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AISC: BASE PLATE AND ANCHOR ROD DESIGN: 2nd
Edition.
DISEÑO DE PLACAS BASE Y PERNOS DE ANCLAJE: 2da Edición.
1. Introducción.
Basado en las Especificaciones para la Construcción de Edificios de Acero Estructural 2005 e incluye una guía para diseñar en concordancia con factores de diseño de solicitaciones y resistencia (LRFD) y por esfuerzos permisibles (ASD). La única área de este tipo de conexión que no puede ser diseñada mediante ASD son los pernos de anclaje, los cuales debido al apéndice D del ACI 318, deben de ser diseñados usando el enfoque de resistencia (LRFD). Los componentes típicos de este tipo de conexión se muestran a continuación:
2. Materiales, Fabricación, Instalación y Reparaciones.
2.1. Especificaciones de los materiales: Los materiales recomendados para las placas base y para los pernos de anclaje por las Especificaciones del AISC 2005 son los presentados en las siguientes 2 tablas:
2.2. Selección del material de las placas base: Las placas base deben de ser diseñadas usando el material ASTM A36 excepto cuando la disponibilidad, de un grado alternativo haya sido confirmado. El material ASTM A36 es fácilmente obtenible y no es necesario usar materiales de alta resistencia cuando un simple aumento del grosor de la placa logra la resistencia requerida. Las placas son disponibles en incrementos de 1/8 pulgadas hasta un grosor de 1 ¼ de pulgada y en incrementos de ¼ de pulgadas para grosores mayores. Los grosores de las placas deben de ser estandarizados durante el diseño para facilitar su compra y el corte del material. Cuando se diseñan estas conexiones de placa, es importante considerar que la mano de obra es usualmente más cara que el mismo material por lo que es más económico utilizar placas más gruesas en vez de detallar rigidizadores u otro tipo de refuerzos. Lo anterior no siempre se cumple cuando se trata de placas de tipo momento las cuales deben de resistir momentos de flexión altos. Para postes y columnas HSS ligeras, el menor grosor de la placa es de ½ de pulgada y para otras estructuras, un grosor de ¾ es aceptado como el mínimo. 2.3. Fabricación y refinamiento de las placas base: Típicamente las placas son cortadas térmicamente. Sus orificios para los pernos de anclaje y grout pueden ser cortados térmicamente o perforados. Los requerimientos de las Especificaciones del AISC establecen que las esquinas en cortes térmicos que estarán sometidas a esfuerzos a tensión estáticos deben estar libres de ranuras más profundas que 3/16 de pulgada y de muescas agudas en forma de V. Muescas más profundas que 3/16 de pulgadas deben de ser removidas con un esmerilador y reparadas con soldadura. Se permite no fresar las placas de carga de 2 pulgadas o menos siempre y cuando se tenga un contacto de carga satisfactorio. Se permite erigir placas mayores a 2 pulgadas, pero menores a 4 con prensado o mediante el fresado de las superficies para lograr un contacto de carga satisfactorio. Las placas mayores a 4 pulgadas deben de ser fresadas para obtener las superficies de carga. No obstante, hay dos excepciones: No es necesario fresar la superficie inferior cuando esta vaya a ser unida con grout y la superficie superior no debe de ser fresada cuando se vaya a usar soldadura de penetración para conectar la columna a la placa base.
P p : Resistencia nominal de carga. A 1 : á rea de la placa base (^ in (^2) ) A 2 :á rea má xima de la porci ó n de la e rficie de carga que es geom é tricamente similiar y conc é ntrica a la carga cargada(^ i n (^2) ) ∅ =0.60 ( LRFD ) ó 0.65( LRFD acorde a ACI ) Pp=0.85 f '
cA 1 (
A 2
A 1 )
≤ 1.7 f ' cA 1 Pp ∅ = ∅ 0.85 f '
cA 1 (
A 2
A 1 )
≤ 1.7 f ' cA 1 ∅ fp ( màx )=0.85 f '
c (
A 2
A 1 )
≤ 1.7 f ' c además
A 2
A 1
fpu ( máx) = ∅ fp (máx) fpu≥ Pu A 1 A 1 ( req)= Pu fpu ( máx) Si A 2 = A 1 A 1 ( req )= Pu ∅ 0.85∗f ´ c Si A 2 ≥ 4 A 1 A 1 ( req)=
∗Pu ∅ 0.85∗f ´ c Si la placa llegase a apoyar directamente sobre grout, cuya resistencia a compresión casi siempre es mayor a aquella establecida para el concreto, entonces se recomienda conservadoramente que se use en las ecuaciones anteriores el uso del f’c del concreto.
3.1.2. Estado límite de fluencia de la placa base (Secciones
W):
Para placas base cargadas axialmente, el esfuerzo de carga debajo de la placa base se asume uniformemente distribuida y puede ser expresada como: fpu= Pu BN
Esta presión causa flexión en la placa base en al área entre los patines de la columna. El siguiente procedimiento permite calcular el grosor que debe de tener la placa en este caso:
Mpl=fpu (
l 2
donde les el valor más grande entre : m= N−0.95 d 2 n= B−0.8 bf 2 λnn´ =λn √dbf 4 con : λn= (^2) √ X 1 +√ 1 −X
≤ 1.0 X=
4 dbf ( d +bf )
Pu ϕcPpcPp ϕcPpc=0.75 ( LRFD) Conservadoramente se puede tomar λn=1.0. tmin=l
2 Pu ϕcPpFyBN ϕcPp=0.90 ( LRFD ) Fy : Esfuerzo de fluenciade la placa base La placa base más delgada puede ser determinada disminuyendo los valores de m, n o λn. Esto normalmente se logra haciendo (^) m y (^) n aproximadamente iguales.
3.1.3. Estado límite de fluencia de la placa base (Secciones
HSS y Pipe):
Para este tipo de secciones se deben de hacer algunos ajustes para los valores de m y n como se muestra en los siguientes casos. El caso donde se consigue la placa base de menor grosor es el Caso II donde A2≥4A1. Caso I: A2=A1: Calcular Pu (LRFD). Calcular el área de placa base requerida: A 1 ( req)= Pu ϕcPp 0.85 f ´ c con :ϕcPp=0. Optimizar las dimensiones de la placa, N y B:
N ≈ √ A 1 ( req) + Δ
Calcular el espesor de la placa requerida: m= N−0.95 d 2 n= B−0.8 bf 2 λnn´ =λn √dbf 4 ϕcPpPp=ϕcPpf ' c 2 A 1 OJO : acá se está asumiendo A 2 = 4 A 1 con : λn= 2 √ X 1 +√ 1 −X
≤ 1.0 X=
4 dbf ( d +bf )
Pu ϕcPpcPp ϕcPpc=0.75 ( LRFD) tmin=l
2 Pu ϕcPpFyBN ϕcPp=0.90 (^ LRFD )^ Fy : Esfuerzo de fluenciade la placa base Caso III: A1<A2<4A1: Calcular Pu (LRFD). Calcular el área de placa base requerida: A 1 ( req)= Pu 2 ϕcPp 0.85 f ´ c con :ϕcPp=0. Optimizar las dimensiones de la placa, N y B:
N ≈ √ A 1 (^ req)^ + Δ
0.95 d−0.8 bf 2 B= A 1 ( req ) N Calcular A2 geométricamente similar a A1: Determinar si: Pu≤ ϕcPpPp=0.85 f ' cA 1
A 2
A 1
Si la condición no se cumple, revisar N y B e intentar de nuevo hasta que ese criterio sea cumplido. Calcular el espesor de la placa requerida: m= N−0.95 d 2 n= B−0.8 bf 2 λnn´ =λn √dbf 4 ϕcPpPp=ϕcPpf ' c 2 A 1 con : λn= (^2) √ X 1 + (^) √ 1 −X
≤ 1.0 X=
4 dbf ( d +bf )
Pu ϕcPpcPp ϕcPpc=0.75 ( LRFD) tmin=l
2 Pu ϕcPpFyBN ϕcPp=0.90 ( LRFD ) Fy : Esfuerzo de fluenciade la placabase
Determinar el tamaño del perno de anclaje y su localización.
3.2. Cargas axiales tensionantes:
El diseño de pernos de anclaje para tensión consiste en 4 pasos:
- Determinar la máxima fuerza a tensión sobre la columna: Eso proveniente de un análisis estructural.
- Seleccionar el material, número y tamaño de los pernos de anclaje requeridos para resistir la fuerza a tensión sobre la columna.
- Determinar el tamaño, grosor y soldadura apropiado de la placa base para transferir la fuerza a tensión sobre la columna.
- Determinar el método para desarrollar la resistencia del perno de anclaje en el concreto.
3.2.1. Tensión en el perno de anclaje:
La resistencia nominal a tensión de un sujetador se determina de la siguiente manera: Rn=0.7 FuAb La resistencia a tensión de diseño se determina de la siguiente tabla:
El apéndice D del ACI 318-02 provee una forma de calcular la resistencia al Pull-out para un anclaje con gancho: ϕcPpNp=ϕcPp ψ 4 0.9 f ' c eh do brg ϕcPp=0.
