Uniones
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Estructuras Metálicas
Tema 7 :
Grado en Ingeniería de Obras Públicas
Uniones
Son de dimensiones relativamente pequeñas con respecto
al conjunto de la estructura pero de enorme importancia.
Su fallo puede ocasionar la ruina parcial o total de la
estructura.
Medios de unión:
1. Generalidades
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• Fijos: remaches (roblones) y soldaduras
• Desmontables: tornillos
Permiten el enlace de diferentes barras y son capaces de transmitir adecuadamente los
esfuerzos internos de unas barras a otras.
Uniones
1. Generalidades
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Fabricación y montaje: las uniones se proyectarán de forma que exista el espacio suficiente
para:
1. Montar las piezas con seguridad
2. Apretar los tornillos
3. Permitir el acceso a los soldadores
4. Permitir el acceso necesario para realizar los tratamientos de protección y mantenimiento
Se busca el menor número de uniones posible y la reducción al mínimo de los esfuerzos
secundarios
Nudos de estructuras trianguladas: se minimizan los esfuerzos secundarios cuando los ejes de
las barras a unir coinciden en un punto y el ángulo formado por barras contiguas está en el
rango de 30⁰ a 150⁰
Si se cumplen las condiciones anteriores se puede suponer unión articulada si no existen
cargas intermedias en las barras a excepción del peso propio y acción del viento
Si no se cumplen se tendrán en cuenta el efecto de las excentricidades en los cálculos
Uniones
1. Generalidades
4
Empalmes: las uniones se proyectarán de forma que exista el espacio suficiente para:
1. Montar las piezas con seguridad
2. Apretar los tornillos
3. Permitir el acceso a los soldadores
4. Permitir el acceso necesario para realizar los tratamientos de protección y mantenimiento
Uniones en Obra: se procurará reducir al mínimo las uniones en obra y serán preferiblemente
uniones atornilladas.
Cuando se detalla una unión debe tenerse en cuenta la secuencia y método de montaje
Uniones híbridas: aquellas en que dos o más medios de unión distintos, soldadura o tornillos,
colaboran para transmitir un esfuerzo entre dos piezas distintas.
Uniones
2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector
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Las uniones sometidas a momento flector generalmente son del tipo unión viga-soporte o
empalmes de vigas
Diagramas Momento-Curvatura
Se obtienen mediante ensayos experimentales o métodos numéricos
Un diagrama simplificado se define mediante tres parámetros:
• Momento último M
Rd
• Capacidad de rotación ɸ
Cd
• Rigidez de la unión S
j
Los diagramas momento-curvatura de las uniones se pueden incluir en el análisis global de la
estructura para la obtención de la respuesta estructural.
Uniones
2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector
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Clasificación en función de su resistencia
Articuladas
- Deben permitir el giro que resulte del análisis global de la estructura
- La transmisión de momento entre los elementos es menor a 0.25M
pl,Rd
de las piezas a unir
De resistencia completa
- El momento último es igual o mayor al de las piezas a unir (M
Rd
≥ M
pl,Rd
)
De resistencia parcial
- Comportamiento intermedio entre las articuladas y las rígidas
- Su momento resistente será mayor que el momento de cálculo del análisis (M
Rd
≥ M
Ed
)
La capacidad de rotación de la unión debe demostrarse numéricamente o experimentalmente y deberá
permitir la formación de las rótulas plásticas previstas en el análisis.
Para uniones de resistencia completa si M
Rd
≥1.2M
pl,Rd
no será
necesario comprobar su capacidad de rotación
Uniones
2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector
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Clasificación en función de su rigidez
Uniones Semirrígidas (o de resistencia parcial)
- Aquellas que no pueden ser clasificadas como articulaciones o empotramientos
- Aquellas que pertenezcan a pisos de pórticos en los que se cumpla:
donde I
b
y L
b
son el momento de inercia y longitud de la viga
conectada
donde k=8 (viga de un pórtico intraslacional)
k=25 (viga de un pórtico traslacional)
Articulaciones:
Uniones Rígidas o empotramientos:
Modelado de las uniones en un análisis global
Análisis global elasto-plástico: diagrama bilineal momento-curvatura en el que S
j
sea:
Análisis global elástico diagrama bilineal momento-curvatura en el que S
j
sea:
=2 (unión viga-pilar)
=3.5 (unión viga-viga, empalmes)
=3.0 (otros tipos de unión)
Uniones articuladas = rótula ; Uniones rígidas de resistencia completa = nudo continuo
Semirrígidas
Uniones
3. Uniones atornilladas
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Geometría
Área de la parte roscada:
Área de la espiga:
Ejemplo nomenclatura: M 16 x 80 - 8.8
Uniones
3. Uniones atornilladas
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Ventajas
- La ejecución de las uniones puede realizarse en condiciones atmosféricas adversas
- Menores costos de control de calidad
- Plazos de ejecución más cortos
- Mejor comportamiento frente a fatiga y frente a rotura frágil
Inconvenientes
- Montaje de piezas más exigente al precisar tolerancias más reducidas
- Aspecto menos estético que las uniones soldadas
Tipos de tornillos
- Los tornillos a emplear serán preferiblemente de los grados indicados en la tabla:
- No se utilizarán tornillos de grado inferior a 4.6 ni superior a 10.9
- Los tornillos de alta resistencia pueden pretensarse
Nomenclatura (ejemplo): M16x80 – 5.6
fub = 500 fyb = 0.6 x 500 = 300 MPa
Uniones
3. Uniones atornilladas
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Geometría
Uniones
Tipos especiales de tornillos
- Tornillos de cabeza avellanada: quedan enrasados nominalmente con la cara exterior de la
chapa externa
-Tornillos calibrados: se instalan en agujeros que son escariados in situ. Estos agujeros deben
pretaladrarse con un diámetro al menos 3 mm inferior al diámetro definitivo.
-Tornillos de inyección: disponen de una perforación en la cabeza por donde se inyecta resina
para rellenar toda la holgura existente entre su espiga y el agujero
3. Uniones atornilladas
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Uniones
3. Uniones atornilladas
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Mecanismo resistente
1. Por cortante: las chapas a unir deslizan entre sí y entran en contacto con la espiga del tornillo
originando un esfuerzo cortante en dicha sección. No es determinante el apriete de los tornillos
2. Por rozamiento: el apriete de los tornillos produce compresión entre las chapas originando unas
fuerzas de rozamiento que impiden el deslizamiento entre chapas
Simple cortadura
Doble cortadura
Simple cortadura: flexión en cortadura simple
3. Por esfuerzo axil de tracción
Su resistencia depende:
- Momento de apriete
- Coeficiente de rozamiento
Uniones
3. Uniones atornilladas
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Modos de fallo de uniones atornilladas
• Colapso de una o más secciones del tornillo (a)
• Colapso por aplastamiento de la chapa, flexión del
vástago o ambos efectos (b,c)
• Colapso por fallo de la chapa o desgarro (d,e)
a) b) c)
d) e)
I. No hay deslizamiento. El esfuerzo de corte es
absorbido por rozamiento entre chapas
II. Deslizamiento brusco hasta que el vástago entra
en contacto con la chapa
III. Comportamiento elástico. Se termina cuando
alcanza el límite elástico la chapa o el tornillo
IV. Alcanzada la fase plástica se presentan
deformaciones importantes y al final se produce
el fallo de la unión para la carga F
v,u
Fases de transmisión de cargas en una unión pretensada:
Uniones
CATEGORIA A
- Los tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajan a cortante y aplastamiento
- Si los tornillos son de alta resistencia no es preciso que estén pretensados ni que las superficies en
contacto estén preparadas
- Si la pieza está sometida a fatiga, impactos o esfuerzos alternativos se recomienda el uso de tornillos
de alta resistencia pretensados con N
0
=0.7f
ub
A
s
3. Uniones atornilladas
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Categorías de uniones atornilladas
Categoría A
Categoría B
Categoría C
Categoría D
Categoría E
Tornillos solicitados en dirección normal a su eje
Tornillos solicitados a tracción
CATEGORIA B
- Tornillos de alta resistencia con superficies preparadas (decapado con chorro de arena, cepillado…).
- Se desea que no haya deslizamiento para ELS
- Se permite que haya deslizamiento en ELU y los tornillos trabajen por cortante y aplastamiento
Uniones
3. Uniones atornilladas
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Categorías de uniones atornilladas
1. La unión resiste a cortante y aplastamiento
Esta condición podrá considerarse satisfecha si el espesor de la pieza más delgada t
min
cumple:
t
min
> d/2.4 para piezas de acero S235 ó S275
t
min
> d/3.1 para piezas de acero S355
CATEGORIA C
- Tornillos de alta resistencia con superficies preparadas (decapado con chorro de arena o soplete).
- Se desea que no haya deslizamiento para ELU
- La unión debe cumplir en ELU que:
2. El esfuerzo a transmitir es inferior a la resistencia plástica del área neta de la pieza
CATEGORIA D
- Tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajando a tracción
- Si se usan tornillos de alta resistencia no es preciso que estén pretensados ni tratar las superficies
- No se recomienda su uso para uniones sometidas a variaciones frecuentes del esfuerzo de tracción
CATEGORIA E
- Tornillos de alta resistencia pretensados trabajando a tracción
- Solo es preciso preparar las superficies si la unión además de tracción está sometida a cortante
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