Comportamiento Sismico Conexiones Curso CICQ

Héctor Soto Rodríguez www.ahmsa.com www.mejorconacero.com Querétaro, Qro.

26 de julio de 2013

PENSAMIENTO 1 “El

diseño de las conexiones estructurales de acero es, al mismo tiempo, un arte y una ciencia” Ing. Oscar de Buen López de Heredia” Profesor Emérito de la UNAM, Director General de Colinas de Buen y Premio Nacional de Ingeniería Civil por el Colegio de Ingenieros Civiles de México

M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ

INTRODUCCIÓN “Las conexiones rígidas trabe columna de edificios de acero deben diseñarse, detallarse, fabricarse y supervisarse con especial cuidado, particularmente en zonas de alta sismicidad, para garantizar el comportamiento satisfactorio de éstas y de la estructura durante sismos moderados y fuertes” HSR

“El árbol de las conexiones, escultura didáctica”

OBJETIVO GENERAL Presentar los aspectos fundamentales del comportamiento y diseño sísmico de conexiones rígidas trabe-columna, de acuerdo con la experiencia académica y profesional del autor. ¿ Que hemos aprendido acerca del diseño estructural y sísmico de las conexiones rígidas trabe columna tras los sismos de Northridge, Cal y Kobe , Japón, 1994 y 1995?


Columnas –Conexiones rígidas trabe-columna tipo árbol

OBJETIVOS 1. Comentar los factores que determinan las diferencias en el diseño sísmico de conexiones rígidas trabecolumna, en México, Estados Unidos y Japón.

PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS EN MÉXICO

OBJETIVOS 2. Ilustrar las conexiones rígidas típicas trabe-columna comúnmente utilizadas en estos tres países, antes y después de los sismos de Northridge, Cal y Kobe, Japón.

TENDENCIAS ACTUALES EN CONEXIONES TRABE COLUMNA EN MÉXICO

OBJETIVOS 3. Mostrar los puntos débiles

y daños típicos en las conexiones trabe-columna tras sismos fuertes en Northridge, Cal y Japón, del 17 de enero de 1994 y 1995, respectivamente.

CONEXIÓN TIPO ÁRBOL

OBJETIVOS

4. Presentar el uso de nuevas conexiones trabe-columna en países de alta sismicidad, tras los sismos de Northridge, Cal, 1994 y Kobe, Japón, 1995.

INTRODUCCIÓN

Se hará énfasis en los requisitos que deben cumplirse en el diseño sísmico de conexiones rígidas trabe columna, de acuerdo con AISC 2010 (LRFDASD) FEMA y las AISC SEISMIC PROVISIONS FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS .

CONEXIONES TRABE COLUMNA ATORNILLADAS

INTRODUCCIÓN El diseño de conexiones trabe columna cambia significativamente de un país a otro, debido principalmente a diferencias en:

1. Disponibilidad y costo del acero estructural (materia prima). 2. Disponibilidad y costo de la mano de obra calificada.

MATERIA PRIMA

SECCIONES ESTRUCTURALES PESADAS (TIPO JUMBO)

MANO DE OBRA ESPECIALIZADA EN ESTRUCTURAS DE ACERO


INTRODUCCIÓN 5. Existencia de talleres certificados de estructuras de acero.

6. criterios de diseño del estructurista. 7. ubicación sísmica de la estructura

LA FABRICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO EN LA ACTUALIDAD

LA FABRICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO SE HA REINVENTADO EN LOS ÚLTIMOS AÑOS” LA ESTRUCTURA DE ACEROYA NO SE FABRICAN A MANO


CRITERIOS ESTRUCTURISTA

CRITERIOS ESTRUCTURISTA


Edificios modernos de acero ubicados en zonas de alta sismicidad

IMPORTANCIA DE LAS CONEXIONES

Es evidente que la seguridad de una estructura depende, entre otros factores, de que el diseño de las conexiones sea correcto.

Nulo contacto entre la trabe columna y falta de elementos de unión en la conexión Nulo contacto entre la trabe columna

Trabe totalmente desligada de la columna, apoyada en un muro de mampostería de pobre calidad

Excentricidad excesiva de la trabe y consecuentemente falta de apoyo del patín inferior de trabe M.I. HECTOR SOTOla RODRIGUEZ

¿ Donde están las soldaduras de filete en la unión tipo peine?

SISTEMAS ESTRUCTURALES EN CALIFORNIA



SISTEMAS ESTRUCTURALES MÉXICO Y JAPÓN

SISMO DE NORTHRIDGE, CAL 17 DE ENERO DE 1994

Ocasionó la muerte de 65 personas Derrumbe de 9 puentes carreteros Daños severos en más de 200 edificios estructurados a base de marcos rígidos con conexiones rígidas trabe columna soldadas. Costo estimado de daños: billones de dólares

$20

Colapso de un nivel de un edificio de madera destinado a habitación

Daño severo en un edificio antiguo no dúctil de concreto reforzado. Nótese que un nivel completo sufrió colapso total.

Daño severo en un edificio moderno de estacionamiento

DAÑOS EN EDIFICIOS DE ACERO DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE DE 1994

Un buen número de edificios modernos de acero tuvieron daños severos en las conexiones rígidas soldadas trabe-columna Los daños principales fueron en, y alrededor de las soldaduras de penetración completa del patín inferior de la trabe. Los daños fueron totalmente inesperados por los ingenieros de la profesión.

MARCOS RÍGIDOS Un marco de acero resistente a momento es un conjunto de vigas y columnas conectadas rígidamente para resistir fuerzas verticales y accidentales (sismo, principalmente)

Montaje de un edificio de acero con marcos resistentes a momento, en los que los extremos de las vigas se unen rígidamente a las columnas con soldaduras de penetración completa.

MARCO RÍGIDO TÍPICO NORTHRIDGE

Hasta antes del sismo de Northridge, se consideraba que los marcos rígidos de acero constituían el sistema estructural más conveniente para soportar acciones sísmicas intensas, pues tomando las medidas adecuadas para evitar fallas por inestabilidad, o de tipo frágil, se obtenían estructuras que respondían dúctilmente hasta el colapso.

MARCOS RÍGIDOS

En este tipo de estructura, la estabilidad lateral depende exclusivamente de la rigidez a la flexión de las trabes y columnas. La preocupación principal al diseñar un marco que debe ser capaz de responder inelásticamente es evitar fracturas frágiles y pandeo severo en las zonas inelásticas.

MARCOS RÍGIDOS En Estados Unidos los requisitos de diseño, en marcos rígidos en los que se pretende obtener una ductilidad alta, son ahora muy estrictos y exigentes: Marcos rígidos especiales (SMF) Marcos rígidos Intermedios (IMF) Marcos rígidos Ordinarios (OMF)

CONEXIONES En las Especificaciones AISC 2010 (LRFD-ASD) se han aumentado los requisitos que han de cumplirse en marcos rígidos, sobre todo cuando disminuye la hiperestaticidad de la estructura.

CONEXIÓN TÍPICA TRABE COLUMNA SOLDADA NORTHRIDGE

Se reitera que , uno de los requisitos de detallado dúctil en marcos resistentes a momento es evitar la falla frágil de las conexiones rígidas trabe-columna.

CONEXIÓN TRABE COLUMNA RÍGIDA PREVIA AL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL PATINES SOLDADOS – UNIÓN ATORNILLADA POR ALMA DE LA VIGA

Unión ampliamente utilizada en California (1970 a 1994)

CONEXIÓN TRABE COLUMNA RÍGIDA PREVIA AL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL. PATINES SOLDADOS – UNIÓN ATORNILLADA EN EL ALMA DE LA VIGA

Características de la conexión rígida trabe columna, Northridge,1994 Esta conexión fue diseñada conforme a las normas vigentes del AISC

DETALLADO DE LA CONEXIÓN RÍGIDA TRABE COLUMNA SOLDADA PREVIA SISMO NORTHRIDGE T & B F LAN G E S E 70T -4 B ack n i g B a r andW e d l T ab s T o R em a n i In P a l ce

10 o 30

JP - 3 S d i es T YP

BO LTS :10 - 22mm A 325 -SC H O LES :24mm W 36 x150 (A 36 )

8 8 PL 12 x 150 (B o th S d i es )

PL 16 x 127 x 760

8

8 W 14 x257 (A 572 G r .50 )

T & B o fPL 100

T & B o fPL 75

DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA SOLDADAS

Las conexiones rígidas trabecolumna soldadas debieron haber sido capaces de desarrollar la capacidad en flexión de las trabes con importante rotación y con ciclos de histéresis estables.

Los daños del temblor de Northridge pusieron en duda la confiabilidad de este tipo de unión.

DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE COLUMNA ANTES DEL SISMO DE NORTHDRIGE, CAL Unión muy popular en California desde 19701994 La placa de cortante se suelda en taller al patín de la columna; la trabe se atornilla en campo por el alma y sus patines se unen rígidamente a los de la columna con soldaduras de penetración completa con bisel sencillo (CJP: Complete Joint Penetration) . Los atiesadores o placas de continuidad se sueldan en taller en ambos lados del alma de la columna.

DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE COLUMNA ANTES DEL SISMO DE NORTHDRIGE, CAL En taller se hacen agujeros de acceso en el alma de la trabe para depositar las soldaduras de penetración completa. En el patín superior de la viga, el agujero de acceso facilita la colocación de la placa de respaldo y en el patín inferior, el agujero permite depositar y contener la soldadura de penetración completa (CJP). Las placas de respaldo, y las soldaduras de puntos normalmente se dejaban en la conexión soldada. No se tomaban precauciones especiales para reducir el daño en el metal base y de aportación.

DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE COLUMNA ANTES DEL SISMO DE NORTHDRIGE, CAL

Los agujeros de acceso para las soldaduras tienen una geometría adecuada; sus bordes deben ser lisos, y libres de muescas.

Geometría de los agujeros de acceso para soldar. “Puntos finos de las conexiones trabe columna”

Ver Figura 11-1 in the 2010 AISC Seismic Provisions para dimensiones y requisitos de acabado

DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA

La mayoría de los daños de las conexiones rígidas trabe-columna soldadas durante los temblores de Northdrige, Cal., 1994 y Kobe, Japón, 1995, ocurrieron por un mecanismo de fractura frágil que se inició en la raíz de la soldadura de penetración completa del patín inferior de la trabe.

DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE COLUMNA ANTES DEL SISMO DE NORTHDRIGE, CAL

Uno de los electrodos comunes, utilizado para depositar soldaduras en esta conexión trabe columna, era el E70T- 4.

La baja tenacidad a la fractura del metal de soldadura depositado con este electrodo ha sido identificada como uno de los factores que contribuyeron a las fallas observadas en esta conexión durante el sismo referido.

DAÑO SEVERO EN SOLDADURAS DE PENETRACIÓN COMPLETA DEL PATÍN INFERIOR

La fractura frágil es un problema de la mecánica de materiales altamente nociva para estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad.


Las soldaduras de las conexiones se fracturaron, mientras que las vigas permanecían todavía en el intervalo elástico, sin desarrollar ninguna ductilidad, confirmando el comportamiento frágil de las juntas soldadas. Esto confirma el muy pobre comportamiento que fue frecuentemente exhibido durante el sismo de Northridge.


En aquella época, había poca información disponible sobre el nivel de ductilidad realmente necesario que debía tener una conexión rígida trabe columna para resistir un temblor moderado o fuerte.

5000 Brittle Fracture at Bottom Flange Weld

Bending Moment (kN-m)

4000 3000

Mp

X

2000 1000 0 -1000 -2000

Mp

-3000 -4000 -5000 -0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

Plastic Rotation (rad) Gráfica Momento-Rotación plástica obtenida de ensayes de laboratorio de la conexión rígida trabe columna El desarrollo de la rotación plástica fue de tan solo 0.005 radianes

DAÑO SEVEROS EN CONEXIONES RÍGIDAS TRABE COLUMNA

Las fracturas se iniciaron en la soldadura de penetración completa del patín inferior de la trabe y se propagaron hacia el patín de la columna.

DAÑOS GENERALES 1. Fracturas en las conexiones rígidas soldadas trabe-columna. 2. Fractura en el patín de la trabe en la zona próxima a la soldadura 3. Ruptura en la parte media del patín de la columna 4.Fractura del patín de la columna en la parte inferior 5. Fractura del patín de la columna en la parte superior de la soldadura 6. Fractura en la soldadura

DAÑOS GENERALES 7. Fractura vertical en el patín de la columna 8. Ruptura del tablero de la columna 9. Fractura de la placa de cortante 10. Pandeo fuera del plano de contraventeos concéntricos HSS 11. Pandeo y fractura de contraventeos fabricados con secciones HSS cuadrados 12. Fractura en las placas base de columnas

Fractura de la soldadura cerca de la cara de la columna. Obsérvese la orientación incorrecta de los puntos de soldadura.

Fractura a tráves del ancho total de la columna

Fractura que se inicia en el borde exterior del patín de la viga, cerca de la soldaduras de puntos

DAÑOS GENERALES

DAÑOS GENERALES La foto muestra fractura en el patín superior de un espécimen de una conexión rígida trabecolumna. Para este espécimen, las soldaduras del patín se depositaron con electrodos que producen metal de soldadura susceptibles a la fractura por su baja tenacidad. Además, la placa de respaldo y las soldaduras por puntos se removieron déspues de completar las soldaduras, para reducir los defectos de estas piezas.

Se muestra la soldadura del patín inferior en la conexión trabe columna rígida previa al sismo de Northridge. La soldadura se depositaba con electrodos de baja tenacidad, y la placa de respaldo y los puntos de soldadura se dejaban en el lugar.

DAÑOS GENERALES

FRACTURA DE LA SOLDADURA DEL PATÍN DE LA TRABE Y DE LA PLACA DE CORTANTE

Las fracturas de las soldaduras de penetración completa del patín superior de la trabe y de la placa de cortante propiciaron un mecanismo potencial de colapso.

Fractura de la soldadura cerca de la cara de la columna. Nótese que la tarjeta se coloca através de la fractura de la soldadura. La columna es de sección en cajón. Se observa una superficie áspera del acero debido a la remoción del material de protección contra fuego.

FRACTURA SOLDADURA PATÍN INFERIOR TRABE

La evaluación de las causas reales de la fractura frágil es un problema complejo debido a numerosos factores que intervienen en la producción de la materia prima (acero), diseño , fabricación y montaje de las estructuras de acero.

DAÑOS GENERALES Los daños en las conexiones trabe columna incluyeron fisuras pequeñas, difíciles de observar visualmente hasta grandes fracturas. En la siguiente foto se muestra una fractura que se inició en la soldadura de penetración completa del patín inferior de la trabe y que se propagó al alma de la columna.

RUPTURA DEL ALMA DE LA COLUMNA

Ejemplo de fractura parcial através del patín y alma de la columna.

Fractura de la soldadura y del alma de la columna



Foto de un ensamble típico de una conexión trabe columna ensayada en laboratorio. Se aplica una carga en el extremo derecho del segmento de viga con un gato hidráulico. Se coloca contraventeo lateral cerca del extremo de la viga, para restringir el pandeo por flexotorsión de dicho miembro.

RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGAS CICLICAS

Comportamiento histerético de la conexión


Respuesta a carga cíclica de una conexión totalmente soldada, viga W 24x76.

La conexión permite que la viga desarrolle su resistencia plástica total, y que la mantenga a través de grandes ciclos con deformaciones inelásticas.

RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGAS CICLICAS Cuando se terminó el ensaye no hubo falla de la conexión. Esta prueba demostró un comportamiento excelente de la conexión totalmente soldada. Es decir, la conexión permite que la viga desarrolle gran ductilidad sin que falle ésta. Nótese que el medio ciclo amplio final de carga indica cierto deterioro de la resistencia de la viga. Esto se debe al desarrollo del pandeo local de la viga.



RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGAS CICLICAS Respuesta de una conexión rígida totalmente soldada con una viga W 24x76 sujeta a cargas cíclicas,. Los patines están soldados y el alma atornillada. Esta conexión permite la fluencia de la viga y que desarrolle también niveles moderados de ductilidad. Sin embargo, en el espécimen, la falla de la conexión (fractura) ocurríó después de varios ciclos de carga.

RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGAS CÍCLICAS

RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGAS CÍCLICAS

RESPUESTA A CARCA CÍCLICA DE UNA CONEXIÓN SOLDADA La foto muestra una conexión con cubreplacas que fue ensayada en laboratorio. Nótese la formación de una articulación plástica en la trabe, en la región cercana a los extremos de las cubreplacas. Este espécimen, al igual que muchos otros que tienen cubreplacas, permitió que la viga desarrollara grandes niveles de ductilidad sin daño de la conexión.

RESPUESTA A CARCA CÍCLICA DE UNA CONEXIÓN SOLDADA Las conexiones con cubreplacas exhiben un mejor comportamiento que la conexión previa al sismo de Northridge. Sin embargo, esta conexión resulta más cara al constructor, pero es mucho mas confiable que la conexión previa al sismo de Northridge.

FALLAS EN CONTRAVENTEOS CONCÉNTRICOS

FALLAS CONTRAVENTEOS CONCÉNTRICOS

FRACTURAS EN PLACAS BASE DE COLUMNAS

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHDRIDGE, CAL. 1994 Algunos factores importantes que contribuyeron a los graves daños en las conexiones rígidas trabe columna durante el sismo de Northridge de 1994 pueden agruparse: 1. Factores relacionados con la soldadura 2. Factores asociados al diseño de las conexiones rígidas trabe columna

3. Factores relacionados con las propiedades mecánicas de los materiales (Fy y Fu)

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHDRIDGE, CAL. 1994

Ejecución incorrecta de las soldaduras de penetración completa en los patines de la trabe contra el patín de la columna.

1.

2. Grietas preexistentes en las soldaduras o en el metal base adyacente

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994 3.Esfuerzos residuales en las juntas, generados durante la fabricación de la estructura, incluyendo la ejecución de las soldaduras. Los esfuerzos residuales en las soldaduras provocan que las zonas adyacentes a las soldaduras sean las más sensibles a la fractura del acero. 4.Falla del patín de la columna, ocasionada por tensiones en la dirección del grueso.

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994 En la conexión trabe columna, las soldaduras de los patines de la trabe son mucho más rígidas que la conexión del alma atornillada. Consecuentemente, muchos esfuerzos de flexión en el alma de la trabe fluyen a la zona de unión de los patines de la viga. El efecto se ilustra cualitativamente en esta imagen.

Flange Stress

Fu Fy

Mp

Incremento de los esfuerzos en los patines de la trabe debido a una transmisión inadecuada de momento a través de la conexión del alma

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994

De esta manera, el uso de conexiones atornilladas en el alma de la viga, incrementa los esfuerzos en el patín de la trabe en la vecindad de las soldaduras de penetración completa.

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994 Estos niveles de esfuerzos incrementan probablemente la falla de la soldadura (especialmente en la presencia de defectos de soldadura y baja tenacidad del metal de soldadura). A pesar de la alta calidad, gran tenacidad de la soldaduras, estos elevados esfuerzos pueden ocasionar la fractura del metal base del patín de la viga.

Vflange

Incremento de los esfuerzos en el patín de la trabe debido a los esfuerzos cortantes en los patines


Consecuentemente, el esfuerzo en la raíz de la soldadura del patín superior es mucho menor que el de la raíz de la soldadura de penetración completa del patín inferior.

•Stress Agujero de acceso en el alma Concentratio de la trabe para ns: soldar • Cortante en el patín • Inadecuada participacion de flexión por la conexión del alma

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994 La presencia de los agujeros de acceso en el alma de la trabe, de dimensiones adecuadas para soldar también introduce una concentración de esfuerzos. Dicha concentración depende del tamaño y forma del agujero de acceso, así como del acabado del corte ( cortes lisos o asperos) Deberá cuidarse que los agujeros de acceso no sean mayores que lo necesario.


En resumen, mucho de los diseños y detallado de las conexiones rígidas patines soldados y alma atornilladas ocasionaron niveles de esfuerzos elevados en los patines de la viga y en las soldaduras de penetración completa.


Estos esfuerzos elevados, combinados con la presencia de defectos de soldadura (particularmente en la soldadura del patín inferior cerca del agujero de acceso), combinado con metal de soldadura de baja tenacidad, ocasionan una probable fractura frágil..

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994 5. Incremento de los esfuerzos de tensión en el patín inferior, debido a la presencia de la losa en el patín superior, que levanta la posición del eje neutro

6. Presencia de estados triaxiales de esfuerzos que propician un comportamiento frágil

CAUSA DE DAÑOS DURANTE LOS SISMOS DE NORTHRIDGE, CAL, 1994 7. Concentración en pocos lugares de las conexiones rígidas para soportar las acciones sísmicas.

Otros: Reducción de la tenacidad de la zona debido al efecto de muesca creado por la colocación y permanencia de las placas de respaldo para depositar las soldaduras de penetración completa.

Uso de metal de aportación en soldadura de baja tenacidad.

REFUERZO CONEXIONES TRABE COLUMNA

En algunos casos resultó más apropiado remover las soldaduras defectuosas y cambiarlas por soldaduras sanas depositadas con mano de obra calificada y electrodos apropiados.

REFUERZO DE CONEXIONES RÍGIDAS TRABE COLUMNA

REFUERZO DE CONEXIONES RÍGIDAS TRABE COLUMNA La foto muestra otro método utilizado para el refuerzo de conexiones rígidas. En esta esta conexión, se sueldan placas en los patines de la viga y en el patín de la columna. Igual que las cubreplacas, las nervaduras sirven para hacer más resistente la conexión que la trabe, y para obligar la formación de las articulaciones plásticas fuera de la cara de la columna.

Una prueba de laboratorio de una conexión regida con nervaduras en patines de la viga. La muestra desarrollo gran ductilidad sin falla en la conexión.

RESISTENCIA AL CORTANTE EN EL TABLERO DEL ALMA

RESISTENCIA AL CORTANTE EN EL TABLERO DEL ALMA Se obtiene del equilibrio de la porción de la viga comprendida entre las articulaciones plásticas Trabe 1

Trabe 2

Articulación plástica

Mpr1

VTrabe-2

Mf1

Mf2

VViga-1

Articulación plástica

sh Mpr

Mpr-2

sh

= momento esperado en la articulación plástica = 1.1 Ry Mp

Vbeam = cortante en la trabe sh

= distancia de la cara de la columna a la articulación plástica en la

trabe

RESISTENCIA AL CORTANTE EN EL TABLERO DEL ALMA

Las siguientes imágenes muestran como se determina la resistencia requerida al cortante de un tablero de alma de columna. El primer paso es suponer que el momento en la trabe es el momento plástico esperado, y que se desarrolla en la ubicación de la articulación plástica.

RESISTENCIA AL CORTANTE DEL TABLERO DEL ALMA Trabe 2

Trabe 1 Articulación plástica

Vbeam-2

Mpr1

Mf1

Mf2

VTrabe-1

Mpr-2 Plastic Hinge Location

sh

sh

Mf = momento en la cara de la columna Mf = Mpr + Vviga  sh El momento esperado en la articulación se proyecta en la cara de la columna, con base en el gradiente de momento (es decir, cortante) en la trabe.

PLACAS DE CONTIMUIDAD

PLACAS DE CONTINUIDAD

Placas de continuidad (atiesadores horizontales en la columna)

PLACAS DE CONTINUIDAD Las placas de continuidad son atiesadores horizontales transversales, colocados en el alma de la columna. Se denominan “placas de continuidad”, debido, a que en efecto, continuan los patines de las trabes a tráves de la junta. Cuando el diseño queda regido por una combinación de carga que incluye sismo, deben colocarse atiesadores horizontales en los dos lados del alma de la columna que cumplan con los requisItos que se mencionan en las Especificaciones AISC 2010 (LRFD-ASD).

TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA Zona de la columna comprendida entre los patines de la trabe o trabes

Tablero del alma de la columna: Las almas de vigas y columnas están en el mismo plano Sujeto a cortantes elevados Fluencia por cortante y grandes deformaciones (se forman articulaciones plásticas por cortante) Proporciona un mecanismo de fluencia alterno en un marco rígido

TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA

El tablero del alma (la parte de la columna dentro de la junta viga-columna) está sometido a cortantes muy elevados cuando el marco está sometido a cargas laterales.

TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA Esto permite la fluencia por cortante del tablero del alma, y el desarrollo de “ articulaciones por cortante”. También permite un mecanismo plástico alternativo de marcos de acero, es decir, uno en el que las articulaciones plásticas se forman en el tablero y no en los extremos de las trabes.

La imagen muestra los requisitos de placas de continuidad en AISC 358 para el caso de trabes unidas a columnas H columns. Cuando en una conexión rígida el grueso de los patines es menor que el más pequeño de los valores dados por las siguientes ecuaciones, se colocan atiesadores transversales (placas de continuidad) en los dos lados del alma de la columna, frente a los patines superiores e inferiores de las trabes.

REQUISITOS PLACAS DE CONTINUIDAD

tcp

tbf

tcp ≥ 1/2  tbf

Requisitos de espesor para las placas de continuidad (atiesadores) en conexiones trabecolumna de un solo lado

REQUISITOS DE PLACAS DE CONTINUIDAD Para columnas H:

Placas de continuidad

Se requieren atiesadores en ambos lados del alma, a no ser que:

t c f  0 . 4 1 . 8 b bf t bf Y

b bf t cf  6

R y b Fy b R y c Fy c

tcf = grueso patín d ela columna bbf = ancho patín de la viga tbf = grueso patín de la trabe

REQUISITOS DE PLACAS DE CONTINUIDAD

REQUISITOS DE PLACAS DE CONTINUIDAD Los patines de las trabes desarrollan una fuerza concentrada que se transmite a la columna, en la conexión trabe columna. Esto ocasiona fallas locales en la columna en esta zona, debido a la flexión local de los patines, fluencia local del alma y arrugamiento del alma. Estas fallas locales pueden evitarse con la colocación de atiesadores.

PLACAS DE CONTINUIDAD El patín de la trabe transmite una fuerza concentrada en la columna, en la conexión trabe columna. Esta fuerza puede ocasionar una falla local en la columna, debido a la flexión local del patín, fluencia local del alma, y arrugamiento del alma. La falla local puede evitarse colocando atiesadores en la columna.

PLACAS DE CONTINUIDAD Si la resistencia del tablero de la columna es inadecuada: - Se selecciona una columna con mayor area en el alma - Soldar placas dobles en la columna

Alternativas para colocar placas en el alma de la columna

PLACAS DE CONTINUIDAD

Para satisfacer los requisitos de resistencia a cortante en la zona del tablero del alma de acuerdo con las disposiciones AISC Seismic Provisions, en ocasiones es necesario soldar placas dobles en el alma de la columna.

PLACAS DE CONTINUIDAD Las placas se colocan dentro del la junta, e incrementan el área del alma efectiva de la columna. (Nótese que en la ecuación J10-11, tp es el el grueso combinado del alma de la columna y las placas dobles). La figura muestra varias alternativas para colocar las placas dobles a las columnas. El detalle de la izquierda se usa comúnmente en la práctica, aunque requiere soldadura de filete en la dimensión K de la columna.

PLACAS DE CONTINUIDAD Los atiesadores tienen una función adicional muy importante en las conexiones rígidas trabe columna. En el caso de uniones sin placas atiesadoras , la flexión local de los patines en la columna desarrolla un estado de esfuerzos no uniforme en el patín de la trabe, y en las soldaduras de penetración del patín de la viga, lo que ocasiona elevados esfuerzos en la parte central del patín de la trabe. Esto puede contribuir a la fractura del patín de la viga o de las soldaduras de penetración del patín La colocación de placas atiesadoras sirve para reducir los esfuerzos máximos en la parte central del patín de la trabe.

“Lo que ocurrió hace poco más de 19 años en Northridge, Cal., no debe olvidarse”

HSR


DAÑOS CONEXIONES SISMO DE NORTHRIDGE

“Reforzar las conexiones trabe columna de un edificio de acero dañadas severamente por sismos de magnitud moderada es corregir, tarde y a mayor costo, lo que debió hacerse antes y durante de cada una de las etapas de diseño y ejecución de dichas uniones” HSR

NUEVAS CONEXIONES TRAS EL SISMO DE NORTHRIDGE, CAL. 17 DE ENERO DE 1994

FEMA 350 FEMA 267 A

SAC Joint Ventura fue creado por miembros de la Structural Enginnering Associations de California (SEAC), ATC y CUREE con objeto de coordinar los trabajos de investigación sobre comportamiento sísmico de estructuras formadas a base de marcos resistentes a momento. El programa SAC-FEMA se puso en marcha desde 1994 hasta 2001. Como consecuencia de los graves daños ocurridos en Kobe, Japón, en 1995 se realizaron investigaciones extensas en muchos otros paises ubicados en zonas de alta sismicidad.

NUEVAS CONEXIONES La tercera versión, del AISC 1997, incluye modificaciones importantes, debidas al mal comportamiento, no esperado, de muchas conexiones soldadas de marcos rígidos, durante el temblor de Northridge de 1994, e incorpora los resultados de los estudios para entender, y mejorar, ese comportamiento.

NUEVAS CONEXIONES EL AISC ha Publicado, desde 1999 recomendaciones especiales para el diseño de estructuras de acero en zonas sísmicas, que se emplean como un complemento de sus especificaciones generales.

NUEVAS CONEXIONES FEMA 350: "Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings," fue uno de los resultados más importantes del Programa SAC-FEMA. Este documento, publicado en el 2000, constituye una guía práctica de los aspectos relacionados con el diseño de estructuras a base de marcos resistentes a momento. Se incluyen en FEMA 350 las descripciones de las nueve conexiones rígidas, con sus detalles respectivos (RBS, WUF-B, WUF-W, patines libres, etc).

NUEVAS CONEXIONES

Se incluyen procedimientos de diseño, limitaciones de su uso, etc. Estas uniones rígidas, juntos con sus detalles, en el FEMA 350 se denominan “Conexiones Precalificadas“. El objetivo de estas conexiones, con sus límites especificados, es que pueden utilizarse sin necesidad de efectuar ensayes de laboratorio.

En el 2005, el AISC propuso un nuevo tema: “Conexiones Precalificadas para Marcos de Acero Especiales Resistentes a Momento intermedios. Para aplicaciones sísmicas," Norma ANSI/AISC 358-05. El AISC 358, in efecto, remplaza FEMA 350 por “ Conexiones Precalificadas a momento". Sin embargo, FEMA 350 contiene una gran cantidad de información útil para marcos a momento, y que sirven todavía como una importante referencia.

Conexión con ranuras en el alma de la trabe

NUEVAS CONEXIONES La conexión trabe columna con alma ranurada tiene como fin separar los patines del alma de la trabe en la zona de la conexión. Las ranuras sirven para reducir significativamente las concentraciones de esfuerzos en los patines de la viga y en las soldaduras de penetración completa depositadas en los patines de la trabe. Para mayor información, http://www.slottedweb.com/

consultar

Conexión trabe columna: Patines soldados sin refuerzoAlma soldada

NUEVAS CONEXIONES

La conexión con patines soldados sin refuerzo- Alma soldada (WUF-W) fué investigada en la Universidad Lehigh bajo el programa SAC-FEMA. Se trata de una conexión totalmente soldada. Los dos patines de la viga y el alma se sueldan a la cara de la columna.

NUEVAS CONEXIONES El alma de la viga se suelda al patín de la columna utilizando soldadura de penetración completa CJP, pero también se colocan soldaduras de filete complementarias en la placa de cortante. Al igual que las otras conexiones rígidas, la WUF-W emplea prácticas de soldadura mejoradas (alta tenacidad del metal de soldadura, prácticas mejoradas para placas de respaldo, puntos de soldadura) y usos de agujeros de acceso para soldar.

NUEVAS CONEXIONES Ensayes en la Universidad de Lehigh University, y subsecuentes ensayos en la Universidad de Minnesota mostraron que la WUF-W proporciona excelente comportamiento sísmico, lo que permite que las vigas desarrollen los niveles de ductilidad deseables para utilizarse en Marcos Rígidos Especiales (SMF).

Conexión con “patines libres”

NUEVAS CONEXIONES La conexión de patines libres se desarrolló y se ensayó en la Universidad de Michigan bajo el programa SAC-FEMA. En esta conexión, el alma de la viga se corta más allá de la región adyacente a la columna.

Los patines de la viga son porconsiguiente “libres” en la región de la conexión. La conexión también se caracteriza por tener una placa de cortante soldada pesada. Esta conexión mostró un excelente comportamiento durante un número limitado de ensayos. En estos ensayos, las vigas desarrollaron niveles de ductilidad deseables para su uso en Marcos a Momentos Especiales.

Conexión rígida trabe columna con placas soldadas a patines

NUEVAS CONEXIONES La conexión con placas soldadas a los patines fue investigada en la Universidad de California en Berkeley, bajo el programa SAC-FEMA. Esta conexión es similar a la unión con cubreplacas descrita anteriormente, con una significativa diferencia.

En la conexión con cubreplacas utilizada immediatamente después del sismo de Northridge, tanto los patines de la viga y las cubreplacas eran unidas con soldadura de penetración completa a la cara de la columna.

NUEVAS CONEXIONES En la conexión con placas soldadas a los patines SAC, únicamente las cubreplacas se sueldan a la cara de la columna. Esto resulta en la necesidad de colocar cubreplacas más pesadas, pero impide algunos problemas asociadas con soldadura el patín de la viga combinada y cubreplacas en la columna. La placa soldada al patín también mostró un buen comportamiento en un número limitado de ensayes de laboratorio.

Conexión trabe columna con placa extrema atornillada no atiesada

NUEVAS CONEXIONES En la Universidad de Virginia, bajo el programa SAC-FEMA, se ensayaron dos tipos de conexiones con placas extremas. Estas son la placa extrema atornillada no atiesada y la placa extrema atiesada. Los dos tipos mostraron buen comportamiento durante los ensayes, y posteriormente se desarrollaron procedimientos de detallado y diseño.

Conexión trabe columna rígida con placa extrema atornillada atiesada

NUEVAS CONEXIONES Las conexiones con placa extrema se usan comúnmente en edificios de acero ordinarios y algunas veces en estructuras industriales (refinerías, centrales de energía, estaciones, etc.). Nótese que las conexiones extremas no requieren soldaduras de filete.

Conexión con placas atornilladas a patines

NUEVAS CONEXIONES La conexión con placas atornilladas a los patines de la viga fue investigada en la Universidad de Illinois bajo el programa SAC-FEMA. Esta conexión, similar a la de placa extrema, no requiere soldadura de filete. La conexión que se ilustra exhibió un comportamiento adecuado en un número limitado de ensayes.

Conexión rígida atornillada con dos Tes unidas a los patines de la trabe y a la columna

NUEVAS CONEXIONES Esta conexión se investigó en la Universidad de Georgia, de acuerdo con el Programa SAC-FEMA. La conexión es totalmente atornillada en campo y mostró un comportamiento satisfactorio durante un limitado número de ensayes, y se desarrollaron secuelas de diseño. Esta unión se trata típicamente como una conexión semirrígida, para la cual el efecto de la flexibilidad de la conexión debe incluirse en el análisis general de la estructura.

CONNEXIÓN CON   0.03 RADIANES

Resultado del ensaye de la conexión después de completar ciclos de carga de  0.03 radianes. Se ilustra la articulación plástica" En la foto se aprecia el pandeo local del alma en la zona de la reducción de los patines.

CONEXIÓN HUESO DE PERRO (DOG BONE) Conceptos fundamentales: Se reducen intencionalmente los patines de la trabe cerca de la conexión. El extremo de la viga se mantiene dentro de un comportamiento nominalmente elástico y se relocaliza la demanda de ductilidad por medio de una articulación plástica en una zona de la viga alejada de la conexión trabe columna. Se reduce el momento en la conexión

Se obliga que la articulación plástica se forme fuera de la cara de la columna.

CONEXIÓN HUESO DE PERRO “DOG BONE”

CONEXIÓN HUESO DE PERRO (“DOG BONE”) GEOMETRÍCOS Vigas REQUISITOS a Sección Reducida (RBS)

(“Dogbone” o “Hueso de Perro”) 4C2 + B2 R= 8C

bf C

A

B

 (0.50 -0.75 ) bf b  (0.65 - 0.85) d c  0.25 bf a

CONEXIÓN HUESO DE PERRO (DOG BONE)

CONEXIONES La conexión “Hueso de Perro” o de Sección de Viga Reducida (“Reduced Beam Section”) es una unión precalificada que se usa ampliamente en Estados Unidos tras el sismo de Northridge, Cal., . Se basa en extensas pruebas de laboratorio a escala natural y en numerosos estudios analíticos que han demostrado que tienen un comportamiento satisfactorio ante cargas cíclicas.

CONEXIÓN HUESO DE PERRO (DOG BONE) BU . .B a r to R em a n i 10 o 30

W ed l BU . .B a r to C o u lm n

6

G roo ve w e d l s: E 71T -8 R em o veW e d l T ab s 6 5 45 o 8 B o lts :25m m A 325 225m m c -c Hoe l s :27m m D A I . PL 9 .5 x 152 x 762

PL 25 x 125 W 14 x426 A 57 2 G r . 5 0

8

W 36 x194 (A 36 )

A fte rR oo t is C e l aned and In spe c ted R em o ve B U . .B a r

10 o 30 1 01 5 m m R a d u i s 8 8

G rn i d Sm oo th G rn i d P a ra le l l to F a l ng e 60 1 90 60 2 30

6 85

RESPUESTA EXPERIMENTAL CONEXIÓN HUESO DE PERRO (DOG BONE) 5000


4000 Mp

3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 Mp

-4000 -5000 -0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

Plastic Rotation (rad)

0.02

0.03

0.04

CONEXIÓN HUESO DE PERRO Zonas protegidas

CONEXIONES POST SISMO NORTHRIDGE



CONEXIONES POST SISMO NORTRIDGE

CONEXIONES TRABE COLUMNA

ENSAYE DE NUEVAS CONEXIONES TRABE COLUMNA EN LABORATORIO

NUEVAS CONEXIONES Conviene que la configuración de las conexiones haga que las articulaciones plásticas aparezcan lejos de la cara de la columna, donde la respuesta depende menos del material y de la mano de obra.

NUEVAS CONEXIONES Para ello, la relación entre demanda y resistencia debe ser máxima en una sección interior de la trabe, lo que se logra reforzando localmente la conexión y el extremo de la viga, o reduciendo localmente su sección transversal.

NUEVAS CONEXIONES Como la longitud en la que se concentran las deformaciones inelásticas es del orden, a cada lado del punto teórico, de la mitad del peralte de las vigas, las articulaciones deben moverse cuando menos a esa distancia de la cara de la columna.

NUEVAS CONEXIONES En caso contrario, aparecen a una distancia de la cara de la columna, igual, aproximadamente, a un cuarto del peralte de la trabe, y se extienden hasta la columna.


CONEXIÓN TRABE COLUMNA CON PLACA EXTREMA

Esta conexión fue desarrollada por el Prof. Thomas M. Murray después del sismo de 17 de enero de 1994 de Northridge, Cal. y ha sido ampliamente utilizada en los Estados Unidos, especialmente en zonas sísmicas. La conexión también se usa en empalmes de tramos de trabes.

CONEXIÓN CON PLACA EXTREMA

CONEXIÓN CON PLACA DE EXTREMO EXTENDIDA .La trabe se conecta a la columna con mucha precisión con una placa soldada que viene de taller, y con un número de tornillos adecuados que trabajan a tensión. La placa extremo puede disponer de placas rigidizadoras que reducen la flexión y el grueso de la placa extrema.

CONEXIÓN PLACA EXTREMA

Aprovecha las ventajas de sencillez para hacerla más competitiva respecto a otros tipos de conexiones trabe columna de estructuras localizadas en zonas de alta sismicidad.

RESPUESTA DE CONEXIONES PLACA EXTREMA PLACAS DELGADAS

CONEXIONES CON PLACA EXTREMA

El problema es complejo debido a que este tipo de conexión es altamente indeterminada y se requiere hacer estudios empleando el método de elemento finito para determinar la distribución de esfuerzos internos.

CONEXIÓN PLACA EXTREMA Conexión a): cuatro tornillos sin atiesadores (4E) Conexión b): Cuatro tornillos atiesada (4ES) Conexión c): Ocho tornillos atiesada (8ES)

CONEXIÓN PLACA EXTREMA ATIESADA Y NO ATIESADA

RESISTENCIA REQUERIDA EN CONEXIONES La resistencia requerida de una conexión se determina utilizando el esfuerzo de fluencia esperado, Fye, del miembro conectado: Fye = Ry Fy Ry se toma de la siguiente tabla

RESISTENCIA REQUERIDA EN CONEXIONES Ry = factor que tiene en cuenta que las resistencias de fluencia de los perfiles laminados reales suelen ser mayores que las especificadas. Es igual al cociente del esfuerzo de fluencia esperado Fye entre el mínimo especificado, Fy En la tabla siguiente se indican los valores de Ry

CARACTERÍSTICAS ACERO Los aceros que deben utilizarse tienen las características siguientes: Relación entre las resistencias de iniciación del flujo plástico y de ruptura en tensión no mayor de 0.85 Diagrama esfuerzo alargamiento con una meseta pronunciada en el nivel de fluencia. Gran capacidad de deformación inelástica (por ejemplo, una elongación a la ruptura en tensión no menor de 20 por ciento, en una longitud de 50 mm).

CARACTERÍSTICAS ACERO Los aceros que deben utilizarse tienen las características siguientes: Relación entre las resistencias de iniciación del flujo plástico y de ruptura en tensión no mayor de 0.85 Diagrama esfuerzo alargamiento con una meseta pronunciada en el nivel de fluencia.

CARACTERÍSTICAS ACERO Gran capacidad de deformación inelástica (por ejemplo, una elongación a la ruptura en tensión no menor de 20 por ciento, en una longitud de 50 mm.

Buena ductilidad

DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES Cuando el diseño de una estructura de acero queda regido por una condición de carga que incluye sismo, la resistencia de la conexión de cada viga será suficiente para transmitir el menor de los momentos siguientes:

DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES

Mu ≥ 1.1RyMpv ≥ 1.1Ry ZxFy Donde: MPv = momento plástico nominal de la trabe Ry corresponde al acero de la trabe

DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES

Se exigen requisitos semejantes a las de las Especificaciones AISCLRFD-99, incluyendo el uso del esfuerzo de fluencia esperado Fye = Ry Fy

DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES Muc = Mpe + Vu Lp Mpe = momento máximo probable en la articulación plástica Vu = fuerza cortante de diseño en el extremo de la trabe L = distancia de la cara de la columna a la sección donde se forma la articulación plástica.

DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES Muc = Mpe + Vu Lp Mpe = 1.1 RyFyZx L pmín = Menor valor de d/2 o 3bf d = peralte de la trabe bf = ancho del patín de la trabe

CONEXIÓN RÍGIDA CON PLACA EXTREMA


CONEXIONES PLACA EXTREMA ESTADOS LÍMITE PERTINENTES: 1.Revisión de la resistencia a la ruptura por cortante de los tornillos de alta resistencia 2. Falla por aplastamiento-desgarramiento de los tornillos, en la placa extrema y en la columna. 3. Resistencia del patín de la columna al flujo plástico en flexión. 4. Resistencia al flujo plástico local del alma no atiesada de la columna.

CONEXIONES PLACA EXTREMA Estados límite pertinentes: 5. Resistencia al pandeo del alma de la columna no atiesada frente al patín comprimido de la trabe.

6. Resistencia al aplastamiento del alma no atiesada de la columna frente al patín comprimido de la trabe.

CONEXIÓN TIPO “ÁRBOL” (JAPÓN)

CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN

Se basa en el concepto de columna tipo árbol, que ha sido ampliamente usada en Japón, en la que un tramo corto de la trabe que se denomina “muñón o brazo”, se fabrica y se suelda en taller directamente a los patines de la columna HSS o en cajón.


Los muñones o brazos de la trabe se fabrican en taller con patines de ancho variables para obligar que las articulaciones plásticas se formen fuera de la cara de la columna.


CONEXIÓN TIPICA JAPÓN

CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN Las columna se envían de taller en tramos de uno o dos niveles con muñones.

la conexión se termina en campo, 100 por ciento atornillada con tornillos de alta resistencia, de características similares a los ASTM A 325(NOM-H-124).


Esta conexión requiere ocho placas para el empalme de campo del muñón con la trabe: seis y dos más, adosadas al alma de la trabe para resistir la fuerza cortante.


Como el diseño de la conexión queda regido por una condición de carga que incluye sismo, la columna en cajón requiere atiesadores horizontales o placas de continuidad en su interior, a nivel de los patines del muñón.


Se proveen atiesadores en la zona donde se forma las articulaciones plásticas, el primero colocado a una distancia igual al peralte de la trabe medida del paño de la columna y dos más, separados a una distancia igual al ancho del patín de la trabe o a la mitad de su peralte.



Los atiesadores propósitos:

tienen

varios

1. Retardar el pandeo local de los patines de la trabe. 2. Evitar el pandeo del alma de la viga.


REQUISITOS DE CONEXIONES TRABE COLUMNA EN ZONAS DE ALTA SISIMICIDAD

REQUISITOS CONEXIONES ZONAS SÍSMICAS

Se recomienda elegir conexiones cuyo diseño se basa en los resultados de ensayes de laboratorio bajo cargas cíclicas, como es el caso de la unión trabe columna con placa extremo.


Las conexiones trabe columna que se propongan en zonas sísmicas deben demostrar una capacidad de rotación adecuada no menor de 0.03 radianes al ser sometidas a varios ciclos de cargas reversibles.

5000 4000

Mp


3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000

Mp -4000

RBS Connection

-5000 -0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Drift Angle (radian)

Respuesta experimental conexión Hueso de Perro

Se muestra la respuesta de una conexión hueso de perro.

El eje vertical representa el momento en la trabe, en la cara de la columna. Nótese que aún con los cortes en los patines, la viga todavía desarrolla ( y excede significativamente) su momento plástico total en la cara de la columna.

La degradación de resistencia para ciclos de cargas de aproximadamente 0.03 radianes se debe al pandeo local y pandeo por flexotorsión de la trabe. Como la sección de la viga se clasifica como sísmicamente compacta, y debido a que la viga está adecuadamente soportada lateralmente, la degradación de la resistencia se retarda hasta que ocurren grandes deformaciones inelásticas.


Pueden utilizarse también conexiones documentadas en la literatura, que hayan demostrado poseer la capacidad de rotación mencionada anteriormente.


Deben ser capaz de desarrollar la resistencia a flexión de la trabe, sin que se presente ningún modo de pandeo.

REQUISITOS FUNDAMENTALES DISEÑO SÍSMICO

Los requisitos fundamentales que deben cumplirse en el diseño sísmico de las conexiones trabe columna tienen por objeto que las articulaciones plásticas que puedan desarrollarse en ellas durante la respuesta a sismos intensos no tendrán lugar en la cara de la columna, sino en alguna de las dos zonas adyacentes, la viga o la junta.

Articulaciones plásticas en las trabes: Fluencia por flexión en los extremos de las vigas

COLUMNA FUERTE-TRABE DÉBIL

Las columnas soportan el peso del edificio; un daño severo en ellas puede conducir directamente al colapso del edificio o de una parte de él; por lo tanto, se pretende que se eviten las articulaciones plásticas, de ahí el concepto de vigas débiles-columnas fuertes.

COLUMNA FUERTE TRABE DÉBIL

Si los daños se presentan en las trabes no se atenta contra la estabilidad general de la estructura, ya que este tipo de daños son generalmente locales.

RECOMENDACIONES No convienen las articulaciones plásticas en las columnas porque pueden formarse mecanismos de entrepiso, con pocas articulaciones, y fallas con muy poca disipación de energía, esto ocurre en los llamados entrepisos débiles.

UBICACIÓN DE FORMACIÓN DE ARTICULACIONES PLÁSTICAS Tablero del alma de la columna (Fluencia por cortante) Columna (Flexión y compresión Fluencia)

Trabe (Fluencia por flexión)

RECOMENDACIONES En resumen, en las conexiones trabe columna en zonas sísmicas, deben poder formarse articulaciones plásticas donde sean necesarias, preferentemente en las trabes, y mantener su resistencia durante rotaciones plásticas importantes.

RECOMENDACIONES Para ello, se detallan cuidadosamente, y se utilizan perfiles con patines y almas con relaciones ancho/grueso que aseguren que eviten el pandeo local prematuro.

RECOMENDACIONES Cuando el diseño queda regido por una combinación de carga que incluye sismo, deben colocarse placas de continuidad (atiesadores horizontales en los dos lados del alma de la columna) que satisfagan los requisitos que se mencionan en las Especificaciones 2010 (LRFD-ASD).

COLUMNA FUERTE TRABE DÉBIL RELACIÓN ENTRE LOS MOEMNTOS EN VIGAS Y COLUMNAS

Los códigos y reglamentos de construcción internacionales propician lograr una columna fuerte y una trabe débil mediante la siguiente ecuación. Ver the AISC Seismic Provisions for Special Moment Frames. Cuando en el diseño intervienen las acciones sísmicas, en las juntas debe satisfacerse la relación siguiente: *

M M

pc * pb

 1 .0

* M  pc

M

* pb

 1 .0

M*pc-Sup.

CL Columna

M*pb-Derecha

C Viga

M*pb-Izq.

M*pc-Inferior Nota: M*pc se basa en el esfuerzo de fluencia mínimo especificado d ela columna M*pb se basa en el esfuerzo d efluencia esperado de la viga e incluye un margen para el endurecimiento por deformación

CALCULO DEL M*pb Viga izquierda

Viga derecha

Plastic Hinge Location

Mpr-Izq.

VViga-Derecha M*pb-Izq.

M*pb-Der.

Derecha

VViga-Izq. sh+dcol/2 Mpr Vbeam sh

Mpr-

sh+dcol/2

Ubicación de la articulación plástica

= momento esperado en la articulación plástica = 1.1 Ry Mp = cortante en la viga = distancia de la cara de la columna a la ubicación de la articulación plástica en la trabe

M*pb = Mpr + Vbeam (sh + dcol /2 )

Vcol-Sup. Columna superior

Mpc-Sup. M*pc-t Sup.

dViga

M*pc-Inferior Mpc-Inferior

Columna inferior Vcol-Inferior

Mpc Vcol

= momento plástico nominal de la columna, reducido por la presencia de fuerza axial, puede tomarse Mpc = Zc (Fyc - Puc / Ag) = cortante en la columna , basado en la posición del punto de inflexión en la columna (generalmente a media altura de la columna)

M*pc = Mpc + Vcol (dViga /2 )

¿COLUMNA FUERTE -TRABE DÉBIL?


SISMO DE KOBE, JAPÓN Ocurrió el 17 de enero de 1995, a las 5:46 am (hora local), tuvo una magnitud de 6.8 en la escala de Ritchter y una duración de 20 seg. • Gran lección para los japoneses y el mundo, por considerarse Japón uno de los países mejor preparados para enfrentar sismos • La Ciudad de Kobe es el segundo puerto comercial de Japón y el sexto más grande del mundo • • • •

Causó la muerte de más de 5500 personas 26 000 heridos 300 000 personas quedaron sin hogar 106 000 edificios sufrieron daños severos

SISMO DE KOBE, JAPÓN

• Las pérdidas económicas se estimaron en 200 000 millones de dólares • Causó daños en obras de infraestructura, principalmente al transporte carretero e instalaciones portuarias

SISMO DE KOBE, JAPÓN Durante el sismo de Kobe, Japón, se dañaron severamente muchos edificios de acero estructurados con marcos rígidos. Los daños ocurridos fueron similares a los del temblor de Northridge, Cal, 1994. Muchos edificios colapsos parciales.

presentaron

SISMO DE KOBE, JAPÓN

Colapso típico de casa habitación con estructura de madera. Falta de elementos estructurales resistentes a la acción sísmica en planta baja.

Colapso lateral de un tramo del Viaducto Hanshin, Kobe, Japón Estructuración poco redundante a base de péndulo invertido de concreto reforzado

Pandeo local y fractura de diagonales de contraventeos en X

Reparación local de columnas mediante placas de 25 mm de grueso. Condominio de Ashiya

Falla de la cimentación de las grúas carril

Daño en las vías del sistema de transporte ferroviario de Kobe. Línea Hanshin.

COMPORTAMIENTO DE EDIFICIOS DE ACERO

El comportamiento de edificios de acero durante sismos reales ha sido satisfactorio en general, desde el punto de vista de su resistencia. Ciudad de México: 1957, 1979 y 1985

Sismos fuertes ocurridos en la Ciudad de México

DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO SISMOS DE 1985

El comportamiento de las conexiones trabe-columna fue satisfactorio.

No hubo evidencias de fallas frágiles.

Fractura en contraventeos

Pandeo local en placas de columnas en cajón

Daño en conexión soldada armaduras

PUNTOS DÉBILES CONEXIONES TRABE COLUMNA

PUNTOS CRÍTICOS CONEXIÓN TIPO ÁRBOL

PUNTOS CRÍTICOS CONEXIONES TRABE COLUMNA


Las conexiones reales se construirán utilizando materiales, configuraciones, procesos y métodos de control de calidad que se acerquen, tanto como sea posible, a los empleados en las juntas ensayadas.


Si se construye inadecuadamente, sin un estricto control de calidad en las soldaduras, puede haber puntos débiles en una estructura de acero.


El FEMA 350 recomienda especial control de calidad en los materiales, mano de obra, procesos para efectuar las soldaduras y ensayes para verificar que las soldaduras sean adecuadas.

CONTROL DE CALIDAD SOLDADURAS DE CAMPO

FALLA FRÁGIL En los casos pocos frecuentes, en que las condiciones de trabajo puedan provocar fallas de tipo frágil, deben evitarse todas las condiciones que puedan propiciarla: 1.Uso de aceros con altos contenidos de carbono 2.Operación de la estructura a muy bajas temperaturas 3. Aplicación de cargas que produzcan impacto importante

FALLA FRÁGIL 4.Presencia excesiva de discontinuidades en forma de muescas en la estructura. 5. Condiciones de carga que produzcan un estado triaxial de esfuerzos en el que la relación entre el cortante máximo y la tensión máxima sea muy pequeña Especialmente deberá evitarse la presencia simultánea de varias de estas condiciones. (Sismo del 17 de enero de 1994, Northridge, Cal.).

RESUMEN DE LAS CONEXIONES TRABE COLUMNA

Conexión

CTC-1

CTC-2

Descripción

Comentario

Desventajas de diseño y fabricación

Placas de conexión soldadas a patines de la trabe y placa de En México, a diferencia Presenta varios puntos críticos cortante soldada al patín de la de otros países de falla, correspondientes a las columna en taller y soldada en industrializados, es soldaduras de penetración campo al alma de la trabe. común y muy frecuente completa y de filete que deben diseñar conexiones depositarse en campo en la soldadas de este tipo. placa de conexión superior y en la de cortante. Placas de conexión atornilladas a Conexión común, de uso Conexión rápida de hacer en los patines de la trabe y placa de frecuente en México campo y que requiere de una cortante soldada al patín de la precisión geométrica muy columna y atornillada al alma de la rigurosa para garantizar la trabe coincidencia de los agujeros en patines y placas para colocar los tornillos de alta resistencia ASTM A325(NOM-H-124).. Conexión tipo árbol, típica de De uso moderado en Muy eficiente, ya que se Japón, cien por ciento atornillada México, ha sido reducen los puntos críticos de en campo remplazada por la la conexión, que son las conexión con placa soldaduras que se depositan extrema. en taller.

CTC-3

Requiere el uso de muchas placas, por lo que la fabricación resulta cara. Los muñones o brazos reducen la capacidad de transporte de las columnas

CTC-4

Muy popular en Estados Conexión sencilla y económica, Conexión con placa extrema, unión Unidos y de uso normal y ya que no requiere de muchos precalificada por el AISC cada vez más frecuente elementos de unión y por lo en México. tanto se reducen los puntos críticos de falla. Los tornillos trabajan a Toda la soldadura se deposita tensión, lo que ocasiona en taller, por lo que se elimina la la acción de palanca soldadura de campo que (“prying actions”) que requiere mayor supervisión y deben tomarse en cuenta control de calidad. en el diseño. La fabricación debe ser muy precisa para asegurar su alineado y plomeado en obra.

Hueso de perro(“dog bone”)

CTC-5

De uso escaso en Unión sencilla y económica, que México. carece de elementos de unión Los patines de la trabe se ya que los patines se sueldan reducen intencionalmente directamente a los patines de la para obligar que en estas columna con soldadura de zonas se formen las penetración completa. La placa articulaciones plásticas de cortante se atornilla en asociadas al mecanismo campo. de falla.

CONEXIÓN TRABE COLUMNA SOLDADA CT-1

CONEXIÓN SOLDADA CT-1

CONEXIÓN SOLDADA ATORNILLADA

CONEXIÓN SOLDADA CON REFUERZO EXTERIOR

CONEXIÓN TOTALMENTE SOLDADA

CONEXIÓN TRABE COLUMNA SOLDADA

CONEXIÓN TRABE COLUMNA ATORNILLADA CT-2

CONEXIÓN ATORNILLADA CT-2

CONEXIÓN ATORNILLADA







CONEXIÓN TIPO ÁRBOL CT-3


CONEXIÓN HUESO DE PERRO DOG BONE



CONEXION ATORNILLADA COLUMNA OC CON PLACAS EXTREMAS


La conexión se realiza en la zona de momento máximo, que corresponde al paño de la columna. Sin embargo, se recomienda desplazar la conexión a una zona donde el momento flexionante es menor.


La placa extrema se suelda en taller a la trabe con todas las precauciones que se requieren, con una precisión geométrica rigurosa para garantizar el montaje de las vigas.



La conexión se realiza en la zona de momento máximo, que corresponde al paño de la columna. Sin embargo, se recomienda desplazar la conexión a una zona donde el momento flexionante es menor.

CONEXIÓN TRABE COLUMNA TIPO ÁRBOL CON PLACAS EXTREMAS

CONEXIÓN PLACA EXTREMA El muñón se suelda a la columna en taller, conexión tipo árbol”, a pesar de que éstos complican un poco el transporte a la obra. Si la conexión se hace fuera de la cara de la columna, se requieren un número menor de tornillos y la placa de extremo resulta menos gruesa, a cambio de tener el problema para el transporte de las columnas tipo árbol.





Comportamiento Sismico Conexiones Curso CICQ

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