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CONSTRUCCIONES METÁLICAS Y MADERA TRABAJO PRÁCTICO 3

ALMOZNI-BOGADO-IURINIC-MYRONOW-VAZQUEZ AÑO 2010

TRACCIÓN AXIL-UNIONES ABULONADAS

EJERCICIO NRO 1:

1.1-ÁREA BRUTA

Para elementos planos, el área bruta, Ag, de una barra en cualquier punto se puede aproximar como la suma de los productos de los espesores por los anchos brutos de cada elemento de la sección, medidos en la sección normal al eje de la barra.

Para secciones angulares, el ancho bruto es la suma de los anchos de las alas, menos el espesor. Por lo tanto el área bruta será:

1.2-ÁREA NETA:

Para barras planas, el área neta, An es la suma de los productos de los espesores por los anchos netos de cada elemento de la sección. Es decir, el área neta se refiere al área bruta de la barra menos la de agujeros, ranuras o muescas.

An Ag área de agujeros= − ⋅ ⋅

Para el cálculo del área neta en solicitaciones de tracción y corte, el ancho del agujero de un pasador se adoptará 2 mm mayor que la dimensión nominal del agujero.

Para una cadena de agujeros en diagonal o zigzag con respecto al eje de la barra, el ancho neto será el ancho bruto menos la suma de los anchos correspondientes de los agujeros de la cadena considerada, más la cantidad s²/4g por cada diagonal de la cadena, siendo:

s la distancia en dirección de la fuerza entre centros de agujeros consecutivos (paso), en cm. g la distancia en dirección perpendicular a la fuerza entre centros de agujeros consecutivos,

(gramil), en cm. Para agujeros ovalados largos no se sumará la cantidad s²/4g.



1.3-ÁREA NETA EFECTIVA:

Este concepto aparece cuando dos piezas no se conectan a través de todos sus elementos sino por algunos de ellos. El área neta efectiva para barras traccionadas será determinada de la siguiente forma: (1) Cuando la fuerza de tracción se transmite directamente por cada uno de los elementos de la sección transversal, mediante pasadores (bulones o remaches) o cordones de soldadura, el área neta efectiva Ae es igual al área neta An. (2) Cuando la fuerza de tracción se transmite a través de algunos, (pero no de todos), elementos de la sección transversal, mediante pasadores o cordones de soldadura, el área neta efectiva, Ae, será determinada de la siguiente forma: (a) Cuando la fuerza de tracción se trasmite sólo por pasadores:

Ae = An U siendo:

U el coeficiente de reducción = 1 − ( x / L) ≤ 0,9 . x excentricidad de la unión. (Distancia entre el plano de la unión y el centro de gravedad de

la sección por la que va la fuerza a trasmitir), en cm. L la longitud de la unión en la dirección de la fuerza, en cm.

Si existe solo una fila de bulones Ab = área neta de los elementos directamente unidos. (b) Cuando la fuerza de tracción se trasmite desde un elemento (que no sea una chapa plana) sólo mediante cordones longitudinales de soldadura, o mediante cordones de soldadura longitudinales combinados con cordones transversales:

Ae = Ag U siendo:

U = 1 – ( x / L) ≤ 0,9 . Ag el área bruta de la barra, en cm2.

(c) Cuando la fuerza de tracción se trasmite sólo por cordones de soldadura transversales:

Ae = A U siendo:

A el área de los elementos unidos directamente, en cm2. U = 1,0.



(d) Cuando la fuerza de tracción se trasmite desde una chapa plana sólo mediante cordones de soldadura longitudinales a lo largo de ambos bordes próximos al extremo de la chapa, debe ser L ≥ w y:

Ae = Ag U siendo:

L la longitud de cada cordón de soldadura, en cm. Para L ≥ 2 w ...................................................................... U = 1,0 Para 2 w > L ≥ 1,5 w ......................................................... U = 0,87 Para 1,5 w > L ≥ w ........................................................... U = 0,75

w el ancho de la chapa (distancia entre los cordones de soldadura), en cm. 2.1 UNIÓN TIPO APLASTAMIENTO: Pueden ser de dos tipos: (1) Unión con ajuste sin juego: uniones en las cuales los bulones son apretados con ajuste sin juego. (2) Unión pretensada: uniones en las cuales los bulones son totalmente pretensados. Estos tipos de uniones se deben proyectar para trabajar por corte del bulón (plano 3-3) y aplastamiento de la chapa (superficies 1-1, 2-2).

El esfuerzo se transfiere de un elemento a otro por:

• Aplastamiento en los bordes del agujero de la chapa • Corte en el o los bulones • Bulones comunes o de alta resistencia • Deformación en la unión • Se calcula en rotura



• Falla por corte en el bulón • Falla por desgarramiento de la chapa desde bulón a extremo libre. • Falla por aplastamiento del bulón • Falla por aplastamiento de la chapa • Falla por rotura de la chapa en la sección del agujero

2.2 Unión de Deslizamiento Crítico. Unión que transmite fuerzas de corte o fuerzas de corte en combinación con fuerzas de tracción, donde los bulones se han colocado de manera que haya una pretensión en el bulón instalado (fuerza de apriete sobre las superficies de contacto) y en las cuales las superficies de contacto se han preparado adecuadamente de manera de proporcionar una resistencia al deslizamiento calculable. En este tipo de unión, la fuerza se transmite por fricción entre los elementos a unir sin permitir el deslizamiento. A efecto de asegurar la fricción el bulón (de alta resistencia) se tracciona con la fuerza dada por la Tabla J.3-1 y tienen un tratamiento de la superficie de contacto.



• En este tipo de unión hay una menor concentración de tensión en la sección del agujero (por ella pasa alrededor del 50% de la fuerza)

• Esta unión impide el deslizamiento (condición de servicio) .Para satisfacerla deberá diseñarse la unión con cargas de servicio.

• En algunos casos se debe impedir el deslizamiento hasta la falla: Se proyecta el deslizamiento crítico para estado último, es decir, con cargas mayoradas.

• A efectos de materializar la unión, el o los bulones deben estar totalmente traccionado. • Las superficies en contacto incluidas las adyacentes a las arandelas deben estar libre de

grasa, polvo, oxido. En resumen, el esfuerzo se transfiere de un elemento a otro por.

� Fricción entre los elementos unidos. � Bulones de alta resistencia ajustados a 70% de rotura. � Unión indeformable. � Se calcula en servicio – Se verifica en rotura.

2.3 Resistencia a la rotura de bloque de corte La rotura del bloque de corte es un estado límite en el cual la resistencia está determinada por la suma de la resistencia al corte en una línea (o líneas) de falla y de la resistencia a la tracción en un segmento perpendicular. Debe ser comprobada en:

• Las uniones extremas de viga donde se corta el ala superior. • En barras traccionadas y chapas de nudo.

Los ensayos demuestran que en las vigas recortadas puede existir un modo de falla por desgarramiento (rotura) a lo largo del perímetro de los agujeros. Este modo de falla denominado como rotura del bloque de corte, combina la resistencia a tracción en un plano y la resistencia al corte en un plano perpendicular al anterior. El camino de falla está definido mediante la línea que une los centros de los agujeros. El modo de falla por rotura de bloque de corte se produce también en uniones como las mostradas en las figuras



3.- Paso y Gramil. p : paso: distancia entre agujeros en la dirección de la fuerza. g: gramil: distancia entre agujeros en la dirección normal a la fuerza. 4.1- Agujeros Normales: Son los comunes y se usan en uniones tipo aplastamiento y deslizamiento crítico. En las uniones de barra con barra se deberán ejecutar agujeros normales, a menos que se aprueben agujeros holgados, ovalados cortos u ovalados largos en uniones abulonadas, ya que las cargas repetidas producen una reducción importante de la resistencia a la fatiga cuando ocurre el deslizamiento, particularmente cuando son del tipo de estos últimos. 4.2- Agujeros holgados:

• Son practicados para facilitar el montaje. • Se podrán utilizar en cualquiera o en todas las chapas de uniones de deslizamiento

crítico. • No podrán ser utilizadas en uniones tipo aplastamiento. • Se deberán instalar arandelas endurecidas sobre los agujeros holgados de una chapa

externa. 4.3- Agujeros ovalados cortos

• Se pueden utilizar en cualquiera o todas las chapas en unión tipo aplastamiento pero la longitud mayor debe ser normal a la dirección de la fuerza.

• Se pueden usar en unión de deslizamiento crítico en cualquier dirección. • Se deberán instalar arandelas endurecidas en las chapas externas siendo estas de dureza

especial para bulones de alta resistencia. 4.4-Agujeros ovalados largos

• Solo pueden utilizarse en una de las chapas a unir. • En las uniones tipo aplastamiento la dirección mayor debe ser normal a la fuerza. • En las uniones de deslizamiento crítico puede tener cualquier dirección.



• Cuando esta es una chapa externa se deberá instalar una arandela o una barra con agujero normal.

• Usando bulones de alta resistencia la arandela deberá tener mínimo 8mm. 5. Designación de bulones Bulones comunes calibrados tipo ASTM A36 (Se designan como A307 Norma IRAM 5452) Tensión de rotura a tracción: (Fu)=370 MPa Tensión de Fluencia: (Fy)=235 MPa Diámetros en pulgadas Bulones de alta resistencia tipo ASTM A325 Se designan como A325 Norma IRAM 5453 Fu ≥ 825 Mpa para diámetros ≤ 1” y Fu ≥ 725 Mpa para diámetros > 1” Fy ≥ 650 Mpa para diámetros ≤ 1” y Fy ≥ 570 Mpa para diámetros > 1” Diámetros en pulgadas desde ¼” hasta 1 o 11/2” Bulones tipo ASTM A490 (aceros aleados Cromo-níquel) IRAM 5455 Fu > 1035 Mpa Fy > 800 a 900 Mpa según diámetros Diámetros comerciales en pulgadas entre ½” a 11/2” Bulones tipo ISO 8.8 Norma IRAM 5452 Fu ≥ 800 Mpa Fy ≥ 0,8 Fu ≥ 640 Mpa Diámetros comerciales en milímetros de 6mm 24mm Bulones tipo ISO 10.9 Norma IRAM 5464 Fu ≥ 1000 Mpa Fy ≥ 0,9 Fu ≥ 900 Mpa Diámetros comerciales en milímetros de 6mm 24mm EJERCICIO NRO 2: Normas que deben cumplir los medios de unión, bulones, tuercas y arandelas. BULONES Y BARRAS ROSCADAS Hasta tanto estén redactadas las normas IRAM específicas se aplicarán los siguientes documentos internacionales: Bulones: ASTM A307, ASTM A325, ASTM A325M, ASTM A449, ASTM A490, ASTM A490M, ISO 7412. Tuercas: ASTM A194/A194M, ASTM A563, ASTM A563M, ISO 4775. Arandelas: ASTM F436, ASTM F436M, ISO 7415, ISO 7416. Indicadores directos de tensión: ASTM F959, ASTM F959M. Bulones de anclaje y barras roscadas: ASTM A36/36M, ASTM A193/193M, ASTM A354, ASTM A572/572M, ASTM 709/709M.



Tamaño y uso de agujeros

Separación mínima



La distancia mínima s entre los centros de los agujeros normales u holgados será 3 veces el diámetro nominal del bulón. Para agujeros ovalados, la distancia mínima s entre centros de circunferencias extremas adyacentes será 3 veces el diámetro nominal del bulón.

Máximas separaciones y distancia al borde La distancia máxima desde el centro de cualquier remache o bulón al borde más próximo de las partes en contacto, será igual que 12 veces el espesor de la parte unida en consideración, pero no excederá de 150 mm. La separación longitudinal entre los bulones o remaches que vinculan elementos en contacto continuo como dos chapas, o una chapa y un perfil se establecerá de la siguiente forma: a) Para barras pintadas o no pintadas sin peligro de corrosión, la separación no deberá superar 24 veces el espesor de la chapa más fina ni 300 mm. b) Para barras no pintadas de acero resistente a la corrosión sometidas a la corrosión atmosférica, la separación no deberá superar 14 veces el espesor de la chapa más fina ni 180 mm.



BULONES ESTRUCTURALES DE CABEZA HEXAGONAL Especificaciones Los bulones estructurales de cabeza hexagonal deberán cumplir con los requisitos de alguna de las siguientes normas IRAM: Para Nivel 1: - norma IRAM 5453 (en redacción en base al documento ASTM A325), - norma IRAM a redactar en base al documento ASTM A325M, - norma IRAM 5464-Clase 8.8 (en redacción en base al documento ISO 7412 C8.8). Para Nivel 2: - norma IRAM 5455 (en redacción en base al documento ASTM A490), - norma IRAM a redactar en base al documento ASTM A490M, - norma IRAM 5464-Clase ISO 10.9 (en redacción en base al documento ISO 7412 C10.9) Geometría Las dimensiones de los bulones estructurales de cabeza hexagonal deberán cumplir con los requisitos de las normas IRAM correspondientes. La longitud del bulón utilizado debe ser tal que, cuando esté correctamente instalado, el extremo del bulón se extienda más allá de la superficie exterior de la tuerca o al menos esté en el mismo plano que dicha superficie.



Marcas requeridas para conjuntos aceptables de bulón y tuerca



Reutilización Los bulones Nivel 2 y los bulones Nivel 1 galvanizados no se deben reutilizar. Si el Proyectista o Diseñador Estructural lo autoriza, estará permitido reutilizar los bulones Nivel 1 no galvanizados. Retocar o reajustar los bulones que se han aflojado durante la instalación de los bulones adyacentes no se considera una forma de reutilización. TUERCAS DE CABEZA HEXAGONAL Especificaciones Las tuercas de cabeza hexagonal deben cumplir con los requisitos de las normas IRAM correspondientes, ya sea la norma IRAM 5456 (base ASTM A563), (base ASTM A563M) o la norma IRAM 5465 (base ISO 4775). Geometría Las dimensiones de las tuercas de cabeza hexagonal deberán cumplir con los requisitos de las normas IRAM correspondientes. Para tuercas cubiertas por la norma IRAM 5456 (base ASTM A563) la norma IRAM correspondiente será desarrollada en base al documento ANSI/ASME B18.2.6 y para tuercas especificadas en ASTM A563M o en la norma IRAM 5465 (ISO 4775) la norma IRAM correspondiente será desarrollada en base al documento ANSI/ASME B 18.2.4.6M. ARANDELAS Las arandelas planas circulares y las arandelas biseladas cuadradas o rectangulares deben cumplir con los requisitos de la norma IRAM 5457 (base ASTM F436) o de la norma IRAM correspondiente (base ASTM F436M), con las excepciones indicadas en la Tabla 6.1



EJERCICIO NRO 3: Consideraciones referidas al cálculo y verificación de uniones mediante bulones. Resistencia de diseño a la tracción o al corte La resistencia de diseño a la tracción o al corte de los bulones de alta resistencia y de elementos roscados se calcula con la siguiente expresión:

Donde Ф el factor de resistencia. Fn la resistencia nominal a tracción o al corte. A0 el área nominal del cuerpo no roscado o de la parte roscada (varillas recalcadas, en cm2) Combinación de tracción y corte en uniones tipo aplastamiento La resistencia de diseño a tracción de un bulón sometido a corte y tracción combinados es

Siendo: Fz la resistencia nominal en términos de tensión calculada con la siguiente tabla:



Uniones de deslizamiento crítico dimensionadas para cargas mayoradas

Rstr la resistencia nominal al deslizamiento, en kN. Tb la fuerza de tracción mínima del bulón obtenida de tabla, en kN. Ns la cantidad de superficies de rozamiento. µ el coeficiente medio de rozamiento las Clases A, B, o C, según corresponda, o el que surja de ensayos. Uniones de deslizamiento crítico dimensionadas para cargas mayoradas Las uniones de deslizamiento critico que están solicitadas por una fuerza mayor de tracción (que reduzca el apriete en la superficie), la resistencia de diseño deberá ser multiplicada por el siguiente factor

Tu resistencia a tracción requeridas bajo cargas mayoradas Tb la fuerza de tracción mínima del bulón(de tabla)., en kN. Nb la cantidad de bulones cargados con la fuerza de tracción Tu. Resistencia al aplastamiento de la chapa en los agujeros La resistencia al aplastamiento de la chapa será verificada tanto para las uniones tipo aplastamiento como para las tipo deslizamiento crítico.

La resistencia nominal Rn será determinada de la siguiente forma: a) Para un bulón en una unión con agujeros normales, holgados u ovalados cortos, independientemente de la dirección de la fuerza, o con agujeros ovalados largos con eje mayor paralelo a la dirección de la fuerza:

• Cuando la deformación alrededor del agujero para cargas de servicio sea una consideración de proyecto:



• Cuando la deformación alrededor del agujero para cargas de servicio no sea una

consideración de proyecto:

b) Para un bulón en una unión con agujeros ovalados largos con eje mayor perpendicular a la dirección de la fuerza:

Siendo: Fu la resistencia a la tracción especificada de la chapa, en MPa. d el diámetro del bulón, en cm. t el espesor de la parte conectada crítica, en cm. Lc la distancia libre, en la dirección de la fuerza, entre el borde del agujero y el borde del agujero adyacente o el borde del material, en cm RESISTENCIA DE DISEÑO A LA ROTURA La resistencia de diseño para el estado límite de rotura por corte a lo largo de una línea de rotura, en un elemento afectado de las piezas unidas será

Siendo: Ant el área neta solicitada a tracción, en cm2. Fu la tensión a rotura especificada del acero, en MPa. Resistencia a la rotura de bloque de corte La rotura del bloque de corte es un estado límite en el cual la resistencia está determinada por la suma de la resistencia al corte en una línea (o líneas) de falla y de la resistencia a la tracción en un segmento perpendicular. Cuando se utilice la resistencia a rotura en el área neta para determinar la resistencia de un segmento, se deberá emplear la fluencia en el área bruta para el segmento perpendicular. La resistencia de diseño a la rotura del bloque de corte, φ Rn, se determinará de la siguiente forma:

Agv el área bruta solicitada al corte, en cm2. Agt el área bruta solicitada a la tracción, en cm2. Anv el área neta solicitada al corte, en cm2. Ant el área neta solicitada a la tracción, en cm2.



Rn la resistencia nominal del bloque de corte, en kN. Fu la tensión de rotura especificada del acero, en MPa. Fy la tensión de fluencia especificada del acero, en MPa.

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