COMPORTAMIENTO DE VIGAS Y COLUMNAS DE LÁMINA DELGADA

Transcripción

1 COMPORTAMIENTO DE VIGAS Y COLUMNAS DE LÁMINA DELGADA Walter Camilo Tovar Coquies Ingeniero Civil, Especialista en Análisis y Diseño de estructuras, Estudiante de Magíster en Ingeniería Civil Gerente, P-DELTA INGENIERÍA ESTRUCTURAL S.A.S wtovar@pdelta-ingenieriaestructural.com Andrés Fernando Guzmán Guerrero Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Dr. Ing. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL, UNIVERSIDAD DEL NORTE faguzman@uninorte.edu.co Osvaldo Jose Guzmán Avila Ingeniero Civil, Especialista en Análisis y Diseño de estructuras, Magíster en Ingeniería Civil. Gerente, P-DELTA INGENIERÍA ESTRUCTURAL S.A.S oguzman@pdelta-ingenieriaestructural.com Carlos Alberto Arteta Torrents Ingeniero Civil, Master of Engineering, PhD (c) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL, UNIVERSIDAD DEL NORTE carteta@uninorte.edu.co Bogotá, 27 de octubre de 2014 Aula Máxima, Sede Calle 100, UMNG

2 1. INTRODUCCIÓN El uso estructural de perfiles tipo cajón conformado por secciones C, esta siendo adoptado en muchos países debido a su resistencia, bajo peso y bajo costo. Se tienen lineamentos para su diseño en normas vigentes (AISI-S100, 2012; NSR-10, 2010); regularmente se asume que la capacidad de una sección tipo cajón es igual al doble de la capacidad de un perfil C sencillo; no se consideran factores como la separación del cordón de soldadura y los esfuerzos residuales producto del formado. En este trabajo se estudia el comportamiento de vigas conformadas por secciones C sometidas a flexión y cortante y el comportamiento de columnas conformadas por secciones C sometidas a compresión axial.

3 1. INTRODUCCIÓN

4 1. INTRODUCCIÓN

5 1. INTRODUCCIÓN

6 1. INTRODUCCIÓN

7 Capítulo 1: ESTUDIOS DE COMPORTAMIENTO A FLEXIÓN Y CORTANTE DE SECCIONES TIPO CAJÓN CONFORMADOS POR SECCIONES C DE LÁMINA DELGADA CON DIFERENTES CONFIGURACIONES DE SOLDADURA

8 2. ANTECEDENTES Investigaciones hechas por Wei-Wen Yu, Rasmussen y Hancock (1993), Javarone (1999), Pircher et al. (2002), Cedeño y Gatica (2005), Herrera y Porras (2006), Cristopher et al. (2008), NSR-10 (2010), Reyes y Guzman (2011) y AISI-S100 (2012). Resultados NO concluyentes del comportamiento a flexión y cortante de secciones tipo cajón conformadas con perfiles C de lámina delgada.

9 3. OBJETIVOS Determinar la resistencia teórica y experimental en función de la separación y longitud del cordón de soldadura. Realizar una modelación numérica para el estudio de la distribución de esfuerzos y deflexiones. Evaluar los efectos de la separación del cordón de soldadura en el comportamiento y resistencia de las secciones.

10 4. IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION El reglamento de construcción vigente en Colombia no cuenta con directrices de diseño, que consideren parámetros importantes como: i. La separación del cordón de soldadura. ii. iii. iv. Los esfuerzos residuales producto del formado del perfil. El fenómeno de post-pandeo, producto de la redistribución de las tensiones después del pandeo local. El cambio en las propiedades del material, debido al proceso de soldadura en las sección.

11 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Se evaluaron 4 grupos de especímenes diferentes: Soldadura corrida (@0 mm). Soldadura a cada 450mm (@450 mm). Soldadura a cada 600mm (@600 mm). Soldadura a cada 900mm (@900 mm). Platinas rigidizadoras de 1/8 pulg. Electrodo AWS E-6011, Soldadura de arco eléctrico. Longitud de cada probeta 2.0 m

12 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Horizontal DT to monitor opening SG (top and bottom) Spherical seat LC Loading member with cylindrical bearing Specimen A B - LC: load cell - SP: string potentiometer Figura - DT: 1: Montaje displacement tipo utilizado transducer en el -SG: strain gauge desarrollo de la investigación. (1A: diseño esquemático; 1B: montaje real del experimento)

13 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Transductores de desplazamiento tipo TR 100 usados en los ensayos. Figura 2: Montaje tipo utilizado en el desarrollo de la investigación. Transductores de desplazamiento.

14 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Galgas de deformación, ubicación en las probetas de ensayos. Galgas fibra extrema en compresión Galga fibra extrema en tracción Galga transversal en zona de compresión Figura 3: Montaje tipo utilizado en el desarrollo de la investigación. Galgas extensiométricas

15 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Comportamiento típico de las probetas ensayadas en la etapa experimental. Figura 4: Ensayo a flexión bajo carga monotónica.

16 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Vigas sin rigidizador transversal en el alma. 07-PAG-220-NR 12-PAG-220-NR 14-PAG-220-NR 900mm Figura 5: Tipologías de falla para cada tipo de probeta.

17 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental. CARGA vs DESPLAZAMIENTO PAG-220x80x20x1.5mm - Soldadura Corrida CARGA vs DESPLAZAMIENTO PAG-220x80x20x1.5mm PAG-220-NR 04-PAG-220-NR 05-PAG-220-NR 06-PAG-220-NR 07-PAG-220-NR PAG-220-NR 09-PAG-220-NR 10-PAG-220-NR 11-PAG-220-NR 12-PAG-220-NR Carga (kn) 15 Carga (kn) Desplazamiento (mm) Desplazamiento (mm) CARGA vs DESPLAZAMIENTO PAG-220x80x20x1.5mm - 13-PAG-220-NR 14-PAG-220-NR 15-PAG-220-NR 16-PAG-220-NR 17-PAG-220-NR CARGA vs DESPLAZAMIENTO PAG-220x80x20x1.5mm - 18-PAG-220-NR 19-PAG-220-NR 20-PAG-220-NR 21-PAG-220-NR 22-PAG-220-NR Carga (kn) 15 Carga (kn) Desplazamiento (mm) Desplazamiento (mm)

18 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Evaluación del comportamiento real de las probetas: medida de desplazamientos y deformaciones en diferentes puntos de las vigas para cada incremento de carga. Carga (kn) Carga (kn) PAG-220x80x1.5mm PAG-220x80x1.5mm NR-@450mm PAG-220x80x1.5mm NR-@600mm PAG-220x80x1.5mm NR-@900mm PAG-220x80x1.5mm SR-@000mm PAG-220x80x1.5mm SR-@450mm PAG-220x80x1.5mm SR-@900mm PAG-220x80x2.0mm SR-@000mm PAG-220x80x2.0mm SR-@450mm PAG-220x80x2.0mm SR-@900mm Rigidez Teorica Elastica PAG-1.5mm Rigidez Teorica Elastica PAG-2.0mm Desplazamiento (mm) Nota: NS = Perfil de alma sencilla y SR = Perfil con rigidizador transversal en el alma Desplazamiento (mm) Figura 6: Curvas de carga versus deformación para los perfiles PAG.

19 5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Carga (kn) mm SR mm SR mm NR Desplazamiento (mm)

20 6. DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA RESISTENCIA DEL PERFIL Se determinó la capacidad máxima de cada sección utilizando las recomendaciones descritas en las normas vigentes (AISI-S100, 2012) (NSR-10). El modelo analítico a usar según la NSR- 10 para estimar la capacidad a flexión, es calcular la resistencia de uno de los perfiles y multiplicarlo por dos para obtener la resistencia del cajón. Desarrollo de modelos lineales en los programas SAP2000 y ANSYS. Figura 7: Esfuerzos Von Mises [MPa], PAG-220x80x20x1.5mm

21 6. DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA RESISTENCIA DEL PERFIL Desarrollo de modelos no lineales en el programa OpenSees. 120 CARGA vs DESPLAZAMIENTO ANALISIS NO LINEAL - ESTIMACION EN OPENSEES Modelo constitutivo uniaxial del material compresión Esfuerzo [MPa] Esfuerzo [MPa] Carga [kn] Esfuerzo [MPa] tracción Micro-Deformaciones Compresion[mm/mm] x Micro-Deformaciones tension [mm/mm] x Micro-Deformaciones Compresion[mm/mm] x Desplazamiento [mm] Figura 8: Curvas de carga versus deformación estimada en OpenSees (UC Berkeley).

22 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Desempeño de los perfiles según la separación de soldadura Figura 9. Comportamiento del perfil ACESCO sin rigidizadores transversales en el alma.

23 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Desempeño de los perfiles según la separación de soldadura Figura 10. Comportamiento del perfil ACESCO con rigidizadores transversales en el alma.

24 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Comparación de los resultados experimentales y teóricos 1.4 SOLICITACION DE FLEXION Y CORTANTE SOLICITACION DE FLEXION Y CORTANTE V u /( V n ) V u /( V n ) Capacidad Almas Sencillas- Eq.C AISI Capacidad Almas con Rigidizador Transversal- Eq.C AISI PAG-1.5mm-NR-@0.0mm PAG-1.5mm-NR-@450mm PAG-1.5mm-NR-@600mm PAG-1.5mm-NR-@900mm PAG-1.5mm-SR-@0.0mm PAG-1.5mm-SR-@450mm PAG-1.5mm-SR-@900mm PAG-2.0mm-SR-@0.0mm PAG-2.0mm-SR-@450mm PAG-2.0mm-SR-@900mm M u /( M n ) M u /( M n ) Figura 11: Interacción de las solicitaciones de flexión y cortante combinado para el perfil ACESCO PAG-220, con diferente separación de soldadura.

25 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Comparación de los modelos analíticos y experimentales Figura 12. Comparación de la capacidad máxima del perfil ACESCO PAG.

26 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Comparación de los modelos analíticos y experimentales PAG-220x80x1.5mm PAG-220x80x2.0mm Figura 13. Deformación unitaria en la fibra extrema a tensión bajo carga máxima en L/2 del perfil ACESCO PAG con rigidizador transversal y diferente separación de soldadura.

27 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Predicción de comportamiento carga-desplazamiento de perfiles PAG CARGA vs DESPLAZAMIENTO Perfiles Con Rigidizadores Transversales 2.5 ESTIMACION DE LA SOLICITACION DE FLEXION Y CORTANTE PAG-120x60x1.2mm PAG-160x60x1.2mm PAG-305x80x1.5mm PAG-305x80x2.0mm Carga [kn] V u /( V n ) Almas Sencillas- Eq.C AISI Almas con Rigidizador Transversal- Eq.C AISI PAG-120x60x1.2mm-SR PAG-160x60x1.2mm-SR PAG-305x80x1.5mm-SR PAG-305x80x2.0mm-SR Desplazamiento [mm] M u /( M n ) Figura 14: Curvas predictivas del comportamiento a flexión de los perfiles PAG con alma con rigidizador transversal, generadas en OpenSeeS. Figura 15: Solicitación a flexión y cortante combinado generada en OpenSees.

28 8. CONCLUSIONES La capacidad a flexión y cortante real del perfil PAG de alma sencilla es 25% menor de la capacidad teórica nominal (con factores de reducción de resistencia incluidos), mientras que la capacidad del perfil con rigidizadores transversales en el alma es el 25% mayor que la teórica (AISI). Entre las probetas ensayadas se encuentra que aquellas cuyo cordón de soldadura está separado entre 450 mm y 600 mm presentaron el mejor comportamiento a flexión, ya que aportaron la mayor rigidez y soportaron los mayores niveles de carga. Esta variable debe seguirse analizando para diferentes posiciones de carga, rigidizadores y perfiles. Las probetas con soldadura corrida presentaron un bajo desempeño comparativo. Causas probables: afectación sufrida por los altos cambios de temperatura durante la aplicación de la soldadura.

29 8. CONCLUSIONES Debido a la presencia de deformaciones iniciales, esfuerzos residuales y pandeo localizado al inicio de las cargas, los perfiles de alma sencilla (sin rigidizador transversal) son más flexibles que lo que la teoría de elasticidad predice. Los resultados de los modelos no lineales en OpenSees demostraron que las curvas propuestas predicen acertadamente las cargas máximas de los perfiles. Se debe ahondar en la modelación de la flexibilidad de los perfiles. A partir de los modelos calibrados de estimación realizados en el programa OpenSees se puede afirmar que las resistencias reales de los perfiles rigidizados, son mayores a las obtenidas con la teoría propuesta en la norma AISI. Se deberán diseñar con mucha precaución los elementos conformados por perfiles C tipo cajón, ya que la teoría existente no tiene en cuenta variados factores que influyen en la resistencia y rigidez final del perfil.

30 9. RECOMENDACIONES Extender los estudios expuestos en esta investigación al análisis del comportamiento de secciones con diferentes alturas y espesores, lo cual permitirá confirmar las predicciones expresadas. Trabajar en mejorar los modelos lineales y no lineales utilizados en esta investigación para determinar la variación real de las capacidades de los perfiles para diferentes configuraciones de soldadura. Analizar con mayor detenimiento las ecuaciones propuestas en las normas, para determinar qué modificaciones se deben hacer a dichas ecuaciones a fin de obtener resultados más acorde a los reales, sobre todo en lo concerniente a la capacidad máxima de carga y rigidez.

31 Capítulo 2: ESTUDIOS DE COMPORTAMIENTO A COMPRESIÓN DE SECCIONES TIPO CAJÓN A PARTIR DE PERFILES DE ACERO EN C DE LÁMINA DELGADA CON DIFERENTES CONFIGURACIONES DE SOLDADURA

32 2. OBJETIVOS Establecer la resistencia teórica y experimental de las columnas tipo cajón de acero de lámina delgada, teniendo en cuenta la separación de los cordones de soldadura a lo largo de su longitud. Construir una modelo computacional de las columnas tipo cajón para la determinación de los esfuerzos y acortamientos ante carga axial. Validar el modelo computacional y valorar los efectos que causan las distintas configuraciones de los cordones de soldadura en el comportamiento y resistencia de las columnas ante cargas axiales de tipo céntrico.

33 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Se evaluaron 6 grupos de especímenes diferentes*: Soldadura corrida (@0 mm). Apoyo Articulado Articulado. Soldadura corrida (@0 mm). Apoyo Empotrado Articulado. Soldadura (@475 mm). Apoyo Articulado Articulado. Soldadura (@475 mm). Apoyo Empotrado Articulado. Soldadura (@633 mm). Apoyo Articulado Articulado. Soldadura (@633 mm). Apoyo Empotrado Articulado. * Separación de soldaduras centro a centro. Electrodo AWS E-6011, Soldadura de arco eléctrico. Longitud de cada probeta 2000 mm

34 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES ETAPA # 1 PERFIL ACESCO UTILIZACION DE GALGAS 7 Probetas PAG 100x50x15x1.5mm. NO ETAPA # 2 PERFIL ACESCO UTILIZACION DE GALGAS 18 Probetas PAG 100x50x15x1.5mm. SI A B Figura 1: Tipos de apoyos (1A: empotramiento; 1B: articulado)

35 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Figura 2: Diseño del montaje experimental. Ubicación de galgas extensiométricas y transductores de desplazamiento

36 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Figura 3: Esquemas típicos de conexiones y soldaduras en campo (Fuente: ACESCO)

37 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Figura 3: Esquemas típicos de conexiones y soldaduras en campo (Fuente: ACESCO). Figura 4: Detalle de conformación de secciones (Fuente: ACESCO).

38 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES El Reglamento colombiano NSR-10 establece los siguientes parámetros para miembros sometidos a compresión cargados concéntricamente (F.4.4 Miembros armados y sistemas estructurales): Miembros de compresión en sección cajón por dos secciones C en contacto

39 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES La resistencia nominal para miembros en compresión cargados concéntricamente (NSR-10; F.4.3.4):

40 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Comportamiento típico de las probetas ensayadas en la etapa experimental, donde se aprecia la ubicación de las galgas y deformímetros. Figura 5. Pprueba #17; apoyo articulado-articulado con carga máxima de kn con un desplazamiento vertical de mm.

41 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo empotrado articulado espaciamiento L/4 Ensayos # 8, 9 y 10. Figura 6: Apoyo mm

42 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo empotrado-articulado espaciamiento L/3 Ensayos # 11, 12 y 13. Figura 7: Apoyo mm

43 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo empotrado-articulado espaciamiento Corrido 0 mm). Ensayos # 14, 15 y 16. Figura 8: Apoyo mm

44 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo articulado-articulado espaciamiento L/4 475 mm). Ensayos # 19, 22 y 23. Figura 9: Apoyo mm

45 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo articulado-articulado espaciamiento L/3 633 mm). Ensayos # 17, 18 y 24. Figura 10: Apoyo mm

46 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo articulado-articulado espaciamiento Corrido 0 mm). Ensayos # 20, 21 y 25. Figura 11: Apoyo mm

47 4. DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA RESISTENCIA DEL PERFIL Desarrollo de modelos lineales en los programas ANSYS.

48 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS Desempeño de los perfiles según la separación de soldadura # PRUEBA CONDICION DE APOYO SEPARACION ENTRE CODONES DE SOLDADURA (mm) PMAX ( x10^4 kgf) DESPLAZAMIENTO PARA PMAX (mm) 24 ARTICULADO-ARTICULADO ARTICULADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO ARTICULADO-ARTICULADO ARTICULADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO ARTICULADO-ARTICULADO ARTICULADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO ARTICULADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO EMPOTRADO-ARTICULADO

49 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS Desempeño de los perfiles según la separación de soldadura Figura 12: Comportamiento de los perfiles de acuerdo a la separación del cordón de soldadura

50 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS Desempeño de los perfiles según la separación de soldadura Figura 13: Comportamiento de los perfiles de acuerdo a la separación del cordón de soldadura

51 6. CONCLUSIONES La capacidad real a compresión por carga axial del perfil PAG es relativamente menor de la capacidad teórica nominal (5-10%) (AISI). Entre las probetas ensayadas se encuentra que aquellas cuyo cordón de soldadura está separado entre 475 mm y 633 mm presentaron el mejor comportamiento a compresión, ya que aportaron la mayor rigidez y soportaron los mayores niveles de carga. La condición de apoyo que mejor resultado arrojó para capacidad de carga fue la empotrado- articulado presentándose mayores resultados en la configuración L/3 (@ 633 mm). Lo anterior invita a la reevaluación de la restricción del espaciamiento máximo entre cordones de soldadura de 300 mm; esto podría significar menores costos en la fabricación de estos elementos estructurales incidiendo decididamente en su futura reglamentación. Las probetas con soldadura corrida presentaron un bajo desempeño comparativo. Causas probables: afectación sufrida por los altos cambios de temperatura durante la aplicación de la soldadura que debilita de forma considerable su capacidad de carga aspecto que indicaría que no se debe abusar del número de cordones de soldadura al reducir las distancia entre ellos.

52 6. RECOMENDACIONES Extender los estudios expuestos en esta investigación al análisis del comportamiento de secciones con diferentes alturas y espesores, lo cual nos permitirá confirmar las predicciones expresadas. Trabajar en mejorar los modelos lineales utilizados en esta investigación para determinar la variación real de las capacidades de los perfiles para diferentes configuraciones de soldadura. Analizar con mayor detenimiento las ecuaciones propuestas en la reglamentación vigente con el fin de determinar qué modificaciones aplicarían para futuras reglamentaciones a fin de obtener resultados más acordes a los reales, más aún en lo concerniente a la capacidad máxima de carga y rigidez. Proponer y desarrollar análisis no lineal para profundizar en el comportamiento de miembros a compresión.

53 COMPORTAMIENTO DE VIGAS Y COLUMNAS DE LÁMINA DELGADA Andrés Fernando Guzmán Guerrero Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Dr. Ing. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL, UNIVERSIDAD DEL NORTE faguzman@uninorte.edu.co