Uniones metalicas

Máster Internacional de Estructuras Metálicas y Mixtas en Edificación Recorrido Americano

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B1 Principios básicos T3 Uniones P1

Introducción

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Máster Internacional de Estruct uras Metálicas y Mixtas en Edificación B1 Principios básicos T3

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. Clasificación de l as uniones y aspecto s generales ........................................................ 3 1.1.

Uniones según su rigidez........................................................................................... 3

1.2.

Curva momento-rotación ........................................................................................... 8

1.3.

Uniones según su resistencia .................................................................................... 9

2. Generalidades del comportamiento estructural del modelo y las uniones ................. 11 2.1.

Métodos de análisis global....................................................................................... 11

2.2.

Aspectos normativos ............................................................................................... 15

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No se permite un uso comercial. No se permite copiar, distribuir, exhibir, ejecutar el trabajo y realizar otros trabajos derivados del mismo con propósitos comerciales. Siempre se debe reconocer y citar al autor original, previa autorización escrita.


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1. Clasificación de las uniones y aspectos generales Las uniones se pueden clasificar en función de:

1.1. Uniones según s u rigidez Cuando se clasifica una unión según su rigidez se valora la posibilidad de que se produzcan giros relativos entre las barras unidas, es decir que exista una variación en el ángulo inicial entre dichas barras. Se podrá establecer la rigidez de una unión mediante ensayos o a partir de experiencia previa contrastada, aunque en general deberá calcularse a partir de la flexibilidad de sus componentes básicos, determinada mediante ensayos previos. Existen los siguientes tipos de uniones según su rigidez:

Uniones articul adas Una unión articulada permite el giro libre entre las barras que confluyen a la unión. En este tipo de uniones pueden existir momentos cuyo valor no es apreciable. Es decir, son uniones que sólo están pensadas para transmitir fuerzas y no momentos. En estructura metálicas es común realizar uniones articuladas ya sea utilizando soldadura o tornillos. Si se utilizan tornillos la rigidez a flexión casi nula de la unión se logra utilizando angulares o pletinas, mientras que si se utiliza soldadura ésta sólo se dispone en la parte del perfil que se supone resiste la mayor cantidad de cortante. Las siguientes figuras ilustran los dos tipos de uniones articuladas mencionadas anteriormente.


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Video 1.1 Unión viga – pilar articu lada utilizando un a pletina

Video 1.2 Unión viga – pilar articu lada utilizando sol dadura

Este tipo de unión puede utilizarse en el análisis global de la estructura suponiendo que su rigidez a flexión es nula.


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Uniones rígidas En una unión rígida una vez la estructura entra en carga, ésta se deforma y el ángulo inicial entre las barras que se unen es el mismo que al inicio de la deformación. Este tipo de unión es capaz de transmitir fuerzas y momentos. En este tipo de uniones su deformación (movimientos relativos entre los extremos de las piezas que unen) no tiene una influencia significativa sobre la distribución de esfuerzos en la estructura ni sobre su deformación global. Deben ser capaces de transmitir las fuerzas y momentos obtenidos en el cálculo. La siguiente figura ilustra un ejemplo de unión rígida viga – pilar utilizada en estructura metálica.

Figura 1.1 Unión vi ga – pilar rígid a

Este tipo de unión puede utilizarse en el análisis global de la estructura sin que sea necesario conocer características que definan el comportamiento de la misma.


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Uniones semirrígidas Este tipo de unión como puede intuirse, es aquella que no puede considerarse articulada o completamente rígida. La unión semirrígida permite el giro relativo entre las barras que se unen y desarrollan fuerzas y momentos para contrarrestar las acciones que sobre ellas inducen las barras que se unen. El comportamiento perfectamente rígido o articulado (giro totalmente libre), son condiciones ideales a las que sólo es posible acercarse, pero que nunca se logran. Para los casos intermedios entre el empotramiento y la articulación, el momento transmitido por la unión depende de la diferencia entre los giros absolutos de los elementos conectados. Es este comportamiento el que proporciona el nombre a la unión. Para el estudio de las uniones semirrígidas, es esencial conocer de forma exacta su comportamiento. Dicho comportamiento se conoce encontrando la curva momento – rotación de una unión. La curva momento- rotación de una unión se determina de manera experimental y posteriormente aplicando expresiones analíticas, dicho procedimiento queda por fuera del alcance de este curso.

Nota de autor, Independientemente de la dificultad que trae consigo la utilización de uniones semirrígidas, su estudio ha permitido establecer de manera clara y cuantificable lo que se puede considerar como una unión articulada o rígida que hasta ahora quedaban definidas por criterios poco precisos.

Tal como se ha mencionado, si se desea construir una estructura utilizando uniones semirrígidas es necesario para el análisis global de la misma, conocer el grado de rigidez de esta unión. Conocer el grado de rigidez de una unión semirrígida no es algo trivial y sólo es posible mediante ensayos de laboratorio o mediante el uso de software que permitan encontrar la curva momento – rotación de la unión, es por eso que hasta el momento lo usual siempre ha sido tratar a las uniones como articuladas o rígidas, debido a la dificultad que © Zigurat Consultoría de Formación Técnica S.L.

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entraña caracterizar el comportamiento de la unión semirrigida y considerar su influencia sobre la estructura en el análisis de la misma. La curva momento–rotación es propi a de cada unión y permiten representar gráficamente en un sistema de coordenadas, los pares de valores M- Φ correspondientes a diferentes solicitaciones a los que se somete la unión. La siguiente figura ilustra un esquema de un diagrama momento – rotación.

M

Figura 1.2 Diagrama momento – rot ación

Las curvas momento – rotación no son lineales, pero pueden sustituirse por unas más sencillas que cuenten con una forma lineal.


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1.2. Curva momento-rotació n Cualquier curva momento – rotación queda definida por los siguientes parámetros:



Momento resistente de cálculo de la unión, M Rd: es el valor máximo momento del

diagrama. 

Rigidez S j: se adopta como la pendiente de la curva momento – rotación correspondiente

al momento solicitación, M sd . La pendiente dependerá de si el diagrama simplificado es bilineal o trilineal.

Sj

=

Msd φ



Siendo Msd < MRd

Capacidad de rotación de cálculo, Φ cd : es el giro máximo producido por el momento

resistente de cálculo de la unión, MRd. Si se traza el diagrama momento rotación para una unión perfectamente articulada o rígida, coincidirán con las rectas OB y OA respectivamente mostradas en la figura 1.5

Figura 1.3 Diagrama momento – rotación p ara una uniones perfectamente articuladas y rígidas


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1.3. Uniones según s u resistencia Cuando se clasifica una unión según su resistencia, se tiene en cuenta la resistencia de la unión respecto a los elementos unidos . Existen los siguientes tipos de uniones según su resistencia:

Nominalmente articul adas Son aquellas capaces de transmitir los esfuerzos obtenidos en el análisis global de la estructura y su resistencia de cálculo a flexión no es mayor de la cuarta parte del momento resistente plástico de cálculo de la pieza de menor resistencia unida y siempre que exista una capacidad de giro suficiente para permitir que en la estructura se formen todas las rótulas plásticas necesarias en el modelo de análisis adoptado bajo las cargas consideradas.

Totalmente resistentes (o de resist encia completa) Su resistencia es mayor o igual que la de los elementos que conecta. Si en una unión con resistencia completa la relación entre su momento resistente, M j.Rd, y el momento resistente plástico, Mpl.Rd, de la menor de las barras que conecta, es superior a 1,20, no es necesario considerar la capacidad de rotación de la unión.


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Parcialmente resistentes Su resistencia es menor que la de los elementos unidos, aunque debe ser capaz de transmitir las fuerzas y momentos determinados en el análisis global de la estructura. La rigidez de estas uniones debe ser suficiente para evitar que se supere la capacidad de rotación de las rótulas plásticas que se deban formar en la estructura bajo las cargas consideradas. Si se requieren rótulas plásticas en las uniones parcialmente resistentes, éstas deben tener capacidad de rotación suficiente para permitir la formación en la estructura de todas las rótulas plásticas necesarias.

Nota de autor, Cuando en el análisis global de la estructura se supone la formación de rótulas plásticas, debe verificarse que el giro necesario para que se forme la rótula, no supere la capacidad de giro de la unión obtenida experimentalmente o por medio de un software. Los criterios para realizar dicha verificación queda fuera de este curso.


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2. Generalidades del comportamiento estructural del modelo y las uniones 2.1. Métodos de análisis global A continuación, se mencionaran aspectos fundamentales que deben tenerse en cuenta en el modelo de cálculo de las uniones entre elementos. Para representar el enlace entre dos o más piezas se requieren modelos que representen adecuadamente la geometría (las posiciones de los extremos de las piezas unidas), y la resistencia y rigidez de la unión (de los elementos y regiones locales de las piezas que materializan el enlace). Tal como se estudio en la unidad anterior, en función de la resistencia, las uniones pueden ser: articulaciones, de resistencia total o d e resist encia parcial . Hay que recordar también que dependiendo de la rigidez de las uniones, éstas pueden ser

articuladas, rígidas o semirrígidas , según su rigidez a rotación sea nula, total o intermedia. El proyectista deberá adoptar las disposiciones necesarias para clasificar la unión como articulada –permitiendo rotaciones apreciables sin la aparición de momentos relevantes - o rígida – asegurando mediante rigidización suficiente la rotación conjunta de todas las secciones extremas de los elementos del nudo-, o para considerar la rigidez parcial de la unión en los modelos empleados en el análisis. Los métodos de análisis global utilizados y las hipótesis adoptadas respecto al comportamiento de las uniones deben ser coherentes. En particular:


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•

Cuando se realice un análisis global elástico y existan nudos de comportamiento semirrígido, se considerará el comportamiento de la unión en función de su rigidez . Debe tomarse, en general, la rigidez, S j, correspondiente al momento de cálculo M j.Sd en cada situación. Como simplificación: - si M j,Sd ≤ 2/3 M j,Rd , donde M j,Rd es la resistencia de cálculo de la unión, se podrá usar la rigidez inicial del nudo S j, ini (figura 2.1).

Figura 2.1 Curva mom ento – rotación de la unión

- Si M j,Sd > 2/3 M j,Rd, se podrá usar el valor S j, ini / η Donde: −

η = 2 para uniones viga -pilar.

−

η = 3 para otro tipo de unión .


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Cuando se realice un análisis global elastoplástico se debe considerar el comportamiento de la unión según su resistencia y rigidez . En este caso se podrá adoptar un diagrama bilineal simplificado como el indicado en la figura 2.2 para modelar el comportamiento de la unión.

Figura 2.2 Modelo simplifi cado de la curva momento – rotació n de la unión


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Cuando se realice un análisis global rígido-plástico , para modelar el comportamiento de las uniones bastará considerar su resistencia.

Las uniones semirrígidas entre cada dos barras (figura 2.3.a) se podrán modelar como un resorte que une los ejes de las barras que concurren en el nudo (figura 2.3.b).

Video 2.1 a y b. Unión entre dos barras y mo delo de cálculo de dich o nudo


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2.2. Aspectos normativos En el capítulo B3.6 AISC-360, se realiza una breve introducción de los aspectos que afectan al diseño global de la estructura relativo a las conexiones. Encontramos la definición de las uniones Simples (Articuladas) y las uniones a Momento. Las uniones a momento se dividen en dos grupos, en función de su restricción: •

FR Conexiones a m omento, Completamente Restringi das (Fully r estrained)

Transmite momento con una rotación negligible. En el análisis se puede suponer que no permite rotación relativa. Así, una conexión FR deberá disponer de suficiente rigidez como para transmitir el momento y mantener el ángulo entre los miembros conectados

•

PR Conexiones a momento, Parcialmente Restringidas (Partially restrained)

Transmite momento pero la rotación no puede ser despreciada. En el análisis global de la estructura deberá tenerse en cuenta la relación fuerza-deformación. El capítulo J de la AISC-360 está dedicado a las conexiones apernadas y soldadas. Se irán comendo los artículos más relevantes a lo largo de este tema.

En el siguiente capítulo K, está dedicado a las conexiones de perfiles tubulares. Haremos referencia a este capítulo en el bloque 2, cuando tratemos el cálculo de celosías.


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