Estructuras metálicas , Ejercicios de Ciencia de materiales

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Uniones

Estructuras Metálicas

Tema 7 :

Grado en Ingeniería de Obras Públicas

Uniones

 Son de dimensiones relativamente pequeñas con respecto al conjunto de la estructura pero de enorme importancia. Su fallo puede ocasionar la ruina parcial o total de la estructura.  Medios de unión:

1. Generalidades

• Fijos: remaches ( roblones ) y soldaduras
• Desmontables: tornillos

 Permiten el enlace de diferentes barras y son capaces de transmitir adecuadamente los esfuerzos internos de unas barras a otras.

1. Generalidades Uniones

 Empalmes: las uniones se proyectarán de forma que exista el espacio suficiente para:

1. Montar las piezas con seguridad
2. Apretar los tornillos
3. Permitir el acceso a los soldadores
4. Permitir el acceso necesario para realizar los tratamientos de protección y mantenimiento

 Uniones en Obra: se procurará reducir al mínimo las uniones en obra y serán preferiblemente uniones atornilladas. Cuando se detalla una unión debe tenerse en cuenta la secuencia y método de montaje

 Uniones híbridas: aquellas en que dos o más medios de unión distintos, soldadura o tornillos, colaboran para transmitir un esfuerzo entre dos piezas distintas.

2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector Uniones

 Las uniones sometidas a momento flector generalmente son del tipo unión viga-soporte o empalmes de vigas

 Diagramas Momento-Curvatura Se obtienen mediante ensayos experimentales o métodos numéricos

Un diagrama simplificado se define mediante tres parámetros:

• Momento último MRd
• Capacidad de rotación ɸ Cd
• Rigidez de la unión S (^) j

Los diagramas momento-curvatura de las uniones se pueden incluir en el análisis global de la estructura para la obtención de la respuesta estructural.

2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector Uniones

 Clasificación en función de su rigidez

Uniones Semirrígidas (o de resistencia parcial)

• Aquellas que no pueden ser clasificadas como articulaciones o empotramientos
• Aquellas que pertenezcan a pisos de pórticos en los que se cumpla:

donde Ib y Lb son el momento de inercia y longitud de la viga conectada

donde k=8 (viga de un pórtico intraslacional) k=25 (viga de un pórtico traslacional)

Articulaciones:

Uniones Rígidas o empotramientos:

 Modelado de las uniones en un análisis global

Análisis global elasto-plástico: diagrama bilineal momento-curvatura en el que Sj sea: Análisis global elástico diagrama bilineal momento-curvatura en el que Sj sea:

=2 (unión viga-pilar) =3.5 (unión viga-viga, empalmes) =3.0 (otros tipos de unión)

Uniones articuladas = rótula ; Uniones rígidas de resistencia completa = nudo continuo

Semirrígidas

3. Uniones atornilladas Uniones

 Geometría

Área de la parte roscada:

Área de la espiga:

Ejemplo nomenclatura: M 16 x 80 - 8.

3. Uniones atornilladas Uniones

 Geometría

Uniones

 Tipos especiales de tornillos

- Tornillos de cabeza avellanada: quedan enrasados nominalmente con la cara exterior de la chapa externa

-Tornillos calibrados: se instalan en agujeros que son escariados in situ. Estos agujeros deben pretaladrarse con un diámetro al menos 3 mm inferior al diámetro definitivo. -Tornillos de inyección: disponen de una perforación en la cabeza por donde se inyecta resina para rellenar toda la holgura existente entre su espiga y el agujero

3. Uniones atornilladas

3. Uniones atornilladas Uniones

 Modos de fallo de uniones atornilladas

• Colapso de una o más secciones del tornillo (a)
• Colapso por aplastamiento de la chapa, flexión del vástago o ambos efectos (b,c)
• Colapso por fallo de la chapa o desgarro (d,e)

a) b) c)

d) e)

I. No hay deslizamiento. El esfuerzo de corte es absorbido por rozamiento entre chapas II. Deslizamiento brusco hasta que el vástago entra en contacto con la chapa III. Comportamiento elástico. Se termina cuando alcanza el límite elástico la chapa o el tornillo IV. Alcanzada la fase plástica se presentan deformaciones importantes y al final se produce el fallo de la unión para la carga F (^) v,u

Fases de transmisión de cargas en una unión pretensada:

Uniones

CATEGORIA A

• Los tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajan a cortante y aplastamiento
• Si los tornillos son de alta resistencia no es preciso que estén pretensados ni que las superficies en contacto estén preparadas
• Si la pieza está sometida a fatiga, impactos o esfuerzos alternativos se recomienda el uso de tornillos de alta resistencia pretensados con N 0 = 0.7 fub A (^) s

3. Uniones atornilladas

 Categorías de uniones atornilladas Categoría A Categoría B Categoría C Categoría D Categoría E

Tornillos solicitados en dirección normal a su eje

Tornillos solicitados a tracción

CATEGORIA B

• Tornillos de alta resistencia con superficies preparadas (decapado con chorro de arena, cepillado…).
• Se desea que no haya deslizamiento para ELS
• Se permite que haya deslizamiento en ELU y los tornillos trabajen por cortante y aplastamiento

3. Uniones atornilladas Uniones

 Categorías de uniones atornilladas

RESUMEN

Uniones

 Agujeros para tornillos (Art. 58.3)

3. Uniones atornilladas

d’= 1 mm para tornillos de 12 y 14 mm d’= 1 ó 2 mm para tornillos de 16 a 24 mm d’= 2 ó 3 mm para tornillos de 27 mm o mayores

• En tornillos de 12 y 14 mm también podrán haber holgura de 2 mm siempre que la resistencia del grupo de tornillos a aplastamiento sea inferior a la de cortante.
• Uniones atornilladas resistentes por rozamiento pueden utilizarse agujeros a sobremedida. d’= 3 mm para tornillos de 12 mm d’= 4 mm para tornillos de 14 a 22 mm de diámetro d’= 6 mm para tornillos de 24 mm d’= 8 mm para tornillos de 27 mm o mayores

Diámetro estándar = d + d’

• Se realizarán preferentemente mediante taladro
• Se autoriza el punzonado cuando el agujero sea de diámetro superior al espesor de la pieza, siempre que dicho espesor sea menor de 15 mm y que las piezas a unir no estén sometidas a fatiga
• Uniones resistentes por rozamiento: anchura de agujeros rasgados cortos o largos En dirección normal al esfuerzo: Diámetro = d En dirección del esfuerzo: (^) d+4 mm para tornillos de 12 mm d+6 mm para tornillos de 14 a 22 mm d+8 mm para tornillos de 24 mm d+10 mm para tornillos ≥ 27 mm

Diámetro = d + d’

Agujeros rasgados cortos e=

Agujeros rasgados largos e= 2.5 d

3. Uniones atornilladas Uniones

 Resistencia de un tornillo a cortante (Art. 58.6)

• Se comprobará que el esfuerzo en dirección normal al eje del tornillo sea inferior a la resistencia por cortante del tornillo.

F v,Ed ≤ F v,Rd

Resistencia por cortante

Notación: A : área del vástago A (^) s : área de la parte roscada fub : tensión última a tracción del tornillo n : número de planos de corte

Modo de fallo

3. Uniones atornilladas Uniones

 Resistencia de la chapa por aplastamiento (Art. 58.6)

• Si la resistencia a corte del tornillo es mayor que la resistencia a aplastamiento de las chapas se producirá un aplastamiento de la chapa hasta producirse el fallo de la unión
• Si se produce este tipo de fallo la unión presentará un Modos de fallo comportamiento dúctil.
• Si el fallo se produce por rotura a cortante del tornillo la unión presentará un comportamiento frágil.
• La capacidad resistente de la chapa frente al aplastamiento depende de:
  1. Distancias de los agujeros a los bordes libres
  2. Distancia entre agujeros medida en dirección de la fuerza
  3. De la clase de esfuerzo sobre la chapa: tracción y/o compresión