Implementación de la verificación de pernos AISC 360-10 en SDC Verifier
Yurii Shumak
Las estructuras reales constan normalmente de muchos elementos diferentes, que se unen entre sí de distintas formas según la configuración, por ejemplo, mediante soldaduras, remaches o pernos.
Todos estos tipos de conexión proporcionan la transferencia de carga de un elemento estructural a otro, realizando su funcionalidad de diseño prevista y siendo una parte importante de la estructura.
La mayoría de los fallos estructurales están causados por conexiones mal diseñadas, por lo que es extremadamente importante verificarlas de acuerdo con las normas adecuadas para garantizar la seguridad en el futuro.
Los pernos no son una excepción. El análisis de uniones atornilladas es una parte importante de la ingeniería de elementos finitos.
En este artículo se muestra lo fácil que es verificar los pernos y las piezas roscadas según la norma AISC 360-10 (especificación del capítulo J3.) directamente en su paquete CAE favorito, como Ansys, Femap, Simcenter 3D.
SDC Verifier se realiza sobre estos programas y puede extraer automáticamente las fuerzas internas de los elementos 1D (es decir, los pernos) del modelo de elementos finitos, de modo que las siguientes comprobaciones puedan realizarse rápidamente directamente en su entorno de simulación:
- Resistencia a la tracción y al cizallamiento de pernos y piezas roscadas
- La fuerza de tracción por pernos se compara con la resistencia a la tracción admisible de los pernos;
- La fuerza de cizallamiento por pernos se compara con la capacidad de cizallamiento de los pernos;
- Tensión y cizallamiento combinados en conexiones tipo rodamiento
- La tensión de tracción requerida por los pernos se compara con la tensión de tracción nominal modificada, que incluye los efectos de la tensión de cizallamiento de los pernos;
- El esfuerzo cortante disponible del tornillo deberá ser igual o superior al esfuerzo cortante requerido;
- Pernos de alta resistencia en conexiones con deslizamiento crítico
- El esfuerzo cortante requerido del perno se compara con la resistencia al deslizamiento disponible;
- Resistencia en los agujeros de los pernos
- El esfuerzo cortante requerido del perno se compara con la resistencia disponible del cojinete en los orificios del perno;
Muchos de los detalles prescritos por la norma AISC 360-10 se leen en su modelo de AEF y se utilizan además en las fórmulas como variables para los cálculos automáticos de otros parámetros necesarios para la verificación de las uniones atornilladas, por ejemplo, como se muestra en el ejemplo siguiente en el que se verifican los tornillos M24:
El área de tensión del perno (tanto el área de tensión de cizallamiento como de tracción de un perno) en las comprobaciones se basa en el diámetro del perno, que se lee automáticamente en la propiedad, aunque el usuario tiene la posibilidad de anularlo si es necesario.
Nota: tenga en cuenta los requisitos de separación entre pernos que figuran en la sección J3 cuando establezca sus propios valores del diámetro de los pernos (consulte también el Manual de construcciones de acero del AISC).
15.. Pernos_M24
| Propiedad | Valor | Forma de la propiedad |
|---|---|---|
| Tipo / Elementos | Viga / 154 |  |
| Material | 12..Vigas del puente_detallado | |
| Masa [kg] | 29.8 | |
| Centro de gravedad [m] | [15.2; 10.6; 20.0] | |
| Superficie, [m2] | 4.524e-04 | |
| l1, [m4] | 1.629e-08 | |
| l2, [m4] | 1.629e-08 | |
| l12, [m4] | 0 | |
| Contraste de torsión, [m4] | 3.254e-08 | |
| Área de cizallamiento Y, [m2] | 4.009e-04 | |
| Z Área de cizallamiento, [m2] | 4.009e-04 | |
| Masa no estructural, [kg] | 0 | |
| Perímetro, [m] | 0.1 | |
| Constante de alabeo, [m6] | 0 | |
| Desplazamiento del eje neutro A, [m] Y | 0 | |
| Z Desplazamiento del eje neutro A, [m] | 0 | |
| r [m] | 0.0120 |
Con la ayuda del selector basado en reglas, puede crear las selecciones de pernos a comprobar definidas por el usuario, de la forma más rápida y cómoda utilizando todos los elementos disponibles: en función de los materiales, las propiedades, los tipos de elementos, etc.
Se permite que los pernos se instalen a la condición de ajustado-apretado, que se define como el apriete necesario para que las capas conectadas entren en contacto firme.
Todos los pernos de alta resistencia especificados en los planos de diseño para ser utilizados en uniones pretensadas o con deslizamiento crítico deberán apretarse a una tensión de perno no inferior a la indicada en la tabla J3.1 o J3.1M de AISC 360-10.
SDC Verifier toma por defecto el 70% de la resistencia mínima a la tracción del perno para estos pernos de precarga.
Aunque en nuestro ejemplo equivale a 205 kN para pernos M24, también existe la opción de establecer su propio valor específico si es necesario.
| TABLA J3.1M Pretensión mínima de los pernos, kN* |
||
|---|---|---|
| Tamaño del perno, mm | Grupo A (por ejemplo, pernos A325M) | Grupo B (por ejemplo, tornillos A490M) |
| M16 | 91 | 114 |
| M20 | 142 | 179 |
| M22 | 176 | 221 |
| M24 | 205 | 257 |
| M27 | 267 | 334 |
| M30 | 326 | 408 |
| M36 | 475 | 595 |
| *Igual a 0,70 veces la resistencia mínima a la tracción de los pernos, redondeada al kN más próximo, según se especifica en las especificaciones ASTM para pernos A325M y A490M con roscas UNC. | ||
La resistencia nominal al cizallamiento de los pernos se toma por defecto como el 56,3% o el 45% de la resistencia mínima a la tracción de los pernos según la tabla J3.2, mientras que la resistencia nominal a la tracción de los pernos es por defecto del 75%:
| Tabla J3.2 Resistencia nominal de elementos de fijación y piezas roscadas, ksi (MPa) |
||
|---|---|---|
| Descripción de los elementos de fijación | Resistencia nominal a la tracción, Fnt, ksi (MPa) [a] | Resistencia nominal al corte en conexiones tipo rodamiento, , Fntksi (MPa) [b] |
| Pernos A307 | 45 (310) | 27 (188) [c] [d] |
| Pernos del grupo A (por ejemplo, A325), cuando las roscas no están excluidas de los planos de cizalladura | 90 (620) | 54 (372) |
| Pernos del grupo A (por ejemplo, A325), cuando las roscas no están excluidas de los planos de cizalladura | 90 (620) | 68 (457) |
| Pernos del grupo B (por ejemplo, A490), cuando las roscas no están excluidas de los planos de cizallamiento | 113 (780) | 68 (457) |
| Pernos del grupo B (por ejemplo, A490), cuando las roscas no están excluidas de los planos de cizallamiento | 113 (780) | 84 (579) |
| Piezas tratadas que cumplen el requisito de la sección A3.4, cuando las roscas no están excluidas de los planos de cizallamiento | 0.75Fu | 0.450 Fu |
| Piezas tratadas que cumplen el requisito de la sección A3.4, cuando las roscas no están excluidas de los planos de cizallamiento | 0.75Fu | 0.563 Fu |
| [a] Para pernos de alta resistencia sometidos a cargas de fatiga por tracción, véase el apéndice 3. [b] Para conexiones con carga en los extremos con una longitud del patrón de fijación superior a 965 mm (38 pulg.). Fnv se reducirá al 83,3% de los valores tabulados. La longitud del patrón de fijación es la distancia máxima paralela a la línea de fuerza entre la línea central de los pernos que conectan dos piezas con una superficie de fijación. [c] Para los pernos A307, los valores tabulados se reducirán en un 1% por cada 1/16 pulg. (2 mm) por encima de 5 diámetros de longitud en el agarre. [d] Roscas permitidas en planos de cizalladura. | ||
Después de tener en cuenta automáticamente estos y muchos otros detalles, los dos métodos de comprobación de pernos prescritos por AISC 360-10 – ASD y LRFD, pueden ejecutarse con sólo unos clics.
Los resultados de las comprobaciones se presentan mediante el factor de utilización (UF), que muestra la relación entre la tensión calculada y la tensión admisible por cada perno.
Método ASD
Método LRFD
Como es sabido, la norma AISC 360-10 prescribe muchos casos de carga que deben comprobarse para ambos métodos en función de los tipos de carga y los diferentes factores de influencia, por lo que resulta muy práctico comprobar los resultados basados en el Grupo de carga, que muestra los peores valores (máximos absolutos) de los resultados sobre todas las combinaciones de carga en 1 imagen.
Ambas comprobaciones se basan en las resistencias a la tracción y al cizallamiento de los pernos requeridas, que también pueden mostrarse en los gráficos:
NB: Se aplica el mismo enfoque con los grupos de carga adecuados para los diferentes métodos.
Resistencia a la tensión requerida
Método ASD
Método LRFD
Resistencia al corte requerida
Método ASD
Método LRFD
Método ASD
Método LRFD
Por último, pero no por ello menos importante, están los requisitos específicos del usuario, que pueden ser bastante diferentes en comparación con las normas industriales más populares (Eurocódigo 3, AISC, EN13001, FEM 1.001, etc.). Con SDC Verifier es posible crear sus comprobaciones de pernos personalizadas y tener en cuenta todos estos detalles.
Conclusión
SDC Verifier permite la verificación de pernos según la norma AISC360-10 directamente en su software favorito (Ansys, Femap, Simcenter 3D). Cualquier requisito específico del usuario puede tenerse en cuenta fácilmente, mientras que los informes automáticos muy detallados harán que la visión general de los resultados sea clara y le ahorrará mucho esfuerzo.
