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La fuerza de rodamiento es un concepto fundamental en el diseño de conexión estructural de acero que influye directamente en la seguridad, el rendimiento y la longevidad de las estructuras de acero. Cuando los miembros de acero se unen a las conexiones atornilladas, la interacción entre el perno y el material de placa circundante crea tensiones compresivas localizadas conocidas como tensiones de rodamientos. Entendiendo cómo se desarrollan estas tensiones, cómo afectan el comportamiento de conexión y cómo diseñar correctamente la resistencia de rodamientos es esencial para los ingenieros estructurales que trabajan con la construcción de acero.
Esta guía integral explora el papel crítico de la fuerza de la conexión de acero, examinando los principios fundamentales, métodos de cálculo, modos de falla, consideraciones de diseño y mejores prácticas que aseguran conexiones estructurales robustas y fiables.
¿Qué es la fuerza de rodamiento en las conexiones de acero?
La fuerza de rodamiento es particularmente crítica para conexiones, articulaciones y puntos de transferencia de carga donde se aplican fuerzas concentradas, determinando la capacidad de carga de conexiones atornilladas, rematadas o enmarcadas en estructuras de acero. A diferencia de la resistencia a la tensión o a la compresión que considera toda la sección transversal de un miembro, la fuerza de rodamiento se centra específicamente en las áreas de contacto localizadas, lo que lo convierte en una propiedad única y esencial en diseño de conexión.
Las tensiones desarrolladas cuando dos cuerpos elásticos se ven forzados juntos se denominan tensiones de rodamiento, y se localizan en la superficie del material y pueden ser muy altas debido a las pequeñas áreas en contacto. En conexiones atornilladas, esto ocurre cuando el perno se tiñe osos contra la superficie interior del agujero de perno en las placas conectadas.
Distribución de la tensión de los rodamientos
El estrés medio del rodamiento fp = P/(db t), donde P es la fuerza aplicada al ayuno. Sin embargo, este cálculo simplificado supone una distribución uniforme del estrés. En realidad, la intensidad del estrés del rodamiento entre el remache y el agujero no es constante pero varía de cero en los bordes a un valor máximo directamente en la parte posterior del remache. A pesar de esta complejidad, la práctica común de asumir el agujero proyectado es compatible con los resultados
El estado de estrés del rodamiento puede ser complicado por la presencia de perno o borde cercano, y el espaciamiento del perno y la distancia del borde tendrá un efecto en la fuerza del rodamiento. Esta interacción entre parámetros geométricos y la capacidad del rodamiento es una consideración crítica en la conexión de detalle.
Comportamiento de materiales bajo cargas de rodamiento
A nivel microestructural, la fuerza de rodamiento se manifiesta mediante la deformación y compactación de material localizada bajo la superficie de carga, donde las dislocaciones en la estructura de cristal comienzan a moverse y multiplicarse, creando planos deslizantes y eventualmente llevando al flujo plástico. Este comportamiento de deformación es progresivo y depende en gran medida de las características de la ductilidad y fuerza del material.
La fuerza de rodamiento generalmente aumenta con la fuerza de tensil pero a una velocidad decreciente, y los aceros ultra-alta-forz no pueden mostrar aumentos proporcionales en la fuerza de los rodamientos debido a la menor ductilidad. Esta relación destaca la importancia de considerar la fuerza y la ductilidad al seleccionar materiales para conexiones atornilladas.
Tipos de conexiones entorpecidas y comportamiento de rodamiento
Comprender los diferentes tipos de conexiones atornilladas y cómo se desarrollan las fuerzas de rodamiento en cada configuración es esencial para un diseño adecuado. El tipo de conexión influye significativamente en los mecanismos de distribución y fracaso del rodamiento.
Conexiones de tipo cojinete
En las conexiones tipo rodamientos, la carga se transfiere inicialmente por fricción hasta la ocurrencia de deslizamiento, después de lo cual el perno se hundió y el lado del agujero del perno entran en contacto directo, las tensiones de rodamiento se desarrollan en las superficies de contacto, y a medida que aumenta la carga aplicada, aumentan las tensiones de contacto hasta que finalmente se produce el fallo del rodamiento.
Hay que cumplir dos criterios de fuerza separados: (1) la fuerza de la cerradura del perno mismo; y (2) la capacidad de compresión de los elementos que se unen, como los pernos "soportan" en la superficie interior de los agujeros del perno. Ambos criterios deben ser revisados para asegurar un rendimiento de conexión adecuado.
Conexiones de deslizamiento vertical
En los casos menos comunes en los que no se desea deslizar, por ejemplo, en estructuras sujetas a reversaciones de estrés repetidas, las llamadas conexiones deslizantes críticamente diseñadas sobre la base de la fuerza de sujeción que los tornillos colocan sobre los elementos de acero que se unen, de modo que la fricción entre las superficies sujetadas juntas resista la tendencia de los tornillos a deslizarse dentro de los agujeros de tornillo.
Se requieren principalmente en presencia de fatiga con reversión de la carga, agujeros de tamaño, agujeros ranurados (excepto cuando la carga es normal a la ranura), y cuando deslizarse en la superficie de desvanecimiento sería perjudicial para el rendimiento de la estructura.
Single Shear vs. Dobles conexiones de Shear
Cuando el perno está en doble cobertizo, dos secciones transversales son eficaces para resistir la carga, y el perno en doble cobertizo tendrá el doble de la fuerza de cocción en un solo cobertizo. La configuración de la cojinete también afecta el comportamiento de cojinete, ya que las consideraciones de distribución de carga y grosor de placa difieren entre los arreglos de cojinete simple y doble.
Para los pernos en el revestimiento individual, el espesor de la regla es el espesor del elemento más delgado que se une, mientras que para los pernos en el doble cobertizo, el espesor pertinente es o el de la pieza media, o los grosores combinados de las dos piezas externas (siendo) menos (siempre que todos los elementos que se unen se hacen del mismo material).
Modos de falla en las conexiones de rodamientos
Las conexiones entorpecidas pueden fallar en varios modos distintos, cada uno con diferentes características e implicaciones para el diseño. Reconocer estos modos de falla y entender las condiciones que conducen a cada tipo es crucial para crear conexiones seguras y eficientes.
Fracaso de rodamiento de placas
Cuando un perno ordinario es sometido a fuerzas de desgarro, el deslizamiento se realiza y el perno entra en contacto con las placas, y el plato puede ser aplastado, si el material de placa es más débil que el material de tornillo. Este tipo de falla implica deformación excesiva y eventual aplastamiento del material de la placa alrededor del agujero de perno.
Las tensiones compresivas que se producen entre el perno y la placa se deben a deformaciones excesivas en el perno y la placa, y a calcular el estrés del rodamiento entre el perno y el borde del agujero, se define la asunción de distribución uniforme de las tensiones en esta superficie.
Fracaso de los rodamientos de los tornillos
El perno se tritura alrededor de la mitad de la circunferencia, la placa puede ser fuerte en el rodamiento y la placa más pesada estresada puede presionar la manivela del perno, aunque el fallo de rodamiento de los pernos generalmente no ocurre en la práctica excepto cuando las placas están hechas de acero de alta resistencia y los pernos son de acero de muy bajo grado.
Tearout y Shear-Out Failure
El problema del rodamiento puede ser complicado por la presencia de un perno cercano o la proximidad de un borde en la dirección de la carga, el espaciamiento del perno y la distancia final influirá en la fuerza del rodamiento, y un posible modo de falla resultante de un cojinete excesivo es la desgarro al final del miembro conectado. Este modo de falla ocurre cuando la distancia del borde insuficiente o la distancia final permite el material entre el agujero del perno y el borde de la placa para des.
Los especímenes exhibieron tres modos de falla: retráctil neto; desgarro; y fallos de división, donde la distancia final y la distancia de borde eran dos parámetros controlados que determinaban los modos de falla. La investigación ha demostrado que los parámetros geométricos juegan un papel dominante en la determinación del modo de falla que gobernará.
Fracture de la sección neta
Se observaron dos modos de fallo principales en las pruebas de conexión atornilladas, a saber, las fallas de tensión de la sección de rodamientos y redes. La fractura de sección neta se produce cuando la zona de sección transversal reducida en los agujeros de pernos no puede sostener la fuerza de tracción aplicada, lo que da lugar a fracturas en la sección neta.
Debido a una reducción en el área neta (es decir, debido a agujeros de pernos) de la placa a lo largo de la línea de perno, la fuerza de tracción de la placa será menor que el valor real en esta sección, y debido a esto, la placa podría fallar bajo tensión, por lo tanto, se hace importante calcular el área menos neta entre diferentes líneas de perno para encontrar la menor resistencia de la placa y comprobarlo para la carga aplicada.
Fracaso de la manguera de bloque
El miembro puede fallar debido a fracturas de tensión o bloqueo de bloqueo, y a la falta de conexión/conexión de parte debido a la presencia de agujeros de pernos. El bloqueo es un modo de falla combinado que implica el derrame a lo largo de un plano y tensión a lo largo de un plano perpendicular, lo que da lugar a un bloque de material que se está arrancando de la conexión.
La fuerza de corte característica Rn se calcula sobre la base de los estados de rendimiento y ruptura a lo largo de la superficie o superficies de la corte y el límite de ruptura de los estados a lo largo de la superficie de la tensión. Este modo de falla requiere una cuidadosa consideración en las conexiones con múltiples líneas de perno y distancias de bordes limitados.
Normas de diseño y cálculos de fuerza de rodamientos
Diversas normas internacionales de diseño proporcionan disposiciones específicas para calcular la fuerza de los rodamientos en las conexiones de acero. Comprender estos requisitos de código y sus principios subyacentes es esencial para un diseño fiable y seguro.
Especificaciones AISC para la fuerza de rodamiento
Diseño de rodamiento de fuerza (LRFD J3.10) La fuerza de conexión en el rodamiento se toma en los agujeros de perno por sección LRFD AISC J3.10, y la fuerza de rodamiento de diseño en el agujero de perno es φRn. La especificación AISC proporciona ecuaciones detalladas para diferentes tipos de agujeros y condiciones de carga.
La fuerza de los rodamientos de diseño es para la carga de servicio cuando la deformación es una consideración de diseño (la deformación del borde del agujero se limita a un máximo de 1⁄4"), y el perno también está en una conexión con agujeros estándar, sobredimensionados y cortos independientes de la dirección de carga, o un agujero largo con la ranura paralela a la dirección de la fuerza de rodamiento: Rn = 1.2LctFu ≤ 2.4dt.
La fuerza disponible para un perno en el rodamiento, Rn/Ω = 1.5dbtFu, donde el factor de seguridad para el rodamiento, Ω = 2.0. Estas ecuaciones representan la distancia clara entre los agujeros de perno o al borde de la parte conectada.
Especificaciones de material de Bolt
A325, F1852 y A-490, la nueva especificación ASTM F1852 se refiere a los sujetadores frecuentemente denominados control de tensión, TC, retorcido o atornilladores de torque y bisagra, y los tornillos de alta resistencia varían de 1⁄2 a 1⁄2 pulg. Los diferentes grados de pernos tienen diferentes propiedades de fuerza que deben ser considerados en el rodamiento.
El estrés nominal de la cizalladura de pernos se puede tomar como 68 ksi para los pernos del Grupo A (A325) y 84 ksi para los pernos del Grupo B (A490): cuando se divide por el factor de seguridad para la cizalladura de pernos, Ω = 2,00, las tensiones permitibles se convierten en 34 ksi para los pernos del Grupo A y 42 ksi para los pernos del Grupo B.
Códigos de Diseño Internacional
La calculadora actualmente soporta tres principales códigos de diseño: IS 800:2007 (Norma India), AISC 360-16 (American), y Eurocode 3 (EN 1993-1-8), y los cálculos se ajustan automáticamente sobre la base de los requisitos y factores de seguridad del código seleccionado. Mientras que los principios fundamentales siguen siendo consistentes en códigos, métodos de cálculo específicos y factores de seguridad pueden variar.
Aunque el comportamiento mecánico del acero inoxidable y el acero al carbono difiere significativamente, las disposiciones de diseño para las conexiones de acero inoxidable en los estándares actuales se basan esencialmente en las reglas de acero al carbono, y para las conexiones atornilladas, las resistencias de diseño en EN 1993-1-4 y el Manual de diseño de Inox SCI/Euro para acero inoxidable estructural se basan en las de EN 1993-1-8 y EN 1993-1-3 con sólo algunas modificaciones menores.
Factores críticos que afectan la fuerza de los rodamientos
Múltiples factores influyen en la fuerza de los rodamientos de las conexiones de acero, y la comprensión de sus efectos individuales y combinados es esencial para optimizar el diseño de la conexión.
Propiedades materiales
Las propiedades materiales de las placas conectadas y los tornillos afectan significativamente la fuerza de los rodamientos. La fuerza de tracción máxima (Fu) del material de la placa es un parámetro primario en los cálculos de la fuerza de los rodamientos. Para las conexiones hechas de diferentes tipos de acero, la capacidad de rodamiento debe ser calculada para cada elemento, basado en su propio espesor y propiedades materiales, con la menor capacidad que rige el diseño de conexión para el rodamiento.
Los ingenieros suelen limitar las tensiones de los rodamientos de diseño al 50-70% de la fuerza de los rodamientos del material para tener en cuenta las incertidumbres en la carga, variabilidad de materiales y factores ambientales, y este enfoque garantiza un margen suficiente contra la deformación localizada. Este enfoque conservador proporciona unos márgenes de seguridad adecuados y permite un uso eficiente de materiales.
Los factores de seguridad para la resistencia a los rodamientos varían según la aplicación: 2.0-2.5 para aplicaciones estructurales generales, 3.0-4.0 para conexiones críticas sujetas a carga dinámica y 1.5-2.0 para estructuras temporales con cargas bien definidas.
Distancia de borde y distancia final
La distancia de borde y la distancia final son uno de los parámetros geométricos más críticos que afectan la fuerza de los rodamientos. Experimentos y análisis numéricos se llevaron a cabo para investigar las conexiones de tipo de rodamientos con distancias finales y distancias de bordes que van desde un tiempo el diámetro del agujero de perno a dos veces el diámetro del agujero de perno, y los resultados mostraron que la distancia de extremo y la distancia de borde eran dos parámetros controlados que determinaban los modos de falla.
La distancia de borde o extremo insuficiente puede llevar a una falla de desgarro prematura antes de que se desarrolle la capacidad de rodamientos completa. Los códigos de diseño especifican distancias mínimas para prevenir este modo de falla, pero las distancias óptimas a menudo exceden estos mínimos para garantizar el comportamiento dúctil y el desarrollo de la capacidad de cojinete completo.
Bolt Spacing
El espaciado entre pernos afecta a la distribución del estrés y las posibles vías de falla en las conexiones. Tanto el corte como el fallo del rodamiento de la placa pueden evitarse proporcionando un centro suficiente para centrar distancias entre los pernos como se menciona en la sección 10 de IS 800: 2007. El espaciado adecuado impide la interacción entre los agujeros adyacentes del perno y garantiza que cada perno pueda desarrollar su capacidad de cojinete completa.
Los requisitos mínimos de espaciamiento suelen oscilar entre 2,67 y 3 veces el diámetro del perno, con espaciamiento preferido de 3 veces el diámetro que proporciona una óptima distribución de carga y tolerancia a la fabricación.
Ladrón de la placa
El espesor de la placa afecta directamente la capacidad de rodamiento, ya que la fuerza de rodamiento es proporcional al área de rodamiento proyectada (del espesor de la placa de diámetro de la tapa).
Para la reducción de la resistencia a los rodamientos de los materiales conectados es necesario modificar las disposiciones del coeficiente de rodamientos para los aceros de chapa G550 y G300, y esta reducción de la resistencia a los rodamientos se relaciona más con el espesor del acero que con el grado de acero (G550 vs. G300).
Bolt Hole Tipo y tamaño
Estos agujeros se clasifican como: i) Agujeros estándar – 1/16 pulg. más grande que el diámetro nominal de tornillo ii) Agujeros de tamaño extra – no permitidos en conexiones tipo de rodamientos iii) Agujeros cortos – permitidos en el tipo deslizante crítico y el tipo de cojinete. El tipo de agujero afecta el área de cojinete y el potencial de deformación antes de establecer contacto completo de cojinete.
Los agujeros estándar son generalmente 1/16 pulgadas más grandes que el diámetro nominal de los tornillos de hasta 1 pulgada de diámetro, proporcionando una tolerancia adecuada de fabricación al minimizar la reducción en el área de sección neta. Los agujeros extras y ranurados tienen aplicaciones específicas y requieren consideraciones de diseño especiales.
Procedimiento de diseño para la fuerza de rodamiento
Un enfoque sistemático para diseñar la fuerza de rodamiento garantiza que todos los estados límite pertinentes sean considerados y que la conexión se realice según lo previsto durante toda su vida útil.
Paso 1: Determinar las fuerzas de diseño
El primer paso en el diseño de conexión es determinar las fuerzas de diseño factoriales que la conexión debe resistir. Estas fuerzas deben tener en cuenta todas las combinaciones de carga y factores de carga aplicables especificados por el código de diseño de gobierno. La distribución de fuerzas entre múltiples pernos debe determinarse sobre la base de la geometría de conexión y la configuración de carga.
Paso 2: Seleccione el tamaño y la medida de Bolt
La selección de tornillos implica elegir un diámetro y una calidad de material adecuados que resistan las fuerzas de corte y tensión aplicadas. El diámetro de la perno afecta tanto a la capacidad de desgarro como al área de rodamiento, mientras que el grado de perno determina las propiedades de fuerza de material.
Paso 3: Calcular la capacidad de la ola de Bolt
La capacidad de los tornillos debe calcularse teniendo en cuenta si los hilos están incluidos o excluidos del plano de la cizallería. Fuerza de la cizalladura de los tornillos: Ω = 2.0 Diámetro de la perno = 0,68 en la fuerza de la manguera nominal nominal, Fnv = 54 ksi Fuerza de la manguera nominal (por perno), Rnv = 0,6 (54 ksi) 0,463
Paso 4: Calcular la capacidad de rodamiento
Rodamiento Fuerza de agujeros de tornillo estándar: Ω = 2.0 (Ignorando la deformación del agujero de perno a nivel de carga de servicio) distancia de borde, le = 0.84 en (clarar) distancia al agujero adyacente, lc = 2.19 en, y ya que la distancia de borde es menor que la distancia adyacente al siguiente agujero de perno, distancia de borde controlará. El cálculo de la capacidad de rodamiento debe considerar la distancia clara al borde o a los agujeros adyacentes, utilizando el valor más pequeño.
El valor de la bota es el menor de la fuerza de diseño (Vdpb) y la fuerza de la manguera de diseño (Vdsb) del perno. La capacidad de gobierno es el mínimo de las capacidades de cojinete y cojinete.
Paso 5: Chequee los Estados Límites de Placa
Se deben verificar múltiples estados de límite de placa, incluyendo:
- El taladro que produce: La zona bruta a lo largo del plano de la cizallería debe ser adecuada para evitar el rendimiento
- Rotura de la manta: El área neta (contando para agujeros de perno) debe resistir la fractura
- Tensión que produce: La zona brutas perpendicular a la carga no debe ceder
- ruptura de tensión: El área neta debe resistir la fractura en tensión
- El cierre de bloqueo: El camino combinado de corte y falla de tensión debe ser revisado
La fuerza de una conexión atornillada es la menor de valor de perno (fuerza de diseño del perno) y la fuerza de tracción de diseño de la placa.
Paso 6: Verificar los requisitos geométricos
Todos los requisitos geométricos especificados por el código de diseño deben ser verificados, incluyendo distancias mínimas y máximas de borde, distancias finales y espaciamiento de pernos. Estos requisitos aseguran una adecuada distribución de la fuerza, previenen los modos de falla prematura, y proporcionan tolerancias de fabricación adecuadas.
Las fortalezas de los rodamientos de diseño se dan para diferentes distancias de borde (1.25 in. y 2 in.), diferentes Fu (58 y 65 ksi), y diferentes diámetros de pernos (5/8 – 1-1/2 in.) Las tablas de diseño en manuales de acero proporcionan valores tabulados para configuraciones comunes, racionalizando el proceso de diseño.
Consideraciones especiales en el diseño de rodamientos
Algunas condiciones y aplicaciones requieren consideraciones adicionales más allá de los cálculos de resistencia estándar.
Limites de deformación
En algunas aplicaciones, la deformación a las cargas de servicio puede ser una consideración de diseño incluso si la fuerza máxima es adecuada. La deformación de rodamientos puede llevar a una elongación excesiva de agujeros, afectando la capacidad de servicio de la estructura. Los códigos de diseño pueden especificar los límites de deformación, normalmente alrededor de 1/4 pulgadas de elongación de agujeros, que requieren el uso de ecuaciones de fuerza de rodamientos más conservadoras.
La resistencia a los rodamientos de las conexiones atornilladas se ha determinado en estudios anteriores ya sea sobre la base de un criterio de fuerza o de deformación. La elección entre el diseño basado en la fuerza y la deformación depende de los requisitos específicos de aplicación y rendimiento.
Conexiones de acero de alta resistencia
Las conexiones atornilladas tipo cojinete se utilizan con frecuencia para las conexiones de estructura de acero y son típicamente pequeñas cuando se utilizan para conectar aceros de alta resistencia, sin embargo, estudios sobre el modo de falla y la capacidad de rodamiento definitiva de conexiones atornilladas de alta resistencia son, a nuestro mejor conocimiento, limitados. Los aceros de alta resistencia pueden exhibir diferentes comportamientos de cojinete debido a la menor ductilidad y diferentes características de endurecimiento.
La fuerza de rodamiento a menudo se enfrenta a requisitos de ductilidad, y los aceros de mayor resistencia ofrecen una resistencia superior al rodamiento, pero pueden mostrar una capacidad de deformación plástica reducida antes del fracaso, lo que podría conducir a modos de falla más repentinos.
Conexiones de acero de hoja de hoja de tierra
Los aceros de chapa leve (G300) tienen una mayor capacidad de deformación en comparación con los aceros de chapa G550 debido a su elevada ductilidad, y un aumento de la capacidad de deformación fuera de plano puede llevar a lágrimas que no se originan cerca del borde del material apilado delante del tornillo, pero más cerca del centro del agujero de pernos originalmente colocado.
Las normas no pueden utilizarse para predecir con precisión el modo de falla de las conexiones de acero fino de chapa cargadas en el cobertizo, y normalmente se predice la fractura de sección neta cuando los resultados de la prueba revelan que el soporte de la presión en el acero de la hoja es el modo de control.
Conexiones de acero inoxidable
La investigación mostró que el comportamiento de deformación de las conexiones de acero inoxidable era algo diferente al de las conexiones de acero al carbono, con acero inoxidable que exhibía endurecimiento de cepa pronunciado, sin embargo, las ubicaciones de iniciación de fractura obtenidas de los modelos numéricos coincidían con las observadas durante estudios experimentales de acero al carbono y conexiones de acero inoxidable.
El comportamiento no lineal de acero inoxidable, especialmente las calificaciones austeniticas, da lugar a un endurecimiento significativo de la tensión que puede aumentar la capacidad de rodamiento más allá del rendimiento inicial. Sin embargo, esto también complica la predicción de los modos de deformación y falla.
Errores de diseño comunes y cómo evitarlos
Comprender los obstáculos comunes en el diseño de la fuerza de rodamientos ayuda a los ingenieros a evitar errores costosos y garantizar conexiones seguras y eficientes.
Distancia insuficiente de bordes
Uno de los errores más comunes es proporcionar distancia de borde inadecuada, que puede llevar a la falla de desgarro prematura. Mientras que las distancias de borde mínimo se especifican en códigos, el uso de distancias cerca del mínimo puede resultar en una reducción de la capacidad de rodamiento y modos de falla frágiles. Proporcionar distancias de borde de 1,5 a 2 veces el diámetro de perno generalmente asegura una capacidad de cojinete adecuada y comportamiento dútil.
Compatibilidad de material descubridor
Utilizar tornillos de grado superior que sean necesarios puede ser desperdicio y puede causar que las placas fallen antes de los tornillos (agujeros). La conexión debe diseñarse para que todos los componentes trabajen de forma eficiente, con proporciones de utilización similares para diferentes estados límite. Las fortalezas de material malteadas pueden conducir a diseños ineficientes o modos de falla inesperados.
Número excesivo de ayunos
Los componentes de conexión deben fallar de una manera dúctil y predecible, y añadir demasiados abrochadores pueden debilitar las placas debido a la reducción del área de sección neta, por lo que hay un número óptimo basado en la distribución de carga y geometría. Más tornillos no siempre resultan en una conexión más fuerte, ya que la reducción en el área neta puede gobernar la capacidad.
Ignorar la distribución de carga
Suponiendo que la distribución de carga entre todos los tornillos no sea exacta en todos los casos, especialmente en conexiones largas o conexiones con la carga excéntrica. El análisis elástico o métodos más sofisticados pueden ser necesarios para determinar las fuerzas de pernos reales y asegurar una capacidad de rodamiento adecuada en lugares críticos.
Temas avanzados en el análisis de fuerza de rodamiento
Para conexiones complejas o aplicaciones especiales, es posible que sean necesarios métodos de análisis avanzados para predecir con precisión el comportamiento de los rodamientos y el rendimiento de la conexión.
Análisis de elementos finitos de las conexiones de rodamientos
Este trabajo presenta un estudio experimental y numérico para investigar los modos de fuerza y falla de los rodamientos de conexiones de un solo bloque, y luego un método de modelado FE considerando las propiedades de material de tracción y de derrame en las regiones correspondientes se propone explorar el comportamiento de los rodamientos de conexiones de un solo bloque. El análisis de elementos finitos puede capturar distribuciones complejas de estrés, no linealidad material y comportamiento de contacto que no pueden abordar los cálculos de mano simplificados.
La fuerza de rodamiento superior al 12% sobreestimación y modo de falla incorrecto se obtendría utilizando el método de modelado FE convencional para conexiones atornilladas bajo estrés dominado por el comportamiento de la tijera de acero. Técnicas de modelado adecuado, incluyendo modelos de material apropiados y criterios de falla, son esenciales para resultados precisos.
Efectos de endurecimiento de heces
El endurecimiento de la tensión puede afectar significativamente la capacidad de los rodamientos, especialmente en materiales dútiles que sufren de deformación plástica sustancial antes del fracaso. Los métodos avanzados de análisis pueden dar cuenta de endurecimiento de la tensión mediante el uso de modelos de material no lineal que representan la curva de tensión completa, incluida la región de endurecimiento de la tensión.
En la simulación numérica de los modelos, el comportamiento material no lineal de acero inoxidable de la tensión se consideró mediante expresiones que representan la gama completa de cepas hasta la cepa de tracción máxima. Este enfoque proporciona predicciones más precisas de la capacidad final y el comportamiento de deformación.
Mecánica de fracturas
El criterio de fractura se incorpora en los modelos FE para investigar la relación entre la fuerza de rodamiento y el modo de falla de las conexiones atornilladas. Los enfoques basados en mecánicas de fractura pueden predecir la iniciación y propagación de grietas en las conexiones de cojinete, proporcionando información sobre los mecanismos de falla y la capacidad final.
La cepa de plástico pico en el material de placa frente al perno alcanza la cepa de fractura localizada del material, se produce fractura y se dice que se ha logrado la carga máxima. Definir los criterios de falla adecuados basados en los principios de la tensión, el estrés o la mecánica de fractura es crucial para la predicción precisa de la capacidad de rodamiento.
Ejemplos de diseño práctico
Trabajar a través de ejemplos prácticos ayuda a solidificar la comprensión de los cálculos de la fuerza de rodamiento y los procedimientos de diseño.
Ejemplo: Sencilla conexión de ojera
Las conexiones de la manguera entre secciones en forma de I son algunas de las conexiones más comunes en el diseño de acero, y para ayudar a entender los cheques de diseño requeridos de acuerdo con AISC 360, este artículo utilizará un ejemplo de diseño para explicarlos. Una conexión típica de la manguera entre una red de vigas y una columna o viga implica la comprobación de la cuchilla, el rodamiento de pernos, la producción de la cuchilla de la placa y la rotura.
El proceso de diseño implica seleccionar un número y tamaño adecuados de pernos, determinando el espesor de la placa requerido y verificando todos los estados límite. Prueba cuatro filas de pernos, 1/4-in. espesor de la placa, y 3/16-in. tamaño de la soldadura de filete. El diseño iterativo puede ser necesario para lograr una conexión eficiente que satisface todos los requisitos.
Ejemplo: Conexión de piojos de tensión
Las conexiones de empalmes de tensión requieren una cuidadosa consideración de la capacidad de sección neta además de tener y desgarrar. La conexión debe desarrollar la capacidad completa del miembro de tensión manteniendo los márgenes de seguridad adecuados para todos los estados límite. Los empalmes de doble cubierta proporcionan transferencia de carga simétrica y se utilizan comúnmente para los miembros de tensión.
Calcular el valor de tornillo de un perno de 20 mm de diámetro de grado 4.6 para unir las placas principales de 12 mm de espesor bajo los siguientes casos. Asume Fe410 para todas las placas. El cálculo del valor de perno considera tanto el revestimiento como el cojinete, con el mínimo que gobierna el diseño.
Control e Inspección de Calidad
El control de calidad adecuado durante la fabricación y la erección es esencial para asegurar que las conexiones funcionen como diseñadas.
Preparación de agujeros
Los agujeros de la percha deben perforarse o perforarse al tamaño especificado con bordes limpios y lisos. Los agujeros acolchados pueden requerir recalificación si el espesor del material excede ciertos límites o si la calidad del agujero es inadecuada. Los agujeros dañados o sobredimensionados pueden reducir la capacidad de rodamiento y deben ser reparados o la conexión rediseñado.
Instalación de tornillo
La instalación de pernos adecuados es crítica para el rendimiento de conexión. Los pernos de alta resistencia deben ser ajustados a la pretensión especificada utilizando cerdas calibradas u otros métodos aprobados. Los tornillos no afilados pueden desarrollar fricción adecuada en conexiones de deslizamiento crítico, mientras que los pernos atornillados pueden ser sobrecalentados o dañar el material conectado.
Necesidades de inspección
La inspección visual debe verificar que todos los tornillos están correctamente instalados, agujeros están alineados correctamente, y no hay señales de daño o angustia. Para conexiones críticas, se debe mantener una inspección más detallada incluyendo pruebas ultrasónicas u otros métodos no destructivos.
Tendencias e Investigaciones futuras
La investigación continua continúa perfeccionando nuestra comprensión de comportamiento de rodamiento y mejorando los métodos de diseño para conexiones de acero.
Materiales avanzados
El desarrollo de nuevos aceros de alta resistencia y alto rendimiento requiere una actualización de las disposiciones de resistencia al rodamiento. Las decisiones de selección de materiales a menudo equilibran la fuerza del rodamiento contra la trazabilidad y el costo, y mientras que los aceros de mayor resistencia ofrecen una mejor resistencia al rodamiento, pueden presentar desafíos en la formación de agujeros y pueden ser más sensibles al punto.
Diseño basado en el rendimiento
Los enfoques de diseño basados en el rendimiento que consideran la gama completa de comportamiento de conexión, desde la carga inicial a través de la capacidad final y la respuesta posterior al pico, se están volviendo más comunes. Estos métodos pueden llevar a diseños más eficientes que mejor se ajusten a los requisitos de rendimiento reales de la estructura.
Herramientas digitales y automatización
La herramienta de conexión de acero de Structural Central es un software de ingeniería estructural que permite generar rápidamente los cálculos necesarios para determinar la fuerza de una conexión de acero, y los cálculos evalúan cada uno de los posibles estados límite para el haz de carga, pernos, soldaduras, ángulos, placas, vigas y/o columna para determinar qué modo de falla controlará la capacidad de carga del diseño.
Se están explorando el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para la optimización del diseño de conexiones y la predicción de fallas, lo que podría conducir a conexiones más eficientes y fiables en el futuro.
Conclusión
La fuerza de rodamiento es una consideración crítica en el diseño de conexión de acero que afecta directamente la seguridad, el rendimiento y la economía de las estructuras de acero. Una comprensión completa de comportamiento de rodamiento, modos de falla y procedimientos de diseño es esencial para los ingenieros estructurales que trabajan con conexiones atornilladas.
El diseño adecuado de rodamientos requiere la consideración de múltiples factores, incluyendo propiedades materiales, parámetros geométricos, condiciones de carga y estándares de diseño aplicables. Al seguir procedimientos de diseño sistemático, verificar todos los estados límite relevantes, y evitar errores comunes, los ingenieros pueden crear conexiones que transfieran de forma segura y eficiente cargas entre los miembros estructurales.
A medida que los materiales y los métodos de construcción siguen evolucionando, la investigación y el desarrollo continuos de las disposiciones de diseño aseguran que los cálculos de fuerza de rodamiento sigan siendo exactos y aplicables a las prácticas de construcción modernas. La integración de métodos de análisis avanzados y herramientas digitales aumenta aún más nuestra capacidad de diseñar conexiones optimizadas que satisfagan los exigentes requisitos de las estructuras contemporáneas.
Para recursos adicionales sobre el diseño de conexión de acero, los ingenieros pueden referirse al Instituto Americano de Construcción de Acero (AISC) para guías y especificaciones de diseño integral, el Instituto de Construcción de Acero] para guías técnicas y publicaciones de investigación, y BG Structural Engineering