estructuras metálicas, análisis de uniones

7/21/2019 Estructuras metlicas, anlisis de uniones

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CYDEMYH INGENIERA MECNICA EIIAB

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PRCTICA 7

Nombre: Cristbal Jess Valdepeas Octavio

Escuela de Ingenieros Industriales de Albacete, UCLM


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DISEN O DE NUDOS RIGIDOS

INTRODUCCINEn esta prctica estudiaremos las diferentes formas de disear un prtico para una nave industrial, los datos

de nuestra nave son los siguientes:

-

Altura de pilares (H) = 6.45 metros

-

ngulo (alpha) = 16

-

Separacin entre prticos (S) = 5.3 metros

- Separacin entre correas (SC) = 1.95 metros

-

Lonjitud (L) = 10.15 metros

-

Nmero de correas (Nc) = 5

Cargas sobre la cubierta:

Gravitarorias (sentido vertical) Permanente: Peso propio (20 kg/m2)


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Sobrecargas de Nieve 80 kg/m2 (actuando en proyeccin horizontal)

Perpendiculares al plano de cubierta: Viento en succin a barlovento, 60 kg/m2 Viento en succin a sotavento, 60 kg/m2

Las cargas sobre los paramentos verticales (en todas las direcciones): Viento a barlovento (presion): 60 kg/m2 Viento a sotavento (succin): 40 kg/m2

Los coeficientes parciales de seguridad y de combinacion son los siguientes:

Persistente o transitoria

Coeficientes parciales de seguridad () Coeficientes de combinacin ()

Favorable Desfavorable Principal (p) Acompaamiento (a)Carga permanente (G) 0.800 1.350 - -

Viento (Q) 0.000 1.500 1.000 0.600

Nieve (Q) 0.000 1.500 1.000 0.500

Para desplazamientos, tenemos que:

Caracterstica

Coeficientes parciales de seguridad ()

Favorable Desfavorable

Carga permanente (G) 1.000 1.000

Viento (Q) 0.000 1.000

Nieve (Q) 0.000 1.000


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INTRODUCCIO N

En esta prctica analizaremos los nudos de cumbrera y de esquina de nuestro prtico.

Como se vio en ocasiones, algunos pilares y dinteles, antes de calcular las uniones, superaban los lmites de

resistencia por un 2%, por ejemplo. En esta prctica daremos solucin a este problema, ya que dotaremos al

nudo y la zona que ocupa de una rigidez adicional, con lo que esos dinteles o pilares que no cumplan

pasarn a cumplir.

La placa base, diseada en la prctica anterior, se realiz para el caso del prtico con estabilizadores en las

correas de los dinteles y con tres secciones de pilar producidas por la introduccin de unas correas y un

material de cubierta. Para continuar con ese modelo de prtico, le definiremos, en esta prctica, los nudos y

uniones.

Las consideraciones y variantes sern las siguientes:

Nudo de esquina acartelado: Con soldadura

Con Tornillos. Comprobar con diferentes calibres y calidades.

Nudo de cumbrera: Sin acartelamiento (soldadura y tornillos)

Con acartelamiento de 50 cm (soldadura y tornillos)

Para los tornillos se adoptar:

Acero: 10.9 o 8.8

Mtrica: M16 o M20


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1 NUDO DE ESQUINA ACARTELADO

En primer lugar, presentaremos el prtico y los perfiles que nos cumplen para las hiptesis planteadas en

prcticas anteriores, como podemos ver ya se ha incluido la placa base ptima que seleccionamos en laprctica 6.

Aclaracin: tenemos la zona de rigidez infinita en los nudos de esquina porque para generar las placas base

calculamos en primer lugar las uniones. Sin embargo, no hemos jugado con las opciones que nos dan, lo que

es objeto de esta prctica.


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DISEO CON SOLDADURAPara realizar la unin con soldadura, tenemos que seleccionar calcular uniones en la opcin soldadas.

Al instante, en programa nos propondr una solucin, la cual es la siguiente:

Como podemos ver, la opcin es muy buena porque ha colocado las soldaduras en las cartelas y los

rigidizadores para evitar que la abolladura del perfil HEB 260 del pilar.

Para elegir lo que queremos ver tenemos una opcin en la pantalla de visionado en la que podemos quitar la

opacidad del pilar y suprimir el dintel, un ejemplo de uso es el siguiente:

Soldadura de la cartela

Soldaduras de

los rigidizadores


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Si consultamos el clculo del programa, nos encontraremos una hoja detallada de cmo se van a realizar las

soldaduras y unas ciertas vistas en corte de los elementos que intervienen en la unin.


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UNIN CON TORNILLOSCuando pasamos a calcular las uniones con tornillos, tenemos la opcin de ponerlos pretensados. Sin

embargo, esto aade una complicacin extra a la hora de montar estas uniones en obra. Por tanto, se

deciden tomar uniones atornilladas simples, con el objetivo de simplificar al operario el montaje de dicha

unin.

Solucin propuesta por el programa:En primer lugar, no limitaos dimetros ni tipos de acero de los tornillos y el programa nos ofrece lo siguiente:

Como podemos ver en la imagen, ha colocado 10 pernos de los tamaos y tipos de acero que l mismo ha

seleccionado, 24 y 8.8. Por otro lado, si se nos exige colocar tornillos de una mtrica determinada y de cierto

tipo de acero, para ello, nos iremos a opciones y marcaremos la gama que queremos.

Acero de buena calidad 10.9 y mtrica 24:

Con los parmetros que hemos seleccionado, obtendramos la siguiente unin de esquina:


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El programa nos da la solucin con 10 pernos, tal y como se haca anteriormente en los otros casos.

Dimetros mayores de 30 con acero 10.9Comprobaremos a continuacin la solucin que obtenemos si pidisemos la colocacin de pernos de un

dimetro mayor manteniendo la calidad del acero:


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Podemos comprobar que no ha cambiado el nmero de tornillos pero s el calibre de los mismos. Dicho

calibre seleccionado entre las dos opciones que le hemos dado al programa ha sido el de 33 mm (calibre no

comn).

Tornillera de 24 y acero 8.8

Si ponemos acero 8.8 para los tornillos, nos elige la mtrica 24, como podemos ver en la siguiente captura:

Como hemos visto, nos cumpla tanto con los de 24 como con los de 33, as que nos quedaremos con los de

24 que, adems de ser ms pequeos, son ms comunes y, por tanto, ms baratos. De la misma manera, con

el acero 8.8 nos cumpla en la mtrica 24, por lo que ser la opcin ptima.

Unin seleccionada como ptima: Tornillos M24 de acero 8.8:Mostramos a continuacin los planos que CYPE nos ofrece y los detalles de construccin de nuestra cartela

unin con pilar:


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Detalle de la unin:

Adems de imgenes 3D o detalles en planos tcnicos, el programa nos ofrece unas detalladas listas de los

elementos seleccionados y necesarios para la construccin de la unin diseada:

Elementos de tornillera

Descripcin

Geometra Acero

Esquema DimetroLongitud

(mm)Clase

fy(MPa)

fu(MPa)

ISO 4017-M24x80-8.8ISO 4032-M24-82 ISO 7089-24-200 HV

M24 80 8.8 640.0 800.0

Comprobaciones de resistencia

Componente Comprobacin Unidades Psimo Resistente Aprov. (%)

PanelEsbeltez - 22.50 64.71 34.77

Cortante kN 834.785 855.139 97.62

Ala Traccin por flexin kN 77.913 161.396 48.27Traccin kN 61.325 360.119 17.03

Alma Traccin kN 88.102 229.948 38.31

IMPORTANTE: el aprovechamiento a cortante alcanza un valor muy ajustado, por lo que comprobamos que

esta solucin es muy buena.

Adems de lo que hemos puesto, obtenemos los detalles de las soldaduras, el espesor de las chapas,

comprobaciones realizadas, comportamiento de la seccin a flexin, etc., pero no las capturaremos todas ya

que slo consideramos oportuno el detalle de la tornillera utilizada y las comprobaciones que el programaha realizado, con el objetivo de no extender demasiado el informe.


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2 NUDO DE CUMBRERA

SIN ACARTELAMIENTOEl acartelamiento de una unin como puede ser esta vendr determinado por los esfuerzos que tenga que

soportar. Por otro lado, si tenemos en cuenta que las soldaduras pueden no ser perfectas o la tornillera

presentar fallo de algn tipo, es conveniente ampliar la superficie que nos va a unir las dos barras, lo que

podra ser otro motivo para efectuar un acartelamiento aunque tericamente el nudo resista sin l.

CON SOLDADURALa solucin que nos propone el programa es la siguiente;

Como se puede ver, los resultados con uniones soldadas dan menos juego que los de soluciones con

tornillos, ya que una vez que soldamos las placas con una garganta de soldadura que cumple, no es necesario

buscar otra solucin mejor.

CON TORNILLOS

Pasamos a disear nuestra unin con tornillera:


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Mtrica 24 de acero 8.8

El programa coloca automticamente tres tornillos a cada lado (mirando verticalmente) del alma de los dos

IPE 300 que se desean unir.

Mtrica 20 acero 8.8

Como podemos ver, resulta una buena solucin que, aunque no es ptima, nos indica que la unin que

tenemos en el punto de la cumbrera es menos exigente que en la cabeza de pilar o esquina, ya que no

podamos colocar tornillos de dimetro menor que 24.


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Mtrica 16 con acero 8.8

Hemos ido bajando dimetros poco a poco hasta obtener esta solucin, la cual resulta la menor posible y,

por tanto, la ptima para este acero 8.8.

Si cambiamos al acero 10.9, comprobaremos que podemos bajar a M12.

Mtrica 12 y acero 10.9

Con este tipo de acero hemos podido bajar a mtrica 12, por lo que es una solucin ms ajustada. Sin

embargo, habra que plantear el coste de estos tornillos enfrentados a los de acero 8.8, y, con ello, realizar

un balance de qu es lo que nos tendra ms cuenta.


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CRITERIO ADICIONAL: Como aportacin personal, considero que no estara de ms hacer una pequea

estimacin sobre los pros y contras de colocar un tornillo de menor o mayor dimetro, ya que quiz si

colocamos el de menor, correra peligro la chapa que estamos presentando en la unin debido al reparto de

las mismas presiones en una menor cabeza de tornillo.

Teniendo en cuenta este criterio adicional, sin contabilizar precios, elegimos como opcin ptima la de acero8.8 de mtrica 16.

Solucin seleccionada como ptima: M16 con acero 8.8Mostramos una captura ms detallada donde se pueden apreciar las soldaduras y la simulacin que el

programa hace de la misma, un prisma de base triangular.


Descripcin

Geometra Acero


(mm)Clase

fy(MPa)

fu(MPa)

ISO 4017-M16x50-8.8ISO 4032-M16-82 ISO 7089-16-200 HV

M16 50 8.8 640.0 800.0



Chapa frontal Traccin por flexin kN 52.790 76.424 69.08

AlaAplastamiento kN 204.172 437.297 46.69

Traccin kN 26.835 210.179 12.77Alma Traccin kN 51.911 140.461 36.96


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Las comprobaciones que podemos ver se refieren a la unin en general, donde se incluyen los pernos, los

perfiles unidos y las chapas que se han soldado a los mismos para poder realizar la unin en obra.

CON ACARTELAMIENTOEl acartelamiento en la cumbrera no sera necesario si la unin que fusemos a realizar fuese ideal, si noexistiesen imperfecciones. Si elegimos acartelar este nudo es para asegurarnos de que va a cumplir, ya que

es un coste en mano de obra y material extra aunque puede librarnos de problemas.

CON SOLDADURAColocando las cartelas en la opcin Describir Perfil, y ponindolas de longitud 40 cm, para que no quede

demasiado puntiaguda, obtenemos la siguiente solucin:

En este caso podramos jugar con las diferentes anchuras de cartela, pero como se ha comprobado

anteriormente, no podemos modificar la soldadura que el programa nos ofrece. La vista en tres dimensiones

de la unin es la siguiente:


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CON TORNILLOSEn este apartado efectuaremos la unin con diferentes calibres de tornillos, asegurndonos de que cumplen

las condiciones de resistencia en la unin.


Con estos tornillos de gran mtrica obtenemos una solucin vlida para el nudo de cumbrera.


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Como vemos ahora, con esta mtrica de tornillos nos pone dos tornillos ms a cada lado del perfil, o sea,

cuatro tornillos ms para compensar la disminucin de dimetro.


Las ganancias no son notables, pues tenemos los mismos tornillos que en el caso anterior (podemos

saltarnos comprobaciones mirando el aprovechamiento a resistencia de los mismos).


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Descripcin

Geometra Acero


(mm)Clase

fy(MPa)

fu(MPa)

ISO 4017-M16x50-8.8ISO 4032-M16-82 ISO 7089-16-200 HV

M16 50 8.8 640.0 800.0





Traccin kN 7.005 210.179 3.33

Alma Traccin kN 24.982 180.259 13.86

Tornillo

Dimetro

Cortante Traccin

Interaccin

traccin y

cortante

Aprov.Mx. (%)

Comprobacin

Psimo(kN)

Resistente(kN)

Aprov.(%)

Comprobacin

Psimo(kN)

Resistente(kN)

Aprov.(%)

Aprov.(%)

1 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago20.601

90.432

22.78

16.27 22.78Aplastamiento

0.172

151.360

0.11

Punzonamiento

20.601

180.992

11.38


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2 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago20.601

90.432

22.78

16.27 22.78Aplastamien

to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

20.601

180.992

11.38

3 M16

Seccin

transversal

0.17

2

50.24

0

0.3

4 Vstago

17.3

89

90.43

2

19.

23 13.73 19.23Aplastamien

to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

17.389

180.992

9.61

4 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago17.389

90.432

19.23


to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

17.389

180.992

9.61

5 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago10.791

90.432

11.93


to

0.17

2

151.3

60

0.1

1

Punzona

miento

10.7

91

180.9

92

5.9

6

6 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago10.791

90.432

11.93


to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

10.791

180.992

5.96

7 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago6.39

090.43

27.07


to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

6.390

180.992

3.53

8 M16

Seccin

transversal

0.17

2

50.24

0

0.3

4

Vstago6.39

0

90.43

2

7.0

7 5.07 7.07Aplastamiento

0.172

151.360

0.11

Punzonamiento

6.390

180.992

3.53

9 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago8.59

090.43

29.50


to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

8.590

180.992

4.75

10 M16

Seccintransversal

0.172

50.240

0.34

Vstago8.59

090.43

29.50


to0.17

2151.3

600.11

Punzonamiento

8.590

180.992

4.75

11 M16

Seccintransversal

0.887

50.240

1.76

Vstago9.08

190.43

210.04


to0.88

7151.3

600.59

Punzonamiento

9.081

180.992

5.02

12 M16

Seccintransversal

0.887

50.240

1.76

Vstago9.08

190.43

210.04


to0.88

7151.3

600.59

Punzonamiento

9.081

180.992

5.02

Cambiamos al acero 10.9 para comprobar si podemos obtener soluciones ms finas con mtricas menores.


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Descripcin

Geometra Acero


(mm)Clase

fy(MPa)

fu(MPa)

ISO 4014-M12x50-10.9ISO 4032-M12-10

2 ISO 7089-12-300 HV

M12 50 10.9 900.0 1000.0





Traccin kN 7.043 176.207 4.00

Alma Traccin kN 31.619 128.726 24.56

Como podemos ver, estos tornillos s que cumplen, por lo que la solucin ptima relativa a mtricas de

tornillos sera esta. Sin embargo no podemos asegurar que sea la opcin ms barata, porque no hemos

tratado el tema de los precios de los tornillos y, al igual que hemos hecho en los nudos de esquina, nos

decantaremos por la opcin de una mtrica mayor descartando una mtrica tan fina como la que hemos

obtenido aqu, aunque sabemos que es posible y resistente. Por tanto, la solucin que adoptamos como

ptima es la de mtrica 16 con acero 8.8.


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3 CONCLUSIONES SOBRE UNIONES

En primer lugar, citaremos uno de los problemas que ms nos tuvo enganchados a

manuales, foros y comprobaciones de datos, las rigideces rotacionales. Cuando elegamosnuestra unin atornillada limitando las mtricas de los tornillos a las que fueron

recomendadas en la prctica, no obtenamos solucin en los nudos de esquina (con gran

solicitacin de momento flector y cortante). Tras insistir repetidas veces, llegamos a la

conclusin de que, para el aviso que nos daba de en algunas uniones no se cumple la

condicin de rigidez rotacional, era necesario subir una gama de tornillos, para lo que el

programa nos dej seleccionar ptimamente la unin con 10 tornillos de acero 8.8 de

mtrica 24, con aprovechamiento del 97%.

Por otro lado, hemos comprobado la modelizacin que se estudia de la soldadura. Aunque

en la realidad sea un cordn no perfectamente uniforme, trasladamos un prisma de base

triangular a los diseos para realizar comprobaciones. Con ello, damos paso al ANEXO 1

(nicamente como curiosidad), como aplicacin extra y ampliando las posibilidades de

comprobacin, relacionamos un estudio que podra sernos de utilidad y que resulta

especialmente interesante, el anlisis con elementos finitos con ANSYS Workbench 14,

donde se comprob la resistencia de una soldadura.

En el nudo de cumbrera, cuando hemos aadido el acartelamiento, hemos visto un notabledescenso del aprovechamiento de los elementos de la unin. Esto es debido a que hemos

aumentado el rea, y con ello la inercia, por lo que los tornillos sufren menos y la unin es

ms segura. Todo esto hay que enfrentarlo a la complicacin de preparar dos cartelas de, en

nuestro caso, IPE 300 y 40 cm de largas para cada uno de los prticos de nuestra nave, lo

que supone un aumento del peso de acero que compraremos y un gran incremento de

mano de obra, tanto si es en soldaduras como si es en tornillera.


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ANEXO 1: SIMULACIN DE SOLDADURAS CON ANSYS WORKBENCH

NICAMENTE COMO INFORMACIN CURIOSA Y ADICIONAL, RELACIONADA CONCOMPROBACIONES MS DETALLADAS DE SOLDADURAS.

En este ejemplo queremos hacer una idea de lo que sera la simulacin de una soldadura en ANSYS con un

ejemplo muy sencillo y bsico, lo que es perfectamente aplicable a uniones del tipo que hemos estudiado en

esta prctica.

PLANTEAMIENTO: Tenemos un soporte como el que mostramos en las imgenes siguientes, el cual va a ser

sometido a traccin por un cojinete situado en el agujero de la pieza vertical. En este pequeo anexo

mostraremos el efecto que tiene la soldadura cuando la incluimos en la simulacin con elementos finitos.

En primer lugar disearamos nuestra pieza o piezas a unir con programas de diseo en 3D como pueden ser

SolidWorks o Inventor, las conexiones que efectuaramos sin soldadura (modo idealizado de unin de piezas)sera un contacto entre las chapas.

UNIN IDEAL, SIN CORDN DE SOLDADURA, CHAPAS PEGADAS UNA A OTRA.

Posteriormente si queremos afinar y disear las soldaduras, aadiramos las propiedades de los materiales y

los cordones de soldadura de grosor 0.7 el espesor de las placas.

UNIN REAL, APLICANDO UN CORDN DE SOLDADURA SIMULADO COMO EL REA EFICAZ.

Los contactos efectuados han sido los de las dos reas perpendiculares del cordn de soldadura con la chapa

respectiva que une cada una de las caras.


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FUERZASIntroduciramos una fuerza en la cara superior del agujero pasante, simulando una sujecin en los agujeros

para pernos de la chapa horizontal en ambos elementos, con y sin soldadura.

Y obtendramos los siguientes resultados, en tensiones y deformaciones (representadas con factor de

ampliacin).

RESULTADOS (tensiones en Pascales)

CON SOLDADURA

Como se puede ver, las tensiones se producen en una zona FUERA del cordn de soldadura, mientras que si

no se aadiese la soldadura a la simulacin las encontraramos en la unin, como vemos en la imagen

mostrada a continuacin (flechas con posicin de la tensin crtica en Pascales):


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SIN SOLDADURA

La moraleja de esta pequea introduccin a elementos de ensayo de uniones es que, si queremos obtener

una estructura lo ms exacta posible, las soldaduras deben ser incluidas en la simulacin, con sus respectivos

materiales y condiciones de contorno. Adems, ya sabemos que una pieza que incluye soldaduras no se

comporta de igual forma que una que no las tiene, tal y como se ha visto en este anexo, en el que vemos

cmo la tensin crtica pasa de estar en un punto de la unin a uno ajeno a la misma.

TODAS LAS UNIONES REALIZADAS EN ESTA PRCTICA SON PERFECTAMENTE SIMULABLES CON MTODOS

DE ELEMENTOS FINITOS.

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