistencia y,
Junta: como la zona completa de intersección de los miembros
DEFINICIONES
Conjunto de elementos que se intersectan en un nodo con el fin
de trasmitir esfuerzos entre sí apegándose a las condiciones del
modelo ideal de la estructuración, las conexiones pueden ser
unidas mediante tornillos de alta resistencia y/o soldadura.
DEFINICIONES
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CONEXIONES SIMPLES
Las conexiones simples de trabes, vigas y armaduras, se pueden
diseñar flexibles, con capacidad para resistir solamente fuerzas
cortantes. En las conexiones flexibles de vigas, se debe considerar el
giro de los extremos de vigas simples. Se permite en la conexión
alguna deformación inelástica limitada para que puedan girar los
extremos de vigas simples. En el caso de vigas I, se considera que el
alma absorbe el cortante, por lo que para este tipo de conexiones, se
conectará solamente el alma
DEFINICIONES
CONEXIONES A MOMENTO
En el caso de conexiones rígidas en los extremos de trabes y vigas, se
debe considerar los efectos combinados de las fuerzas resultantes del
momento y el cortante inducidos para restringir el giro.
En las conexiones de momento, se consideran dos tipos:
a) Conexiones de momento totalmente restringidas (TR), transmite
momento con rotación despreciable entre los elementos
conectados. Debe tener suficiente resistencia y rigidez para
mantener el ángulo entre elementos conectados hasta alcanzar el
estado límite de resistencia última.
b) Conexión de momento semirrígida o parcialmente restringida
(PR). Transfiere momento, pero la rotación entre los elementos
conectados no es despreciable. En el análisis debe incluirse la
relación fuerza-deformación de la conexión.
DEFINICIONES
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Conexión Simple
Conexión Semi rígida
Conexión restringida
DEFINICIONES
Ejemplos de conexiones
Conexiones de vigas
Viga con trabe
Trabe a columna
Otras (contraventeos, placas de base, etc.)
Consideraciones
Restricción al giro
Conexión de cortante
Conexión de momento
Restricción total
Restricción parcial
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DEFINICIONES
DRP (ASD)
DFCR (LRFD)
Rígida
Tipo I
Totalmente
Restringida
Simple
Tipo II
Parcialmente
Restringida
Semi – Rígida
Tipo III
Parcialmente
Restringida
DEFINICIONES
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Tendencias actuales y futuras de las conexiones estructurales trabe-columna.
En la actualidad no existe un consenso gremial para determinar cuál de las tres
conexiones trabe columna son más convenientes en estructuras de acero para
edificios convencionales, aunque las tendencias actuales y futuras reflejan el
diseño de conexiones estructurales trabe columna-atornilladas. Esto se debe a
las siguientes razones:
1. Facilidad y rapidez constructiva durante el montaje de la estructura.
2. Necesidad de una fabricación precisa y de buena calidad en taller,
debido a que se requieren holguras pequeñas y tolerancias más
estrictas.
3. Reducción de riesgos climáticos que afectan el proceso de soldadura en
obra.
4. Inspección visual sencilla y económica.
5. Herramientas y equipo sencillos en obra que se pueden llevar a
cualquier sitio para colocar los tornillos de alta resistencia.
6. Métodos de control de calidad sencillos.
Conexiones Simples
DEFINICIONES
15
Conexiones Simples
DEFINICIONES
Conexiones Simples
DEFINICIONES
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Conexiones Simples
DEFINICIONES
Conexiones Simples
DEFINICIONES
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Conexiones Rígidas
DEFINICIONES
Conexiones Rígidas
DEFINICIONES
18
Conexiones Rígidas
DEFINICIONES
Conexiones Rígidas
DEFINICIONES
19
Conexiones Semi - Rígidas
DEFINICIONES
Conexiones Semi - Rígidas
DEFINICIONES
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Conexiones Semi - Rígidas
DEFINICIONES
Ejemplo de conexión simple de columna a cimentación
DEFINICIONES
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Ejemplo de conexión a momento en columna y cimentación
DEFINICIONES
Ejemplo de conexión simple con rotación de columna a cimentación
DEFINICIONES
22
Ejemplo de conexión simple de columna a cimentación
DEFINICIONES
Ejemplo de conexión simple Viga – Trabe (sólo se conecta el alma de la
viga)
DEFINICIONES
23
Ejemplo de conexión simple Viga – Trabe (sólo se conecta el alma de la
viga)
DEFINICIONES
24
Ejemplo de conexión de diagonales a columnas
DEFINICIONES
25
Ejemplo de conexión a momento de trabe-columna y junta plástica en
la misma trabe
DEFINICIONES
Ejemplo de conectores de cortante con perno “Nelson”
DEFINICIONES
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SOLDADURA
Ejemplo de conectores de cortante con LI
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS MATERIALES DE UNIÓN
Los elementos de unión tales como los tornillos de alta resistencia y la
soldadura son los que se encargarán de que las conexiones funcionen de
manera adecuada ylas proveande seguridad.
Si bien es cierto que en la actualidad las conexiones soldadas en el
campo tienden a desaparecer por la llegada de los tornillos de alta
resistencia, también es cierto que la soldadura jamás desaparecerá en
su totalidad del taller de fabricación de estructuras, ya que será
indispensable su uso sobretodo en placas de conexión tipo End-Plate.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
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SOLDADURA
El diseño de la unión o junta soldada debe realizarse
principalmente con base en los requisitos de carga. Sin embargo,
las variables en el diseño y en los planos, pueden afectar en forma
importante los costos de una estructura de acero.
FINALIDAD DE LA UNIÓN SOLDADA
Las uniones soldadas están diseñadas ante todo para cumplir con
los requerimientos de resistencia y seguridad para las condiciones
de servicio que van a desempeñar.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
RESISTENCIA DE LAS SOLDADURAS
SOLDADURA
Suposiciones:
• La falla se presenta siempre por cortante en la garganta, cualquiera que
sea el tipo de solicitación.
• Las fuerzas cortantes se distribuyen uniformemente en la superficie de
falla, en toda la longitud del cordón.
• El material de las soldaduras es elástico, homogéneo e isótropo.
• Se desprecia las deformaciones de las partes conectadas
• Solamente se tienen en cuenta los esfuerzos de las cargas exteriores,
ignorando los esfuerzos residuales y las concentraciones de esfuerzos
• La respuesta de la soldadura es elástica hasta la falla.
• Los esfuerzos de calculan con las fórmulas de la resistencia de materiales.
• Las acciones nominales totales se obtienen sumando vectorialmente los
productos por cada solicitación.
• El tamaño del filete se selecciona en función del esfuerzo máximo.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
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SOLDADURA
• Las soldaduras más comúnmente aceptadas son las que se efectúan con fusión y
sin presión.
• La soldadura de Arco Eléctrico (AE), es el proceso que emplea el arco eléctrico
como fuente de calor para fundir el metal de aportación con el metal base. El AE
se crea al pasar una corriente eléctrica por una abertura en un circuito entre el
metal base (pieza) y el metal de aportación (electrodo).
• En el proceso TIG (SMAW), el arco eléctrico que se establece entre el electrodo
de tungsteno y el metal base, es la fuente de calor que funde ambos y consigue
la unión de las piezas al solidificarse el baño. Metal de aporte, si se usa, se
alimenta manualmente en el baño de la soldadura cuando se suelda en TIG.
• GMAW, comúnmente conocida como soldadura MIG, es un proceso de
soldadura al arco en el que se establece un arco eléctrico entre un hilo y las
piezas a soldar produciendo la fusión y la unión de ambas.
• El AE, se consigue por medio de una máquina que transforma la corriente de
alto voltaje y bajo amperaje en corriente de bajo voltaje y alto amperaje.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
Procesos de Soldadura de AE
SOLDADURA
1. Soldadura de AE con electrodo cubierto (SMAW). Shielded
Metal Arc Welding.
2. Soldadura de AE con electrodo sumergido (SAW). Submerged
Arc Welding.
3. Soldadura de AE protegida con gases (GMAW). Gas Metal Arc
Welding.
4. Soldadura de arco eléctrico con electrodo con núcleo fundente
(FCAW). Flux Core Arc Welding.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
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Soldadura de AE con electrodo recubierto SMAW
SOLDADURA
• La unión se logra por calor generado por AE.
• No se emplea presión y hay metal de aportación o de relleno en la
fusión del electrodo y en ocasiones de partícula metálicas que
forman parte del recubrimiento.
• El electrodo es una varilla de acero recubierta de materiales
orgánicos o inorgánicos, o una mezcla de ambos.
• En la práctica se limita a soldar manualmente.
• El recubrimiento produce gases que protegen al arco y el metal
fundido de la atmósfera, proporciona agentes fundentes y
materiales formando escorias que controlan la viscosidad del
metal de soldadura y cubren mientras se solidifica, protegiéndolo
de la oxidación, retrasando su enfriamiento y controlando la
forma de la soldadura y contiene escoria que purifica el metal
fundido.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
La velocidad de avance y velocidad de aportación dependen del soldador.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
30
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
31
SOLDADURA
Soldadura de AE con electrodo sumergido (Arco sumergido)
• La unión se logra por medio del calor de uno o varios arcos
eléctricos formado por uno o varios electrodos de metal y el
metal base. La soldadura se protege con una capa de material
granular fusible( fundente), sobre el metal.
• No se emplea presión, el material de relleno se obtiene de
electrodo y a veces del fundente.
• El AE se produce del aire, como en el proceso SMAW, pues en
el extremo el electrodo está sumergido en el fundente que se
deposita en la junta antes de que llegue el alambre.
• Produce buena penetración.
• La velocidad de avance y velocidad de aportación están
automatizadas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
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SOLDADURA
• El electrodo metálico desnudo es alimentado por carrete y
depositado como metal de aportación.
• El haz de soldadura es protegido de la atmosfera circundante
por un montículo de material granular fundible.
• Sólo se usa en posición horizontal y plana.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Soldadura de AE protegido con gases GMAW
• La unión se logra por medio del calor de un AE formado por un
electrodo de metal y el metal base y se protege con un gas.
• El gas fluye de una copa invertida colocada alrededor del
electrodo y protege a éste, al arco y al metal fundido de los
efectos adversos del oxígeno y el nitrógeno del aire.
• El flujo del gas desplaza el aire alrededor del arco evitando que
se formen óxidos, lo que elimina la necesidad de usar fundentes.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
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SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
34
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Soldadura de AE con electrodo de núcleo de fundente FCAW
El metal de aportación se proporciona por medio de un electrodo
tubular continuo que contiene en su centro, ingredientes que
generan todo el gas necesario para proteger el arco o parte de él. En
este segundo caso se usa como auxiliar, que se introduce en el
proceso de manera similar a como se hace en la soldadura
protegida por gases.
El fundente del núcleo del electrodo puede estar compuesto por
minerales, ferroaleaciones y materiales que proporcionan gases
protectores, desoxidantes y escorias para dar forma a la soldadura.
Los materiales del núcleo promueven la estabilidad del arco y
mejoran las propiedades mecánicas y la forma de la soldadura.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
35
SOLDADURA
El proceso es similar al GMAW.
La diferencia es que el tubo de acero tiene un núcleo central lleno de
fundente.
Con este proceso es posible soldar con o sin gas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Metal de aportación
• Al efectuar una soldadura se funde la región del metal base
situada frente al electrodo, el metal base fundido se mezcla con el
de aportación, que se encuentra también en estado líquido;
cuando posteriormente se solidifica la mezcla de los dos metales,
une las dos partes entre las que se colocó el metal de aportación.
• La soldadura formada por varios metales mezclados en estado
líquido y solidificados, los dos factores son importantes en las
propiedades finales; pueden ser poco o muy diferentes de las del
metal base, puesto que la forman proporciones variables de
ambos, y ha estado sometida a un ciclo térmico muy complejo.
• El metal de aportación es el que proporciona una manera efectiva
de controlar la composición final y las propiedades mecánicas de
la soldadura.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
36
Metal de aportación
SOLDADURA
Origen y comportamiento:
• El metal base (porcentaje variable)
• Metal de aportación, electrodo consumible (mayo porcentaje)
• En metal incluido en el fundente.
No es suficiente con utilizar un metal de aportación con la
composición química del metal base, porque no se alcanzan las
propiedades al fundirse y volver a solidificarse. Es por eso que el
electrodo tiene una composición química especialmente diferente y
mayor resistencia.
El electrodo más conveniente para soldar un acero determinado
deben conocerse las propiedades de mayor importancia de la
soldadura final.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
La primer característica a considerar es la resistencia de la
soldadura. No es recomendable usar metal de aportación con una
resistencia mucho mayor que la del metal base, ya que este
aumento de resistencia, puede afectar a la ductilidad que ocasionan
concentración de esfuerzos indeseables.
Los electrodos se clasifican por su resistencia, diseñados para
depositar un metal que combinado con el metal base posea
ductilidad y tenacidad adecuadas.
Propiedades de la soldadura de acuerdo a su uso, por ejemplo si la
estructura queda expuesta a la intemperie sin protección, su
resistencia a la corrosión debe ser igual a la del metal base
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
37
SOLDADURA
Clasificación de los
electrodos.
Se clasifican en base a las
propiedades mecánicas del
metal de soldadura en
condiciones finales de
solidificación sin someterse
a tratamientos posteriores,
características del
recubrimiento o fundente,
las posiciones en que se
emplean y la corriente
empleada.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Las diferentes características de operación de varios electrodos son
atribuidas al revestimiento. El alambre es generalmente del mismo tipo;
acero al carbón A.I.S.I 1010 que tiene un porcentaje de carbono de 0.080.12C% para la serie de electrodos más comunes.
En la especificación tentativa de electrodos para soldar hierro dulce, la
A.W S. ha adoptado una serie de 4 ó 5 números siguiendo a la letra E,
esta letra E significa que el electrodo es para soldadura por arco.
Las dos primeras cifras de un número de 4, o las 3 primeras de 5
significan la resistencia mínima a la tracción en miles de libras por
pulgada cuadrada del metal depositado.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
38
SOLDADURA
El tercer o cuarto dígito, que es un 1, un 2 o un 4, indica la posición o
posiciones en que pueden obtenerse soldaduras satisfactorias.
“1” electrodos adecuados en cualquier posición, plana horizontal, vertical
o sobre cabeza.
“2” a los que pueden depositar soldaduras de penetración en posición
plana y de filete en horizontal y plana.
“4” en E## 4, indica que el electrodo es adecuado para soldaduras
verticales depositadas de arriba hacia abajo.
Finamente los dos últimos dígitos, tomados en conjunto se refieren a las
características de la corriente que debe emplearse y a la naturaleza del
recubrimiento.
El recubrimiento del electrodo tiene dos propósitos: Formar una protección
gaseosa para prevenir que las impurezas que hay en la atmósfera puedan
introducirse en la soldadura y contiene escoria que purifica el metal
fundido.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
39
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
40
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
41
CLASIFICACIÓN DE ELECTRODOS
Diámetro
Clasificación AWS
Pulg
mm
3/32 2.4
1/8
3.2
E 6010 (S)
5/32 4.0
3/16 4.8
1/8
3.2
E 6010 (P)
E 6011
Long.
14"
14"
14"
14"
14"
5/32
4.0
14"
3/16
4.8
14"
3/32
2.4
14"
1/8
3.2
14"
5/32
4.0
14"
1/8
3.2
14"
5/32
4.0
14"
Características
Usos y Aplicaciones
Alta penetración, toda posición, Trabajos de fondeo y/o de raíz.
poca escoria, calidad radiográfica y Fabricación de recipientes a
buena aplicación. Utilizar C.D. P.I. presión, estructuras, oleoductos,
(+)
carrocerías y pailerías.
Arco fuerte y penetrante. Calidad Astilleros, constructoras, líneas
radiogràfica. C.D. P.I (+)
de conducción, pailería y
plataformas marinas.
Recomendado para aceros al
carbono.
Toda posición, buen acabado, Fabricación de estructuras ligeras
calidad radiográfica y rendimiento y pesadas, tanques, carrocerías,
dentro de su genero. Utilizar C.A. cobertizos, recipientes a presión,
C.D. P.I. (+)
herrería y ventanería.
Arco suave, alto rendimiento al
Fabricación de tanques,
deposito, escoria de fácil
maquinaría, estructuras, vigas
desprendimiento y calidad
tipo "I" y "H". Reconstrucción de
radiográfica. Buenas propiedades ejes y flechas, bases y cubiertas
mecánicas, similares al E 7018, soldadas. Metal mecánica ligera y
solo en posición plana y horizontal.
pesada.
Utilice C.A. C.D. P.D. ó P.I.
E 7024
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
CLASIFICACIÓN DE ELECTRODOS
Diámetro
Clasificación AWS
Pulg
mm
3/32 2.4
1/8
3.2
E 7018
5/32 4.0
E 7018 (PLUS)
E 9018 B3
Long.
14"
18"
18"
3/16
4.8
18"
3/32
1/8
5/32
3/16
2.4
3.2
4.0
4.8
14"
18"
18"
18"
1/8
3.2
14"
5/32
4.0
14"
3/16
4.8
14"
1/8
3.2
14"
5/32
4.0
14"
E 9016 B3
Características
Usos y Aplicaciones
Buen encendido y reencendido, Fabricación de maquinaria y de
calidad radográfica, depositos de estructuras pesadas sujetas a
alta calidad metalurgica. Utilizar cargas dinámicas. En la industria
C.D. P.I.
petrolera, petroquímica,
cementera, pailería y astilleros.
Depósitos de elevada calidad
Fabricación de recipientes a
radiográfica, altos valores de
presión, calderas, tuberías,
tenacidad a baja temperatura. plataformas marinas, astilleros,
Utilizar C.D. P.I.
etc.
Alta resistencia a la tensión y
Soldadura de aceros de baja
calidad radiográfica. Su
aleación. Fundiciones de forja,
composición química y bajo
calderas de mediana aleación y
contenido hidrógeno permiten tuberías de cromo - molibdeno.
aplicarlo con mayor seguridad y
Temperatura de servicio de
confianza en diversos tipos de
hasta 600° C
acero C.D. P.I.
Arco suave y estable, poco
Mantenimiento de fluxes,
chisporroteo, mediana
espejos y cuerpos de calderas.
penetración, escoria de fácil
Construcción de implementos
desprendimiento, aleado con
agricolas y tuberías de alta
Cromo - Molibdeno. Calidad
presión. En la industria electrica,
radiográfica. Utilizar C.D. P.I. o C.A.
petrolera, petroquimica y
agroindustrial. Temperatura de
servicio de hasta 600° C.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
42
SOLDADURA
De acuerdo con las especificaciones de diseño, se utilizará el
electrodo, o la combinación de electrodo y fundente,
adecuados al material base que se esté soldando, teniendo
especial cuidado en aceros con altos contenidos de carbón u
otros elementos aleados, y de acuerdo con la posición en que
se deposite la soldadura. Se seguirán las instrucciones del
fabricante respecto a los parámetros que controlan el proceso
de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad y tipo de
corriente. La resistencia del material depositado con el
electrodo será compatible con la del metal base.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
Propiedades Químicas.
Elemento
ASTM A 36
C (máx)
Mn (máx)
P (máx)
S (máx)
Si (máx)
Cu (mín)
Ni (máx)
Cr (máx)
Mo (máx)
V (máx)
Cb o Nb (máx)
Fy (kg/cm2)
0.26
•••
0.04
0.05
0.40
0.20 *
•••
•••
•••
•••
•••
2530
0.23
1.60
0.04
0.05
0.40
0.20 *
•••
•••
•••
0.01 - 0.15
0.005 - 0.05
3515
0.26
1.60
0.04
0.05
0.40
0.20 *
•••
•••
•••
0.01 - 0.15
0.005 - 0.05
4200
ASTM A 992 /
AISC A 572 - 50
0.23
0.50 - 1.60
0.035
0.045
0.40
0.60 ᴬ
0.45
0.35
0.15
0.15
0.05
3515 - 4570
4570
18
21
5300
16
18
4570 **
18
21
ASTM A 529 - 50 ASTM A 572 - 50 ASTM A 572 - 60
0.27
1.35
0.04
0.05
0.40
0.20 *
•••
•••
•••
•••
•••
3515
Fu (kg/cm2)
4080 - 5620
4920 - 7030
Elong. en 200 mm (mín,%)
20
18
Elong. en 50 mm (mín,%)
21
21
••• Indica que no tiene un
contenido máximo.
* Solo se coloca en la composición cuando así se especifique.
** La relación entre Fy/Fu no excederá el valor de 0.85.
A
Indica contenido máximo.
2
Fy = Esfuerzo de Fluencia, kg/cm
2
Fu = Resistencia a la Ruptura por Tensión, kg/cm . Cuando se indican 2 valores, el segundo es el
máximo admisible.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
43
CORRELACIÓN DE LAS NMX Y ASTM DE ACEROS ESTRUCTURALES
Nomenclatura
NMX
ASTM
B-254
A36
B-99
A529
B-282
A242
B-284
A572
A992
A53
A500
A501
A588
B-177
B-199
B-200
A709
A913
MPA
250
345
380
320
345
290
345
414
450
345
240
320
250
345
250
345
485
690
620
345 a 483
Fy
Kg/cm2
2,530
3,515
3,880
3,235
3,515
2,950
3,515
4,220
4,570
3,515
2,460
3,235
2,530
3,515
2,550
3,515
4,950
7,036
6,322
3,515 a 4,920
Ksi
36
50
55
46
50
42
50
60
65
50
35
46
36
50
36
50
70
100
90
510 a 713
MPA
400 a 550
485
485
460
485
414
450
515
550
450 a 620
414
430
400
483
400
450
585
585
690
448 a 620
Fu
Kg/cm2
4,080 a 5,620
4,950
4,950
4,710
4,920
4,220
4,570
5,270
5,620
4,570 a 6,330
4,220
4,360
4,080
4,920
4,080
4,590
5,965
7,750
7,040
4,570 a 6,330
Ksi
58 a 79
70
70
67
70
60
65
75
80
65 a 90
60
62
58
70
58
65
85
85
100
510 a 713
1 Norma Mexicana
2 American Society for Testing and Materials
3 Valor mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente al límite inferior de fluencia del material.
4 Esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión. Cuando se indican dos valores, el segundo es el máximo admisible
5 ASTM especifica varios grados de acero A500, para tubos circulares y rectangulares.
6 Para perfiles estructurales; placas y barras ASTM especifica varios valores, que dependen del grueso del material.
7 Depende del grado; ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Para que una soldadura sea compatible con el metal base, tanto el
esfuerzo de fluencia mínimo, Fy, como el esfuerzo mínimo de ruptura en
tensión del metal de aportación depositado, FEXX, sin mezclar con el metal
base, deben ser iguales o ligeramente mayores que los correspondientes
del metal base. Por ejemplo, las soldaduras manuales obtenidas con
electrodos E60XX o E70XX, que producen metal de aportación con
esfuerzos mínimos especificados de fluencia de 3400 y 3 700 kg/cm² (331 y
365 MPa), respectivamente, y de ruptura en tensión de 412 y 481 MPa
(4200 y 4900 kg/cm²), son compatibles con el acero ASTM A36 y ASTM A
992, cuyos esfuerzos mínimos especificados de fluencia y ruptura en
tensión son 2530 y 4080 kg/cm2 y 3515 y 4570 kg/cm2, respectivamente.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
44
SOLDADURA
SOLDABILIDAD
Es la capacidad del material de ser
soldado bajo las condiciones de
fabricación impuestas en una
estructura específica, diseñada
adecuadamente para comportarse
satisfactoriamente en el servicio
previsto.
Es la propiedad fundamental del
metal base para obtener uniones
soldadas sanas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
CARBONO EQUIVALENTE (CE)
Existen 3 fórmulas empíricas para calcular el carbono equivalente y determinar la
soldabilidad de los aceros estructurales:
A) CE = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + Cb + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (1)
B) CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (2)
C) Pcm = CE = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B (3)
1) Para aceros ASTM A 36, A 529 G 50 debe ser menor a 0.55%
2) Para aceros ASTM A 992, A 572 G 50, A 572 G 60 debe ser menor a 0.47%
3) Se Utiliza para HSLA y el valor máximo permisible es de 0.23%
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
45
SOLDADURA
FACTORES MÁS IMPORTANTES QUE AFECTAN LA SOLDABILIDAD
SOLDABILIDAD
Debe evitarse la soldadura de campo debido a las siguientes condiciones:
Si está lloviendo, nevando o hay temperaturas inferiores a -18°C
A ciertas temperaturas se requiere precalentar el material.
Consultar el AWS D1.1 para precalentamiento.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
El fabricante y el montador de
la estructura de acero deben
asegurarse
de
que
los
proyecto, estén capacitados y
calificados y que tengan la
experiencia necesaria para
desarrollar
su
trabajo,
cumpliendo al pie de la letra
las instrucciones recibidas del
diseñador
o
calculista,
mediante la simbología que se
presenta en los dibujos o
planos del proyecto.
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
46
SOLDADURA
La especificación del procedimiento
de soldadura (WPS), conforme a la
Cláusula 3 Prequalification of WPSs
del código de soldadura Structural
Welding Code- en vigor, Steel: AWS
D1.1/D1.1M:2018 considera los
factores antes mencionados, para el
tipo de unión soldada que
determina el diseñador o calculista.
El fabricante y el montador son
responsables del cumplimiento de
la especificación del procedimiento
de soldadura (WPS).
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
El diseñador o calculista
determina que cargas se van a
transferir, la geometría o
configuración de la junta que
considera práctica para la
transferencia de dichas cargas,
y el tipo y tamaño de las
soldaduras que se utilizarán en
esa unión.
El código de soldadura estructural en vigor no exime al diseñador o
calculista de usar los criterios de ingeniería para determinar la
conveniencia de la aplicación de las uniones o juntas precalificadas en
una conexión o estructura soldada.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
47
SOLDADURA
El diseñador o calculista debe
considerar:
1- Si la unión es accesible para los
soldadores e inspectores.
2- Si el diseño considera los
factores
económicos de
la
soldadura.
3- Si la unión se puede tratar
térmicamente después de soldar
(postcalentamiento), en caso de
que la unión produzca excesivos
esfuerzos residuales.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Requisitos básicos de una conexión trabe-columna.
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 (ductilidad).
Economía. La conexión debe ser económica razonablemente.
Facilidad de fabricación y montaje. La conexión debe permitir que su
fabricación en taller y armado en obra sea rápido y sencillo.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
48
SOLDADURA
TIPOS DE JUNTAS SOLDADAS
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
En las especificaciones de diseño de estructuras de acero se
consideran cuatro tipos de soldaduras:
SOLDADURA
1. Soldaduras de filete. Se obtienen depositando un cordón de metal de aportación
en el ángulo diedro formado por dos piezas. Su sección transversal es
aproximadamente triangular.
2. Soldaduras de penetración. Se obtienen depositando metal de aportación entre
dos placas que pueden, o no, estar alineadas en un mismo plano. Pueden ser de
penetración completa o parcial, según que la fusión de la soldadura y el metal
base abarque todo o parte del espesor de las placas, o de la más delgada de
ellas.
3. Soldaduras de tapón. Las soldaduras de tapón se realizan en placas traslapadas,
rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero, circular, hecho
en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra placa.
4. Soldaduras de ranura. Las soldaduras de tapón y de ranura se hacen en placas
traslapadas, rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero,
circular o alargado, hecho en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la
otra.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
49
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Soldaduras de filete.
La mayoría de las soldaduras usadas para unir piezas de acero
estructural son de filete.
La sección transversal de las soldaduras de filete se determina
multiplicando la longitud efectiva Lwe por el tamaño de la garganta
efectiva.
Las juntas de soldaduras de filete tienen dos superficies
aproximadamente en ángulos rectos, unos a otros en juntas
traslapadas, te y de esquina.
Las soldaduras de ranura se especifican cuando la soldadura de filete
no es adecuada para esa unión.
Porque la configuración de las piezas no permite la soldadura de filete.
Se requiere una resistencia mayor que la provista por la soldadura de
filete
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
50
SOLDADURA
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Nomenclatura de la soldadura de filete
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
51
Área efectiva en Soldadura de Filete
El área efectiva de una soldadura de filete se considera como la longitud de
soldadura multiplicada por la garganta efectiva. La garganta efectiva de una
soldadura de filete es la menor distancia de la nariz hasta la superficie de la
soldadura.
Limitaciones
El tamaño mínimo del espesor de soldadura de filete no será menor que el
que se requiere para resistir las fuerzas calculadas, ni menor que el tamaño
que se muestra en la tabla 2.4. Esta disposición no aplica para refuerzo de
soldaduras de filete en soldaduras a tope.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
Tamaño mínimo de soldadura de filete
SOLDADURA
Los tamaños mínimos admisibles de soldaduras de filete son los que se
muestran en la tabla J2.4, Especificaciones IMCA 5a Edición. El tamaño de
la soldadura queda determinado por la más gruesa de las partes unidas,
pero no es necesario que exceda el grueso de la parte más delgada. El
objeto de este requisito es evitar cambios perjudiciales en la estructura
cristalina del acero, producidos por el rápido enfriamiento de las soldaduras
pequeñas depositadas en material grueso.
TABLA J2.4 del Manual IMCA 5ª Edición
Mínimo tamaño de las soldaduras de filete
Espesor del material de la parte más delgada
Mínimo tamaño de la soldadura de filete,
de la unión, mm
[a] mm
Hasta 6 inclusive
3
Más de 6 hasta 13
5
Más de 13 hasta 19
6
Más de 19
8
[a]
Dimensión de la pierna de las soldaduras de filete. Se deben usar soldaduras de un solo paso
.Nota: El tamaño máximo de las soldaduras de filete se establece en la Sección J2.2b.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
52
SOLDADURA
2. Tamaño máximo.
El tamaño máximo de las soldaduras de filete colocadas a lo largo de los
bordes de placas o perfiles es:
En los bordes de material de grueso menor que 6 mm., el grueso del
material.
En los bordes de material de grueso igual o mayor que 6, el grueso del
material menos 2 mm, excepto cuando se indique en los dibujos de
fabricación que la soldadura deberá depositarse tomando las medidas
necesarias para obtener un tamaño igual al grueso del material. La
distancia entre el borde de la soldadura depositada y el de la placa puede
ser menor que 2 mm, pero el tamaño de la soldadura debe poderse
verificar sin dificultad.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
Longitud mínima efectiva
• La longitud efectiva de cualquier segmento de soldadura de filete intermitente,
no será menor que cuatro veces el tamaño de la soldadura, con un mínimo de 40
mm.
Lw ≥ Lw min = 4W o We = Lw/4
A efectiva Aw = Lw * te
La longitud efectiva Lw es la distancia extremo a extremo de todo el filete menos
dos veces el tamaño nominal de la soldadura, para considerar los cráteres.
53
SOLDADURA
Cuando se usan filetes de soldadura depositados únicamente en
los bordes longitudinales de conexiones de placas en tensión, la
longitud de cada filete no debe ser menor que la distancia entre
ellos, medida perpendicularmente a su eje. La separación
transversal de filetes longitudinales utilizados en conexiones en
extremos de los miembros no debe exceder de 200 mm (8”), a
menos que se tomen medidas especiales para evitar una flexión
transversal excesiva, como colocar una soldadura transversal en
el extremo o usar soldaduras intermedias de tapón o ranura.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
La longitud efectiva de las soldaduras de filete paralelas a la dirección de
la fuerza, utilizada para transmitir una carga axial al extremo de un
miembro, es igual a la longitud total cuando ésta no excede de 100
veces el tamaño de la pierna. Si es más larga, la longitud efectiva se
obtiene multiplicando la real por un factor de reducción , que vale:
 = 1.2 – 0.002(L/w)  1.0
(J2-1)
donde:
L longitud real de la soldadura con carga en extremos, cm (mm) y
w tamaño de la pierna de la soldadura, cm (mm)
Si L > 300w,
Lwe = 180w
El factor de reducción no se aplica, entre otros casos, a soldaduras que unen
entre sí placas o perfiles para formar una sección compuesta, o a las
soldaduras que unen los atiesadores intermedios al alma de las vigas,
cuando no se usa la resistencia posterior al sondeo, pues no están sujetas a
esfuerzos axiales, ya que su único objeto es mantener el alma plana.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
54
SOLDADURA
Soldaduras intermitentes.
Pueden usarse soldaduras de filete intermitentes cuando la resistencia
requerida es menor que la de una soldadura de filete continua del tamaño
permitido más pequeño; también pueden utilizarse para unir elementos
componentes de miembros compuestos. La longitud efectiva de un
segmento de una soldadura intermitente no será nunca menor que cuatro
veces el tamaño de la soldadura, con un mínimo de 38 mm.
Lwe ≥ 4w; Lwe ≥ 38 mm
• La separación longitudinal de la
soldadura de filete intermitente, no será
mayor que 24 veces el espesor de la
placa mas delgada, ni mayor de 300 mm.
• La separación longitudinal de soldadura
intermitente, que conectan dos o mas
perfiles entre sí, no excederá de 600 mm.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE
LOS MATERIALES DE UNIÓN
SOLDADURA
Soldadura intermitente solo se realiza mediante el proceso SMAW. No es
recomendable para soldaduras expuestas. No se permiten soldaduras
intermitentes de ranura. La longitud efectiva Lwe debe ser:
Lwe ≥ 4w ; Lwe ≥ 38 mm
55
SOLDADURA
Soldaduras longitudinales, transversales e inclinadas.
Soldaduras de filete longitudinal sometidas a esfuerzos cortantes
máximos en la garganta a 45 grados.
Soldaduras de filete transversales la garganta queda sujeta a esfuerzos
cortantes como de tensión (o de compresión).
Soldadura transversal más fuerte que la longitudinal
SOLDADURA
Soldaduras de penetración.
Después de las soldaduras de filete, las de penetración son las que más se
usan en juntas soldadas. Su aplicación en estructuras de acero es del orden
de un 15% del total de las soldaduras depositadas.
Pueden ser de penetración parcial o completa.
La de penetración parcial es una junta diseñada de manera que el metal de
aportación no se extiende completamente a través del grueso de las piezas
a unir, y solamente se obtiene un grado de penetración especificado.
La soldadura de penetración completa es una unión en la que el metal de
aportación tiene acceso a todo el grueso de las piezas que se van a unir,
que quedan ligadas entre sí en toda el área de la sección transversal.
56
SOLDADURA
Nomenclatura de soldaduras de penetración
SOLDADURA
Nomenclatura de soldaduras de penetración
57
SOLDADURA
En algunos casos de soldaduras de penetración completa, el material será
biselado de una lado de la placa hasta la placa separadora.
Las soldaduras en las juntas de penetración parcial se usan cuando no es
necesario para la junta desarrollar la resistencia en la sección transversal
total de los miembros que están siendo unidos.
SOLDADURA
Soldadura de tapón o de ranura
El espesor mínimo de garganta efectiva de soldadura a tope con junta de
penetración parcial no debe ser menor que el tamaño que se requiere
para resistir las fuerzas calculadas ni del tamaño mínimo que se marca
en la tabla 2.3. El tamaño es determinado como la parte más delgada de
las dos partes unidas.
El área de corte efectivo de soldaduras de tapón y de ranura se
considera como el área nominal de la perforación o ranura en el plano de
la superficie de contacto.
58
SOLDADURA
Espesor efectivo de garganta de soldaduras de ranura de penetración
parcial.
Soldaduras de tapón y de ranura.
SOLDADURA
• Se utilizan para transmitir fuerzas cortantes en juntas traslapadas, para
prevenir el pandeo o separación de las partes conectadas y para unir
elementos componentes de elementos armados.
• El área efectiva de las soldaduras de ranura y tapón debe ser considerada
como el área nominal del agujero o ranura en el plano de la superficie de
contacto.
• El diámetro de los agujeros para soldaduras de tapón no será menor que el
grueso de la parte que los contiene más 8 mm, redondeado 2 mm a la
siguiente medida par, y no excederá el menor diámetro más 3 mm o 2.25
veces el espesor del metal de soldadura.
• La distancia mínima entre
centros de soldaduras de
tapón será de cuatro
veces el diámetro de los
agujeros
59
SOLDADURA
La longitud de la ranura en una soldadura de ranura no excederá de diez veces el
espesor de la soldadura. El ancho de la ranura no será menor que el grueso de la
parte que la contiene más 8 mm redondeado 2 mm a la siguiente medida par, sin
exceder de 2.25 veces el espesor del metal de soldadura. Los extremos de la ranura
serán semicirculares o tendrán las esquinas redondeadas con un radio no menor que
el grueso de la parte que la contiene, exceptuando el caso en que la ranura se
extiende hasta el borde de esa parte.
La separación mínima de líneas de soldaduras de ranura en una dirección transversal
a su longitud será de cuatro veces el ancho de la ranura. La distancia mínima entre
centros en una dirección longitudinal en cualquier línea será de dos veces la longitud
de la ranura.
Cuando los tapones o ranuras se hagan en material de grueso no mayor de 16 mm,
deberán rellenarse por completo con metal de soldadura. Si el grueso del material es
mayor de 16 mm se llenarán cuando menos hasta la mitad, pero el espesor del metal
de soldadura no será nunca menor de 16 mm.
SOLDADURA
Resistencia
La resistencia de diseño fRn y la resistencia permisible Rn/W, de conexiones
soldadas debe ser el menor de los valores de la resistencia del material base y
la resistencia del metal de soldadura esta ultima determinada de acuerdo con el
estado límite de fluencia como sigue:
a) Para el Metal Base
R=F A
n
BM
BM
b) Para el Metal de Soldadura
Rn = FnwAwe
Donde:
FBM= Esfuerzo de tensión nominal del metal base, kg/cm2.
Fnw= Esfuerzo de tensión nominal del metal de soldadura, kg/cm2.
ABM= Área de la sección transversal del metal base, cm2.
Awe= Área efectiva de la soldadura, cm2.
Los valores de f, W, FBM y Fnw y las limitaciones respectivas serán indicadas en la tabla
siguiente
60
Resistencia disponible de Conexiones
Soldadas
SOLDADURA
61
Alternativamente para soldaduras de filete cargadas en el plano se permite
determinar la resistencia nominal de la siguiente forma:
a) Para un grupo lineal de soldaduras en el plano que pase a través del centro
de gravedad:
Donde:
y
FEXX = Número de clasificación del electrodo, kg/cm2.
q = Ángulo de carga medido desde el eje longitudinal de la soldadura, grados.
AW = Área efectiva de la soldadura cm2.
Nota: Un grupo lineal de soldaduras es aquel en que todos sus elementos están
en una línea o son paralelos.
62
b) Para elementos de soldadura dentro de un grupo de soldaduras que están
cargadas en el plano y analizadas utilizando el método del centro instantáneo
de rotación, se permite determinar los componentes de la resistencia nominal,
y Rnx y Rny, de acuerdo con lo siguiente:
Donde:
Awi= Área efectiva de garganta de soldadura del elemento “i” de soldadura, cm2.
Fwi= 0.60 FEXX (1.0 + 0.50 SIN1.5 q ) f (p)
f (p) = [ p (1.9 - 0.9 p) ]0.3
Fwi= Esfuerzo de tensión nominal del elemento “i” de soldadura, kg/cm2
Fwix= Componente en “x” del esfuerzo de tensión, Fwi Fwiy= Componente en “y”
del esfuerzo de tensión, Fwi
p = Di / Dmi , razón entre la deformación y la deformación de máxima tensión
para el elemento “i”.
w = Tamaño del pie de soldadura, mm.
rcrit= Distancia desde el centro instantáneo de rotación hasta el elemento de
soldadura con valor mínimo de razón Du / ri , mm
Di = riDu / rcrit , deformación de los elementos de soldadura para niveles de
tensión intermedios, linealmente proporcionados para la deformación crítica
basados en la distancia desde el centro instantáneo de rotación, ri , mm.
Di = 0.209w / (2 + q)0.65 deformación del elemento de soldadura en su tensión
máxima, mm.
Du = 1.087 w / (6 +q)0.65 ≤ 0.17w deformación del elemento de soldadura en
su tensión última (fractura), usualmente en el elemento más alejado del centro
instantáneo de rotación, mm.
63
c) Para grupos de soldadura cargados concéntricamente y consistentes de
elementos que están orientados tanto longitudinal como transversalmente a la
dirección de aplicación de la carga, la resistencia combinada , del grupo de
soldaduras de filete debe ser determinado como el mayor valor entre:
i) Rn = Rwi + Rwt
o
ii) Rn = 0.85 Rwi + 1.5 Rwt
Donde:
Rwi = Resistencia nominal total de las soldaduras de filete cargadas
longitudinalmente, como se determina de acuerdo con la tabla anterior.
Rwt = Resistencia nominal total de la soldaduras de filete cargadas
transversalmente, como se determina de acuerdo con la tabla anterior sin la
alternativa de la sección 2.4(a).
Combinación de Soldaduras
Si dos o más tipos generales de soldadura (tope, filete, tapón, ranura) son
combinadas en una misma conexión, la resistencia de cada una debe ser
calculada por separado con referencia al eje del grupo a fin de poder
determinar la resistencia de la combinación.
64
TABLA J2.1
Garganta efectiva de
soldaduras de penetración parcial en ranura
Proceso de soldadura
Arco metálico protegido
(SMAW)
Arco Metálico Protegido por
gas (GMAW)
Arco con alambre tubular de
núcleo fundente (FCAW)
Arco Sumergido (SAW)
Arco Metálico Protegido por
Gas (GMAW)
Arco con Alambre Tubular de
Núcleo Fundente (FCAW)
Arco Metálico Protegido
(SMAW)
Arco Metálico Protegido por
Gas (GMAW)
Arco con Alambre Tubular de
Núcleo Fundente (FCAW)
Posición de soldar
F (plana o sobre mesa)
H (horizontal),
V (vertical),
OH (sobre cabeza)
Todas
Todas
Tipo de ranura
(AWS D1.1/D1.1M,
Figuras 3.3)
Ranuras en J, U o en V
con ángulo de 60°
F
Ranuras en J, U o bisel
o ranura en V con
ángulo de 60°
F, H
Bisel a 45°
Profundidad de la Ranura
Profundidad de la Ranura
Profundidad de la Ranura
menos 3 mm
Todas
V, OH
Garganta efectiva
Bisel a 45°
Profundidad de la Ranura
menos 3 mm
TABLA J2.2
Tamaños efectivos de las soldaduras de ranura abocinada
Ranura con bisel
Proceso de soldadura
Ranura en V abocinada
abocinado [a]
5/ R
3/ R
GMAW y FCAW-G
8
4
5/ R
5/ R
SMAW y FCAW-S
16
8
5
1
SAW
/16 R
/2 R
[a] Para ranuras con bisel abocinado con R <10 mm, usar solamente soldadura de
filete de refuerzo en juntas rellenas al ras. R es el radio de la superficie de la
junta (para OR se puede asumir que es 2t) mm
[a]
TABLA J2.3
Mínimo espesor de la garganta efectiva de las soldaduras de ranura con
penetración parcial
Espesor del material de la parte más Mínimo espesor de la garganta efectiva,
[a] mm
delgada de la unión, mm
Hasta 6 inclusive
3
Más de 6 hasta 13
5
Más de 13 hasta 19
6
Más de 19 hasta 38
8
Más de 38 hasta 57
10
Más de 57 hasta 150
13
Más de 150
16
Ver la Tabla J2.1
65
TAMAÑO DE LA SOLDADURA
SOLDADURA
• El tamaño de la soldadura debe ser especificado en los planos.
• Algunas soldaduras pueden cumplir con el tamaño en una simple pasada 8 mm
(5/16”).
• Soldaduras más grandes pueden requerir múltiples pasos.
• Soldaduras simples con un solo paso incluyen soldaduras de filete y soldaduras de
ranura hasta de 5/16” sin preparación para placas delgadas.
• Soldaduras de múltiples pasos incluyen soldaduras de ranura de penetración
completa y parcial de bisel simple y soldaduras de filete hasta de 16 mm (5/8”).
SOLDADURA
Tipos de preparación en soldaduras.
Se trata de una operación de taller que consiste en preparar los extremos
de las placas y piezas que se unirán por medio de soladura para formar una
junta soldada. Con esta preparación se obtiene la penetración completa de
la soldadura, el electrodo debe tener acceso a todo el grueso de las piezas,
con objeto de garantizar la calidad y eficiencia de la soldadura, de manera
que ésta funcione adecuadamente cuando quede sometida a los esfuerzos
de diseño. Las principales preparaciones de las juntas a tope son: V
sencilla, V doble, bisel doble, U sencilla, J sencilla y J doble.
La preparación en bisel o “J” se extiende sobre la mayoría o la totalidad de
la cara del material que será unido. En este caso, ocurre una fusión
completa.
66
SOLDADURA
SOLDADURA
67
Posiciones de la soldadura:
PLANA
HORIZONTAL
VERTICAL
SOBRE CABEZA
68
SOLDADURA
UNIÓN SOLDADA
La unión o junta soldada es la unidad básica funcional de una estructura de acero
soldada.
Es la parte de la estructura de acero a través de la cual se transfieren de un
elemento a otro, cargas de diferentes.
Los términos unión o junta soldada y soldadura, no tienen el mismo significado.
CLASIFICACIÓN DE LA
SOLDADURA
69
SIMBOLOGÍA DE LA SOLDADURA
Existen varias normas que describen la elaboración y aplicación de los
símbolos de soldadura; una de las más conocidas y empleadas es la norma
americana ANSI/AWS A2.4 “Símbolos normalizados para Soldadura,
Soldadura fuerte y pruebas no destructivas”.
La norma mexicana correspondiente es la NMX-H-111, “Símbolos para
Soldadura y Pruebas no destructivas”.
Para que los símbolos de soldadura, resulten efectivos, deben ser empleados
apropiadamente. Si son mal elaborados serán mal interpretados y pueden
causar confusión y problemas.
SIMBOLOGÍA DE LA SOLDADURA
Una línea horizontal, llamada línea de referencia.
Un extremo que tiene la forma de una punta de flecha,
Un símbolo básico que representa el tipo de unión a realizar.
Puede tener símbolos auxiliares que complementan la información.
Puede tener las dimensiones propuestas para el tipo de unión a realizar
Puede tener un extremo con la forma de una cola de flecha.
Cola de la
flecha
Línea de referencia
Símbolo
básico
Punta de la
flecha
70
Línea de referencia
Como su nombre lo indica, nos sirve para referir dónde y cómo queremos
que se realice la soldadura y se tienen las siguientes reglas de aplicación:
1.- Siempre debe estar en el plano horizontal.
2.- Toda la información que se dibuje o redacte en la parte superior de la
línea de referencia debe interpretarse como “del otro lado” de donde
apunte la flecha.
3.- Toda la información que se dibuje o redacte en la parte inferior de la
línea de referencia, debe interpretarse como “del mismo lado” de donde
apunte la línea de flecha.
71
Flecha
La finalidad de este elemento es indicar el lugar donde se debe realizar la
unión soldada. Para su empleo tenemos las siguientes reglas básicas:
1.- Puede tener cualquier inclinación, pero nunca debe estar en el plano
horizontal, ya que puede confundirse con la línea de referencia.
2.- Cuando está formada por una línea recta, se debe interpretar que no
tiene mayor importancia cual de los elementos a unir deban ser biselados.
3.- Cuando la línea presente una inflexión o “quiebre” indicará que el
elemento señalado por el extremo es el que debe ser biselado o
preparado, o bien el lado desde el cual debe efectuarse el trabajo o la
inspección.
72
Los símbolos básicos sirven para representar el tipo de unión o de
soldadura que desea efectuarse, los más comunes son los que
refieren a la forma de la ranura de unión, su forma es lógica y fácil
de recordar, adicionalmente estás los referentes a soldaduras de
filete, de costura y de relleno.
Una regla básica es que la línea perpendicular siempre debe
quedar del lado izquierdo, sin importar la orientación de la línea de
referencia.
73
Símbolos complementarios. Estos símbolos se emplean para dar más información
sobre el tipo de unión soldada que e desea y son dibujados junto con un símbolo
básico
74
Símbolo de penetración completa
Debe emplearse únicamente donde se requiera cine por ciento de
penetración en las juntas o en los miembros y un refuerzo en la raíz de la
soldadura, en soldaduras hechas por un solo lado.
Este símbolo debe colocarse en el lado de la línea de referencia opuesta al
del símbolo de soldadura. Las dimensiones de la penetración completa no
necesitan indicarse en el dibujo, a la izquierda del símbolo de penetración
completa.
Símbolo de respaldo o de limpieza de raíz.
Este símbolo se dibuja en la línea de referencia del lado opuesto al símbolo
básico, e indica que la raíz debe removerse y volverse a aplicar soldadura
desde el lado de la raíz.
Símbolo de contorno y de acabado superficial
En las soldaduras en las que se requiere especificar la
forma de realizar el acabado, puede especificarse con los
símbolos de contorno y el método de acabado
correspondiente.
A continuación se indican las siglas de acabado, que se
refiere al método empleado, no al grado del acabado:
75
Símbolo de soldadura perimetral o de “todo alrededor”
Se emplea para indicar que la soldadura es a todo el perímetro de uno
de los miembros que se está soldando. Este símbolo siempre es un
círculo y se dibuja en la unión de la flecha y la línea de referencia.
Símbolo de soldadura de campo
Se emplea para indicar que una unión soldada en particular debe ser
ejecutada en el lugar de montaje o terminación, este símbolo siempre
se coloca en la unión entre la flecha y la línea de referencia.
Líneas de referencia múltiple
Para indicar la secuencia de operaciones se utilizan dos o más líneas de
referencia. La primera operación se indica en la línea de referencia más
cercana a la flecha, y las siguientes se especifican en las líneas de referencia
subsecuentes.
76
Cotas de dimensiones
En algunas ocasiones es necesario establecer las dimensiones mínimas o
máximas de una unión soldada, esto es posible siguiendo las reglas
básicas de acotamiento. Un punto importante de destacar es que se
debe especificar desde el principio el sistema de unidades a emplear, la
norma americana esta referida principalmente a dimensiones en sistema
inglés. En México se utiliza el sistema internacional (métrico).
Acotación en soldaduras de filete
Las dimensiones de las soldaduras de filete se indican en el mismo lado de
que el símbolo de soldadura.
El tamaño de las piernas del filete se indica siempre del lado izquierdo del
símbolo.
La longitud de la soldadura de filete, se indica siempre del lado derecho del
símbolo.
Cuando se requieren soldaduras de filete por ambos lados de la junta, los
símbolos de filete a ambos lados deben tener especificadas sus
dimensiones.
Las soldaduras de filete intermitente pueden estar por un solo lado de la
junta o en ambos lados. Si están en ambos lados, las soldaduras
intermitentes pueden ser en cadena (si coinciden los centros de los
incrementos en ambos lados de la junta) o alternados.
77
6 mm
6 mm
6 mm
25 mm
6 mm
25 mm
25 mm
25 mm
25 mm
25 mm
50 mm
50 mm
25 mm
25 mm
25 mm
19 mm
25 mm
25 mm
19 mm
19 mm
25 mm
25 mm
78
Acotación de soldaduras de ranura
Al igual que las soldaduras de filete, las ranuras pueden ser acotadas
siguiendo reglas similares a las de filete.
Cuando se requiere indicar la separación de raíz, se indica siempre dentro
del símbolo de la ranura.
Para indicar el ángulo del bisel o el ángulo total de la ranura, el valor se
escribe afuera del símbolo de la ranura.
Existen otras dimensiones que se pueden indicar en el símbolo de
soldadura como es la profundidad a a que se debe preparar una ranura, la
profundidad de la garganta efectiva, sin embargo estos datos pueden ser
mejor indicarlos en un dibujo de detalle.
3
3 mm
3
3 mm
79
Símbolos de ensayos no destructivos
El símbolo de soldadura también puede ser empleado para indicar los ensayos
no destructivos que se deben realizar a una unión soldada. Las reglas de
aplicación son similares a las ya indicadas.
Las siglas de los ensayos no destructivos se pueden combinar con los símbolos
básicos o auxiliares de soldadura.
Las siglas por debajo e la línea de referencia indican que la inspección se debe
realizar del mismo lado que apunta la flecha.
Las siglas por arriba de la línea de referencia indican que la inspección se debe
realizar por el otro lado que indica la flecha.
Las siglas en la línea de referencia indican que es indiferente el lado desde el
cual se haga la inspección.
La flecha quebrada indica el elemento que se debe inspeccionar.
La extensión de la inspección se indica del lado derecho de las siglas (indicar
cual es el sistema de medida).
El número de pruebas o inspecciones se indica por arriba de las siglas y entre
paréntesis.
Ensayo no destructivo
Siglas
Visual
VT
Líquidos Penetrantes
PT
Partículas Magnéticas
MT
Ultrasonido
UT
Radiografía
RT
Electromagnético (Eddy)
ET
Emisión acústica
AET
Hermeticidad (Leak testing)
LT
Radiografía neutrónica
NRT
Termografía
TIR
Comprobación (Proof)
PRT
80
Líquidos Penetrantes PT
81
Ultrasonido UT
3
Recomendación: Es conveniente mantener el símbolo de soldadura lo
más sencillo posible para facilitar su interpretación y manejo, por otra
parte, el símbolo sirve para abreviar y concentrar la información pero en
ningún momento sustituye la información técnica y de detalle que debe
tener todo dibujo técnico preparado adecuadamente.
82
SOLDADURA
SOLDADURA
83
SOLDADURA
Ciclo térmico de la unión soldada.
Al efectuarse una soldadura, las juntas experimentan un ciclo de
calentamiento y enfriamiento en el que sus diferentes partes se ven
sometidas a un amplio rango de temperaturas, que oscila desde
temperaturas superiores a las de fusión, hasta prácticamente la
temperatura ambiente en el metal base, pasando por el intervalo de las
temperaturas de transformación al estado sólido.
La porción del metal base que no se funde durante la soldadura, pero que
es calentada a temperaturas en las que se alteran la microestructura
original del metal base y las propiedades mecánicas, es llamada zona
afectada térmicamente o HAZ por sus siglas en inglés. En esta zona, la
resistencia mecánica, la ductilidad y la tenacidad dependen de la aleación
del metal base y del control de las variables esenciales del proceso de
soldadura empleado.
84
Las aleaciones en las que la soldadura altera sus propiedades mecánicas,
son aquellos cuya zona afectada térmicamente se ve sometida a ciclos
similares a los de un recocido o un templado.
Desde el punto de vista del tipo del metal base, el efecto del calor de la
soldadura sobre la zona afectada térmicamente puede causar diferentes
efectos dependiendo de la historia previa del material soldado:
Cambios dimensionales
Los cambios de temperatura que ocurren durante la soldadura son
rápidos, localizados y heterogéneos. Las diferente partes de las juntas
soldadas se calientan y enfrían a temperaturas y velocidades diferentes, y
cada región se expande y contrae a su propia velocidad, debido a esta
falta de uniformidad en la expansión y contracción, se generan esfuerzos
residuales en las juntas. Estos esfuerzos pueden ser lo suficientemente
severos para producir deformaciones y fracturas en e metal de soldadura
y en la zona afectada térmicamente. Los metales, al sodarse, sufren
cambios dimensionales.
85
SOLDADURA
86
Agujeros de acceso para soldar.
Los agujeros de acceso son requeridos en algunas soldaduras,
especialmente las de penetración completa, ya que permiten depositar la
soldadura transversal a través de éste.
SOLDADURA
El agujero de acceso permite colocar una placa de respaldo, abajo del patín
superior de la trabe.
El agujero de acceso inferior permite el acceso completo de soldadura en el
ancho total del patín inferior
J.6 IMCA. Todos los agujeros de acceso que se requieren para facilitar de
soldadura, se deben diseñar para proporcionar el espacio suficiente para la
aplicación del respaldo de la soldadura. Los agujeros de acceso deben tener
una longitud no menor a 1.5 veces el espesor del material en que se hace
el agujero, ni menos de 38 mm desde el pie de la preparación de la junta.
La altura del agujero de acceso no debe ser menor que el espesor del
material donde se hace el agujero, ni menor de 19 mm, ni exceder de 50
mm.
87
ESPECIFICACIONES DE
TORNILLOS
TORNILLOS
Los tornillos de acero cumplirán con la última edición de las
siguientes normas:
• Sujetadores estándar de acero al bajo carbono, roscados interna
y externamente, ASTM A307.
• Tornillos de alta resistencia para conexiones de la estructura de
acero, incluyendo tuercas y arandelas adecuadas, ASTM A325.
• Tornillos y espárragos de acero templado y endurecido, ASTM
A449.
• Tornillos de acero de aleación templado y endurecido para
conexiones de estructura de acero, ASTM A 490.
• Tornillos de Alta Resistencia ASTM F1852/F1852M
180
88
TORNILLOS
Los tornillos de alta resistencia basan su capacidad en el hecho de que
pueden ser sometidos a una gran fuerza de tensión controlada que
aprieta firmemente los elementos de la conexión. La ventaja de este
apriete firme se conoce desde hace tiempo, pero su aplicación práctica
en estructuras proviene de 1951 en que se publicaron las primeras
especificaciones para regir su utilización. Desde entonces los tornillos de
alta resistencia se han venido usando en forma creciente en Estados
Unidos y en las últimas décadas también en México.
A partir de 1951, las especificaciones relativas a estos tornillos se han
actualizado varias ocasiones para poder incluir los resultados de las
investigaciones que, en forma casi continua, se han venido realizando
con relación a ellos. Los primeros tornillos de alta resistencia que se
desarrollaron y aún los más comúnmente utilizados son los ASTM- A325
(NOM-H-124); posteriormente y con objeto de contar con capacidades
aún mayores, se desarrollaron los ASTM-A490 (NOM-H-123), ambos se
fabrican con aceros al carbón tratados térmicamente.
TORNILLOS
89
TORNILLOS
De acuerdo con las especificaciones del IMCA, no todos los tornillos deberán
llevarse a su máxima tensión de apriete, ya que dicho proceso y su inspección
son caros, salvo las conexiones tipo fricción o las que están sujetas a tensión
directa donde deberán especificarse en los planos que dichos tornillos se lleven
a su tensión de apriete.
Las conexiones por fricción se usan cuando las cargas ocasionan cambios en los
esfuerzos y que puedan llegar a tener problemas de fatiga. Este tipo de
conexiones deberán diseñarse para cargas vivas de impacto o cargas que
puedan llegar a tener inversión de esfuerzos, así como en empalmes de
columnas de edificios altos, en conexiones trabes – columna y en trabes o vigas
que sean elementos de soporte de algún tipo de arriostramiento.
TORNILLOS
Los tornillos de alta resistencia ASTM A325 y A490 deberán tensarse por lo
menos al 70% de su resistencia mínima a la tensión. Cuando un tornillo está
perfectamente tensado, las partes conectadas quedan fuertemente abrazadas,
situación en que la conexión desarrolla una gran resistencia al deslizamiento
entre las superficies de contacto. Esta resistencia al deslizamiento crítico se
obtiene de multiplicar la fuerza de apriete de los tornillos por un coeficiente
de fricción. Si la resistencia por fricción es mayor que la fuerza actuante en
cortante la conexión se considera que es por fricción, pero, si la fuerza
actuante en cortante excede la resistencia por fricción entonces habrá un
deslizamiento
entre las partes conectadas y dicha fuerza en cortante tratará de degollar los
tornillos y al mismo tiempo aplastarlos, en este caso la conexión se considera
que es tipo aplastamiento.
90
TORNILLOS
Los esfuerzos de tensión en los tornillos de alta resistencia se desarrollan en
el vástago, por lo que la tensión de apriete que desarrollan es confiable. El
esfuerzo cortante es transferido por fricción bajo la carga de trabajo.
La capacidad de un tornillo se basa en la acción de apriete que produce con la
tuerca hasta que se llaga a la tensión mínima especificada. Esto se puede
desarrollar mediante llaves perfectamente calibradas, con llaves de impacto
las cuales tendrán que proveer del aire suficiente para que el apriete se
desarrolle en aproximadamente 10 seg., o bien, simplemente por el método
del giro de la tuerca. La tabla 3.2b muestra lo que las especificaciones ASTM
A325 y A490 indican en relación al apriete de tornillos.
TORNILLOS
91
TORNILLOS
*Igual al 70% de la resistencia
mínima a la tensión
de los tronillos, redondeada a
Toneladas como se
determina en las especificaciones
ASTM para A-325 y
A-490.
TORNILLOS
ASTM A-307 Tornillos Maquinados
Fu=4200 kg/cm²
ASTM A-325 Tornillos Alta Resistencia
Fu=8400 kg/cm²
ASTM A-490 Tornillos Alta Resistencia
Fu=10500 kg/cm²
92
TORNILLOS
Tornillo Convencional
TORNILLOS
Tornillo de tensión controlada
93
TORNILLOS
TORNILLOS
Bajo o medio acero al carbono
Medio acero al carbono templado
Aleación de acero y carbono templado
94
TORNILLOS
Para interpretar los números que nos indican la calidad del tornillo, en primer
lugar nos hemos de fijar en el primer número. El primer número, que en este
caso es el 8, nos indica en newton/mm2, la centésima parte de la resistencia
nominal a la tracción. Esto significa que si multiplicamos 8 x 100 vemos cuántos
newton/mm2 resiste como máximo el tornillo sin romperse. Supongamos que
se tratara de un tornillo de M10 paso 1.5 (52,3 mm de sección) con esta calidad
soportaría una tracción teórica de más de 4.000 Kg.
Ejemplo: 8 x 100 = 800 N/mm2 Sección inferior M10 = 52.3 mm2 ; 800 x 52.3=
41.840 N = 4.266 Kg.
Ahora toca interpretar el otro número, en este caso otro 8. Este número
combinado con el primero y multiplicado por 10 nos indica el límite
convencional de elasticidad, dicho en otras palabras, el límite máximo que
podemos aplicar al tornillo sin que la deformación sea irreversible.
Ejemplo: (8 x 8) x 10 = 640 N/mm2 Sección inferior M10= 52.3 mm2 ; 640 x
52.3 = 33.472 N = 3.413 Kg.
95
TORNILLOS
TORNILLOS
Longitud tornillosconvencionales
•Longitud de Acuerdo al AISC
15th Edition L= e1 + e2 + H2
L= 25.4 + 25.4 + 38.1 = 88.9 mm = 3 ½”
96
TORNILLOS
TORNILLOS
Longitud tornillosconvencionales
• Longitud Teórica
L= e1 + e2 + tuerca + roldana + holgura
L= 25.4 + 25.4 + 22.2 + 10 + 5 = 88 mm = 3 ½”
97
TORNILLOS
Longitud tornillos tensióncontrolada
TORNILLOS
Longitud tornillos tensióncontrolada
•Longitud de Acuerdo al AISC
15th Edition L= e1 + e2 + H2
L= 32 + 32 + 44.5 = 108.5 mm = 4 ½”
98
99
El uso de tornillos de alta resistencia debe satisfacer las disposiciones de la
Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts, de ahora en
adelante referida como la especificación RCSC, aprobada por el Consejo de
Investigación de Uniones Estructurales, excepto cuando se disponga lo contrario
en esta especificación.
En una conexión ensamblada, todas las superficies, incluyendo las adyacentes a
las arandelas ó roldanas, deben estar libres de escamas, excepto las escamas de
fábrica. Todos los tornillos ASTM A325 y A490, deberán apretarse a una tensión
no menor que lo especificado en la tabla 3.1, exceptuando lo que se indica a
continuación.
Con la excepción antes mencionada, se debe asegurar la instalación por
cualquiera de los siguientes métodos:
método del giro de la tuerca, indicador de tensión directo, llave calibrada o
utilizando tornillos de tensión controlada.
Se permite que los tornillos sean instalados en la condición de apriete ajustado
cuando se usan en:
(a) Conexiones tipo aplastamiento
(b) Aplicación de tensión o combinación de tensión y corte, solamente para
tornillos ASTM A325, donde la pérdida o fatiga debido a vibración o fluctuaciones
de la carga no se considera en el diseño.
TORNILLOS
Torque detornillos
• Pretensión mínima de tornillos
100
TORNILLOS
Torque detornillos
• Pretensión mínima de tornillos
TORNILLOS
La condición de apriete ajustado se define como la más firme
alcanzada tanto por pequeños impactos de una llave de impacto o por
el máximo esfuerzo de un trabajador con una llave de palanca
corriente que permite que las piezas
conectadas queden en contacto firme. Se deben identificar claramente
aquellos tornillos que serán sujetos a apriete ajustado en los planos de
diseño y de montaje.
Cuando se usan tornillos ASTM A490 de más de 25 mm de diámetro
en perforaciones ranuradas o sobredimensionadas en plegados
externos, se deberá utilizar una arandela de acero endurecido de
material ASTM F436, en vez de una arandela estándar, excepto con
espesores mínimos de 8 mm.
101
ESPECIFICACIONES IMCA
MANUAL 5ta EDICIÓN
CAPÍTULO J
J1. Disposiciones generales
J2. Soldaduras
J3. Tornillos y partes roscadas
J4. Componentes de la conexión que son parte de los miembros y
elementos de conexión
J5. Elementos de relleno
J6. Empalmes
J7. Resistencia al aplastamiento
J8. Bases de columnas y apoyo sobre concreto
J9. Anclas de columnas y otros elementos empotrados
J10. Patines y almas bajo fuerzas concentradas
ESPECIFICACIONES IMCA
J1. DISPOSICIONES GENERALES
1. Bases de diseño
La resistencia de diseño, φRn y esfuerzo permisible Rn/Ω, de las conexiones se
deben determinar conforme a lo dispuesto en este Capítulo y en el Capítulo B.
La resistencia requerida en las conexiones se debe determinar mediante el
análisis estructural para las cargas de diseño especificadas, congruentes con el
tipo de construcción especificada o, cuando aquí se especifique, deben ser parte
de la resistencia requerida de los elementos conectados.
Además, deberán considerarse los efectos de las excentricidades en las cargas
cuando algunos miembros cargados axialmente no coincidan en un solo
punto, es decir, que no se intersectan.
102
ESPECIFICACIONES IMCA
2.- Conexiones simples
A menos que se indique lo contrario en los documentos de diseño, las
conexiones simples de trabes, vigas y armaduras se pueden diseñar
flexibles, con capacidad para resistir solamente fuerzas cortantes. En las
conexiones flexibles de vigas se debe considerar el giro en los extremos
de vigas simples. Se permite en la conexión alguna deformación inelástica
limitada para que puedan girar los extremos de vigas simples.
Las conexiones simples de vigas y/o armaduras se deben diseñar como
flexibles y permiten ser diseñadas únicamente bajo efectos de cortante,
salvo en los casos
donde se indique que otro esfuerzo adicional participa en la conexión. Este
tipo de conexiones deben ser capaces de soportar las rotaciones en los
extremos de vigas y/o armaduras.
ESPECIFICACIONES IMCA
3.- Conexiones a momento
En el caso de conexiones rígidas en los extremos de trabes, vigas y
armaduras, se deben considerar los efectos combinados de las fuerzas
resultantes del momento y el cortante inducidos para restringir el giro. En
la Sección B3.6b, se establece el criterio para diseñar conexiones por
momento.
Las conexiones empotradas de vigas y/o armaduras se deben diseñar para la
combinación de esfuerzo de momento flexionante y esfuerzo cortante
incluidos por la rigidez de las conexiones.
103
4.- Elementos en compresión con junta apoyada ESPECIFICACIONES IMCA
Los elementos en compresión que dependen en aplastamiento para transferencia
de carga, deben cumplir con los siguientes requisitos:
(a) Cuando las columnas se apoyen en placas o se fabriquen para apoyarse en
empalmes, debe haber suficientes conectores para mantener todas las partes
de la junta seguras en su lugar.
(b) Cuando elementos en compresión que no sean columnas, se fabriquen para
apoyarse, el material del empalme y sus conectores deben distribuirse para
sostener todas las partes alineadas. La resistencia requerida de la junta debe
ser la menor de:
(1) Una fuerza de tensión axial del 50% de la resistencia a la compresión
requerida del miembro; o
(2) El momento y cortante resultantes de una carga transversal igual al 2% de
la resistencia requerida a compresión del miembro. La carga transversal
se debe aplicar en el lugar de unión, además de las otras cargas que
hubiera. El miembro debe considerarse como articulado para determinar
los cortantes y momentos en el empalme.
5.- Empalmes en perfiles pesados
ESPECIFICACIONES IMCA
Cuando se tengan que transmitir fuerzas de tensión o compresión en empalmes de perfiles
pesados, que se definen en las Secciones A3.1c y A3.1d, con soldaduras de ranura con
penetración completa de la junta (SPC), son aplicables las siguientes disposiciones: (1) los
requisitos de tenacidad del material como se establecen en la Sección A3.1c y A3.1d; (2)
los detalles de los agujeros de acceso para soldar que se establecen en la Sección J1.6; (3)
los requisitos del metal de aporte como se establecen en la Sección J2.6 y (4) los
requisitos para la preparación de superficies con cortante térmico y los requisitos de
inspección establecidos en M2.2. Las disposiciones anteriores no se aplican a los
empalmes de perfiles armados soldados antes de armar el perfil.
Nota: La contracción de las soldaduras de ranura con penetración completa de la junta
(SPC) en empalmes de perfiles pesados pueden causar efectos perjudiciales. Los
miembros dimensionados para la compresión, que también estén sometidos a fuerzas de
tensión, pueden ser menos susceptibles al daño ocasionado por la contracción de las
soldaduras, si en sus empalmes se unen los patines con soldaduras de ranura con
penetración parcial de la junta (SPP) y las almas con soldaduras de filete o utilizando
tornillos para todo el empalme o parte de este.
104
ESPECIFICACIONES IMCA
Cuando se deben trasmitir fuerzas de tensión originadas por cargas axiales
o flexión a través de empalmes por medio de soldadura de bisel de
penetración completa, deberán aplicarse los requisitos de tenacidad del
material, los detalles de perforaciones de acceso a soldaduras y los
requisitos de penetración y de inspección de las superficies cortadas con
soplete que vienen indicadas en
las especificaciones IMCA
ESPECIFICACIONES IMCA
6.- Agujeros de acceso para soldar
Todos los agujeros de acceso que se requieren para facilitar de soldadura, se deben
diseñar para proporcionar el espacio suficiente para la aplicación del respaldo de la
soldadura. Los agujeros de acceso deben tener una longitud no menor a 1½ veces el
espesor del material en que se hace el agujero, ni menos de 38 mm desde el pie de la
preparación de la junta. La altura del agujero de acceso no debe ser menor que el
espesor del material donde se hace el agujero, ni menor de 19 mm, ni exceder de 50
mm.
Para las secciones que son laminadas o soldadas antes de cortarse, el borde del alma
debe tener una pendiente o curvatura desde la superficie del patín hasta la superficie
reentrante del agujero de acceso. En perfiles laminados en caliente y perfiles armados
con soldaduras de ranura con penetración completa de la junta (SPC) alma a patín,
todos los agujeros de acceso para soldar deben estar libres de muescas y esquinas
reentrantes agudas. Ninguna curvatura del agujero de acceso para soldar debe tener
un radio menor de 10 mm.
105
ESPECIFICACIONES IMCA
En perfiles armados con soldaduras de filete o soldaduras de ranura con
penetración parcial de la junta que unen el alma al patín, los agujeros de
acceso para soldar deben estar libres de muescas y esquinas reentrantes
agudas. Se permite que el agujero de acceso sea perpendicular al patín,
siempre y cuando la soldadura se aplique por lo menos a una distancia igual a
su tamaño desde el agujero de acceso.
Las superficies de los agujeros de acceso para soldar hechas con cortante
térmico en secciones pesadas, tal como se define en A3.1 y A3.1d, deben
esmerilarse a metal brillante e inspeccionarse, ya sea con partículas magnéticas
o con líquidos penetrantes, antes de depositar las soldaduras del empalme. Si la
sección curva de los agujeros de acceso para soldar, se hace partiendo de
agujeros barrenados o aserrados, esta sección de los agujeros de acceso, no
necesita esmerilarse. Los agujeros de acceso para soldar, hechos en otros
perfiles, no es necesario que se esmerilen, ni que se inspeccionen con líquidos
penetrantes o partículas magnéticas.
7.- Ubicación de Soldaduras y pernos
ESPECIFICACIONES IMCA
Cuando un elemento trasmite carga axial en sus extremos el centro de
gravedad del grupo de soldaduras y tornillos deberá coincidir con el
centro de gravedad del elemento, de lo contrario se deberá considerar
la excentricidad en el diseño. Esto no es aplicable para conexiones
extremas de ángulos simples, ángulos dobles y elementos similares
cargados estáticamente.
106
8.- Tornillos en combinación con Soldaduras
ESPECIFICACIONES IMCA
Puede considerarse que los tornillos compartan la carga con soldaduras siempre que
se trate de tornillos de los grados considerados en la Sección A3.3, que se encuentren
instalados en agujeros estándar o alargados cortos, transversales a la dirección de la
carga. Se puede considerar en estos casos que comparten la carga con soldaduras de
filete con cargas longitudinales, pero que la resistencia disponible de los tornillos no es
más que el 50% de la resistencia disponible de los tornillos en aplastamiento. (Esto
aplica únicamente en conexiones de cortante con tornillos instalados en barrenos
estándar ó en ranuras cortas transversales a la carga y con soldadura de filete cargada
longitudinalmente. En este caso la resistencia de los tornillos no se tomará más del
50% de la resistencia disponible de tornillos tipo aplastamiento.)
Cuando se hagan modificaciones de estructuras existentes con soldaduras, se
permite que los remaches y tornillos de alta resistencia ya instalados se encuentran
apretados para cumplir con los requisitos de las conexiones críticas al
deslizamiento, se utilicen para resistir las cargas existentes al momento de la
modificación y las soldaduras solamente deben suministrar la resistencia adicional
requerida.
ESPECIFICACIONES IMCA
9.- Tornillos de alta resistencia en combinación con remaches
En conexiones diseñadas como críticas al deslizamiento conforme a las
disposiciones de la Sección J3, tanto en estructuras nuevas como en
modificaciones, se permite considerar que los tornillos de alta
resistencia comparten la carga con los remaches existentes.
Para trabajos nuevos y remodelaciones, se permite considerar que los
tornillos de alta resistencia compartan la carga con los remaches existentes
solo si la conexión se diseña como de deslizamiento crítico.
107
ESPECIFICACIONES IMCA
10.- Limitaciones en conexiones atornilladas y soldadas.
Se deberá utilizar conexiones pretensadas, conexiones de deslizamiento
crítico ó soldaduras para las siguientes conexiones:
• Empalmes de columnas en las estructuras de pisos múltiples por encima
de los 38 m. de altura.
• Conexiones de todas las vigas a columnas y cualquier otra viga que fije un
arriostramiento de columna en estructuras por encima de los 38 m. de
altura.
• Todas las estructuras que soporten arriba de 5 ton. de capacidad,
empalmes de armaduras de techos y conexiones de armaduras a columnas y
soportes de grúas.
• Conexiones para soporte de maquinaria y otras sobrecargas que produzcan
cargas de impacto o cargas reversibles.
AGUJEROS
• El diámetro de los agujeros para tornillos, será de 1/16” (1.5 mm).
• En el caso en que el pasador sirve de eje de articulación para permitir
movimiento de giro, el agujero no excederá de 1 mm del diámetro del
pasador.
• La distancia entre los agujeros estándar, sobredimensionados o alargados,
para sujetadores, no será menor que 3 veces el diámetro nominal del
sujetador.
• La distancia máxima desde el centro de cualquier remache o tornillo, al
borde más próximo de las partes en contacto, será igual a 12 veces el
espesor de la parte conectada en consideración, pero sin exceder de 150
mm.
• El uso de agujeros sobredimensionados en bases de columnas, no es de
ninguna manera perjudicial a la estabilidad de la estructura.
108
AGUJEROS
TABLA J3.3
Dimensiones nominales de agujeros en pulgadas
Dimensiones del Agujero
Diámetro del
Tornillo, mm, pulg.
Estándar
(Diámetro)
Sobredimensionado
(Diámetro)
Alargados Cortos
(ancho por longitud)
Alargados Largos
(ancho por longitud)
12 .7
1/
2
9/16
11/16
9/16 X 11/16
9/16 X 1 ¼
15.9
5/8
11/16
5/8
11/16 X 7/8
11/16 X 1 9/16
19.1
3/
4
13/16
13/16
13/16 X 1
13/16 X 1 7/8
22.2
7/
8
15/16
15/16
15/16 X 1 1/8
15/16 X 2 3/16
25.4
1
1 1/8
1 1/16
1 1/8 X 1 5/16
1 1/8 X 2 ½
d + 1/8
1 1/4
(d + 1/8) X (d + 3/8)
(d + 1/8) X 2.5 + d)
≥ 31.8 ≥ 1 1/8
AGUJEROS
109
TABLA J3.4
Distancia mínima al borde [a] desde el centro del agujero estándar [b] hasta
el borde de la parte conectada
milímetros
Diámetro del tornillo
Distancia mínima al borde
12.7
19.1
15.9
22.2
19.1
25.4
22.2
28.6
25.4
31.7
28.6
38.1
31.7
41.3
Más de 31.7
31.7 x d
[a] En caso de ser necesario, se permite una distancia al borde menor, siempre y
cuando se satisfagan las disposiciones aplicables de las Secciones J3.10 y J4, pero
no se permiten distancias al borde menores que el diámetro de un tornillo, sin la
aprobación del Profesional Responsable.
[b] Para agujeros sobredimensionados y alargados, ver la Tabla J3.5
AGUJEROS
TABLA J3.5
Valores del incremento de la distancia al borde C2, pulgadas.
Diámetr
Agujeros alargados
Agujero
o
Eje longitudinal perpendicular al
Eje longitudinal
s
nominal
borde
paralelo al borde
sobredi
del
mensio
Alargados Largos
sujetad
Alargados Cortos
[a]
nados
or, pulg.
1/
1/
≤ 7/8
16
8
¾d
1
1/
1
/8
0
8
1
1
3
≥ 1 /8
/8
/16
[a] Cuando la longitud de un agujero alargado es menor que el máximo
permisible (ver Tabla J3.3), se permite reducir C2 a la mitad de la
diferencia entre la longitud máxima y la real del agujero alargado.
110
AGUJEROS
• Espaciamiento.
EJE
¿Qué tipo de Acero son las Anclas?
ANCLAJE
Notas de Planos:
h) TODAS LAS ANCLAS SERÁN DE TIPO
ASTM A-36 FY = 2530 KG/CM2
3.- PARA EL APRIETE O TORQUE, SE
DEBARÁ DAR A LOS TORNILLOS EL
COMPENDIO DEL MANUAL IMCA
111
ANCLAJE
Notas de Planos:
1.- EL ACERO ESTRUCTURAL CUMPLIRÁ CON LOS SIGUIENTES REQUISITOS:
PLACAS:
Fy = 3515 KG/CM2
ASTM A 572-50
PERFILES IR:
Fy = 3515 KG/CM2
ASTM A992/AISC A572-50
PERFILES TUBULARES:
Fy = 3235
ANCLAS:
Fy = 2530 KG/CM2
ASTM A36
KG/CM2
ASTM A36
PERFIL FORMADO EN
FRÍO
Fy = 2530
KG/CM2
ASTM A 500
Consideraciones generales de diseño de soldaduras de acuerdo
con las especificaciones IMCA 5ª. Edición
Resistencias de diseño de soldaduras.
Las soldaduras pueden estar sometidas a cortante, tensión,
compresión o por una combinación de ellas
112
Las capacidades para soldadura están dadas en la especificación del
IMCA 5ª Edición, sección J2 .
La resistencia de la soldadura depende de múltiples factores: metal
base, metal de aportación, tipo de soldadura, tamaño de la soldadura y
garganta.
Se determina de acuerdo Sección J2, J4 y J5 de las Especificaciones
IMCA 5ª Edición.
Verificar los estados limite de resistencia (metal de aportación y metal
base – J2.5 DFCR, rige la menor.
Resistencia de diseño del metal de soldadura es (J2.4):
Rdw: resistencia de diseño de soldadura (estado límite de falla del metal
de
aportación).
Aw: área efectiva de la sección transversal de soldadura.
 = factor de reducción de resistencia = 0.75 (adimensional)
Fw = resistencia nominal del material del electrodo.
Resistencia de diseño del material base
RdMB: Resistencia de diseño de soldadura (estado límite de falla del
material base)
ABM: área efectiva sección transversal del material base.
 = factor de resistencia = 0.75
FBM: resistencia nominal del metal base.
113
Soldaduras de penetración
Tensión o compresión normal al eje de la soldadura en elementos diseñados
para contacto
 Metal base
 = 0.9
 = 1.67
Soldaduras de penetración
Cortante
Metal base: ver sección J4 de las Especificaciones IMCA-5a Edición.
Soldadura
 = 0.75
 = 2.00
Soldaduras de filete
Cortante
Metal base: ver sección J4
Soldadura
 = 0.75
 = 2.00
Soldadura de tapón
Cortante
Metal base: ver sección J4
Soldadura
 = 0.75
 = 2.00
114
Ángulo del bisel y abertura de
raíz pequeños
Preparación correcta de la unión
En espacios confinados, el ángulo del electrodo
determina el ángulo del bisel.
Abertura de raíz excedida
No se recomienda hacer preparaciones con hombro
cuando se utiliza placa de respaldo, porque pueden
producirse ámpulas de gas y normalmente se requiere
trabajo de raíz cuando se utiliza hombro en uniones
soldadas con penetración completa.
SOLDADURA
SOLDADURA
SOLDADURAS DE RANURA
Para seleccionarlas, tener en
cuenta:
• accesibilidad
• economía
• adaptación a determinado
diseño
• distorsión esperada
• proceso de soldadura
115
SOLDADURA
SOLDADURA DE RANURA
CON PENETRACIÓN COMPLETA
• Apropiadas para todo tipo de cargas
• Soldaduras de ranura sencilla (sin respaldo = trabajo de raíz)
• Soldaduras de ranura doble (trabajo de raíz)
Soldadura de penetración completa
CON PENETRACIÓN PARCIAL
Soldadura de penetración parcial
• Sección sin soldar = concentración de esfuerzos
• Excentricidad de las fuerzas de contracción: tiende a causar rotación de
cargas axiales
SOLDADURA
CON PENETRACIÓN PARCIAL
En cargas estáticas, los esfuerzos permisibles dependen del tipo y dirección de la
carga y los requisitos del código aplicable.
Las uniones soldadas solamente por un lado, no deben utilizarse en flexión con la
raíz en tensión, ni deben someterse a cargas transversales de fatiga, ni a cargas de
impacto.
No deben estar expuestas a condiciones de corrosión.
Para fines de diseño, la garganta efectiva nunca es mayor que la profundidad de la
preparación de la unión.
116
SOLDADURA
SOLDADURA DE RANURA EN DOBLE V
• Su resistencia depende de la penetración completa de la
junta.
• Pueden ser costosas cuando el espesor de la unión
excede los 38 mm (1 ½”).
Es económica cuando la profundidad de la ranura no excede los 19 mm (3/4”)
Utilizar soldadura de ranura en doble V resulta más económica en vez de
usar soldadura de ranura en V
SOLDADURA
SOLDADURA DE RANURA CON BISEL SENCILLO
En sus propiedades y aplicaciones tiene
características similares a las soldaduras de ranura
en V sencilla.
Se requiere un procedimiento apropiado de
soldadura para obtener una fusión completa sobre
la cara perpendicular de la unión (sin biselar).
En posición horizontal, la cara perpendicular se
debe colocar en el lado inferior para obtener
buena fusión.
117
SOLDADURA
SOLDADURA DE RANURA CON DOBLE BISEL
Tiene las mismas características que las
soldaduras de ranura en doble V .
Es más difícil obtener fusión completa
sobre la cara perpendicular de la unión
(sin biselar).
Se dificulta realizar un correcto trabajo de
raíz en la primera soldadura.
Es económica cuando la profundidad de la
ranura no excede aproximadamente los 19
mm (3/4”) y el espesor de la unión es de 38
mm (1 ½”) o menor.
SOLDADURA
SOLDADURA DE FILETE
Cuando el diseño lo permite, por
economía, se utilizan en vez de las
soldaduras de ranura.
Desde el punto de vista de la
preparación de los bordes y el
ajuste de la unión, son muy fáciles
de preparar, aunque a veces las
uniones de ranura soldadas
requieren menos soldadura.
118
SOLDADURA
Se miden por la longitud de las piernas del triángulo rectángulo más grande que
se puede inscribir dentro de la sección transversal de la soldadura de filete.
La garganta efectiva es su mejor indicador de la resistencia al cortante de la
soldadura.
Su resistencia se basa en la garganta efectiva y la longitud de la soldadura (área
efectiva).
Su garganta real puede ser mayor que su garganta teórica debido a la penetración
más allá de la raíz de la soldadura (SAW y FCAW).
SOLDADURA
APLICACIONES DE LA SOLDADURA DE FILETE
Por ser económicas, se aplican en uniones en esquina, en “T” y traslapadas. No se necesita
preparación, pero se requiere limpieza de las superficies.
Cuando su tamaño es menor de 16 mm (5/8”), generalmente se aplican para transferir
esfuerzos al cortante transversales al eje de la soldadura.
Si la carga requiere una soldadura de filete de 16 mm (5/8”) o mayor, una soldadura de ranura
debe utilizarse posiblemente en combinación con una soldadura de filete, para proporcionar la
garganta efectiva requerida. Pueden utilizarse en uniones sesgadas en “T” o uniones de esquina
que tengan un ángulo diedro de entre 60° y 135°. Fuera de estos límites, se consideran
soldaduras de ranura con penetración parcial.
Se diseñan en base a la fuerza cortante en la garganta, independientemente de la dirección de
la fuerza aplicada con respecto al eje de la soldadura.
El esfuerzo cortante máximo se calcula en base a la superficie o área efectiva de la soldadura.
En el caso del acero, el esfuerzo cortante máximo se limita normalmente a aproximadamente el
30% de la resistencia a la tensión (tracción) nominal del metal de soldadura.
119
SOLDADURA
TAMAÑO DE LA SOLDADURA DE FILETE
Deben ser lo suficientemente grandes para resistir la carga aplicada y para
acomodar la contracción del metal de soldadura durante el enfriamiento y evitar el
agrietamiento, especialmente en secciones gruesas altamente restringidas.
Para minimizar la distorsión y el costo de la soldadura, el tamaño de la soldadura
de filete no debe ser excesivo.
En uniones traslapadas, no pueden exceder el espesor del borde expuesto.
SOLDADURA
SOLDADURA DE FILETE SOBRE SOLDADA
Para minimizar la distorsión y el costo de la soldadura, el tamaño de la soldadura de filete
no debe ser excesivo.
120
SOLDADURA
SOLDADURAS DE FILETE EN LADOS OPUESTOS DE UN PLANO DE CONTACTO COMÚN
SOLDADURA
SOLDADURAS DE FILETE EN CONEXIONES DE DIAGONALES Y MONTANTES CON
CUERDAS INFERIOR Y SUPERIOR DE ARMADURA
121
SOLDADURA
SOLDADURAS DE FILETE SENCILLO
Su uso se limita a cargas ligeras.
Debido al efecto de muesca, no se debe permitir
momentos flexionantes que puedan producir
esfuerzos de tensión en la raíz una soldadura de filete.
Por esta razón, no se deben utilizar soldaduras de
filete en uniones traslapadas que puedan rotar bajo
carga.
No deben estar sujetas a cargas de impacto.
Cuando se usen con cargas de fatiga, el rango de
esfuerzo permisible debe estar sujeto a limitaciones
estrictas.
SOLDADURA
SOLDADURAS DE FILETE DOBLE
Es preferible utilizar pequeñas soldaduras de
filete doble, que una soldadura de filete sencillo
grande.
Bajo cargas estáticas, con soldaduras de filete
dobles se puede obtener la resistencia
completa de una placa de acero.
En uniones de esquina y en “T”, limitan la
rotación de los elementos sobre el eje
longitudinal de la unión y minimizan los
esfuerzos de tensión en la raíz de las
soldaduras.
Estos tipos de uniones
pueden cargarse
cíclicamente paralelamente a los ejes de las
soldaduras.
122
SOLDADURA
SOLDADURAS DE FILETE DOBLE
En uniones traslapadas con doble soldadura, el traslape mínimo debe ser debe ser
de 5 veces el espesor del metal base, para evitar la rotación de la unión bajo carga.
Se pueden combinar con uniones de ranura con penetración completa y parcial.
SOLDADURA
SELECCIÓN DEL TIPO DE SOLDADURA
(A) Fácil de aplicar
No requiere preparación especial
Electrodos gruesos
Mayor intensidad de corriente
Mayor cantidad y velocidad
de depósito de soldadura
(B) Tiene la mitad de la
sección transversal que (A)
Requiere preparación
Electrodos delgados para el
fondeo
(C)
Requiere la misma cantidad de
soldadura que (A)
Requiere preparación
Menor velocidad de depósito en el
fondeo
123
SOLDADURA
SOLDADURA
COSTO DE SOLDADURAS DE FILETE Y DE RANURA
En placas gruesas, el
costo del filete doble
puede exceder el de
una soldadura de
ranura con bisel
sencillo, aunque la
unión se posicione de
tal forma que se pueda
soldar en posición
plana.
SOLDADURA
Un filete (A) con garganta efectiva igual a la de una unión de penetración parcial con
soldadura de ranura de bisel sencillo a 45° (B), requiere el doble de soldadura que ésta, sin
embargo puede no ser tan económica que una soldadura de filete, debido al costo de la
preparación de la unión.
Si se combina una soldadura de ranura con bisel
sencillo con un filete de soldadura a 45° (C), el
área de sección transversal es aproximadamente
el 50% del área del filete (A). La profundidad del
bisel en (C) es menor que en (B).
Una soldadura similar a (C) con 60° de ángulo
de la ranura y un filete con piernas desiguales y
la misma garganta efectiva (D), también requiere
menos soldadura que (A). (D) permite el uso de
mayor corriente de soldadura.
124
SOLDADURA
SOLDADURAS DE FILETE Y RANURA (C) y (D)
La garganta efectiva deseada se puede obtener ajustando las
dimensiones de la ranura y la longitud de la pierna del filete.
Se debe considerar la accesibilidad de la raíz para soldar y la
concentración de esfuerzos en los pies de la soldadura de filete.
Para propósitos del diseño, se utiliza la garganta efectiva mínima.
La garganta efectiva de soldaduras combinadas no es la suma de las
gargantas efectivas de cada soldadura.
Para determinar la garganta efectiva, la combinación de las soldaduras
se trata como una sola soldadura. COMBINADAS
UNIONES DE ESQUINA
SOLDADURA
Se utilizan más en el diseño de equipos y maquinaria.
(A)
-Es difícil posicionar la esquina con esquina y
requiere ajustes.
-Se utilizan electrodos delgados y poca corriente en el
fondeo.
(B)
-Fácil de armar
-No requiere respaldo
-Se requiere aproximadamente la mitad de
soldadura que (A)
-Menor resistencia que (A) por su garganta efectiva
más pequeña
(C)
-los filetes exterior e interior dan la misma garganta
efectiva total que (A) con la mitad de
soldadura
125
SOLDADURA
(D)
Generalmente se utiliza en secciones
gruesas
-Requiere preparación de la unión
(E)
Se utilizan para tener mayor
penetración, al igual que la soldadura
de ranura en “U”, en
lugar de la soldadura de ranura
biselada
(F)
-Un filete interno en la esquina, la
hace limpia y económica
-El filete interior se puede utilizar solo
o combinado con cualquiera de las
otras uniones de esquina.
SOLDADURA
Siempre se debe diseñar el tamaño de la soldadura con referencia en el
espesor del elemento más delgado, ya que la unión no puede ser más
resistente que el elemento más delgado y de esta forma se minimizan
los requerimientos del metal de soldadura para reducir el costo.
Durante la fase de diseño, siempre se debe considerar el desgarre
laminar al que están expuestos los bordes de las uniones de esquina en
placas de acero gruesas.
Las uniones de esquina con penetración parcial con soldaduras de
ranura en “V” sencilla (D) y en “J” sencilla (E) o de ranura en “U”,
reducen considerablemente las fuerzas de contracción a través del
espesor y tienen menor tendencia a producir desgarres laminares, que
las uniones soldadas de esquina similares a (F).
126
SOLDADURA
Todas las estructuras metálicas están formadas por 4 elementos
fundamentales. Los cuales pueden cumplir diversas funciones de
acuerdo a las características de su elementos de sujeción.
Columnas + Trabes
Columnas + Trabes
Marcos laterales
Columnas + Diagonales + Trabes
Vigas
Pisos y cubiertas
Son las conexiones las que logran la interacción de todos ellos y
proponen la estabilidad del sistema.
• El propósito de esta sección, es repasar ciertos lineamientos y factores que se
deben considerar al diseñar las uniones soldadas, ya que afectan directa o
indirectamente los costos. Estos factores son conocidos, pero en algunos
proyectos, por diferentes razones, no se toman en cuenta.
• La longitud efectiva de la soldadura de ranura será el ancho de la parte unida.
127
SOLDADURA
Tamaño mínimo de las soldaduras de filete, en mm
Espesor más grueso de las partes
unidas, en mm
Tamaño mínimo de la soldadura de
filete, en mm
Hasta 6 inclusive
Mas de 6 a 13
Mas de 13 a 19
Más de 19
3
5
6
8
El tamaño se define como el cateto de la soldadura de filete.
128
SOLDADURA
Espesor mínimo efectivo de garganta de soldaduras de penetración
parcial, en mm
Espesor más grueso de las
partes unidas, en mm
Hasta 6 inclusive
Más de 6 a 13
Mas de 13 a 19
Más de 19 a 38
Más de 38 a 57
Más de 57 a 150
Más de 150
Espesor mínimo efectivo de
garganta, en mm.
3
5
6
8
10
13
16
SOLDADURA
Tamaño máximo.
El tamaño máximo de las soldaduras de filete colocadas a lo largo de los
bordes de placas o perfiles es:
• En los bordes de material de grueso menor que 6 mm., el grueso del
material.
• En los bordes de material de grueso igual o mayor que 6, el grueso del
material menos 2 mm, excepto cuando se indique en los dibujos de
fabricación que la soldadura deberá depositarse tomando las medidas
necesarias para obtener un tamaño igual al grueso del material. La
distancia entre el borde de la soldadura depositada y el de la placa puede
ser menor que 2 mm, pero el tamaño de la soldadura debe poderse
verificar sin dificultad.
129
Soldadura de tapón o de muesca.
SOLDADURA
Están limitadas a la transferencia de cargas de cortante en planos de unión
paralelos a las superficies de contacto
El espesor de las soldaduras de tapón o de muesca e materiales hasta de 5/8” de
espesor debe ser igual al espesor de la placa
En materiales de más de 5/8” de espesor, la soldadura debe tener un espesor de
al menos la mitad del espesor del material, pero no menor de 5/8”
SOLDADURA
El ancho de una ranura para la soldadura de muesca no puede ser menor
que el espesor de la parte que la contiene, más 5/16”. También el espesor
debe ser menor o igual a 2 ¼ veces el espesor de la soldadura, w. El valor
seleccionado se convierte en un múltiplo non de 1/16”. La longitud máxima
permitida para una soldadura de muesca es 10 veces el espesor de la
soldadura:
dsw, min = tp + 5/16; dsw, max = min(d sw, min + 1/16”; 2 ¼ w
dsw, min ≤ dsw ≤ d sw, max
L sw, min ≤ 10 w ≥ tp
130
SOLDADURA
R =D Cos 45° L (0.3 FEXX)
D, es eñ tamaño de la pierna
L, es la longitud de la soldadura
Fu, es Esfuerzo mínimo de ruptura
R =D Cos 45° L (0.75 x 0.60 FEXX)
SOLDADURA
CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS
Tensión
𝜎=
𝑃
𝐴
Cortante
𝜏=
𝑃
𝐴
Flexión
𝜎 𝑚𝑎𝑥 =
𝜏𝑀𝑇 =
Torsión
𝜏𝑀𝑇
𝜏𝑀𝑇
𝑃
𝐴
𝑀𝑇
𝑟
𝐽
𝑀𝑇
𝑦
𝑥 =
𝐽
𝑀𝑇
𝑥
𝑦 =
𝐽
131
SOLDADURA
Las soldaduras de penetración completa entre los muñones y los patines
de la columna requieren de una preparación en taller, un bisel sencillo en
los patines del muñón y palcas de respaldo para depositar y contener la
soldadura. La placa de respaldo del patín superior se deja en obra y la del
patín inferior se remueve, se limpia la raíz de soldadura, hasta descubrir
metal sano, y se coloca un cordón adicional.
Para facilitar la colocación de la placa de respaldo en el patín superior, y
soldar el patín inferior completo, incluyendo la parte que se une con el
alma, se hacen agujeros de acceso, de dimensiones adecuadas, en el
alma de la trabe. Como el diseño de la conexión queda regido por una
condición de carga que incluye sismo, la columna HSS requiere
atiesadores horizontales o placas atiesadoras en su interior, a nivel de los
patines del muñón. Estas placas se unen con soldaduras de filete en taller
en los tres lados interiores de la columna, dejando pendiente la última
soldadura que puede ser de tapón.
SOLDADURA
Conexión trabe columna con placas laterales.
Otro tipo de conexión trabe columna que se ensayó en varios laboratorios
de universidades de los Estados Unidos, es la conexión rígida con placas
laterales que se muestra en la figura.
132
SOLDADURA
Criterios de diseño de conexiones estructurales trabe columna.
Ru ≤  Rn
Ru = resistencia requerida (de las cargas factorizadas), kg
 Rn = resistencia de diseño, kg
 = factor de reducción de resistencia (adimensional)
Rn = resistencia nominal, kg
SOLDADURA
Estados límite típicos en conexiones trabe-columna.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Fluencia del ángulo.
Ruptura en la sección neta del ángulo (incluyendo el cortante desfasado).
Aplastamiento del tornillo/ desgarramiento del ángulo.
Bloque de cortante en el ángulo.
Fractura por cortante en el tornillo.
Aplastamiento/ desgarramiento en la placa.
Bloque de cortante en la placa.
Ruptura de la placa.
Fluencia de la placa.
Fractura de la soldadura.
133
SOLDADURA
Los puntos de soldadura, es una
soldadura temporal y sirve para
colocar las partes en su posición
SOLDADURA
Soldadura intermitente, con una longitud específica y su distancia de
centro a centro.
134
SOLDADURA
SOLDADURA
VENTAJAS
Menor peso
Mayor área de aplicación
Estructuras más rígidas
Continuidad de la
estructura ( fusión de los
materiales)
• Facilidad para realizar
cambios de diseño y
montaje.
• Proceso casi silencioso
• Menor cantidad de piezas
•
•
•
•
DESVENTAJAS
• Se inducen altas
temperaturas al acero
mediante la aplicación.
• Requiere mayor
supervisión.
• Requiere mano de obra
calificada.
• Las condiciones
ambientales afectan a la
calidad final de la obra.
• Inspección más costosa.
Uso de los tornillos de alta resistencia en conexiones trabe-columna.
TORNILLOS
Los tornillos de alta resistencia basan su capacidad en el hecho de que pueden ser
sometidos a una gran fuerza de tensión controlada que aprieta firmemente los
elementos de la conexión. La ventaja de este apriete firme se conoce desde hace
tiempo, pero su aplicación práctica en estructuras proviene de 1951 en que se
publicaron las primeras especificaciones para regir su utilización. Los tornillos de
alta resistencia se agrupan en las Especificaciones del IMCA 5a Edición, conforme a
la resistencia del material en:
Grupo A
ASTM A325, 325M, F1582, A354 grado BC y A449
Grupo B
ASTM A490, A490M, F2280 y A354 grado BD
135
TABLA 6.1
Resistencia nominal de sujetadores y partes roscadas, kg/cm2, (MPa)
Resistencia nominal al
Resistencia nominal a la
cortante en conexiones tipo
Descripción del sujetador
tensión, Fnt, kg/cm2,
aplastamiento, Fnv, kg/cm2,
(MPa)[a]
(MPa)[b]
Tornillos A 307
3,163 (310)
1,898 (188) (c)(d)
Tornillos del Grupo A (tipo A325), cuando no se
6,327 (620)
3,796 (372)
excluyen las cuerdas de los planos de cortante
Tornillos del Grupo A (tipo A325), cuando se
6,327 (620)
4,781 (372)
excluyen las cuerdas de los planos de cortante
Tornillos del Grupo B (tipo A490), cuando no se
7,944 (780)
4,781 (457)
excluyen las cuerdas de los planos de cortante
Tornillos del Grupo B (tipo A490), cuando se
7,944 (780)
5,905 (579)
excluyen las cuerdas de los planos de cortante
Partes roscadas que cumplen con los requisitos de
la Sección A3.4, cuando no se excluyen las cuerdas
0.75 Fu
0.450 Fu
de los planos de cortante
Partes roscadas que cumplen con los requisitos de
la Sección A3.4, cuando se excluyen las cuerdas de
0.75 Fu
0.563 Fu
los planos de cortante
a.
b.
Para tornillos de alta resistencia sujetos a cargas de fatiga por tensión, ver el Apéndice 3.
Para conexiones de cargas en extremos, cuando la separación de sujetadores es mayor de 965 mm, F debe reducirse al 83.3% de los valores tabulados.
nv
Esta separación se mide como la distancia máxima paralela a la línea de fuerza entre los ejes longitudinales
de los tornillos que conectan partes con
superficie de contacto común.
[c] Para los tornillos A307 los valores tabulados deben reducirse un 1% por cada 2 mm sobre los 5 diámetros de longitud en el agarre.
[d] Las cuerdas se permiten en los planos de cortante.
TORNILLOS
136
Trabajo del tornillo en cortante:
TORNILLOS
Existen dos formas de juntas:
Juntas por aplastamiento (“bearing type joints”)
Juntas de fricción (deslizamiento crítico, “slip–critical joints”).
Juntas “por aplastamiento.
Son aquellas que transmiten fuerza cortante entre las partes conectadas y se
diseñan para que la transmisión se haga por aplastamiento entre los tornillos y las
partes conectadas.
Juntas por fricción.
Son aquellas que transmiten fuerza cortante entre las partes conectadas y se
diseñan para que la transmisión se haga por fricción entre éstas.
En conexiones de deslizamiento crítico en las que la carga se dirige hacia un borde
de una parte conectada, se deberá proporcionar una resistencia de diseño al
aplastamiento adecuada, de acuerdo con los requisitos aplicables de la sección
J3.9 Resistencia al aplastamiento en agujeros de tornillos, Especificaciones IMCA
5a Edición.
TORNILLOS
137
TORNILLOS
TORNILLOS
Resistencia nominal “Rn” a la tensión.
138
TORNILLOS
TORNILLOS
Instalación de tornillos de alta resistencia
Dependiendo del tipo de conexión, puede, o no, requerirse que los tornillos se
instalen apretándolos hasta que haya en ellos una tensión especificada mínima, no
menor que la dada en la tabla J3.1 y J3.1M de las Especificaciones IMCA 5a Edición.
Apriete (“snug tight”): instalado los tornillos con pocos impactos de una llave de
impacto o manualmente.
El apriete puede hacerse por alguno de los métodos siguientes:
1. Vuelta de tuerca
2. Llave calibrada
3. Tornillos de diseño especial
4. Indicadores directos de tensión
Tornillo de tensión controlada
139
Métodos deapriete
TORNILLOS
• Método del giro de la tuerca
TORNILLOS
Métodos deapriete
• Con llaves Calibradas
140
Métodos deapriete
TORNILLOS
• Con indicadores de tensión directa
TORNILLOS
Métodos deapriete
• Empleo de tornillos de tensión controlada
141
Métodos deapriete
TORNILLOS
• Empleo de tornillos de tensión controlada
TORNILLOS
El apriete “al contacto” se define como el que existe cuando todas las
partes de una junta están en contacto firme; puede obtenerse con
unos cuantos impactos de una llave de impacto o con el esfuerzo
máximo de un trabajador con una llave de tuercas ordinaria.
La resistencia al aplastamiento disponible, φ/Rn y Rn/Ω, en agujeros de
tornillos, se determinará por el estado límite del aplastamiento, como
sigue:
φ= 0.75 (DFCR)
Ω = 2.00 (DRP)
142
TORNILLOS
TORNILLOS
143
TORNILLOS
TORNILLOS
144
TORNILLOS
TORNILLOS
145
TORNILLOS
TORNILLOS
146
TORNILLOS
TORNILLOS
147
TORNILLOS
TORNILLOS
148
BASES DE DISEÑO
Resistencia Requerida
DRP (Diseño por Resistencia Permisible)
DFCR (Diseño por factores de carga y Resistencia)
Resistencia nominal
CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGAS
DRP:
DFCR:
Carga Muerta
Carga Viva Instantánea
Carga Viva Media
Carga de Viento
Carga Viva Máxima
Carga de Sismo
149
COMPORTAMIENTO DE UN MIEMBRO EN TENSIÓN
Cuando existe un agujero en un elemento en tensión, existe una
discontinuidad que ocasionará concentración de esfuerzos, motivo por el
cual el comportamiento de la barra con discontinuidades difiere.
La capacidad de carga
por tensión de la barra
será:
TORNILLOS
Los modos de falla de una conexión soldada de elementos que se
encuentra sujetos a tensión axial son:
1.
2.
3.
4.
Fluencia en la sección total
Fractura en la sección neta
Fractura de la soldadura
Sección crítica de Whitmore
Los principales modos de falla de una conexión atornillada de elementos
que se encuentra sujeto a tensión axial son:
1. Fluencia en la sección total.
2. Fractura en la sección neta.
3. Cortante y tensión combinados.
4. Aplastamiento.
150
1. ESTADO LÍMITE DE FLUENCIA
(DFCR)
(DRP)
=área bruta de la sección transversal
=Esfuerzo de fluencia del material
=Resistencia de tensión nominal
=Factor de resistencia de miembros en tensión
=Factor de seguridad de miembros en tensión
RESISTENCIA PERMISIBLE (DRP)
Para el diseño de Resistencia Permisible (DRP) se deberá satisfacer lo
siguiente:
=Resistencia de tensión requerida
=Resistencia de tensión nominal
=Factor de seguridad de miembros en tensión
(Capítulo D IMCA 5ta Edición)
=Resistencia de tensión permisible
151
FACTOR DE CARGA Y RESISTENCIA (DFCR)
Para el diseño de factor de carga (DFCR) y resistencia se deberá satisfacer lo
siguiente:
=Resistencia de tensión última
=Resistencia de tensión nominal
=Factor de resistencia de miembros en tensión
(Capítulo D IMCA 5ta Edición)
=Resistencia de tensión permisible
TORNILLOS
1. Fluencia en la sección total
La falla consiste en que desarrolle el esfuerzo máximo en el área total de la
sección transversal, esto es cuando el esfuerzo de tensión aplicado iguala el
esfuerzo de fluencia del material donde las deformaciones quedarán sin
restricción.
Para DFCR
Para DRP
152
TORNILLOS
2. Ruptura por tensión
Este tipo de falla se presenta en las conexiones de los elementos que
trabajan en tensión, en este caso el esfuerzo de fluencia es alcanzado más
rápido debido a que el área de la sección transversal en ese punto es
menor.
Para DFCR
Ft = 0.75
Para DRP
t = 2.00
Diseño de conexión a Tensión.
ÁREA TOTAL, NETA Y NETA EFECTIVA
Ag = Área Total
An = Área Neta
Ae = Área Neta Efectiva
dBARR= Diámetro de barreno
s = Paso
g = Gramil
153
ÁREA TOTAL, NETA Y NETA EFECTIVA
La diferencia entre el área total Ag y el área neta An es que la segunda es
medida en la zona de un perfil donde se han hecho barrenos para tornillos
de alta resistencia para realizar una unión.
El área neta efectiva Ae no es otra cosa que el área neta An multiplicada por
un coeficiente U, que es un factor de relajación por cortante que se
determina con la tabla D3.1
El área neta se determina restando al ancho total el diámetro de los
barrenos que conformarán la conexión y multiplicándolo por su espesor, el
ancho neto se determina como sigue:
a) El diámetro del barreno se considera 1/16” (1.5 mm) más que el
diámetro nominal de tornillo y para fines de cálculo se considera 1/16” (1.5
mm) más por daño del material en el momento de ejecución.
ÁREA NETA
b) Cuando existen más barrenos en una normal al eje de la pieza, el ancho
neto será la resta de el ancho total menos la suma de los diámetros de los
barrenos.
Trayectoria ABCDE
Trayectoria ABDE
Trayectoria ABCF
154
ÁREA NETA
c) Cuando los agujeros se encuentran en una diagonal normal al eje del
elemento se tienen que estudiar las trayectorias de falla posibles, y la
menor de estas será la que corresponda al ancho neto. El ancho neto se
obtiene restando del ancho total la suma de los diámetros de los barrenos y
sumando para cada espacio diagonal entre agujeros la cantidad de s²/4g,
donde “s” es el paso de los barrenos y “g” es el gramil.
Daño
Tolerancia
ÁREA NETA
s
s
g
g
Se deberá analizar TODAS las posibles superficies de fractura
155
ÁREA NETA EFECTIVA
El área neta efectiva se calcula como sigue:
a) Cuando la carga se trasmite por medio de tornillos o remaches:
b) Cuando la carga se trasmite por medio de soldaduras:
U es el coeficiente de reducción del área (relajación por cortante) cuyos
valores particularmente están influenciados por la geometría del elemento
y por el tipo de conexión que se desarrolla. Este coeficiente se calcula como
sigue:
Excentricidad de la carga (centroide)
Longitud de la conexión en dirección de la carga
VALORES DEL COEFICIENTE U (tabla D3.1)
CONEXIONES ATORNILLADAS
U
Secciones laminadas ó soldadas H ó I con patines de ancho mayor o igual de 2/3 del
peralte y tés estructurales obtenidas de ellas ó formadas por 2 placas soldadas
conectadas en los patines con 3 o más conectores en cada línea en la dirección de los
esfuerzos.
U = 0.90
Secciones laminadas o soldadas H ó I que no cumplan con el párrafo anterior, tés
estructurales obtenidas de ellas, ó formadas por 2 placas soldadas y todas las
secciones restantes, incluidas las formadas por varias placas, con 3 o más conectores
en cada línea en la dirección de los esfuerzos.
U = 0.85
Perfiles IR, IE, TR, TE cortadas de ellos con alma conectada con cuatro o más tornillos
en la dirección de la fuerza
U = 0.70
Todos los miembros que sólo tengan 2 conectores en cada línea de la dirección del
esfuerzo.
U = 0.75
Ángulos conectados por una sola ala con 4 o mas conectores en cada línea en la
dirección del esfuerzo.
U = 0.80
Ángulos conectados por una sola ala con 2 ó 3 conectores en cada línea en la dirección
del esfuerzo.
U = 0.60
156
VALORES DEL COEFICIENTE U
CONEXIONES SOLDADAS
U
w l < 1.5w
U = 0.75
1.5w l < 2w
U = 0.87
2w
l
U = 1.00
l
w
COMPORTAMIENTO DE UN MIEMBRO EN TENSIÓN
El esfuerzo máximo se presenta en la orilla del agujero.
157
3) Cortante y tensión combinados
La falla se presenta en toda la longitud de la parte conectada y se combina
un esfuerzo de cortante y uno de tensión simultáneamente, también se le
conoce como desgarramiento.
= Área neta de corte de la sección transversal
= Área neta de tensión de la sección transversal
= Área bruta en corte de la sección transversal
Cuando el esfuerzo de tensión es uniforme
Cuando el esfuerzo de tensión es no uniforme
3) CORTANTE Y TENSIÓN COMBINADOS
158
2) FRACTURA EN LA SECCIÓN NETA
4. ESTADO LÍMITE POR APLASTAMIENTO
(DFCR)
(DRP)
= Distancia libre entre bordes de perforaciones o del borde del material
= diámetro nominal del tornillo o conector
= espesor del material conectado
159
4. ESTADO LÍMITE POR DESGARRAMIENTO Y APLASTAMIENTO
T
Desgarramiento
L
c
Aplastamiento
L
c
T
5. SECCION CRÍTICA DE WHITMORE
30°
Seccion
Crítica
T
30°
160
5. SECCION CRÍTICA DE WHITMORE
Ejemplo. Determinar el área neta efectiva del perfil IR 305 x 59.8 kg/m
sometido a tensión axial.
Diámetro del barreno:
Dbarr = ¾” + 1/16” + 1/16”
Dbarr = 7/8”
161
TRAYECTORIAS DE FALLA
TRAYECTORIAS DE FALLA
162
AREA NETA (EJEMPLO 1)
La trayectoria de falla que rige para el diseño es la comprendida en ABDE.
AREA NETA EFECTIVA
Para el cálculo del área neta efectiva utilizaremos la tabla del coeficiente U
para conexiones atornilladas*
163
Determinar capacidad de carga por tensión permisible y la
capacidad de carga por tensión resistente utilizando los datos
ya calculados.
DATOS
PERFIL
PLACA
1.- ESTADOLÍMITE DE FLUENCIA
Para DRP
Para el perfil
Para la placa
164
1.- ESTADO LIMITE DE FLUENCIA
Para DFCR
Para el perfil
Para la placa
2.- ESTADO LIMITE DE FRACTURA
Para DRP
Para el perfil
Para la placa
165
2.- ESTADO LÍMITE DE FRACTURA
Para DFCR
Para el perfil
Para la placa
3.- Estado limite de Cortante y Tensión combinado
En este caso el perfil se encuentra únicamente conectado en
el alma y el bloque se presenta en esta zona, solo se revisa el
perfil ya que tiene el espesor más pequeño y es el que se
puede desgarrar, la tensión nominal por bloque de cortante y
tensión combinados según IMCA 2014 está dada por:
166
EJEMPLO
3.- ESTADO LÍMITE POR CORTANTE Y TENSIÓN COMBINADOS
Para DRP
Para DFCR
167
4.-ESTADO LÍMITE POR DESGARRAMIENTO Y APLASTAMIENTO
La tensión nominal por aplastamiento del alma del perfil,
para un solo barreno está dada por:
Para los 9 barrenos:
4.-ESTADO LÍMITE POR DESGARRAMIENTO Y APLASTAMEINTO
Para DRP:
Para DFCR:
168
5.- CAPACIDAD NOMINAL DE TORNILLOS (Vn)
=Número de tornillos
=Número de planos de corte
=Capacidad nominal de tornillos por cortante al aplastamiento
(ver apéndice 1 miembros en tensión ó información técnica)
Para DFCR
Para DRP
RESUMEN EJEMPLO
ESTADO LÍMITE DE
FALLA
DRP
(TON)
DFCR
(TON)
FLUENCIA
160.17
240.74
FRACTURA
149.64
224.47
CORTANTE Y TENSIÓN
COMBINADOS
76.06
114.10
APLASTAMIENTO
70.52
105.80
CORTANTE EN TORNILLOS
86.44
129.67
169
APÉNDICE A.1
APÉNDICE A.1
EJEMPLO 3
170
171
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Las placas base son elementos que forman parte de la superestructura y la
función principal es el de trasmitir de manera adecuada los esfuerzos de
compresión y flexión (si existe) a la cimentación. Cuando una columna está
sujeta solo a compresión no presenta ningún problema a diferencia de las que
se encuentran a flexocompresión las cuales necesitan de anclajes que evitan
que la columna se levante.
La placa base se diseña mas que nada con la fórmula de la escuadría,
revisando el aplastamiento en el concreto con las presiones de contacto de
la placa base.
Se fija un rectángulo hipotético donde se supone existirá penetración por
parte del perfil con dimensiones de 0.8b x 0.95d, donde b y d son el ancho y
el peralte del perfil respectivamente.
El espesor de la placa se determina tomando en consideración las presiones
de contacto y se calcula un momento de voladizo que se presenta fuera del
rectángulo de penetración de la placa.
Momento de voladizo
172
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Se deben tomar las medidas apropiadas para transmitir los momentos y las cargas de las
columnas a las bases y cimentaciones.
Cuando no rija un código o reglamento, la resistencia al aplastamiento de diseño, cPp y la
resistencia al aplastamiento permisible, Pp/ Ωc, para el estado límite del aplastamiento del
concreto, se pueden tomar como sigue:
c = 0.65 (DFCR)
Ω c = 2.31 (DRP)
La resistencia nominal al aplastamiento, Pp, se determina como sigue:
(a) Sobre el área total de un apoyo de concreto:
Pp =0.85f’cA1
(b) Sobre menos del área total de un apoyo de concreto:
(J8-1)
Pp =0.85f’cA1 A2/A1 ≤ 1.7fc´A1
(J8-2)
donde
A1 = área de acero apoyada concéntricamente sobre un soporte de concreto, cm2,
(mm2)
A2 = área máxima de la parte de la superficie de soporte que es geométricamente
similar a y concéntrica con el área de carga, cm2, (mm2)
f’c = resistencia de compresión especificada del concreto, kg/cm2, (MPa)
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Los pernos de anclaje se deben diseñar para proporcionar la resistencia requerida a las
cargas de toda la estructura en las bases de las columnas, incluyendo los componentes
de tensión neta y cualquier momento flexionante que pueda resultar por las
combinaciones de carga estipuladas en la Sección B2. Los pernos de anclaje se deben
diseñar conforme a los requisitos de las partes roscadas de la Tabla J3.2.
El diseño de bases de columna y pernos de anclaje para transmitir fuerzas a las
cimentaciones de concreto, incluyendo aplastamiento contra los elementos de
concreto, debe satisfacer los requisitos de ACI 318 (ACI 318M) o ACI 349 (ACI 349M).
Cuando se utilizan pernos de anclaje para resistir fuerzas horizontales, se deben
considerar en el diseño, el tamaño del agujero, la tolerancia de instalación de pernos
de anclaje y el movimiento horizontal de la columna.
Se permiten agujeros en las placas base de mayor tamaño que los sobredimensionados
y agujeros alargados cuando se proporcione el apoyo adecuado para la tuerca
mediante el uso de arandelas ASTM F844 o arandelas de placa para cubrir el agujero.
173
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Diám. Nom.
A
inch.
mm
1/4
6.35
5/16
7.94
3/8
9.53
7/16
11.11
1/2
12.70
9/16
14.29
5/8
15.88
3/4
19.05
7/8
22.23
1
25.40
1 1/8
28.58
1 1/4
31.75
1 3/8
34.93
1 1/2
38.10
1 5/8
41.28
1 3/4
44.45
1 7/8
47.63
2
50.80
Distancia mínima al borde
Diám. Barr.
Dist. Min. De tornillos y Anclas
B
C
D
E
inch.
mm
mm
mm
mm
5/16
7.94
15
25
15
3/8
9.53
20
30
20
7/16
11.11
20
30
20
1/2
12.70
25
40
20
9/16
14.29
25
45
25
5/8
15.88
30
45
25
11/16
17.46
40
55
30
13/16
20.64
55
65
30
15/16
23.81
55
75
35
1 1/16
26.99
55
85
40
1 3/16
30.16
55
100
45
1 5/16
33.34
60
110
45
1 7/16
36.51
60
120
50
1 9/16
39.69
70
130
55
1 11/16
42.86
75
140
60
1 13/16
46.04
80
155
60
1 15/16
49.21
85
165
65
2 1/16
52.39
90
170
70
Ejemplo de Placa Base
Combinación Gravitacional
PLACAS BASE Y ANCLAJE
P= 75.0 ton
MX= 11.5 ton-m
MY= 0.0 ton-m
Combinación Carga Símica
V = 2.3 ton
PS= 50.0 ton
Msx= 20.6 ton-m
MSy= 1.7 ton-m
VS = 11.2 ton
IR – 610 X 81.9
Dimensiones del dado: 800 cm x 1000 cm
F’c = 350 kg/cm2
174
PLACAS BASE Y ANCLAJE
d = 600
mm
B = 228
mm
ASTM A 992 Fy = 3515
Kg/cm2
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Diseño de la placa base
Se deberán revisar los siguientes modos de falla:
• Aplastamiento del concreto sobre el que se apoya la placa base (dado o zapata).
• Fluencia de la placa base por flexión.
• Falla de anclaje a tensión.
• Falla del anclaje a cortante.
• Falla por una combinación de tensión y cortante del anclaje.
175
Revisión de la sección de la placa y aplastamiento del concreto.
A partir de los valores de carga axial y momento último para las dos
condiciones de carga consideradas se obtiene la mayor excentricidad con la
expresión siguiente:
𝑒=
𝑒 =
,
,
= 15.33 𝑐𝑚
,
𝑒 =
2,060,000 𝑘𝑔 − 𝑐𝑚
= 41.2 𝑐𝑚
50,000 𝑘𝑔
Es mayor la excentricidad por efectos sísmicos.
Se proponen anclas de
 = 38 mm, las dimensiones de la placa resultan:
N = 60 cm + 2 (6 ) = 60 + 12(2.5) = 90 cm
B = 28.8 cm + 2 (6 ) = 28.8 + 12 (2.5) = 58.8 cm; para fines prácticos, B se redondea
a 60 cm
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Revisión de la excentricidad crítica de la placa:
𝑒
=
.
−
La resistencia al aplastamiento del concreto fu se calcula por medio de la expresión:
𝑓 = 0.85𝑓′𝑐
≤ 1.7𝑓′𝑐
𝑓 = 0.85 350
= 318
≤ 1.7 350 = 595
Con lo que se calcula la excentricidad crítica
𝑒
=
−
,
= 51.45 𝑐𝑚 > es = 41.2 cm, las dimensiones propuestas
cumplen con el aplastamiento en el dado.
Y = N – 2e = 90 – 2(41.2) = 7.6 cm
176
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Revisión por flexión de la placa
La resistencia máxima a flexión por centímetro de ancho de la placa base (kg-cm/cm)
está dada por la siguiente ecuación:
𝑀 = 𝐹 𝑡 𝐹 /4
Si se asume que el momento máximo MU debe ser por lo menos igual a MR, el espesor
de la placa se puede calcular:
𝑡 =
4𝑀
𝐹 𝐹
El momento máximo MU corresponde al mayor entre el debido al aplastamiento del
concreto, por la tensión de las anclas o el debido a las demandas de flexión sobre la
placa base
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Momento debido al aplastamiento del concreto:
𝑀 =𝑓𝑌 𝑙−
Donde l es la longitud crítica de los volados de la placa base:
𝑚 = 0.5 𝑁 − 0.95𝑑 = 0.5 90 − 0.95 60 = 24.0 𝑐𝑚
𝑙 𝑛 = 0.5 𝐵 − 0.8 𝑏 = 0.5 75 − 0.8(28.8) = 25.98 𝑐𝑚 → 𝑟𝑖𝑔𝑒
𝑛 = 0.25 𝑑𝑏 = 0.25 (60)(28.8) = 10.39 𝑐𝑚
𝑀 =𝑓𝑌 𝑙−
𝑌
50,000
7.6
=
(7.6) 25.98 −
= 1560.8 𝑘𝑔 − 𝑐𝑚/𝑐𝑚
2
90𝑥60
2
177
PLACAS BASE Y ANCLAJE

Momento debido a la tensión de las anclas: dado que e < ecrit, no aplica éste
parámetro, sin embargo, se calcula para ilustrar el procedimiento por medio de la
expresión siguiente:
𝑀 = 𝑐
donde “c” distancia desde el eje de las anclas hasta el eje medio
del patín en tensión. C = 7.9
A su vez, TU se obtiene por medio de la expresión:
𝑇 = 𝐵𝑓 𝑌 − 𝑃
50,000
7.6 − 50000 = 43,666 𝑘𝑔
90𝑥60
𝑇 = 60
𝑀 =
𝑇 𝐶 43,666 (7.6)
=
= 5,458.25 𝑘𝑔 − 𝑐𝑚/𝑐𝑚
𝐵
60
Nota: éste momento regiría si e> ecrit, dado que no es el caso, se descarta
PLACAS BASE Y ANCLAJE
𝑡 =
(
. (
=
. )
)
= 1.40 𝑐𝑚,
𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑒 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 1.9 𝑐𝑚 ≈ ¾”
Se verifica la resistencia de la placa a flexión con el espesor comercial:
.
.
𝑀 =
=
= 2855 𝑘𝑔 − 𝑐𝑚 = 28,550 ton-m
Por lo tanto, se acepta la sección.
178
PLACAS BASE Y ANCLAJE
76
76
76
Falla de anclaje a tensión (NTC ACERO 2017)
PLACAS BASE Y ANCLAJE
El sistema de anclaje de la placa base, puede presentar cuatro modos de falla por tensión
diferentes:

La ruptura por tensión de un ancla se calcula por medio de la expresión:
𝑅 =𝐹 𝐴 𝐹
Se propone usar anclas con acero ASTM A 36, con Fy = 2530 kg/cm2 y Fu = 4,080
kg/cm2. A patir del análisis se obtiene la tensión de mayor magnitud actuante sobre
una sola ancla la cual es de 9.15 t, con la cual se estima el área requerida:
𝑅
9155
𝐴 =
=
= 4.02 𝑐𝑚²
𝐹 𝐹
0.9(2530)
Con esa área se calcula el diámetro  de las anclas:
 =
=
( .
.
)
= 2.26 𝑐𝑚
 Usar anclas de 25.4 mm = 1”
179
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Resistencia a extracción: debido a que las anclas empleadas corresponden al anclaje
mecánico, para el cálculo de ésta resistencia se utiliza la expresión siguiente:
𝑅 = 𝐹 𝜓 𝐴 8𝑓′𝑐
El área de aplastamiento del concreto Aap, corresponde al área de la placa inferior
del ancla menos el área del ancla, ya que dicha placa tiene unas dimensiones de 7.6
x 7.6 cm, el área de aplastamiento se calcula:
𝐴
=𝐴
𝐴 = 7.6𝑥7.6 − 5.06 = 52.7 𝑐𝑚²
En lo que corresponde al factor ψ5 se asume que los dados están correctamente
armados por lo cual se puede asegurar que el concreto no se agrieta, se usa el factor
de 1.4, por lo tanto la resistencia a extracción resulta:
𝑅 = 𝐹 𝜓 𝐴 8𝑓 𝑐 = 0.7 1.4 52.7 8 350 = 144,609 𝑘𝑔 < 9,155 𝑘𝑔
Por lo tanto, no existen problemas por extracción
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Desprendimiento del cono de concreto en tensión (NTC 2017 B.4.1): En éste caso se
evalúa la interacción del grupo de anclas por lo cual se emplea la siguiente expresión:
𝑅 =𝐹 𝜓 𝜓 𝜓 𝜓
𝑅
La resistencia básica al arrancamiento del concreto, se calcula por medio de la
expresión:
𝑅 =𝑘
𝑓′𝑐 ℎ
.
La profundidad de empotramiento geométrica es de 70 cm, sin embargo, como se
muestra en la figura, la separación máxima al borde (Cmax) es de 20 cm, por lo tanto
ℎ
=
.
=
.
= 13.33𝑐𝑚
Por otra parte, y dado que son anclas preinstaladas, se emplean un valor kc de 10, por
lo cual Rb resulta:
𝑅 =𝑘
𝑓′𝑐 ℎ
.
= 10 350 13.33
.
= 9,108 𝑘𝑔
180
El área de un ancla ANo resulta:
𝐴
= 9ℎ
= 9(13.33) = 1599 𝑐𝑚²
Y el área del grupo de anclas se obtiene al sobreponer el área de influencia
de cada ancla en el sistema de donde se obtiene el Área mostrado en la
figura el cual es igual a:
𝐴 = 80 50 = 4400 𝑐𝑚 ≤ 𝑛𝐴
= 3 1599 = 4797 𝑐𝑚²
El coeficiente ψ1 se tomará igual a 1 ya que Cmin = Cmax, ψ2 será igual a 1.25 pues
se estima que el concreto no se agrieta.
En lo que respecta a ψ3, dado que Cmin es menor a la distancia crítica Ca, éste se
calcula de la forma siguiente:
𝐶
𝐶
=
20
=1
(20)
𝜓
1.5ℎ
𝐶
=
1.5 (13.33)
=1
(20)
PLACAS BASE Y ANCLAJE
El coeficiente ψ4 se calcula de la forma siguiente:
1
1
𝜓 =
=
=1
2(0)
2𝑒′𝑁
1+
1+
3(13.33)
3ℎ𝑒𝑓
Se calcula la resistencia al desprendimiento del cono de concreto
𝑅 =𝐹 𝜓 𝜓 𝜓 𝜓
𝑅 = 0.7 1 1.25 1 1
9108 =
23,908.5 𝑘𝑔 < 9,155 kg
181
PLACAS BASE Y ANCLAJE

Resistencia al desprendimiento lateral de las anclas: Esta revisión se deberá
hacer cuando se utilice anclaje mecánico en la conexión y se calcula por medio de
la expresión:
𝑅 = 𝐹 42𝑐 𝐴
𝑓′𝑐 1 +
La distancia mínima a los bordes c es igual a 20 y la separación entre anclas So
es igual a 20 cm, por lo tanto, la resistencia resulta:
𝑅 = 𝐹 42𝑐 𝐴
𝑓′𝑐 1 +
𝑠
= 0.7 42 20
6𝑐
52.7 350 1 +
20
6 20
= 93,167 𝑘𝑔
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Falla del anclaje a cortante
El sistema de anclaje de la placa base, puede presentar dos modos de falla por
cortante diferentes
Resistencia a cortante de las anclas: La resistencia a cortante de un ancla se calcula
por medio de la expresión:
𝑅 =𝐹 𝐴 𝐹
Dado que la parte roscada de las anclas se encuentran en el plano de corte y de
acuerdo con la tabla -b.5.1 de las NTC-DCEA-16, FV será igual a 1630 kg/cm²,
por lo tanto, la resistencia resulta:
𝑅 = 0.75 5.02 1630 = 6,137 𝑘𝑔
La demanda total a tensión es de 9.155 ton, por lo que será necesario colocar el
número de anclas para soportar dicho valor, esto es:
9,155
𝑁
=
= 1.5 𝑎𝑛𝑐𝑙𝑎𝑠
6137
Dado que por flexión se emplean 3 anclas, se acepta.
182
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Resistencia lateral en cortante del cono de concreto: Esta se obtiene por medio de la
ecuación siguiente:
𝑅 = 𝐹 2.8
𝜓 𝜓 𝜓
𝑑
𝑓 𝑐𝑐
.
En el ejemplo, la distancia al borde en la dirección de la carga (c1) y
perpendicular a la carga (c2) es igual a 20 cm, por lo tanto, el área del cono
completo para un ancla en cortante es igual a:
𝐴
= 4.5𝑐 = 4 400 = 1800 𝑐𝑚²
En el caso del área total del grupo de anclas, en la figura se muestra el ancho de la
sección, por lo cual el área AV se calcula:
𝐴 = 80 1.5 20
= 2,400 𝑐𝑚²
El coeficiente ψ6 se calcula de la forma siguiente:
1
1
𝜓 =
=
=1
2(0)
2𝑒′𝑁
1+
1+
3(20)
3𝐶
PLACAS BASE Y ANCLAJE
ψ7 se calcula de la forma siguiente:
0.3𝐶
0.3(20)
𝜓 = 0.7 +
= 0.7 +
= 0.9
1.5𝐶
1.5(20)
Dado que el concreto no está agrietado, ψ8 será igual a 1.4, por lo tanto, la
resistencia lateral del cono de concreto resulta:
𝑅 = 𝐹 2.8
= 0.7 2.8
𝐴
𝜓 𝜓 𝜓 𝑑 𝑓 𝑐𝑐 .
𝐴
2400
1 0.9 1.4 2.54 350 20
1800
.
𝑅 = 8,781 𝑘𝑔
Dado que el cortante se considera distribuido ente el grupo total de anclas, cada
cono tomará la mitad del cortante total, es decir, 9,155/2 = 4,577.5 kg, por lo
tanto, la resistencia es adecuada
183
PLACAS BASE Y ANCLAJE
Falla por una combinación de tensión y cortante del anclaje
Se revisa la interacción entre el cortante y la tensión actuante en los anclajes por
medio de la expresión siguiente:
+
≤ 1.2
TU = Tensión de diseño = 9.15 ton y su resistente Rt =23.908 ton. Por su parte las
fuerzas a cortante corresponden a Vs = 11.2/2 = 5.6 ton de demanda (VU) y RV = 8.78
ton ton, por lo tanto, la interacción resulta:
9.15
5.6
+
= 1.02 ≤ 1.2
23.908 8.78
CONEXIÓN A MOMENTO
184
IR 356 X 236.6 IR 610 X 154.8
d=
381 mm
613 mm
tw =
19 mm
12.7 mm
bf =
397 mm
326 mm
tf =
30.3 mm
19.1 mm
T=
253 mm
529 mm
k=
46 mm
32 mm
CONEXIÓN A MOMENTO
Defina, la simbología de la unión
185
CONEXIÓN A MOMENTO
Conexión de la viga a la columna
Se propone una PL 370 x 8 x 89 mm ASTM A 572-50 Y 5 tornillos de ¾” A
325
32
8
4 @ 76 mm
32 mm
38 mm
51 mm
CONEXIÓN A MOMENTO
186
CONEXIÓN A MOMENTO
IR 610 x 154.8
244 ton
244 ton
244 ton
59.4
244 ton
59.4
244 ton
CONEXIÓN A MOMENTO
CONCEPTOS ADICIONALES EN LA COLUMNA
A) Pandeo local del patín de la columna (J10-1)
Rn =6.25Fy f t2f
 Rn = 0.9 Rn = 0.9(6.25)(3515)(3.03)2 = 181,523 kg < Cc = 244 ton, por lo tanto se
requieren atiesadores en los puntos 1 y 3
B. Fluencia local en almas (J10-2)  = 1.00 (DFCR)
Rn =Fywtw (5k + lb)
 Rn =1.0 (3515 x 1.9)(5x4.6 + 1.91) = 166,361 kg < 244 ton,
Se require atiesador en todos los puntos 2 y 4
187
CONEXIÓN A MOMENTO
c) Pandeo local del alma (J10 – 4)  = 0.75 (DFCR)
 Rn= 0.75 0.8 1.9
263.45 𝑡𝑜𝑛 > 244 𝑡𝑜𝑛
1+3
.
.
.
.
.
.
∗
(
.
)( .
)
=
𝑂. 𝐾.
d) Pandeo local del alma por desplazamiento (J10.6)
Si el patín de compresión está restringido contra rotación
Cuando (h/tw)/(Lb/bf) > 2.3, el estado límite de pandeo pandeo por
desplazamiento del alma no es aplicable.
(25.3/1.9)/(61.3/39.7)= 8.62 > 2.3
CONEXIÓN A MOMENTO
e) Pandeo del alma por compresión.
Esta Sección se aplica a un par de fuerzas concentradas simples de compresión o
a los componentes de compresión en un par de fuerzas concentradas-dobles,
que actúan en el mismo sitio en ambos patines de un miembro.
f) Panel de cortante en el alma.
Esta sección se aplica a fuerzas concentradas dobles que actúan en el mismo sitio
de uno o ambos patines de un miembro.
188
Diseño de los atiesadores.
CONEXIÓN A MOMENTO
T = C = 244 ton – R alma
R alma = (25.3 * 1.9) ( 3515) = 169 ton
T = C = 244 – 169 = 75 ton.
CONEXIÓN A MOMENTO
Atiesador 1-2
T = 75 ton
A req. = 75000/(.9*3515) = 23.7 cm2
Lado en Compresión:
C = 75ton.
Areq. = 750000/(.85*3515) = 25.10 cm 2
Se propone una placa de b = (39.7-1.9)/2 = 18.9 ≈ 18 cm
T = 25.1/18 = 1.4 cm ≈ 5/8” = 1.6 cm
Especificar soldadura
189
CONEXIÓN A MOMENTO
2 PL 180 x 16
2 PL 180 x 16
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Ejemplo. Diseñar la conexión rígida entre una trabe IR457x74.4 (W18x50) y
una columna IR 356x147.4(W14x99) con placas de sección recta atornilladas
en los patines de la trabe para transmitir los elementos mecánicos que se
indican en la tabla. Los tornillos en las placas de conexión horizontales son
ASTM A325-N (NOM-H-124-N) de 22.2 mm (7/8”) de diámetro con las roscas
dentro de los planos de corte. El acero de la trabe y la columna es ASTM A992.
En este ejemplo no se revisan los atiesadores. Los agujeros son estándar y los
electrodos son E70XX (FyXX= 4 920 kg/cm2).
190
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Tabla 1. Elementos mecánicos en la conexión trabe-columna
Fuerza cortante
(kg)
RD= 3 ton
RL = 10 ton
Elemento
Viga
Columna
Momentos flexionantes
(t-m)
MD = - 6 t-m
ML= - 18 t-m
Tabla 2.Propiedades del material.
Sección
Tipo de acero
IR457x74.5(18x50)
IR356X147.4(14X99)
Placas de conexión
ASTM A992
ASTM A992
ASTM A572-50
(NOM-B-284)
Fy
kg/cm2
(Mpa)
3 515 (345)
3 515 (345)
3 515 (345)
Fu
kg/cm2
(Mpa)
4 570 (450)
4 570 (450)
4570 (450)
191
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Propiedades geométricas de los miembros estructurales
Elemento
Perfil
Viga
IR457x74.5
(18x50)
IR356x147.4
(14x99)
Columna
d
A
bf
tf
tw
(mm) (cm2) (mm) (mm) (mm)
457 94.8 190 14.5 9.0
360
370
19.8
12.3
Sx
(cm3)
1 457
Zx
(cm3)
1 655
2 573
2 835
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Solución.
Cuando se requieren atiesadores, se determina la fuerza para la que deben
diseñarse.
Determinación de las acciones de diseño.
DRP. Acciones nominales (elementos mecánicos sin factorizar)
Ra = RD + RL = 3.0 + 10 = 13.0 ton
Ma = MD + ML = 6 + 17.5 = 23.5 t-m
DFCR (elementos mecánicos afectados por los correspondientes
factores de carga).
Ru = 1.2RD + 1.6RL = 1.2x3.0 + 1.6x10 = 19. 6 ton
Mu = 1.2MD + 1.6 ML = 1.2x6 + 1.6x17.5 = 35.2 t-m
192
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Revisión de la resistencia disponible en flexión de la viga. Reducción por
agujeros.
Las placas horizontales tienen 2 hileras con cuatro agujeros cada una para
colocar tornillos de alta resistencia ASTM. En el cálculo del área neta de la placa
de conexión se considera que los agujeros tienen un diámetro 1.5 mm de
holgura más 1.5 mm de daño del material mayor que el diámetro de los tornillos,
es decir que se tendrá un total de 3 mm para fines de cálculo estructural más el
diámetro de los tornillos.
Área total del patín en tensión
Ag = bftf = 19x1.45 = 27.6 cm2
Área neta del patín en tensión, considerando que no hay ninguna diagonal en la
línea de falla de la sección.
An = Ag – 2 (db + 0.3) tf
An = 27.6 – 2 (2.2 + 0.3) 1.45=20.35 cm2
Área neta efectiva: Ae = U*An ;
U = 0.90
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
por lo tanto Ae = 0.90 * 20.35 cm2 = 18.32 cm2
Fu Ae = 4 570x18.32x10-3= 83.7 ton
FyAg = 1.0x3 515x27.6x10-3 = 97 ton> FuAe = 93 ton
El paso de los tornillos se determina igualando el An con la colaboración de
dos diagonales con un valor cada una de s2/4g:
𝐴 = 𝐴 −3 𝐷
+ 2𝑠 /4
De donde sustituimos valores y despejamos el valor del paso “s” y
obtenemos smin = 11.4 cm, redondeando a 12 cm.
193
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
El momento resistente nominal de la sección en la zona de los agujeros
del patín en tensión se determina con la siguiente ecuación:
LRFD
 = 0.90
Mn = 0.90x44.18 = 39.77 t-m > Mu = 35.2 t-m
Correcto
ASD
 = 1.67
Mn/b = 44.18/1.67 = 26.45 t-m > Ma = 23.5 t-m
Correcto
En esta conexión la placa superior está sujeta a tensión y la inferior a
compresión si la consideramos como una trabe sujeta a cargas
gravitacionales, como lo indican los signos de los momentos.
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Diseño de la placa vertical de cortante.
Se propone una placa de cortante 10x100x250 mm (3/8x4x9”), con tres tornillos
de alta resistencia ASTM A 325-N (NOM-H-124-N) y soldaduras de filete de 6.4
mm (1/4”) para unirlas al patín de la columna.
Resistencia de diseño en cortante de los tornillos de alta resistencia
ASTM A325 –N (NOM-H-124-N).
Los tornillos de alta resistencia ASTM A325-N (NOM-H-123-N) de 22.2 mm
(7/8”) trabajan a cortante simple, solamente hay un plano de falla.
Vn = 0.75rn No Tornillos x No Planos de falla
De la tabla, Resistencia disponible en cortante de tornillos, para un tornillo
ASTM A325-N de 7/8” (22.2 mm) de diámetro, con la condición de roscas
dentro del plano de corte se obtiene:
194
LRFD
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Vn = 0.75 * 13.074 ton = 9.8 ton/tor
Número de tornillos:
Resistencia al aplastamiento de los tornillos. Grueso de la placa de cortante,
t = 10 mm.
Separación de los tornillos
Se propuso una separación entre centros de agujeros para tornillos de 76
mm (3”), que es mayor que la estipulada en las especificaciones de
diseño (3d).
Resistencia al aplastamiento en agujeros para tornillos, con base en
la separación de éstos (tornillos A325-N, de 7/8” de diámetro), y con s =
3” (7.6 cm) y Fu = 4 570 kg/cm2, se obtiene:
195
ASD
Resistencia permisible al cortante de los tornillos
Para tornillos ASTM A325-N de 7/8” (22.2 mm) de diámetro, con la condición de
roscas dentro de los planos de corte (N) y agujeros estándar, se obtiene:
196
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
197
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
Rn= 249 x4 x25x 2x10-3 = 49.8 ton > Ru =19.6 ton
Correcto
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
198
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
199
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
200
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
201
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
202
203
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
CONEXIÓN A MOMENTO ATORNILLADA
204
CONEXIÓN CON PLACA EXTREMA
Determinar la capacidad de la conexión con placa extrema de una trabe con
sección IR 406 x 53.6 kg/m, que se conecta por medio de placa extrema a la
columna IR 457 x 74.5 kg/m por medio de una placa de ancho 180 mm y espesor
22 mm, tal como se muestra en la figura. Se emplean tornillos 22 mm de
diámetro A325.
ASTM A 992 para sección IR
ASTM A 572-50 para Placa
IR 406 x 53.6
IR 457 x 74.5
d=
404 mm
458 mm
tw =
7.5 mm
9.1 mm
bf =
178 mm
191 mm
tf =
11 mm
14.5 mm
T=
346 mm
394 mm
k=
22 mm
32 mm
205
a) Resistencia a flexión de la placa extrema
Donde:
Fy = Esfuerzo de fluencia en el material de la placa.
tp = Espesor de la placa extrema.
Yp = Parámetro geométrico relativo a las líneas de fluencia.
bp
g
de
pfo
pfi
h1
h0
s
tw
Línea de
influencia
tp
tf
206
b)Resistencia a cortante por fluencia y resistencia a cortante por ruptura
b.1) Resistencia por cortante en la fluencia
b.2) Resistencia por cortante a la ruptura
c) Resistencia a la fluencia local del alma en el lado comprimido de la placa
Donde:
Ct = 0.5 si la distancia de la columna a la cara superior del patín de la trabe es menor
que el peralte de la columna, de lo contrario es 1
kc = kdis (Manual de Construcción en Acero 5ª. Ed)
N = espesor del patín de la trabe más dos veces el tamaño de la pierna de la soldadura
tp = espesor de la placa extrema
Fyc = esfuerzo de fluencia del material de la columna
d = peralte de la trabe
tfb = espesor del patín de la trabe
La longitud de fluencia en el alma de la columna es:
Por lo tanto,
207
d) Resistencia a la fluencia local del alma en el lado comprimido de la placa
Donde:
ta = Espesor del alma de la columna
tp = Espesor del patín de la columna
Revisión
Capacidad
a) Resistencia a flexión de la placa extrema
4.8 ton-m
b.1) Resistencia por cortante en la fluencia
75.16 ton
b.2) Resistencia por cortante a la ruptura
58.63 ton
c) Resistencia a la fluencia local del alma en el lado
comprimido de la placa
83.08 ton
d) Resistencia a la fluencia local del alma en el lado
comprimido de la placa
75.21 ton
208
Para ver el Demo de uso:
https://youtu.be/jTCyuNMUenw
209