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Modelacin de una conexin soldada con SAP2000
Universidad Nacional de Colombia Facultad de
IngenieraDepartamento de Ingeniera Civil
Maritza Uribe VallejoIngeniera Civil Universidad Nacional de
Colombia
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Conexiones Soldadas
La prctica de la soldadura data de hace miles de aos, se sabe
que en la antigua Grecia se lograba la unin de piezas metlicas a
travs del calor y golpes (forja) para obtener piezas compuestas con
cierta resistencia mecnica.
La soldadura se define como un proceso en el cual se realiza la
unin de partes metlicas mediante calentamiento, para alcanzar un
estado plstico con o sin el aporte de un material adicional de
refuerzo.
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Conexiones soldadas, conexiones viga-columna, prctica usual en
el diseo y fabricacin de estructuras metlicas.
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Conexiones soldadas viga-columna, prctica usual en el diseo y
fabricacin de edificaciones metlicas Perfiles laminados en caliente
de alma llena y de seccin I.
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Uniones soldadas, prctica usual en el diseo y fabricacin de
estructuras metlicas Perfiles tubulares de seccin transversal
circular y rectangular.
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Ventajas de las conexiones soldadas
VENTAJAS DE LA SOLDADURA:
El empleo de conexiones soldadas en vez de atornilladas o
remachadas permite un ahorro de material (hasta de un 15%).
La soldadura requiere menos trabajo y por lo tanto menos
personal que en la colocacin de remaches o tornillos (un soldador
puede reemplazar una cuadrilla de remachadores).
La soldadura permite una gran variedad de conexiones, lo cual
puede resultar ms laborioso y complicado con remaches o
tornillos.
Las conexiones soldadas son muy rgidas, lo cual permite una
verdadera continuidad en la transmisin de elementos mecnicos entre
miembros.
Debido a la mayor resistencia del metal de aportacin, las
conexiones soldadas permiten una gran resistencia a la fatiga.
Las estructuras soldadas pueden repararse muy fcilmente.
Las conexiones soldadas han permitido la construccin de
estructuras soldadas y "limpias".
Las conexiones soldadas permiten ajustes verstiles en un
proyecto.
Hay un ahorro considerable en el clculo, detallado y montaje de
las estructuras.
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Desventajas de las conexiones soldadas
DESVENTAJAS DE LA SOLDADURA:
Las conexiones rgidas pueden no ser ptimas en el diseo .
Los costos pueden verse incrementados cuando es necesario
realizar una inspeccin exigente tanto en taller como en obra, para
detectar posibles defectos de la soldadura superficiales e
internos, como soldaduras porosas, soldaduras de poca penetracin,
deformaciones del cordn, distorsiones del material, grietas,
soldadura frgil y otros. Se pueden realizar inspecciones visuales,
con lquidos penetrantes, rayos X o ultrasonido.
Cuando se requiere efectuar soldaduras en obra durante el
montaje, puede ser difcil la aplicacin de la soldadura por la
posicin del soldador (soldaduras de sobre-cabeza), as mismo es
complicado garantizar que las piezas alrededor no sufrirn daos.
La creencia de la baja resistencia a la fatiga en conexiones
soldadas (no se permite an en algunos puentes ferroviarios
U.S.A).
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Cmo es el fenmeno fsico-qumico de las soldaduras?
El arco elctrico se forma al polarizar el metal base
negativamente y el electrodo positivamente, al acercar el electrodo
se forma el arco elctrico localizado en las zonas ms prximas donde
el metal base alcanza temperaturas de 3000 a 6000C que derriten
tambin el acero del electrodo debido al campo electromagntico
formado, el metal de aporte es forzado a depositarse en el metal
base, por lo que es posible realizar soldaduras contra la gravedad,
a su vez el recubrimiento del electrodo formado por minerales
inertes (rutilo) se funde y alcanza la superficie del material
lquido que al enfriarse forma una costra protectora de la soldadura
mientras se enfra, el gas que se desprende del arco es parte debido
al recubrimiento que forma una barrera protectora al depsito del
metal para evitar que se mezcle con aire (hidrgeno) y quede porosa
la soldadura.
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Conexin rgida soldada viga columna. Elementos estructurales:
Viga y columna de perfiles de acero laminados en caliente y de
seccin transversal I
Conexin rgida soldada viga columna
Soldadura de filete para unir las aletas y el alma de la viga a
la aleta de la columna.
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Criterios de diseo Conexin soldada viga-columna
En esta conexin se debe disear la soldadura de tal manera que
resista la fuerza vertical y el momento producido.
Se puede considerar que la fuerza vertical es resistida
nicamente por la soldadura colocada a lado y lado del alma,
trabajando as como soldadura de filete longitudinal.
Por otro lado, la soldadura que rodea la aleta a tensin resiste
la carga a tensin que produce el momento aplicado.
Con este procedimiento, se estn tratando independientemente los
efectos de tensin y corte que se producen en este tipo de
conexiones y que resistente el momento actuante en la conexin.
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Soldadura de Filete (Tipo de soldadura)
SOLDADURA DE FILETE: en este tipo de soldadura el cordn est
formado en su seccin transversal por un ngulo diedro.Este tipo de
soldadura sirve para unir dos piezas no alineadas entre s; y por
ser este caso muy comn en la conexin de miembros estructurales, se
emplea en el 80 % de los casos.
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La mayora de las soldaduras usadas estructuralmente son de
filete, principalmente por la facilidad de fabricacin.
Efectivamente, las soldaduras a tope, requieren mayor preparacin de
los bordes de los elementos a unir y mayor precisin.
Soldadura de Filete (Tipo de soldadura)
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La soldadura de filete puede estar colocada paralelamente a la
aplicacin de la carga, lo que se conoce como soladura de filete
longitudinal o perpendicularmente a la aplicacin de la carga que se
conoce como soldadura de filete transversal.
El modo de falla de las soldaduras longitudinales es de fractura
por corte en los planos de la garganta de la soldadura.
El modo de falla de las soldaduras transversales es fractura por
tensin y corte, en un plano que pasa por la garganta de la
soldadura.
Soldadura de Filete (Tipo de soldadura)
Clasificacin de las soldaduras segn el ensamble
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Posiciones de aplicacin de las soldaduras
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Simbologa para uniones soldadas, segn AWS
Los planos de detalle y de fabricacin (taller) de elementos
soldados, deben especificar el tipo, tamao y longitud de las
soldaduras. El diseador, debe ser conciente de que es responsable
del adecuado comportamiento de la conexin y por tanto, debe
suministrar al fabricante la informacin necesaria, clara y precisa
para evitar confusiones y errores de fabricacin que repercuten de
manera negativa durante el montaje y la etapa de servicio de la
estructura.
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Resistencia de diseo de las soldaduras
RESISTENCIA DE DISEO DE LAS SOLDADURASLa resistencia de diseo de
las soldaduras es igual al menor de los siguientes resultados:
R s = F R FMB
R s = F R F s
donde: FMB = resistencia nominal del metal base FS = resistencia
nominal del metal de aporte (electrodo)
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Resistencia de diseo de soldaduras de filete
La resistencia de diseo de una soldadura de filete,
independientemente de que sea longitudinal o transversal, est dada
por :
Donde
AwfRnRd Exx60.0* ==75.0=
Aw: Area efectiva de la seccin transversal de la soldadura, que
esta dada por:
(Ge) = Garganta efectiva = Tamao de la soldadura (cateto o
tamao)* cos 45= (cateto o tamao)* (0.707)
L = longitud del cordn de soldadura
(Aw) = Area efectiva= Garganta efectiva* L = Ge *L = (Tamao *
0.707) * L
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Clasificacin AWS (American Welding Society) de los electrodos al
carbono:Existen diferentes tipos de soldadura como la E6010, E6011,
E6012, E6013, E7014, E7018. La anterior nomenclatura utilizada
comnmente corresponde a una clasificacin de la AWS y de la ASTM. El
nombre del electrodo, est formado por una serie de 4 o 5 dgitos y
se puede dividir en cuatro partes:
(1) La primera letra: la letra E se utiliza en soldadura
elctrica. (2) Los dgitos centrales: que pueden ser 2 o 3,
corresponden a la resistencia mnima
a la tensin del metal depositado (ksi), por ejemplo para un
E60xx se tiene una resistencia a la tensin de 60 ksi y para un
E110xx una resistencia de 110 ksi.
(3) El penltimo dgito: corresponde a la posicin de aplicacin de
la soladura, 1 para todas las posiciones (Exx1x), 2 para posicin
horizontal (Exx2x) y 3 para posicin plana (Exx3x).
(4) El ltimo dgito: varia segn el tipo de energa, tipo de
escoria, tipo de arco, magnitud de penetracin. Por ejemplo un
electrodo E6013 se usa con corriente alterna o directa, con
cualquier polaridad y tiene mayor rapidez de avance que el
E6010.
E6013
Resistencia de diseo de soldaduras de filete
(1)
(2)
(3)
(4)
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Conexin viga-columna:Perfiles laminados en caliente de alma
llena y de secciones I.Viga : IPE300 (Longitud= 3000 mm)Columna:
IPE300 (Longitud= 2700 mm)
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
USAR ELECTRODO E60xx
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Propiedades de los perfiles de los elementos estructurales
viga-columna
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Definicin de la malla
Definicin de la malla (distancias en mm):
Opcin 1:x= 0,300,3300 y= 0,75,150 z= -1350,-150,0,150,1350
Opcin 2:x= -150,0,150 y= -75,0,75 z= -1350,-150,0,150,1350
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
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Vistas Generales del modelo
Vista 3D
Vista Plano XZ
Vista Plano XY
Vista Plano YZ
Z
Y
X
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
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Definicin de los elementos tipo rea ( superficies)
Dibujar cada uno de los planos que conforman las aletas o las
almas de los elementos estructurales: viga y columna.
DRAW DRAW RECTANGULAR AREA
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
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DRAW DRAW RECTANGULAR AREA.
DIBUJAR CADA CARA DE CADA ELEMENTO EN LOS PLANOS
CORRESPONDIENTES, UTILIZAR COMO GUIA LOS ICONOS DE LOS COMANDOS DE
PLANOS XY, XZ, YZ.
Modelacin de una conexin rgida viga-columnaDefinicin de los
elementos tipo rea ( superficies)
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Definicin de los espesores o secciones de las reas
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
Como la seccin de los elementos estructurales, viga y columna,
es la misma; a saber: IPE300, por lo tanto solo es necesario
definir dos secciones de rea o espesores, uno para las almas y otro
para las aletas
DEFINE AREA SECTIONS
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DEFINE AREA SECTIONS ADD NEW SECTION
Modelacin de una conexin rgida viga-columnaDefinicin de los
espesores o secciones de las reas
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Definicin de Mesh Areas (tamao de los elementos para hacer el
anlisis por el Mtodo de los Elementos Finitos Enmallado)
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
SELECCIONAR CADA AREA:
EDIT MESH AREAS
MESH SELECTEC SHELL
Mesh Selected Shells:
Mesh into = Nmero de elementos principales en los que se divide
el rea
By = Nmero de segmentos en que queda dividido cada elemento
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Enmallado Final
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
Lo ideal es generar segmentos de anlisis uniformes, en cada una
de las diferentes reas que conforman las superficies de los
elementos estructurales, con el fin de obtener un enmallado
uniforme
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ENMALLADO GENERAL
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
La malla puede modelarse ms fina en los puntos de mayor inters
especfico, de acuerdo con los resultados que se busquen
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Modelacin de una conexin rgida viga-columna
La malla puede modelarse ms fina en los puntos de mayor inters
especfico, de acuerdo con los resultados que se busquen
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Condiciones tericas del modelo : Apoyos y CargaModelacin de una
conexin rgida viga-columna
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Condiciones de apoyoModelacin de una conexin rgida
viga-columna
En los puntos de inflexin de la columna, se disponen apoyos de
segundo gnero es decir articulaciones que simulen la condicin de
momento nulo en la subestructura, el extremo de la viga es
libre.
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Asignacin de cargas
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
Asignar las cargas puntuales sobre los nudos del eje del
elemento estructural, localizados en cada frontera de cada
elemento, en la viga.
Aferencia de cada tramo o elemento en la viga= 300 mmAferencia
entre prticos = 6000 mm
CM = 250 kg/m CV = 200 kg/mW (CM) = 1500 kg/ml W (CV) = 1200
kg/mlCargas puntuales: CM (P) = 450 kg CV (P) = 360kg Combinacin
(combo) = 1.4 CM + 1.7 CV
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Modelacin de una conexin rgida viga-columnaEjes Locales para
determinar la direccin de los esfuerzos resultantes
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Ejes LocalesModelacin de una conexin rgida viga-columna
De acuerdo con el tipo de esfuerzo que sea necesario analizar
(axial, cortante o flector), se identifica la direccin del eje
local correspondiente.
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Seleccin del tipo de anlisis estructural (tridimensional en el
espacio)
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
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Lectura de resultadosModelacin de una conexin rgida
viga-columna
Resultados en los nudos: Reacciones
Resultados en los SHELLS ( reas de los elementos ) = FUERZAS,
ESFUERZOS.
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Representacin grfica de los resultados - esfuerzosModelacin de
una conexin rgida viga-columna
Para establecer la soldadura necesaria para conectar las aletas
de la viga a la columna, se requiere identificar las fuerzas
axiales y los esfuerzos axiales en las mismas, es decir los
correspondientes valores: F11 y S11.
En el esquema adjunto se puede observar el comportamiento
general: esfuerzos de tensin en las aletas superiores y esfuerzos
de compresin en las aletas inferiores, debido a la accin de las
cargas gravitacionales.
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Representacin grfica de los resultados - esfuerzosModelacin de
una conexin rgida viga-columna
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Modelacin de una conexin rgida viga-columna
Representacin grfica de los resultados esfuerzos S11 COMBO 1
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Modelacin de una conexin rgida viga-columnaRepresentacin grfica
de los resultados Esfuerzos S11 (esfuerzo por unidad de longitud)
COMBO 1
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Modelacin de una conexin rgida viga-columnaRepresentacin grfica
de los resultados Fuerzas F11 ( fuerza por unidad de longitud)
COMBO 1
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Modelacin de una conexin rgida viga-columnaRepresentacin grfica
de los resultados esfuerzos por unidad de longitud
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Representacin grfica de los resultados (esfuerzos por unidad de
longitud)
Modelacin de una conexin rgida viga-columna
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Modelacin de una conexin rgida viga-columnaRepresentacin grfica
de los resultados (esfuerzos por unidad de longitud)
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Ayuda SAP2000- elementos tipo SHELL
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Ayuda SAP2000- elementos tipo SHELL
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Ayuda SAP2000- elementos tipo SHELL
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Ayuda SAP2000- elementos tipo SHELL
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NSR-98 / Ttulo F
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NSR-98/Ttulo F
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NSR-98 / Titulo F
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MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIN
Modelacin de una conexin soldada con SAP2000Conexiones
SoldadasConexiones soldadas, conexiones viga-columna, prctica usual
en el diseo y fabricacin de estructuras metlicas.Conexiones
soldadas viga-columna, prctica usual en el diseo y fabricacin de
edificaciones metlicas Perfiles laminados eUniones soldadas,
prctica usual en el diseo y fabricacin de estructuras metlicas
Perfiles tubulares de seccin transversVentajas de las conexiones
soldadasDesventajas de las conexiones soldadasCmo es el fenmeno
fsico-qumico de las soldaduras?Conexin rgida soldada viga columna.
Elementos estructurales: Viga y columna de perfiles de acero
laminados en caliente y Criterios de diseo Conexin soldada
viga-columnaSoldadura de Filete (Tipo de soldadura)Posiciones de
aplicacin de las soldadurasSimbologa para uniones soldadas, segn
AWSResistencia de diseo de las soldadurasResistencia de diseo de
soldaduras de fileteResistencia de diseo de soldaduras de
fileteConexin viga-columna:Perfiles laminados en caliente de alma
llena y de secciones I.Viga : IPE300 (Longitud= 3000
mm)ColumnPropiedades de los perfiles de los elementos estructurales
viga-columnaDefinicin de la mallaVistas Generales del
modeloDefinicin de los elementos tipo rea ( superficies)Definicin
de los espesores o secciones de las reasDefinicin de los espesores
o secciones de las reasDefinicin de Mesh Areas (tamao de los
elementos para hacer el anlisis por el Mtodo de los Elementos
Finitos Enmallado)Enmallado FinalENMALLADO GENERALCondiciones
tericas del modelo : Apoyos y CargaModelacin de una conexin rgida
viga-columnaAsignacin de cargasEjes LocalesSeleccin del tipo de
anlisis estructural (tridimensional en el espacio)Lectura de
resultadosRepresentacin grfica de los resultados esfuerzos S11
COMBO 1Representacin grfica de los resultados Esfuerzos S11
(esfuerzo por unidad de longitud) COMBO 1Ayuda SAP2000- elementos
tipo SHELLAyuda SAP2000- elementos tipo SHELLAyuda SAP2000-
elementos tipo SHELLNSR-98 / Ttulo FNSR-98/Ttulo FNSR-98 / Titulo
F
