cap13 pernos 1

Estructuras Metálicas. Semestre I 2009. Rodrigo Silva M.

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CAPITULO III. PERNOS ESTRUCTURALES.

Las conexiones apernadas presentan ciertas características que las hacen más o menos

apropiadas dependiendo de la aplicación. Las principales ventajas de las conexiones apernadas están en

la rapidez de ejecución, el bajo nivel de calificación requerido para construirlas, la facilidad de

inspección y reemplazo de partes dañadas y la mayor calidad que se obtiene al hacerlas en obra

comparadas con conexiones soldadas. Entre las desventajas se pueden mencionar el mayor trabajo

requerido en taller, lo que puede significar un costo más alto: el mayor cuidado requerido en la

elaboración de los detalles de conexión para evitar errores en la fabricación y montaje; la mayor

precisión requerida en la geometría, para evitar interferencias entre conectores en distintos planos; el

peso mayor de la estructura, debido a los miembros de conexión y los conectores y, el menor

amortiguamiento.

Tarea: buscar fotos o imágenes de los siguientes tipos de conexiones apernadas

- Conexiones de corte (shear connections)

- placa de corte (single plate)

- doble clip (angle cleat), apernado- apernado o apernado soldado

- asiento apernado (bolted angle SEAT)

- Conexiones de momento (moment connections)

- Empalmes (splices)

- Placas bases (base plates)

- Diagonales (bracing)

3.1. Pernos de alta resistencia

ASTM A325, A490, A449.

Los pernos de alta resistencia van de diámetros desde ½ a 1½” (3” para A449). Los diámetros

más comunes en construcción son ¾, 7/8 y 1”. Los pernos son generalmente apretados para desarrollar

una tensión específica, lo que resulta en una fuerza de compresión en la conexión. La transferencia de

cargas de servicio a través de una junta es por lo tanto, debida a la fricción que se desarrolla entre

piezas a conectar. Las conexiones con pernos de alta resistencia pueden ser slip-critical (criticas al

deslizamiento), donde se desea alta resistencia al deslizamiento bajo cargas de servicio, o bearing type


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(uniones tipo aplastamiento), donde no es necesario alta resistencia al deslizamiento bajo cargas de

servicio.

Remaches: Ya no se usan. Son una especia de pasador que atraviesa las perforaciones, que

lleva una cabeza en cada extremo para que la unión no se separe. Eran mas difíciles de instalar, pero

más baratos; además no requerían tuercas ni golillas. Sin embargo ahora los pernos de alta resistencia

son más baratos y no se justifica usar remaches.

Las partes y dimensiones de un perno se muestran en las siguientes figuras:


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Los pernos A325 y A490 pueden ser del tipo 1, 2 o 3. El tipo 1 es de acero al carbono suave, y

es el que se provee a menos que se indique lo contrario. Similarmente para A490, el tipo 1 es el acero

aleado regular. El tipo 2 es la alternativa de acero suave al carbono para aplicaciones a alta

temperatura. El tipo 3 es de acero resistente a la corrosión.

3.2. Procedimientos de instalación

Existen dos categorías generales de requerimientos de comportamiento para conexiones con

pernos de alta resistencia: conexiones críticas al deslizamiento (slip-critical) y conexiones tipo

aplastamiento (bearing). La diferencia básica entre los dos tipos es la hipótesis de deslizamiento que

ocurre bajo cargas de servicio, lo que resulta en el uso de valores de resistencia nominal diferentes.

El tipo de conexión crítica al deslizamiento asume que no debe existir deslizamiento bajo

condiciones de cargas de servicio y que la transferencia de la carga a través de la conexión se realiza

mediante las fuerzas de fricción generadas entre las placas que se conectan. Este tipo de conexión es

principalmente usada en estructuras que tienen casos con cargas altas de impacto o cuando no se desea

deslizamiento en la junta.


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Las conexiones tipo aplastamiento asumen deslizamiento solamente bajo cargas muy altas. Si

este deslizamiento ocurre la junta transferirá las cargas a través de corte en los pernos y aplastamiento

de las placas. Este tipo de conexión es usada para estructuras menos susceptibles a impacto,

reversiones de carga o vibraciones.

La especificación RCSC RESEARCH COUNCIL ON STRUCTURAL CONNECTIONS,

Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts, June 30, 2004

(http://www.boltcouncil.org/files/2004RCSCSpecification.pdf), indica que el diseñador debe

especificar las conexiones como tres posibles tipos:

Snug-tightened: Los pernos están apretados en condición “snug tight”, esto “+- apretado pero no tanto”. Se define como

“el apriete necesario para mantener las piezas firmemente en contacto”, esto es, por el resultado de

“unos pocos impactos de una llave o toda la fuerza de un trabajador usando una llave inglesa o

francesa? (spud wrench). Ver AISC Spec. Section J3, pag 16.1-103.

Aplicabilidad en RCSC Spec. Section 4.1 (ver también AISC Spec. Section J3, pag 16.1-103).

Requerimientos de superficie de contacto en RCSC Spec. Section 3.2, 3.2.1

Pretensioned: Aplicabilidad en RCSC Spec. Section 4.2

Casos en que debe ocuparse en AISC Spec. Section J1-10


Slip-critical: Aplicabilidad en RCSC Spec. Section 4.3



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Pretensión en conexiones que no puedan ser calificadas como ‘snug tight”

Métodos para tensar los pernos:

- Turn-of-the-nut tightening: se aprieta el perno una cierta cantidad más allá de la condición snug tight.

Media vuelta de la tuerza es generalmente suficiente. Ver RCSC Spec. Section 8. Installation y 8.2.1.

- Calibrated wrench tightening: se especifica un torque a aplicar manualmente o con power wrench.

- Alternative design bolts

- Direct tension indicator tightening


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3.3. Resistencia nominal de pernos individuales

Conexiones apernadas típicas

En una conexión con pasadores, la carga se transfiere de una pieza a la otra por corte en el

pasador y aplastamiento en los orificios (figura*).

Cuando un perno de alta resistencia se instala con una tensión inicial específica, hay una

precompresión entre las piezas a conectar. La transferencia de cargas puede ocurrir completamente por

fricción bajo cargas de servicio, y no habría aplastamiento del perno contra el agujero. Hasta que la

fuerza de roce µT no sea sobrepasada, la resistencia al corte del perno y la resistencia al aplastamiento

de la placa no afectará la capacidad de la conexión (figura**) La resistencia para resistir fuerzas de

corte a través del plano de corte de todas las conexiones con pernos de alta resistencia, ya sean slip

critical o bearing type, es la misma. Los posibles estados límites o modos de falla que pueden controlar

la resistencia de una conexión apernada se muestran en la figura ***.


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(*) Transferencia de carga en una conexión con pasador

(**) Transferencia de carga en una conexión con pernos pretensados.


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(***) Modos de falla en conexiones apernadas

Resistencia a la tensión de pernos

La resistencia nominal de un perno a tensión Rn es:

n

b

un AFR =

=b

uF resistencia a tensión del material del perno. El área neta se considera a través de la porción con

hilo, conocido como “tensile stress area”. Esta área se puede estimar como: 2

bnn

9743.0d785.0A

−= , n: número de hilos por pulgada.

La razón entre el área bruta y área neta varía entre 0.75 y 0.79. Por lo tanto,

( )b

b

un A75.0FR =

o bntn AFR =

Con Fnt dada por tabla AISC J3.2


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Resistencia al corte de pernos La resistencia nominal de un perno Rn es la resistencia última al corte a través del área bruta

multiplicada por el número de planos de corte.

( )b

ubn F62.0mAR =

o bnvn AmFR =

con Fnv dada por tabla AISC J3.2.


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La resistencia última al corte de acuerdo a experimentos es aproximadamente 62% de la

resistencia última en tensión, la misma razón entre resistencia de fluencia al corte y tensión.

Resistencia al aplastamiento

Este estado límite se relaciona con la deformación excesiva alrededor del agujero (*** d) y la

falla por desgarramiento (*** b). La resistencia al aplastamiento Rn es la fuerza aplicada contra el

borde del agujero capaz de desgarrar la placa. Según la siguiente figura, el desgarramiento ocurre a lo

largo de las líneas 1-1 y 2-2. Como límite inferior se puede considerar el ángulo α como cero, y la

distancia al borde puede ser la distancia desde el borde de la placa hasta el borde del agujero; de esta

manera la resistencia nominal Rn será: p

ucn tL2R τ=

p

uτ : resistencia al corte de la placa ~ 0.62Fu

Fu: resistencia a tensión de la placa

Por lo tanto,

( ) cuucn tLF24.1F62.0tL2R ==

De acuerdo a la experiencia se recomienda que la distancia mínima de centro a centro entre

pernos sea 3 veces el diámetro del perno. Si Lc=2.5d, la resistencia nominal al aplastamiento es

dtF1.3R un = , que es la expresión básica para prevenir desgarramiento. Cuando se alcanza la

resistencia al aplastamiento dada por la ecuación anterior sin haber ruptura, la elongación del agujero

puede ser excesiva. Por lo tanto, esta ecuación de usarse solo cuando la deformación alrededor del

agujero no es de interés.

3.4. Diseño de pernos por LRFD

un PR ≥φ

Pu: cargas factoradas o resistencia requerida por un perno

Rn: resistencia nominal de un perno

φ : factor de resistencia, 0.75 para rotura en tensión y corte en el perno, y aplastamiento.


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Resistencia de diseño al corte, hilo excluido en el plano de corte

( ) ( ) b

b

u

b

ubn mAF5.0F62.0mA8.0R == .

0.8 es un factor que considera el largo de la conexión

Si b

unv F5.0F = , y φ =0.75, finalmente

bnvn mAF75.0R =φ 1

m: número de planos de corte (usualmente 1 o 2)

Ab :área bruta del perno a través de la porción sin hilo.

Fnv: resistencia nominal al corte del perno, según tabla AISC J3.2.

Resistencia de diseño al corte, hilo incluido en el plano de corte

( )( ) ( ) b

b

u

b

ubn mAF37.0F62.0A75.0m8.0R == .

Como los factores 0.8 y 0.75 son aproximados, AISC adopta la siguiente ecuación:

( ) b

b

un mAF4.0R =

Si b

unv F4.0F = , y φ =0.75, finalmente

bnvn mAF75.0R =φ 2

Resistencia de diseño a tensión El área de la sección con hilo es ~0.75Ab. Así, la resistencia a tensión Fnt puede considerarse

como 0.75 b

uF . Por lo tanto,

bntn AF75.0R =φ 3

Ab :área bruta del perno a través de la porción sin hilo.

Fnt: resistencia nominal a tensión del perno, según tabla AISC J3.2.

Las resistencias de diseño para pernos A325 y a490 se resumen en la siguiente tabla.


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Resistencia de diseño al aplastamiento De acuerdo a AISC J3.10,

1) Para un perno en una conexión con agujeros estándar, agrandado o de ranura corta, independiente de

la dirección de la carga, o un agujero de ranura larga con la ranura paralela a la dirección de la carga:

a) Cuando la deformación en el agujero bajo cargas de servicio es consideración de diseño,

uucn dtF4.2tFL2.1R ≤= 4

b) Cuando la deformación en el agujero bajo cargas de servicio no es consideración de diseño,


2) Para un perno en una conexión con agujeros de ranura larga con la ranura perpendicular a la

dirección de la carga:


d: diámetro nominal del perno

t: espesor de la parte contra ka cual el perno se aplasta

Fu: resistencia a tensión de la parte conectada contra la cual el perno se aplasta

Lc: distancia libre, en la dirección de la fuerza, entre bordes de agujeros adyacentes

La resistencia de diseño será nn R75.0R =φ

La resistencia límite en la ecuación 4 corresponde a la resistencia que se logra a una

deformación aproximadamente de ¼”.

Espaciamiento mínimo de pernos en la línea de acción de la fuerza

Cuando el espaciamiento de los pernos en la dirección de la fuerza es al menos 3 veces el

diámetro de los pernos, el límite superior de las ecuaciones anteriores controla la resistencia al

aplastamiento.

Resolviendo dichas ecuaciones para Lc da la distancia mínima entre bordes de pernos

adyacentes.

tKF

RL

u

nc ≥ , con K=1.2, 1.5 o 1.0 según el caso. 7

Si se agrega el radio dh/2 del agujero da la distancia mínima de centro a centro, y se considera

que PR n =φ ,

h

u

dtKF

PS +

φ= 8

La distancia mínima de pernos en una línea recomendable es 3 veces el diámetro y no debe ser

menos que 22/3 diámetros (AISC J3.3)

Mínima distancia al borde en la dirección de la fuerza

2

d

tKF

PL h

u

e +φ

≥ 9

La distancia al borde a usar debe ser mayor que la calculada por resistencia y el mínimo

prescrito en tabla AISC J3.4


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Distancia máxima al borde (AISC J3.5)

La distancia máxima del centro de un perno al borde más cercano es 12t, donde t es el espesor

de la parte a conectar, y no debe ser mayor a 6”.

Máxima distancia entre pernos (AISC J3.5)

a) Para miembros pintados o no pintados no sujetos a corrosión, "12t24s ≤≤

b) Para miembros no pintados y aceros corten sujetos a corrosión atmosférica, "7t14s ≤≤

3.5. Ejemplos de diseño por LRFD

3.5.1. Calcular la capacidad en tensión para cargas de servicio de la conexión tipo aplastamiento si

a) el hilo de los pernos está excluido del plano de corte

b) el hilo de los pernos está incluido en el plano de corte

Los pernos son A325 de 7/8” con agujeros estándar y las planchas son A572 Gr. 50. La carga viva es

tres veces la carga muerta.

a) Hilo excluido del plano de corte

La resistencia de las planchas a tensión,

Ag=6*0.625=3.75 in2

An=[6-2(7/8+1/8)]*0.625=2.50 in2

Ae=An

gygytnt AF9.0AFT =φ=φ =0.9*50*3.75=169 kips

eueutnt AF75.0AFT =φ=φ =0.75*65*2.5=122 kips

Resistencia pernos al corte,

bnvn mAF75.0R =φ =0.75*60*1*0.6013=27.1 kips por perno

[Lc=1.5-1/2*(7/8+1/16)=1.03]<[2d=1.75]

→ utcn tFL2.1R φ=φ =0.75*1.2*1.03*0.625*65=37.7 kips/bolt

→ Controla el corte en el perno

La capacidad de la conexión basada en los pernos será =φ nT 4*27.1=108 kips


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La capacidad de la conexión es el menor valor de la resistencia de las planchas y de los pernos,

por lo tanto,

=φ nT 108 kips

La distancia al borde provista satisface el mínimo dado en tabla J3.4

El bloque de corte no se verifica para este caso por el espesor de la plancha.

un TT ≥φ =1.2D+1.6L=6.0D

108=6.0D

D=18 kips

L=3D=54 kips

La carga máxima de servicio es T=D+L=72 kips

b) Hilo incluido en el plano de corte

bnvn mAF75.0R =φ =0.75*48*1*0.6013=21.6 kips por perno

T=21.6/27.1*72=57.6 kips

Nota:

La designación estándar para pernos con y sin plano es como sigue;

A325-X, A325-N (hilo excluido / hilo incluido)

3.5.2. Determinar el número de pernos A325 de ¾” requeridos para desarrollar la capacidad total de las

planchas de acero A572 Gr. 65, que corresponde a una porción de un empalme doble. La conexión es

tipo aplastamiento con hilo excluido de los planos de corte. Asumir doble fila de pernos con agujeros

estándar.

El área de la plancha central es menor que la suma de las áreas de las planchas externas.

An=[6-2(3/4+1/8)]0.375=1.59 in2

An ≤ 0.85Ag =0.85*6*0.375=1.91 (según AISC J4.1)

Ae=An=1.59 in2

gyn AFT φ=φ =0.9*65*6*0.375=132 kips

eun AFT φ=φ =0.75*80*1.59=96 kips (controla)

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