III CONGRESO COLOMBIANO DE INGENIERIA SISMICA Ensayos de Conexiones Tpicas en Colombia de Prticos Resistentes a Momento de Acero EstructuralLUIS GARZA V. IC. MI.Profesor Universidad Nacional Sede Medelln. . lgarza@unalmed.edu.co

DARLINE CANO CARDONAIngeniero Civil. dcanoc@unalmed.edu.co

ADRIANA MARA MAZO ECHEVERRIIngeniero Civil. adrianamariamazoecheverri@yahoo.com

JUAN CARLOS POSADA GIRALDOIngeniero Civil. jcposada81@yahoo.com

CAMILO FERNANDO PABON GONZALEZIngeniero Civil. cfpabon@unalmed.edu.co

RESUMEN: Se presentan los resultados de ensayos en conexiones de prticos resistentes a momento de vigas I a columnas tubulares, frecuentemente utilizadas, en Colombia, mostrando los errores en que se puede incurrir con su uso. Se presenta tambin una conexin del mismo tipo mejorada con placas de refuerzo y un procedimiento de diseo sugerido. Los resultados del ensayo muestran un comportamiento adecuado. ABSTRACT: A very common connection of moment frames in Colombia was tested, showing the inconvenience in its use. An improved procedure of design and construction is proposed and showed to be a better alternative to repair this kind of connections, and ensure their reliability.

1. INTRODUCCION

A partir de las lecciones de los Sismos de Northridge y Kobe en 1994 y 1995, respectivamente, se han modificado los conceptos de diseo de conexiones de prticos resistentes a momento y se ha realizado mucha investigacin al respecto. Algunos de los muchos ensayos realizados corresponden a investigaciones sobre las causas de falla de las conexiones, y la gran mayora, a ensayos que permitan establecer

procedimientos prescriptitos de basados en pruebas escala real.

diseo,

Muchos de dichos ensayos y procedimientos han sido consolidados en la publicacin FEMA 350 [ref. 1] cuya recopilacin ha dado lugar a recomendaciones para normas posteriores. Incluso, el AISC ha preparado el borrador de Conexiones Precalificadas [ref. 2] basado en las recomendaciones de la FEMA y retomando otras investigaciones ms actualizadas. En esta ltima referencia

se establecen procedimientos para el diseo de las conexiones se seccin reducida, fig. 1, tambin conocida familiarmente como Hueso de Perro, y para la conexin mediante placas de extremo (End Plates) atornilladas, fig. 2.

Un ejemplo de estas conexiones se muestran en la fig. 3. En algunos casos, tambin se utilizan perfiles en cajn para las vigas.

Figura 3. Ejemplo de conexin tpica

Figura 1. Conexin de seccin reducida

Debido a la frecuencia con que se encuentra la anterior configuracin, se desarrollaron ensayos con un ejemplo caracterstico, con objeto de estudiar su comportamiento bajo cargas cclicas, y otro con una conexin del mismo tipo, mejorada con refuerzos para corregir sus deficiencias. El resultado de estos ensayos se muestra en los siguientes captulos. 2. ENSAYO REFUERZOS. DE CONEXION SIN

Figura 2. Conexin de placa de extremo

Sin embargo, los sistemas especificados en las referencias 1 y 2 no corresponden a los utilizados en la prctica comn de este tipo de conexiones en Colombia. Como fue establecido por la inspeccin de varios sistemas utilizados en las ciudades de Bogot y Medelln [Cano y Mazo, ref. 3], la configuracin ms comn corresponde a columnas en cajn y vigas en perfiles IPE.

Como se observ en la fig. 3, muchas de las conexiones estn soldadas directamente al tubo que forma la columna en forma simple, mediante soldaduras de filete en todas las posiciones, ya que dicha unin se hace frecuentemente en campo. Se consider que la conexin perteneciera a un prtico tpico como se muestra en la Fig. 4. La geometra del prototipo se muestra en la fig. 5.

Figura 6. Esfuerzos en la conexin sin refuerzos

Figura 4. Prototipo Considerado

Figura 5. Geometra del Prototipo

En la modelacin realizada por elementos finitos que se muestra en la fig. 6, se puede observar que existen zonas de concentracin de tensiones que se detallan en la fig. 7. La zona de mayores concentraciones es en los extremos de la aleta, seguido de las zonas aledaas y la arista de la columna.

Figura 7. Detalle de concentraciones de esfuerzos

Como se muestra en la fig. 8, la deformacin de la conexin es considerable por estar llegando a la cara de una columna relativamente delgada.

Figura 8. Deformada de la conexin sin refuerzo

Figura 10. Vista general del ensayo

Para la soldadura de la probeta, se procedi como se realiza en las soldaduras reales, colocndola en posicin normal, como se muestra en la fig. 9.

Los apoyos de la columna se configuraron de manera que pudieran considerarse articulados como se muestra en la fig. 11, y se colocaron deformmetros y galgas extensomtricas como se aprecia en la fig. 12.

Figura 9. Soldadura de la probeta

Posteriormente, por razones de facilidad en el marco de reaccin del Laboratorio de Estructuras de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional en Medelln, se coloco la probeta horizontalmente como se muestra en la fig. 10.

Figura 11. Apoyos de la columna

Figura 12. Extensometros y galgas extensometricas Figura 14. Falla en el borde de la aleta

La historia de carga se aplic de acuerdo a los protocolos de las Seismic Provisions for Structural Buildings [ref. 4] y se presenta en la fig. 13.HISTORIA DE DESPLAZAMIENTO6 4

DERIVA (%)

2 0 -2 -4 -6

Figura 15. Falla de la arista de la columna Figura 13. Historia de cargas

En la fig. 14 y 15 se puede apreciar el inicio de la rotura en el borde de la aleta y posterior rotura en la arista de la columna que se present, debido a la alta concentracin de esfuerzos que se previ en los modelos de elementos finitos.

Como se observa en la fig. 16, el resultado final en trminos de la curva de histresis muestra una resistencia a flexin muy inferior al Momento plstico Mp nominal y el Momento plstico esperado Mpe, del orden del 15%, de lo que se puede deducir que esta conexin no puede desarrollar la resistencia correspondiente a la hiptesis usual en los modelos de conexiones rgidas. En efecto, en la fig. 17 se muestra que la rigidez de la conexin es prcticamente nula. Se podr afirmar, de acuerdo a lo anterior, que este tipo de conexin se podra considerar en la prctica como una conexin articulada, cuyo comportamiento a derivas distara mucho de la hiptesis usual en los modelos de conexin rgida.

3 MOMENTO (10 kN-mm)

600 400 200 -8 Mpe Mp -6 -4 0 -2 -200 0 -400 -600 ROTACIN (%) 2 4 6

M pe

La geometra seleccionada se bas en consideraciones constructivas y de detallado simple, y se muestra en la fig. 20.

Mp 8

Figura 16. Curva de histresis conexin sin refuerzo

0,07

COLUMNA (rad)

Conexin rgida

Figura 20. Geometra de la conexin reforzada

0,05

0,03

0,01

-0,01

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

Como se observa en la fig. 21, en el modelo de elementos finitos se nota una mejora considerable de las concentraciones de tensiones.

VIGA (rad)

Figura 17. Rotacin de la conexin sin refuerzo

De lo anterior, se puede ver que el uso de esta conexin debe ser erradicado de la prctica de construccin de edificios. 3. ENSAYO REFORZADA. DE CONEXIONFigura 21. Modelo elemento finito conexin reforzada.

Con el fin de establecer un criterio de diseo alternativo para mejorar el comportamiento de la conexin anterior, se realiz un espcimen con la misma geometra, pero implementando refuerzos que disminuyeran las concentraciones de esfuerzos [ref. 5].

Como en el caso de la conexin sin refuerzo, tambin se realiz el montaje de la forma que se hara en la realidad en posicin vertical, fig. 22, para despus colocarla en posicin horizontal de forma similar a la probeta sin refuerzo.

El sistema de carga que se muestra en la fig. 23 y la historia de carga de la fig. 24 mostraron un resultado considerablemente mejor que la probeta sin refuerzo, con una falla de fluencia clara por pandeo de aletas, como se ha presentado en los ensayos de otros casos, fig. 25.

Figura 22. Montaje de Probeta reforzada Foto 25. Falla en probeta reforzada

Figura 23. Sistema de carga

La curva de histresis de la fig. 26 muestra que su comportamiento permite calificar la conexin para usarla en sistemas DES, que requieren una capacidad de deriva de 4% conservando una resistencia mnima del 80% del momento plstico nominal, y la rotacin de la unin es mucho ms parecida al ideal de conexin rgida, como se muestra en la fig. 27.600000 400000 Momento (kN-mm) 200000Mpr

200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200

(mm)

0 -200000 -400000

Mp 0.80Mp

Figura 24. Historia de carga probeta reforzada-600000 -6 -4 -2 0 (rad %) 2 4 6

Figura 26. Curva de Histresis probeta reforzada

0,00001

Fyc: mnima tensin de fluencia de la columna, MPa. Paso 3. Definir el ancho db de las cubre placas: b p = 2Wi tan 30 + b f Donde:Conexin rgida

0,000008 columna (rad)

0,000006

0,000004

0,000002

0 0 0,000002 0,000004 0,000006 viga (rad) 0,000008 0,00001

Wi: longitud de la soldadura de filete de la cubre placa inferior a la aleta de la viga, mm. Wi = lp -10 mm ancho de la aleta de la viga, mm. bf : Paso 4. Calcular el espesor tp de las cubre placas: Mf tp 0.6 F yc d b 2bc Donde: momento a la cara de la columna Mf: calculado a partir del Mpr, kN-mm. : coeficiente de resistencia igual 0.90. mnima tensin de fluencia de la Fyc: columna, MPa. db : profundidad de la viga, mm. ancho de la columna, mm. bc : Paso 5. Calcular el espesor tw de la soldadura de filete entre las cubre placas y aletas de la viga:

Figura 27. Rotacin de la unin reforzada

El procedimiento de diseo de esta conexin es el siguiente:Paso 1. Calcular el momento plstico Mpr esperado:

M pr = C pr R y Z b F ybDonde: factor que tiene en cuenta la Cpr: resistencia mxima de la conexin. El valor recomendado es 1.1. Ry : coeficiente que relaciona la tensin de fluencia esperada con la mnima tensin de fluencia especificada de la viga. Para acero A36 su valor es 1.5. Zb: modulo plstico de la seccin de la viga, mm3. Fyb: mnima tensin de fluencia de la viga, MPa. Paso 2. Definir la longitud lp de las cubre placas:

lp