Las conexiones de placa simple extendida que están incluidas en el manual del AISC deben considerar en el estado de solicitación las excentricidades inducidas por causa del punto de inflexión presente en función del tipo de apoyo, rígido o flexible.
Antecedentes
Las conexiones de corte de placa simple extendida (Figura 1) ofrecen muchas ventajas que simplifican el proceso de construcción.
Debido a que la conexión con el miembro auxiliar se separa de la viga maestra de soporte, no se requiere el remate del miembro auxiliar y el único proceso de fabricación requerido es el taladrado o punzonado de las perforaciones en el alma del perfil.
Además, en algunos casos, las conexiones extendidas de placa simple son la única solución práctica para un problema de encuadre, como el caso de un miembro que se enmarca en el eje débil de una columna con placas de continuidad.
Las conexiones de corte de placa simple extendida tienen una larga historia de uso y se han incluido en el MANUAL DE ACERO DEL AISC desde 1992, y los diseñadores estructurales las han utilizado durante varias décadas.
A pesar de una historia de uso relativamente larga, nunca se ha incluido un procedimiento de diseño bien definido, simple y racional en el Manual de acero AISC, y el procedimiento de diseño se dejó en gran medida a discreción de los ingenieros.
Por temor a que la placa se pandee o que la soldadura se rompa, muchos diseñadores han optado por detallar las conexiones con placas de refuerzo superior e inferior o extender la placa y conectarla a las alas superior e inferior de una viga de soporte (Figura 2).
Irónicamente, las pruebas han demostrado que extender la placa verticalmente de esta manera podría resultar en una menor resistencia al pandeo de la placa (Sherman y Ghorbanpoor, 2002) y, en muchos casos, es innecesario.
Influencia de la rigidez del miembro de soporte
La rigidez de las conexiones de placa única en el soporte siempre ha sido un área gris. Los diseñadores a menudo han estado preocupados por un momento considerable e imprevisto que podría desarrollarse en la conexión, lo que podría resultar en un momento entregado a la columna que la columna no ha sido diseñada para resistir o una ruptura repentina de la soldadura o del pernos La Sección B3.6a de la Especificación ANSI/AISC-360 para edificios de acero estructural, requiere que las conexiones de cortante simple tengan suficiente capacidad de rotación para adaptarse a la rotación requerida del extremo de la viga.
Algunas publicaciones como la realizada en la revista “Modern Steel Construction” de Abril de 2003 y elaborada por el Ing. M. Thomas Ferrell, en la cual se destacó el uso de dos tipos básicos de conexiones de placa simple donde se ignora la restricción del extremo de la conexión para el diseño del miembro.
El planteamiento general ya indicado y estudiado por otros autores establecía considerar una excentricidad de cálculo aplicada tanto a pernos como soldadura para considerar tanto la rotación de la viga auxiliar como la rigidez del miembro de soporte, que para nuestro caso podrían ser una viga maestra o una columna (Figura 3).
Ensayos de Conexiones simples
Como se mencionó anteriormente, debido al comportamiento complejo y no lineal de las conexiones a cortante, incluso bajo cargas de servicio, los procedimientos de diseño para las conexiones a cortante deben basarse en datos obtenidos de ensayos a gran escala de especímenes en condiciones de carga realistas.
Al estudiar el comportamiento de las conexiones a cortante bajo cargas gravitacionales, los siguientes parámetros son importantes:
- Resistencia al corte
- Resistencia a la flexión
- Ductilidad rotacional
Al establecer la ubicación del punto de inflexión en una conexión de corte y establecer el comportamiento de rotación de corte de la conexión, podemos establecer los tres parámetros anteriores.
Bajo carga de gravedad, una placa cortante está sujeta a una fuerza cortante (es decir, la reacción de la viga), un momento relativamente pequeño, que suele ser inferior al 20 % de la capacidad de momento plástico de la viga, y rotaciones relativamente grandes del orden de 0,03 a 0,05 radianes.
El punto de inflexión es el punto a lo largo de la línea central de la viga donde el momento de flexión es cero. Después de establecer la ubicación del punto de inflexión, se puede usar el diagrama de cuerpo libre de la conexión y un segmento de la viga hasta el punto de inflexión para calcular la fuerza cortante y el momento de flexión que actúan sobre la conexión y sus componentes, como el placa, pernos y soldaduras como se muestra en la Figura 4.
Las pruebas de las conexiones de corte con placa simple bajo los efectos de la carga de la gravedad han establecido la ubicación del punto de inflexión para el caso de una sola fila de pernos (Astaneh-Asl, Call y McMullin 1989). La ubicación del punto de inflexión depende principalmente de la excentricidad de los pernos de la placa simple, la cantidad de deslizamiento en los pernos y la rigidez rotacional del elemento de soporte.
Si el elemento de apoyo es relativamente rígido, como el ala de una columna o una placa empotrada en un muro de hormigón armado, la distancia del punto de inflexión desde la línea central del apoyo y los momentos generados en la conexión son mayores que los correspondientes valores para un caso en el que el soporte es relativamente flexible.
Ejemplos de casos de soporte flexibles son las placas simples de corte conectadas a un lado del alma de una columna o una viga maestra. En la Figura 5 se muestran ejemplos de soportes rígidos y flexibles para placas simples de corte.
Localización del punto de inflexión para perforaciones estándar
Cuando se utilizan orificios estándar en las pestañas de corte, así como en las vigas, según la condición del soporte sea rígido o flexible, la ubicación de los puntos de inflexión se estableció en términos de la distancia (o excentricidad) desde la línea de soldadura o la línea de pernos. de la conexión como se indica a continuación. Cabe señalar que las ecuaciones para la ubicación del punto de inflexión que se dan a continuación son para los métodos LRFD y ASD.
La distancia desde el punto de inflexión hasta la línea de soldadura se estableció como:
- ew = n pulgadas ó n x 2.54cm
La distancia desde el punto de inflexión hasta la línea del perno se estableció como:
- eb = (n – 1) pulgadas – a ≥ a ó (n – 1) *2.54cm – a ≥ a
Dónde:
ew = distancia desde la línea de soldadura hasta el punto de inflexión
eb = distancia desde la línea del perno hasta el punto de inflexión
a = distancia desde el centro de los tornillos hasta la línea de soldadura
n = número de pernos
La Figura 6 muestra las excentricidades establecidas por los ensayos (como puntos) graficadas contra las excentricidades calculadas por las ecuaciones anteriores. Tenga en cuenta que en estas pruebas las placas simples de corte se conectaron a las de columnas tipo Wide Flange que hacen que la conexión se considere de «soporte rígido», como se muestra en la Figura.
De esta manera, cuando consideremos la ubicación de la carga de corte “Vu” en este tipo de conexión debemos incorporar Momento Flector “Vu x e” inducido por la excentricidad para evaluar los pernos y las soldaduras por acción-reacción del diagrama del cuerpo libre.
