FILIAL ANDAHUAYLAS ANDAHUAYLAS
Año de la Integración Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad TRAA!" #"N"$RAFI%" S"R& '&RN"S Y S"LDADURAS S"LDADURAS Facultad:
INGENIERIA Y ARQUITECTURA
Carrer Carreraa prof profesi esiona onal:l: INGENI INGENIERI ERIA A CIVI CIVILL Ciclo:
VII
Materia:
I!E"# E ACER# Y MAERA
ocente:
In$% &ACINT# VENEGA!
Alu'no:
A(EL MATUTE RAMIRE)
Codi$o:
*++,-.//*0
Andahuaylas, Diciembre del 2012
'&RN"S D&FINI%I"N( El perno o espárrago es una pieza metálica larga de sección constante cilíndrica, normalmente hecha de acero o hierro. Está relacionada con el tornillo pero tiene un extremo de cabeza redonda, una parte lisa, y otro extremo roscado para la chaveta, tuerca, o remache, y se usa para sujetar piezas en una estructura, por lo general de gran volumen
R&SU#&N Las conexiones de elementos estructurales son de suma importancia en el comportamiento general de una estructura; el conocimiento básico de pernos hace ue sea necesario previamente al cálculo de juntas empernadas. Las especi!caciones "#$%, &'#', son l as ue rigen los pernos de alta resistencia. (erno, arandela y tuerca en conjunto, están especi!cados dentro de los códigos emitidos por ")#', &'#', los cuales, a partir de estudios previos han demostrado ser la normativa adecuada para usarse como guía de dise*o al momento de reuerir juntas empernadas
#AR%" T&"RI%" ) R&SIST&N%IA A LA T&NSI*N(
Los pernos "+- poseen una resistencia mínima a la tensión de / 0si para diámetros de 1i 2 pulgada, y de /- 0si para diámetros de 342 5 pulgadas de diámetro. El perno "56/ tiene una resistencia mínima a la tensión entre -/ a 7/ 0si para diámetros de a 5 pulgadas.
+
TI'"S D& '&RN"S D& ALTA R&SIST&N%IA( Los pernos de alta
resistencia de acuerdo a su clasi!cación metal8rgica están divididos en dos grupos, el grupo cubre aceros al medio carbono para el perno "+-, y para acero de baja aleación para el perno "56/. El tipo o grupo + cubre las especi!caciones de pernos de alta resistencia, los cuales han sido mejorados para resistir la corrosión atmos9:rica, los pernos del tipo + se di9erencian del tipo en la línea ue se encuentra subrayando la especi!cación "#$% del perno en la cabeza hexagonal del mismo, como se
indica en la !gura . Los pernos del tipo han sido removidos de las especi!caciones &'#', los cuales aparecen en ediciones anteriores de dichas especi!caciones &'#' //5<.
=igura >omenclatura en cabeza de pernos "#$% "+- y "56/ seg8n tipo
,
TU&R%AS( Las tuercas ue se utilizan conjuntamente con los tornillos
de alta resistencia están bajo la normativa "#$% "-?+ grado ' para los pernos "+-, mientras ue la tuerca #$% " -?+ grado @A es la recomendada a usarse con los pernos "56/, de igual manera ue los pernos existen tuercas tipo y +.
=igura + $uerca "#$% "-?+ @A
-
ARAND&LAS( El tipo de arandelas ue se utilizan en conjunto con los
pernos de alta resistencia están bajo la especi!cación "#$% =5+?, y su 9unción 9undamental es la de aportar una super!cie endurecida no abrasiva bajo la cabeza del tornillo o la tuerca de trabajo pesado. Las arandelas tienen la !nalidad de proteger la super!cie exterior del material juntado a !n de evitar las consecuencias de desgaste de este material por el giro de la tuerca en la instalación con el perno, además para ayudar a optimizar la 9uerza de sujeción en la instalación del perno y para proporcionar super!cies de dureza consistentes. 1inna0ota //?, Bula0 //<.
Las dimensiones de pernos, arandelas y tuercas de alta resistencia están estandarizadas y normadas de acuerdo a &'#'. Estas dimensiones se las encuentra en la tabla '2. del &'#' //5, la misma ue se reproduce a continuación en la tabla .
TALA ) DI#&NSI"N&S &ST.NDAR&S D& '&RN"S Y TU&R%AS @iámetro
@imensiones de (ernos Estructurales de 'abeza Aexagonal (esada >ominal "ncho a "ltura Longitud del trav:s de A, &oscada
@imensiones de $uercas Aexagonales (esadas "ncho a trav:s de
"ltura A, pig.
(erno db, cara plana in. =, (C62 3 734 -34 3? +35 35 734 73? -34 34 +3? 35 +34 +3? 3 +34
pig2
$, pig.
-3? -3?5 -3+ +-3?5 +63?5 3? -3+ 73+ -3?
35 +34 3 +35 35 35
'ara plana D, pig2 734 3? 35 73? -34 +3? +3? +34
+3?5 +63?5 573?5 --3?5 ?+3?5 73?5 73+ 3+ -3+
L"N$ITUD R"S%ADA
Figura / Dimensiones est0ndares de 1ernos y tuercas de alta resistencia2 de acuerdo a la ta3la )
/
L"N$ITUD&S D& '&RN"S
La tabla 72- del L&=@% +th edición, establece las dimensiones de pernos de alta resistencia, tuercas y arandelas. La longitud del perno es la suma de las placas a unir grip<, más los espesores de las arandelas, más el valor dado en la tabla '2. del &'#' y por 8ltimo se redondea al siguiente valor de 1 " para longitudes de grip menores a -, e incrementos de 1F para pernos con grip mayores a - de longitud, L&=@% +th edición<. La tabla '2. del &'#' //5. #e reproduce a continuación como tabla .
Ta3la + Longitud a aumentar al gri1 de acuerdo al di0metro del 1erno
Di0metro 'ara Determinar Nominal del la Longitud 'erno d32 1ig4 re5uerida2 Añadir al $ri12 1ig4 3 -34 +35 734 34 35 +34
3? 734 34 35 3 -34 +35
3
734
Los pernos de alta resistencia deben ser elegidos de manera tal ue se asegure la respectiva junta, los pernos "+- y "56/ del tipo + son los escogidos para las conexiones de puentes, los cuales son los óptimos para contrarrestar las consecuencias de la corrosión. Gna vez establecidas las solicitaciones de dise*o, las cuales serán las responsables del dise*o de las juntas empernadas, se debe establecer, el tipo de perno a utilizar, su grado, su agujero de alojamiento, y el m:todo de instalación a utilizar. La precarga en pernos tiene la !nalidad de establecer, primeramente una resistencia de 9ricción en el grip, de tal 9orma ue cuando :sta ceda, entonces sí el perno y la junta entren en los estados límites de 9alla respectivos. Las conexiones de doble cortante hacen ue se consiga el doble de la resistencia a la 9ricción ue cuando se tiene una conexión de cortante simple. La dureza en los pernos de alta resistencia debe ser considerada, ya ue a una mayor dureza hace ue la ductilidad del perno disminuya, y por ende las consecuencias de una posible 9ractura pueden ser evidentes.
#6T"D"S D& %.L%UL" D& LAS UNI"N&S '"R '&RN"S
Las juntas o uniones por pernos o por remaches suelen tener di9erentes patrones y riesgos de 9alla para una misma condición de solicitación, por ejemplo en la =igura 5.+ se pueden observar tres tipos distintivos de 9alla en una unión por pernos remaches o tomillos<.
&otura $ractiva &otura por aplastamiento &otura por entre agujeros o tambi:n Hexión del perno @esgarramiento
Figura -4,4 Ti1os de 7alla caracter8sticos en una unión 1or 1ernos4
(or otro lado en la =igura 5.5 se pueden observar otros tipos de solicitación en las uniones por pernos. Existen diversas condiciones de operación para las piezas o elementos de máuina conectados por medio de remaches o tomillos, algunas 9ormas típicas de solicitación se han introducido a modo de ejemplo en las =iguras 5.+ y 5.5. #in embargo las uniones por remaches o tomillos suelen ser mayormente solicitadas por una de las siguientes situacionesI < < +< 5< -< ?< 7<
=alla por =lexión del perno tomillo o remache< =alla por 'orte (uro de los pernos tomillo o remache< =alla por tracción de las partes a unir =alla por aplastamiento a compresión del perno =alla por desgarramiento de la parte a unir =alla por e9ectos combinadosI 'orte (uro y 'orte $orsional =alla por e9ectos combinadosI 'orte y $racción
%AS" II9( FALLA '"R FL&:I*N D&L '&RN"
En la =igura 5.5 se puede apreciar el mecanismo de Hexión en el perno. (ara evitar la 9alla, por comportamiento Hexional exclusivamente se debe cumplir la siguiente relaciónI
#iendo ( la carga separatriz, L g la longitud de agarre del perno o del tornillo seg8n se aprecia en la =igura 5.-; c e ) son respectivamente la distancia a la sección más comprometida y el momento de inercia correspondiente, en tanto ue # JK es la tensión límite de Huencia de la parte más comprometida. $:ngase presente ue L g L,ML s.
%AS" )+9( FALLA '"R %"RT& 'UR" D& L"S '&RN"S En la =igura 5.?.a se muestra el e9ecto cortante sobre un perno. (ara evitar la 9alla por corte puro en un perno se debe cumplir la siguiente relaciónI
@onde r es la tensión de corte, ( la carga cortante, d c es el diámetro de la sección resistente, # sy y #y son la tensión de Huencia cortante y Huencia de experimento respectivamente
La expresión 5.< es una expresión para la veri!cación del estado tensional y de la cual puede surgir una expresión para el dimensionamiento de la junta. #in embargo cuando se tiene una junta a corte con más de una sección resistente, como en la =igura 5.?.b, el tipo de análisis di!ere de la expresión 5.<, debiendo e9ectuarse un estudio caso2dependiente. En este estudio no se puede hacer otra cosa más ue una veri!cación del estado
tensional en los pernos y en las placas o piezas ue se unen ver caso de Estudio >N 7<.
%AS" ),9( FALLA '"R TRA%%I*N D& LAS 'ART&S A UNIR En la =igura 5.7 se muestra el e9ecto tractivo sobre la unión ue en este caso está compuesta por dos pernos<. (ara evitar la 9alla en la línea de pernos se debe cumplir la relaciónI
donde eres la tensión de tracción, ( la carga, d c es el diámetro de los remaches o tomillos<, #yj es la tensión de Huencia del miembro más d:bil, hm y bm son el espesor y ancho del miembro más d:bil y > & el n8mero de remaches en la línea.
%AS" )-9( FALLA '"R A'LASTA#I&NT" A %"#'R&SI*N D&L '&RN" En la =igura 5.4.a se muestra el e9ecto aplastamiento por compresión en el perno junta<. (ara evitar la 9alla por aplastamiento se debe cumplir la siguiente relaciónI
donde eres la tensión de compresión, ( la carga actuante, d c es el diámetro del perno, #J j es la tensión de Huencia del miembro más d:bil, h m es el espesor o altura< del miembro más d:bil.
%AS" )/9( FALLA '"R D&S$ARRA#I&NT" D& LA 'ART& A UNIR En la =igura 5.4.b se muestra el e9ecto cortante de desgarramiento sobre la planchuela. (ara evitar esta 9alla por corte se debe cumplir la siguiente relaciónI
@onde r es la tensión de corte, ( la carga actuante, Lj es la longitud de desgarramiento de la sección resistente y h m es la altura o espesor de la planchuela, #sy y #y son la tensión de Huencia cortante y Huencia de experimento respectivamente
%AS" );9( FALLA '"R &F&%T"S %"#INAD"S( %"RT& 'UR" Y %"RT& T"RSI"NAL En la =igura 5.6 se puede ver un ejemplo gen:rico de placa plana remachada o atornillada a un bastidor de máuina o estructura. En los pernos de tal placa se generan es9uerzos cortantes de di9erente índole. Gnos debidos a la acción del corte puro y otro debido a la acción del corte por torsión. Las secciones resistentes de los tomillos pueden ser distintas o bien todas iguales lo cual simpli!ca mucho los modelos de cálculo. El cálculo de este tipo de uniones es en general de veri!cación tensional, para secciones resistentes de distinto tama*o y sólo de dimensionamiento siempre y cuando las secciones resistentes sean todas iguales. El modelo de análisis se basa en dos hipótesisI
%AS" )<9( FALLA '"R &F&%T"S %"#INAD"S( %"RT& Y TRA%%I*N En la =igura 5. se puede ver un ejemplo típico de m:nsula remachada o atornillada a un bastidor de máuina o estructura. En los pernos de la placa se generan es9uerzos cortantes y es9uerzos tractivos. Los es9uerzos cortantes se deben a la 9uerza resistente en el empotramiento, mientras ue las 9uerzas tractivas se originan por la de9ormación del zócalo de la m:nsula, causada por el momento Hector.
El caso ue se muestra en la =igura 5. es uno de índole elemental para poder !jar ideas. #e supone ue los pernos y están sometidos a un estado tensional cortante puro generado por = y cuyo valor esI
S"LDADURAS $&N&RALIDAD&S4
La soldadura es un proceso usado para conectar piezas de metal entre sí, mediante la aplicación de calor, ya sea con o sin presión. Estructuralmente se acepta el proceso por 9usión, ue es un m:todo para conectar piezas mediante metal 9undido. El m:todo consiste en someter un alambre o varilla especial, ue se denomina metal de aportación, a un calor intenso en su extremo, lo ue hace ue se 9unda, depositándose en el punto donde se desea hacer la conexión. Los materiales a unir, denominados metal base, tambi:n se 9unden localmente, se mezclan con el metal de aportación, y al en9riarse consolidan una unión rígida.
&n com1aración con las uniones em1ernadas las uniones soldadas o7recen varias venta=as2 las 5ue 1ueden ser resumidas como sigue( . %ayor simplicidad en el detallado. . %enor peso de los elementos, por dos razones principalesI a< #e reuieren menos platinas, cartelas, etc., para realizar la conexión, debido a ue las barras, usualmente se unen directamente unas con otras, b< En miembros solicitados por tensión no hay reducción por los huecos practicados para pernos o remaches. +. Los costos de 9abricación son en general menores, debido a ue hay menor trasiego de partes, y menos operaciones, tales como punzonado, rimado, taladrado, etc. 5. La soldadura permite hacer conexiones estancas, lo ue resulta de gran utilidad en la 9abricación de tanues, tuberías de conducción de líuidos, cascos de barcos, etc. -. Las conexiones soldadas ocupan menos espacio, y desde el punto de vista est:tico permiten soluciones más limpias ue las empernadas. ?. =acilitan la conexión entre elementos tales como tubos, vigas curvas, etc. 7. La soldadura 9acilita el re9orzamiento y la reparación de las estructuras ue reuieran estos procesos, sean originalmente soldadas o empernadas.
A su ve>2 la soldadura 1resenta algunas desventa=as( . La aplicación de la soldadura reuiere controles de calidad mucho más estrictos ue los necesarios en conexiones empernadas. La reparación de soldaduras ue presenten 9allas es complicada. . Los es9uerzos residuales producto del en9riamiento de las uniones soldadas, modi!can el comportamiento estructural de los elementos +. El proceso de en9riamiento puede inducir de9ormaciones considerables en los elementos conectados mediante soldadura.
muy
5. Las conexiones soldadas en obra han demostrado problemas de calidad más 9recuentes ue las soldaduras de taller. 'uando se reuiera aplicar soldaduras en obra, estas deben dise*arse muy cuidadosamente para garantizar un 9ácil acceso al sitio de la junta, una posición cómoda del
operario, en !n una condición 9avorable para la aplicación de la soldadura y para su control de la calidad.
'R"%&DI#I&NT"S 'ARA S"LDAR4 @e los varios procedimientos ue hay para soldar, el de arco el:ctrico es prácticamente el 8nico ue se usa en las estructuras de acero. 'onsiste en 9undir la barra del metal de aportación creando un arco el:ctrico o chispa por corto circuito entre la barra y las piezas a unir. El material 9undido debe aislarse de la atmós9era, pues de lo contrario los gases presentes en :sta se combinarán con los componentes del acero, generando impurezas y poros, los cuales disminuirán la resistencia de la conexión.
TI'"S D& S"LDAD"RAS4 En la conexión de elementos estructurales se usan + tipos de soldadurasI acanaladas, de !lete y de tapón o ranura. En la =ig. 5.6 pueden observarse estos tipos de soldaduras y sus variantesI a< soldaduras acanaladas de penetración total, en las cuales toda la sección transversal de la garganta ueda soldada, b< de penetración parcial, cuando solo un porcentaje de esa sección ueda soldado. d< y d< #oldaduras de !lete longitudinales y transversales, respectivamente, e< #oldaduras de ranura y de tapón.
DIS&?" D& LAS S"LDADURAS4 a< #oldaduras acanaladasI las soldaduras acanaladas de penetración completa pueden resistir tanto como la parte más d:bil en la conexión, siempre y cuando se cumpla una serie de reuisitos dentro de los cuales pueden estar uno o varios de los siguientesI la preparación de los bordes de las piezas a unir, conocido como biselado, el uso de placas de respaldo ue son platinas ubicadas en la cara opuesta a auella por la cual se aplica la soldadura, o bien, la aplicación de soldaduras por las dos caras, etc. (or su parte, las soldaduras acanaladas de penetración parcial se usan cuando las piezas a conectar estarán solicitadas por 9uerzas menores ue su resistencia.
Ejemplos de símbolos de soldadura, a< "plicar una soldadura de !lete de mm de tama*o, y longitud de // mm. "plicada por la cara donde apunta la Hecha, b< #oldar en obra por la cara indicada y por la opuesta a todo el rededor, c< #oldar con una garganta de - mm y con longitud da -/ mm por la cara opuesta a la ue indica la Hecha.
S"LDADURAS D& FIL&T&( Estas soldaduras son más 9áciles de hacer ue las acanaladas. La resistencia de este tipo de soldaduras por unidad de longitud del cordón, es igual al producto de la dimensión de la garganta e9ectiva de la soldadura, multiplicada por la longitud del cordón, y por la resistencia de dise*o ue aparece relacionada en la tabla 5.7. La dimensión de la garganta e9ectiva, t, se muestra en la =ig. 5.+. 'uando las caras por conectar están a 6/N como se muestra allí, se tendráI T @ 4<< D
Los electrodos se denominan con la letra E, seguida de 5 dígitos, por ejemplo E7/4; los dos primeros dígitos corresponden a la resistencia del material de aportación, en 0si, 0si F 7 %(a< y los dos 8ltimos a ciertas condiciones ue deben cumplirse al usar ese electrodo, tales como la posición, la polaridad de la corriente el:ctrica, etc. (ara el dise*ador son importantes los dos primeros dígitos, y por ello se denotan los electrodos como E7/xx , y la resistencia. (ara dise*ar una soldadura de !lete, se combinan tres variables, de modo de lograr una resistencia de dise*o igual o mayor ue la reuerida, a saberI la longitud del cordón, su tama*o, v:ase la =ig. 5.+<, y el tipo de electrodo. Es así como la resistencia de un cordón de soldadura de longitud O, tama*o @ y resistencia =EPP, para la resistencia de las soldaduras, v:ase en la tabla 5.7, soldaduras de !lete<, para soldaduras #%"D con electrodo revestido< o Q%"D, con alambre %)Q<, no para #"D, arco sumergido<, esI
(ara un electrodo E7/, con un =Rxx de 7/ 0si, esto es, 54/ %(a, un cordón de mm de longitud, o9recerá una resistencia de dise*o igual a - 0> por cada mm de tama*o. 'uando las soldaduras se hacen con el m:todo de arco sumergido, la penetración es mayor, además de lo cual, el cordón es más uni9orme ue con los m:todos manuales, por lo ue la norma permite trabajar con un valor de t mayor ue el dado por la ecuación 5.. 1:ase >#&264, tabla =.2 <.
"demás de los reuerimientos por resistencia, hay otras limitaciones para el tama*o de las soldaduras. Gna soldadura muy peue*a con respecto al tama*o de los elementos a unir se en9ria rápidamente, y al hacerlo la contracción ue se produce tambi:n en 9orma rápida puede generar grietas, debido a ue esta contracción se ve restringida por la alta rigidez relativa de los elementos unidos ue son mucho más gruesos. (or las razones expuestas, las >#&264 especi!can el tama*o mínimo de las soldaduras, tal como se presenta en la tabla 5.4, >#&264, tabla =.2-<. " su vez, las soldaduras no deben tener un tama*o mayor ue el menor de los espesores de las piezas ue unen. Estas y otras reglas ue deben contemplarse al dise*ar estas soldaduras, aparecen relacionadas en el artículo =../.. de las >#&264.
Ta3la -4< B Resistencia de diserto de soldaduras CRe74 )94
&!&#'L"S D& DIS&?" D& UNI"N&S S"LDADAS4 EOE%(LS.2 'alcular la resistencia de dise*o del elemento mostrado en la =ig. 5.6, suponiendo ue se trata de platinas de // x 6 mm, acero "2+?, y ue se usará electrodo E7/xx, ue es el compatible para este material, a< #i se
aplica soldadura de penetración completa, =ig. 5.6a. Tb< #i se aplica una soldadura de penetración parcial de menor tama*o, como en la =ig. 5.6b, pero aplicada por un solo lado.
a< #i se usa soldadura de penetración completa, una soldadura acanalada resiste lo mismo ue el elemento unido, siempre ue se use la soldadura compatible, y se cumplan los reuisitos exigidos por la norma, por lo tantoI
b< #oldadura de penetración parcialI en la =ig. 5.5 se aprecian en detalle las condiciones ue debe tener una junta como esta. @e acuerdo con la tabla =.2- de las >#&264, para platinas de 6 mm de espesor, el tama*o mínimo de la garganta e9ectiva debe ser ? mm, y seg8n la tabla =.2, el espesor de la garganta puede tomarse igual al tama*o del bisel, pues el ángulo de la raíz es ?/N. @e la tabla 5.7, la resistencia será el menor valor de la resistencia del elemento unido y la soldadura. La resistencia de dise*o del elemento es 5++ 0>, tal como se evaluó en a<; la de la soldadura, teniendo en cuenta ue =gxx es 56/ %(a, 7/ 0si<, seráI
(or lo tanto, la resistencia de dise*o será -/ 0>. #eg8n la tabla 5.7, podría usarse una soldadura con resistencia menor ue la compatible, por ejemplo E?/xx, en este caso, la resistencia de dise*o sería 6 0>.
