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Perfiles Delgados
Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Santiago, ChileMarzo de 2007
Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
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CONTENIDOPerfiles delgados
1. Introducción
2. Usos de perfiles delgados
3. Comportamiento
4. Diseño
5. Conexiones
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DEFINICION1. Introducción
Se denomina “perfiles delgados” a aquellos perfiles formados por plegado de planchas de acero a temperatura ambiente en una
sección que resiste más carga que la plancha de acero.
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TIPOS DE ACERO1. Introducción
Recomendable usar aceros:• Galvanizables• Fy = 280~350 MPa• u ≥ 10%• Fu/Fy ≥ 1.1Ejemplos:
– ASTM A36, A500,A570, A572, A607,A611, A653, A792
Rango elástico
Rango plástico
u
Fyd
Fy
Fu
E
x
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FABRICACIONPROCESOS
1. Introducción
• Laminado en frío
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FABRICACIONPROCESOS
1. Introducción
• Plegado
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FABRICACIONPROCESOS
1. Introducción
• Conformado en prensa
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FABRICACIONEFECTOS
1. Introducción
• Aumento de Fy• Disminución de ductilidad• Aumento de Fu
Dependen de:– Radio de plegado– Espesor de plancha– Tipo de acero– Proceso de
fabricación
Rango elástico
Rango plástico
u
Fyd
Fys
Fu
E
x
x
Después de formado en frío
Strain aging
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VENTAJAS1. Introducción
• Optimización de secciones
• Buena resistencia a la corrosión
• Buena apariencia
• Adecuada aislación térmica y acústica
• Métodos de fijación simples
• Alta relación resistencia/peso
• Permite prefabricación
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PRODUCTOSTIPICOS
1. Introducción
• Elementos lineales
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PRODUCTOSTIPICOS
1. Introducción
• Elementos planos
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ELEMENTOSPLANOS
2. Usos de perfiles delgados
Cubierta de techo Cubierta de piso
Cubierta de muroLosa mixta
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2. Usos de perfiles delgados
• Edificios industriales
ELEMENTOSLINEALES
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2. Usos de perfiles delgados
• Viviendas (steel framing)
ELEMENTOSLINEALES
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2. Usos de perfiles delgados
• Estanterías
ELEMENTOSLINEALES
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CARACTERISTICASPARTICULARES
3. Comportamiento
• b/t relativamente altas.
• Partes de secciones sin rigidizar o incompletamente empotradas.
• Uno o ningún eje de simetría.
• Imperfecciones geométricas ≥ t.
• Imperfecciones estructurales inducidas por fabricación.
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo local y resistencia post-pandeo.• Pandeo por torsión y por flexión.• Pandeo local y estabilidad general.• Efectos de tensiones residuales variables
sobre la sección.• Efecto de cargas concentradas• Conexiones• Corrosión• Capacidad de deformación inelástica
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3. Comportamiento
• Pandeo local– Tensión elástica de pandeo:
donde
k: constante que depende de tipo de tensión y condiciones de apoyo.
: módulo de Poisson.
22
2
112 tw
EkFcr
wt
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
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3. Comportamiento
• Pandeo local
Apoyo simple Empotramiento
k = 4
k = 6.97
k = 0.425~0.675
k = 1.247
k = 23.9
k = 7.81
k = 0.57
k = 5.35~9.35
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
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3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo:
a) Elementos atiesados b) Elementos no atiesados
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo local y resistencia post-pandeo
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3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo:– Ancho efectivo (Von Karman, 1932):
• Compresión uniforme• Placa atiesada• Sin imperfecciones
Placa falla cuando
Entonces
22
2
112 tb
EkF
ef
y
y
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F
F
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
w
t
bef /2bef /2
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3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo– Ancho efectivo
• Efecto de imperfecciones (Winter, 1947):– Elementos atiesados
– Elementos no atiesados
y
cr
y
cref
F
F
F
F
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b22.01
y
cr
y
cref
F
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F
w
b298.0119.1
=> (AISI)
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
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3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo– Ancho efectivo
• Gradiente de tensiones:– Elementos atiesados
– Elementos no atiesados
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
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3. Comportamiento
• Resistencia post-pandeo– Ancho efectivo
• Efecto de atiesadores:
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)
a) Carga axial b) Flexión
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)– Carga axial: encontrar A1, A2 y A3 tales que
donde
0
0
0
32
02010
302
301
APPrAxPAyP
AxPAPP
AyPAPP
etee
eeex
eeey
2
2
L
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ex
2
2
L
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2
2
20
1GJL
EC
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20
20 yx
A
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)– Carga axial: resolver
• 1 eje de simetría (eje x: y0 = 0)
02
02
0
20
20
20
220
20
20
3
rPPPrPPPPPPP
yPxPrPPPPyxrP
teyexextteyeyexe
exeyteyexee
eye PP 1
2
00
200
2
3,212
14
rx
rxPPPPPPP exttextex
e
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo por torsión y por flexión (elástico)– Carga axial:
• Doble simetría o simetría puntual (x0, y0 = 0)
exe PP 1
eye PP 2
te PP 3
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo local y estabilidad general– Pandeo distorsional
a) Carga axial b) Flexión
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Pandeo local y estabilidad general– Sección efectiva
a) Carga axial b) Flexión
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Efectos de tensiones residuales variables sobre la sección
AISI:
m
ycc
tr
FBf
068.0192.0
79.1819.069.3
2
y
u
y
u
y
uc
F
Fm
F
F
F
FB
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Efecto de cargas concentradas
![Page 34: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/34.jpg)
CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Conexiones– Soldadas:
• Diferencias significativas en espesor de partes.• Uso de soldaduras en esquinas curvas.• Falla del material base, por lo general.
– Apernadas:• Controladas por aplastamiento.
– Atornilladas:• Tornillo autoperforante es lo más común.• Controladas por arrancamiento del tornillo o rotura del
material base.
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CONSIDERACIONESDE DISEÑO
3. Comportamiento
• Corrosión– Depende del tipo de tratamiento protector
(galvanizado, pintura).– Aplicado a plancha antes de formado.
• Capacidad de deformación inelástica– Muy limitada por proceso de formado
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DISPOSICIONESDE DISEÑO
4. Diseño
Especificación AISI 2001: “North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members”,
AISI/COS/NASPEC 2001.• Métodos de diseño
Qu ≤ Rn (LRFD) ó Q ≤ Rn/ (ASD)donde:
Q = Acción de diseño
Qu = Acción de diseño mayorada
Rn = Resistencia nominal = Factor de reducción de resistencia = Factor de seguridad
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TRACCION4. Diseño
• Diseño controlado por– Fluencia de la sección bruta.
– Fractura de la sección neta lejos de la conexión.
– Fractura en la conexión
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4. Diseño
• Fluencia de la sección bruta
c = 0.90 (LRFD) c = 1.67 (ASD)
• Fractura lejos de la conexión
c = 0.75 (LRFD) c = 2.00 (ASD)
Ag: área bruta, An: área neta
TRACCIONRESISTENCIA NOMINAL
gyn AFP
nun AFP
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COMPRESION4. Diseño
• Diseño controlado por– Pandeo local y resistencia post-pandeo de los
elementos de la sección (atiesados y no atiesados).
– Pandeo global en flexión, torsión o flexo-torsión del miembro.
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COMPRESIONANCHO EFECTIVO
4. Diseño
• Elementos atiesados– Compresión uniforme
673.022.01
673.01
crF
f
wb
22
2
112 tw
EkFcr
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4. Diseño
• Elementos atiesados– Efecto de atiesadores
• w/t ≤ 0.328S:
• w/t > 0.328S:
f
ES 28.1
', ss ddwb
121 ,2
bbbRb
b I
8.025.0443.05
82.4
25.0443.057.3
wDRw
DwDR
k nI
nI
Iss Rddwb ',
COMPRESIONANCHO EFECTIVO
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4. Diseño
• Elementos atiesados– Efecto de atiesadores
1 asI IIR
5115328.0399 4
34
S
twt
S
twtIa
3
1
4582.0
S
twn
COMPRESIONANCHO EFECTIVO
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4. Diseño
• Elementos atiesados– Gradiente de tensiones (f1 compresión,
f2 tracción)
• h0/b0 ≤ 4:
• h0/b0 > 4:
12124 3k
236.0
236.02
12
sibb
sibb
e
e
31 ebb
12 1 bbb e
wffbe )( 1
COMPRESIONANCHO EFECTIVO
1
2
f
f
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4. Diseño
• Elementos atiesados– Gradiente de tensiones (f1, f2 compresión)
12 bbb e
12124 3k
31 ebb
wffbe )( 1
COMPRESIONANCHO EFECTIVO
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4. Diseño
• Elementos no atiesados– Compresión uniforme
– Gradiente de tensiones
43.0k
43.0k
wffb )( 3
COMPRESIONANCHO EFECTIVO
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4. Diseño
c = 0.85 (LRFD) c = 1.80 (ASD)
Ae: área efectiva
– Pandeo Elástico
– Pandeo Inelástico
COMPRESIONRESISTENCIA NOMINAL
y
c
nc FF 2
877.0:5.1
enn AFP
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4. Diseño
• Tensión de pandeo elástico– Secciones con doble simetría y simetría
puntual
COMPRESIONRESISTENCIA NOMINAL
2
2
20
1
tt
wt
LK
ECGJ
Ar
2
2
xxx
exrLK
E
2
2
yyy
eyrLK
E
teyexeF ,,min
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4. Diseño
• Tensión de pandeo elástico– Secciones con monosimetría
– Secciones asimétricas: determinar Fe de análisis o ensayos.
COMPRESIONRESISTENCIA NOMINAL
textextexeyeF
4
2
1,min 2
2001 rx
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4. Diseño
• Diseño controlado por– Fluencia en flexión de la sección.– Pandeo global en flexo-torsión (volcamiento)
del miembro.– Pandeo local y resistencia post-pandeo de los
elementos de la sección (atiesados y no atiesados).
– Fluencia y/o pandeo del alma bajo corte.– Aplastamiento del alma.
FLEXION
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4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección– Secciones con alas comprimidas atiesadas
b = 0.95 (LRFD) b = 1.67 (ASD)
– Secciones con alas comprimidas no atiesadas
b = 0.90 (LRFD) b = 1.67 (ASD)
– Basada en la primera fluencia
donde Se: módulo elástico de sección efectiva
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
eyn SFM
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4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección– Basada en la reserva de capacidad inelástica
donde
Cy: factor de deformación de compresión
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
yyceyn CMSFM max,25.1min
EFyy
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4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección– Basada en la reserva de capacidad inelástica
• Factor de deformación de compresión– Elementos atiesados solo en los bordes
– Elementos no atiesados y elementos atiesados con atiesadores múltiples
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
1yC
Cy
3
1
0 1 2 w/t
2EFy
11.11
EFy
28.12
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4. Diseño
• Fluencia en flexión de la sección– Basada en la reserva de capacidad inelástica
Aplicable si• Torsión y volcamiento restringidos
• Fy sin efecto de formado en frío
• wc/t ≤ 1
• V/(wt) ≤ 0.35Fy (ASD) ó 0.60Fy (LRFD)
• Inclinación almas ≤ 30º
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
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4. Diseño
• Volcamiento– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
b = 0.90 (LRFD) b = 1.67 (ASD)
donde
Sc: módulo elástico respecto de la fibra extrema comprimida a Fc
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
ccn SFM
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4. Diseño
• Volcamiento– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
yee
yeye
yy
yey
c
FFF
FFFF
FF
FFF
F
56.0
56.078.236
101
9
10
78.2
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4. Diseño
• Volcamiento– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual• Flexión en torno al eje de simetría
• Flexión perpendicular al eje de simetría
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
teyf
be S
ArCF 0
extS
fTF
exSe rjCj
SC
ACF 2
02
![Page 57: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/57.jpg)
4. Diseño
• Volcamiento– Secciones abiertas con doble o mono
simetría y simetría puntual
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
CBAb MMMM
MC
3435.2
5.12
max
max
2
14.06.0M
MCTF 0
23
2
1xdAxydAx
Ij
AAy
![Page 58: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/58.jpg)
4. Diseño
• Secciones cerradas
– Lb ≤ Lu: resistencia de la sección
– Lb > Lu: volcamiento con
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
yfy
bu EGJI
SF
CL
36.0
yfyy
be EGJI
SLK
CF
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4. Diseño
• Fluencia y/o pandeo del alma bajo cortev = 0.95 (LRFD) v = 1.60 (ASD)
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
y
vv
y
v
y
vyv
y
vy
v
F
Ekth
th
Ek
F
Ekth
F
Ek
th
FEk
F
EkthF
F
51.1112
51.16.0
6.0
22
2
vwn FAV
![Page 60: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/60.jpg)
4. Diseño
• Aplastamiento del alma
w, w ,C, Ch,CN, CR variables según el elemento
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
t
hC
t
NC
t
RCFCtP hNRyn 111sin2
![Page 61: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/61.jpg)
4. Diseño
• Aplastamiento del alma+flexión– Elementos con un alma
– Elementos con múltiples almas
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
42.107.1
nob
u
nw
u
M
M
P
P
32.182.0
nob
u
nw
u
M
M
P
P
![Page 62: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/62.jpg)
4. Diseño
• Vigas no reforzadas
• Vigas con atiesadores y
cumplir además
donde Mno: resistencia por fluencia de la sección
ESFUERZOS COMBINADOSFLEXION Y CORTE
0.122
nv
u
nob
u
V
V
M
M
3.16.0
nv
u
nob
u
V
V
M
M
5.0nob
u
M
M
7.0
nv
u
V
V
![Page 63: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/63.jpg)
4. Diseño
• Flexión y Tracción
y
• Flexión y Compresión
y
ESFUERZOS COMBINADOSFLEXION Y ESFUERZO AXIAL
0.1nt
u
nyb
uy
nxb
ux
P
P
M
M
M
M
0.1
nt
u
yfytb
uy
yfxtb
ux
P
P
FS
M
FS
M
0.1noc
u
nyb
uy
nxb
ux
P
P
M
M
M
M
0.1
nc
u
ynyb
uymy
xnxb
uxmx
P
P
M
MC
M
MC
yxiA
P
ei
ui ,1
214.06.0
85.0
MMCmi
Con traslación
Sin traslación
ynnno FFPP
![Page 64: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/64.jpg)
5. Conexiones
• Uniones con conectores mecánicos– Uniones apernadas– Uniones atornilladas– Uniones remachadas
• Uniones soldadas– Soldadura al arco– Soldadura por resistencia
TIPOS DE UNIONES
![Page 65: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/65.jpg)
CONECTORESMECÁNICOS
5. Conexiones
• Tornillos
![Page 66: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/66.jpg)
CONECTORESMECÁNICOS
5. Conexiones
• Remaches
![Page 67: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/67.jpg)
5. Conexiones
• Tipos de falla (corte)
CONECTORESMECÁNICOS
![Page 68: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/68.jpg)
5. Conexiones
• Tipos de falla (tracción)
CONECTORESMECÁNICOS
![Page 69: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/69.jpg)
5. Conexiones
• Tipos de falla
CONECTORESMECÁNICOS
![Page 70: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/70.jpg)
5. Conexiones
• Soldadura al arco– SMAW (Shielded Metal Arc Welding)– GMAW (Gas Metal Arc Welding)– FCAW (Flux Core Arc Welding)– SAW (Submerged Arc Welding)
SOLDADURA
![Page 71: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/71.jpg)
5. Conexiones
• Soldadura por resistencia eléctrica
SOLDADURA
![Page 72: Perfiles Delgados Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022020715/54f695834a7959274d8b4c76/html5/thumbnails/72.jpg)
5. Conexiones
• Tipos de falla (corte)
SOLDADURA