ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin
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ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin
ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto Este ICNC proporciona las reglas para la verificación de la idoneidad del "empalme de pilares sin contacto" para el caso de pilares en "construcción simple". También proporciona reglas para determinar la resistencia de atado a tracción del empalme a efectos de la integridad estructural. Las reglas pueden utilizarse para evaluar la resistencia total del empalme para todos los modos posibles de fallo basados en las reglas de EN 19931-8, para determinar las resistencias de los componentes individuales en una unión. Índice 1. Generalidades 2 2. Modelo de diseño 3 3. Parámetros 5 4. Platabanda del ala 7 5. Grupo de tornillos en el cubrejuntas del ala 9 6. Platabanda del alma 11 7. Grupo de tornillos de la platabanda del alma 11 8. Grupo de tornillos en el alma del pilar 13 9. Integridad estructural (bajo fuerza de atado) 14 10. Límites de aplicación 15 11. Antecedentes 15 Página 1 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU 1. Generalidades Un empalme de pilares sin contacto es un empalme donde las fuerzas se transfieren a través de las platabandas y tornillos, no a través del contacto directo entre columnas. En la Figura 1.1. se muestran empalmes típicos de pilares sin contacto. Dichos empalmes se utilizan donde no se requiere tener continuidad de la rigidez. En SN025, se dan detalles de la configuración de la estructura y la ubicación de los empalmes. En SN024, se proporciona asesoramiento para el dimensionamiento inicial de los empalmes en pilares sin contacto. El modelo de diseño de los empalmes se explica a continuación. 1 1 1 G (a) 1 G (b) G (c) G (d) Leyenda: 1. Forros (sombreado donde hay chapas de empalme ocultas en la parte posterior ) G Separación entre pilares Figura 1.1 Empalmes típicos de pilares sin contacto a) Cubrejuntas exteriores en el ala para secciones del mismo tamaño b) Cubrejuntas exteriores e interiores en el ala para secciones del mismo tamaño c) Cubrejuntas interiores en el ala para secciones del mismo tamaño d) Cubrejuntas exteriores en el ala para secciones de diferente tamaño Página 2 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU 2. Modelo de diseño El modelo de diseño puede adoptarse para todos los tipos de empalmes de pilares sin contacto, que se muestran en la Figura 1.1. Sin embargo, por brevedad, en este ICNC se muestra el procedimiento detallado sólo para empalmes de pilares sin contacto, con cubrejuntas exteriores en el ala y dos platabandas en el alma (por ejemplo en ambos lados del alma del pilar), tal como se muestra en la Figura 1.1(d). En el modelo de diseño se asume que el momento flector y parte de la fuerza axial es resistida por los cubrejuntas del ala. La fuerza cortante y parte de la fuerza axial es resistida por las platabandas del alma. Como alternativa a esta suposición, puede asumirse que el momento flector y la carga axial es resistida por los cubrejuntas del ala y que las platabandas del alma resisten únicamente la fuerza cortante, pero este último procedimiento no se muestra aquí. Se asume que los detalles de la distribución de tornillos es tal que no existe posibilidad de pandeo local de las platabandas y cubrejuntas entre las sujeciones. Por consiguiente, en este ICNC sólo se consideran las resistencias de las secciones transversales. Las opiniones varían acerca del tipo de tornillos que deben ser utilizados en los empalmes de los pilares sin contacto. Si los empalmes se ubican de acuerdo con la sección 3 de SN025, pueden utilizarse tornillos no pretensados de la categoría A. Cuando el deslizamiento es inaceptable deberían utilizarse tornillos pretensados en uniones de categoría B (resistentes al deslizamiento en el estado límite de servicio) o en uniones de categoría C (resistentes a deslizamiento en el estado límite último). Para esfuerzo máximo a compresión en los cubrejuntas del ala y compresión máxima en las platabandas del alma (véase la Figura 2.1): Se asume que todas las vigas están sujetas a una combinación de cargas permanentes y variables. Página 3 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU M Ed N Ed V Ed NEd = NEd,G + NEd,Q VEd = VEd,G + VEd,Q MEd es el momento nominal de cálculo (véase SN005) (debido a las acciones permanentes y variables) en la parte superior del pilar, es decir en el nivel de la planta ubicada inmediatamente por debajo del empalme. = MEd,G + MEd,Q V Ed N Ed,fp,c 2 N Ed,wp Figura 2.1 Para la evaluación de NEd,fp,c y NEd,wp, véanse las secciones 4 y 6. Para compresión máxima en los cubrejuntas del ala y en las platabandas del alma Para esfuerzo máximo a tracción en los cubrejuntas del ala (véase la Figura 2.2): Para el momento nominal de cálculo MEd, se asume que las vigas que originan el momento están sometidas a una combinación de cargas permanentes y variables Para el diseño por fuerza axial del pilar NEd,G, se asume que todas las vigas están sometidas únicamente a cargas permanentes. M Ed NEd,G es la fuerza axial en el pilar debida a las cargas permanentes en todas las vigas VEd = MEd es el momento nominal de cálculo (véase SN005) (debido a las acciones permanentes y variables) en la parte superior de la columna, es decir en el nivel de la planta ubicada inmediatamente por debajo del empalme. N Ed,G V Ed N Ed,fp,t = VEd,G + VEd,Q MEd,G + MEd,Q Para la evaluación de NEd,fp,t, véase la sección 4. Figura 2.2 Para tracción máxima en los cubrejuntas del ala Página 4 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU La resistencia de cálculo y el modo de fallo de la unión son el valor y el modo que tienen la menor resistencia de todos los posibles modos de fallo. Consulte la Tabla 2.1 dada a continuación, para ver las reglas relativas a cada modo de fallo. Tabla 2.1 Resistencia de diseño para empalmes en columnas no portantes Modo de fallo Número de sección Cubrejuntas del ala NRd,fp,c NRd,fp,t 4 Distribución de tornillos en el cubrejuntas del ala VRd,fp VRd,fp,ser 5 Platabanda del alma NRd,wp,c 6 Distribución de tornillos en la platabanda del alma VRd,wp VRd,wp,ser 7 Distribución de tornillos en el alma del pilar VRd,w VRd,w,ser 8 Integridad estructural del empalme NRd,u 9 En la sección 3, se da una lista de los parámetros específicos para el modelo de diseño. En la sección 10, se encuentran las limitaciones para la aplicación de estas reglas. En la sección 11se encuentran los antecedentes de estas reglas 3. Parámetros e 1,fp p1,fp p1,fp Lj n fp=8 p1,fp gv h fp p1,fp Lj p1,fp n fp=8 p1,fp e 2,fp p 2,fp e 2,fp b fp Página 5 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU t f,uc t pa e 2,w e 1,wp e 1,w gv p 1,wp n wp=4 p 1,wp n wp=4 h wp e 2,wp p 2,wp e 2,wp b wp t fp t f,lc Figura 3.1 Detalles de empalmes de pilares y parámetros Afp Área de un cubrejuntas del ala Awp Área de una platabanda del alma Af,lc Área de un ala del pilar inferior Af,uc Área de un ala del pilar superior As Área resistente a tracción del tornillo Auc Área del pilar superior Aw,lc Área del pilar inferior Aw,uc Área del alma del pilar superior bf,uc Ancho del ala del pilar superior bfp Ancho del cubrejuntas del ala bwp Ancho de la platabanda del alma d Diámetro del tornillo do Diámetro del agujero del tornillo fub Resistencia última de los tornillos fu,p Resistencia última de las platabandas Página 6 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU fu,uc Resistencia última del pilar superior fy,p Límite elástico de las platabandas y cubrejuntas fyb Límite elástico de los tornillos hfp Altura del cubrejuntas del ala huc Canto del pilar superior hwp Altura de la platabanda del alma nfp Número de tornillos entre un cubrejuntas del ala y el pilar superior nwp Número de tornillos entre la platabanda del alma y el pilar superior tf,lc Espesor del ala del pilar inferior tf,uc Espesor del ala del pilar superior tfp Espesor del cubrejuntas del ala tpa Espesor del forro tw,lc Espesor del alma del pilar inferior tw,uc Espesor del alma del pilar superior twp Espesor de la platabanda del alma Los símbolos que no se presentan aquí están definidos en las partes relevantes de EN1993. 4. Platabanda del ala El diseño por carga axial del cubrejuntas del ala debería verificarse en relación a la fuerza axial de cálculo (tanto a compresión como a tracción) NEd,fp,c ≤ NRd,fp,c (1) (Para compresión en el cubrejuntas del ala) NEd,fp,t ≤ NRd,fp,t (2) (Para tracción en el cubrejuntas del ala) El esfuerzo máximo de cálculo por compresión en el cubrejuntas del ala (NEd,fp,c) se calcula a partir de : N Ed,fp,c = ⎛ Af,uc ⎞ M Ed ⎟⎟ + (N Ed,G + N Ed,Q )⎜⎜ huc ⎝ Auc ⎠ El esfuerzo máximo de cálculo por compresión en el cubrejuntas del ala (NEd,fp,c) se calcula a partir de : N Ed, fp, t = ⎛ Af, uc ⎞ M Ed ⎟⎟ − N Ed, G ⎜⎜ huc ⎝ Auc ⎠ Donde: Página 7 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU MEd es el momento nominal de cálculo (debido a las cargas permanentes y variables) en el pilar superior, por ejemplo a nivel de la planta ubicada inmediatamente por debajo del empalme (véase SN005). Nota: Si NEd,fp,t es menor que cero, entonces no hay esfuerzo de tracción en la platabanda del ala, y no se requiere verificar (2). La resistencia de cálculo del cubrejuntas del ala en compresión (NRd,fp,c) se calcula a partir de § 6.2.4(2) de EN1993-1-1. La resistencia de cálculo del cubrejuntas a tracción (NRd,fp,t) se calcula a partir de § 6.2.3(2) de EN1993-1-1. ⎛ Afp f y,p 0.9 Afp,net f u,p ⎞ ⎟⎟ N Rd,fp,t = min⎜⎜ ; γ M2 ⎝ γ M0 ⎠ Donde: Afp,net = Afp − 2tfpdo Página 8 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU 5. Grupo de tornillos en el cubrejuntas del ala La resistencia de cálculo del grupo de tornillos del cubrejuntas del ala debe verificarse en relación a la fuerza axial de cálculo (por ejemplo de compresión) en el cubrejuntas del ala. NEd,fp,c ≤ VRd,fp Adicionalmente, para tornillos de categoría B, la fuerza de cálculo por servicio no debe exceder la resistencia de cálculo por deslizamiento. NEd,fp,c,,ser ≤ VRd,fp,ser La resistencia de cálculo del grupo de tornillos viene dada por las siguientes expresiones: Para tornillos de categoría A: A cortadura y aplastamientoo (§ 3.4.1(1) (a) of EN1993-1-8) VRd,fp min. ( ∑ Fb,Rd ; nfpFv,Rd) = Donde: nfp es el número de tornillos entre un cubrejuntas del ala y el pilar superior Fb,Rd es la resistencia a aplastamiento de cálculo de un tornillo en el cubrejuntas del ala, dado en la Tabla 3.4 de EN1993-1-8 como: Fb,Rd = k1α b f u,p d t fp γ M2 donde, para esta configuración: Fv,Rd αb = ⎛e ⎞ p f 1 min. ⎜ 1, fp ; 1, fp − ; ub ; 1,0 ⎟ ⎜ 3d o ⎟ 3d o 4 f u, p ⎝ ⎠ k1 = ⎞ ⎛ e2,fp p 2,fp min. ⎜⎜ 2 ,8 − 1,7; 1,4 − 1,7; 2 ,5 ⎟⎟ do do ⎠ ⎝ es la resistencia de cálculo a cortante de un solo tornillo, dado en la Tabla 3.4 de EN1993-1-8. Sin embargo, debe aplicarse un factor de reducción, βp a Fv,Rd si el espesor del forro tpa es mayor que un tercio del diámetro nominal del tornillo, d (véase § 3.6.1(12) de EN1993-1-8). De esta manera, el valor de Fv,Rd viene dado por: Fv,Rd = β pα v f ub As γ M2 ⎛ 9d ⎞ Donde β p = min⎜ ; 1⎟ ⎜ 8d + 3tpa ⎟ ⎝ ⎠ Página 9 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU Tornillos de categoría B: VRd,fp = VRd,fp,ser = Resistentes al deslizamiento en el estado límite de servicio (§ 3.4.1(1) (b) of EN1993-1-8) min. ( ∑ Fb,Rd ; nfpFv,Rd) nfpFs,Rd,ser Donde: nfp, Fb,Rd y Fv,Rd se han definido anteriormente Fs,Rd,ser es la resistencia de cálculo por deslizamiento para una superficie de fricción simple de un tornillo pretensado de clase 8.8 o 10.9, en el estado límite de servicio, dado en § 3.9.1 de EN1993-1-8 como: = Fs, Rd,ser ks μ γ M3,ser Fp,c Para el estado límite de servicio: γM3,ser = 1,1 (Tabla 2.1 de EN-1993-1-8) Para tornillos de categoría C: Resistencia al deslizamiento en el estado límite último (§ 3.4.1(1) (c) de EN1993-1-8) VRd,fp = mín ( ∑ Fb,Rd ; nfpFs,Rd) Donde: nfp y Fb,Rd se han definido anteriormente Fs,Rd es la resistencia de cálculo al deslizamiento para una superficie de fricción simple en el estado límite último, dado por: Fs, Rd = ks μ γ M3 Fp, c Para el estado límite último: γM3 = 1,25 (Tabla 2.1 de EN-1993-1-8) Página 10 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU 6. Platabanda del alma En circunstancias normales, la fuerza cortante horizontal VEd (la fuerza que se origina por el gradiente de momentos y no la debida a fuerzas de viento) es resistida por las platabandas del alma. Sin embargo, VEd es generalmente pequeño para pilares en "construcción simple" (véase SN020) y, por consiguiente, no se presenta una verificación específica en este ICNC. Despreciando VEd, la resistencia axial de cálculo de la platabanda del alma debe verificarse simplemente en relación al esfuerzo de diseño por compresión: NEd,wp ≤ NRd,wp,c El esfuerzo de cálculo por compresión en una platabanda del alma (NEd,wp) se calcula a partir de: N Ed, wp = N Ed Aw,uc 2Auc La resistencia de cálculo de una platabanda del alma en compresión (NRd,fp,c) se calcula a partir de § 6.2.4(2) de EN1993-1-1. N Rd, wp,c = Awp f y,p γ M0 Si la resistencia de la sección transversal de la platabanda del alma necesita verificarse para una combinación de fuerza axial y cortante, debe realizarse en base a § 6.2.1 (5) of EN1993-1-1. 7. Corrigendum 4/1/08 Grupo de tornillos de la platabanda del alma Cuando se desprecia la fuerza cortante VEd (véase la sección 6), la resistencia de cálculo de la platabanda del alma debe verificarse en relación al esfuerzo de cálculo por compresión en la platabanda del alma (NEd,wp, indicado anteriormente en la sección 6): NEd,wp ≤ VRd,wp Adicionalmente para tornillos de categoría B, la fuerza de cálculo en el estado límite de servicio no debería exceder la resistencia de cálculo por deslizamiento, es decir NEd,wp,ser ≤ VRd,wp,ser La resistencia de cálculo del grupo de tornillos viene dada como se indica a continuación: Tornillos de categoría A: A cortadura y aplastamiento (§ 3.4.1(1) (a) de EN1993-1-8) VRd,wp = mín ( ∑ Fb,Rd ; nwpFv,Rd) Donde: Página 11 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU nwp es el número de tornillos que conectan la platabanda del alma con el pilar superior Fb,Rd es la resistencia de cálculo a aplastamiento de un tornillo en una platabanda del alma, dado en la Tabla 3.4 de EN1993-1-8 como: Fb,Rd = k1α b f u,p d t wp γ M2 donde para esta configuración: Fv,Rd αb = ⎞ ⎛ e1, wp p1, wp 1 f mín ⎜⎜ ; − ; ub ; 1,0 ⎟⎟ 3d o 4 f u,p ⎠ ⎝ 3d o k1 = p2, wp ⎛ e2, wp ⎞ mín ⎜⎜ 2,8 − 1,7; 1,4 − 1,7; 2 ,5 ⎟⎟ do do ⎝ ⎠ se ha definido en la sección 5 Tornillos de categoría B: Resistentes al deslizamiento en el estado límite de servicio (§ 3.4.1(1) (b) de EN1993-1-8) VRd,wp = mín ( ∑ Fb,Rd ; nwpFv,Rd) VRd,wp,ser = nwpFs,Rd,ser Donde: nwp , Fb,Rd y Fv,Rd se han definido anteriormente Fs,Rd,ser = ks μ γ M3,ser Fp,c Para el estado límite de servicio, γM3,ser = 1,1 (Tabla 2.1 de EN-1993-1-8) Tornillos de categoría C: Resistencia al deslizamiento en el estado límite último (§ 3.4.1(1) (c) de EN1993-1-8) VRd,wp = mín ( ∑ Fb,Rd ; nwpFs,Rd) Donde: nwp y Fb,Rd se han definido anteriormente Fs,Rd se ha definido en la sección 5 Página 12 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU 8. Grupo de tornillos en el alma del pilar La resistencia de cálculo del grupo de tornillos del pilar superior debe verificarse en relación a la fuerza axial de cálculo en el alma del pilar N Ed, w ≤ VRd, w Adicionalmente para tornillos de categoría B, la fuerza de cálculo en servicio no debería exceder la resistencia de cálculo por deslizamiento, es decir NEd,w,ser ≤ VRd,w,ser La fuerza de cálculo por compresión en el alma del pilar superior (NEd,w) se calcula a partir de: N Ed, w = N Ed Aw,uc Auc La resistencia de cálculo del grupo de tornillos viene dada como se muestra a continuación: Tornillos categoría A: A cortadura y aplastamiento (§ 3.4.1(1) (a) de EN1993-1-8) VRd,w = mín ( ∑ Fb,Rd ; 2nwpFv,Rd) Donde: nwp es el número de tornillos que unen la platabanda del alma con el pilar superior Fb,Rd es la resistencia de cálculo a aplastamiento de un tornillo en el alma del pilar, dado en la Tabla 3.4 de EN1993-1-8 como: Fb,Rd = k1α b f u,uc d t w,uc γ M2 donde, para esta configuración: ⎛ e1, w α b = min ⎜⎜ ⎝ 3d 0 ; p1, wp 3d 0 ⎞ f ub 1 − ; ; 1,0 ⎟⎟ 4 f u,uc ⎠ ⎛ p2, wp ⎞ − 1,7; 2 ,5 ⎟⎟ k1 = min ⎜⎜1,4 d0 ⎝ ⎠ Fv,Rd se ha definido en la sección 5 Tornillos de categoría B: Resistentes al deslizamiento en el estado límite de servicio (§ 3.4.1(1) (b) de EN1993-1-8) VRd,wp = mín ( ∑ Fb,Rd ; 2nwpFv,Rd) VRd,w,ser = 2nwpFs,Rd,ser Donde: Página 13 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU nwp , Fb,Rd y Fv,Rd están definidos anteriormente Fs,Rd se ha definido en la sección 5 Para tornillos de categoría C: Resistencia al deslizamiento en el estado límite último (§ 3.4.1(1) (c) de EN1993-1-8) VRd,w ≤ mín ( ∑ Fb,Rd ; 2nwpFs,Rd) Donde: nwp y Fb,Rd han sido definidos anteriormente Fs,Rd se ha definido en la sección 5 9. Integridad estructural (bajo fuerza de atado) EN1993-1-8 no proporciona asesoramiento alguno acerca de la resistencia de atado de las uniones. Sin embargo, debido a las grandes deformaciones asociadas con este modo de fallo, se recomienda utilizar la resistencia a rotura (fu), para el cálculo de la resistencia de atado, donde el coeficiente parcial de atado γM,u puede tomarse como 1,1. Conservadoramente, se puede asumir que la fuerza de atado del empalme del pilar sea resistido sólo por los cubrejuntas del ala. La resistencia axial de cálculo del empalme del pilar (a tracción) debería verificarse contra la fuerza de atado de cálculo en el pilar: NEd,u ≤ NRd,u Donde: N Rd, u = 2N Rd, u,fp ⎛ 0 ,9 Afp,net f u,p N Rd,u,fp = min ⎜⎜ ; nfp Fv,Rd,u ; nfp Fb,Rd,u γM,u ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ De la Tabla 3.4 en EN1993-1-8: Fv,Rd,u = Fv,Rd = α v f ub As γ M,u Fb,Rd,u = Fb,Rd = y k1α b f u,p d tfp γ M,u Donde: nfp = Número de tornillos entre un cubrejuntas del ala y el pilar superior Página 14 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU γM,u = 1,1 para la resistencia de atado ⎛ e1, fp p1, fp 1 f ub ⎞ ; − ; ; 1,0 ⎟ ⎜ 3d 0 3d 0 4 f u, p ⎟ ⎝ ⎠ α b = min ⎜ p2, fp ⎛ e2, fp ⎞ − 1,7; 1,4 − 1,7; 2 ,5 ⎟⎟ k1 = min ⎜⎜ 2 ,8 d0 d0 ⎝ ⎠ 10. Límites de aplicación Tornillos en agujeros normales: No pretensados, clases 4.6 a 10.9 Pretensados, clases 8.8 ó 10.9 Para evitar el pandeo local de las platabandas y cubrejuntas, la distancia entre las sujeciones debe ser igual o menor que 9tε (véase Nota 2, de la Tabla 3.3 en EN1993-1-8). 11. Antecedentes Las reglas de esta ICNC están basadas en: (1) European recommendations for the design of simple joints in steel structures Document prepared under the supervision of ECCS TC10 by: J.P. Jaspart, S. Renkin and M.L. Guillaume - First draft, September 2003. (2) Joints in Steel Construction – Simple Connections (P212). The Steel Construction Institute and The British Constructional Association Ltd., 2002. Página 15 ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto SN023a-ES-EU Registro de Calidad TÍTULO DEL RECURSO ICNC: Modelo de diseño de empalmes de pilares sin contacto Referencias(s) DOCUMENTO ORIGINAL Nombre Compañía Fecha Creado por Abdul Malik The Steel Construction Institute Feb 2005 Contenido técnico revisado por Edurne Nunez The Steel Construction Institute Nov 2005 1. Reino Unido G W Owens SCI 11/1/06 2. Francia A Bureau CTICM 11/1/06 3. Suecia A Olsson SBI 11/1/06 4. Alemania C Müller RWTH 11/1/06 5. España J Chica Labein 11/1/06 G W Owens SCI 11/5/06 Traducción realizada y revisada por: eTeams International Ltd. 21/02/06 Recurso de traducción aprobado por: Edurne Nuñez Labein 24/03/06 Contenido editorial revisado por Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEEL: Recurso aprobado por el Coordinador técnico DOCUMENTO TRADUCIDO Página 16