Diseño de conexiones: pernos y partes roscadas

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Diseño de conexiones: pernos y partes roscadas

El Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC) es pionero en el desarrollo de códigos y especificaciones técnicas, además de un referente internacional cuando de diseño de estructuras metálicas se trata. Construcción Metálica retoma una sección del capítulo sobre conexiones pernadas para difundir las recomendaciones acerca del cálculo de estos elementos emitidas por la organización.

1. Pernos de alta resistencia El uso de pernos de alta resistencia debe cumplir con las disposiciones de la Especificación para juntas estructurales con pernos de alta resistencia, aprobada por el Consejo de Investigación de Conexiones Estructurales (RCSC, por sus siglas en inglés), excepto cuando el mismo documento disponga lo contrario. Estos elementos, según la regulación en mención, son agrupados de acuerdo con la resistencia del material así:

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• Grupo A - ASTM A325, A325M, F1852, A354 Grado BC y A449 • Grupo B - ASTM A490, A490M, F2280, A354 Grado BD Todas las superficies de la junta cuando es ensamblada, incluyendo aquellas adyacentes a las arandelas o golillas, deben estar libres de escamas, exceptuando las que resultan de fábrica. Se permite que los pernos se instalen en la condición de apriete ajustado (snug-tight) cuando se usan en:

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A. Conexiones de tipo aplastamiento con las excepciones descritas en la Sección E6 o en Sección J1.10.

B. Aplicaciones de tracción o combinación de corte y tracción, solamente para pernos del Grupo A, donde la pérdida o fatiga causada por vibración o fluctuaciones de la carga no se consideran en el diseño.

La condición de apriete ajustado (snug-tight) se define como el ajuste necesario para llevar los elementos conectados a un contacto firme. Los pernos apretados a una condición de contacto diferente deberán ser claramente identificados en los planos de diseño.

Todos los pernos de alta resistencia que se especifiquen en los planos de diseño para ser usados en juntas pretensionadas o de deslizamiento crítico deben ser ajustados de tal forma que resistan una tracción no menor que las presentadas en la Tabla J3.1M. La instalación debe ser realizada por cualquiera de los métodos siguientes: • Método del giro de la tuerca • Indicador de tracción directa • Pernos de tensión controlada por giro • Llave calibrada • Algún diseño alternativo de los pernos

Tabla J3.1M Pretensión mínima de pernos (t)* Tamaño del perno (mm) M16 M20 M22 M24 M27 M30 M36

Grupo A (ej. pernos A325M) 9,28 14,48 17,94 20,90 27,22 33,23 48,42

Grupo B (ej. pernos A490M) 11,62 18,25 22,53 26,20 34,05 41,59 60,65

* Igual a 0,70 veces la resistencia última de los pernos, redondeada al valor entero más cercano, tal como lo señalan las especificaciones ASTM para pernos A325 y A490 con hilo UNC.

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En conexiones de deslizamiento crítico, cuando la dirección de la carga está en la dirección del borde de una parte conectada, se debe proveer una adecuada resistencia de aplastamiento basada en los requisitos aplicables de la Sección J3.10.

Cuando los requisitos para pernos no se pueden entregar de acuerdo con las limitaciones de la Especificación RCSC, debido a que los requisitos de longitud exceden de 12 diámetros o los diámetros exceden los 38 mm, se permite utilizar pernos o barras roscadas de material conforme al Grupo A o al Grupo B, de acuerdo con las disposiciones para partes roscadas en la Tabla J3.2.

Cuando se utilizan pernos o barras roscadas de material ASTM A354 Gr. BC, A354 Gr. BD, o A449 en conexiones de deslizamiento crítico, la geometría del perno –incluyendo la cabeza y la(s) tuerca(s)– debe ser igual o proporcional (si son mayores en diámetro) a las de los pernos ASTM A325 o A490. La instalación debe cumplir con los requisitos establecidos por la Especificación RCSC con modificaciones según lo requiera para el diámetro aumentado y/o la longitud para proveer la pretensión de diseño.

Tabla J3.2 Tensión nominal de conectores y partes roscadas, kgf/cm2 (MPa)

Descriptor del conector Pernos A307 Grupo A (ej. pernos A325), cuando la rosca no está excluida en el plano de corte Grupo A (ej. pernos A325), cuando la rosca está excluida en el plano de corte Grupo B (ej. pernos A490), cuando la rosca no está excluida en el plano de corte Grupo B (ej. pernos A490), cuando la rosca está excluida en el plano de corte Partes roscadas que cumplen los requisitos de la Sección A3.4, cuando la rosca no está excluida en el plano de corte Partes roscadas que cumplen los requisitos de la Sección A3.4, cuando la rosca está excluida en el plano de corte

3160 (310) [c]

Tensión de corte nominal en conexiones de tipo aplastamiento, Fnt' kgf/cm2 (MPa) 1900 (188) [b][c][d]

6320 (620)

3800 (372) [b]

6320 (620)

4780 (469) [b]

7950 (780)

4780 (469) [b]

7950 (780)

5900 (579) [b]

0,75Fu

0,450Fu [b]

0,75Fu

0,563Fu [b]

Tensión de tracción nominal Fnt' kgf/cm2 (MPa) [a]

[a] Para pernos de alta resistencia sujetos a fatiga por cargas de tracción, ver Anexo 3. [b] Para conexiones en los extremos con un patrón de conectores con una longitud mayor a 38 in. (965 mm), Fnv debe ser reducido a un 83,3 % de los valores tabulados. La longitud del patrón de conectores es la máxima distancia paralela a la línea de fuerzas entre la línea central de los pernos que conectan dos partes con una superficie de apriete. [c] Para pernos A307 los valores tabulados deben ser reducidos por 1 % para cada 2 mm sobre 5 diámetros de longitud en el agarre. [d] Rosca permitida en los planos de corte.

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conexiones de tipo aplastamiento. Se deben instalar arandelas o golillas endurecidas en la pieza exterior cuando se trata de perforaciones sobremedidas.

Se permiten perforaciones de ranura corta en cualquiera a todas las piezas de conexiones de deslizamiento crítico o de tipo aplastamiento. Se admiten las ranuras sin consideración de la dirección de carga en conexiones de deslizamiento crítico, pero en conexiones tipo aplastamiento la longitud debe ser normal a la dirección de carga. Las arandelas o golillas deben ser instaladas sobre las perforaciones de ranura corta en la pieza exterior. Estas arandelas o golillas deben ser endurecidas cuando se utilizan pernos de alta resistencia para cumplir con la norma ASTM F436.

Cuando pernos Grupo B sobre 1 pulgada (25 mm) de diámetro son usados en perforaciones de ranura o sobremedidas en piezas exteriores, una única arandela endurecida conforme a la ASTM F436 –con la excepción de que 5/16 pulgadas (8 mm) sea el espesor mínimo– deberá ser empleada en vez de la arandela estándar.

Se permiten perforaciones de ranura larga solamente en una de las partes pernadas tanto de conexión de deslizamiento crítico o de tipo aplastamiento, como en una superficie de contacto individual.

2. Tamaño y uso de las perforaciones Los tamaños máximos de perforaciones para pernos se entregan en la Tabla J3.3M, excepto en el caso de los detalles de plancha de bases de columnas, en los cuales se permiten perforaciones más grandes, pues se requiere una mayor tolerancia para la ubicación de los pernos de anclaje en las fundaciones de concreto.

Se deben proveer perforaciones estándar o de ranura corta transversal a la dirección de la carga, de acuerdo con las disposiciones de esta regulación, a menos de que el ingeniero estructural responsable del proyecto apruebe perforaciones sobremedidas, de ranura corta paralelo a la dirección de carga o de ranura larga. Se permiten cuñas ranuradas de hasta 6 mm en conexiones de deslizamiento crítico, diseñadas en la base de perforaciones estándar sin reducir la resistencia de corte nominal del perno, por aquel especificado para perforaciones ranuradas.

Se permiten perforaciones sobremedidas en cualquiera o todas las piezas de conexiones de deslizamiento crítico; sin embargo, estas no deben ser utilizadas en

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Se permiten perforaciones de ranura larga sin consideración de la dirección de carga en conexiones de deslizamiento crítico, pero deben ser perpendiculares a la dirección de carga en conexiones de tipo aplastamiento. Cuando se utilizan perforaciones de ranura larga en una pieza exterior, se debe proveer de planchas de ajuste (lainas) o una barra continua con perforaciones estándar que tenga un tamaño suficiente para cubrir completamente la ranura después de la instalación.

En conexiones con pernos de alta resistencia, tales planchas de ajuste o barras continuas deben tener un espesor no menor que 8 mm y deben ser de un material con grado estructural, no necesariamente endurecidos. Cuando se necesiten arandelas o golillas endurecidas para ser utilizadas en pernos de alta resistencia, estas deben ser ubicadas sobre la superficie exterior de la plancha de ajuste o barra.

Tabla J3.3M Dimensiones de perforación nominal (mm) Dimensiones de perforación Diámetro del perno

Estándar (diámetro)

Sobretamaño (diámetro)

Ranura corta (ancho x largo)

Ranura larga (ancho x largo)

M16

18

20

18 x 22

18 x 40

M20 M22 M24 M27 M30 ≥ M36

22 24 27 [a] 30 33 d+3

24 28 30 35 38 d+8

22 x 26 24 x 30 27 x 32 30 x 37 33 x 40 (d + 3) x (d + 10)

22 x 50 24 x 55 27 x 60 30 x 67 33 x 75 (d + 3) x (d + 10)

3. Espaciamiento mínimo La distancia entre centros de perforaciones estándar, sobremedidas o ranuradas, no debe ser menor que 2-2/3 veces el diámetro nominal (d) del conector; se recomienda una distancia de 3d.

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4. Distancia mínima al borde La distancia desde el centro de una perforación estándar hasta el borde de una parte conectada en cualquier dirección no debe ser menor que el valor aplicable de la Tabla J3.4M o el requerido en la Sección J3.10. La distancia desde el centro de una perforación sobredimensionada o ranurada hasta el borde de una parte conectada no debe ser menor que la requerida por una perforación estándar hasta el borde de una parte conectada más el incremento aplicable C2 que se obtiene de la Tabla J3.5M. Tabla J3.4M Distancia mínima al borde [a] (mm) desde el centro del agujero estándar [b] hasta el borde de la parte conectada Diámetro del perno (mm) 16 20 22 24 27 30 36 Sobre 36

En bordes laminados de planchas, perfiles o barras, o en bordes por corte térmico [c] 22 26 28 30 34 38 46 1,25d

[a] De ser necesario, se permiten utilizar distancias de borde menores que cumplen con las disposiciones de la Sección J3.10 y de la Sección J4. Sin embargo, las distancias al borde menores que 1 diámetro del perno no son permitidas sin aprobación del ingeniero a cargo. [b] Para agujeros sobredimensionados y ranurados, ver la Tabla J3.5M.

Tabla J3.5M Valores del incremento de distancia de borde C2' (mm) Diámetro Agujero nominal del sobredimensionado conector (mm) ≤ 22 24 ≥ 27

2 3 3

Agujeros ranurados Eje largo perpendicular al borde Eje largo paralelo al borde Ranura corta Ranura larga [a] 3 3 0,75 d 0 5

[a] Cuando la longitud de la ranura es menor que el máximo admisible (ver Tabla J3.3M), se permite que C2 sea reducido a la mitad de la diferencia entre las longitudes de ranura máxima y actual.

5. Distancias a los bordes y espaciamiento máximo La distancia máxima desde el centro de cualquier perno o remache hasta el borde más cercano de las partes en contacto debe ser 12 veces el espesor de la parte conectada bajo consideración, pero no debe exceder los 150 mm. El espaciamiento longitudinal de los conectores entre elementos en contacto continuo consistentes de un perfil o dos planchas debe ser el siguiente: A. Para miembros pintados o sin pintar no sujetos a corrosión, el espaciamiento no debe exceder de 24 veces el espesor de la plancha más delgada o 305 mm.

B. Para miembros sin pintar de acero de alta resistencia a la corrosión atmosférica, el espaciamiento no debe exceder 14 veces el espesor de la plancha más delgada o 180 mm.

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6. Resistencia de tracción y corte de pernos y partes enroscadas La resistencia de diseño de tracción y de corte (ΦRn) y la resistencia admisible de tracción y de corte (Rn/Ω) de un perno de alta resistencia con apriete ajustado (snug-tight), pretensionado o de una parte roscada debe ser determinada de acuerdo con los estados límites de ruptura en tracción y ruptura en corte como se indica a continuación: Rn = FnAb Φ = 0,75 (LRFD)

Ω = 2,00 (ASD)

Fnt’ = 1,3 Fnt -

Fnt frv ≤ Fnt (LRFD) Ω Fnv

(Ecuación J3-3a) Fnt’ = 1,3 Fnt -

Ω Fnt frv ≤ Fnt (ASD) Fnv

(Ecuación J3-3b)

Fnt = tensión de tracción nominal según la Tabla J3.2, kgf/cm2 (MPa).

Fnv = tensión de corte nominal según la Tabla J3.2, kgf/cm2 (MPa).

(Ecuación J3-1)

frv = tensión requerida de corte, kgf/cm2 (MPa).

Donde…

Fn = tensión de tracción nominal (Fnt) o tensión de corte nominal (Fnv) según la Tabla J3.2, kgf/cm2 (MPa).

Ab = área bruta del perno o parte roscada cm2 (mm2) (para barras con extremos ensanchados, ver nota al pie [d], Tabla J3.2).

La resistencia requerida de tracción debe incluir cualquier tracción resultante por la acción de palanca producida por la deformación de las partes conectadas.

7. Combinación de tracción y corte en conexiones tipo aplastamiento

8. Pernos de alta resistencia en conexiones de deslizamiento crítico Las conexiones de deslizamiento crítico deben ser diseñadas para prevenir el deslizamiento y para satisfacer los estados límite en conexiones de tipo aplastamiento cuando los pernos de deslizamiento crítico pasen a través de rellenos. Todas las superficies sujetas al deslizamiento deben estar preparadas para alcanzar la resistencia de deslizamiento.

La resistencia disponible de tracción de un perno solicitado por una combinación de tracción y corte se debe determinar de acuerdo con los estados límites de rotura en tracción y en corte así:

La resistencia de deslizamiento disponible,

Rn = Fnt’Ab

A. Para perforaciones de tamaño estándar y de ranura corta perpendiculares a la dirección de la carga:

Φ = 0,75 (LRFD) Ω = 2,00 (ASD) (Ecuación J3-2)

Donde…

Fnt’= tensión de tracción nominal modificada para incluir los efectos de la tensión de corte, kgf/cm2 (MPa).

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La resistencia disponible de corte del conector debe ser igual o mayor que la tensión requerida de corte, frv.

Rn = μDuhfTbns (Ecuación J3-4)

Φ = 1,00 (LRFD) Ω = 1,50 (ASD)

B. Para perforaciones sobredimensionadas y de ranura corta paralelos a la dirección de la carga:

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Φ = 0,85 (LRFD) Ω = 1,76 (ASD)

(ii) Cuando los pernos no han sido agregados para distribuir la carga en el relleno:

C. Para perforaciones de ranura larga: Φ = 0,70 (LRFD) Ω = 2,14 (ASD)

• Para un relleno entre las partes conectadas: hf = 1,00

Donde… μ = coeficiente de deslizamiento promedio para superficies Clase A o B, cuando sea aplicable, determinado como sigue o mediante ensayos. (i) Para superficies Clase A (superficies de acero sin pintar, limpias, con escamas de fábrica o superficies con baño Clase A en acero limpiado a chorro de arena y galvanizada en caliente y superficies rugosas): μ = 0,30

(ii) Para superficies Clase B (superficies de acero sin pintar, limpiadas mediante chorro de arena o superficies con baño Clase B en acero limpiado mediante chorro de arena):

• Para dos o más rellenos entre las partes conectadas: hf = 0,85

ns = número de planos de deslizamiento.

9. Combinación de tracción y corte en conexiones de deslizamiento crítico Cuando una conexión de deslizamiento crítico es solicitada por una tracción que disminuye la fuerza de apriete neta, la resistencia de deslizamiento disponible por perno, de la Sección J3.8, debe ser multiplicada por el factor, ksc, como se muestra a continuación:

μ = 0,50

KSC = 1 -

Du = 1,13; multiplicador que refleja la razón entre la pretensión media del perno instalado y la pretensión mínima especificada del perno. El uso de otros valores pueden ser aprobados por el ingeniero estructural responsable del proyecto.

Tu (LRFD) Du Tb nb

(Ecuación J3-5a) KSC = 1 -

1,5Tu Du Tb nb

(ASD)

(Ecuación J3-5a)

Tb = tracción mínima del conector entregada en la Tabla J3.1, T (kN).

Donde...

hf = factor por rellenos, determinado según se indica a continuación:

Ta = carga de tracción requerida debida a las combinaciones de carga ASD, T (kN).

(i) Cuando los pernos han sido agregados para distribuir cargas en el relleno:

Tu = carga de tracción requerida debida a las combinaciones de carga LRFD, T (kN).

hf = 1,00

nb = número de pernos que transmiten la tracción aplicada.

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10. Resistencia de aplastamiento de perforaciones de pernos La resistencia de aplastamiento disponible, ΦR n o R n/Ω, en perforaciones de pernos debe ser determinada para el estado límite de aplastamiento como se muestra a continuación: Φ = 0,75 (LRFD)

Rn = 1,5 lctFu ≤ 3,0 dtFu (Ecuación J3-6b)

B. Para un perno en una conexión con perforaciones de ranura larga con la ranura perpendicular a la dirección de la fuerza: Rn = 1,0 lctFu ≤ 2,0 dtFu

Ω = 2,00 (ASD)

(Ecuación J3-6c)

La resistencia nominal de aplastamiento del material conectado (R n) está determinada como sigue: A. Para un perno en una conexión con perforaciones estándar, sobremedidas y de ranura corta, independiente de la dirección de carga, o en perforaciones de ranura larga con la ranura paralela a la dirección de la fuerza de aplastamiento: (i) Cuando la deformación en la perforación del perno bajo cargas de servicio se considera en el diseño: Rn = 1,2 lctFu ≤ 2,4 dtFu (Ecuación J3-6a)

C. Para conexiones hechas utilizando pernos que pasan completamente a través de miembros cajón no atiesados o perfiles tubulares, ver la Sección J7 y la Ecuación J7-1.

Donde…

Fu = resistencia última mínima especificada del material conectado, kgf/cm2 (MPa).

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La resistencia de aplastamiento debe ser revisada tanto para las conexiones de tipo aplastamiento como para las de deslizamiento crítico. El uso de perforaciones sobremedidas y perforaciones de ranura corta y larga paralelos a la línea de carga se restringe a conexiones de deslizamiento crítico, según se indica en la Sección J3.2.

11. Conectores especiales La resistencia nominal de conectores especiales distintos a los pernos presentados en la Tabla J3.2 debe ser verificada mediante ensayos.

12. Conectores de tracción Cuando pernos u otros conectores son conectados a cajones no atiesados o a la pared de perfiles tubulares, la resistencia de la pared debe ser determinada mediante análisis estructural.

d = diámetro nominal del perno, cm (mm).

Nota:

lc = distancia libre, en la dirección de la carga, entre el borde de la perforación y el borde de la perforación adyacente o borde del material, cm (mm). t = espesor del material conectado, cm (mm).

(ii) Cuando la deformación en la perforación del perno bajo cargas de servicio no se considera en el diseño:

de las resistencias de aplastamiento de los pernos individuales.

La resistencia al aplastamiento de las conexiones debe ser tomada como la suma

Esta publicación –traducida al español por la Asociación Latinoamericana del Acero (Alacero)– ha sido preparada de acuerdo con principios de ingeniería y para uso general. Mientras que se considera exacta, esta información no debe ser aplicada sin el examen profesional competente y la verificación de su exactitud, adecuación y aplicabilidad por parte de un ingeniero, diseñador o arquitecto debidamente certificado.

Para consultar la norma completa, ingrese a www.construccionenacero.com.

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