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UNIVERSIDAD DE ORIENTENÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
“DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA
COMPUTACIONAL PARA DISEÑAR MIEMBROS
TRACCIONADOS DE UNA ESTRUCTURA METÁLICA
CONECTADA CON PERNOS O SOLDADURA”Presentado Por:
Br. VICMAR ARVELO ROSAS
ENERO, 2013
UNIVERSIDAD DE ORIENTENÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
“DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA
COMPUTACIONAL PARA DISEÑAR MIEMBROS
TRACCIONADOS DE UNA ESTRUCTURA METÁLICA
CONECTADA CON PERNOS O SOLDADURA”
Jurado
CalificadorProf. Francisco García Prof. Gaetano SterlacciAs
esorProf. Richard
Estaba
Planteamiento del problema
Objetivos
Marco metodológico
Desarrollo del trabajo
Conclusiones
Recomendaciones
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar una herramienta computacional que permita el diseño de miembros sometidos a tracción de una estructura metálica conectados con pernos o soldadura.
OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar una herramienta computacional que permita el diseño de miembros sometidos a tracción de una estructura metálica conectados con pernos o soldadura.
1. Describir los dos principales modos de conexiones (apernadas y soldado) para el ensamble de miembros de una estructura metálica.
2. Establecer las normas nacionales e internacionales para el diseño de miembros traccionados con conexión apernada y soldada.3. Construir los algoritmos computacionales de los casos más comunes para una estructura metálica.
4. Crear el software computacional para el diseño de miembros a tracción, orientado a un uso simple aplicando los conocimientos básicos de diseño y de los materiales estructurales.
5. Elaborar el manual de usuario para el correcto uso de la herramienta computacional.
6. Validar la herramienta desarrollada mediante problemas de referencia.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
LIBROS
TESIS
CONSULTAS EN INTERNETFOLLETOS
MANUALES
MODOS DE CONEXIONES
UNIONES APERNADAS
SOLDADAS
REVISIÓN DE NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES
COVENIN 1618-98
AISC (American Institute of Steel Construction)
CONSTRUCCIÓN DE LOS ALGORITMOS
CERCHA TIPO PRATT
PERFILES (L) Y TIPO CANAL ( C )
DISEÑO DEL SOFTWARE
VISUAL BASIC 6.0
VALIDACIÓN DEL SOFTWARE
EFICIENCIA
EJEMPLOS
ELABORACIÓN DEL MANUAL DE USUARIO
USO CORRECTO DEL SOFTWARE
PERNO:Se designan pernos o tornillos a los dispositivos mecánicos con cabeza cuadrada o hexagonal, formados por un vástago cilíndrico roscado exterior en su extremo libre, se ajustan con arandelas o tuercas en los extremos sobresalientes de la rosca.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS:
Pernos A307: Son conectores sin tornear, elaborados de acero con bajo contenido de carbono, disponibles en diámetros de ¼” hasta 1 ½” estos se utilizan en aplicaciones industriales con cargas estáticas y en construcciones precarias.
Pernos A325
Pernos A490
Tienen un uso específico estructural, con campo de aplicación en juntas de pórticos de edificios, puentes, armaduras y galpones.
FORMA DE TRABAJO DE LOS PERNOS:
Tracción axial
Corte (conexiones tipo fricción y aplastamiento)
Corte y tracción
FALLA EN UNIONES APERNADAS:
Falla de la placa por cortante detrás del perno
Falla de un tornillo por cortante simple
Falla de la placa por aplastamiento
Falla de la placa por tensión
Falla de una junta a tope por cortante doble
VENTAJAS DE LOS PERNOS
Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar, son menores que las que se necesitan para remachar.
En comparación con los remaches, se requiere menor número de tornillos para proporcionar la misma resistencia.
Resulta menos ruidoso en comparación con el remachado.Se requiere equipo más barato para realizar conexiones atornilladas.
Unas buenas juntas atornilladas pueden realizarlas hombres con mucho menor entrenamiento y experiencia. La instalación de tornillos de alta resistencia puede aprenderse en cuestión de horas.
CRITERIOS DE RESISTENCIA EN CONECTORES
Resistencia a tracción de los conectores: Si una fuerza de tracción T esta aplicada en el baricentro de un grupo de conectores, se supone que uno resiste la misma carga. El esfuerzo unitario de tracción es:
Ƞ es el número de conectores y Ft es el esfuerzo admisible en tracción dado en la tabla de tensiones admisibles en conectores
1- Describir los dos principales modos de conexiones (apernado y soldado) para el ensamble de miembros de una estructura metálica.
Tensiones admisibles en conectores (Kg/cm2).
Tipo de conector Tracción (Ft)
Corte( Fv)
Conexión por fricción
Conexión por aplastamiento
Remaches A502 grado 1 Remachados en caliente 1400 1050
Remaches A502 grado 2 Remachados en caliente 1900 1400
Pernos A307 1400 700
Pernos A325 (rosca incluida en los planos de corte) 2800 1050 1050
Pernos A325 (rosca excluida en los planos de corte) 2800 1050 1550
Pernos A490 ( rosca incluida en los planos de corte) 3800 1400 1580
Pernos A490 ( rosca excluida en los planos de corte) 3800 1400 2250
Partes roscadas de acero 0,6Fy
0,3Fy
Resistencia a corte de los conectores:
Cuando los miembros conectados soportan una fuerza axial P que produce corte en el grupo de conectores de la unión, el esfuerzo unitario a corte, ya sea en conexión tipo fricción o tipo aplastamiento, se obtiene:
Fv es el esfuerzo admisible en corte, dado en la tabla de tensiones Optando: (en cada plano de corte).
Piv resulta la carga admisible a corte en cada conector, sus valores se indican en la tabla diseño de pernos para los diferentes tipos, a fricción y aplastamiento. Por lo tanto el número necesario ƞ de conectores a corte resulta:
Ƞ ≥
A307 Pernos A325 Pernos A490
D Aplast. Aplastamiento Fricción Aplastamiento Fricción
Dist.al borde CR SR CR SR
d (mm)
Ciz (mm)
Solp (mm)
3d (mm)
Ab (cm2)
Piv(Kg) Piv(Kg) Piv(Kg) Piv (Kg) Piv (Kg)
Piv (Kg)
Piv (Kg)
13 22 19 39 1,267 887 1330 1963 1330 2001 2850 1773
16 29 22 48 1,979 1385 2077 3067 2077 3126 4452 2770
19 32 25 57 2,85 1995 2992 4417 2992 4503 6412 3990
22 38 29 66 3,879 2715 4072 6012 4072 6128 8727 5430
25 44 32 75 5,067 3547 5320 7853 5320 8005 11400 7093
29 51 38 87 6,443 4510 6765 9986 6765 10179 14496 9020
32 57 41 96
1,7d 1,25d 1,25d
Diseño de pernos
Resistencia por aplastamiento de las planchas:
El esfuerzo unitario de aplastamiento en las planchas, para una conexión de ƞ pernos es:
Resistencia por tracción en el área total:
A es el área total de la sección transversal, y Ft el esfuerzo admisible a tracción en el miembro:
Resistencia por tracción en el área neta:
Para: An ≤ 0.85 A
An se obtiene:
Siendo, m el número de agujeros de la trayectoria considerada, n es el número de tramos oblicuos de la trayectoria, s y g el paso y el gramil en cada tramo oblicuo. Ane se obtiene:
Donde Ct es el coeficiente de reducción y depende del tipo y forma de los elementos conectados.
Fu es el esfuerzo de agotamiento, que se obtiene en la tabla tensiones cedentes y agotamiento de los Aceros.
Coeficientes de Ct
Tabla de Tensiones cedentes y agotamiento de los AcerosDESIGNACIÓN TIPO Fy (Kg/cm²) Fu (Kg/cm²)
SIDOR PS25 2500 3700
ALTEN 3500 5500
A36 2500 4100
A242 2750 4150
A440 2900 4350
A441 3150 4600
A514 7030 4150
A572 grado42 2900 4150
45 3100 4150
ASTM 50 3450 4500
60 3800 4850
65 4150 5200
A588 grado42 2900 4350
46 3150 4600
50 3450 4850
DIN ST37 2400 3700
ST42 2600 4200
ST52 3600 5200
SOLDADURA
PROCESOS DE SOLDADURA MÁS USADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN
Soldadura de gas Soldadura en arco Soldadura con electrodo metálico.
DEFECTOS DE UNIONES SOLDADAS
TIPOS DE SOLDADURA
Soldadura de filete Soldadura en V Soldadura a tope Soldadura en hendiduraSoldadura recta Soldadura en X Soldadura en ángulo
Pero las más utilizadas son las de filete y ranura en el área estructural
SOLDADURA A FILETE
La longitud efectiva de la soldadura
El área efectiva
La longitud L1 de cada cordón debe cumplir:
La longitud de solape mínimo Ls será iguala 5 veces el espesor de la plancha más delgada, y no inferior a 25mm.
ELECTRODOS PARA SOLDADURAS
Los electrodos a emplear para soldaduras de arco, están formalizados por la American Welding Society (AWS).
TIPOS DE ELECTRODOS:
Los electrodos con recubrimiento pesado: se utilizan normalmente en la soldadura estructural.
Electrodos con recubrimiento ligero: Estos no se intenta prevenir la oxidación y no forman escoria .
VENTAJAS DE LA SOLDADURA:
Para la mayoría de la gente, la primera ventaja está en el área de la economía, porque el uso de la soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado.
La soldadura tiene una zona de aplicación mucho mayor que los remaches o los tornillos.
Las estructuras soldadas son más rígidas, porque los miembros por lo general están soldados directamente uno a otro.
Resulta más fácil realizar cambios en el diseño y corregir errores durante el montaje, si se usa soldadura.
Se usan menos piezas y, como resultado, se ahorra tiempo en detalle, fabricación y montaje de la obra.
CRITERIOS DE RESISTENCIA EN LAS CONEXIONES SOLDADAS
Las soldaduras son elementos de material homogéneo, isótropo y elasto-plástico. Las partes conectadas por las soldaduras son rígidas, por lo cual se desprecian sus deformaciones.
Por lo general, los cordones de soldadura están solicitados a:
Corte en el área efectiva Ae.Tracción o compresión normal al área efectiva Ae.Tracción o compresión paralelas al eje de la soldadura.
Capacidad resistente a corte en la soldadura:El esfuerzo cortante límite Fw de una soldadura de filete se obtiene:
Siendo FExx la resistencia a tracción del metal de aporte, el cual depende del tipo de electrodo usado, dado en la tabla:
Esfuerzo en el metal de aporte en soldaduras de fileteElectrodos Resistencia límite a tracción del Esfuerzo cortante de diseño
metal de aporte de la soldadura
FEXX (Kg/cm²) ΦFw (Kg/cm²)
E60XX 4.220 1270
E70XX 4.920 1480
E80XX 5.630 1690
E90XX 6.330 1900
E100XX 7.030 2110
E110XX 7.730 2320
En base a estos valores se puede calcular la carga admisible por mm del cordón de soldadura de filete:
Los valores P1 por longitud unitaria del cordón se indican a continuación para los diferentes tipos de electrodos.
Resistencia de diseño por cortante en la soldadura (SAP). Tamaño nominal
de la soldadura
Espesor efectivo
de garganta Resistencia de diseño por cortante ϕRm (Kg/mm)
D(mm) ts (mm) E60XX E70XX E80XX E90XX E100XX
4 2,83 35,9 41,9 47,8 53,7 59,7 5 3,54 44,9 52,4 59,8 67,2 74,7 6 4,24 53,9 62,7 71,6 80,5 89,4 7 4,95 62,9 73,2 83,6 94,0 104,4 8 5,66 71,8 83,7 95,6 107,5 119,4 9 6,36 80,8 94,1 107,5 120,8 134,2 10 7,07 89,8 104,6 119,5 134,3 149,1 11 7,78 98,8 115,1 131,4 147,8 164,1 12 8,48 107,8 125,5 143,3 161,1 178,9 13 9,2 116,7 136,1 155,4 174,8 194,1 14 9,9 125,7 146,5 167,3 188,1 208,8 15 10,6 134,7 156,8 179,1 201,4 223,6 16 11,31 143,7 167,3 191,1 214,9 238,6
Capacidad resistente a tracción en el área total A de los miembros: La capacidad resistente a tracción de los miembros conectados mediante la soldadura de filete, en el área total A (o área gruesa) de cada uno, para φt= 0,9 es:
Capacidad resistente a tracción en el área efectiva Ae de los miembros. La capacidad resistente a tracción en el área efectiva Ae resulta, para φt=0,75:
Tamaños máximos y mínimos de soldaduras de filete. El tamaño máximo del cordón de soldadura de filete está determinado por exigencias prácticas, con el fin de obtener el perfil adecuado.
Espesores máximos D de los cordones
de soldadura de filete
t (mm) Dmáx (mm) 4 4 5 5 6 6 7 6 8 6
≥ 9 (t – 2mm)
Espesores mínimos D de los cordones
de soldadura de filete
t (mm) Dmin (mm) ≤ 6 3
>6 hasta ≤ 13 5 >13 hasta ≤ 19 6 >19 hasta ≤ 38 8 >38 hasta ≤ 57 10 >57 hasta ≤ 152 13
>152 16
Compatibilidad de electrodos.
Metal base Electrodos Máximo Fy del metal
base SIDOR, PS25, DIN ST37,ST42,ASTM
A36,A53 grado B, A375, A501, A529 y A570 grados D y E.
E60XX E70XX Fy ≤ 2900
SIDOR, ALTEN, ASTM A242, A441,A572 grados 42 a 60, A588, DIN ST52 E70XX Fy ≤ 3800
ASTM A572grado 65 E80XX Fy ≤ 4150
Nacional:COVENIN 1618-98 Estructuras de acero para edificaciones.
Métodos de diseño Miembros a tracción
La longitud de diseño Relación de esbeltez
Pernos: En las condiciones empernadas se verificara que su
resistencia minorada a tracción normal, al corte y la tracción combinados, cuando sea aplicable, y al aplastamiento sea mayor que las producidas por las solicitaciones mayoradas.
Nacional:COVENIN 1618-98 Estructuras de acero para edificaciones.
Soldaduras de filete: limitaciones
Tamaño mínimo de soldadura de filete
Tamaños máximos efectivos de la soldadura de filete: los que se utilizaran a lo largo de las partes conectadas serán: a) en los bordes de los materiales de 6mm de espesor, no mayor del espesor del material. b) En los bordes de los materiales de 6mm o más de espesor el tamaño máximo será 2mm menor que ese espesor.
Longitudes de las soldaduras de filete: la longitud mínima efectiva de una soldadura resistente de filete no será menor de 4 veces su tamaño nominal.
Internacional:AISC (AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION)
La especificación AISC para edificios de acero estructural. Esta incluye la lista de símbolos, el glosario y apéndices. Las tablas de valores numéricos se proporcionan por comodidad de diseño. Los miembros individuales de ángulo deberán cumplir con las especificaciones para carga y resistencia del factor de diseño de un solo ángulo y con las presentes especificaciones.
Internacional:AISC (AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION)
Diseño de resistencia a la tracción
t=0,90 t = 0,75
Pernos de alta resistencia
El diseño para juntas estructurales usando ASTM A325 o A490, aprobado por el Consejo de Investigación a través de enlaces estructurales.
Todos los pernos A325 y A490 o A325M A490M deben apretarse a una tensión no más que la dada en las tabla siguientes:
Internacional:AISC (AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION)
Las soldaduras de filete:
Área efectiva: El área efectiva de las soldaduras de filete serán los definidos en AWS. El espesor de garganta efectiva de una soldadura de filete será la distancia más corta desde la raíz de la junta a la cara de la soldadura esquemática.
Internacional:AISC (AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION)
El tamaño mínimo de soldaduras para ángulo no deberá ser menor que el tamaño requerido para transmitir fuerzas calculadas o el tamaño como se muestra en la tabla:
El tamaño máximo de las soldaduras de filete de partes conectadas será:A lo largo de los bordes del material a menos de 14in (6mm) de espesor no mayor que el grueso del material.A lo largo de los bordes del material 14in (6mm) o más de espesor, no mayor que el espesor del material menos 16in (2mm).
Una luz no más de 3 a 12mAltura de 7 a 12m
Diseño de miembros traccionados empernados (pernos a fricción o aplastamiento). (corte)
Luz (L), momento (M), carga axial (P), secciones transversales de perfiles o
planchas, tipo de acero, tipo de electrodo, diámetro de soldaduras (D), longitud de cordones (longitudinales o frontales), espesor de soldadura (ts)
Inicio
Selección del perfil
Halle área del perfilA= b*h
Verificar ¿A ≥ P/0,6Fy?
Cambiar sección del perfil
¿ Es compatible el electrodo con el metal base? Según tabla 4.13
NO
SI
NO
SI
Escoger electrodo compatible
A
G
G
G
Obtener espesores máximos y mínimos de cordones según tabla 4.11 y 4.12 para el D de soldadura
A
Con D de soldadura obtenga ts de la tabla 4.9
Cálculo de esbeltez globalEg= L/ rmin.global
NO
SI
¿Eg ≤ 240?Cambiar sección
de perfil
Cálculo de esbeltez individualEi= L/ rmin.ind
B
G
H
B
¿ Ei ≤ 240?El perfil falla por esbeltez se recomienda
planchas de nodos intermedias
Cálculo de flexo-tracción ft + fb/ 0,6Fy
ft= P/A ; fb = M/S
Lmin= 240*rminCant,planchas de nodos= Lo/ Lmin
Lind=Lo/cant.planchas de nodos
¿ft+fb/ 0,6Fy ≤ 1?Cambiar sección transversal del
perfil
SI
NO
SI
NOG
H
C
¿Verificar cordones frontales?
D
NO
SI
E
C
D E
¿Es del mismo material?
Cálculo de P1 con ec.P1= ts*0,1*Fv
Fv= 0,3Fu(elect)
Cálculo de longitud de cordones L= P/P1
P1 es de la tabla 4.9
NO
SI L= P/P1
Cordones logitudinales
¿Verificar cordones long. Y
front?Cordones long.
¿Mismo material?
P1 se calcula con ec. P1=ts*0,1*Fv
Fv 0,3Fu(elect) 0,4Fy(m.base)
Elegir el menor
P1 es de tabla 4.9L1= P*x/ P1*h – h/2L2= P(h-x)/P1*h -h*2
NO
SI
NO
SI
L1= P*x/P1*hL2= P( h-x)/ P1*h
F
F
¿L ≥ 5tmin 25mm
Cambiar perfil
NO
SI
Verificar espesor de plancha de nodos o de soporte
¿t ≥ P/0,6 Fybe?
¿t ≥ ts* Fv(elect)/Fv(m.base) ?
Cambiar sección de plancha de nodo o de soporte
FIN
SI
NO
G
G
Estructura del (STEEL V1.0).
En este trabajo de investigación se desarrolló una herramienta computacional que permitió de manera calcular miembros conectados con pernos o soldadura y así delimitar el trabajo para obtener resultados más concisos.
En las construcciones metálicas el uso del acero se ha incrementado a nivel mundial debido a su alta resistencia, homogeneidad, elasticidad y ductilidad.
Se estudiaron las normas que gobiernan el diseño ya que se evaluó el comportamiento del acero con sus diferentes solicitaciones donde se especifiquen las características y dimensiones requeridas para ese proyecto, como lo son la norma Venezolana COVENIN 1618-98 y la AISC como internacional.
Se seleccionaron perfiles L y C de la empresa SIDOR ya que son los más solicitados para la construcción de cercha tipo Pratt.
Se utilizó para la elaboración de esta herramienta computacional el paquete informático Visual Basic 6.0 que es un lenguaje de programación con la intención de simplificar cálculos.
El aporte de este trabajo es contemplar una serie de aspectos teóricos utilizados en programas de diseño y que surja de allí el utilizar este tipo de estudio ya que permite un ahorro considerable de tiempo, de errores humanos o costo de proyectos.
1. Utilizar esta herramienta computacional para diseños sencillos de conexiones de elementos de cerchas de una estructura metálica
2. Antes de utilizar este software se necesita conocer cuál es la magnitud y tipo de carga (fuerza y/o momento) del elemento más crítico del cual se diseñará.
3. En soldadura el caso de plancha y 2 perfiles se recomienda a futuras evaluaciones realizarla e incluirla al software.
4. Al seleccionar la luz se recomienda que este entre 3 a a12m no exceder de este rango ya que el software trabaja con esa condición.
5. Alimentar la base de datos de perfiles de ser necesario para solicitaciones de cargas de gran magnitud que la base de datos actual no satisfaga el requerimiento.
Simón Bolívar
PENSAMIENTO
