Diseño de Llave de Corte con AISC & ACI

Palabras Clave: diseño, llave de corte, placa base articulada, corte a fricción.

Introducción

La llave de corte es un elemento estructural que se utiliza en conexiones de placa base articulada con el objeto de resistir fuerzas cortantes elevadas, típicas de este tipo de conexión. Va soldada a la cara inferior de la placa base y debe tenerse cuidado en el detallado constructivo para evitar interferencias con los pernos de anclaje.

Su diseño se establece en los códigos de la Guía de Diseño AISC N° 1 y la ACI318-19, con enfoque en estados límites para el acero y el concreto de la fundación.

En este artículo, te hablaré sobre los Estados Límites para el diseño de una llave de corte y que soluciones podemos ejecutar en caso de falla, así como cuando utilizarla.

Comenzamos.

Llave de Corte

La llave de corte está ubicada por debajo de la placa base, unida mediante una junta soldada de filete; su función principal es resistir cortes elevados en la placa base, típicos de una articulación y existen casos particulares donde se llegan a utilizar doble llave corte en una u otra dirección.

La llave de corte no es más que una placa de acero que se coloca perpendicularmente a la dirección del corte que se desea resistir. 

Estados Límites

AISC-DG1 propone criterios de cálculo de resistencia diferentes a la ACI.318-19 para los mismos estados límites. Estos criterios a su vez se basan en el apéndice B de la ACI.349-01.

El corte V es transferido inicialmente desde los anclajes hacia el grout y/o concreto por aplastamiento. El corte entonces progresa hacia un modelo de corte a fricción. 

En la figura 4.9.1 de la DG1-AISC se tiene la acción de cortante de 23 Kips producto de una carga de viento. Nótese en la figura del lado derecho, el plano del área de falla a cortante derivado de la presencia misma de la llave de corte al recibir el cortante de 23 Kips.

En forma general, DG1 AISC considera los mismos estados límites que ACI.318-19, agregando la cedencia por flexión. En resumen, tenemos:

• Bearing: aplastamiento del concreto.
• Shear Breakout: desprendimiento del concreto a corte.
• Flexural Yielding: cedencia a flexión de la llave de corte.
• Chequeo de la soldadura entre la llave de corte y la placa base.

Bearing: aplastamiento del concreto.

La resistencia al aplastamiento del concreto según ACI349-01.B se calcula como:

(a) Si la columna no está embebida en el concreto:

 Pubrg = fm * 1.3 * Fc * A1

(b) Si la columna está embebida en el concreto (no usa llave de corte):

 Pubrg = fm * 0.55 * Fc * A1

Donde:

Pubrg : resistencia al aplastamiento.

Factor minorante fm: 0.65.

Fc’: resistencia a la compresión del concreto.

A1: área embebida de la llave de corte.

Según la DG1, si fm = 0.60 entonces Pubrg se podrá calcular como:

 Pubrg = fm * 0.80 * Fc’ * A1

Si hay falla por aplastamiento, es recomendable incrementar el ancho o en su defecto el área de la llave de corte para ganar resistencia.

Shear Breakout: desprendimiento del concreto a corte. Aquí hay 1 diferencia sustancial entre la DG1-AISC y la ACI318-19:

“La proyección en planta de la falla a corte es asumida por la AISC a 45° (1:1) desde la cara de la llave, mientras que la ACI la asume en 35°. En la misma manera se asume la proyección de profundidad del plano de falla. Resumiendo, la DG1-AISC toma la distancia total entre la cara de la llave de corte y la cara del pedestal la profundidad de falla, mientras que la ACI toma el valor de Ca1, una distancia que corresponde a la proyección de 35° de la falla a corte. Esto significa que el área de falla de corte será diferente entre una metodología y la otra”.

Para cualquier caso, el corte resistente es:

 VR= 4 * fm * √Fc * Av

Donde:

Con factor minorante fm = 0.75.

Fc: resistencia del concreto a compresión.

Av: área del plano a cortante.

Si falla por Shear Breakout, debes incrementar el área de la llave de corte para ganar resistencia, en caso extremo incrementar el tamaño del pedestal o considerar el refuerzo primario de ligaduras de pedestal o refuerzo suplementario.

Shear Friction – AISC DG1 (ACI)

La verificación por Cortante a Fricción puede realizarse en el pedestal con llave de corte, similar a como se hace con una ménsula; en este caso el área de falla Ac se calculará según las metodologías del punto anterior, la que sea seleccionada.

 Vn = fm * m *Pu  £  0.2 * Fc * Av

Donde:

fm: factor de minoración.

m: coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción es 0.55 para acero sobre grout y 0.70 para acero sobre concreto.

Fc: resistencia del concreto a compresión.

Ac: área del plano a cortante por fricción.

Pu: carga axial mayorada desde la columna.

Vn: corte nominal a fricción.

Si hay falla por Shear Friction, incrementar el tamaño del pedestal.

Flexural Yielding: cedencia a flexión. Con este estado límite se determina el espesor de la placa. 

El momento flexionante en la llave: Mlug = Vu * (G + d/2)

d = Dlug - G

Donde:

Mlug: momento flexionante sobre la llave.

Vu: corte mayorado desde la columna.

d: profundidad embebida en el concreto de la llave de corte.

Dlug: profundidad de la llave de corte.

G: espesor del grout.

El momento resistente:    Mrst = f *Fy *Z

Módulo Plástico Z = b*t2/4

Fy: esfuerzo de fluencia del acero.

Factor minorante fm = 0.90.

Si falla a flexión debes disminuir la profundidad de la Llave de Corte, lo que disminuye el brazo de palanca del momento actuante o incrementar el espesor de la Llave, o ambas soluciones en simultaneo.

Cuando usar una Llave de Corte?

Las llaves de corte conviene usarlas en placa base que representen una articulación; para articular, debes proyectar los pernos de anclaje dentro del área del perfil tipo I ó H de la columna, justo dentro de sus alas, disminuyendo así el brazo de palanca del momento y permitiendo una mayor rotación; esto trae como consecuencia reacciones de corte muy elevados que exigen el uso de una llave de corte como refuerzo adicional; también ocurre cuando utilizamos arriostramientos conectados a la placa base. 

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