CREACIÓN DE UNA HERRAMIENTA DE CHEQUEO DE...

CREACIÓN DE UNA HERRAMIENTA DE CHEQUEO DE CONEXIONES PRECALIFICADAS CON VERIFICACIÓN DE LA NORMA VIGENTE

SERGIO ANDRÉS GUERRERO ROMERO

CAROLINA ANGARITA CÁRDENAS

Monografía para optar el título de Ingeniera Civil Tutor: Ingeniero Rodolfo Felizzola Contreras

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERA CIVIL

BOGOTÁ, D.C.

2019

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo es dedicado aquellas personas que siempre nos han apoyado para

seguir progresando en lo personal y profesional.

A nuestras familias por su paciencia, compañía y apoyo moral en todos estos

años, gracias a ustedes hemos logrado llegar hasta aquí ́y convertirnos en lo que

somos.

Principalmente a nuestros padres por ser los principales promotores de nuestros

sueños, por confiar y creer en nuestras expectativas, por los consejos, valores y

principios que nos han inculcado.

A nuestros docentes de la carrera de Ingeniería Civil por haber compartido sus

conocimientos a lo largo de la preparación de nuestra profesión, de manera

especial al ingeniero Rodolfo Felizzola tutor de nuestro proyecto de investigación

quien ha guiado con su paciencia, y con su conocimiento, y colaboración permitió́

el desarrollo de este trabajo

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas- Facultad Tecnológica por

ser la sede de todo el conocimiento adquirido en estos años.

A todos nuestros amigos, vecinos y futuros colegas que nos ayudaron de una

manera desinteresada, gracias infinitas por toda su ayuda y buena voluntad.

RESUMEN

El presente trabajo está orientado a generar una herramienta de chequeo de las conexiones

en las construcciones metálicas, las conexiones precalificadas son parte fundamental en el

desempeño de las estructuras metálicas cuando soportan fuerzas horizontales cíclicas

debido a que ellas son quienes aseguran una adecuada disipación de la energía producida

por los movimientos que ocasionan las fuerzas horizontales. Para la generación de las

plantillas se tuvieron en cuenta las estructuras de pórticos resistentes a momentos IMF y

SMF, enfocados en conexiones End Plate (placa de Extremo) de cuatro pernos con

rigidizador y sin rigidizador.

La metodología para la creación de la plantilla de Excel de acceso libre y fácil manejo para

la conexión precalificada tipo BCF o End-Plate, se realizó paso a paso según los requisitos

establecidos en la norma ANSI/AISC 358-16. Los resultados de la plantilla y del programa

RAM-Connection fueron comparados encontrando porcentajes de diferencia bajos que

validan los cálculos realizados en la plantilla de Excel. Adicionalmente la plantilla muestra

las fórmulas utilizadas para los cálculos de los diferentes estados límites que se deben tener

en cuenta en el cálculo de la conexión y muestra algunos consejos que consideramos clave

para el ingeniero que realiza los diseños.

ABSTRACT

The present work is oriented to generate a tool for checking connections in metal

constructions, pre-qualified connections are a fundamental part in the performance of metal

structures when they support cyclical horizontal forces because they are the ones that

ensure adequate dissipation of energy produced by movements that cause horizontal

forces. For the generation of the templates were taken into account the structures of frames

resistant to moments IMF and SMF, focused on End Plate connections (end plate) of four

bolts with stiffener and without stiffener.

The methodology for the creation of the Excel template for free access and easy handling

for the pre-qualified connection type BCF or End-Plate, was carried out step by step

according to the requirements established in the ANSI / AISC 358-16 standard. The results

of the template were compared with the results of the RAM-Conection program, finding

similar results that validate the calculations made in the Excel template. Additionally the

template shows the formulas used for the calculations of the different limit states that must

be taken into account in the calculation of the connection and shows some tips that we

consider key for the engineer that makes the designs.

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 8

OBJETIVOS ........................................................................................................... 10

OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 10

OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................. 10

JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 11

1 HISTORIA DE LAS CONEXIONES EN ESTRUCTURAS METÁLICAS .......... 12

CONEXIONES END PLATE ..................................................................... 14

PRECALIFICACIÓN DE CONEXIONES. .................................................. 14

PRECALIFICACIÓN DE CONEXIONES END-PLATE FEMA 355D. ........ 16

PRECALIFICACIÓN DE CONEXIONES END-PLATE FEMA 350. ........... 27

Procedimiento de calificación conexiones para AISC 358-16 ................... 31

2 ANTECEDENTES ........................................................................................... 33

TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN ............................................................ 33

2.1.1 Confrontación de la teoría estructural de falla de conexiones

metálicas atornilladas y soldadas contra los resultados obtenidos en ensayos de

laboratorio. 33

2.1.2 Creación de un software para el cálculo de conexiones apernadas y

soldadas mediante LFRD (load and resistance factor design) y ASD (allowable

stress design) utilizando el lenguaje PHP. ............................................................ 33

2.1.3 Desarrollo de hojas de cálculo para automatizar el diseño de

conexiones en estructuras de acero por el método de los estados límites (LRFD)

34

2.1.4 Diseño De Un Instrumento De Cálculo Para Las Conexiones

Precalificadas Según Aisc 358-10 Aplicando La Herramienta Microsoft Excel ...... 34

2.1.5 Conexiones precalificadas de plancha extrema para proyectos

sismoresistentes de acero. .................................................................................... 35

2.1.6 Desarrollo de una herramienta en Excel para diseño de conexiones

precalificadas de acero para sistemas de marcos especiales (SMF) e

intermedios (IMF) según el Código Sísmico de Costa Rica 2010 .................... 35

2.1.7 Elaboración de fórmulas analíticas y tablas de cálculo para las

estructuras metálicas de acero según la normativa Euro código 3 ........................ 36

2.1.8 Programa para el Diseño de Conexiones Viga-Columna en Elementos

de Acero de Sección “I” Mediante el Método de la Resistencia Última LRFD. ...... 36

2.1.9 Programa para el diseño y revisión de placas base y anclas para

columnas de acero. ................................................................................................ 37

2.1.10 Consideraciones sismorresistentes en el diseño y detallado de

conexiones precalificadas tipo flange plate de acuerdo a la guia AISC 358-10. .... 37

SOFTWARES LIBRES ............................................................................. 38

2.2.1 Dicasbyr ............................................................................................. 38

2.2.2 CONMETNSR-10v1.0 ........................................................................ 39

SOFTWARE LICENCIADO RAM CONNECTION STANDALONE. .......... 40

3 MERCADO DE LA ESTRUCTURA METÁLICA .............................................. 41

4 NORMATIVIDAD ............................................................................................. 42

SISMICIDAD EN COLOMBIA ................................................................... 42

5 SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA CONEXIONES PRECALIFICADAS. .. 43

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON CAPACIDAD ESPECIAL

DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA. (SMF SPECIAL MOMENT FRAMES) (DES) ...... 43

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON CAPACIDAD

MODERADA DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA. (IMF INTERMEDIATE MOMENT

FRAMES) (DMO) ................................................................................................... 43

PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS. (EBF

ECCENTRICALLY BRACED FRAMES) ................................................................ 44

CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (TITULO A) ....................... 45

Cargas Y Fuerzas (Titulo B) ..................................................................... 45

SISTEMAS DE ACERO SISMORESISTENTE (TITULO F) ...................... 46

6 CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES .............................................................. 49

CONEXIONES PRECALIFICADAS TIPO END PLATE ............................ 51

7 ACTIVIDADES REALIZADAS POR LOS INVESTIGADORES ...................... 52

RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN ....................................................... 52

7.1.1 Bases De Datos ................................................................................. 52

DISEÑOS DE CONEXIONES END PLATE 4E Y 4ES............................. 53

7.2.1 Paso 1: ............................................................................................... 54

7.2.2 Paso 2: ............................................................................................... 54

7.2.3 Paso 3: ............................................................................................... 54

7.2.4 Paso 4: ............................................................................................... 54

7.2.5 Paso 5: ............................................................................................... 55

7.2.6 Paso 6: ............................................................................................... 55

7.2.7 Paso 7: ............................................................................................... 56

7.2.8 Paso 8: ............................................................................................... 57

7.2.9 Paso 9: ............................................................................................... 57

7.2.10 Paso 10: ............................................................................................. 57

7.2.11 Paso 11: ............................................................................................. 57

7.2.12 Paso 12: ............................................................................................. 58

7.2.13 Paso 13: ............................................................................................. 58

MONTAJE DE PLANTILLA END PATE 4E Y 4ES ................................... 58

7.3.1 Datos iniciales .................................................................................... 58

7.3.2 PARÁMETROS DE LIMITACIÓN DE LA CONEXIÓN

PRECALIFICADA .................................................................................................. 59

7.3.3 CÁLCULOS DE CHEQUEO ............................................................... 59

7.3.4 CALCULO DE LA SOLDADURA ........................................................ 59

DISEÑO DE LA COLUMNA ...................................................................... 60

7.4.1 Paso 1: Compruebe la resistencia a la flexión del patín de la columna.

60

7.4.2 Paso 2: Comprobación zona de panel. .............................................. 61

MONTAJE DE PLANTILLA DE COLUMNA .............................................. 61

7.5.1 DATOS INICIALES ............................................................................. 61

7.5.2 Cálculos de Chequeo ......................................................................... 62

8 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................ 62

PLANTILLA 4E ......................................................................................... 62

8.1.1 Datos iniciales .................................................................................... 62


8.1.3 Calculo de Soldadura ......................................................................... 65

PLANTILLA 4ES ....................................................................................... 66

8.2.1 Datos Iniciales .................................................................................... 66

8.2.2 Calculo Soldadura .............................................................................. 68

PLANTILLA DE COLUMNA ...................................................................... 69

8.3.1 Datos Iniciales .................................................................................... 69


PLANTILLA PTE ....................................................................................... 70

8.4.1 Datos Iniciales .................................................................................... 70

8.4.2 Parámetros Límite .............................................................................. 70


VERIFICACIÓN DE CHEQUEO EN SOFTWARE RAM CONECTION ..... 71

8.5.1 Datos Iniciales de la conexión de comprobación ............................... 71

8.5.2 Comparativo de resultados de chequeo ............................................. 72

9 CONCLUSIONES............................................................................................ 73

10 RECOMENDACIONES ................................................................................... 74

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 75

ÍNDICE DE GRAFICAS

Grafica. 1 Curva de Momento vs Rotación según la Rigidez ................................. 49

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Fallas típicas en conexiones viga-columna ....................................... 12

Ilustración 2 PROGRAMA DE CONEXIONES SISMORRESISTENTES TIPO BFP

Y RBS .................................................................................................................... 38

Ilustración 3 Software CONMET-NSR10 ............................................................... 39

Ilustración 4 DES capacidad de disipación especial .............................................. 43

Ilustración 5 DMO capacidad de disipación moderada .......................................... 44

Ilustración 6 Tipos de arriostramientos excéntricos ............................................... 44

Ilustración 7 Conexión restringida .......................................................................... 50

Ilustración 8 Conexión Semirrígida ........................................................................ 50

Ilustración 9 Conexión Flexible .............................................................................. 51

Ilustración 10 Conexiones precalificadas AISC 358-16 ......................................... 51

Ilustración 11 Líneas de fluencia 4E ...................................................................... 55

Ilustración 12 Líneas de fluencia 4ES .................................................................... 56

Ilustración 13 Líneas de fluencia Columna ............................................................ 61

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla resumen documento FEMA355 ...................................................... 17

Tabla 2 2 tabla resumen pruebas de conexión End-plate FEMA 355D (Murray y

Sumner, 200). ........................................................................................................ 21

Tabla 3 Mecanismos de fluencia para conexiones 4 pernos sin rigidizar y 8 pernos

rigidizada END-PLATE FEMA355D (Murray y Summer) ....................................... 23

Tabla 4 Modo de falla para conexiones 4 pernos sin rigidizar End-plate FEMA

355D ...................................................................................................................... 23

Tabla 5 Cuadro 5 modo de falla para conexiones 4 pernos sin rigidizar End-plate

FEMA 355D ........................................................................................................... 25

Tabla 6 información para conexión 4 pernos sin rigidizar End-plate FEMA 350 .... 27

Tabla 7 información para conexión rigidizada End-plate FEMA 350 ...................... 29

Tabla 8 Producción Acero Países en Latinoamérica ............................................. 41

Tabla 9 BASE DE DATOS VIGA-COLUMNA ........................................................ 53

Tabla 10 Coeficiente de acero Ry y Rt ................................................................ 53

Tabla 11 Tabla de parámetros iniciales de chequeo .............................................. 54

Tabla 12 Parámetros Limite de Precalificación (TABLA 6.1) ................................. 56

Tabla 13 Datos de Entrada plantilla 4E y 4ES ....................................................... 58

Tabla 14 Datos de Entrada Plantilla Columna ....................................................... 62

GLOSARIO

CARGA: Fuerza u otra acción que resulta del peso de los materiales

de construcción, de los ocupantes y sus pertenencias, o de efectos

ambientales, movimientos diferenciales o cambios dimensionales

restringidos.1

COLAPSO: Deformación o destrucción bruscas de un cuerpo por la acción de

una fuerza.2

CONEXIÓN A MOMENTO: Conexión que transmite momentos flectores entre

los miembros conectados. 3

CONEXIÓN PRECALIFICADA: son aquellas que han sido verificadas y

validadas en forma experimental, ya sea como parte del proyecto que

se desarrolla o bien en ensayos previos que se encuentran debidamente

documentados.4

CONEXIÓN: Combinación de elementos de conexión, conectores y partes

de los miembros conectados que intervienen en la transmisión de fuerzas

entre dos o más miembros.

DUCTILIDAD: Es una propiedad que presentan algunos materiales, como las

aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la acción de una

fuerza, pueden deformarse plásticamente de manera sostenible sin romperse,

permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material.

DURABILIDAD: Capacidad de las estructuras de continuar siendo útiles

después de un largo período de tiempo y utilización.

1 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.P.F-5 2 Real Academia Española. 2019. Diccionario. 3 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.P.F-6 4 DELGADO, Carlos Aandres. Diseño de conexiones metálicas preclaificadas en Colombia. Universidad Industrial de sanatander

EFECTO P−Δ: Efecto de segundo orden que tiene en cuenta la acción de las

cargas sobre los nudos en su posición desplazada.5

ESTRUCTURA METÁLICA: Una estructura es un conjunto de partes unidas

entre sí que forman un cuerpo, una forma o un todo, destinadas a soportar los

efectos de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. La Estructuras Metálicas

son las que la mayor parte de los elementos o partes que la forman son de

metal (más del 80%), normalmente acero.6

FALLA ESTRUCTURAL: ocurre cuando el uso de la estructura debe ser

restringido por no soportar adecuadamente la funcionalidad para la cual fue

construido. Deformaciones excesivas pueden causar el abandono de la

construcción.

FRAGILIDAD: es la capacidad de un material de fracturarse debido a su

escasa o nula deformación permanente.

MOVIMIENTOS SÍSMICOS: es un movimiento vibratorio producido por la

pérdida de estabilidad de masas de corteza. Cuando el movimiento llega a la

superficie y se propaga por ésta le llamamos terremoto. Estas pérdidas de

estabilidad se asocian, generalmente, a los límites de placas tectónicas.

NAVE INDUSTRIAL: es un edificio de uso industrial que alberga la producción

y/o almacena los bienes industriales, junto con los obreros, las máquinas que

los generan, el transporte interno, la salida y entrada de mercancías.7

OFIMÁTICA: conjunto de herramientas, técnicas y aplicaciones que se

utilizan para facilitar, optimizar, mejorar y automatizar las tareas referentes a

la oficina.

PANDEO: Estado límite de cambio súbito en la geometría de una estructura,

o de alguno de sus componentes, bajo una condición de carga crítica.8

5 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.P.F-7 6 JUNCA,Juan. ¿Cómo se unen las estrucutras metálicas?. 7 NAJE. http://www.naje.com.ar/. 8 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.P.F-11

PERNO: El perno es una pieza metálica que puede tener diferentes largos.

Es un elemento de unión. Básicamente este elemento metálico con cabeza

pasa por perforaciones que permiten unir y fijar cosas. Normalmente son

fabricados de acero o hierro de diferentes durezas o calidades.9

RESISTENCIA ÚLTIMA: es el esfuerzo máximo que puede resistir un

material.

RIGIDIZADOR [STIFFENER]: Chapa o perfil angular unido al alma de un

elemento sustentante.10

SECCIÓN TUBULAR: Estructura consistente en sistemas perimetrales que

le permiten resistir las fuerzas laterales y está arriostrada internamente

mediante forjados rígidos.11

SISTEMA ESTRUCTURAL: Ensamble de componentes portantes

conectados entre sí de manera que actúan de manera interdependiente.

SOLDADURA DE FILETE: Soldadura de sección generalmente triangular

que une dos superficies que se interceptan o traslapan.12

VIGA-COLUMNA: Elemento estructural solicitado simultáneamente por

fuerzas axiales y momentos flectores

9 MORO. Maria. Metodología: introducción, conceptos e instrumentos. P85 10 PARRO. Diccionario de Arquitectura y construcción. Rigidizador 11 PARRO. Diccionario de Arquitectura y construcción. Seccion tubular 12 NSR-10, COMISIÓN ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogotá : s.n., Ley 400 de 1997.P.F-14

8

INTRODUCCIÓN

Actualmente en Colombia la industria de la construcción ha planteado otras

propuestas, entre ellas la estructura metálica, que presenta un comportamiento

adecuado frente a las diferentes solicitaciones a las que puede estar sometida en

su conjunto, durante su vida útil.

La estructura metálica es un reto para el ingeniero civil de pregrado en el país puesto

que no se tiene un conocimiento muy especializado en esta área, lo cual es muy

importante en el ámbito laboral cuando se presentan problemas en la ejecución,

esto se ve representado en el porcentaje de universidades que presentan en su

pensum una profundización en las estructuras metálicas, específicamente las

conexiones precalificadas.

Según el sistema Nacional de Información de la Educación Superior existen 100

Sedes Universitarias en todo el país que tienen el programa de Ingeniería civil

presencial13.

Después de revisar los diferentes pensum se observa que manejan materias con

énfasis en hormigón o concreto en el diseño y análisis de estructuras. Las

profundizaciones en Estructura metálica se encuentran en Componente Lectivo o

de libre elección.

Por esta razón para poder entrar en el estudio de las estructuras metálicas y las

conexiones precalificadas es necesario realizar especializaciones en las diferentes

Universidades, Institutos o diplomados.

También es importante agregar que uno de los grandes fallos y en donde más

énfasis e interventoría hay que realizar al momento de diseñar estructura metálica

son: las conexiones, debido a que su conformación garantiza la adecuada

distribución de los esfuerzos además de generar cargas adicionales debido a los

desplomes que pueden surgir por una mala construcción de la conexión.

13Consulta: Instituciones Educacion superior. Programa de Ingenieria Civil. Disponible en[https://snies.mineducacion.gov.co/consultasnies/programa#]

9

Es por lo anterior y teniendo en cuenta lo rápido que progresan todos los procesos

en términos tecnológicos, que se propone una herramienta que pueda ayudar a los

diseñadores a realizar chequeos de estas conexiones de una forma fácil, practica,

rápida y sin costos.

Hay que tener en cuenta que la herramienta está enfocada en la norma AISC 358-

16, y se enfoca en conexiones END-PLATE de cuatro pernos, es importante que el

diseñador tenga unos conocimientos básicos o característicos de la conexión a

chequear.

10

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Crear una plantilla de diseño con la función de verificación de la resistencia en

las conexiones precalificadas de tipo End-Plate de cuatro pernos, End-Plate

cuatro pernos rigidizada y conexiones soldadas en secciones tubulares de

estructuras metálicas; según la normativa AISC 358-16 que ayude a un rápido y

acertado chequeo de las dimensiones de las platinas, soldaduras y pernos

requeridos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Investigar los sistemas constructivos de estructura metálica enfocados en

las conexiones precalificadas de tipo End-Plate de cuatro pernos, End-Plate

cuatro pernos rigidizada y conexiones soldadas en secciones tubulares.

Realizar una plantilla para la verificación de la resistencia ultima de cada

componente de las conexiones precalificadas del presente estudio.

Implementación de la plantilla diseñando un caso típico a partir de un

modelo en RCB, y luego verificar sus resultados con un diseño realizado en

el software especializado en conexiones de estructura metálica RAM-

CONNECTION.

Realizar un manual Básico de Uso de la plantilla para conexiones

precalificadas específicas.

11

JUSTIFICACIÓN

En el contexto nacional parece mejor la construcción de estructura metálica, pero el

costo de importación de los perfiles y la falta de producción nacional de los mismos

hacen que los costos en la actualidad sean mucho mayores. Pero si en el proceso

globalizatorio en el que estamos inmersos a nivel planetario permite que los precios

lleguen a niveles de competitividad adecuados, la construcción de edificios en

estructura metálica requerirá que los ingenieros calculistas realicen las

verificaciones de la forma adecuada y cumplan con los requerimientos normativos

en el diseño de las conexiones para que las edificaciones tengan una adecuada

capacidad de disipación de energía según se haya definido en la hipótesis del

diseño.

Actualmente con la evolución de la tecnología y su avance en los cálculos

utilizados en la construcción, y con la generación de software especializado que

requiere un conocimiento amplio de cálculo estructural como programas como RAM

Connection, Revit Structure, entre otros. Este tipo de programas no instruyen en el

entendimiento general y especifico del diseño de las conexiones.

12

1 HISTORIA DE LAS CONEXIONES EN ESTRUCTURAS METÁLICAS

Históricamente las estructuras metálicas han tenido un buen desempeño durante la

ocurrencia de movimientos sísmicos debido a su ligereza, ductilidad, durabilidad y

alta resistencia. Sin embargo, en épocas recientes han sufrido fallas significativas

ocasionando pérdidas humanas y económicas importantes producto de los

terremotos; ejemplo de esto Northridge (1994) de magnitud 6.7 y Kobe (1995) de

magnitud 7.3. Estos eventos marcaron un punto importante dentro de la ingeniería

estructural, ya que el desempeño de las estructuras no fue el esperado, siendo este

hecho motivo para revisión de códigos y procedimientos de diseño, sobre todo en

el área de las conexiones viga-columna.

En el caso específico de Northridge, a pesar de que las estructuras de acero no

presentaron colapsos, existieron daños internos severos en la zona de conexión

viga-columna por fragilidad, tal como se observa en la Figura , incluso en edificios

que para la época eran recientes. Durante el evento de Kobe se registraron

aproximadamente noventa edificios de acero colapsados, por fallas típicas de

fractura en conexiones viga-columna, fracturas de columnas de acero (tubular

cuadrada) y fallas por pandeo local.14

Ilustración 1 Fallas típicas en conexiones viga-columna

Fuente: Revista Gaceta Técnica

Basados en las fallas observadas durante el sismo de Northridge, la Agencia

Federal de Administración de Emergencias (FEMA), reunió a universidades y

profesionales formando un equipo conocido como SAC Joint Venture, con la

14 ALVARADO, Lisandro . REVISTA GACETA TECNICA. Artículo de investigación. P25

13

finalidad de investigar las causas de los daños durante el sismo y como reducirlos

durante eventos futuros.

Para 1960 en EEUU se construyeron edificios con conexiones soldadas para

pórticos resistentes a momento que se creía eran invulnerables a sismos. Estas

estructuras utilizaban las llamadas conexiones Pre- Northridge, las cuales se

limitaban a la fluencia dúctil de los elementos, pero no admitían el colapso de la

edificación.

Según FEMA 352 las causas principales que provocaron fallas en estas conexiones

fueron:

Baja tenacidad de la soldadura

Pobre mano de obra e inspección en la conexión.

Elevados esfuerzos de fluencia en vigas

Concentraciones de esfuerzos

Zonas de panel extremadamente débil

Poco detalle en el diseño

Elevado esfuerzo de fluencia del metal base.

Posteriormente se hacen modificaciones en los códigos de construcción, eliminando

las conexiones llamadas Pre-Northridge, utilizando las conexiones precalificadas

para pórticos resistentes a momento. El proyecto SAC es el encargado de realizar

estas modificaciones, publicando mediante FEMA normativas como la “The Interim

Guidelines for Inspection, Evaluation, Repair, Modification and Design of Welded

Moment-Resisting Steel Frames” (FEMA – 237), que recomienda el uso de

conexiones ensayadas, ensayos que obedecen a la investigación realizada por el

proyecto SAC.

Y bajo este criterio FEMA 350 ha precalificado 9 conexiones (soldadas y

empernadas) y proporciona especificaciones, procedimientos de diseño y

limitaciones para cada tipo de conexión, algunas de las cuales constan en los

códigos actualizados como la publicación de AISC “Prequalified Connections for

Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications”.

14

CONEXIONES END PLATE15

Los primeros diseños resultaban en placas muy gruesas y diámetros de bulones

exagerados, principalmente debido a hipótesis de diseño y análisis bastante

simplificados. Douty y McGuire (1965) ya consideraban esfuerzos adicionales en los

bulones debido a “palanqueo” (prying) por deformación de las placas, pero basados

en resultados y conocimientos que se tenían de las conexiones tipo Tee-stub.

Durante la década de 1970, se continuó trabajando en desarrollos de métodos de

cálculo, pero todos derivaban del modelo conocido Tee-stub; tales son los

casos de Kato y McGuire(1973).

Packer y Morris (1977) fueron los primeros en utilizar la teoría de línea de fluencia

(yield-line) para realizar el análisis de la falla en las alas de la columna

soporte. Mann y Morris (1979) extendieron esos resultados al estudio de la placa

propiamente dicha. Krishnamurthy (1978) derivó relaciones empíricas, basado

en resultados obtenidos mediante elementos finitos.

Kennedy y otros (1981) refinaron el modelo derivado del Tee-stub para incluir

las fuerzas de palanqueo, utilizando la teoría de línea de fluencia y la formación de

rótulas plásticas. Murray y su equipo de investigación (University of Oklahoma,

Virginia Polytechnic Institute) se abocó a la unificación de los métodos de

diseño y análisis para conexiones a momento con placa de extremo.

PRECALIFICACIÓN DE CONEXIONES.

En la normativa vigente en nuestro país (NSR-10) se presenta el título F.3.11-

ENSAYOS PARA CALIFICACIÓN DE CONEXIONES, en el que se incluyen:

F.3.11.1-Precalificación de conexiones viga-columna y vínculo-columna. Esta

sección incluye los requisitos generales, base para la precalificación. Los requisitos

incluyen los datos de ensayos soportados mediante estudios analíticos y modelos,

también se solicita que la conexión soporte el ángulo de deriva de entrepiso

requerido para PRM-DES y PRM-DMO (pórticos resistentes a momento con

capacidad especial y moderada de disipación de energía respectivamente), deben

ser identificados todos los estados límites de la conexión que afecten la rigidez, la

15 CASSANO, Arturo. SANERO, Jorge. BARRERA, Hernan. Conexiones a momento en estructuras metálicas. Placa de extremo extendida (Extended End Plate). Una revisión de los métodos de cálculo y comparación con resultados obtenidos por el Método de Elementos Finitos. [Disponible en: https://jornadasaie.org.ar/Nuevositio/wp-content/themes/jornadas-aie-anteriores/2008/contenidos/resumenes_trabajos/tema_g/006.pdf]

15

resistencia y la capacidad de deformación de la conexión y el sistema de resistencia

sísmica16.

Los materiales con los que se realizará el prototipo de la conexión deben haber sido

ensayados anteriormente siguiendo los requisitos del numeral F.3.10 – CONTROL

DE CALIDAD Y SUPERVICIÓN TÉCNICA PARA ESTRUCTURAS DEL SISTEM

DE RESISTENCIA SÍMICA. Así mismo se requiere que se determinen las variables

de precalificación como lo indican los requisitos de F.3.11.1.4 – Variables de

precalificación, entre los que se encuentran los parámetros de la viga o vínculo,

parámetros de la columna, relaciones Viga (vínculo) – Columna, placas de

continuidad, soldaduras, pernos, fabricación y detalles adicionales de la conexión17.

Se debe indicar el procedimiento de diseño de la conexión, completo y detallado

aplicando todos los estados límite dentro de los parámetros de precalificación

(F.3.11.1.5). la conexión precalificada debe suministrarse con un registro de

calificación escrito que incluya lo requerido en F.3.11.1.6 – Registro de

precalificación18.

F.3.11.2 – ENSAYOS CÍCLICOS DE CALIFICACIÓN DE CONEXIONES VIGA-

COLUMNA Y VÍNCULO-COLUMNA. El propósito es proporcionar evidencia de que

la conexión viga-columna o vínculo-columna cumple con los requisitos de

resistencia y deriva de piso o ángulo de rotación del vínculo. El conjunto de la prueba

según los requisitos de F.3.11.2.3. debe reproducir lo más cercanamente posible

las condiciones que ocurrirán en el prototipo cuando se someta a las solicitaciones

sísmicas. El conjunto de prueba debe incluir los aspectos allí indicados19.

Los especímenes de prueba deben reproducir lo mas cercanamente posible, el

diseño detallado, aspectos constructivos y propiedades de los materiales del

prototipo. Se deben tener en cuenta las fuentes de rotación F.3.11.2.4.1, el tamaño

de los miembros F.3.11.2.4.2, los detalles de la conexión F.3.11.2.4.3, el uso de las

placas de continuidad F.3.11.2.4.4, la resistencia del material de los elementos

F.3.11.2.4.5, las características de la soldadura F.3.11.4.6, las partes empernadas

F.3.11.2.4.720.

16 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.; página F-289. 17 Ibidem página 290. 18 Ibidem página 291. 19 Ibidem página 291. 20 Ibidem página 291.

16

F.3.11.2.5 – Historia de carga. Según los requisitos generales de F.3.11.2.5.1 las

pruebas deben estas sujetas a cargas cíclicas. Para las conexiones viga-columna

según F.3.11.2.5.2 y F.3.11.2.5.3 para conexión vínculo-columna. Se debe

proporcionar la instrumentación suficiente en el espécimen de prueba para permitir

la medición del comportamiento durante la prueba21.

F.3.11.2.8. – Requisitos para el informe del ensayo – para cada espécimen de

prueba debe presentarse un informe escrito que cumpla los requisitos de esta

sección. El informe debe documentar completamente todas las características clave

y los resultados del ensayo. Así mismo debe cumplir los criterios de aceptación de

F.13.11.2.9, para ello el espécimen de prueba debe satisfacer la resistencia y el

ángulo de deriva de piso o ángulo de rotación del vínculo, por un mínimo de un ciclo

completo de carga22.

Estos requisitos de precalificación son derivados de las recomendaciones del FEMA

350 y FEMA 355 luego del sismo de Northridge de 1994 en el que las conexiones

presentaron fallas frágiles en la soldadura debido a la concentración de esfuerzo en

estas zonas de la conexión. En general, los edificios de acero dañados por el sismo

de Northridge de 1994 se encontraron en el marco básico de los códigos de

construcción, es decir experimentaron daños estructurales limitados, pero sin

colapsar. Sin embargo, las estructuras no se comportaron como lo anticipaba el

diseño y significó pérdidas económicas, estas pérdidas económicas incluyeron

costos directos asociados con la investigación y reparación de estos daños, así

como las pérdidas directas relacionadas con la pérdida temporal y en algunos casos

a largo plazo del uso del espacio dentro del edificio23.

PRECALIFICACIÓN DE CONEXIONES END-PLATE FEMA 355D.

Teniendo en cuenta que las edificaciones construidas con pórticos resistentes a

momento con capacidad moderada y especial deberían poder soportar las fuerzas

sísmicas de forma dúctil la Federal Emergency Management Agency compiló el

FEMA 355 como documento del estado del arte de las conexiones precalificadas y

lo organizó de la siguiente manera.

21 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.; página F-294. 22 Ibidem página F-295 23 FEMA 355D, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY, septiembre del 2000. Página 1-4

17

Tabla 1 Tabla resumen documento FEMA355

FEMA 355D 1.5 ORGANIZACIÓN DEL REPORTE

CAPITULO

DESCRIPCION

Primero

Proporciona un breve resumen histórico y una visión general de las conexiones y el problema del desempeño

Segundo

Se enfoca en las conexiones pre-Northridge de bridas soldadas atornilladas. Intenta mostrar que salió mal con estas conexiones y analiza el potencial de la conexión para futuros diseños sísmicos. También proporciona orientación sobre el rendimiento esperado de estas conexiones en futuros terremotos, para que los ingenieros puedan tomar decisiones racionales sobre reparar o modernizar. Se introducen muchos parámetros generales que afectan el rendimiento de la conexión, debido en gran parte a que nuestra comprensión básica de estos parámetros se basa en experimentos pre-Northridge. Sin embargo, estos parámetros también afectan otras conexiones posteriores a Northridge.

Tercero

Se analiza una amplia gama de conexiones posteriores a Northridge. En general incluye las conexiones tanto empernadas como soldadas, varias variaciones incluyen mejoras en las soldaduras, anclajes, placas de cubierta y otras modificaciones utilizadas para mejorar las conexiones actuales.

Cuarto

Proporciona información sobre aspectos generales de interés para una amplia gama de tipos de conexiones. Estos problemas incluyen el efecto de velocidad de carga estática vs dinámica, profundidad de la columna y su orientación, presencia de losas compuestas y arriostramiento lateral de vigas. Los problemas son importantes para una amplia gama de tipos de conexiones, pero son particularmente relevantes para conexiones post-Northridge del tercer capítulo, debido a su mayor resistencia y ductilidad. Algunos de los temas de discusión de este capítulo son de seguimiento de los temas planteados en el segundo capítulo, dado que las pruebas en las conexiones posteriores a Northridge proporcionaron más información sobre estos comportamientos.

18

Quinto

Se analiza una amplia gama de conexiones alternativa. En general, estas alternativas son conexiones a momento parcialmente restringidas (PR) que aumentan el énfasis en el uso de pernos de alta resistencia. Algunas de estas alternativas fueron utilizadas para construcciones sísmicamente resistentes en el pasado, en la práctica están muy por debajo de los estándares que se requerirían para el diseño sísmico actual.

Sexto

Se discuten conexiones suplementarias. Estas conexiones son a menudo suplementarias, relativamente nuevas y a veces pueden usarse para reducir la cantidad de reparaciones y modificaciones para modernizar los edificios existentes. En otros casos, pueden usarse para mejorar el rendimiento para conexiones en nuevos edificios.

Séptimo

Resume el informe y enfatiza la conclusión general más importante del trabajo, este informe incluye muchas ecuaciones, que se utilizan para estimar el rendimiento de la conexión, además incluye el resumen de la notación utilizada para estas ecuaciones.

FUENTE: Autores.

Es importante decir que en el segundo capítulo en el numeral 2.2 se trata el tema

de los modos de falla y los mecanismos de rendimiento de la conexión, que, aunque

están relacionados son inherentemente diferentes. Los modos de falla causan

fracturas, pérdida de capacidad de deformación o pérdida significativa de la

resistencia. Un solo modo de falla causará ductilidad reducida y pérdida de

resistencia, pero no necesariamente resulta en pérdida de toda resistencia como se

puede ilustrar en la curva de rotación respecto al momento mostrada a continuación.

Esta figura muestra la curva de rotación de momento de una conexión que tenía

una fractura en la soldadura con la brida, se inició el primer ciclo a 0.02 radianes de

rotación plástica y una segunda fractura se presentó en la inversión del ciclo inicial,

se puede ver que tanto después de la fractura inicial como de la segunda fractura la

conexión del 25% al 40% de su capacidad de momento en rotaciones

significativamente mayores que la rotación que causa fractura. Esto muestra que, si

bien un modo de falla inicial es cuestión de preocupación considerable, no

19

necesariamente significa que una conexión pierde toda capacidad de soporte,

cargar y mantener la rotación inelástica cuando ocurre la falla inicial24.

Figura 2 curva momento rotación, resistencia después de la falla inicial

Fuente FEMA 355D

Teniendo en cuenta el alcance del presente proyecto en el que se pretende realizar

una herramienta para el chequeo de los requisitos de conexiones END PLATE de 4

pernos rigidizada y sin rigidizar, se decidió verificar los requisitos de precalificación

del numeral 5.3.1 Extended-End Plate Connections del FEMA 355D. Es importante

resaltar que este tipo de conexión se ha utilizado por muchos años con mas de 150

experimentos realizados en conexiones con resultados mixtos25.

Figura 3 curva momento rotación, resistencia después de la falla de los pernos

Fuente FEMA 355D

24 FEMA 355D, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY, septiembre del 2000. Página 2-8 25 FEMA 355D, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY, septiembre del 2000. Página 5-7

20

Figura 4 curva momento rotación, resistencia después de la deformación plástica en la platina

Fuente FEMA 355D

Figura 5 curva momento rotación, resistencia después de la deformación plástica en la viga

Fuente FEMA 355D

21

Los experimentos que se han realizado han arrojado curvas de momento rotación

que permiten revisar el desempeño para diferentes modos de falla como se muestra

en la Figura 3 y Figura 4.

Como se puede ver en las gráficas anteriores los elementos de la conexión no

garantizan la ductilidad y el fallo de los elementos que la componen generarían

mecanismos de falla inadecuados que reducen de manera importante la capacidad

de acomodar el ángulo de deflexión de piso.

A continuación, se muestran los resultados de los ensayos realizados por Murray y

Sumner, 2000.

Tabla 2 2 tabla resumen pruebas de conexión End-plate FEMA 355D (Murray y Sumner, 200).

Tabla 5-1 Tabla resumen de pruebas de conexión End-Plate

Identificación del espécimen

Información general

Viga (Columnas) Dimensiones

Pernos de tracción, espesor de End Plate

Rotación plástica @ falla inical

Rotación plástica debida a zona de panel

Rotación plástica debida a End-Plate

Modo de falla

Falla inicial Momento/Mp

1-Thick 4 pernos sin rigidizar

W24x68 (W14x120)

4-- 1 1/4” A490 w/ 1 ½” plate

0.044 0.008 0.004 Primero pandéa el flanche

1.18

1-Thin 4 pernos sin rigidizar – placa final más delgada, la mayoría de la deformación está en End-Plate

W24x68 (W14x120)

4-- 1 1/4” A325 w/ 1 ½” plate

0.02 (0.03 en la primera prueba)

0.005 0.01 Fractura en los pernos a tensión

1.12

2-Thick 8 pernos rigidizada (4 filas de dos pernos por brida)

W30x99 (W14x93)

8 – 1 ¼” A490 W / 1” plate

0.040 0.003 0.000 Primero pandéa el flanche

1.15 a la cara 1.07 al final del rigidizador.

2-Thin 8 pernos rigidizada (4 filas de dos pernos por brida)

W30x99 (W14x93)

8 – 1 ¼” A325 W / 1” plate

0.049

0.007 0.004 Primero pandéa el flanche


3-Thick 8 pernos rigidizada (4 filas de dos pernos por brida). Fluencia inicial en la viga y en el rigidizador. Pequeña fluencia en la zona de panel

W36x150 (W14x257)

8 – 1 ¼” A490 W / 2 1/2” plate

0.045 Sin balancear los ciclos SAC

0.006 0.002 Primero pandéa el flanche


22

3-Thin 8 pernos rigidizada (4 filas de dos pernos por brida).

W36x150 (W14x257)

8 – 1 ¼” A325 W / 1 1/4” plate

0.011 0.004 0.001 Fractura en los pernos


4-Thick 4 pernos de ancho (8 pernos por brida) sin rigidizar

W30x99 (W14x193)

4 – 1 ¼” A325 W/1 ¼” plate

0.031 0.007 0.001 Ruptura en los pernos y falla en end plate

1.13

4-Thin 4 pernos de ancho (8 pernos por brida) sin rigidizar

W30x99 (W14x193)

4 – 1 ¼” A325 W/1 plate


1.05


W36x150 (W14x257)

4 – 1 ¼” A325 W/1 3/8” plate


1.03


W36x150 (W14x257)

4 – 1 ¼” A325 W/1 ¼” plate


1.02

FUENTE: Autores (FEMA355D)

Figura 6 configuración típica de conexiones End-Plate

Fuente FEMA 355D

Los resultados de los datos se discuten ampliamente en las páginas 5-14, 5-15, 5-

16 y 5-17 del FEMA 355D. De dichas discusiones se derivaron los requisitos para

los mecanismos de rendimiento para conexiones de 4 pernos y 8 pernos rigidizados

para End-Plate, como se muestra en las siguientes tablas.

23

Tabla 3 Mecanismos de fluencia para conexiones 4 pernos sin rigidizar y 8 pernos rigidizada END-PLATE FEMA355D (Murray y Summer)

Tabla 5.2 Mecanismos de fluencia para conexiones de 4 pernos sin rigidizador y 8 pernos rigidizados tipo End-Plate

Mecanismo de desempeño Ecuación que define el mecanismo de desempeño Momento resistente en la cara de la columna

Flexión por fluencia en la viga Para end-plate sin rigidizar --- 𝑀𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑢𝑟𝑒 = 𝑆𝐹𝑦𝑏

Para end-plate rigidizada---𝑀𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑢𝑟𝑒 = 𝑆𝐹𝑦𝑏 𝐿−𝑑𝑐

𝐿−𝑑𝑐−2𝐿𝑠𝑡

Fluencia en la zona de panel

Balance en la fluencia de la zona de panel y fluencia por flexión

Requisitos para balancear los modos de falla y asegurar la ductilidad


Tabla 4 Modo de falla para conexiones 4 pernos sin rigidizar End-plate FEMA 355D

Tabla 5-3 Modos de falla para conexión end-plate 4 pernos sin rigidizar

Modo de falla Ecuaciones para el modo de falla a la cara de la columna Asuntos relacionados

Deformación plástica en la viga

Fractura por tensión en los pernos

Este modelo requirió el diseño de una placa gruesa diseñada para las fuerzas de palanca.

Plastificación por pandeo en End-Plate

Basado en el análisis de líneas de fluencia.

24

Fluencia por cortante y ruptura en End-Plate

Se realizaron comprobaciones para determinar que la placa fuera demasiado delgada para desarrollar las líneas de fluencia.

Capacidad de cortante

Las ecuaciones asumen que el cortante es asumido por los pernos

Espesor en el flanche de la columna, requisitos para bigas no rigidizadas en el flanche a tensión

K1 es la distancia entre el alma de la columna a la brida puntal del filete.

Pandeo plástico capacidad de columna con flanches rigidizados

Se definieron las líneas de fluencia teóricas en los flanches de la columna.

Columna rigidizada requisitos para flanche de viga en compresión

K es la distancia de filete desde la fibra extrema de brida de columna al alma

Fractura en la soldadura

Pandeo en el flanche tanto de viga como columna

Pandeo en el alma para

Ver discusiones del cuarto capítulo

25

viga y columna

Pandeo lateral torsional

Ecuaciones de las previsiones del AISC LRFD

Columna fuerte viga débil

La tensión significativa produce endurecimiento en la conexión, el límite propuesto refleja este hecho.

FUENTE: Autores (FEMA 355D)

Tabla 5 Cuadro 5 modo de falla para conexiones 4 pernos sin rigidizar End-plate FEMA 355D

Tabla 5-4 Modos de falla para conexión end-plate 8 pernos rigidizado

Modo de falla Ecuaciones para el modo de falla a la cara de la columna Asuntos relacionados

Deformación plástica en la viga

El momento plástico ocurre al final del rigidizador

Fractura por tensión en los pernos

Dimensiones definidas en las figuras.

Requisitos del espesor de los rigidizadores del end-plate

Esta ecuación asegura que el rigidizador tenga una resistencia comparable al alma de la viga.

Plastificación por pandeo en End-Plate

Las ecuaciones son empíricas pero basadas en análisis de regresión.

26

Capacidad de cortante

Las ecuaciones asumen que el cortante es asumido por los pernos

Espesor en el flanche de la columna, requisitos para bigas no rigidizadas en el flanche a tensión

Pandeo en el rigidizador del flanche de la columna

La rigidez del flanche de la columna es similar a la geometría del end-plate.

Columna rigidizada requisitos para flanche de viga en compresión

K es la distancia de filete desde la fibra extrema de brida de columna al alma

Fractura en la soldadura

Pandeo en el flanche tanto de viga como columna

Pandeo en el alma para viga y columna

Ver discusiones del cuarto capítulo

27

Pandeo lateral torsional

Ecuaciones de las previsiones del AISC LRFD

Columna fuerte viga débil

Basado en la capacidad del momento plástico de la viga al final de rigidizador.


PRECALIFICACIÓN DE CONEXIONES END-PLATE FEMA 350.

Teniendo en cuenta los resultados de los ensayos de precalificación del FEMA

355D, el FEMA 350 contiene las recomendaciones para el diseño sísmico para

pórticos de acero resistentes a momento. En el capítulo 3 calificación de conexiones

presenta los requisitos para el adecuado funcionamiento de las conexiones.

Al igual que las recomendaciones para la calificación de conexiones del FEMA 355D

se realizaron teniendo en cuenta los resultados del comportamiento de los edificios

afectados por el sismo de Northridge 1994, las recomendaciones del FEMA 350

también están derivadas de dicho evento y su finalidad es garantizar el desempeño

dúctil de las edificaciones construidas con pórticos resistentes a momento de acero

con capacidad moderada y especial de disipación de energía.

Las bases del diseño de la sección 3 del FEMA 350 proporcionan los criterios y

recomendaciones sobre los principios básicos del diseño de conexiones, incluida la

selección de un tipo de conexión apropiado, estimación de ubicaciones de

comportamiento inelástico como son las rótulas plásticas, determinación del

momento plástico probable, determinación del cortante plástico26. Estos principios

básicos se aplican a las conexiones tipo end-plate como muestra el siguiente

cuadro.

Tabla 6 información para conexión 4 pernos sin rigidizar End-plate FEMA 350

Tabla 3-8 información para conexiones precalificadas BUEP (Bolted Unstiffened End Plate

General

Sistemas aplicables OMF (pórticos con capacidad moderada de disipación de energía DMO), SMF (pórticos con capacidad especial de disipación de energía DES)

Distancia de la ubicación de la rótula plástica, 𝑆ℎ 𝑑𝑐

2 𝑜 𝑡𝑝𝑙 𝑜

𝑑𝑏

3

Relación mínima de alcance a peralte 𝑂𝑀𝐹 = 5 𝑦 𝑆𝑀𝐹 = 7

Espesor del flanche Mayor a ¾”

26 FEMA 350, FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY, septiembre del 2000. Página 3-2

28

Especificaciones de materiales permisibles A572 gr 50, A992, A913 gr 50/S75

Parámetros críticos de la columna

Rango de peralte 𝑂𝑀𝐹 = sin 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠 𝑦 𝑆𝑀𝐹 = 𝑊8, 𝑊10, 𝑊12 𝑦 𝑊14

Espesor del flanche Sección 3.6.1.1 paso 7

Especificaciones de materiales permisibles A572 gr 50, A992, A913 gr 50 o 65

Relación viga/columna

Esfuerzo en la zona de panel Sección 3.3.3.2, sección 3.6.1.1, paso 9

Relación de esfuerzo de pandeo viga/columna Sección 2.9.1

Detalles de la conexión

pernos

Diámetro del perno Sección 3.6.1.1, paso 2

Grado del perno A325 y A490

Requisitos de instalación Pretensionado

Arandelas Solo F436 cuando se requieran.

Ranura tipo Estadar.

End-plate

Espesor de end-plate Sección 3.6.1.1 pasos 3 y 4

Material A36

Soldadura de flanches

Tipo de soldadura De ranura CJP similar AWS TC-u4b, 3/8”, con filete de respaldo.

Material de aporte Sección 3.3.2.4

Agujeros de acceso de soldadura No se permiten

Conexión del alma Figura 3-13

Espesor de las placas de continuidad Sección 3.6.1.1 pasos 6 y 8

FUENTE: Autores (FEMA350)

Figura 6 esquema 3-13 conexión pernada sin rigidizar tipo end-plate (BUEP)

Fuente FEMA 350

29

Tabla 7 información para conexión rigidizada End-plate FEMA 350

Tabla 3-9 información para conexiones precalificadas (Bolted Stiffened End Plate)

General

Sistemas aplicables OMF (pórticos con capacidad moderada de disipación de energía DMO), SMF (pórticos con capacidad especial de disipación de energía DES)

Distancia de la ubicación de la rótula plástica, 𝑆ℎ 𝑑𝑐

2 𝑜 𝑡𝑝𝑙 𝑜 𝐿𝑠𝑡

Relación mínima de alcance a peralte 𝑂𝑀𝐹 = 5 𝑦 𝑆𝑀𝐹 = 7

Espesor del flanche Mayor a 1”

Especificaciones de materiales permisibles A572 gr 50, A992, A913 gr 50/S75

Parámetros críticos de la columna

Rango de peralte 𝑂𝑀𝐹 = sin 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠 𝑦 𝑆𝑀𝐹 = 𝑊12 𝑦 𝑊14

Espesor del flanche Sección 3.6.2.1 paso 6

Especificaciones de materiales permisibles A572 gr 50, A992, A913 gr 50 o 65

Relación viga/columna

Esfuerzo en la zona de panel Sección 3.6.2.1 paso 7

Relación de esfuerzo de pandeo viga/columna Sección 2.9.1

Detalles de la conexión

pernos

Diámetro del perno Sección 3.6.2.1, paso 1

Grado del perno A325 y A490

Requisitos de instalación Pretensionado

Arandelas Solo F436 cuando se requieran.

Ranura tipo Estandar.

End-plate

Espesor de end-plate Sección 3.6.2.1 pasos 2

Material A36

Soldadura de flanches

Tipo de soldadura De ranura CJP similar AWS TC-u4b, 3/8”, con filete de respaldo.

Material de aporte Sección 3.3.2.4

Agujeros de acceso de soldadura No se permiten

Conexión del alma Figura 3-15

Espesor de las placas de continuidad Sección 3.6.2.1 pasos 4 y 5

FUENTE: Autores (FEMA350)

Adicionalmente al cálculo de todos los estados de falla la precalificación de la

conexión y los ensayos de laboratorio para verificar el comportamiento esperado,

se ha generalizado el uso de análisis por elementos finitos, que permiten estimar de

manera sensible los lugares donde se concentraran los esfuerzos optimizando la

ubicación de los refuerzos adicionales de la conexión, así como el lugar mas

adecuado para colocar la instrumentación con la que se medirán las deformaciones

en los especímenes que se probaran para validar la conexión precalificada según

las recomendaciones del FEMA 350 y FEMA 355D.

30

Figura 8 esquema 3-15 conexion pernada rigidizada tipo end-plate

Fuente FEMA 350

Para la verificación de las conexiones tipo end-plate se han realizado varios

modelos en investigaciones como las de Krishnamurthy y Graddy (1976), donde se

investigó el comportamiento de los pernos en la placa de borde o end-plate. Ahuja

31

y otros (1982) donde se investigó el comportamiento de conexiones con 8 pernos

tipo end-plate. Kukreti y otros (1990) donde se usaron los modelos con elementos

finitos para parametrizar el estudio de las fuerzas producidas por los pernos en una

conexión tipo end-plate rigidizada, los resultados de esta investigación permitieron

determinar ecuaciones para determinar los esfuerzos en la end-plate27.

También realizaron investigaciones con elementos finitos Gebbeken y otro (1994)

se estudio el comportamiento no lineal del contacto entre el end-plate y el flanche

de la columna. Bahaari y Sherbourne (1994) usando ANSYS para verificar el

comportamiento no lineal en modelos 3D, en 1996 continuaron la investigación. Choi

y Chung (1996) investigaron la técnica mas eficiente para modelar conexiones de

cuatro pernos rigidizadas tipo end-plate. Meg (1996) usó elementos tipo Shell para

modelar el comportamiento cíclico en una conexión de cuatro pernos rigidizada, las

correlaciones de los elementos finitos resultaron adecuadas al compararlas con los

experimentos realizados. Sumner (2003) realizó estudios con elementos finitos para

investigar el pandeo en el flanche de las columnas, las correlaciones mostraron que

los análisis generan buenos niveles de predicción respecto al análisis de las líneas

de fluencia28.

Procedimiento de calificación conexiones para AISC 358-16

Teniendo en cuenta las anteriores consideraciones de los diferentes documentos

para la calificación de conexiones, la metodología para la precalificación de la

conexión end-plate rigidizada y sin rigidizar se deben seguir las siguientes

consideraciones básicas

1. La conexión debe ser capas de encajar una rotación de 0.04 radianes cuando

el momento máximo sea 0.8Mp.

2. Se debe considerar el efecto del cortante debido a las cargas sísmicas en los

dos extremos de la conexión.

3. Se debe determinar la ubicación de la rótula plástica siguiendo las

recomendaciones de las tablas 3-8 y 3-9 del FEMA 350.

4. Se deben verificar todos los estados de falla posibles de la conexión.

5. Es recomendable generar un modelo de elementos finitos para determinar las

zonas de concentración de esfuerzos, así como para determinar de manera más

acertada la ubicación de la rótula plástica. Además, el modelo permite

27 AISC STEEL DESING GUIDE 4, Extended End-Plate Moment Connections seismic and wind aplications second

edition, 2003 American Institute of Steel Construction página 7. 28 Ibidem página 7.

32

determinar donde es mejor ubicar la instrumentación con la que se medirán los

esfuerzos y deformaciones de los materiales durante el ensayo.

6. Se deben ensayar los materiales con los cuales se fabricará el espécimen que

será probado en el laboratorio.

7. Como se indica que en FEMA 355D el espécimen puede tener pequeñas

variaciones dimensionales respecto a la conexión en prueba, esta variación

debe estar acorde a los requisitos exigidos en el documento FEMA 355D.

8. Realizar las pruebas de los especímenes fabricados según el FEMA 355D y

realizar las correlaciones respecto al modelo de elementos finitos.

9. Se deberá generar el documento de calificación según las especificaciones de

los códigos o normas de construcción vigentes.

33

2 ANTECEDENTES

TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN

Se presentan a continuación los resultados de una revisión de investigaciones

relacionadas directamente con el objeto de estudio

2.1.1 Confrontación de la teoría estructural de falla de conexiones metálicas

atornilladas y soldadas contra los resultados obtenidos en ensayos de

laboratorio.29

FECHA: 2003

LUGAR: Medellín, Colombia.

AUTORES: García Cobas, Sandra Liliana.

Trabajo con el objetivo de revisar la teoría de fallas en conexiones metálicas

contra resultados de ensayos de laboratorios.

2.1.2 Creación de un software para el cálculo de conexiones apernadas y

soldadas mediante LFRD (load and resistance factor design) y ASD

(allowable stress design) utilizando el lenguaje PHP.30

FECHA: 2008

LUGAR: Valdivia, Chile.

AUTORES: Vera Cardenas, Cristian Israel.

Trabajo con el objetivo de desarrollar un software para calcular algunas

conexiones soldadas (Tipo corte y conexión viga columna) y conexiones

pernadas (Tipo pryng action y conexiones viga columna), por lo métodos ASD

y LFRD.

29 GARCIA, Sandra Liliana. Trabajo de grado especialista. Universidad Nacional de Colombia. Repositorio. 30 VERA, Cristian Israel. Trabajo de Grado. Universidad Austral de Chile. Repositorio.

34

2.1.3 Desarrollo de hojas de cálculo para automatizar el diseño de

conexiones en estructuras de acero por el método de los estados

límites (LRFD)31

FECHA: 2010

LUGAR: Caracas, Venezuela

AUTORES: Losada Lázaga, Miguel Arturo. -Matamoros Avila, Tamara

Trabajo de Investigación documental con el objetivo de realizar hojas de

cálculo Excel para el diseño de arriostramientos con perfiles, conexiones

convencionales y placas base articuladas/empotradas siguiendo la norma

vigente en Venezuela para diseño estructuras de acero COVENIN 1618:1998

“Estructuras de acero para Edificaciones, Método de los Estados Limites” e

incorporando actualizaciones de AISC 2005.

2.1.4 Diseño De Un Instrumento De Cálculo Para Las Conexiones

Precalificadas Según Aisc 358-10 Aplicando La Herramienta Microsoft

Excel32

FECHA: 2012


AUTORES: Andrea Hernández - Pedro Hernández

Trabajo enfocado en las conexiones RBS, WUF, BFP siguiendo las

especificaciones de la AISC 358-10, con profundización en el cálculo

detallado de cada una y su ejemplo.

31 LOSADA, Miguel. MATAMOROS, Tamara. Universidad Católica Andrés Bello. Repositorio. 32 HERNÁNDEZ, Andrea. HERNÁNDEZ, Pedro. Trabajo de Grado especial. Universidad Central de Venezuela. Repositorio

35

2.1.5 Conexiones precalificadas de plancha extrema para proyectos

sismoresistentes de acero.33

FECHA: 2005


AUTORES: Gomez Ferrrer, Elimar

El objetivo es la sistematización de los procedimientos de diseño de las

conexiones de plancha extrema precalificadas según AISC No 4 “Extended

End-Plate Moment connections seismic and wind aplicatios” (2da edición).

2.1.6 Desarrollo de una herramienta en Excel para diseño de conexiones

precalificadas de acero para sistemas de marcos especiales (SMF) e

intermedios (IMF) según el Código Sísmico de Costa Rica 201034

FECHA: 2012

LUGAR: Costa Rica

AUTORES: Luis Daniel Briceño González

Trabajo enfocado en las conexiones RBS , WUF-W, BFP, BUEEP, BSEEP

siguiendo las especificaciones de la CSCR-10, se muestra una herramienta

de Excel para el diseño de estas conexiones.

33 GOMEZ, Elimar. Trabajo de grado especial. Universidad Catolica Andres Bello. Repositorio. 34 BRICEÑO, Luis Daniel. Trabajo de Grado. Instituto tecnológico de Costa Rica. Repositorio

36

2.1.7 Elaboración de fórmulas analíticas y tablas de cálculo para las

estructuras metálicas de acero según la normativa Euro código 335

FECHA: 2015

LUGAR: Barcelona

AUTORES: Tejerizo Fernández, Maribel

Trabajo con el alcance de reunir formulas estructurales y tablas para facilitar

el trabajo de calculistas de estructura metálica, basado en la norma vigente

el Euro código 3: Proyecto de estructuras de acero (EC3).

2.1.8 Programa para el Diseño de Conexiones Viga-Columna en Elementos

de Acero de Sección “I” Mediante el Método de la Resistencia Última

LRFD.36

FECHA: 2005

LUGAR: Puebla, Mexico.

AUTORES: Peternell, Luis Eduardo.

Esta tesis trata el desarrollo de un programa de computadora fácil de usar,

que es capaz de determinar las características geométricas de varios tipos

de conexiones, el programa creado utiliza las ecuaciones contenidas en el

Manual LRFD del AISC para llevar a cabo los cálculos correspondientes, así

como los criterios y especificaciones de diseño que ahí se presentan para los

tipos de conexiones contemplados en el paquete.

35 FERNANDEZ, Maribel. Proyecto Final de Carrera. Escola Tecnica Superior d´Enginyeria Industrial de Barcelona. Repositorio. 36 PETERNELL, Luis Eduardo. Tesis profesional. Universidad de las Americas Puebla. Repositorio.

37

2.1.9 Programa para el diseño y revisión de placas base y anclas para columnas

de acero.37

FECHA: 2009

LUGAR: Puebla, Mexico.

AUTORES: Orozco Leon, David.

Trabajo presenta el desarrollo de un programa de cómputo, creado con la

finalidad de diseñar o revisar placas base y anclas para columnas de

acero y placas de soporte para viga, se utilizó el método de diseño

desarrollado por el Dr. James M. Fisher y el Ing. Lawrence A. Kloiber. La

información se obtuvo del manual “Base Plate and Anchor Rod Design”.

2.1.10 Consideraciones sismorresistentes en el diseño y detallado de conexiones

precalificadas tipo flange plate de acuerdo a la guia AISC 358-10.38

FECHA: 2012

LUGAR: Caracas, Venezuela.

AUTORES: Bolivar Diaz, Carolina.

El objetivo de la presente investigación es la elaboración de un hoja de Excel

corroborando que la conexión estudiada cumpliera con las condiciones

sismoresistentes y estuviera diseñada bajo los lineamientos de la guía AISC

358-10.

37 OROZCO, David. Tesis profesional. Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla. Repositorio. 38 BOLIVAR, Carolina. Trabajo de Grado. Universidad Nueva Esparta. Repositorio.

38

SOFTWARES LIBRES

Actualmente existen SOFTWARE LIBRES para el diseño y chequeo de

conexiones precalificados basados en la normas ANSI/AISC 358.Son softwares

que requieren de un conocimiento para el ingreso de los datos de entrada

solicitados.

2.2.1 Dicasbyr

Programa desarrollado en el año 2018 por Gino Pannillo, María Chacón y Héctor

Riera dentro de un artículo de investigación de la UCLA (Universidad Centro

Occidental Lisandro Alvarado).

Ilustración 2 PROGRAMA DE CONEXIONES SISMORRESISTENTES TIPO BFP Y RBS

39

FUENTE: Revista Gaceta técnica

2.2.2 CONMETNSR-10v1.0

Programa desarrollado en el año 2014 por Juan Francisco Acuña Torres Y Harold

André Sotelo Ojeda dentro de la modalidad de Monografía de la Pontificia

Universidad Javeriana.

Ilustración 3 Software CONMET-NSR10

FUENTE: Monografía SOFTWARE LIBRE PARA EL DISEÑO DE CONEXIONES METÁLICAS DE ACUERDO CON

LA NSR-10

40

SOFTWARE LICENCIADO RAM CONNECTION STANDALONE.

Programa desarrollado por la compañía Bentley desde el año 2012 para el diseño

de una amplia gama de conexiones de estructura metálica para diferentes tipos de

perfiles, en los que se incluyen las especificaciones de países como Estados Unidos

(US), la Unión Europea (UE), India, China, entre otros. El diseño de las conexiones

se puede hacer de tres maneras:

Ilustración 4 ventana principal Ram-conection

FUENTE: Manual Ram Connection Standalone EDICIÓN 2017.

41

3 MERCADO DE LA ESTRUCTURA METÁLICA

La construcción representa un renglón importante en la economía nacional debido

a que la infraestructura es fundamental para el desarrollo de un país, no solamente

por ser una actividad generadora de empleo, sino también de tecnología que

permite aumentar la velocidad y calidad de las construcciones haciendo a la

industria nacional competitiva respecto al entorno regional.

Y son las edificaciones en estructura metálica las que han mostrado competitividad

sobre todo en el sector de las naves industriales, debido a sus múltiples ventajas.

Aun teniendo en cuenta lo anterior, la industria siderúrgica colombiana está aún por

desarrollarse y es vulnerable al proceso de internacionalización de la economía.

Tabla 8 Producción Acero Países en Latinoamérica

Fuente: Revista ciencias estratégicas

En Latinoamérica, las estadísticas dadas por ALACERO (2012) describen un

crecimiento que se ha ralentizado en los últimos diez años; tan solo entre el 2004 al

2012 pasó de 64 millones de toneladas a 68 Millones de toneladas (teniendo en

cuenta la caída en época de crisis) que corresponden a solo el 5% de la producción

global, de las cuales Brasil encabeza la lista con 35 Millones de toneladas, siendo

el noveno productor a nivel mundial.39

En Colombia aunque haya aumentado la producción siderúrgica, sigue siendo

mayor la demanda que la oferta local por lo que las importaciones han aumentado

en parte gracias a los bajos precios del acero Chino, lo cual nos hace pensar que la

39 Carvajal, Carlos.Revista ciencias estratégicas. Vol. 25. No. 38 (Julio-Diciembre 2017). Página 345.

42

estructura metálica se utilizará cada vez más en el mercado nacional de la

construcción.

4 NORMATIVIDAD

SISMICIDAD EN COLOMBIA

El primer evento sísmico en el país del cual se tiene registro escrito, ocurrió en 1541.

Existen registros de numerosos sismos históricos desde la colonia y hasta 1922, en

que se instaló el primer sismógrafo en el país, traído por la Compañía de Jesús.

Dentro de los sismos históricos pero registrados por instrumentos en el exterior es

importante destacar el terremoto del 31 de enero de 1906 frente a la costa pacífica

colombiana, cuya magnitud se estima en 8.9 en la escala Richter y que es

considerado uno de los sismos más fuertes de la humanidad en tiempos modernos.

A partir de 1922 se dispuso de información instrumental, sobre lo que se denominan

sismos instrumentales. Desde 1957 hasta 1992 estuvieron en funcionamiento siete

estaciones sismológicas permanentes en el país, las cuales fueron operadas por el

instituto geofísico de la universidad Javeriana de Bogotá.40

A partir de 1993 se puso en marcha, adicionalmente, la Red Sismológica Nacional,

operada por la subdirección de Geofísica del INGEOMINAS, existiendo además el

Observatorio Sismológico del Sur Occidente – OSSO, operado por la universidad

del Valle de Cali. La Red Sismológica Nacional consta en la actualidad de 26

estaciones sismológicas remotas con lo cual se cubre gran parte del territorio

nacional; su procesamiento es en tiempo real y se realiza en Bogotá por enlace

satelital.41

De acuerdo con los estudios realizados para la determinación del grado de amenaza

sísmica de las diferentes regiones del país se encontró que 16.45 millones de

colombianos de 553 de los 1126 municipios del país se encuentran en zonas de

amenaza sísmica alta, es decir el 39.7% de la población nacional; 19.62 millones de

habitantes en 431 municipios están localizados en zonas de riesgo sísmico

intermedio, es decir el 47.3% de la población del país; y 5.39 millones de habitantes

40 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.; Prefacio página iii. 41 Ibidem; Página iv.

43

en 139 municipios están localizados en zonas de amenaza sísmica baja, es decir el

13% del total de la población nacional.42

5 SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA CONEXIONES PRECALIFICADAS.

En el capítulo K (Prequalification and Cyclic Qualification Testing Provisions),

de la norma AISC 341-10 se contempla tres sistemas precalificados, estos son:

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON CAPACIDAD ESPECIAL

DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA. (SMF SPECIAL MOMENT FRAMES) (DES)

Se diseñan para que sean capaces de incursionar en el rango inelástico con una

ductilidad y disipación de energía elevada, para lo cual requiere un estricto control

de fallas frágiles, presentando el detallado sismorresistente más exigente conforme

a la Norma. SE UTILIZAN EN ZONAS DE ALTA SISMICIDAD.

Ilustración 4 DES capacidad de disipación especial

FUENTE: NSR-10

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON CAPACIDAD

MODERADA DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA. (IMF INTERMEDIATE

MOMENT FRAMES) (DMO)

Se diseñan para que tengan principalmente un comportamiento elástico, con una

capacidad limitada de incursionar en el rango inelástico y disipar energía. El

detallado se presenta de forma convencional sin mayores exigencias sísmicas. SE

UTILIZAN EN ZONAS DE BAJA SISMICIDAD.43

42 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.; Prefacio página v. 43 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO A — REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.

44

Ilustración 5 DMO capacidad de disipación moderada

FUENTE: NSR-10

PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS. (EBF

ECCENTRICALLY BRACED FRAMES)

Los EBF poseen las ventajas de los pórticos con conexiones de momento y la de

los pórticos con arriostramientos concéntricos. Pueden absorber más energía

sísmica que un pórtico arriostrado a la vez que son más rígidos que los pórticos con

conexiones de momento y por lo tanto menos desplazables lateralmente.

Las estructuras deben diseñarse para disipar energía mediante deformaciones

plásticas, las cuales permiten eventualmente la formación y la rotación de

articulaciones plásticas.

Ilustración 6 Tipos de arriostramientos excéntricos

FUENTE: http://webdelprofesor.ula.ve/nucleotrujillo/americab/09-disenioSismorresistente/9-26.html

Esta configuración de sistemas de resistencia sísmica se realiza teniendo en cuenta

que, para lograr una mayor competitividad se requiere ahorro de material, lo que

implica el uso de perfiles con secciones transversales que cuentan con una gran

rigidez solamente en uno de sus ejes locales mientras que en el otro es incluso difícil

garantizar el control de rotaciones que implica una conexión resistente a momento.

45

CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (TITULO A)44

Es la capacidad que tiene un sistema estructural, un elemento estructural o una

sección de elemento estructural, de trabajar dentro del rango inelástico de respuesta

sin perder su resistencia.

En el diseño sismo resistentes requerido por el título A de la NSR-10 se requiere

que los edificios tengan una capacidad de disipación de energía mínima requerida,

dependiendo del tipo de material estructural y de las características del sistema de

resistencia sísmicas, se establecen los grados de capacidad de disipación de

energía mínimos (DES, DMO o DMI) que debe cumplir el material estructural en las

diferentes zonas de amenaza sísmica definidas en el capítulo 2. Los sistemas de

resistencia sísmica se encuentran clasificados en las tablas A.3-1 a A.3-4.

Para obtener las fuerzas sísmicas horizontales que se utilizarán para el diseño

sismo resistentes usado por los métodos reconocidos por la NSR-10, se construye

el espectro elástico de aceleraciones, Sa expresado como fracción de la gravedad,

para un coeficiente de cinco por ciento (5%) del amortiguamiento crítico y se define

por medio de las ecuaciones A.6-1 y las limitaciones dadas en A.2.6.1.1 a A.2.6.1.3

Como se muestra en las ecuaciones con las que se compone el espectro elástico,

se debe tener en cuenta el grupo de uso y los coeficientes de aceleración y

velocidad indicados según el perfil del suelo; también es fundamental la amenaza

sísmica, la cual depende de la ubicación de la edificación dentro del territorio

nacional y se define en A.2.3. y complementado con el apéndice A-4.

Cargas Y Fuerzas (Titulo B)

Título B. Cargas. Debe contener los requisitos mínimos que deben cumplir

las edificaciones en lo que respecta a cargas, fuerzas y solicitaciones diferentes a

las fuerzas o efectos que impone el sismo, tales como:

B.2.4.2 — COMBINACIONES BÁSICAS — El diseño de las estructuras, sus

componentes y cimentaciones debe hacerse de tal forma que sus resistencias de

diseño igualen o excedan los efectos producidos por las cargas mayoradas en las

siguientes combinaciones:

44 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO A — REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997.

46

SISTEMAS DE ACERO SISMORESISTENTE (TITULO F)45

Título F. Estructuras metálicas. Debe contener los requisitos mínimos que se

deben cumplir en el diseño y construcción de estructuras metálicas y sus

elementos. Debe incluir, como mínimo, los siguientes temas:

F.3.2.1 — REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO SÍSMICO

F.3.2.1.1 — Zonas de amenaza sísmica — Los requisitos para las estructuras

hechas con perfiles laminados de acero estructural dadas en el presente Título de

este Reglamento deben aplicarse en cada una de las zonas de amenaza sísmica,

como se definen en A.2.3 del Título A, así:

F.3.2.1.1.1 — Zonas de amenaza sísmica baja — Las estructuras hechas con

perfiles de acero y sus elementos, localizadas en zonas de amenaza sísmica baja,

tal como se definen en A.2.3.1, deben cumplir los requisitos del Título A de este

Reglamento con las limitaciones dadas en el Capítulo A.3 y como mínimo deben ser

estructuras con capacidad de disipación de energía mínima (DMI) tal como las

define F.3.2.1.2.1, aunque se permite el uso de estructuras de acero estructural con

capacidad de disipación moderada (DMO) y especial (DES).

F.3.2.1.1.2 — Zonas de amenaza sísmica intermedia — Las estructuras hechas con

perfiles de acero y sus elementos, localizadas en zonas de amenaza sísmica

intermedia, tal como se definen en A.2.3.2 deben cumplir los requisitos del Título A

de este Reglamento con las limitaciones dadas en el Capitulo A.3 y como mínimo

45 NSR-10, COMISION ASESORA PERMANENTE PARA EL REGIMEN DE CONSTRUCCIONES SISMORESISTENTES. TÍTULO F — ESTRUCTURAS METÁLICAS. Bogota : s.n., Ley 400 de 1997

47

deben ser estructuras con capacidad de disipación de energía moderada (DMO) tal

como las define F.3.2.1.2.2, aunque se permite el uso de estructuras con capacidad

de disipación de energía especial (DES).

F.3.2.1.1.3 — Zonas de amenaza sísmica alta — Las estructuras hechas con

perfiles de acero y sus elementos, localizadas en zonas de amenaza sísmica alta,

tal como se definen en A.2.3.3 deben cumplir los requisitos del Título A de este

Reglamento con las limitaciones dadas en el Capítulo A.3 y sólo pueden ser

estructuras con capacidad de disipación de energía especial (DES) tal como las

define F.3.2.1.2.3.

F.3.2.2 — CARGAS, COMBINACIONES DE CARGA Y RESISTENCIA

REQUERIDA

F.3.2.2.1 — Cargas y combinaciones de carga — Se deben tener en cuenta las

cargas y combinaciones de carga estipuladas en B.2.4. Además se deben cumplir

los siguientes requisitos: Se deben incluir en el análisis los efectos ortogonales del

sismo de acuerdo con A.3.6.3 a menos que se especifique lo contrario. Cuando en

el presente Capítulo se pida hacer las revisiones con las cargas sísmicas

amplificadas, la componente horizontal de la carga del sismo E, obtenida de acuerdo

con el Título A de estas normas, se multiplicará por el coeficiente de sobre

resistencia oΩ definido en A.3.3.9.

F.3.2.2.2 — Resistencia requerida — La resistencia requerida de los miembros

estructurales y sus conexiones será la mayor de: (a) La resistencia requerida que

se determine mediante el análisis estructural con las combinaciones de carga

apropiadas del Título B, y el numeral F.3.3. (b) La resistencia requerida dada en los

numerales F.3.4, F.3.5, F.3.6, F.3.7 y F.3.8.

F.3.5.2.6 — Conexiones

F.3.5.2.6.1 — Soldaduras de demanda crítica — Las siguientes soldaduras deben

considerarse de demanda crítica y satisfacer los requisitos del numeral F.3.1.3.4.2:

(1) Soldaduras acanaladas en empalmes de columna.

(2) Soldaduras de la conexión columna-placa de base, excepto cuando pueda

demostrarse que puede impedirse la formación de la rótula en la columna o cerca

de la placa de base mediante restricciones, y en ausencia de tensiones netas bajo

las combinaciones de carga que incluyen la carga sísmica amplificada.

48

(3) Las soldaduras acanaladas de penetración completa de las aletas de vigas y

almas de vigas a las columnas, a menos que se especifique otra cosa en

ANSI/AISC 358, o como se determine en una precalificación de conexión de

acuerdo con la sección F.3.11.1 o en un programa de ensayos de calificación

de acuerdo con F.3.11.2.

F.3.5.2.6.2 — Requisitos de las conexiones viga-columna — Las conexiones

viga-columna del SRS deben satisfacer los siguientes requisitos:

(1) La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo de deriva de piso de 0.02

radianes como mínimo.

(2) La resistencia medida a flexión de la conexión, determinada en la cara

de la columna, debe ser por lo menos p0.8Mde la viga conectada a un ángulo de

deriva de piso de 0.02 radianes.

F.3.5.2.6.3 — Validación de la conexión — La conexión viga-columna del SRS debe

satisfacer los requisitos de la sección F.3.5.2.6.2 mediante una de las siguientes

condiciones:

(1) Uso de conexiones PRM-DMO de acuerdo con ANSI/AISC 358.

(2) Uso de una conexión precalificada PRM-DMO de acuerdo con F.3.11.1.

(3) Especificaciones de resultados de ensayos cíclicos de calificación de

acuerdo con F.3.11.2. Deben realizarse al menos dos ensayos de la conexión

y pueden basarse en una de las consideraciones siguientes:

(a) Ensayos reportados en artículos de investigación o ensayos

documentados realizados para otros proyectos que representen las

condiciones del proyecto, con los límites especificados en el numeral

F.3.11.2.

(b) Ensayos enfocados específicamente para el proyecto que sean

representativos de los tamaños de los miembros, resistencia del material,

configuración de conexiones, procesos constructivos de la conexión, con

los límites especificados en F.3.11.

F.3.4.2 —CONEXIONES

F.3.4.2.1 —Alcance — Las conexiones, juntas y pernos que hagan parte del

SRS deben cumplir con los requerimientos especificados en la sección F.2.10,

más los siguientes requisitos adicionales.

49

6 CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES

En las especificaciones de la NSR-10 se permite el uso de varios materiales para la

fabricación de conexiones, como son soldaduras, tornillos sin tornear y pernos de

alta resistencia.

La selección de la tipología que se debe usar para una estructura específica implica

la consideración de muchos factores, entre los que vale la pena mencionar: los

requisitos de los reglamentos locales de construcción, el costo de los materiales, la

preferencia del proyectista, la disponibilidad de buenos soldadores entre otras.46

Todas las conexiones tienen algún tipo de restricción, o sea, alguna resistencia a

cambios en los ángulo originales formados por los miembros conectados cuando se

aplican cargas dependiendo de la magnitud de la restricción, la especificación ddel

AISC clasifica las conexiones como totalmente restringidas (rígida tipo FR) y

parcialmente restringida (tipo PR).

Una conexión simple es una conexión tipo PR en la cual se ignora la restricción. Se

supone completamente flexible y libre para rotar y por ello, sin capacidad de

resistencia a momentos. Una conexión semirrígida o de momento flexible es

también una conexión tipo PR cuya resistencia a cambios en los ángulos queda

entre los tipos flexible y rígida.

Grafica. 1 Curva de Momento vs Rotación según la Rigidez

46 MCCORMACK,Jack. DISEÑO DE ESTRUCTURAS EN ACERO. 5TA EDICIÓN. Pág. 528.

50

Ya que no existen conexiones perfectamente rígidas o completamente flexibles, en

realidad todas las conexiones son parcialmente restringidas47, incluso las

conexiones precalificadas tienen restricción a la rotación máxima, requisito que

debe ser verificado en el caso de que se quiera calificar alguna tipología de

conexión.

A continuación, se muestran esquemáticamente como los tipos de conexiones

limitan los efectos de la rotación en pórticos metálicos.

Conexión totalmente restringida.

Ilustración 7 Conexión restringida

FUENTE: Alacero

Conexión parcialmente restringida

Ilustración 8 Conexión Semirrígida

FUENTE: Alacero

Conexión simple

47 Ibidem página 529.

51

Ilustración 9 Conexión Flexible

FUENTE: Alacero

Para los efectos conceptuales de este documento se considera a las conexiones

precalificadas End-Plate como totalmente restringidas ya que al cumplirse con los

requisitos exigidos en el AISC-358 la rotación en los apoyos es mínima. Y las

conexiones de los arriostramientos diagonales concéntricos, se las considerará

como conexiones simples, ya que por su configuración no es posible que resistan

momentos.

CONEXIONES PRECALIFICADAS TIPO END PLATE

La conexión placa de extremo está conformada por la soldadura de la viga a la placa

de extremo y esta es pernada a la columna.

Las configuraciones de conexiones de placa de extremo se incluyen en el diseño

de acuerdo a la norma AISC Seismic Provisions. El comportamiento de esta

conexión depende de los esfuerzos resistentes de sus diferentes componentes

(resistencia a flexión de la viga, resistencia a flexión de la placa de extremo,

resistencia a flexión de la columna en la zona panel, ruptura de los pernos por

tensión, ruptura de los pernos por cortante o la resistencia de las diferentes

soldaduras. Las conexiones de placa de extremo son utilizadas en conexiones

resistentes a momento (SMF) y en conexiones de resistencia a momento intermedio

(IMF).

Ilustración 10 Conexiones precalificadas AISC 358-16

52

(a)Conexión END PLATE cuatro pernos sin rigidizar (b)Conexión END PLATE cuatro pernos rigidizado

Fuente: AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION modificada por los autores.

7 ACTIVIDADES REALIZADAS POR LOS INVESTIGADORES

RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

7.1.1 Bases De Datos

Se realiza una búsqueda de datos de perfiles IP y se consolidan en tablas para

vigas y columnas, como se muestra en la siguiente figura.

53

Tabla 9 BASE DE DATOS VIGA-COLUMNA

Fuente: autores

Y del TITULO A se obtienen los coeficientes Ry y Rt usados en los cálculos de

chequeo de la conexión precalificada de cuatro pernos según la calidad del acero

seleccionada por el diseñador.

Tabla 10 Coeficiente de acero Ry y Rt

Fuente: AISC 358-16

DISEÑOS DE CONEXIONES END PLATE 4E Y 4ES

Los datos iniciales para el diseño de las conexiones son obtenidos de las anteriores

tablas consolidadas de estructuras metálicas (perfiles IP).

Según la ANSI/AISC 358-16 el procedimiento de chequeo de diseño de las

conexiones END-PLATE, se deben realizar los siguientes pasos.

54

7.2.1 Paso 1:

Tabla 11 Tabla de parámetros iniciales de chequeo

PARÁMETRO VERIFICACIÓN FORMULA O TABLA CHEQUEO

Límites de alturas Tabla 6.1 AIS 358-16

Relación 𝐿𝑈𝑍

𝐷𝑣𝑖𝑔𝑎

SMF (Disipación especial)

IMF (Disipación Intermedia)

Longitud de zona protegida

La menor distancia entre:

DVIGA

3 Bfb

LP o Sh (distancia desde la cara de la columna a la rótula)

La menor distancia entre:

0.5 d

3 Bf Fuente: Autores

7.2.2 Paso 2:

Determine los tamaños de los miembros conectados (vigas y columna) y calcule el

momento en la cara de la columna, Mf.

7.2.3 Paso 3:

Seleccione una de las tres configuraciones de conexión de momento de la placa

final y establezca valores preliminares para la geometría de la conexión y el grado

del tornillo

7.2.4 Paso 4:

Determinar el diámetro del perno requerido, usando una de las siguientes

expresiones

55

Para 4 pernos

7.2.5 Paso 5:

Seleccione un diámetro de perno de prueba, no menor que el requerido en el Paso4.

7.2.6 Paso 6:

Determine el grosor requerido de la Placa de extremo

Ilustración 11 Líneas de fluencia 4E

Fuente: AISC 358-16

Yp = Se obtiene de la tabla 6.2 para 4E

y Tabla 6.3 para 4ES

56

Ilustración 12 Líneas de fluencia 4ES

Fuente: AISC 358-16

7.2.7 Paso 7:

Determine un grosor no menor al requerido según la tabla 6.1 Parámetros de

Limitación en Precalificados.

Tabla 12 Parámetros Limite de Precalificación (TABLA 6.1)

Fuente: AISC 358-16

57

7.2.8 Paso 8:

Calcular la fuerza de la brida de la viga factorizada.

7.2.9 Paso 9:

Verifique el rendimiento de corte de la porción extendida de la placa de extremo sin

refuerzo extendida de cuatro pernos

Donde bp es el ancho, que debe tomarse como no mayor a la brida de la viga más

una pulgada. Si la Ecuación no se cumple, aumente el grosor de la conexion End

plate o aumente la tensión de rendimiento del material de la conexión End plate.

7.2.10 Paso 10:

Compruebe la ruptura de corte de la parte rígida de la conexión end plate .

Si la Ecuación no se cumple, aumente el grosor de la conexión End plate o aumente

la tensión de rendimiento del material de la conexión End plate.

7.2.11 Paso 11:

Para evitar el pandeo local de la placa de refuerzo, se debe cumplir el siguiente

criterio de ancho a espesor.

Donde hst es la altura del rigidizador, pulg. (mm), igual a la altura de la placa de

extremo desde la cara exterior de la brida de la viga hasta el extremo de la conexión

58

end plate.Si la placa final tiene un grosor de in (10 mm) o menos, se permiten

soldaduras de filete de doble cara.

7.2.12 Paso 12:

La resistencia a la rotura de corte del perno de la conexión es proporcionada por los pernos en una brida (compresión); así

7.2.13 Paso 13:

Compruebe el fallo de los pernos / desgarros de la placa terminal y la brida de la

columna:

MONTAJE DE PLANTILLA END PATE 4E Y 4ES

7.3.1 Datos iniciales

Para iniciar el montaje es importante tener en cuenta que existen unos datos de entrada para cada tipo de chequeo. Los cuales se listan a continuación según su aplicación en cada tipo de conexión y quedan enlazadas en la plantilla de las bases de Datos:

Tabla 13 Datos de Entrada plantilla 4E y 4ES

PARÁMETRO NOMBRE TIPO DE

CONEXIÓN

twb Espesor del alma 4E Y 4ES

Bfb Ancho del Patín 4E Y 4ES

Dviga Profundidad de la viga 4E Y 4ES

tfb Espesor del patín de la viga

4E Y 4ES

Zxx Módulo Plástico 4E Y 4ES

fyb Esfuerzo de fluencia 4E Y 4ES

59

fub Esfuerzo Ultimo 4E Y 4ES

Ry Coeficiente de fuerza de conexión máxima

4E Y 4ES

Lst Longitud mínima del

rigidizador 4ES

Luz libre Longitud de la viga. 4E Y 4ES

Fuente: Autores

Con los datos iniciales la plantilla realiza los primeros chequeos que comprenden la

relación luz/viga y la longitud de zona protegida según los parámetros del Paso 1

sección 3.2 Diseño END PLATE 4E Y 4ES.

Se genera un comando para solicitar se indique CUMPLE O MAL.

7.3.2 PARÁMETROS DE LIMITACIÓN DE LA CONEXIÓN PRECALIFICADA

La plantilla tiene una segunda etapa que tiene como objeto la verificación de los

parámetros de la conexión precalificada según la tabla 6.1 de la AISC 358-16.

En caso de mostrar MAL en alguno de los parámetros será necesario cambiar el

tipo de viga escogida o la luz de la viga. Esta etapa es indispensable para continuar

con los chequeos generales de la conexión precalificada, pernos y soldadura.

Nota: Es importante tener en cuenta si se está diseñando 4E o 4ES, puesto que los

límites difieren y pueden afectar los cálculos posteriores.

7.3.3 CÁLCULOS DE CHEQUEO

La tercera etapa de la plantilla se divide en los chequeos de los pernos y el patín

de la Viga de Diseño. Los cálculos de chequeo se organizan según los pasos del 2

al 13 de la sección 3.2 Diseño END PLATE 4E Y 4ES.

7.3.4 CALCULO DE LA SOLDADURA

60

Teniendo en cuenta la norma AISC 360-16 se revisan los tres criterios de chequeo

y se selecciona el mayor de los resultados obtenidos.

La plantilla cuenta con una tabla de información sobre los tipos de soldadura para

que el diseñador escoja según su criterio y el uso a dar.

DISEÑO DE LA COLUMNA

Según la ANSI/AISC 358-16 el procedimiento de chequeo de diseño de las

conexiones END-PLATE, se deben realizar los siguientes pasos.

7.4.1 Paso 1: Compruebe la resistencia a la flexión del patín de la columna.

Yc = Se obtiene de la tabla 6.5 para 4

pernos

61

Ilustración 13 Líneas de fluencia Columna

Fuente: AISC 358-16

7.4.2 Paso 2: Comprobación zona de panel.

Si la ecuación no cumple será necesario aumentar el tamaño de la columna

o agregas placas de continuidad.

MONTAJE DE PLANTILLA DE COLUMNA

7.5.1 DATOS INICIALES

Para iniciar el montaje es importante tener en cuenta que existen unos datos de entrada para cada tipo de chequeo. Los cuales quedan enlazadas en la plantilla de

62

las bases de Datos, por lo que el diseñador solo tendrá que seleccionar la estructura a usar.

Tabla 14 Datos de Entrada Plantilla Columna

PARÁMETRO NOMBRE DESCRIPCIÓN

tw Espesor del alma

Bf Ancho del Patín

D Profundidad de la Columna

tf Espesor del patín de la

columna

Fu y Fy Esfuerzo Ultimo y de

fluencia Se obtienen según la calidad del acero seleccionada

Rt y Ry Coeficientes de fuerza de la

conexion

Fuente: Autores

7.5.2 Cálculos de Chequeo

Los cálculos de chequeo se organizan según los pasos 1 y 2 de la sección 3.4

Diseño de Columna.

8 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

PLANTILLA 4E

8.1.1 Datos iniciales

63

Fuente: Autores

Fuente: Autores


64

Fuente: Autores

65

Fuente: Autores

8.1.3 Calculo de Soldadura

Fuente: Autores

66

PLANTILLA 4ES

8.2.1 Datos Iniciales

Fuente: Autores

Fuente: Autores

67

Fuente: Autores

68

Fuente: Autores

8.2.2 Calculo Soldadura

Fuente: Autores

69

PLANTILLA DE COLUMNA


Fuente: Autores


Fuente: Autores

70

PLANTILLA PTE


Fuente: Autores

8.4.2 Parámetros Límite

Fuente: Autores

71


Fuente: Autores

VERIFICACIÓN DE CHEQUEO EN SOFTWARE RAM CONECTION

8.5.1 Datos Iniciales de la conexión de comprobación

Viga IPE A 360

Calidad Acero: A36

Luz Libre: 4 metros

Vgravedad: 3.5 Kn

72

Tipo Perno: A325 Grupo A

8.5.2 Comparativo de resultados de chequeo

Para realizar la verificación del ejercicio de prueba se utilizó una versión de prueba del

sotfwre RAM CONNECTION para fines estudiantiles.

PARÁMETRO PLANTILLA RAM CONNECTION

Lp o Sh 178.8 mm 152.4 mm

Mf 445.17 Kn.m 445.17 kN.m

s 78.9 mm 76.2 mm

g 127.4 mm 122.15 mm

bfb 170 mm 170 mm

Pfi 46.05 mm 47.62 mm

Ф perno 27.1 mm 28.57 mm

e soldadura 5 mm 5 mm

Yp 2361.4 mm 2697.16 mm

Rotura platina 692.47 kN 703.9 kN

73

9 CONCLUSIONES

La plantilla de diseño según los sistemas estructurales y la norma AISC 358-

16 solo es aplicable para sistemas de pórticos DES y DMO.

Los resultados obtenidos con la plantilla para conexiones precalificadas

dividida en cuatro pernos sin rigidizado, cuatro pernos rigidizado y PTE

(tubulares rectangulares y circulares en Cruz), funcional para chequeo

acorde con la norma AISC 358-16, AISC 360-16 y Titulo F secciones

tubulares se pueden utilizar para detallar las conexiones en planos para la

fabricación.

La verificación entre la plantilla de chequeo realizada por los autores y el

software especializado en conexiones metálicas RAM CONNECTION, se

obtienen resultados sensiblemente similares que cumplen con los requisitos

normativos.

Al diseñar las conexiones con el momento de plastificación se obtienen

dimensiones grandes en los elementos de conexión como platinas, pernos y

soldaduras.

74

10 RECOMENDACIONES

Se recomienda al diseñador optar por la opción de tomar el momento de

combinación de carga más el omega para realizar los cálculos de chequeo y

obtener dimensiones funcionales y económicas trabajando dentro de los

límites de la conexión.

75

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