Universidad de Costa Rica. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Evaluación de diseños de conexiones viga-columna para su uso como conexiones precalificadas en estructuras con sistema sismorresistente a base de marcos intermedios de acero estructural. Trabajo Final de Graduación Que para obtener el grado de Licenciatura en Ingeniería Civil Presenta: Fernando Villalobos López Director del proyecto: Ing. Pío Miranda Jenkins, MSc Cuidad Universitaria Rodrigo Facio Costa Rica Junio, 2016

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3 Director del proyecto de graduación Ing. Pío Miranda Jenkins, MSc Asesores del proyecto de graduación Ing. Gabrie Arce, MSc Graduando: Fernando Villalobos López

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5 iv Derechos de autor Fecha:13 de diciembre del 2016 El suscrito, Fernando Villalobos López, cédula , estudiante de la carrera de Licenciatura en Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica, con número de carné A86951, manifiesta que es autor del Proyecto Final de Graduación Evaluación de diseños de conexiones viga-columna para su uso como conexiones precalificadas en estructuras con sistema sismorresistente a base de marcos intermedios de acero estructural, Bajo la Dirección del Ing. Pío Miranda Jenkins, MSc, quien en consecuencia tiene derechos compartidos sobre los resultados de esta investigación. Asimismo, hago traspaso de los derechos de utilización del presente trabajo a la Universidad de Costa Rica, para fines académicos: docencia, investigación, acción social y divulgación. Nota: De acuerdo con la Ley de Derechos de Autor y Derechos Conexos Nº 6683, Artículo 7 (versión actualizada el 02 de julio de 2001); no podrá suprimirse el nombre del autor en las publicaciones o reproducciones, ni hacer en ellas interpolaciones, sin una conveniente distinción entre el texto original y las modificaciones o adiciones editoriales. Además, el autor conserva el derecho moral sobre la obra, Artículo 13 de esta ley, por lo que es obligatorio citar la fuente de origen cuando se utilice información contenida en esta obra.

6 v Reconocimientos El presente trabajo final de graduación se realizó bajo la dirección y supervisión del Ing. Pío Miranda Jenkins, MSc. Los ingenieros Alejandro Navas, Eduardo Guevara y Gabriela Arce brindaron parte de su tiempo para colaborar como asesores en todo este proceso. Para ellos mi más sincera gratitud porque sin su ayuda y apoyo este proyecto no hubiera salido adelante.

7 vi Dedicatoria A mis padres quienes con su esfuerzo y sacrificio durante todos estos años formaron a la persona que soy hoy. A mis hermanas por su compañía sobre todo en estos últimos años difíciles para la familia. A mis tías por su apoyo e interés en mi bienestar y el de la familia en general. A todas mis amistades por los momentos de felicidad que hacen la vida mucho más fácil de llevar.

8 vii Tabla de Contenidos 1. Introducción Justificación Problema específico Importancia Antecedentes Teóricos y Prácticos del Problema Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos Delimitación del Problema Alcances Limitaciones Metodología Marco Teórico Requerimientos Generales para el Diseño de Conexiones Conexiones Empernadas Conexiones Soldadas Requerimientos para el diseño de IMF Arriostramiento de las vigas Miembros Conexiones Soldaduras críticas por demanda Zona Protegida Requisitos para la precalificación de conexiones Variables para la precalificación: Parámetros para las vigas: Parámetros para las columnas: Relaciones viga-columna: Placas de continuidad: Soldadura: Pernos:...31

9 viii Mano de obra: Requerimientos de informes de conexiones precalificadas Ensayos cíclicos para la precalificación de conexiones Reportes de ensayos para la precalificación de conexiones Estados Límites en el diseño de conexiones Fluencia en flexión Fluencia en tensión Fractura en tensión Fluencia en cortante Fractura en cortante Fractura por bloque de cortante Evaluación de conexiones para su uso en sistemas sismorresistentes con IMF Análisis y Diseño de Uniones a Momento en Perfiles de Lámina Doblada en Frío Razones para el rechazo de uso en IMF Experimental Study on Beam-to-Column Connections of Steel Frame Structures with Steel Slit Dampers Razones del rechazo para el uso en IMF Conexiones evaluadas que pueden ser usadas para IMF Conexiones en marcos con columna-árbol resistentes a momento Resultados del ensayo Parámetros de la conexión Propiedades de la viga Propiedades de la columna Relaciones Viga-Columna Propiedades de la soldadura Propiedades del acero Ubicación de la rótula plástica y la zona protegida Límites de la conexión para su uso en IMF Revisión del diseño de una conexión columna-árbol Conexiones con viga de sección reducida con agujeros en las alas Resultados del ensayo Parámetros de la conexión...80

10 ix Propiedades de la viga Propiedades de la columna Relaciones viga-columna Propiedades de la soldadura Propiedades de los pernos Propiedades del acero Ubicación de la rótula plástica y la zona protegida Límites de la conexión para su uso en IMF Revisión del diseño de una conexión con viga de sección reducida con agujeros en las alas Conexiones tubo-viga reforzada Resultados del ensayo Parámetros de la conexión Propiedades de la viga Propiedades de la columna Relaciones viga-columna Propiedades de la soldadura Propiedades de los pernos Propiedades del acero Ubicación de la rótula plástica y la zona protegida Límites de la conexión para su uso en IMF Revisión del diseño de una conexión tubo-viga reforzada Conclusiones Recomendaciones Referencias Bibliográficas A1. Apéndice 1-Parámetros básicos usados en el diseño de la conexión Determinación del momento plástico esperado Determinación del cortante en la rótula plástica Determinación del momento y el cortante en la cara de la columna Verificación de la condición de columna fuerte-viga débil A2. Apéndice 2-Proceso de diseño de la conexión con columna-árbol Cálculo de las propiedades geométricas de la sección con ala ensanchada

11 x Estados límite Fluencia en flexión: Soldadura ala ensanchada viga-ala columna: Fluencia en tensión: Fractura en tensión: Cortante en la soldadura alma cabo de viga-columna Fluencia en cortante del alma del cabo de viga Fractura en cortante del alma del cabo de viga Zona de Panel A3. Apéndice 3-Proceso de diseño de la conexión tubo-viga reforzada Sección Whitmore Determinación de la longitud de las cubre placas Estados límites Fluencia en flexión Cubre placa inferior Resistencia de la soldadura Resistencia de diseño a tensión de la cubre placa inferior Resistencia a la fractura por tensión en el área neta entre la cubre placa inferior y la cara de la columna Resistencia a cortante en la soldadura de la cubre placa inferior con la columna Cubre placa superior Resistencia de la soldadura Resistencia de diseño a tensión de la cubre placa superior Revisión de esbeltez de la cubre placa en la cara de la columna Capacidad en Compresión de la Cubre Placa Zona de Panel Soldadura de la doble placas en la zona de panel Diseño de la placa de cortante Diseño de los pernos Dimensionamiento de la placa de cortante: Estados límite en la viga Estados límite en la placa cortante

12 xi A4. Apéndice 4-Proceso de diseño de la conexión viga con sección reducida con agujeros en las alas Determinación de las propiedades geométricas de la viga en la sección reducida Estados límite Fluencia en flexión Soldadura ala viga-ala columna: Fluencia en tensión: Fractura en tensión: Diseño de la placa cortante: Diseño de los pernos Dimensionamiento de la placa de cortante: Estados límite en la viga Estados límite en la placa cortante Zona de Panel Soldadura de la doble placas en la zona de panel

13 xii Tabla de Cuadros Cuadro 4-1 Resumen de las pruebas de momento y comparación con cálculos teóricos...60 Cuadro 4-2 Propiedades geométricas de la viga...62 Cuadro 4-3 Variables de los parámetros de la viga Cuadro 4-4 Revisión de la esbeltez de la sección con ala ensanchada...63 Cuadro 4-5 Propiedades geométricas de la columna...64 Cuadro 4-6 Variables de los parámetros de la columna...64 Cuadro 4-7 Resistencia de la zona de panel y razón de momentos plásticos...65 Cuadro 4-8 Propiedades de la soldadura utilizada en la conexión...65 Cuadro 4-9 Propiedades del acero utilizado en la conexión...66 Cuadro 4-10 Límites de precalificación de la conexión para IMF...69 Cuadro 4-11 Límites para la geometría de la sección con ala ensanchada...69 Cuadro 4-12 Dimensionamiento de las alas ensanchadas para el cabo de viga...71 Cuadro 4-13 Momento plástico en la rótula plástica y cortante en la cara de la columna...71 Cuadro 4-14 Propiedades geométricas de la sección con ala ensanchada...71 Cuadro 4-15 Revisión de la esbeltez del ala ensanchada y alma en el cabo de viga...72 Cuadro 4-16 Cálculo de la resistencia en flexión en la cara de la columna...72 Cuadro 4-17 Cálculo de la resistencia de la soldadura de la conexión...73 Cuadro 4-18 Revisión del cortante en la zona de panel...74 Cuadro 5-1 Secciones utilizadas para las conexiones Cuadro 5-2 Resumen de los resultados para todos los especímenes...80 Cuadro 5-3 Propiedades geométricas de la viga...81 Cuadro 5-4 Variables de los parámetros de la viga...81 Cuadro 5-5 Propiedades geométricas de la columna...82 Cuadro 5-6 Variables de los parámetros de la columna...82 Cuadro 5-7 Resistencia de la zona de panel y razón de momentos plásticos...83 Cuadro 5-8 Propiedades de la soldadura utilizada en la conexión...83 Cuadro 5-9 Propiedades de los pernos utilizados en la conexión...84 Cuadro 5-10 Propiedades del acero utilizado en la conexión...84 Cuadro 5-11 Límites de precalificación de la conexión para uso en IMF...86 Cuadro 5-12 Configuración de los agujeros...87 Cuadro 5-13 Cálculo de las propiedades geométricas en la sección de viga con agujeros...88 Cuadro 5-14 Momento y cortante utilizados para la revisión del diseño...88 Cuadro 5-15 Revisión de la flexión en la cara de la columna...88 Cuadro 5-16 Resistencia de la soldadura del ala de la viga con la cara de la columna...89 Cuadro 5-17 Dimensionamiento de la placa cortante...90 Cuadro 5-18 Cortante en el alma de la viga y en la placa de cortante Cuadro 5-19 Revisión del cortante en la zona de panel de la columna...92 Cuadro 6-1 Propiedades geométricas de la viga...97 Cuadro 6-2 Variables de los parámetros de la viga...97 Cuadro 6-3 Propiedades geométricas de la columna...98

14 Cuadro 6-4 Variables de los parámetros de la columna...98 Cuadro 6-5 Resistencia de la zona de panel y razón de momentos plásticos...99 Cuadro 6-6 Propiedades de la soldadura utilizada en la conexión...99 Cuadro 6-7 Propiedades mecánicas de la soldadura utilizada en la conexión...99 Cuadro 6-8 Propiedades de los pernos utilizados en la conexión Cuadro 6-9 Propiedades del acero utilizado en la conexión Cuadro 6-10 Límites de precalificación para uso en IMF Cuadro 6-11 Cálculo para determinar la longitud de la cubre placas Cuadro 6-12 Momento y cortante utilizados para la revisión del diseño Cuadro 6-13 Calculo del tamaño de soldadura requerido Cuadro 6-14 Cálculo del espesor de la cubre placa inferior Cuadro 6-15 Cálculo del espesor de la cubre placa inferior (cont.) Cuadro 6-16 Cálculo de la longitud de soldadura requerida para la cubre placa superior Cuadro 6-17 Cálculo del espesor de la cubre placa superior Cuadro 6-18 Selección del espesor para las cubre placas en la conexión Cuadro 6-19 Resistencia a flexión de la conexión en la cara de la columna Cuadro 6-20 Diseño de la placa de cortante de la conexión tubo-viga reforzada Cuadro 6-21 Revisión de la resistencia al cortante en el alma de la viga y en la placa cortante Cuadro 6-22 Revisión del cortante en la zona de panel de la conexión tubo-viga reforzada 111 Cuadro A1-1 Cálculo de propiedades geométricas de la sección con ala ensanchada Cuadro A4-1 Cálculo de propiedades geométricas de la viga con agujeros en las alas xiii

15 xiv Tabla de Figuras Figura 1.1 Metodología a seguir en el proyecto...22 Figura 2.1 Curva histerética de momento en la viga en la cara de la columna contra el ángulo de deriva entre pisos θ Figura 2.2 Cálculo del Momento Plástico...36 Figura 2.3 Estado Límite de fractura en tensión...37 Figura 2.4 Estado Límite de fluencia en cortante...38 Figura 2.5 Estado límite de Fractura por cortante...39 Figura 2.6 Estado Límite de Fractura por Bloque de Cortante Figura 3.1 Detalle del extremo de la viga para la conexión con perfiles laminados en frío Figura 3.2 Detalles de la conexión con perfiles laminados en frío en la columna Figura 3.3 Esquema del ensamblaje para los ensayos de la conexión con perfiles laminados en frío Figura 3.4 Ciclo de cargas aplicadas a los especímenes de la conexión con perfiles laminados en frío Figura 3.5 Curva histerética fuerza vs desplazamiento del espécimen Figura 3.6 Curva histerética fuerza vs desplazamiento del espécimen Figura 3.7 Curva histerética fuerza vs desplazamiento del espécimen Figura 3.8 Detalles de la conexión viga-columna con amortiguador de hendidura de acero..47 Figura 3.9 Idealización de la conexión viga-columna Figura 3.10 Modelos de los especímenes para viga sin reforzar y reforzada Figura 3.11 Historial de carga para las pruebas de los especímenes Figura 3.12 Curva histerética para el espécimen con amortiguador de 12mm de espesor Figura 3.13 Curva histerética para el espécimen con amortiguador de 15mm de espesor y viga reforzada Figura 3.14 Rasgamiento de los puntales en el amortiguador del espécimen con espesor de 12mm y deformación del amortiguador con espesor de 15mm Figura 4.1 Construcción de marcos con columna-árbol...52 Figura 4.2 Opciones de empalme para la viga vínculo en marcos con columna-árbol...53 Figura 4.3 Configuración de la conexión viga-columna utilizando alas anchas Figura 4.4 Configuración de las conexiones evaluadas para el sistema de marcos con columna-árbol (a)w10-l1a; (b)w10-l2a; (c)w08-l1a Figura 4.5 Detalles de la soldadura para los especímenes Figura 4.6 Diagrama del montaje de los especímenes para la prueba de carga cíclica...57 Figura 4.7 Secuencia de cargas Figura 4.8 Lazos histeréticos para el espécimen W10-L1A Figura 4.9 Lazos histeréticos para el espécimen W10-L2A Figura 4.10 Lazos histeréticos para el espécimen W08-L1A Figura 4.11 Agrietamiento menor en el área ensanchada en el espécimen W10-L1 con un ángulo de deriva entre pisos de 5%...61 Figura 4.12 Modelo tridimensional de elemento finito de la conexión columna-árbol....67

16 Figura 4.13 Concentración de esfuerzos para el modelo del espécimen W10-L1 y una conexión sin alas ensanchadas Figura 4.14 Variación de la concentración de la deformación de la conexión según el ángulo de deriva para el modelo W10-L Figura 4.15 Dimensionamiento para la sección con ala ensanchada...70 Figura 5.1 Detalles típicos de conexiones viga-columna BWWF...75 Figura 5.2 Configuraciones de conexiones BWWF modificadas...76 Figura 5.3 Curva histerética del espécimen SB Figura 5.4 Curva histerética del espécimen SB Figura 5.5 Curva histerética del espécimen SB Figura 5.6 Concentración de la deformación plástica para conexiones sin reducción y sección reducida con agujeros Figura 6.1 Detalles de la conexión de las cubre placas inferior y superior Figura 6.2 Posición de las galgas extensométricas para el ensayo de la conexión Figura 6.3 Historial de desplazamiento para el ensayo de la conexión Figura 6.4 Curva histerética del espécimen ensayado Figura 6.5 Concentración de esfuerzos de tensión en la conexión tubo-viga reforzada Figura A1.1 Ubicación de la rótula plástica Figura A1.2 Determinación del cortante en la rótula plástica Figura A1.3 Diagrama de cuerpo libre para la sección crítica Figura A1.4 Diagrama de cuerpo libre para el cálculo de ΣM*pb Figura A2.1 Escogencia de dimensiones para la conexión columna-árbol Figura A3.1 Determinación de la longitud efectiva de la sección Whitmore Figura A3.2 Configuración de la soldadura entre la cubre placa inferior y el ala de la viga Figura A3.3 Sección para la evaluación de los estados límite por tensión; fluencia, fractura y bloque de cortante para la cubre placa inferior Figura A3.4 Sección analizada para fractura por tensión en el área neta Figura A3.5 Sección analizada para fluencia y fractura por cortante en la soldadura Figura A3.6 Configuración de la soldadura entre cubre placa superior y ala de la viga Figura A3.7 Sección analizada para los estados límite de fluencia, fractura del elemento de conexión y fractura de bloque de cortante para la cubre placa superior Figura A3.8 Zona de Panel Figura A3.9 Configuración de la soldadura de filete en las doble placas Figura A3.10 Configuración de la soldadura abocinada en las doble placas Figura A4.1 Zona de Panel xv

17 xvi Villalobos López, Fernando Evaluación de diseños de conexiones viga-columna para su uso como conexiones precalificadas en estructuras con sistema sismorresistente a base de marcos intermedios de acero estructural. Proyecto de Graduación Ingeniería Civil San José. C.R.: F. Villalobos L., 2016 Xii, 98,[65]h;ils. col.-17 refs. Se evalúan distintos diseños de conexiones viga-columna para ser utilizados como conexiones precalificadas en estructuras con sistema sismorresistente a base de marcos de acero resistentes a momento intermedio (IMF). La investigación se basó en los requerimientos del AISC , específicamente en las secciones K1 y K2. Las conexiones evaluadas provienen de reportes de ensayos de conexiones bajo cargas cíclicas. Se debe verificar que estas tengan una capacidad de rotación de al menos 0.02rad para que califiquen para uso en estructuras con sistema sismorresistente IMF. De las conexiones evaluadas, tres cumplen con los requisitos de capacidad de rotación para ser utilizados en sistemas IMF. La conexión marco con columna-árbol utiliza un cabo de viga soldado con alas ensanchadas en la cercanía de la columna para proteger las soldaduras críticas por demanda. La conexión viga de sección reducida con agujeros concentra la acción inelástica lejos de la cara de la columna disminuyendo la demanda de resistencia con una reducción en el área transversal de las alas. La conexión tubo-viga reforzada utiliza cubre placas para fortalecer la conexión viga-columna y provocar la aparición de una rótula plástica lejos de la cara de la columna. Se generan guías de diseño para estas conexiones y se propone su aprobación para uso como conexión precalificada en el Código Sísmico de Costa Rica. CONCEPTOS CLAVE: CAPACIDAD DE ROTACIÓN, CARGAS CÍCLICAS, SISTEMA SISMORRESISTENTE, SOLDADURAS CRÍTICAS POR DEMANDA. Ing. Pío Miranda Jenkins, MSc. Escuela de Ingeniería Civil

18 17 1. Introducción 1.1. Justificación Problema específico El Código Sísmico de Costa Rica del año 2010 (CSCR-2010) establece como requisito para el diseño de estructuras con sistema sismorresistente a base de marcos intermedios (IMF) de acero estructural que las conexiones viga-columna de este tipo de marcos tengan al menos una capacidad de rotación suficiente para soportar ángulos de deriva entre pisos de 0.02 rad. De igual manera al alcanzar la conexión una rotación de 0.02 rad, su capacidad en flexión (determinada en la cara de la columna) debe ser como mínimo 80% del momento plástico de la viga conectada. En el diseño de la conexión no hay métodos analíticos de fácil aplicabilidad que permitan determinar la capacidad de rotación de la conexión; aún si todos sus componentes fueron diseñados para soportar las fuerzas del análisis no hay garantía de que se logre alcanzar una rotación de 0.02 rad. Esto limita las opciones del diseñador cuando se quiere utilizar sistemas IMF como opción constructiva a: 1. Sobre diseñar la conexión utilizando miembros con mayor resistencia a la requerida. Esto conlleva mayores costos en la construcción, y como ya se mencionó no garantiza alcanzar la capacidad de rotación requerida. 2. Usar métodos de análisis complejos para analizar un diseño de conexión. Métodos como el de análisis de modelos de elemento finito (FEM, por sus siglas en inglés) requieren de programas especializados, creando así limitaciones de accesibilidad para el diseñador. El método de componentes crea un modelo para calcular la capacidad de rotación de la conexión utilizando el aporte a la rotación de la conexión de cada elemento que la compone. Ambos métodos implican un proceso iterativo donde se modifica el diseño de la conexión, se actualiza el modelo y se verifica la rotación de la conexión. 3. Utilizar conexiones precalificadas, que han sido probadas en experimentos previos y que cumplen con la capacidad de rotación y flexión requerida. Las conexiones admitidas para este uso en el CSCR-2010 en la tabla 1 del anexo B se utilizan tanto para marcos intermedios como para marcos especiales (SMF). Lo anterior implica que para el diseño de una estructura usando IMF se utilicen conexiones precalificadas

19 18 capaces de soportar rotaciones mayores producidas por ángulo de deriva entre pisos esperados en edificios con sistema SMF (0.04 rad), aumentando el costo del sistema sismorresistente. Todas estas limitaciones hacen que el uso de IMF como sistema sismorresistente para uso en edificaciones en Costa Rica sea menos competitivo y por lo tanto menos utilizado, aun cuando se tengan las ventajas constructivas de utilizar estructuras de acero Importancia El comportamiento de conexiones viga-columna tiene un papel importante en la respuesta de una estructura de acero a base de marcos resistentes a momento y esto se acentúa más al ser sometidos a fuerzas cíclicas. Es en la cedencia del acero en las conexiones y la aparición de rótulas plásticas cerca de estas lo que les da a este tipo de edificación la capacidad de disipar la energía y reducir daños a la estructura. Según el CSCR-2010 en las tabla 10.5 y 4.3 las edificaciones de acero estructural con sistema sismorresistentes a base de IMF deben ser diseñadas con ductilidad local moderada lo que implica una ductilidad global asignada máxima de 3.0. Además estas estructuras tienen limitaciones en altura, 18m para edificaciones de un solo nivel o 10m para edificaciones de varios niveles. Aún así el uso de estructuras de acero, en Costa Rica, para edificaciones con estas características es bajo, en comparación con estructuras de concreto similares, a pesar de las ventajas constructivas que el acero ofrece. Las conexiones precalificadas que el CSCR-2010 permite para uso en IMF también cumplen también con los requisitos de resistencia y capacidad de rotación de los sistemas SMF (que usualmente requieren una mayor ductilidad). Esto lleva al diseñador a utilizar conexiones con mayor capacidad de rotación a la requerida, encareciendo la estructura y provocando que el diseño de edificaciones con IMF sea menos atractivo. El CSCR-2010, además de brindar las conexiones precalificadas ya aceptadas en el anexo B, permite utilizar conexiones que hayan sido precalificadas para uso en IMF o conexiones cuyo desempeño ante cargas cíclicas haya sido evaluado experimental y que cumplan con los límites especificados en la sección K2 del AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings del American Institute of Steel Construction (AISC). Si en Costa Rica se conocieran diferentes opciones de conexiones viga-columna que cumplan con los requisitos para ser utilizados como conexiones precalificadas para uso únicamente en IMF, se obtendría una mayor libertad en el diseño y como consecuencia se fortalecería el uso de estructuras de acero como tecnología constructiva; esto por no tener que sacrificar

20 19 eficiencia en el diseño utilizando conexiones con mayor capacidad, ni aumentar innecesariamente el período de diseño, debido a la necesidad de utilizar métodos de análisis complejos para el diseño de la conexión, y los costos de la construcción. El propósito de este proyecto de graduación es precisamente evaluar y dar a conocer distintos diseños de conexiones viga-columna que cumplan con los requisitos para ser utilizadas como conexiones precalificadas para sistemas de marcos intermedios, evitando así costos adicionales en el diseño y construcción de este tipo de edificación en el país. Además se plantea la posibilidad de agregar a la lista de conexiones precalificadas del Código Sísmico de Costa Rica para su próxima edición Antecedentes Teóricos y Prácticos del Problema Las conexiones viga-columna para marcos de acero resistentes a momento tuvo una revolución debido a la ocurrencia de los sismos de Northridge en 1994 en la ciudad de Los Ángeles en California y el de Kobe en Japón en 1995 (Sumner 2003). En estos sismos se pudo determinar que las estructuras estuvieron expuestas a demandas superiores a las de diseño. Las fallas estructurales en conexiones llevaron a concluir que se debía revisar el comportamiento de las uniones viga-columna para este tipo de marcos. Después del terremoto de Northridge la Applied Technology Council (ATC) especificó la forma de hacer pruebas de daño acumulativo y análisis de fracturas de pernos y soldaduras en conexiones sísmicas de marcos resistentes a momento con carga cíclica. Esto se recopila en las recomendaciones del documento ATC 24 del año La Federal Emergency Management Agency (FEMA) utilizó pruebas de especímenes a escala real para analizar las causas de falla de conexiones donde se tomaron en cuenta criterios de resistencia, rigidez y capacidad de deformación. Con base a estos ensayos se plantearon procedimientos de diseño de pórticos resistentes a momento, que luego fueron recopiladas para uso en normas y códigos. En el documento FEMA 350, del año 2000, se presentan nueve tipos de conexiones viga-columna en estructuras de marcos junto con su procedimiento de diseño y evaluación de desempeño. A partir del año 2002 el AISC, especifican los requisitos que se deben cumplir para la precalificación de conexiones y que han sido actualizados hasta la publicación 2010 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC ), en el cual se cubren temas de detallado de conexiones y requerimientos para el diseño de elementos de acero estructural en sistemas sismorresistentes. Específicamente los requerimientos de precalificación de conexiones se encuentran en las secciones K1 y K2 de esta publicación. También en el 2010 se publica 2010 Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications with Supp. No. 1 and Supp. No. 2

21 20 (ANSI/AISC with ANSI/AISC 358s1-11 and ANSI/AISC 358s2-14), donde el Panel de revisión para la precalificación de conexiones, de acuerdo a lo establecido en AISC en el capítulo K, aprueban el uso de siete tipo de conexiones para uso tanto en sistemas de marcos intermedios y especiales (IMF y SFM). En Costa Rica en el año 2007, M. Romanjek realizó una investigación acerca de la capacidad estructural de conexiones viga-columna de perfiles de acero laminado en frío para cuatro tipos distintos de conexión, con especímenes a escala natural debido al uso común de este tipo de uniones en las construcciones del país Objetivos Objetivo General Evaluar distintos diseños de conexiones viga-columna para su uso como conexiones precalificadas en sistema sismorresistente a base de marcos intermedios (IMF) de acero estructural Objetivos Específicos Utilizar ensayos reportados en literatura para determinar la capacidad de rotación y flexión de distintas conexiones viga-columna. Determinar cual de las conexiones estudiadas cumplen con los requisitos establecidos de capacidad de rotación y flexión para marcos intermedios (IMF) de acero estructural de acuerdo a lo especificado. Generar guías de diseño para las conexiones que cumplan los requisitos para ser precalificadas que contengan lo estipulado en la sección K2 del AISC Dar a conocer las conexiones que califiquen para ser utilizadas en IMF y así proveer de más opciones viables al diseñador de este tipo de estructuras.

22 Delimitación del Problema Alcances La evaluación de las conexiones estudiadas se llevará a cabo utilizando reportes de ensayos ya documentados en artículos y otro tipo de publicaciones. No se realizarán ensayos a ninguna de las conexiones escogidas para comparar con los resultados reportados en ensayos. Las conexiones evaluadas que cumplan con los requisitos de precalificación serán recomendadas únicamente para uso en edificaciones con sistema sismorresistente a base de marcos intermedios (IMF) de acero estructural, su uso en otro tipo de sistema sismorresistente debe ser estudiado. Las guías de diseño que se generen para las conexiones aprobadas abarcan solo la conexión viga-columna. Se debe suponer que tanto las vigas y columnas a utilizar tienen la capacidad adecuada para resistir las cargas y desplazamientos causados por las cargas de diseño y sus combinaciones establecidas en el Código Sísmico de Costa Rica Limitaciones Como la evaluación de las conexiones se hará utilizando reportes de ensayos ya documentados no se tendrá certeza de que las condiciones que se reporten en estos cumplan a cabalidad con los requerimientos establecidos en el AISC en sus secciones K1 y K2. No se podrá controlar la mano de obra ni tener un control sobre la calidad de los especímenes ensayados, el proceso de armado de los elementos, calidad de la soldadura y montaje de los especímenes para ser ensayados, por lo que no se puede medir la influencia de errores humanos en el desempeño de las conexiones. No se tendrá control sobre la cantidad de ensayos realizados para las conexiones evaluadas por lo que no se tendrá una confiabilidad en la capacidad de las conexiones de soportar ángulos de deriva entre pisos requeridos para sistemas que utilicen IMF. De igual manera no se tendrá control sobre los ensayos a los distintos materiales por lo que se debe de utilizar reportes ya realizados.

23 Metodología La metodología a seguir para el proyecto propuesto se muestra en la figura 1.1. Metodología Trabajos de Investigación Investigación Bibliográfica Precalificación de conexiones para IMF (AISC , K1 y K2) Fase evaluación de conexiones CSCR-2010 Capítulo 10 y anexo B Aplicabilidad del K1 y K2 del AISC Obtención de parámetros de la conexión ensayada Revisión de ciclos de carga, capacidad de rotación y Revisión de los límites de los componentes de la conexión para IMF Viabilidad de la conexión en Costa Rica Fase de Entregables Elaboración de guías de diseño para conexiones Elaboración de reporte de record de precalificación de las conexiones Conclusiones y recomendaciones Elaboración de Artículo Técnico Figura 1.1 Metodología a seguir en el proyecto

24 23 La primera fase del proyecto consiste en investigación bibliográfica relacionada con el tema. Entre estos se pueden contar con las especificaciones del AISC como la donde se puede encontrar información sobre el diseño de placas de continuidad, la que contiene conexiones ya precalificadas para marcos intermedios de acero estructural con las especificaciones de sus componentes y procedimiento de diseño. También el AISC donde se encuentran las especificaciones para precalificar una conexión viga-columna y el CSCR-2010 que contiene información para el proceso de diseño de conexiones. La investigación bibliográfica también abarca la recopilación de los reportes de ensayos de conexiones. Estos ensayos se obtienen en parte de la biblioteca de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles y también por el aporte de información de los asesores del proyecto. La segunda parte del proyecto es donde se evaluarán las distintas conexiones viga-columna. Primero se debe verificar que el reporte del ensayo de la conexión tenga información suficiente y que los requisitos del AISC secciones K1 y K2 sean aplicables. Para esto el reporte debe especificar entre otras cosas: cantidad de especímenes ensayados, detalles constructivos y de ensamblaje de la prueba, secuencia de carga cíclica ensayos de materiales, etc. Luego se procede a obtener los parámetros de la conexión como lo son: propiedades geométricas de los elementos que la componen, relaciones viga-columna, resistencia a la flexión de la viga. Con las curvas de histéresis producidas por los ensayos se procede a la revisión de la capacidad de rotación, capacidad de flexión y se comparan con los requisitos establecidos para conexiones con sistema sismorresistente IMF. Por último se debe obtener los límites de los parámetros de la conexión para su utilización como conexión precalificada para IMF. También se evalúa la viabilidad del uso de las conexiones en Costa Rica, por facilidad constructiva y accesibilidad a la técnica de construcción. La parte final del proyecto consta en crear las guías de diseño y detallado de las conexiones que hayan cumplido con todos los requerimientos. Las guías se deben realizar de acuerdo a lo establecido en la sección K1.5 del AISC y conforme a lo establecido en el capítulo 10 del CSCR También se debe realizar un reporte de precalificación por cada una de las conexiones que cumplan con los requisitos, este reporte debe seguir el formato descrito en la sección K1.6.

25 24 2. Marco Teórico El Código Sísmico de Costa Rica del año 2010 (CSCR-2010) en el capítulo 10 establece las disposiciones que rigen el diseño, fabricación y erección de conexiones de acero que formen parte del sistema sismorresistente de una edificación, como lo son las conexiones para edificios a base de marcos resistentes a momento intermedio (IMF). Este a su vez hace referencia a las publicaciones del American Institute of Steel Construction (AISC). El CSCR-2010 en la sección establece los criterios de diseño para sistemas IMF de acero estructural. Estos sistemas deben ser diseñados para poder soportar deformaciones inelásticas limitadas tanto en sus elementos como en conexiones al ser sometidas al sismo de diseño. La capacidad de deformación inelástica limitada de este tipo de marcos se logra mediante la cedencia en flexión tanto de vigas como columnas y de la cedencia en cortante de la zona de panel de la columna. En cuanto a las conexiones viga-columna para IMF deben satisfacer los siguientes dos requisitos: Tener suficiente capacidad de rotación para ajustarse de manera segura a un ángulo de deriva entre pisos (θi=δi/hi) de por lo menos 0.02 radianes. La capacidad en flexión de la conexión, determinada en la cara de la columna, debe ser igual o mayor que 0.80M p de la viga conectada cuando se alcance una rotación de 0.02 radianes. El ángulo de deriva entre pisos se calcula conociendo la deriva inelástica a la que se ve sometida la estructura. Ésta se calcula según el CSCR-2010, a partir la deriva elástica del nivel analizado, el factor de sobre resistencia y la ductilidad global asignada a la estructura. El momento plástico (M p ) de una sección se obtiene cuando todas las fibras del elemento alcanzan el esfuerzo de fluencia debido a la flexión de éste. El momento plástico es igual al esfuerzo de fluencia multiplicado por el módulo plástico de la sección (Z). Como se considera que todas las fibras tienen el mismo esfuerzo (Fy) en la condición plástica, las áreas arriba y abajo del eje neutro plástico deben ser iguales para tener equilibrio interno de fuerzas por lo que el módulo plástico va a ser igual al área en tensión o compresión multiplicada por la suma de la distancia de los centroides del área en tensión y en compresión hasta el eje neutro plástico. Para que una conexión sea aprobada como precalificada para uso en uniones para IMF se debe asegurar que las conexiones tengan la capacidad de soportar el ángulo de deriva entre pisos de manera consistente dentro de los límites establecidos en la sección b del CSCR-2010.

26 25 Para garantizar los requisitos anteriores el CSCR-2010 permite el uso de conexiones precalificadas descritas en el anexo B y diseñadas de acuerdo al Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (AISC , 358s- 11 y 358s2-14). También se permite el uso de otras conexiones precalificadas para uso en IMF que cumplan con los requerimientos descritos en la sección K1 del AISC Por último se permite usar cualquier otra conexión cuyo desempeño ante cargas cíclicas haya sido evaluado experimentalmente, siempre que se cumplan con los límites especificados en la sección K2 del AISC En el diseño de la conexión se deben identificar todos los estados límite que afecten su rigidez, resistencia y capacidad de deformación. Estos incluyen estados límite relacionados con la ruptura, estabilidad y cedencia de la conexión, entre otros Requerimientos Generales para el Diseño de Conexiones El CSCR-2010 en su sección establece los requisitos que deben cumplir las conexiones que sean parte del sistema sismorresistente de una edificación Conexiones Empernadas En el diseño de una conexión, cuando se utilicen tanto pernos como elementos soldados no se debe considerar que ambos aporten a la resistencia de la conexión para una misma componente de fuerza. Una conexión en la que los pernos resistan una fuerza normal a la resistida por la soldadura no debe ser considerada como que están compartiendo la fuerza. En el cálculo de la resistencia a cortante de uniones empernadas, con agujero estándar, se debe considerar tanto la resistencia a cortante del perno como la resistencia de soporte del material conectado en el agujero. Todos los pernos deben ser de alta resistencia instalados como pernos pretensados. Para conexiones por deslizamiento crítico se debe verificar que la superficie de contacto cumpla con los requisitos establecidos en la sección a del CSCR-2010.

27 Conexiones Soldadas Dependiendo del tipo de soldadura que se esté utilizando se tienen dimensiones mínimas y máximas de soldadura. En el diseño, y dependiendo del tipo de soldadura que se utilice, la resistencia de las uniones soldadas debe ser calculada como el menor valor entre la resistencia del material base de acuerdo a los estados límite de ruptura en tensión y cortante y de la resistencia del metal soldado de acuerdo al estado límite de ruptura. Para el diseño de una conexión donde existan combinación de dos o más tipos generales de soldadura en una unión, la resistencia de cada grupo debe ser tomada en cuenta por aparte en referencia al eje del grupo para determinar la resistencia de la combinación. La escogencia del metal de aporte para la soldadura de penetración total depende de las propiedades del material base (resistencia y espesor) y se debe hacer de acuerdo a la sección J2.6 del AISC Requerimientos para el diseño de IMF Los marcos de acero resistentes a momento intermedio deben ser diseñados para proveer una capacidad de deformación inelástica limitada a través de la cedencia en flexión de las vigas y las columnas que componen el marco y de la cedencia en cortante en la zona de panel de la columna. Para conseguir el comportamiento deseado se debe de cumplir con los siguientes requerimientos: Arriostramiento de las vigas Las vigas deben de arriostrarse de manera que se comporten como miembros moderadamente dúctiles de acuerdo con lo siguiente: 1. Ambas alas de las vigas deben estar arriostradas lateralmente o la sección transversal de la viga debe arriostrarse torsionalmente. 2. Las vigas deben de tener restricciones contra la rotación con respecto a su eje longitudinal en los puntos de apoyo. Cuando una riostra se asuma en el diseño en

28 27 medio de los puntos de apoyo debe de proveerse riostras laterales, torsionales o una combinación de ambas para prevenir el desplazamiento relativo del ala superior con respecto a la inferior Las vigas deben tener riostras cerca de las zonas donde se tengan fuerzas concentradas, cambios en la sección transversal y otros puntos donde el análisis indique que una rotula plástica va a formarse durante el proceso de deformación inelástica del IMF Las riostras laterales deben estar ligadas en el ala a compresión de la viga o cerca de esta, excepto cuando: 1. En el extremo libre de una viga en voladizo, las riostras laterales deben colocarse en el ala en tensión (superior). 2. Para vigas arriostradas sujetas a doble curvatura, las riostras laterales deben estar unidas a ambas alas en el punto más cercano al punto de inflexión. Las riostras torsionales se permiten colocar en cualquier punto de la sección transversal y no necesitan estar unidas en las cercanías del ala en compresión. Las riostras torsionales pueden ser proveídas con vigas con conexiones de momento o elementos tipo diafragma Miembros Las vigas y columnas que componen el sistema IMF deben poseer geometrías (secciones transversales) que cumplan con los requerimientos de miembros moderadamente dúctiles. Las secciones armadas a partir de placas deben tener las alas conectadas de forma continua a la(s) alma(s). Las vigas de acero estructural en los IMF les es permitido que tengan una sección compuesta con una losa de concreto reforzado para resistir cargas gravitacionales. Cambios abruptos en el área de las alas de la viga no están permitidos en regiones donde se pueda desarrollar una rótula plástica. Taladrar agujeros o recortar el ala de la viga no está permitido a menos que se demuestre que esto resulte en una configuración que desarrolle rótulas plásticas estables que se ajusten al ángulo de deriva requerido. La región a cada extremo de vigas sujetas a esfuerzos inelásticos debe ser designada como una zona protegida. En general, para conexiones no reforzadas, la zona protegida desde la

29 28 cara de la columna hasta una distancia igual a la mitad del peralte de la viga más allá del punto de la rótula plástica Conexiones La conexión viga columna debe ser capaz de soportar un ángulo de deriva entre pisos de al menos 0.02 rad. La resistencia a flexión medida de la conexión, en la cara de la columna, debe ser al menos el 80% del momento plástico de la viga conectada cuando se alcance un ángulo de deriva de 0.02 rad Soldaduras críticas por demanda Las soldaduras críticas por demanda generalmente son aquellas que están sujetas a niveles de esfuerzo que alcanzan la cedencia del material. La falla de una soldadura crítica por demanda en una unión resultaría en una degradación significativa en la resistencia y rigidez del sistema de marcos utilizados para resistir un sismo. Los requerimientos adicionales, como el uso de metal de aporte se pueden encontrar en la sección A4.b del AISC o la tabla 10.3 del CSCR La sección E2.6a establece que para marcos resistentes a momento intermedio y especial las siguientes soldaduras de penetración total típicamente se consideran como críticas por demanda: 1. Soldaduras de las alas de la viga a la columna. 2. Soldaduras de una única placa de cortante a la columna. 3. Soldaduras del alma de la viga a la columna. 4. Soldaduras en los empalmes de columna, incluyendo la base de la columna Zona Protegida La zona protegida es la porción de la viga donde se espera que la deformación inelástica ocurra. En la zona protegida se tienen restricciones de conexiones de elementos a la viga y de prácticas de fabricación. La localización y extensión de la zona protegida debe definirse para cada tipo de conexión.

30 29 Dentro de la zona protegida se debe cumplir lo siguiente: 1. Discontinuidades creadas por la fabricación u operaciones en la erección, tales como soldaduras, ayudas en la erección deben ser reparadas de acuerdo a lo requerido por el ingeniero a cargo. 2. Acoples del entrepiso y conectores de cortante que penetren el ala de la viga no deben ser colocados dentro de la extensión de la zona protegida. 3. Acoples soldados, empernados o atornillados para fachadas exteriores, tuberías, ductos u otras construcciones no deben colocarse dentro de la extensión de la zona protegida Requisitos para la precalificación de conexiones El proceso de precalificación de una conexión para su uso en IMF debe cumplir con lo establecido en las secciones K1 y K2 del AISC La sección K1 contiene los requerimientos mínimos para la precalificación de conexiones viga-columna de momento para IMF y SFM. La sección K2 se refiere a ensayos cíclicos para la calificación de conexiones viga-columna. También en la sección K1 se establece la necesidad de un panel de revisión para la precalificación de las conexiones (PRPC), que esté aprobado por la autoridad que tenga jurisdicción en el tema. Este panel debe determinar el número de pruebas y las variables y los límites de estas que se deben considerar en los ensayos de precalificación de las conexiones además de proveer esta misma información en caso de que los límites ( b según el CSCR-2010) vayan a ser cambiados para una conexión que ya haya sido precalificada.

31 Variables para la precalificación: Para ser precalificada, el efecto de las variables de los parámetros de los distintos elementos que conforman las conexiones debe de ser considerados, esto de acuerdo a la sección K1.4 del AISC Los valores permisibles para cada variable deben establecerse para la conexión precalificada Parámetros para las vigas: Para obtener un comportamiento como el esperado las vigas a utilizarse deben de mantener relaciones similares a las reportadas en los ensayos. El tipo de sección utilizada, método de fabricación y la especificación del material deben reportarse en los ensayos. La sección K2.3b del AISC restringe el tamaño de los miembros para el uso de conexiones precalificadas. El peralte de la viga a utilizarse para un prototipo de conexión no debe ser menor a 90% del peralte de la viga reportada en ensayos, esto a su vez permite el uso de vigas de hasta un 11% más de peralte. También se debe verificar que las vigas utilizadas para un tipo de conexión no tengan un peso menor al 75% del peso de la viga reportada en ensayos para la configuración de la conexión escogida; lo anterior permite entonces que se utilicen vigas de hasta un 33% más de peso por unidad de longitud. Se debe especificar la razón claro/peralte de la viga para determinar los rangos de utilización de la configuración de la viga Parámetros para las columnas: Al igual que para las vigas, los ensayos de conexiones deben reportar el tipo de sección, método de fabricación y especificación del material de la columna. De igual manera se restringe el peralte de la columna, para un prototipo de conexión, a ser al menos un 90% del utilizado en los ensayos de ese tipo de conexión; también se permiten columnas hasta un 11% mayores. A diferencia de las vigas, las columnas no tienen una restricción en el peso por unidad de longitud.

32 Relaciones viga-columna: La resistencia a cortante de la zona de panel debe ser reportada. La razón entre la capacidad de momento de la columna con la viga puede utilizarse como punto de inicio para la escogencia de las secciones a utilizar para una conexión Placas de continuidad: Se debe identificar las condiciones en las cuales se debe utilizar placas de continuidad en la conexión. Las placas de continuidad utilizadas en los prototipos de la conexión deben de ajustarse lo más posible a las reportadas en los ensayos de la conexión escogida; para esto se debe mantener relaciones de espesores de la placa/ala de la viga, anchos y detalles de fijación a la columna Soldadura: La soldadura utilizada en los prototipos de la conexión deben de ajustarse lo más posible a las reportadas por los ensayos. Esto incluye la localización, extensión y detalle de la soldadura utilizada, así como del tamaño, geometría y acabado de agujeros de acceso para soldadura. Los ensayos deben reportar la clasificación de la resistencia del metal de soldadura y tenacidad al corte; además del control de calidad del proceso de soldadura para los especímenes ensayados Pernos: En caso de que la conexión utilice pernos, los reportes de ensayos de conexiones deben tener información sobre el diámetro, tipo y resistencia del perno utilizado. Los prototipos de conexión deben cumplir con los requerimientos de instalación reportados, así como el tipo de agujero utilizado y su método de fabricación.

33 Mano de obra: Los reportes de conexiones deben tener información acerca de la rugosidad de las superficies cortadas y la tolerancia en los cortes, esto para que se intente replicar en el proceso de construcción de los prototipos de la conexión Requerimientos de informes de conexiones precalificadas Las conexiones precalificadas deben de proveer información escrita de su precalificación que contenga la siguiente información: 1. Descripción general de la conexión precalificada con dibujo que claramente identifiquen las características claves y componentes de la conexión. 2. Descripción del comportamiento esperado de la conexión en los rangos elásticos e inelásticos, localizaciones destinadas de la acción inelástica y una descripción de los estados limites que controlan la resistencia y capacidad de deformación de la conexión. 3. Un listado de los sistemas para los cuales la conexión está precalificada: SMF o IMF. 4. Un listado de los límites para todas las variables de precalificación aplicadas para la conexión. 5. Un listado de soldaduras críticas por demanda. 6. Definición de la región de la conexión que contiene la zona protegida. 7. Un proceso de diseño detallado para la conexión que analice todos los estados límite que estén contenidos en los límites de la precalificación. 8. Un listado de referencias de reportes de ensayos, investigaciones u otras publicaciones que provean la base para la precalificación. 9. Un resumen de control de calidad y de procedimientos.

34 Ensayos cíclicos para la precalificación de conexiones La sección K2.4b del AISC contiene el proceso de aplicación de cargas cíclicas a los que se someten las conexiones para el proceso de precalificación para uniones viga-columna para uso tanto en sistemas IMF como SFM. Los ensayos de carga cíclica deben ser realizados controlando el ángulo de deriva entre pisos, θ, que se le impone al espécimen ensayado. La secuencia de carga se muestra a continuación: 1. 6 ciclos con un θ = rad ciclos con un θ = rad ciclos con un θ = rad ciclos con un θ = 0.01 rad ciclos con un θ = rad ciclos con un θ = 0.02 rad ciclos con un θ = 0.03 rad ciclos con un θ = 0.04 rad. Se continua cargando a incrementos de θ = 0.01 rad, con dos ciclos por cada paso. Con los datos recopilados se procede a graficar una curva histerética de la variación del momento flector contra el ángulo de deriva θ, para determinar si la conexión cumple con los requisitos de capacidad de rotación y capacidad en flexión (límites para IMF en la sección b del CSCR-2010)

35 34 Figura 2.1 Curva histerética de momento en la viga en la cara de la columna contra el ángulo de deriva entre pisos θ. Fuente: Torres y Cruz, Reportes de ensayos para la precalificación de conexiones En la sección K2.7 del AISC se menciona que para cada espécimen ensayado se debe presentar un reporte escrito que contenga la siguiente información. 1. Un dibujo o una descripción clara del ensamblaje del ensayo, incluyendo dimensiones clave de los elementos, condiciones de frontera en los puntos de apoyo y carga y la localización de arriostramiento lateral si fuera necesario. 2. Un dibujo de los detalles de la conexión mostrando tamaños de los miembros, grado del acero, tamaño de los elementos de la conexión, detalles de la soldadura, tamaño

36 35 y posición de los agujeros para los pernos, el tamaño y grado de los pernos y cualquier otra información que sea pertinente para describir la conexión. 3. Un listado de las otras variables de precalificación esenciales para el ensayo del espécimen. 4. Un gráfico donde se muestre el comportamiento de la carga aplicada o el desplazamiento en el tiempo del espécimen durante el ensayo. 5. Un listado de las soldaduras que se hayan designado como de demanda crítica. 6. Definición en la región del miembro y de la conexión que se debe designar como zona protegida. 7. Un gráfico de carga aplicada contra el desplazamiento del miembro. Este desplazamiento debe ser medido lo más cercano posible al punto de aplicación de la carga y ambos puntos deberán de estar claramente indicados. 8. Un gráfico de momento en la viga contra el ángulo de deriva entre pisos, θ, para conexiones viga-columna. El momento y el ángulo de deriva deberán ser registrados con respecto a la línea centro de la columna. 9. Se debe mostrar el ángulo de deriva entre pisos y la rotación inelástica total desarrollado por el espécimen ensayado. Se debe identificar los componentes que contribuyan a la rotación inelástica total debido a la cedencia o deslizamiento y cuanto contribuye cada elemento. El método para registrar las rotaciones inelásticas debe estar claramente mostrado. 10. Un listado cronológico de observaciones hechas durante el ensayo. Estas incluyen observaciones de cedencia, deslizamiento, inestabilidad y ruptura de cualquier porción del espécimen ensayado. 11. El modo de falla que controló el ensayo del espécimen. Si el ensayo terminara antes de la falla debe indicarse la razón por la que se terminó. 12. Los resultados de los ensayos a los distintos materiales que componen la conexión. 13. La especificación de procedimientos de soldadura y los reportes de inspección de la soldadura.

37 Estados Límites en el diseño de conexiones El diseño estructural se basa en el concepto de que los elementos de una estructura estén diseñados para un nivel apropiado de resistencia y rigidez. La resistencia se asocia con la estabilidad de la estructura y su capacidad de soportar las cargas de diseño, tanto para la condición última como la de servicio. La rigidez está relacionada con el control de derivas, deformaciones, es decir con las condiciones de servicio de la estructura. Cuando las cargas aplicadas exceden las cargas de diseño o los requerimientos de funcionalidad, se ha alcanzado un estado límite; que es la condición donde la estructura es funcionalmente inadecuada. Los elementos estructurales pueden tener varios estados límites y es necesario identificarlos para el proceso de diseño de las estructuras. En el diseño de conexiones viga-columna los elementos conectados deben tener la resistencia suficiente para soportar las fuerzas obtenidas del análisis estructural. El momento en la viga va a producir flexión en esta, así como tensión y compresión en la unión de las alas de la viga a la columna. El cortante en la viga debe ser transmitido a la columna, por lo que en la unión del alma de la viga a la columna o placa de cortante a la viga/columna debe ser capaz de resistir el cortante en la cara de la columna Fluencia en flexión McCormac y Csernak definen este estado límite ocurre cuando la sección transversal en su totalidad alcanza un esfuerzo de fluencia debido a la flexión del elemento. La fluencia en flexión es función del módulo plástico del elemento estructural y del esfuerzo de fluencia del acero utilizado. Figura 2.2 Cálculo del Momento Plástico Fuente: McCormac y Csernak, 2012.

38 Fluencia en tensión Este estado límite es función del área bruta de la sección transversal del elemento sujeto a una carga en tensión. El elemento alcanza la fluencia en tensión si la carga a la que está sometido es mayor al producto del área bruta por el esfuerzo de fluencia del acero que compone el elemento Fractura en tensión La fractura debido a la tensión en un elemento es función del área neta efectiva de este. El área neta corresponde al área transversal bruta reducida por agujeros para la colocación de pernos. También es necesario tomar en cuenta el efecto del rezago de cortante, de acuerdo a como se distribuya la fuerza de tensión en el área neta; si esta distribución no es uniforme se aplica un nuevo coeficiente de reducción para el cálculo de la resistencia. Figura 2.3 Estado Límite de fractura en tensión Fuente: Pabón, 2004.

39 Fluencia en cortante La fluencia en cortante es un estado límite dúctil, y es función del área bruta a cortante del elemento. La trayectoria de falla es lineal en la dirección de la carga desde el borde superior hasta el borde inferior del elemento y por el espesor de la placa. Figura 2.4 Estado Límite de fluencia en cortante Fuente: Pabón, Fractura en cortante La fractura en cortante es un estado límite en función del área neta a cortante del elemento. La trayectoria de falla es lineal en la dirección de la carga y se debe considerar los agujeros en el cálculo del área neta a cortante.

40 39 Figura 2.5 Estado límite de Fractura por cortante Fuente: Pabón, Fractura por bloque de cortante La fractura por bloque de cortante es un estado límite en el que se da un rasgamiento hacia afuera de un bloque del material y puede ocurrir en placas conectadas con pernos o soldadura. La falla de un miembro por bloque de cortante ocurre a lo largo de una trayectoria que implique tensión en un plano y cortante en otro plano perpendicular. Para este estado límite es necesario considerar las distintas trayectorias posibles para identificar cual es la que rige la resistencia de la fractura por bloque de cortante.

41 40 Figura 2.6 Estado Límite de Fractura por Bloque de Cortante. Fuente: Pabón, 2004.

42 41 3. Evaluación de conexiones para su uso en sistemas sismorresistentes con IMF Para evaluar las distintas configuraciones de conexiones viga-columna, para su uso en sistemas sismorresistentes a base de marcos de acero resistentes a momento intermedio, se debe verificar que los ensayos realizados a estas cumplan con los requisitos de la sección K2 del AISC , ensayos cíclicos para la precalificación de una conexión viga-columna. Las conexiones evaluadas deberán tener una capacidad de rotación de al menos 0.02 rad, para poder soportar los ángulos de deriva inelástica entre pisos que se esperan en estructuras que utilicen IMF como sistema sismorresistente. También se debe verificar que la viga tenga una capacidad de flexión de 0.80Mp al alcanzar la rotación de 0.02 rad. Los reportes de los ensayos deben reportar el proceso de ensamblaje de los especímenes, detalles de la conexión, pruebas a los materiales que componen los elementos de la conexión ciclo de cargas a las que se someten los especímenes ensayados y modos de falla observados. A continuación se presentan los distintos reportes de ensayos de conexiones evaluadas en esta investigación que no se aceptaron para su uso en IMF: 3.1. Análisis y Diseño de Uniones a Momento en Perfiles de Lámina Doblada en Frío En este artículo Carlos A. Bermúdez, et al. de la Universidad Nacional de Colombia prueban tres especímenes de conexiones con las siguientes características: Columna: 2 PHR C305x80-2.0mm y Viga: 2 PHR C220x80-2.0mm. Columna: 2 PHR C305x80-2.5mm y Viga: 2 PHR C220x80-2.0mm. Columna: 2 PHR C305x80-3.0mm y Viga: 2 PHR C220x80-2.2mm. En la figura 3.1 y 3.2 se aprecian los detalles de la conexión utilizada para estos especímenes.

43 42 Figura 3.1 Detalle del extremo de la viga para la conexión con perfiles laminados en frío. Fuente: Bermúdez, Figura 3.2 Detalles de la conexión con perfiles laminados en frío en la columna. Fuente: Bermúdez, 2010.

44 43 La conexión utiliza angulares 2 x 3/16 y placas de conexión de espesor de 3/16, además de 12 pernos de 5/8 de diámetro A325 para la unión entre la columna y la viga. En la figura 3.3 se observa el esquema del ensayo que se realizaron a estos especímenes. En estas pruebas se controló el desplazamiento al extremo de la viga aplicando una carga cíclica según se muestra en la figura 3.4. Figura 3.3 Esquema del ensamblaje para los ensayos de la conexión con perfiles laminados en frío. Fuente: Bermúdez, 2010.

45 44 Figura 3.4 Ciclo de cargas aplicadas a los especímenes de la conexión con perfiles laminados en frío. Fuente: Bermúdez, El ciclo de cargas aplicado no es el recomendado en la sección K2 del AISC , este utiliza tres ciclos para cada nivel de rotación en incrementos de 0.01 rad. Sin embargo, este secuencia de aplicación de las cargas tiene 1 ciclo más que el recomendado para las rotaciones de 0.02, 0.03 y 0.04 rad. A continuación se muestran los resultados de los ensayos para los tres especímenes de la conexión con perfiles laminados en frío:

46 45 Figura 3.5 Curva histerética fuerza vs desplazamiento del espécimen 1. Fuente: Bermúdez, Figura 3.6 Curva histerética fuerza vs desplazamiento del espécimen 2. Fuente: Bermúdez, 2010.

47 46 Figura 3.7 Curva histerética fuerza vs desplazamiento del espécimen 3. Fuente: Bermúdez, Para el ensamblaje mostrado en la figura 3.3 una rotación de la conexión de 0.02 rad es equivalente a un desplazamiento en el extremo de la viga de 3.4cm Razones para el rechazo de uso en IMF Los elementos de la conexión reportada en este ensayo son de perfiles de acero laminados en frío por lo que el proceso descrito en la sección K2 del AISC no son aplicables, por lo que no se acepta su uso como conexión precalificada para sistemas sismorresistentes con IMF. Además en el reporte de la conexión no se tiene información del tipo de acero, ni de las pruebas realizadas a los materiales que componen los elementos de la conexión, por lo que se desconocen muchos de los parámetros utilizados para los ensayos de las conexiones Experimental Study on Beam-to-Column Connections of Steel Frame Structures with Steel Slit Dampers En el año 2014 Köken y Köroğlu llevaron a cabo un estudio experimental donde compararon dos conexiones viga-columna con amortiguadores de hendidura de acero con una conexión de placa al final de la viga para determinar si son apropiadas para el uso en estructuras a base de marcos de acero. En otros estudios Köken y Köroğlu analizaron las características mecánicas de distintos tipos de amortiguadores de acero. El amortiguador de hendidura mostró tener un comportamiento histerético estable bajo fuerzas de cortante.

48 47 En este tipo de conexión el amortiguador está unido a la viga mediante una placa empernada bajo el ala inferior, tal y como se observa en la figura 3.8. Tanto los pernos utilizados para la viga y la columna son de alta resistencia. El elemento superior de sección T conecta el ala superior de la viga a la columna; el elemento inferior de sección T transfiere la deformación al amortiguador. Ambas secciones T fueron diseñadas para desempeñarse en el rango elástico. El amortiguador se diseña con menor resistencia que las vigas y columnas para que el daño causado por un sismo se concentre en el amortiguador. Figura 3.8 Detalles de la conexión viga-columna con amortiguador de hendidura de acero. Fuente: Köken y Köroğlu, Los especímenes de prueba fueron producidos para representar el extremo de un marco de acero de una estructura hasta el punto medio del claro de la viga. Las conexiones vigacolumna fueron soportadas con articulaciones y sometidas a cargas cíclicas reversibles en el extremo libre de la viga, como se muestra en la figura 3.9.

49 48 Figura 3.9 Idealización de la conexión viga-columna. Fuente: Köken y Köroğlu, Todos los especímenes utilizaron perfiles IPE400 e IPE270 para la columna y la viga respectivamente. La longitud de la columna entre apoyos fue de 3.00m y la viga tiene una longitud de 2.00m medida desde el extremo libre donde se aplica la carga hasta la cara de la columna. La sección T que conecta el ala superior de la viga a la columna fue fabricada a partir de un perfil HEA600 mientras que la sección T inferior fue fabricada a partir de un perfil HEA800 y reforzada con elementos soldados. El esfuerzo de fluencia de la columna, viga y las secciones T es de 440MPa. La resistencia última mínima de los pernos fue de 800MPa y el esfuerzo de fluencia de 640MPa. La soldadura utilizada en los experimentos fue soldadura de arco metálico y solo fue utilizada en el refuerzo de la sección T inferior. Los diámetros de los pernos y espesores de soldadura escogidos para las pruebas fueron los valores más altos permitidos para eliminar el daño a estos elementos. La prueba para el amortiguador de espesor de 12mm fue realizada con una viga no reforzada mientras que para el amortiguador de espesor de 15mm se reforzó la viga con dos rigidizadores. El propósito del experimento para la viga no reforzada era concentrar el daño en el amortiguador, por lo tanto previniendo el daño a la viga sin que esta llegara a alcanzar su capacidad teórica y manteniéndola en el rango elástico. Para el espécimen con la viga reforzada la meta era sobrepasar la capacidad teórica de la viga mediante la transferencia del daño al amortiguador y la disipación de la energía. La resistencia teórica de fluencia para la viga IPE270 es de knm.

50 49 Figura 3.10 Modelos de los especímenes para viga sin reforzar y reforzada. Fuente: Köken y Köroğlu, El régimen de cargas a los que se sometieron los especímenes es el aprobado por el AISC 341 y se muestra a continuación: Figura 3.11 Historial de carga para las pruebas de los especímenes. Fuente: Köken y Köroğlu, Las curvas histeréticas producto del experimento muestran el comportamiento de ambas conexiones cuando se les somete al historial de cargas cíclicas.

51 50 Figura 3.12 Curva histerética para el espécimen con amortiguador de 12mm de espesor. Fuente: Köken y Köroğlu, Figura 3.13 Curva histerética para el espécimen con amortiguador de 15mm de espesor y viga reforzada. Fuente: Köken y Köroğlu, Las líneas horizontales que se observan en las curvas de histéresis muestran el valor calculado teórico del momento de fluencia de la viga IPE 270 (132.8kN-m) que es mayor que el 80% del momento plástico de la viga (120kN-m). El espécimen con amortiguador de 12mm de espesor no supera este valor con una rotación de 0.02rad por lo que se descarta su uso como para marcos intermedios; el espécimen de 15mm de espesor sí supera el valor del momento plástico en el cíclo de 0.02rad, así como en el de 0.04rad, por lo que se puede utilizar esta conexión en marcos de acero resistente a momento intermedio y especial.

52 51 Figura 3.14 Rasgamiento de los puntales en el amortiguador del espécimen con espesor de 12mm y deformación del amortiguador con espesor de 15mm. Fuente: Köken y Köroğlu, Razones del rechazo para el uso en IMF La conexión viga-columna con amortiguadores de hendidura de acero sí cumple con todos los requisitos para ser utilizada como conexión precalificada para su uso en sistemas sismorresistentes con IMF. A pesar de esto se decide rechazar su aceptación para su uso en Costa Rica debido a que el uso de amortiguadores en las conexiones en este país no es usual y esto implica la importación de estos Conexiones evaluadas que pueden ser usadas para IMF Los siguientes capítulos muestran las conexiones evaluadas que cumplen con los requisitos para ser utilizadas como conexiones precalificadas para su uso en sistemas sismorresistentes con IMF. Se muestran resúmenes de los reportes de los ensayos a las distintas conexiones, detalles de la conexión, capacidad de rotación y modo de falla de las conexiones. También se obtienen los parámetros de las conexiones como límites en el peralte de la viga y la columna, razones de claro/peralte para los que se puede usar la conexión, localización de la rótula plástica y una revisión del diseño para cada conexión evaluada.

53 52 4. Conexiones en marcos con columna-árbol resistentes a momento El uso de marcos con columna-árbol ha sido ampliamente usado en Japón, sin embargo, luego del terremoto de Kobe de 1995 se observó daños en este tipo de conexiones. Se observaron fracturas frágiles en soldaduras hechas en taller a pesar de que estas se creían ser de mejor calidad que soldaduras hechas en sitio. Un sistema columna-árbol es uno de los esquemas constructivos utilizados para la creación de marcos resistentes a momento. La columna-árbol es fabricada en taller soldando cabos de vigas armadas a partir de placas a la columna. Las soldaduras críticas se hacen en taller para tener un mejor control en la calidad de las conexiones. Las longitudes de los cabos de vigas varían generalmente entre 600 y 1000mm. Para formar el marco resistente a momento se conectan vigas de vínculo a los cabos de viga de la columna-árbol como se muestra en las figuras 4.1 y 4.2. Figura 4.1 Construcción de marcos con columna-árbol Fuente: Chen et al., 2005.

54 53 Figura 4.2 Opciones de empalme para la viga vínculo en marcos con columna-árbol Fuente: Chen et al., Debido a observaciones que se hicieron después del terremoto de Kobe en 1995 se propone el uso de alas ensanchadas en la conexión a la columna-árbol. Esto se debe a que antes de este terremoto se utilizaban soldaduras de penetración total para unir las alas de los cabos de viga a la columna y para esto se utilizaban agujeros de acceso para soldar lo que generaba concentraciones de esfuerzo y un alto potencial de fractura en la conexión. Chen et al., del departamento de ingeniería civil de la Universidad Nacional Chiao Tung de Taiwan, proponen el uso de vigas armadas a partir de placas con alas anchas en la conexión. Esta configuración de las alas tiene como propósito reforzar la unión viga-columna y formar

55 54 una rótula plástica lejos de la cara de la columna. La viga es soldada en taller a la columna tipo cajón lo que permite un mejor control de calidad. Por esta razón se cambia de una soldadura de penetración total por soldaduras de surco de doble bisel lo que elimina la necesidad de hacer agujeros de acceso en el alma de la viga. El uso de empalmes con pernos en sitio aumenta la velocidad de erección de los marcos y reducir así costos en la construcción. El uso de empalmes con soldaduras puede eliminar posibles deslizamientos que se dan en conexiones empernadas durante sismos de gran magnitud. El uso de este sistema acarrea mayores costos de transporte pero también reduce el costo en campo debido a la facilidad de armado. Figura 4.3 Configuración de la conexión viga-columna utilizando alas anchas. Fuente: Chen et al., 2005.

56 55 Figura 4.4 Configuración de las conexiones evaluadas para el sistema de marcos con columna-árbol (a)w10-l1a; (b)w10-l2a; (c)w08-l1a. Fuente: Chen et al., Para determinar el comportamiento de las conexiones propuestas bajo cargas cíclicas se falló especímenes de prueba a escala natural que representan una conexión viga-columna en un marco exterior sometido a cargas de sismo. Tanto la viga como la columna son de acero ASTM A572 Grado 50. La forma del ala ancha se fabricó con un proceso de corte con acetileno y luego se terminó el proceso de forma manual. Los detalles de la soldadura se muestran en la figura 4.5.

57 56 Figura 4.5 Detalles de la soldadura para los especímenes. Fuente: Chen et al.,2005. Gran parte de la soldadura de ranura en bisel fue utilizada en la parte interior del ala de la viga para permitir la remoción de los errores en la soldadura desde la parte exterior del ala. El resto de la soldadura de ranura en bisel fue consecuentemente completada desde el exterior del ala de la viga. Para estos especímenes se utilizó soldadura para el empalme de la viga vínculo con la columna-árbol para prevenir cualquier influencia proveniente del posible deslizamiento en el empalme en el comportamiento de la conexión con el ala ancha. El proceso de pruebas con carga cíclica se realizó conforme a la secuencia de cargas descrita en la sección K2 del AISC-341, como se observa en la figura 4.6, con un montaje que simulara las condiciones de borde esperadas para los especímenes construidos. A continuación se muestran un diagrama del montaje de la prueba y el ciclo de cargas.

58 57 Figura 4.6 Diagrama del montaje de los especímenes para la prueba de carga cíclica. Fuente: Chen et al; Figura 4.7 Secuencia de cargas. Fuente: Chen et al; 2005.

59 Resultados del ensayo El comportamiento de los tres especímenes fue muy similar, a pesar de que se utilizó diferentes detalles en el ala ancha. La fluencia de los especímenes ocurrió inicialmente en los bordes de la parte curva del ala ancha. Se notó pandeo local en las alas de la viga durante los ciclos de carga con un ángulo de deriva entre pisos de 0.04 rad. En los ciclos de 0.05 rad de ángulo de deriva entre pisos un pandeo excesivo de la sección de la viga causó un deterioro gradual en la resistencia. Para todos los especímenes la rótula plástica se formó en la viga lejos de la columna, asegurando suficiente deformación inelástica en la conexión. Al final de las pruebas no hubo signos de fractura exceptuando una pequeña grieta en el borde del ala de uno de los especímenes. Debido a que la columna y la zona de panel se comportaron elásticamente durante las pruebas, la rotación plástica de los especímenes se debió meramente a la deformación inelástica de la viga. La formación de rótulas plásticas en la sección de la viga fue la única fuente a la que se le atribuyó la rotación plástica. Como se observa en los lazos histeréticos se tienen comportamientos confiables y estables para los especímenes. El deterioro gradual en la resistencia fue causado por el pandeo local de las alas de la viga y la columna. Todos los especímenes pueden, de manera confiable, desarrollar un comportamiento inelástico con un ángulo de deriva entre pisos mayores a 0.03 rad. Figura 4.8 Lazos histeréticos para el espécimen W10-L1A. Fuente: Chen et al; 2005.

60 59 Figura 4.9 Lazos histeréticos para el espécimen W10-L2A. Fuente: Chen et al; Figura 4.10 Lazos histeréticos para el espécimen W08-L1A. Fuente: Chen et al; 2005.

61 60 Los tres especímenes muestran un comportamiento similar bajo cargas cíclicas y logran alcanzar una capacidad de momento mayor o igual al momento plástico de la viga en la rótula plástica (1652 kn-m) en los ciclos de carga de 0.02 y 0.04rad por lo que se podrían utilizar como conexiones para marcos de acero resistentes a momento intermedio y especial. Como muestra el cuadro 4.1 se tienen los momentos máximos de las pruebas y las resistencias plásticas a flexión de los especímenes tanto en la cara de la columna como en la rótula plástica. La posición de la rótula plástica se define en el final de la parte curva del ala ancha más alejado de la cara de la columna. Las razones del momento máximo de la prueba con respecto a la resistencia plástica en flexión en la cara de la columna, M j,test / M pj, varían entre 0.77 y 0.98 lo que indica que la conexión todavía tiene resistencia a la flexión de reserva en la conexión viga-columna. Para el espécimen W08-L1 esta razón es de 0.98 lo que implica que con este ancho de ala apenas se provee la resistencia a flexión requerida. Cuadro 4-1 Resumen de las pruebas de momento y comparación con cálculos teóricos Espécimen W10-L1 W10-L2 W08-L1 Momento máximo de pruebas En la cara En la de la rótula columna plástica Mj,test Mph,test (knm) (knm) Momento plástico calculado En la cara de la columna Mpj (knm) En la rótula plástica Mp (knm) Razón de momento prueba/calculado En la cara de la columna Mjtest/Mpj En la rótula plástica Mph,test/Mp Fuente: Chen et al; 2005.

62 61 Figura 4.11 Agrietamiento menor en el área ensanchada en el espécimen W10-L1 con un ángulo de deriva entre pisos de 5% Fuente: Chen et al., Parámetros de la conexión

63 62 A continuación se muestran los parámetros de la conexión columna-árbol obtenidos del ensayo reportado para esta. En esta sección se establecen límites para las secciones de vigas y columnas que se pueden utilizar para que la conexión pueda ser utilizada como conexión precalificada para IMF, razones de claro/peralte de la viga, límites para el peso por longitud de la viga, así como tipo de soldadura, tipo de pernos y detalles adicionales de la conexión Propiedades de la viga Cuadro 4-2 Propiedades geométricas de la viga Sección H588x300x12x20 Ag mm 2 d 588 mm tw 12 mm bf 300 mm tf 20 mm Ix x mm 4 Sx x mm 3 rx 247 mm Zx x mm 3 Iy x mm 4 Sy x mm 3 ry 1.77 mm Zy x mm 3 Cuadro 4-3 Variables de los parámetros de la viga. Variables de la viga Forma de la sección transversal H588x300x12x20

64 63 Método de fabricación Armado con placas Máx Peralte (mm) Peso por unidad de longitud kg/m Espesor de las alas (mm) 20 Especificación del Material A572 G50 Razón claro/peralte bf/2tf 7.50 h/tw 45.7 Detalles adicionales Alas ensanchadas varían de 80 a 100% del ancho de la cara de la columna. Las alas fueron fabricadas con un proceso de corte con acetileno y luego fueron acabadas con un molino manual Cuadro 4-4 Revisión de la esbeltez de la sección con ala ensanchada Revisión de esbeltez b ala ensanch / 2 tf kc=4(h/t w ) -1/ λp λr Ala No Compacta h/tw λp λr Alma Compacta Propiedades de la columna

65 64 Cuadro 4-5 Propiedades geométricas de la columna Sección Cajón 550x550x27x27 Ag mm 2 d 550 mm tw 27 mm bf 550 mm tf 27 mm Ix x mm 4 Sx x mm 3 rx 214 mm Zx x mm 3 Iy x mm 4 Sy x mm 3 ry 4.02 mm Zy x mm 3 Cuadro 4-6 Variables de los parámetros de la columna Variables de la columna Forma de la sección transversal Cajón 550x550x27x27 Método de fabricación Armado con placas Máx Peralte (mm) Peso por unidad de longitud kg/m 446kg/m Espesor de las alas (mm) 27 Especificación del Material A572 G50 b/t 18.4 h/t 18.4 Los cuadros 4.3 y 4.5 muestran los límites en el peralte máximo que se puede utilizar tanto para la viga como para la columna, un aumento del 11% es permitido de acuerdo. Para el peso por unidad de longitud de la viga se puede aumentar hasta un máximo de 33%. Esto según lo establecido en la sección K2.3b del AISC Relaciones Viga-Columna

66 65 Cuadro 4-7 Resistencia de la zona de panel y razón de momentos plásticos Cortante zona de panel (J10-9) 2767 (J10-10) ΦRn 3731 (J10-11) (kn) 3148 (J10-12) 5787 Mpc/Mpb Propiedades de la soldadura Cuadro 4-8 Propiedades de la soldadura utilizada en la conexión Soldadura Alas soldadas con soldadura de penetración total con doble bisel a 45º al ala de la columna. La mayor parte de la soldadura se hizo en la parte interior del ala de la viga y luego se completó por la parte externa Soldadura de penetración total con bisel uniendo el alma de la viga al ala de la columna Metal de aporte Agujeros de acceso Control de calidad Proceso de soldado 70 ksi N/A Soldadura realizada en taller No se menciona Propiedades del acero

67 66 Cuadro 4-9 Propiedades del acero utilizado en la conexión Viga Columna Acero Resultados pruebas de tensión Alas Fy No se menciona Fu No se menciona Alma Fy No se menciona Fu No se menciona Límite A572 Gr.50 Fy>0.85*Ry*Fymin Ry Alas Fy No se menciona Fu No se menciona Alma Fy No se menciona Fu No se menciona Límite A572 Gr RyFymin>Fy>0.85RyFymin Ry Superior Inferior 323 El reporte de los ensayos para esta conexión no menciona pruebas realizadas al material que conforma la viga ni la columna. Aun así la conexión tiene la capacidad de rotación y flexión suficiente para ser utilizada como precalificada para uso en IMF Ubicación de la rótula plástica y la zona protegida El uso de modelos de elemento finito para el estudio de la conexión permiten visualizar la concentración de esfuerzos en la zona donde se empiezan a ensanchar las alas del cabo de viga. El modelo utiliza las mismas propiedades de los elementos utilizados en la conexión, así como las mismas secciones. Chen et al. comparan el modelo con uno previamente validado de una conexión sin ensanchamiento en las alas.

68 67 Figura 4.12 Modelo tridimensional de elemento finito de la conexión columna-árbol. Fuente: Chen et al., 2005 Figura 4.13 Concentración de esfuerzos para el modelo del espécimen W10-L1 y una conexión sin alas ensanchadas. Fuente: Chen et al., 2005

69 68 Figura 4.14 Variación de la concentración de la deformación de la conexión según el ángulo de deriva para el modelo W10-L1. Fuente: Chen et al., 2005

70 69 Debido a la configuración de la conexión la rótula plástica se forma justo afuera de la zona donde se empieza a ensanchar las alas del cabo de viga conectada a la columna, como lo muestra la figura La zona protegida de la conexión va desde la cara de la columna hasta una distancia igual a la mitad del peralte del cabo de viga medido desde la posición de la rótula plástica de acuerdo a la disposición del punto 2.6 del Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications del AISC Límites de la conexión para su uso en IMF A continuación se presentan los rangos de variación del peralte y peso de la viga, así como el peralte de la columna y el claro cubierto por el marco del sistema sismorresistente para que la conexión utilizada cumpla con los límites establecidos en el AISC sección K2.3b. Para la conexión con columna-árbol se permite el uso de secciones de molino y armadas a partir de placas para la columna y el cabo de viga que cumplan con los límites de los cuadros 4-10 y Las alas deben estar unidas de forma continua a las almas si se utilizan secciones armadas a partir de placas. Cuadro 4-10 Límites de precalificación de la conexión para IMF Límites de precalificación para uso en IMF Viga < peralte (mm) < < peso (kg/m) < claro máximo (m) < 6.7 Columna 495 < peralte (mm) < Cuadro 4-11 Límites para la geometría de la sección con ala ensanchada Límites de dimensiones del ala ensanchada 0.8 b columna b ala ensanch 1.0 b columna 100 l' (mm) R b viga b columna 0.6

71 70 Figura 4.15 Dimensionamiento para la sección con ala ensanchada La sección de las alas donde se da el ensanchamiento debe tener un control de calidad de manera que el corte de la sección con el radio escogido tenga un acabado suavizado, para evitar concentraciones de esfuerzo no deseadas. La transición entre las dos geometrías no debe de presentar cambios abruptos en la sección por lo que no se recomienda hacer el corte con líneas rectas que asemejen el radio escogido ya que esto generaría puntos con concentraciones de esfuerzo entre los vértices en los cortes Revisión del diseño de una conexión columna-árbol Para la revisión del diseño de una conexión columna-árbol se utilizan las ecuaciones presentes en el apéndice 2 de este documento. El diseño de la conexión se realiza considerando un momento en la cara de la columna con un valor aproximado al momento soportado por este tipo de conexión a una rotación de 0.02 rad, según lo reportado en los ensayos de estudio. Primero se escogen las dimensiones de la sección con ala ensanchada, según se muestra en la figura A2.1. Cabe destacar que se utilizó para este diseño las mismas secciones que las indicadas en los ensayos, es decir que para la viga se utilizó una H 588x300x20x12 y para la columna un cajón 550x550x27x27, ambas armadas a partir de placas.

72 71 Cuadro 4-12 Dimensionamiento de las alas ensanchadas para el cabo de viga Dimensiones del ala ensanchada bala ensanch. = 0.9 b col = 495 mm 100 < l' < 300 l' = 200 mm 200 < R < 400 R = 300 mm lp = l' = 300 mm Con la distancia medida desde la columna hasta la ubicación de la rótula plástica se procede a calcular el momento probable plástico, Mpr, en este punto, y el cortante en la cara de la columna, Vf, con el procedimiento descrito en el apéndice 1. Cuadro 4-13 Momento plástico en la rótula plástica y cortante en la cara de la columna Momento plástico esperado y cortante en cara de la columna Mpr = CprRyZbFy = 1884 kn-m rad 1.1 Mp = 1799 kn-m Vf = 2Mpr/L' = kn Luego se deben calcular las propiedades geométricas de la sección con ala ensanchada del cabo de viga. Cuadro 4-14 Propiedades geométricas de la sección con ala ensanchada Propiedades geométricas de la sección con ala ensanchada A (mm 2 ) y (mm) A*y (mm 3 ) I (mm 4 ) d (mm) alma ala sup ala inf Σ Ix viga ensanch Sx viga ensanch x10 6 mm 4 rx viga ensanch mm x10 3 Zx viga x10 3 mm ensanch mm 3

73 72 También se revisan las razones de esbeltez de la sección con ala ensanchada. Cuadro 4-15 Revisión de la esbeltez del ala ensanchada y alma en el cabo de viga Revisión esbeltez b ala ensanch/tf kc=4(h/tw)-1/ λp λr Ala No Compacta h/tw λp λr Alma Compacta Como se tienen alas no compactas y alma compacta se debe revisar la capacidad a flexión por pandeo local en el ala a compresión. El cálculo para el λr del ala varía si la sección es armada a partir de placas o de molino. Con las propiedades geométricas se puede revisar la capacidad a flexión en la cara de la columna. Cuadro 4-16 Cálculo de la resistencia en flexión en la cara de la columna Flexión en la cara de la columna por pandeo local en ala de compresión φmn=φ(fyzx-(fyzx-0.7fysx)((λ-λpf)/(λrf-λpf)) = kn-m > Mf Luego se procede a revisar la resistencia de la soldadura tanto en la unión del ala de la viga con la columna y el alma de la viga con la columna. Ambas soldaduras son de penetración total por lo que la resistencia está controlada por el material base.

74 73 Cuadro 4-17 Cálculo de la resistencia de la soldadura de la conexión Soldadura ala ensanchada viga-ala columna (CJP) controlada por material base Fluencia en tensión del ala del cabo de viga bala ensanch. > Mf/db φ Fy tfb = mm CUMPLE Fractura en tension del ala del cabo de viga bala ensanch. > Mf/db φ U Fu tfb = mm CUMPLE Soldadura alma viga-ala columna (CJP) controlada por material base Fluencia en cortante del alma del cabo de viga (db-2tfb) > lw > Vf φ 0.60 Fy twb = mm CUMPLE Fractura en cortante del alma del cabo de viga (db-2tfb) > lw > Vf φ 0.60 Fu twb = mm CUMPLE Por último se revisa el cortante en la zona de panel de la columna, producto del momento en la cara de la columna. Como se utilizó una columna tipo cajón el espesor requerido se debe comparar con el espesor total del alma de la columna.

75 74 Cuadro 4-18 Revisión del cortante en la zona de panel Cortante en la Zona de Panel Sin Considerar en el análisis el efecto de la deformación de la zona de panel en la estabilidad del marco Si Pr<0.4 Pc tw col. > tw col. > Mf/db φ0.6 Fydc Mf/db φ0.6 Fydc (1.4- Pr/Pc) = 32.6 mm Cumple para columna cajón Si Pr >0.4 Pc = 40.7 mm Cumple para columna cajón Considerando en el análisis el efecto de la deformación plástica de la zona de panel en la estabilidad del marco Si Pr<0.75Pc φrn> Mf/db φ0.6 Fy dc twc(1+(3bcf t 2 cf)/(db dc tw)) = > Cumple para columna cajón Si Pr>0.75Pc φrn> Mf/db φ0.6 Fy dc twc(1+(3bcf t 2 cf)/(db dc tw))( pr/pc) = > Cumple para columna cajón

76 75 5. Conexiones con viga de sección reducida con agujeros en las alas Las conexiones con almas empernadas y alas soldadas, abreviado BWWF por sus siglas en inglés, eran ampliamente utilizadas antes del terremoto de Northridge en 1994 y fue después de este acontecimiento y la revisión de edificios afectados que varían entre 1 y 24 pisos que se plantean modificaciones a las conexiones BWWF típicas de estos edificios. Aunque no hubo colapsos debido a la falla de las conexiones de momento, se dio énfasis en no solo como reparar las conexiones dañadas sino también en cómo construir nuevos marcos resistentes a momento de acero. Figura 5.1 Detalles típicos de conexiones viga-columna BWWF Fuente: Tsai y Chen, 1996 En el año 1995 Tsai y Chen llevan a cabo un estudio donde se evaluó el desempeño de 12 diferentes conexiones BWWF, incluyendo la que se muestra en la figura 4.1, bajo cargas cíclicas. Las modificaciones a los detalles convencionales de las conexiones BWWF incluyen dos esquemas: (1) Aumentar la resistencia de la conexión rigidizando las alas de la viga en la unión viga-columna o soldando de manera total el alma de la viga a una placa engrosada de cortante, y (2) disminuyendo la demanda de resistencia de la conexión reduciendo el área transversal del ala de la viga en la proximidad de la conexión viga-columna. De los 12 especímenes evaluados se considera utilizar los que utilizan el esquema de disminución de la demanda de resistencia, ya que en los detalles de las otras conexiones no se especifican las dimensiones de las cubre placas. Los esquemas de disminución de la resistencia demandada emplean agujeros taladrados en las alas superior e inferior (SB1, SB2 y SB3). Todas las secciones de las vigas son W21x62 construidas a partir de placas de acero A36 con una razón de Z f /Z de Los resultados de los ensayos de tensión indican que el esfuerzo de fluencia, F y son 317 y 306 MPa y el

77 76 esfuerzo último a tensión, F u, es de 487 y 469 MPa, para las alas y el alma de las vigas respectivamente. Todas las vigas tenían la misma longitud de 2.1m medido desde el punto de aplicación de la carga a la cara de la columna. Las columnas utilizadas para los especímenes SB1, SB2 y SB3 fueron de sección W14x176. Todas las columnas utilizadas fueron construidas a partir de placas utilizando acero A572 Grado 50. Estas secciones fueron utilizadas para proveer una zona de panel relativamente fuerte, para que deformaciones inelásticas limitadas pudieran ocurrir en la zona de panel antes de que se desarrollara una fluencia a flexión en la sección de la viga. Todos los especímenes fueron proveídos con placas de continuidad en la columna, para la sección W14x176, de espesores iguales al espesor de las alas de la viga. Las placas de continuidad fueron soldadas a la columna usando soldadura de penetración parcial de doble bisel mientras que las placas diafragma fueron adjuntadas a la columna aplicando soldadura de electroescoria. Se utilizó soldadura de penetración total de un bisel para conectar las alas de la viga a las alas de la columna para todos los especímenes. Las vigas fueron conectadas utilizando placas de cortante de 15mm de espesor usando 5 pernos A325 de 25mm de diámetro. Figura 5.2 Configuraciones de conexiones BWWF modificadas Fuente: Tsai y Chen, 1996.

78 77 Cuadro 5-1 Secciones utilizadas para las conexiones. Espécimen Viga Columna Detalle de la conexión Espesor de placa de cortante (mm) SB1 W21x62 W14x176 Distribución 2 filas de 5 agujeros en alas Sup&Inf 36Φ 15 SB2 W21x62 W14x176 Distribución 4 filas de 9 agujeros en alas Sup&Inf 18Φ 15 SB3 W21x62 W14x176 Distribución 4 filas de 6 agujeros en alas Sup&Inf 22Φ 15 Zf/Z de la viga W21x62 es 0.73 Todos los pernos conectados al alma de la viga son pernos A325 de 25mmφ Fuente: Tsai y Chen, El área de la sección transversal de la viga W21x62 es de 11806mm 2. El espécimen SB1 le reduce mm 2, el SB2 le reduce mm 2 y el SB3 le reduce 3041mm 2 ; esto representa una disminución de 34.5%, 17.2% y 25.8% respectivamente. El momento último esperado para los especímenes SB1, SB2, SB3 Z f F u. Todos los espaciamientos de los pernos fueron de 75mm y todas las distancias de los bordes a los pernos de 60mm. Aunque los pernos fueron diseñados por capacidad de soporte, todos los pernos fueron cuidadosamente tallados antes de realizar las soldaduras en las alas. Todos los pernos fueron pretensados, como es requerido para una conexión por deslizamiento crítico, usando una llave para un torque previamente calibrada Resultados del ensayo Todos los especímenes fueron probados imponiendo desplazamientos al final del voladizo que aumentaban en 8mm entre cada ciclo. Todas las pruebas fueron conducidas por un pistón hidráulico con un historial de desplazamiento pre-programado, hasta que ocurriera la falla. Luego, los desplazamientos al final del voladizo fueron cambiados a control manual. Finalmente, una carga monotónica revertida de medio ciclo terminaba cada prueba antes de que se volviera a dar una falla o se consiguiera un desplazamiento al final de la viga muy alto. Los desplazamientos al final de las vigas registrados para cada espécimen pueden ser interpretados como la deformación total que consiste en rotación en la columna, deformaciones en la zona de panel de la columna y la sección de la viga. La rotación plástica

79 78 de la viga se obtiene substrayendo la respuesta elástica de la viga y todas las otras componentes de deformación. Todas las fracturas ocurrieron en la soldadura del ala o en la zona adyacente de las alas de la viga o columna que fueron afectadas por el calor del proceso de soldadura. Figura 5.3 Curva histerética del espécimen SB1. Fuente: Tsai y Chen, 1996.

80 79 Figura 5.4 Curva histerética del espécimen SB2 Fuente: Tsai y Chen, Figura 5.5 Curva histerética del espécimen SB3. Fuente: Tsai y Chen, 1996.

81 80 Cuadro 5-2 Resumen de los resultados para todos los especímenes. Espécimen θp (%rad) Mu/Mp Modo de falla del ala SB Ala superior pandeó y agrietó SB Ala inferior se fracturó SB Ala superior se fracturó Mp (744 kn-m) basado en las pruebas de tensión del acero de la viga Z F Fu= 818 kn-m + : indica tensión en el ala inferior de la viga Fuente: Tsai y Chen, Como se observa en las curvas histeréticas y en el resumen de resultados la configuración de la conexión con agujeros perforados en las alas de la viga para reducir su sección tienen los efectos esperados en el comportamiento de la viga bajo carga cíclica. La rótula plástica se forma en la zona con sección reducida y es donde se concentran las rotaciones inélasticas. Las rotaciones plásticas alcanzadas en la viga superan, para los especímenes SB1 y SB3, los 0.02rad con una capacidad superior a la del momento plástico (744kN-m) por lo que se pueden utilizar como conexiones para marcos de acero resistentes a momento intermedio. El espécimen SB2, que es el que menos reduce la sección transversal, no tiene la capacidad de rotación necesaria para calificar como conexión para marcos de acero resistentes a momento intermedio Parámetros de la conexión A continuación se muestran los parámetros de la conexión con viga de sección reducida con agujeros en las alas obtenidos del ensayo reportado para esta. En esta sección se establecen límites para las secciones de vigas y columnas que se pueden utilizar para que la conexión pueda ser utilizada como conexión precalificada para IMF, razones de claro/peralte de la viga, límites para el peso por longitud de la viga, así como tipo de soldadura, tipo de pernos y detalles adicionales de la conexión.

82 Propiedades de la viga Cuadro 5-3 Propiedades geométricas de la viga Sección W21x62 Ag mm 2 d mm tw 10.2 mm bf mm tf 15.6 mm Ix x mm 4 Sx x mm 3 rx mm Zx x mm 3 Iy x mm 4 Sy x mm 3 ry 45.0 mm Zy x mm 3 Cuadro 5-4 Variables de los parámetros de la viga Variables de la viga Forma de la sección transversal W21x62 Método de fabricación Armado con placas Máx Peralte (mm) Peso por unidad de longitud kg/m Espesor de las alas (mm) Especificación del Material A36 Razón claro/peralte 7.87 bf/2tf 6.70 h/tw 46.9 Detalles adicionales 2 filas de 5 agujeros de 36mm de diámetro en alas superior e inferior

83 Propiedades de la columna Cuadro 5-5 Propiedades geométricas de la columna Sección W14x176 Ag mm 2 d mm tw 21.1 mm bf mm tf 36.6 mm Ix x mm 4 Sx x mm 3 rx mm Zx x mm 3 Iy x mm 4 Sy x mm 3 ry mm Zy x mm 3 Cuadro 5-6 Variables de los parámetros de la columna Variables de la columna Forma de la sección transversal W14x176 Método de fabricación Armado con placas Máx Peralte (mm) Peso por unidad de longitud kg/m Espesor de las alas (mm) 23.8 Especificación del Material A572 G50 bf/2tf 5.97 h/tw 13.7 Orientación viga conectada a alas Los cuadros 5.4 y 5.6 muestran los límites en el peralte máximo que se puede utilizar tanto para la viga como para la columna, un aumento del 11% es permitido de acuerdo. Para el peso por unidad de longitud de la viga se puede aumentar hasta un máximo de 33%. Esto según lo establecido en la sección K2.3b del AISC

84 Relaciones viga-columna Cuadro 5-7 Resistencia de la zona de panel y razón de momentos plásticos Cortante zona de panel Relaciones viga-columna (J10-9) (J10-10) ΦRn (kn) (J10-11) (J10-12) Mpc/Mpb Propiedades de la soldadura Cuadro 5-8 Propiedades de la soldadura utilizada en la conexión Soldadura Soldadura de penetración total en el ala superior e inferior de la viga al ala de la columna (realizada en campo), con una extensión igual al ala de la viga más 50mm a ambos lados con una barra de apoyo de 9x25mm que no se remueven al terminar la soldadura Soldadura de penetración total con surco en bisel en la pestaña de cortante al ala de la viga a ambos lados con 45º Metal de aporte Agujeros de acceso Control de calidad Proceso de soldado E70T-7 φ2.4mm NR-311 (70ksi) R=30mm Se utilizó pruebas de ultrasonido FCAW

85 Propiedades de los pernos Cuadro 5-9 Propiedades de los pernos utilizados en la conexión Pernos Diámetro Grado Requerimientos de instalación Tipo de agujero Método fabricacion del agujero 25mm A325 Pretensados Estándar No se menciona 5 pernos A325 de 25mm que sujetan la viga a una pestaña de cortante de 15mm de espesor que a su vez está soldada a la columna con soldadura de penetración total Propiedades del acero Cuadro 5-10 Propiedades del acero utilizado en la conexión Viga Columna Pernos Acero Resultados pruebas de tensión Alas Fy 45.9 ksi (317MPa) Fu 70.6 ksi (487MPa) Alma Fy 44.3 ksi (306MPa) Fu 68 ksi (469MPa) Límite A36 Fy>0.85*Ry*Fymin Ry Alas Fy No se menciona Fu No se menciona Alma Fy No se menciona Fu No se menciona Límite A572 Gr RyFymin>Fy>0.85RyFymin Ry Superior Inferior Grado Diámetro Pretension mínima (kips) A325 1in 51 El ensayo no menciona pruebas realizadas al material de la columna. A pesar de esta falta de información se decide que la conexión cumple con la capacidad de rotación y flexión requeridas para ser utilizada como IMF.

86 Ubicación de la rótula plástica y la zona protegida En los ensayos de conexiones con viga de sección reducida con agujeros en las alas de Tsai y Chen solo se reportan los resultados de las pruebas bajo cargas cíclicas de los especímenes, sin embargo Rahnavard, Hassanipour y Siahpolo, del departamento de ingeniería civil de la Universidad de Dezful en Irán, publicaron en el 2015 una serie de análisis de modelos de elemento finito de conexiones con viga de sección reducida. Entre estos modelos se encuentra una conexión con configuración similar a las propuestas por Tsai y Chen, donde se utilizan agujeros en las alas de la viga alejadas de la cara de la columna para concentrar la deformación en ese sector de la viga. El modelo utiliza el cíclo de cargas propuesto en la sección K2 del AISC Figura 5.6 Concentración de la deformación plástica para conexiones sin reducción y sección reducida con agujeros. Fuente: Rahnavard et al., 2015

87 86 Las secciones utilizadas en el análisis son H702x254x16x28 para la viga y una columna cajón de 700x700x35, las cuales sobrepasan los límites de peralte máximo y peso por unidad de longitud para la viga y peralte máximo para la columna; sin embargo el modelo ilustra como la reducción de la sección con agujeros aleja la concentración de esfuerzos de la cara de la columna. La rótula plástica en la conexión se encuentra cercano a la mitad del arreglo de agujeros perforados en las alas de la viga para reducir su sección. La zona protegida va desde la cara de la columna hasta una distancia igual a la mitad del peralte de la viga después de la rótula plástica de acuerdo a la disposición del punto 2.6 del Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications del AISC Límites de la conexión para su uso en IMF A continuación se presentan los rangos de variación del peralte y peso de la viga, así como el peralte de la columna y el claro cubierto por el marco del sistema sismorresistente para que la conexión utilizada cumpla con los límites establecidos en el AISC sección K2.3b. Para la conexión con viga de sección reducida con agujeros se permite el uso de secciones de molino y armadas a partir de placas para la columna y la viga que cumplan con los límites del cuadro Las alas deben estar unidas de forma continua a las almas si se utilizan secciones armadas a partir de placas. Cuadro 5-11 Límites de precalificación de la conexión para uso en IMF Límites de precalificación para uso en IMF Viga < peralte (mm) < < peso (kg/m) < claro máximo (m) < 4.7 Columna < peralte (mm) < Se debe tener un control adecuado en la perforación de los agujeros en las alas de la viga para que no queden puntos donde se concentren los esfuerzos en el agujero. Para esto se debe asegurar que el acabado tenga un contorno suavizado. Si el agujero se realiza con un soplete es recomendable hacer el agujero de un menor tamaño y luego darle el acabado de forma manual para evitar debilitamiento del material por el calor aplicado por el soplete.

88 Revisión del diseño de una conexión con viga de sección reducida con agujeros en las alas Para la revisión del diseño de una conexión con viga de sección reducida con agujeros en las alas se utilizan las ecuaciones presentes en el apéndice 4 de este documento. El diseño de la conexión se realiza considerando un momento en la cara de la columna con un valor aproximado al momento soportado por este tipo de conexión a una rotación de 0.02 rad, según lo reportado en los ensayos de estudio. Para este diseño se utiliza una viga W21x73, con un peso por unidad de longitud dentro de los límites que permitidos. La columna utilizada para el diseño, W14x176, es la misma que la reportada en los ensayos para este tipo de conexión. Primero se debe escoger la cantidad de agujeros, espaciamiento y el diámetro de estos para calcular la distancia la posición donde se forma la rótula plástica. Cuadro 5-12 Configuración de los agujeros Arreglo de 2 filas con 7 agujeros Φagujero = M30 = 33 mm espaciamiento (s) 2.66Φagujero = 88 mm dist. al primer agujero l' = 150 mm lp = 3 *s + l' = mm Conociendo la distancia, medida desde la cara de la columna, a la rótula plástica se procede a calcular el momento plástico esperado en este punto, así como el cortante en la cara de la columna. El momento en la cara de la columna, Mf se obtiene de las curvas histeréticas de los ensayos. Para el cálculo del momento plástico esperado en la rótula plástica primero es necesario calcular las propiedades geométricas en la sección reducida por los agujeros en las alas.

89 88 Cuadro 5-13 Cálculo de las propiedades geométricas en la sección de viga con agujeros Propiedades geométricas de la sección reducida con agujeros A (mm 2 ) y (mm) A*y (mm 3 ) I (mm 4 ) d (mm) alma ala sup ala inf agujero sup agujero inf Σ Ix viga reducida x10 6 mm 4 rx viga reducida mm Sx viga reducida x10 3 mm 3 Zx viga reducida x10 3 mm 3 Cuadro 5-14 Momento y cortante utilizados para la revisión del diseño Momento plástico esperado y cortante en cara de la columna Mpr = CprRyZbFy = 1040 kn-m rad = 750 kn-m Vf = 2Mpr/L' = kn Se procede a revisar que la conexión tenga capacidad suficiente para resistir el momento en la cara de la columna. Cuadro 5-15 Revisión de la flexión en la cara de la columna Flexión en la cara de la columna φmn=φfyzx = kn-m > Mf

90 89 Se revisa la soldadura del ala de la viga con la cara de la columna. Al utilizarse soldadura de penetración total la resistencia va a estar controlada por el material base. Se revisa el ancho del ala de la columna para verificar la longitud de soldadura necesaria. Cuadro 5-16 Resistencia de la soldadura del ala de la viga con la cara de la columna Soldadura ala viga-ala columna (CJP) controlada por material base Fluencia en tensión del ala del cabo de viga Mf/db bf. > = mm CUMPLE φ Fy tfb Fractura en tension del ala del cabo de viga Mf/db bf. > = mm CUMPLE φ U Fu tfb Luego se procede al diseño de la placa de cortante que transmite el cortante de la viga a la columna. Primero se escogen el diámetro de los pernos. En este caso el tipo de perno es el mismo al utilizado en los ensayos reportados para este tipo de conexión.

91 90 Cuadro 5-17 Dimensionamiento de la placa cortante Diseño de la placa cortante Tipo de perno A325 diámetr o d bolt (mm) 27 Resist. A cortante Fns (Mpa) 457 Colocados en una sola fila vertical > Distancia al borde lc (mm) > Dimensiones de la placa cortante longitud lst = db- 2(tf+10) = mm ancho bst = 2 lc = mm espesor tst > tw 15.0 mm Cantidad de pernos requeridos Aplastamiento en los agujeros Cortante en el perno φrn (kn) = φmin{ 1.2 lc tst Fu 2.4 d bolt t Fu φrn (kn) = φπ d bolt 4 /4 Fns Rige Cortante φrn = kn n bolt = Vf = 4 Pernos por colocar φrn Separación entre Pernos 81 < sbolt (mm) < Con las dimensiones de la placa cortante se procede a revisar la capacidad a cortante del alma de la viga y de la placa de cortante.

92 91 Cuadro 5-18 Cortante en el alma de la viga y en la placa de cortante. Revisión del cortante en el alma de la viga Fluencia en cortante (db-2tfb) > Vf φ 0.60 Fy twb = mm CUMPLE Fractura en cortante (db-2tfb) > Vf φ 0.60 Fu twb = mm CUMPLE Revisión del cortante en la placa cortante Fluencia en cortante lst > Vf φ 0.60 Fy twb = mm CUMPLE Fractura en cortante (db-2tfb) > Vf φ 0.60 Fu twb = mm CUMPLE Por último se procede a revisar el cortante en la zona de panel en la columna, para esto se revisa el espesor del alma de la columna. Si el espesor requerido es menor al utilizado en la conexión entonces la columna tiene capacidad suficiente para resistir el cortante producido por el momento en la cara de la columna.

93 92 Cuadro 5-19 Revisión del cortante en la zona de panel de la columna Cortante en la Zona de Panel Sin Considerar en el análisis el efecto de la deformación de la zona de panel en la estabilidad del marco Si Pr<0.4 Pc tw col. > Mf/db φ0.6 Fydc = 19.4 m m Cumple para columna Si Pr >0.4 Pc : Utilizando Pr como 0.45Pc tw col. > Mf/db φ0.6 Fydc (1.4-Pr/Pc) = 20.4 m m Cumple para columna Considerando en el análisis el efecto de la deformación plástica de la zona de panel en la estabilidad del marco Si Pr<0.75Pc :Utilizando Pr como 0.8Pc φrn > Mf/db φ0.6 Fy dc twc(1+(3bcf t 2 cf)/(db dc tw)) = > Cumple para columna Si Pr>0.75Pc φrn > Mf/db φ0.6 Fy dc twc(1+(3bcf t 2 cf)/(db dc tw))( pr/pc) = > Cumple para columna

94 93 6. Conexiones tubo-viga reforzada En el año 2004 en la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, Pabón y Posada realizaron un estudio para la precalificación de una conexión tubo-viga reforzada. Este tipo de conexión consiste en dos cubre placas que conectan las alas de la viga a la cara de la columna. La unión de la cubre placas a la columna se hace con soldadura de penetración total en taller, mientras que la unión con las alas de la viga se hace con soldadura tipo filete en campo. Para evitar una posición de soladura sobre la cabeza para la cubre placa superior, se hace un corte que permita realizar el trabajo de soldadura en posición horizontal. Para transmitir el cortante de la viga a la columna se utiliza una placa de cortante que se conecta a la cara de la columna con soldadura de filete, realizada en taller, a ambos lados y unida al alma de la viga con soldadura de filete por todo alrededor realizada en campo. También se utilizan pernos para hacer el montaje de la viga y facilitar el proceso de soldadura entre la placa de cortante y el alma de la viga. Figura 6.1 Detalles de la conexión de las cubre placas inferior y superior. Fuente: Pabón et al, 2004.

95 94 El montaje del espécimen fue llevado a cabo por una empresa fabricante simulando las condiciones de campo. Las soldaduras de las cubre placas y la placa cortante a la columna fueron realizadas en taller y en el laboratorio se soldaron las alas y el alma. El procedimiento de soldadura en campo se realizó con la columna en posición vertical y la soldadura fue aplicada por un soldador calificado siguiendo las especificaciones del diseño. Una vez ensamblada la conexión se dispone en posición horizontal para prepararla para la aplicación de la carga en el extremo en voladizo de la viga utilizando un pistón hidráulico con capacidad máxima de 267 kn y un recorrido máximo de 35cm. El ensayo se desarrolló controlando el desplazamiento en el extremo libre de la viga. Para poder determinar las deformaciones de la conexión se emplearon 6 galgas extensométricas localizadas como se muestra en la figura 6.2. La distorsión en la zona de panel se mide con las galgas 3, 4, 5 y 6. Las galgas 1 y 6 miden la deflexión global de la columna. Figura 6.2 Posición de las galgas extensométricas para el ensayo de la conexión. Fuente: Pabón et al, La carga cíclica fue aplicada controlando el ángulo de deriva con desplazamientos en el extremo libre de la viga de acuerdo a la siguiente figura, los desplazamientos equivalen a los ángulos de deriva, para este ensayo, especificados en el capítulo K del AISC-341.

96 95 Figura 6.3 Historial de desplazamiento para el ensayo de la conexión. Fuente: Pabón et al, Resultados del ensayo El espécimen mostró el primer signo de fluencia en el ala inferior de la viga sin daños significativos en el ciclo 28 (θ=0.03rad), esto bajo una deformación de 117mm en el extremo libre de la viga para una carga de 127kN. A partir del ciclo 30 (θ=0.04rad) la resistencia del espécimen empezó a disminuir mostrando deformación inelástica en el alma de la viga. Para los ciclos con una rotación de 0.05rad se observó una considerable deformación plástica en las alas y el alma de la viga causando una pérdida importante de la resistencia del espécimen y se detuvo el ensayo. La energía fue disipada principalmente por la fluencia cíclica en las alas y el alma de la viga sin que hubiera ninguna distorsión de la zona de panel.

97 96 Figura 6.4 Curva histerética del espécimen ensayado. Fuente: Pabón et al, En la curva de histéresis se observa cómo se da una reducción gradual del momento desde que se alcanza un θ=0.04rad. Esta disminución de la resistencia a flexión se relaciona con la ocurrencia y propagación del pandeo local en las alas y el alma de la viga. La rótula plástica se produjo en la viga cercano al final de las cubre placas. La capacidad de la conexión en los ciclos de carga de 0.02 y 0.04rad es superior al 80% del momento plástico (280kN-m) por lo que se podría utilizar para conexiones en marcos de acero resistentes a momento intermedio y especial. En el ensayo solo se prueba un espécimen, por lo que no se tiene una confiabilidad suficiente en los resultados del ensayo. Sin embargo el comportamiento de la conexión demuestra que tiene capacidad de rotación y flexión suficiente para ser utilizada como conexión precalificada para IMF Parámetros de la conexión A continuación se muestran los parámetros de la conexión tubo-viga reforzada obtenidos del ensayo reportado para esta. En esta sección se establecen límites para las secciones de vigas y columnas que se pueden utilizar para que la conexión pueda ser utilizada como conexión precalificada para IMF, razones de claro/peralte de la viga, límites para el peso por longitud de la viga, así como tipo de soldadura, tipo de pernos y detalles adicionales de la conexión.

98 Propiedades de la viga Cuadro 6-1 Propiedades geométricas de la viga Sección VP 400 Ag 7060 mm 2 d 400 mm tw 6 mm bf 200 mm tf 12 mm Ix x mm 4 Sx x mm 3 rx 171 mm Zx x mm 3 Iy x mm 4 Sy x mm 3 ry 1.77 mm Zy x mm 3 Cuadro 6-2 Variables de los parámetros de la viga Variables de la viga Forma de la sección transversal VP 400 Método de fabricación Armado con placas Máx Peralte (mm) Peso por unidad de longitud kg/m Espesor de las alas (mm) 12 Especificación del Material A36 Razón claro/peralte 20 bf/2tf 8.33 h/tw 62.7 Detalles adicionales Cubre placas con espesor de 19mmsoldada a las alas de la viga y a la columna

99 Propiedades de la columna Cuadro 6-3 Propiedades geométricas de la columna cajon 2 Sección C300x150x8mm Ag 9344 mm 2 d 300 mm tw 8 mm bf 300 mm tf 8 mm Ix x mm 4 Sx x mm 3 rx 119 mm Zx x mm 3 Iy x mm 4 Sy x mm 3 ry 119 mm Zy x mm 3 Cuadro 6-4 Variables de los parámetros de la columna Variables de la columna Forma de la sección transversal Cajon armada con 2 canales C300x150x8 Método de fabricación Armado con placas Máx Peralte (mm) Peso por unidad de longitud kg/m Espesor de las alas (mm) 8 Especificación del Material A36 b/t 35.5 h/t 35.5 La razón b/t de la columna es menor que 1.40 (E/Fy), para acero A36, por lo que la viga cajón utilizada califica como no esbelta.

100 99 Los cuadros 6.2 y 6.4 muestran los límites en el peralte máximo que se puede utilizar tanto para la viga como para la columna, un aumento del 11% es permitido de acuerdo. Para el peso por unidad de longitud de la viga se puede aumentar hasta un máximo de 33%. Esto según lo establecido en la sección K2.3b del AISC Relaciones viga-columna Cuadro 6-5 Resistencia de la zona de panel y razón de momentos plásticos Cortante zona de panel Relaciones viga-columna (J10-9) 328 (J10-10) 320 ΦRn (kn) (J10-11) 348 (J10-12) 484 Mpc/Mpb Propiedades de la soldadura Cuadro 6-6 Propiedades de la soldadura utilizada en la conexión Soldadura Cubreplaca soldada a las alas de la viga como se muestra en el detalle Metal de aporte E ksi Agujeros de acceso N/A Control de calidad Soldadura realizada en taller Proceso de soldado No se menciona Cuadro 6-7 Propiedades mecánicas de la soldadura utilizada en la conexión tracción (kn/mm 2 ) Límite de fluenca (kn/mm 2 ) Elongación (%) Reducción del área (%) Impacto Charpy en V a -29ºC (J) 70

101 Propiedades de los pernos Cuadro 6-8 Propiedades de los pernos utilizados en la conexión Pernos Diámetro Grado Requerimientos de instalación Tipo de agujero Método fabricacion del agujero 1/2 in A307 N/A Estandar No se menciona Propiedades del acero Cuadro 6-9 Propiedades del acero utilizado en la conexión Viga Columna Acero Resultados pruebas de tensión Alas Fy 253 Fu 408 Alma Fy 253 Fu 408 Límite A36 Fy>0.85*Ry*Fymin Ry Alas Fy 253 Fu 408 Alma Fy 253 Fu 408 Límite A RyFymin>Fy>0.85RyFymin Ry Superior Inferior 280

102 Ubicación de la rótula plástica y la zona protegida En el reporte del ensayo a la conexión tubo-viga reforzada también se reporta el análisis de modelos de elemento finito para esta configuración. En este se observa como se concentran los esfuerzos de tensión en la conexión en la unión entre la cubre placas superior y la viga, como se muestra en la figura 6.5. Figura 6.5 Concentración de esfuerzos de tensión en la conexión tubo-viga reforzada Fuente: Pabón et al., 2004 La rótula plástica para esta configuración se encuentra en la viga justo donde empiezan las cubre placas. La zona protegida en esta conexión se va desde la cara de la columna hasta una distancia igual a la mitad del peralte de la viga después de donde se ubica la rótula plástica, de acuerdo a la disposición del punto 2.6 del Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications del AISC Límites de la conexión para su uso en IMF A continuación se presentan los rangos de variación del peralte y peso de la viga, así como el peralte de la columna y el claro cubierto por el marco del sistema sismorresistente para que la conexión utilizada cumpla con los límites establecidos en el AISC sección K2.3b. Para la conexión tubo-viga reforzada se permite el uso de secciones de molino y armadas a partir de placas para la columna y la viga que cumplan con los límites del cuadro Las alas deben estar unidas de forma continua a las almas si se utilizan secciones armadas a partir de placas.