III Conexiones Precalificadas

CAPÍTULO III

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III.

CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

III.1. Conexiones Post-Northridge Después de los Terremotos de Northridge (U.S.A.) y Kobe (Japón), se han estado desarrollando programas de investigación por diferentes personas y entidades, en diferentes países del mundo, aunque con más empeño y dedicación en los Estados Unidos de Norteamérica. Todos por igual, con el propósito de identificar e implantar conexiones que presenten un mejor comportamiento para la construcción de pórticos de acero resistentes a momento, así como para la reparación y adecuación de los ya existentes. A este tipo de conexiones, se les denomina Conexiones Post-Northridge. El comportamiento esperado de las conexiones propuestas, consiste básicamente, en desplazar el punto de formación de las rótulas plásticas a una distancia predeterminada desde la cara de la columna, a lo largo de la luz de la viga. Esto puede lograrse, mediante un refuerzo local de la sección de la viga en la conexión, o mediante una reducción de la sección de la misma, en los puntos en dónde se desea la formación de la rótula plástica. Se han desarrollado varios métodos para lograr este fin, y puede afirmarse que, la elección de un determinado sistema de conexión depende de un gran número de variables que deben examinarse de acuerdo al tipo de proyecto específico, entre las cuales debe prestarse especial atención al aspecto económico, legal, requerimientos arquitectónicos y desempeño estructural de las conexiones. La dificultad está, entonces, en elegir o diseñar el tipo de conexión que más se ajuste a las necesidades del proyecto. III.2. Conexiones Precalificadas Las Conexiones Precalificadas, son aquellas conexiones Post-Northridge que por sus características y detalles, son permitidas y recomendadas por el SAC y el FEMA, para su utilización en la construcción de estructuras aporticadas resistentes a momento. Son calificadas porque vienen de un proceso de evaluación y ensayos controlados; sin embargo, esto no significa que otro tipo de conexión ensayada por entes particulares diversos, no pueda ser empleada en la construcción de nuevas edificaciones. El FEMA, no las incluye en su precalificación, por considerarlas poco ventajosas o poco económicas, frente a las anteriores, pero si hace referencia a ellas. Esta Precalificación, estuvo basada principalmente en las investigaciones previas realizadas por Popov y Stephen en los años setenta. En 1988, es introducida en el Código para Edificaciones Regulares (UBC), una de éstas, por su predominante práctica en la costa oeste de los Estados Unidos. Más tarde, en 1992, la conexión precalificada fue adoptada en las Normas Sísmicas Provisionales de la AISC, y en otras normas de diseño. Después del Terremoto de Northridge, y el comportamiento inesperado de estas conexiones, todos los experimentos de los prototipos ensayados, permitieron publicar el conjunto de Guías Provisionales para la Inspección, Evaluación, Reparación, Modificación y Diseño de Pórticos de Acero Soldados Resistentes a Momento (FEMA-267, FEMA-267A, y FEMA-267B), mientras continuaban las investigaciones, y eran actualizados los códigos. Es ese tiempo, más de 150 conexiones fueron analizadas permitiendo una nueva precalificación. Estas últimas se encuentran publicadas en los Criterios Recomendados para el Diseño Sísmico de Edificaciones de Acero con Pórticos Resistentes a Momento – FEMA-350, y el Reporte del Estado del Arte sobre el Comportamiento de las Conexiones – FEMA-355D. Hoy día, las investigaciones no han cesado, y en la medida en que se conozcan más resultados, será posible establecer nuevas conexiones que ofrezcan un comportamiento más adecuado. Existen varios tipos de Conexiones Rígidas Precalificadas, las soldadas y las empernadas; y con base en el FEMA-350, a continuación son presentadas. CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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III.2.1 Conexiones Soldadas Precalificadas III.2.1.1 Conexión de Alas Soldadas y Alma Empernada (WUF-B) “Welded Unreinforced Flange – Bolted Web Connection” Este tipo de conexión rígida, está calificada para ser aplicada solamente, en pórticos de bajo nivel de diseño (OMF), y dentro de los parámetros contenidos en la Tabla III-A. Las alas de la viga se unen al ala de la columna mediante soldadura de penetración completa según los requerimientos del FEMA-353 “Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment Frame Construcction for Seismic Aplications”. La soldadura de las alas pasa a través del alma de la viga por una ranura o agujero configurado como se indica en la Figura III-2. La conexión del alma de la viga se efectúa a través de pernos de alta resistencia que se unen a una plancha de corte soldada al ala de la columna (ver Fig. III-1).

Notas: 1- Ver detalle de la conexión WUF-W (ver Fig. III-3). 2- Plancha de Corte empernada. Usar pernos A-325 o A-490. Soldar al ala de la columna con soldadura de filete en ambos lados de la plancha, o con soldadura de penetración completa para desarrollar toda la capacidad de resistencia al corte en la plancha. 3- Ver la Figura 3-6 – FEMA-350, para las planchas de continuidad y doble refuerzo del alma requerido.

Figura III-1 Conexión de Alas Soldadas y Alma Empernada (WUF-B) (Fuente: FEMA 350)

Esta Conexión pareciera ser la conexión prescrita, usualmente utilizada con anterioridad al terremoto de Northridge de 1994. Después de un estudio importante se ha concluido que con mejoramientos y apropiados niveles de calidad con respecto a mano de obra y los materiales, esta conexión puede desempeñarse bien en elementos diseñados con un bajo nivel de diseño (OMF). Las mejoras que se incorporan a las conexiones típicas detalladas con anterioridad al terremoto de Northridge 1994 son las siguientes: 1. El metal de la soldadura debe tener una tenacidad apropiada. 2. Se bebe remover la plancha de respaldo de la soldadura del ala inferior y reforzarla con una soldadura de filete. 3. Mejorar el detallado del agujero de acceso que da paso a la continuidad de la soldadura del ala. 4. Mejorar el control de calidad, los métodos y los requerimientos de calidad. CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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Detallado de Ala Superior

Detallado de Ala Inferior

Notas: 1.

2. 3. 4. 5. 6.

Bisel como es requerido por la AWS D1.1, para seleccionar la ranura del proceso de soldadura. Largo de tbf ó ½”. (mas ½ tbf, o menos ¼ tbf) ¾ tbf a ¾” como mínimo (+/- ¼”) Radio mínimo 3/8”(sin límites cuando sea mayor, y mínimo 0) 3 tbf . (+/- ½”) Ver FEMA-353, para la fabricación de los detalles, incluyendo los métodos de corte y requerimientos de suavizado.

Figura III-2 Detalle recomendado para Agujero de Acceso de Soldadura (Fuente: FEMA 350)

Tabla III-A Datos Precalificados para Conexiones WUF-B General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Espesor de ala

OMF dc/2 + db/2 (ver Fig. ¿? – FEMA-350) Menor o igual a W36 7 Máximo 1”

Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna

A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75

Altura del Alma (dc) Calidad del Material

W8, W10, W12, W14 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 y 65

Relaciones Viga/Columna Resistencia de la Zona de Panel Resistencia a Flexión Viga/Columna Detalles de Conexión Conexión del Alma Espesor de Planchas de Continuidad Soldadura de las Alas


SMF: Secc. 3.3.3.2 – FEMA 350 No es requerida (OMF) Plancha de Corte soldada a la columna, empernada a la viga Secc. 3.3.3.1 – FEMA-350 ver Fig.III-3 y Secc. 3.3.2.5 – FEMA-350

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III.2.1.2 Conexión de Alas y Alma Soldadas (WUF-W) “Welded Unreinforced Flange – Welded Web Connection” Este tipo de conexión precalificada es usada para pórticos de momento de bajo (OMF) y alto nivel de diseño (SMF). La conexión utiliza soldadura de penetración completa (CJP) para unir las alas de la viga directamente a las alas de la columna, siguiendo los requerimientos del FEMA-353. Este tipo de conexión no se refuerza a excepción de una soldadura de filete aplicada en la ranura de la soldadura. La soldadura de las alas de la viga tienen continuidad a través de un agujero de acceso en el alma de la viga, según el articulo 3.3.2.7 – FEMA350 (Fig. III-2), de acuerdo al detalle de conexión típica (Fig. III-3). El desarrollo de estas conexiones con alas reforzadas, apropiadas para el uso de pórticos de momento con alto nivel de diseño, ha requerido investigaciones significativas, resultando un mayor número de modificaciones a las comúnmente denominadas conexiones Pre-Northridge. Los detalles incorporados a la conexión original prescrita, se listan a continuación: 1. Tiene limitaciones en el tamaño de viga permitido. 2. El metal de aporte de la soldadura debe tener una apropiada tenacidad. 3. Remover la pletina de respaldo de la soldadura del ala inferior y adicionar una soldadura de refuerzo en forma de filete. 4. Mejorar el detallado del agujero de acceso que da paso a la continuidad de la soldadura del ala. 5. Mejorar el control de calidad, los métodos y los requerimientos de calidad. 6. Usar de una soldadura de alta resistencia en la unión del alma de la viga. Estudios indican, que este tipo de conexión puede ser construida para actuar de manera segura, si todos los procesos son cumplidos. Aunque esta conexión puede parecer económica, comparada con otros detalles precalificados, el proyectista debe notar cuidadosamente la importancia de las características de este detalle que mejoran su comportamiento, y considerar los efectos de las mismas en el costo de la conexión, antes de seleccionarla como una estándar. De particular importancia, es el riguroso nivel de aseguramiento de la calidad que debe tenerse durante el montaje y soldadura, el cual es requerido para garantizar el desempeño de esta conexión. Adicionalmente, las limitaciones del tamaño de la viga, pueden hacer que este tipo de conexión no sea práctico en algunas construcciones.


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Notas: 1. Soldadura de Junta de Penetración Completa (CJP) en el ala superior e inferior de la viga. En el ala superior, remover la plancha de respaldo y el material excedente de la soldadura y adicionar una soldadura de filete mínima de 5/16”, o, dejar la plancha de respaldo de la soldadura, reforzándola con una soldadura de filete de 5/16” por debajo. En el ala inferior, remover la plancha de respaldo y el material excedente de la soldadura, y adicionar una soldadura de filete mínima de 5/16”. Soldadura: QC/QA categoría AH/T. 2. Agujero de Acceso para el paso de la soldadura. Ver Figura III-2 3. Soldadura CJP a toda lo largo del alma, entre los agujeros de acceso. Proveer planchas de soldar no fundibles. Remover las planchas de soldar después de soldar, y esmerilar hasta emparejar con el agujero de acceso de la soldadura. 4. Espesor de la plancha de corte, igual al espesor del alma de la viga. El largo de la plancha de corte será permitido que se superponga en 1/8” con los agujeros de acceso superior e inferior, y el ancho será extendido como mínimo 2” a lo largo de la viga, mas allá del final de los agujeros de acceso para la soldadura. 5. Soldadura de penetración parcial a todo lo largo del lado alejado. Soldadura: QC/QA categoría BM/T. 6. Soldadura de filete entre la plancha de corte y el alma de la viga. La dimensión de la soldadura será igual al espesor de la plancha de corte, menos 1/16”. La soldadura deberá extenderse sobre la parte superior e inferior en una tercera parte de la altura de la plancha de corte, y a través del borde superior e inferior. 7. Pernos de montaje: número, tipo y dimensiones seleccionadas para las cargas de montaje. 8. Planchas de continuidad y doble plancha en el alma (ver Fig. 3-6 – FEMA-350)

Figura III-3 Conexión de Alas y Alma Soldadas (WUF-W) CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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(Fuente: FEMA 350)

Tabla III-B Datos Precalificados para Conexiones WUF-W General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Espesor de ala Calidad del Material

OMF, SMF dc/2 + db/2 (ver Fig. ¿? – FEMA-350) Menor o igual a W36 OMF: 5 SMF: 7 OMF: Menor o igual a 1-1/2” SMF: Menor o igual a 1” A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75

Parámetros Críticos de la Columna Altura del Alma (dc) Calidad del Material Relaciones Viga/Columna Resistencia de la Zona de Panel Resistencia a Flexión Viga/Columna Detalles de Conexión Conexión del Alma Espesor de Planchas de Continuidad Soldadura de las Alas Parámetros de Soldadura Agujeros de Acceso para Soldadura

OMF: Sin limitaciones SMF: W12, W14 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 y 65 SMF: Secc. 3.3.3.2 – FEMA 350 Secc. 2.9.1 – FEMA 350 Conexión Especial – ver Fig. III-3 Secc. 3.3.3.1 – FEMA-350 Secc. 3.3.2.5 – FEMA-350 Secc. 3.3.2.4, 3.3.2.5, 3.3.2.6 – FEMA-350 Secc. 3.3.2.7 – FEMA-350 (ver Fig. III-2)

III.2.1.3 Conexión Soldada de Alas Libres (FF) “Free Flange Connection” Este tipo de conexión es precalificada para el uso en pórticos resistentes a momento de especial nivel de diseño (SMF), con dimensiones de viga dentro de los límites establecidos de la Tabla III-C. Para vigas más grandes, la conexión es precalificada para ser usada en pórticos de momento de bajo nivel de diseño (OMF). La conexión utiliza soldadura de penetración completa para unir las alas de la viga directamente a las alas de la columna siguiendo los requerimientos del FEMA-353. El alma de la viga es removida con un corte simple en el área adyacente al ala de la columna, y es remplazada con una fuerte plancha de corte, de forma trapezoidal. La plancha de corte es unida al ala de la columna mediante una soldadura de penetración completa, y soldada en todos sus lados, al alma de la viga, mediante una soldadura de filete.


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Este tipo de conexión fue desarrollada en la Universidad de Michigan (U.S.A.), y sido extensamente ensayada por la Universidad de Texas, en Austin (U.S.A.), demostrando un buen comportamiento, similar al exhibido por la conexión WUF-W, con la que en efecto, tiene muchas similitudes: 1. La soldadura de las alas es semejante a la de la WUF-W. 2. El corte en el alma de la viga, provee un mejoramiento similar al que proporciona el agujero de acceso para la soldadura. 3. La conexión del alma es muy sólida (importante, substancial, abundante).

Notas: 1. 2.

3. 4. 5. 6. 7.

Soldadura CJP. Aplica la Nota 1 de la Figura III-3. Soldadura QC/QA categoría AH/T. Ver el procedimiento de diseño en la sección 3.5.3.1 del FEMA-350; pasos del 5 al 8, para dimensionar la plancha del alma y su espesor. Radio mínimo ½” Pernos de montaje: el número, tipo y dimensiones deben ser seleccionados de a cuerdo a las cargas de montaje. Soldadura de penetración completa con doble bisel (doble V asimétrica). Soldaduras de filete; su espesor y longitud deben ser calculadas de acuerdo con la Sección 3.5.3.1 (Paso 8) del FEMA-350. Soldadura: QC/QA categoría BH/L. Para la Pletinas de continuidad y planchas dobles en el alma, ver el detalle de la Figura 3-6 del FEMA-350.


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Figura III-4 Conexión Soldada de Alas Libres (FF) (Fuente: FEMA 350)

Tabla III-C Datos Precalificados para Conexiones FF General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima

OMF, SMF dc/2 + db/2 (ver Fig. ¿? – FEMA-350) OMF: Menor o igual a W36 SMF: Menor o igual a W30

Relación mínima luz-altura de viga

OMF: 5 SMF: 7

bf / 2.tf del ala

52 / √Fy

Espesor del ala

OMF: Menor o igual a 1-1/4” SMF: Menor o igual a

Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna Altura del Alma (dc)

¾”

A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75

Calidad del Material

OMF: Sin limitaciones SMF: W12, W14 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 y 65

Relaciones Viga/Columna Resistencia de la Zona de Panel

SMF: Secc. 3.3.3.2 – FEMA 350; Cpr = 1.2

Resistencia a Flexión Viga/Columna Detalles de Conexión Conexión del Alma Espesor de Planchas de Continuidad Soldadura de las Alas Parámetros de Soldadura Agujeros de Acceso para Soldadura

Secc. 2.9.1 – FEMA 350; Cpr = 1.2 Plancha de corte soldada – ver Fig. III-4 Secc. 3.3.3.1 – FEMA-350 Ver Fig. III-4 Secc. 3.3.2.4, 3.3.2.5, 3.3.2.6 – FEMA-350 No aplica

III.2.1.4 Conexión con Sección de Viga Reducida (RBS) “Reduced Beam Section Connection, or Dog Bone Connection” En este sistema de conexión se reduce la sección de la viga en un segmento determinado, con el fin de localizar, dentro del mismo segmento, la rótula plástica, alejada de la cara de la columna, y disminuir las tensiones máximas promedio en la cara de la columna. La sección de la viga, se reduce haciendo un corte de radio circular en ambas alas, lo que da lugar al denominado perfil “hueso de perro” (ver Fig. III-5). Adicionalmente, las alas van soldadas al ala de la columna por medio de soldadura de penetración completa, según FEMA-353. Ningún refuerzo extra al metal de aporte, es usado para unir las alas de la viga a la columna. Las uniones del alma pueden hacerse tanto con soldadura de penetración completa, como con planchas de corte empernadas o soldadas. La Tabla III-D proporciona las limitaciones y detalles de la precalificación. CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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Cuando este tipo de conexión es utilizado, los cálculos de la deriva elástica, deberían considerar el efecto de la reducción de las alas de la viga. En lugar de cálculos específicos, un incremento del 9% en la deriva, puede ser aplicado para abarcar una reducción del 50% en el ancho total del ala de la viga, con interpolación lineal para valores menores de reducción del ala.

Notas: 1. 2. 3.

Ver Sección 3.5.5.1 – FEMA-350, para el cálculo de las dimensiones del RBS. El FEMA-353, contiene los detalles de fabricación, incluyendo los métodos de corte y requerimientos de suavizado. Ver Nota 1 de la Figura III-3, excepto que el agujero de acceso para la soldadura puede ser como se muestra allí, o como en la Fig. C-J1.2 de la AISC-LRFD (Vol. 1), para formas laminadas o soldadas. Conexión del alma. Pernos de Montaje: número, tipo y dimensiones, seleccionados para las cargas de montaje. Alternativa 1: Alma con soldadura CJP. Soldadura QC/QA categoría BM/L. La longitud de la plancha de corte es igual a la distancia entre los agujeros de acceso más ¼”. El espesor de la plancha de corte, es el requerido para el montaje, y las planchas sirven como respaldo para la soldadura CJP (espesor mínimo 3/8”). La plancha de corte puede tener un corte recto, o cónico como el mostrado. La soldadura de la plancha de corte contra el ala de la columna, es de filete con espesor mínimo de 3/16” sobre el lado del alma de la viga, y un filete para las cargas de montaje, (5/16” mínimo) del lado alejado del alma de la viga. No se requiere de planchas soldadas en los extremos de la soldadura CJP, y tampoco se requiere de soldadura entre la plancha de corte y el alma de la viga. Soldadura: QC/QA categoría BM/L. Los pernos de montaje son dimensionados para las cargas de montaje. Alternativa 2: Plancha de Corte Empernada. La plancha de corte y los pernos, son dimensionados por corte, calculados como en la Sección 3.2 – FEMA-350, y usando los métodos de la AISC. La lámina de corte deberá ser soldada al ala de la columna con soldadura CJP, o con soldadura de filete de ¾” a ambos lados. Soldadura: QC/QA categoría BL/T. Los pernos deben ser ASTM A325 o A490, y deben ser completamente apretados o tensados.


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4.

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Para las Planchas de Continuidad y Doble Plancha en el Alma, ver Figura 3.6 – FEMA-350.

Figura III-5 Conexión con Sección de Viga Reducida (RBS) (Fuente: FEMA 350)

Tabla III-D Datos Precalificados para Conexiones RBS General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Relación de Esbeltez Local, bf/2tf Espesor de ala Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna

OMF, SMF dc /2 + a + db / 2 (ver Fig. 3.2 – FEMA-350) Menor o igual a W36, (peso máximo 300 lbs/ft) OMF: 5 SMF: 7 Mayor o igual a 52 /√Fy , con bf determinado como se describe en la sección 3.3.1.1 – FEMA-350 Máximo 1-3/4” A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75

Altura del Alma (dc)

OMF: Sin límites SMF: W12, W14


A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50

Relaciones Viga/Columna Resistencia de la Zona de Panel Resistencia a Flexión Viga/Columna

SMF: Secc. 3.3.3.2 – FEMA 350 Secc. 2.9.1 – FEMA-350

Detalles de Conexión Conexión del Alma Espesor de Planchas de Continuidad Soldadura de las Alas Tipo de perforación Parámetros de Soldadura Agujero para el acceso de la soldadura

Secc. 3.5.5.1 – FEMA-350 (ver Fig.III-5) Secc. 3.3.3.1 – FEMA-350 ver Fig.III-5 Estándar Secc. 3.3.2.4, 3.3.2.5, 3.3.2.6 – FEMA-350 Ver Fig. C-J1.2 AISC-LRFD (Vol. 1), o Sección 3.3.2.7 – FEMA-350

Este tipo de conexión ha sido desarrollado exitosamente en ensayos con conexiones de alma soldada y de alma empernada. Mientras la conexión de alma soldada es más costosa que la conexión convencional de alma empernada, se piensa que la de alma soldada aumenta la seguridad de la conexión, porque provee una mayor transferencia de las fuerzas, reduciendo de ese modo, los niveles de esfuerzo en las alas de la viga y en la soldadura de penetración de las mismas. La plancha de corte puede ser soldada a la columna usando tanto soldadura de filete como soldadura de penetración, en cambio, que debe ser soldada al alma de la viga con soldadura de filete. Es importante extender la plancha como se describe en la Fig. III-5, para no causar concentración de esfuerzos cerca del extremo del agujero de acceso para la soldadura. La conexión del alma también puede ser realizada con una plancha de corte soldada al ala de la columna, y empernada al alma de la viga. El comportamiento de esta conexión es directamente dependiente de la calidad de las soldaduras de penetración completa entre las alas de vigas y columnas, y del comportamiento transversal de las alas de la columna, por lo que es necesario tener especial cuidado con la forma utilizada para hacer las CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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reducciones de sección, estas deben ser transiciones suaves para evitar efectos de concentración de tensiones. Una de las principales desventajas de este tipo de conexión es que requiere el uso de vigas más grandes para mantener la resistencia requerida en la sección reducida, esto implica, que se requiere una cantidad adicional de material (ver Fig. III-6).

Figura III-6 Material adicional (exceso) en Conexión con Sección Reducida (Fuente: Referencia XXX)

III.2.1.5 Conexión con Planchas Soldadas a las Alas (WFP) “Welded Flange Plate Connection” Este tipo de conexión utiliza planchas que conectan las alas de la viga al ala de la columna, sin ninguna conexión directa entre las alas de la viga y el ala de la columna. Esta plancha es unida al ala de la columna mediante una soldadura de penetración completa, mientras que es conectada al ala de la viga, a través de soldadura de filete tanto en la parte inferior como en la parte superior de la viga, respectivamente. La Figura III-7, muestra los detalles típicos para este tipo de conexión. Esta conexión fue ensayada en la Universidad de California en Berkeley (U.S.A.), y muchas conexiones similares han sido ensayadas por particulares privados, previo a los ensayos dirigidos por el proyecto SAC. La conexión tiene similitudes con la conexión WUF-W, y con la conexión “CoverPlate” -que ha sido extensamente utilizada-, aunque su comportamiento es comparable al de la WUFW. Esta última, antes que la Cover-Plate, comúnmente utilizada desde 1994 hasta la publicación del FEMA-267A, ha sido recomendada para el uso de nuevas edificaciones, porque la soldadura, del mismo espesor de la plancha, es considerada más segura que las soldaduras del ala de la viga y el cover-plate. Es requerida para el uso de esta conexión precalificada, una conexión del alma con soldadura de junta de penetración completa (CJP). Este tipo de conexión del alma fue usado desde los primeros ensayados realizados. No han sido reportados ensayos utilizando almas empernadas.


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Notas: 1.

Plancha de Conexión. Para dimensiones ver Sección 3.5.4.1 (Pasos 1-4) – FEMA-350. Las planchas deben ser fabricadas con dirección de laminación paralela a la viga. 2. Soldadura CJP, con bisel simple o doble, en taller o en campo. Cuando se use bisel simple, debe removerse el material excedente después de la soldadura, y reforzar con una soldadura de filete de 5/16” mínimo. Cuando se use doble bisel, retirar el material excedente, antes de soldar por el otro lado. Soldadura: QC/QA categoría AH/T. Si las planchas son soldadas en taller a la columna, debe tenerse especial cuidado en la colocación y nivelación de las plancha, ya que no es permitida la colocación de planchas de relleno entre las planchas de conexión y las alas de la viga. Si las planchas son soldadas a la columna en campo, después de conectar la viga, debe preverse un agujero suficientemente amplio, para la soldadura de apoyo y la soldadura de penetración. 3. Soldadura de Filete en los bordes entre las planchas y las alas de la viga. Sus dimensiones, de acuerdo con la Sección 3.5.4.1 (Paso 5) – FEMA-350. La soldadura puede hacerse en taller o en campo. Proporcionar planchas de respaldo para proveer un completo espesor de garganta de la soldadura al final de la plancha. Remover las planchas de respaldo, y esmerilar la soldadura. Tener cuidado para evitar marcas de esmeril en el ala de la viga. Soldadura QC/QA categoría BH/L. 4. Soladura de filete al final de la plancha, contra el ala de la viga. Las soldaduras pueden ser en taller o en campo. Mantener el espesor de la garganta sin sobrepasar 1” del canto del ala. Soldadura QC/QA categoría BH/T. 5. Plancha de Corte con longitud db-2k-2”. El espesor de la plancha de corte debería ser igual al del alma de la viga. 6. Pernos de montaje: número, tipo, y dimensiones, seleccionadas para las cargas de montaje. 7. Soldadura de penetración parcial, a todo lo largo del lado alejado. Soldadura QC/QA categoría BM/T. 8. Soldadura de filete a ambos lados. El filete sobre el lado alejado del alma de la viga, debe tener el mismo espesor de la plancha de corte. El filete del lado del alma de la viga, debe ser de ¼”. Soldadura: QC/QA categoría BH/T. 9. Soldadura de filete entre la plancha de corte y el alma de la viga. El espesor de la soldadura debe ser igual al de la plancha de corte menos 1/16”. Soldadura: QC/QA categoría BH/L. 10. Para planchas de continuidad y doble plancha en el alma, ver Fig 3-6 - FEMA-350. Para el cálculo de los requerimientos de las planchas de continuidad, usar las propiedades de las planchas de conexión en lugar de las propiedades del ala de la viga.

Figura III-7 Conexión con Planchas Soldada a la Alas (WFP) (Fuente: FEMA 350) CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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Tabla III-E Datos Precalificados para Conexiones WFP General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Espesor de ala Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna Altura del Alma (dc) Calidad del Material Relaciones Viga/Columna/Plancha Resistencia de la Zona de Panel Resistencia a Flexión Viga/Columna

OMF, SMF dc /2 + lp (ver Fig. ¿? – FEMA-350) Menor o igual a W36 OMF: 5 SMF: 7 OMF: Menor o igual a 1-1/2” SMF: Menor o igual a 1” A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75 OMF: Sin límites SMF: W12, W14 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 SMF: Secc. 3.3.3.2 – FEMA 350 Secc. 2.9.1 – FEMA-350

Detalles de Conexión Dimensiones de la Plancha Calidad del Material de Plancha Soldadura de las Alas Metal de Aporte para soldadura de Planchas Conexión del Alma Parámetros de Soldadura del Alma Espesor de Planchas de Continuidad

Secc. 3.3.3.2 – FEMA-350 Grado 50 ver Fig.III-7 Secc. 3.3.2.4 – FEMA-350 Secc. 3.5.4.3 – FEMA-350 (ver Fig.III-7) Secc. 3.3.2.4 – FEMA-350 Secc. 3.3.3.1 – FEMA-350. Considerar las dimensiones del ala de la viga para igualarlas a las dimensiones de la Plancha

III.2.2 Conexiones Empernadas Precalificadas III.2.2.1 Conexión de Placa Extrema Empernada No-Rigidizada (BUEP) “Bolted Unstiffened End Plate Connection” Este tipo de conexión consiste en una plancha que se suelda, en el taller, al extremo de la viga, utilizando soldadura de penetración competa entre las alas de la viga y la plancha, y soldadura de filete a ambos lados del alma de la viga, contra dicha plancha. Posteriormente, el conjunto, se emperna en campo al ala de la columna (ver Fig. III-8). La soldadura de penetración completa en el ala de la viga, es realizada sin usar el agujero de acceso, y por lo tanto, no es una soldadura precalificada en el área del alma de la viga, donde la plancha de respaldo no puede ser instalada. Sin embargo, la calificación de este detalle de la junta no es necesaria para reunir los requerimientos de la AWS ( Allowable Weld Specifications?). Este tipo de conexión puede ser usado tanto en sistemas con pórticos a momento de bajo nivel de diseño (OMF), como con pórticos especiales a momento (SMF), sin las limitaciones en el tamaño de los miembros, como los proporcionados en la Tabla III-F. CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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Notas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Plancha Extrema ASTM A36. Para dimensiones ver Sección 3.6.1.1 – FEMA-350 Soldadura con Junta de Penetración Completa (CJP). Ver FEMA-353. Soldadura: QC/QA categoría AH/T. Soldadura de Filete a ambos lados del alma, o soldadura CJP. Ver Sección 3.6.1.3 – FEMA-350. Soldadura QC/QA categoría BM/L. Pernos pretensados ASTM A325 ó A490. Diámetro menor o igual a 1-1/2”. Ver Sección 3.6.1.1 – FEMA-350. La ubicación de los Pernos, es parte del diseño de la Plancha Extrema. Ver Sección 3.6.1.1 – FEMA350. Para las Planchas de Continuidad y Doble Plancha en el Alma, ver Figura 3.6 – FEMA-350. Para el cálculo de la resistencia de la Zona del Panel, ver Sección 3.6.1.1 – FEMA-350. Plancha de Relleno según sea requerido. Esta no deben ser colocada con salientes.

Figura III-8 Conexión de Placa Extrema Empernada No-Rigidizada (BUEP) (Fuente: FEMA 350)


CAPÍTULO III

29

Figura III-F Datos Precalificados para Conexiones BUEP General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Espesor de ala Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna Altura del Alma (dc) Espesor del ala Calidad del Material

OMF, SMF dc / 2 + tpl + db / 3 (ver Fig. 3.2 – FEMA-350) Igual o menor a W30, para OMF Igual o menor a W24, para SMF OMF: 5 SMF: 7 Mayores a ¾” A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75 OMF: Sin límites SMF: W8, W10, W12, W14 Secc. 3.6.1.1(Paso 7) – FEMA-350 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 ó 65


Secc. 3.3.3.2, Secc. 3.6.1.1 (Paso 9) – FEMA 350 Secc. 2.9.1 – FEMA-350

Detalles de Conexión Pernos: Diámetro Calidad Requerimientos de Instalación Arandelas

Secc. 3.6.1.1 (Paso 2) – FEMA-350 Grado A325 y A490 Pretensados Una F436 cuando sea requerido

Tipo de perforación

Estándar

Espesor Calidad del Material

Secc. 3.6.1.1 (Pasos 3 y 4) – FEMA-350 ASTM A36

Plancha Extrema:

Soldadura de las Alas: Tipo de Soldadura

Metal de Aporte

Soldadura CJP, similar a AWS TC-U4b, soldadura de filete 3/8” usada como respaldo, como material base previo al inicio del la soldadura de penetración (FIg. III-8). Secc. 3.3.2.4 – FEMA-350

Agujero para el acceso de la soldadura Conexión del Alma:

No permitido Ver Fig. III-8

Espesor de la Plancha de Continuidad:

Secc. 3.6.1.1 (Pasos 6 y 8) – FEMA-350


CAPÍTULO III

30

El comportamiento de este tipo de conexión puede estar controlado por diferentes modos de falla, incluyendo: cedencia a flexión de la sección de viga, cedencia a flexión de la plancha extrema, cedencia de la zona de panel de la columna, falla por tracción o corte en los pernos de conexión, y falla de varias juntas soldadas. Algunos de estos modos son frágiles, y por ende indeseables, mientras otros presentan una ductilidad significativa. La cedencia a flexión de la viga y a corte en la zona de panel de la columna, son modos de comportamiento capaces de exhibir niveles aceptables de comportamiento inelástico, a diferencia de los otros modos. A fin de diseñar una conexión de este tipo, es necesario seleccionar cuáles de los modos de comportamiento son permitidos para controlar las deformaciones inelásticas de la conexión. Una vez seleccionados éstos, los diferentes elementos de la conexión son diseñados tal que sea improbable la ocurrencia de los otros modos. La principal ventaja de este tipo de conexión consiste en ser una conexión que utiliza soldadura hecha en el taller y se emperna en campo; y algunas dificultades que presenta, de tipo constructivo, se deben a la exactitud necesaria en cuanto a la longitud de las vigas, y a la precisión de las perforaciones entre las planchas y la columna; sin embargo, las mismas son superables sin mayor incidencia económica.

III.2.2.2 Conexión de Placa Extrema Empernada Rigidizada (BSEP) “Bolted Stiffened End Plate Connection” Este tipo de conexión es similar a la conexión anterior (BUEP), inclusive, su forma de fabricación y montaje es exactamente la misma (ver Fig. III-9), la diferencia es que la parte de la plancha extrema que queda libre por encima y por debajo de las alas de la viga, son rigidizadas con unas planchas planas. Estas planchas rigidizadoras con doble bisel, son soldadas con soldadura de penetración completa contra las alas de la viga, y la placa extrema. Esta conexión puede ser usada tanto en sistemas con pórticos a momento de bajo nivel de diseño (OMF), como con pórticos especiales a momento (SMF), sin las limitaciones en el tamaño de los miembros, como los proporcionados en la Tabla III-G. El comportamiento de este tipo de conexión es muy parecido al de la conexión BUEP.


CAPÍTULO III

31

Notas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Plancha Extrema ASTM A36. Para dimensiones ver Sección 3.6.2.1 – FEMA-350 Soldadura CJP. Ver FEMA-353. Soldadura: QC/QA categoría AH/T. Soldadura de Filete a ambos lados del alma, o soldadura CJP. Ver Sección 3.6.2.4 – FEMA-353. Soldadura QC/QA categoría BM/L. Pernos pretensados ASTM A325 ó A490. Ver Sección 3.6.2.1 – FEMA-350. La ubicación de los Pernos, es parte del diseño de la Plancha Extrema. Ver Sección 3.6.2.1 – FEMA350. Para las Planchas de Continuidad y Doble Plancha en el Alma, ver Figura 3.6 – FEMA-350. Para el cálculo de la resistencia de la Zona del Panel, ver Sección 3.6.2.1 – FEMA-350. La forma de los Rigidizadores es como se muestra, y su espesor debe ser el mismo que el espesor del alma de la viga. Los rigidizadores poseen doble bisel para soldadura de penetración completa, contra ambas alas de la viga, y la plancha extrema. Soldadura: QC/QA categoría AH/T para la soldar contra la plancha extrema, y BM/L para soldar contra la viga. Plancha de Relleno según sea requerido. Esta no debe ser colocada con salientes.

Figura III-9 Conexión de Placa Extrema Empernada Rigidizada (BSEP) (Fuente: FEMA 350) CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

CAPÍTULO III

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Tabla III-G Datos Precalificados para Conexiones BSEP

General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Espesor de ala Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna Altura del Alma (dc) Espesor del ala Calidad del Material

OMF, SMF dc / 2 + tpl + Lst (ver Fig. ¿? – FEMA-350) W36 OMF: 5 SMF: 7 1” A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75 OMF: Sin límites SMF: W12, W14 Secc. 3.6.2.1(Paso 6) – FEMA-350 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 ó 65


Secc. 3.6.2.1 (Paso 7) – FEMA 350 Secc. 2.9.1 – FEMA-350

Detalles de Conexión Pernos: Diámetro Calidad Requerimientos de Instalación Arandelas

Secc. 3.6.2.1 (Paso 1) – FEMA-350 Grado A325 y A490 Pretensados Una F436 cuando sea requerido

Tipo de perforación

Estándar

Espesor Calidad del Material

Secc. 3.6.2.1 (Paso 2) – FEMA-350 ASTM A36

Plancha Extrema:

Soldadura de las Alas: Tipo de Soldadura

Material de Aporte

Soldadura CJP, similar a AWS TC-U4b, soldadura de filete 3/8” usada como respaldo, como material base previo al inicio del la soldadura de penetración (FIg. III-9). Secc. 3.3.2.4 – FEMA-350

Agujero para el acceso de la soldadura Conexión del Alma:

No permitido Ver Fig. III-9

Espesor de la Plancha de Continuidad:

Secc. 3.6.2.1 (Pasos 4 y 5) – FEMA-350


CAPÍTULO III

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III.2.2.3 Conexión de Plancha de Ala Empernada (BFP) “Bolted Flange Plate Connection” Esta conexión utiliza planchas que son soldadas en taller al ala de la columna, utilizando soldadura de penetración competa, para posteriormente, ser empernadas en campo a las alas de la viga (ver Fig. III10). El alma de la viga, es conectada al ala de la columna con una plancha de corte empernada. La Tabla III-H presenta las limitaciones de este tipo de conexión precalificada.

Notas: 1.

2.

3. 4. 5.

Las dimensiones de la Plancha y los Pernos, de acuerdo con la Sección 3.6.3.1 – FEMA-350. Los Pernos son completamente pretensados, ASTM A325 ó A490. Las perforaciones para los pernos en las Planchas, son de mayores al estándar, y son estándar en las alas de la viga. Arandelas según se requiera por RCSC (¿¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡) – Secc. 7. Soldadura CJP, para bisel simple o doble. La soldadura puede hacerse en taller o en campo. Cuando se utilice bisel simple, remover el material excedente después de la soldadura, y reforzar con soldadura de filete de 5/16” de espesor mínimo. Cuando se utilice doble bisel, depositar material de soldadura antes de soldar por el otro lado. Soldadura: QC/QA categoría AH/T. Las Planchas de Relleno, son permitidas entre las planchas y las alas de la viga. Las dimensiones de la Plancha de Corte y Pernos según Secc. 3.6.3.2 – FEMA-350. Las perforaciones de pernos en las planchas de corte son más cortos horizontalmente, mientras que las perforaciones en el alma de la viga son estándar. Soldadura QC/QA categoría BM/L. Para las Planchas de Continuidad y la Doble Plancha en el alma, ver Fig. 3.6 – FEMA-350. Para los requerimientos de cálculo de la plancha de continuidad, usar las propiedades de la Plancha de conexión, como propiedades del ala de la viga.

Figura III-10 Conexión de Plancha de Ala Empernada (BFP) (Fuente: FEMA 350) CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

CAPÍTULO III

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Tabla III-H Datos Precalificados para Conexiones BFP General Sistemas Aplicables Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Espesor de ala Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna

OMF, SMF dc / 2 + Lp (ver Fig. ¿? – FEMA-350) OMF: mayores a W36 SMF: mayores a W30 OMF: 5 SMF: 8 OMF: mayores a 1-1/4” SMF: mayores a ¾” A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75

Altura del Alma (dc)

OMF: Sin límites SMF: W12, W14


A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50 ó 65



Detalles de Conexión Planchas de Conexión: Calidad del Material Método de Diseño Soldadura para las Alas Parámetros de Soldadura de las Alas

A36, a572 Grado 42 ó 50 Secc. 3.6.3.1 (Pasos 4 y 5) – FEMA-350 Soldadura QC/QA categoría AH (ver Fig. III-10) Secc. 3.3.2.4, 3.3.2.5, 3.3.2.6

Características de los Pernos: Diámetro Calidad Espaciamiento entre Pernos Requerimientos de Instalación Arandelas Parámetros de Conexión del Alma: Conexión del Alma

Secc. 3.6.3.1 (Pasos 6 y 7) – FEMA-350; máx. 1-1/8” Grado A325-X ó A490-X 3 veces el menor diámetro de los pernos Pretensados F436 según sea requerido Secc. 3.6.3.1 (Paso 12) – FEMA-350; Plancha de corte soldada al ala de la columna y empernada a la viga. Perforaciones para los pernos, alargados en dirección vertical (ver Fig. III-10)

El comportamiento de este tipo de conexión puede estar gobernado por diferentes modos de falla, incluyendo: cedencia a flexión de la sección de viga, cedencia a flexión en las planchas de conexión, cedencia de la zona de panel de la columna, falla por tracción en el área neta del ala de la viga o en las planchas de conexión, falla por corte en las conexiones empernadas, o falla de las juntas soldadas. CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

CAPÍTULO III

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Las conexiones de este tipo, deben estar controladas por un comportamiento dúctil, donde los diferentes elementos de la conexión sean diseñados con suficiente resistencia tal que sea improbable la ocurrencia de modos de falla frágil. Según ensayos realizados y publicados por el FEMA-355D, el mejor comportamiento inelástico es alcanzado con la cedencia balanceada en los tres mecanismos: flexión en la viga, extensión y compresión de las planchas de conexión, y la cedencia de la zona de panel.

III.2.2.4 Conexión con Doble T-Partida (DST) “Double Split Tee Connection” Este es un tipo de conexión a momento, que está precalificada como Parcialmente Restringida: plena capacidad resistente, con rigidez parcial. Se dice que es parcialmente rígida, porque su deformación incrementa la deriva calculada de la estructura, en más del 10%; y, se considera con plena capacidad resistente, porque posee la capacidad de desarrollar el momento plástico total esperado en la viga. La conexión Doble T-Partida, emplea como conectores entre las alas de la viga y el ala de la columna, perfiles Doble-T partidos y empernados; mientras que para conectar el alma de la viga al ala de la columna, utiliza planchas de corte, soldadas a la columna y empernadas a la viga. Este tipo de conexión es precalificada para su uso, según las limitaciones indicadas en la Tabla III-I. La Figura III-11, presenta un detalle típico de la misma. El comportamiento de este tipo de conexión puede estar gobernado por diferentes modos de falla: cedencia a flexión de la sección de viga, cedencia a flexión en las alas o el alma de la T-partida, cedencia a corte de la zona de panel de la columna, falla por tracción en el área neta del ala de la viga o del alma de la T-partida, falla por tracción o corte en las conexiones empernadas, dependiendo de las proporciones relativas de los diferentes componentes (ver el FEMA-355D para más detalles).


CAPÍTULO III

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Notas: 1. 2. 3. 4. 5.

T-partida: longitud, ancho, y espesor, de acuerdo con la Sección 3.7.1.2 – FEMA-350. Pernos completamente pretensados, ASTM A325 ó A490, con perforaciones estándar for bearing. Para sus dimensiones, ver Sección 3.7.1.2 (Pso 7) – FEMA-350. Pernos completamente pretensados, ASTM A325 ó A490, con perforaciones estándar for bearing. Para sus dimensiones, ver Sección 3.7.1.2 (Pso 4) – FEMA-350. Las Planchas de Corte soldadas al ala de la columna, con soldadura CJP o con soldadura de filete a ambos lados. Para los cálculos de la resistencia de las planchas de corte, soldaduras y pernos, ver Sección 3.7.1.2 (Paso 14) – FEMA-350. Soldadura QC/QA categoría BM/L. Para las Planchas de Continuidad y la Doble Plancha en el alma, ver Fig. 3.6 – FEMA-350.

Figura III-11 Conexión con Doble T-Partida (Fuente: FEMA 350)


CAPÍTULO III

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Tabla III-I Datos Precalificados para Conexiones DST (FSDST) General Sistemas Aplicables Clasificación de la Conexión Distancia de Localización de la Rótula Plástica, Sh Parámetros Críticos de la Viga Altura del alma (db) máxima Relación mínima luz-altura de viga Calidad del Material Parámetros Críticos de la Columna Altura del Alma (dc)

Calidad del Material Espesor del Ala

OMF, SMF Plena Capacidad Resistente (FS) – Parcialmente Rígida (PR) Extremo de la T-partida OMF: W36 SMF: W24 OMF: 5 SMF: 8 A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75 OMF: Sin límites SMF: W12, W14 Ancho del ala gobernado por la longitud requerida del ala de la T-partida A572 Grado 50, A992, A913 Grado 50/S75 Secc. 3.7.1.2 (Pasos 11 y 12) – FEMA-350.



Detalles de Conexión Parámetros de la T-partida: Tipo de Perforación Calidad del Material Método de Diseño Parámetros de Conexión del Alma: Plancha de Corte: Calidad del material Espesor de la Plancha Tipo de Perforación Tipo de Soldadura Material de Aporte Angulo de alma Doble: Calidad del material Espesor del ángulo Tipo de Perforación

Estándar A572 Grado 50, A992 Secc. 3.7.1.2 – FEMA-350

A36, A572 Grado 50 5/16” a ½” SSLT (¡?¡¡¡) CJP, o Soldadura de filete doble Secc. 3.3.2.4 – FEMA-350 A36, A572 Grado 50 5/16” a ½” STD (¿????), SSLT (¿???????)

Características de los Pernos: Diámetro Calidad Espaciamiento entre Pernos Requerimientos de Instalación CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

7/8” ó 1” Grado A325-X ó A490-X 3 veces el menor diámetro de los pernos Pretensados

CAPÍTULO III

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Arandelas

F436 según sea requerido

III.3. Otras Conexiones Post-Northridge III.3.1 Conexión tipo Cubre-Placas (WCPF) “Welded Cover Plates Flange Connections” En este tipo de conexión se colocan planchas de refuerzo a las alas de la viga, y se sueldan mediante soldaduras de filete, para transmitir las fuerzas de la plancha a las alas (ver Fig. III-12). La plancha de refuerzo inferior se suelda a la columna en el taller, y el ala inferior de la viga se suelda en campo, a la columna y a la plancha de refuerzo. El ala de la viga y la plancha de refuerzo superiores, se sueldan en campo al ala de la columna. La conexión del alma puede hacerse usando soldadura o pernos de alta resistencia. Este tipo de conexión se convirtió en la más usada inmediatamente después del terremoto de Northridge, debido a que fue una de las primeras ensayadas que alcanzó niveles de rotación plástica aceptables, que es relativamente económica, comparada con otras configuraciones de refuerzo, y tiene un impacto arquitectónico limitado. Como consecuencia existe un gran número de ensayos realizados con este tipo de conexión, cubriendo un amplio intervalo de tamaño de miembros. Este tipo de conexión parece ser más confiable que el detalle típico Pre-Northridge, sin embargo, en un número significativo de ensayos se han reportado fallas causadas por fracturas similares a las descubiertas en la conexión Pre-Northridge. Por esta razón se recomienda a los diseñadores usar conexiones alternativas a menos que se utilicen en sistemas aporticados con un alto grado de redundancia. Uno de los factores críticos que debe tenerse en cuenta en el diseño de este tipo de conexiones es el espesor total del ala de la viga y la plancha de refuerzo. Durante el diseño se debe tratar de minimizar éste espesor porque de esta forma se reducirá el tamaño de la soldadura de penetración completa entre estos elementos y la columna. Aunque no existe una especificación por parte de la AWS, o la AISC, una recomendación empleada consiste en limitar el espesor total a la menor dimensión entre: dos veces el espesor del ala de la viga, y el espesor total de la columna. [Ref. 32]

Figura III-12 Conexión tipo Cubre-Placas (WCPF) CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

CAPÍTULO III

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(Fuente: Ref-XXX)

III.3.2 Conexión con Ménsula Inferior (WBH) “Welded Bottom Haunch Connection” Al igual que las conexiones tipo cubre-placa y con cartelas, el propósito de las conexiones con ménsula inferior es desplazar de la cara de la columna, el punto de formación de rótula plástica, incrementando la profundidad de la sección y reduciendo la tensión en la soldadura (ver Figura III-13).

Figura III-13 Conexión con Ménsula Inferior (WBH) (Fuente: Ref-XXX)

Tratando de mejorar las conexiones de edificaciones existentes mediante la utilización de ménsulas inferiores, se llevó a cabo en 1998 un proyecto por la NIST y la AISC que demostró, que este tipo de conexiones tienen un buen comportamiento, debido a que la ménsula crea un soporte por debajo del ala inferior de la viga, que ayuda a reducir las tensiones a flexión efectivas en la viga, y reduce altamente la fuerza cortante que se transmite a la columna. Este tipo de conexión ha sido utilizado exitosamente en la rehabilitación de conexiones en edificios existentes, demostrando en varios ensayos [Ref. 32] un comportamiento adecuado, a excepción de aquellos especimenes en los que la junta soldada vulnerable, se dejó en el ala superior de la viga. Antes de utilizar conexiones con ménsula inferior es necesario tener en cuenta que la soldadura que une a la ménsula, con la viga y la columna, pueden ser difíciles de realizar. También que al incrementar la profundidad de la viga, puede resultar una configuración poco atractiva arquitectónicamente. Además que el comportamiento puede no ser adecuado, si el ala superior de la viga no está exenta de pandeo.


CAPÍTULO III

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III.3.3 Conexión con Ménsula Superior e Inferior (WTBH) “Welded Top and Bottom Haunch Connection” Como se muestra en la Figura III-14, este tipo de conexión presenta ménsulas por debajo del ala inferior de la viga y por encima del ala superior de la misma.

Figura III-14 Conexión con Ménsula Superior e Inferior (WTBH) (Fuente: Ref-XXX)

Los ensayos realizados utilizando este tipo de conexión han demostrado grandes rotaciones plásticas, y además, la gran ventaja que presenta con respecto a las demás, es que debido a ser muy redundante, cuando falla alguna de las soldaduras de las ménsulas, se cuenta con la resistencia de las soldaduras de las alas de la viga. Sin embargo, esta conexión, es una de las más costosas, y la presencia de las ménsulas superior e inferior pueden ser un problema arquitectónico.


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III.3.4 Conexión Acartelada Este tipo de conexión incluye refuerzos soldados a la viga y a la columna (ver Fig. III-15) mediante los cuales se pretende disminuir la tensión en la soldadura del ala de la columna, y así, desplazar el punto de formación de la rótula plástica, de la cara de la columna. Esta conexión puede estar sujeta a fallas en el espesor del ala de la columna, sin embargo, es más resistente que las conexiones con planchas de refuerzo. Su buen desempeño depende de la calidad de la soldadura de las alas de la viga. Los diseños pueden incluir, una cartela en la línea media del ala, o, dos distribuidas en ésta; sin embargo, algunos ensayos realizados sobre conexiones con una sola cartela demuestran que se pueden presentar fallas prematuras en la soldadura de ésta con la viga, por lo tanto es recomendable realizar este tipo de conexiones con dos cartelas distribuidas en el ala.

Figura III-15 Conexión Acartelada (Fuente: Ref-XXX)

También es importante tener en cuenta, que las cartelas pueden causar concentración de tensiones en las alas de la columna, generando pandeos locales en ésta. Según fabricantes y constructores, el costo de esta conexión es relativamente alto en comparación con otras.


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III.3.5 Conexión con Columna en Árbol En este tipo de conexión, ampliamente usado en Japón, consiste en soldar, en taller, pequeñas porciones de viga a la columna, usando una soldadura de penetración completa, el resto de la viga es empernada o soldada en campo (ver Figura III-16). Existen variaciones de éste detalle dependiendo si la conexión de la viga se ejecuta en campo, con pernos o soldadura. Se obtienen mayores beneficios si dicha conexión se hace empernada, ya que el procedimiento de soldadura, en el taller, resulta de alta calidad, de fácil inspección y económica. Las porciones de viga soldadas a la columna pueden ser de mayor sección que el resto de viga, también para desplazar la formación de rótulas plásticas a una distancia predeterminada de la cara de la columna. Este tipo de conexión sufrió daños considerables durante el terremoto de Kobe en 1995, y además presenta características inconvenientes, por ejemplo, se proporciona continuidad a las porciones de viga y se suelda la parte superior e inferior de la columna en el taller. Sin embargo, este detalle ha sido ensayado principalmente en Japón, y en Estados Unidos se cuenta con algunos resultados de ensayos [Ref. 38] que han presentado resultados satisfactorios. El comportamiento de la conexión depende, directamente de la calidad de la soldadura entre las alas de viga y columna, y de las propiedades transversales del ala de la columna.

Figura III-16 Conexión con Columna en Árbol (Fuente: Ref-XXX)


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III.3.6 Conexiones Post-Northridge Patentadas A continuación son presentadas algunas de las conexiones que han sido desarrolladas y patentadas por entes privados. Estas fueron evaluadas por algunas agencias jurídicas, y encontradas aceptables para proyectos específicos, y en algunos casos de aplicación general, dentro de las autoridades jurisdiccionales. Ni el FEMA, ni el SAC, respaldan cualquier información expuesta o, cualquiera de las afirmaciones o declaraciones hechas por sus autores, en cuanto a los atributos o las aptitudes de las mismas, para su utilización en determinados proyectos. El uso de estas conexiones no debe realizarse sin la debida autorización, pues se estaría violando la ley de derechos de autor. III.3.6.1 Conexión de Placa Lateral (SP) “Side Plate Connection” Este tipo de conexión es un sistema patentado (SidePlate TM ) que consiste en transmitir las fuerzas de tracción y compresión, desde la viga a la columna, a través de planchas conectadas con soldaduras de filete (ver Fig III-17). La principal ventaja de este tipo de conexión es la eliminación de las soldaduras de penetración completa entre las alas de la viga y la columna, evitando de esta manera las fracturas frágiles de la soldadura, principal problema de la conexión Pre-Northridge.

Figura III-17 Conexión de Placa Lateral (SP) (Fuente: Ref-XXX)

Este sistema ha demostrado, experimentalmente, un comportamiento adecuado alcanzando niveles de deformación plástica satisfactorios. Las principales características del sistema con placa lateral son: · La geometría del sistema permite que exista una separación física entre la cara de la columna y el extremo de la viga (ver Fig. III-17), lo que elimina los comportamientos frágiles observados en el detalle Pre-Northridge.


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· El uso de las planchas laterales de profundidad completa, proporciona un mecanismo de disipación de energía fuera de la columna. El comportamiento rotacional es independiente de la participación de la zona de panel de la columna. [Ref. 20]. Igualmente el incremento de rigidez proporcionado por las planchas laterales incide en la rigidez global del pórtico, lo que puede usarse para cumplir con los requisitos de deriva. · Este sistema permite que todas las soldaduras de filete se ejecuten en el taller, y una secuencia de montaje usando el sistema columna en árbol (ver Fig. III-18), permite lograr la eficiencia en el montaje y una reducción en los procedimientos de inspección de soldaduras. · Las trayectorias de carga están identificadas. La transferencia de momentos se logra mediante el uso de planchas y soldaduras de filete cargadas de manera predecible. El conocimiento de los mecanismos reales de transferencia de las cargas provee un entendimiento de la función de cada elemento en la conexión y permite la aplicación de un procedimiento racional de diseño.

Figura III-18 Proceso de Montaje de la Conexión de Placa Lateral (Fuente: Ref-XXX)

A pesar del buen comportamiento demostrado experimentalmente por este tipo de conexiones, presenta algunas desventajas que deben tenerse en cuenta de acuerdo con el tipo de proyecto a ejecutar: · Por el hecho de ser un sistema patentado, su utilización esta sujeta a la aprobación del dueño de la patente, lo que conduce a costos adicionales. · A pesar de los beneficios de la rigidización, la utilización de las planchas laterales y de las planchas superior e inferior, representan una mayor cantidad de acero en el proyecto. · Tienen un impacto arquitectónico relativamente mayor al de otros tipos de conexión.


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III.3.6.2 Conexión con Alma Ranurada (SW) “Sloted Web Connection” Este tipo de conexión con ranuras horizontales en el alma de la viga, (ver Fig. III-19), se usa con el objeto de obtener una distribución de tensiones y deformaciones más uniforme a través del ala de la viga, para evitar la concentración de tensiones, en el centro del ala de la viga, observada en las conexiones Pre-Northridge. Este tipo de conexión ha sido ensayada exitosamente [Ref. 38], y está siendo usada en Estados Unidos, tanto para reparación y rehabilitación de conexiones Pre-Northridge, como para la construcción de nuevos pórticos.

Figura III-19 Conexión con Alma Ranurada (SW) (Fuente: ¿¡¡¡)

Existen diversas variaciones de este tipo de conexión, sin embargo el más ensayado consiste en un sistema patentado, como el que se muestra en la figura anterior, y que ha mostrado resultados muy satisfactorios [Ref. 5 ], a través de:  Una distribución de tensiones y deformaciones uniformes en la soldadura entre las alas de viga y columna,  La significativa reducción de los esfuerzos residuales en el conjunto soldado,  El pandeo local de las alas de la viga bajo cargas de compresión,  Permitir un pandeo independiente del alma y de las alas de la viga,  La eliminación de tensiones de corte por las alas de la viga,  La eliminación del modo de pandeo torsional y  La participación del alma de la viga para resistir la porción de momento correspondiente. Este detalle ha demostrado una capacidad de rotación inelástica adecuada, sin embargo requiere de una buena calidad de soldadura ejecutada en campo. Es un detalle potencialmente económico pero, como ya se mencionó, es patentado.


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III.3.6.3 Conexión con Apoyos Empernados (BB) “Bolted Braccket Connection” La conexión mostrada en la Figura III-20, posee un par de resistentes apoyos, empernados a las alas superior e inferior de la viga y al ala de la columna, a través de los cuales son transmitidas la fuerza cortante y el esfuerzo flector de la viga, a la columna. Este concepto, es del dominio público, sin embargo, no ha sido desarrollada una data genérica de precalificación. Un autor, ha desarrollado modelos de estos apoyos de acero, patentados, para los cuales ha preparado unas especificaciones de diseño calificadas; pero, esta información, no es de libre acceso, debe ser directamente solicitada a su autor.

Figura III-20 Conexión con Apoyos Empernados (Fuente: FEMA-350)


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III.3.6.4 Conexión de Alma Reducida (RW) “Reduced Web Connection” La sección de Alma Reducida utiliza las principales capacidades de diseño para proteger a la conexión viga-columna de elevados esfuerzos, a través de la introducción de grandes agujeros en el alma de la viga (ver Fig. III-21). Estas aberturas son lo suficientemente grandes para generar la cedencia del alma a lo largo de la viga, permitiendo que la región de conexión permanezca, teóricamente, en rango elástico. Realizados algunos ensayos con ciclos de carga alternantes, los resultados mostraron lazos histeréticos estables, que se mantenían para derivas relativas entre pisos superiores al 6%, desarrollando además, los mecanismos de deformación predichos. Para su diseño, se emplean los detalles de la conexión precalificada WUF-B, exceptuando la soldadura en el alma de la viga. Una gran ventaja de este tipo de construcción, es que permite el paso de equipos mecánicos a través de los agujeros, reduciendo los costos de construcción asociados, y permitiendo además, reducir las alturas de entrepiso. Esta tecnología está protegida por una patente.

Figura III-21 Conexión de Alma Reducida (RW) (Fuente: FEMA-350)


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III.4. Ensayos Realizados III.4.1 Procedimientos de Ensayo El programa de ensayo, seguiría los requerimientos del Apéndice S de la AISC, con las excepciones y modificaciones a continuación discutidas. El programa debería incluir los ensayos de al menos dos especímenes, para obtener una combinación de las dimensiones de la viga y la columna. Los resultados de los ensayos, serían capaces de predecir el valor medio de la capacidad a deformación lateral (deriva), para los estados de comportamiento descritos en la Tabla III- J. El ángulo de deriva relativo (q), debe ser definido como lo indica en la Figura III-22. El criterio de aceptación es indicado en el apartado III.4.2. Tabla III-J Límites del Angulo de Deriva Relativa entre Niveles, para varios Niveles de Comportamiento Nivel de Comportamiento Degradación de Resistencia

Último

Símbolo

Capacidad de Deriva

θSD

Tomado como el valor de θ, el de la Fig. III-22, tal que ocurra la falla de la conexión, o que la resistencia de la conexión se degrade menos que la capacidad plástica nominal, cualquiera que sea menor.

θU

Tomado como el valor de θ, el de la Fig. III-22, tal que el daño en la conexión sea tan severo, que es incierta la capacidad para permanecer estable bajo cargas gravitacionales.

∆CL

LCL

Figura III-22 Ángulo de Rotación del Ensamblaje de ensayo (Fuente: FEMA-350)


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Las siguientes modificaciones y aclaratorias, aplican al Apéndice S de las Normas Provisionales Sísmicas de la AISC, 1997, como modificaciones Suplemenarias Nº1: 

En lugar de los requerimientos de la Sección S5.2, la dimensión de la viga en el espécimen ensayado, debe ser al menos la del alma más alta, y la más pesada, usada en la estructura. La columna debe ser conectada para representar correctamente la acción inelástica anticipada de la columna en la estructura real, para la viga usada en la muestra de ensayo. Extrapolaciones más allá de los estados límites, en esta sección, no es recomendable.



Como una alternativa de la secuencia de carga especificada en la Sección S6.3, el protocolo de carga (Krawinkler et al., 2000) del FEMA/SAC, es considerado aceptable. En el historial básico de carga, los ciclos deben ser simétricos en deformaciones pico. El historial es dividido entre pasos, y la deformación pico de cada paso, j, es dada como θj, un valor predeterminado del ángulo de deriva. El historial de carga mostrado en la Fig. III-23, es definido por los siguientes parámetros:

θ j : Deformación pico en el paso de carga j, n j : Número de ciclos realizados en el paso de carga j Tabla III-K Valores Numéricos de θ j y n j Nº Paso de Carga

Deformación Pico, θ

Número de ciclos, n

1

0.00375

6

2 3

0.00500 0.00750

6 6

4 5

0.01000 0.01500

4 2

6 7

0.02000 0.03000

2 2

Se continúa incrementando θ, en pasos de 0.01 rad, y se realizan dos ciclos en cada paso, hasta que la falla en el ensamblaje ocurra. Se considera que la falla debe ocurrir cuando la carga pico, en un ciclo, decaiga hasta 20% de aquella obtenida como carga máxima, o, si el ensamblaje se ha degradado, hasta un estado tal que su estabilidad bajo carga gravitacional, se vuelve incierta.

Comentarios: La Norma Provisional Sísmica de la AISC, 1997, ha sido adoptada como referencia dentro de las Recomendaciones Provisionales para Nuevas Edificaciones – NEHRP, 1997. La Norma AISC, incluye y requiere del uso del Apéndice S – Ensayos Cíclicos para Calificación de Conexiones Viga-Columna y Uniones a Columnas -, para la calificación de las conexiones que no son precalificadas. Este apéndice incluye un completo comentario de los requerimientos. Bajo el Apéndice S, los ensayos deben representar las grandes vigas anunciadas en el proyecto. La columna debe ser seleccionada para proveer una resistencia a flexión consistente con los requerimientos de columna fuerte-viga débil, los de resistencia de la zona de panel. El peso permitido y las dimensiones límites, contenidas en la Sección S5.2 del apéndice S, han sido eliminados. El historial de carga de la AISC y los criterios de aceptación, son descritos en términos de rotación plástica, mientras que los del protocolo de carga del FEMA/SAC, con sus recomendaciones de diseño, CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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son controlados por el ángulo de deriva total, como se definió previamente. El ingeniero debería asegurar, que los ajustes apropiados son realizados cuando se usa el historial de carga de la AISC con los Criterios Recomendados (Cap.2 – FEMA-350). El cálculo de θ, ilustrado en la Fig. III-22, asume que el tope y la base de la columna están restringidos contra traslación lateral. La altura del espécimen de columna ensayado, debería ser similar a la altura de nivel actual, para prevenir el desarrollo de grandes contribuciones irreales de flexión de la columna a θ. En general, un ángulo total de deriva, es aproximadamente igual a la rotación plástica medida como se indica en la figura, más 0.01 radianes. Sin embargo, al ingeniero es advertido, que la demanda de rotación plástica es frecuentemente medida en diferentes formas, y puede requerir trasformaciopnes para ser consistentes con las mediciones indicadas en dicha figura. III.4.1.2 Criterios de Aceptación Para elementos de configuración típica, de conformidad con todas las consideraciones para la aplicación de los requerimientos del FEMA-302, y el capítulo 2 –FEMA-350, el valor medio de la capacidad del ángulo de deriva relativa con degradación de resistencia, θSD, y la falla de la conexión, θU, obtenida del ensayo de calificación, no deben ser menores que los indicados en la Tabla III-L. El coeficiente de variación de estos dos parámetros, no deben exceder el 10%, a menos que el valor promedio, menos una desviación estándar, sea también no menor que el valor indicado en la Tabla. Tabla III-L Capacidades Mínimas del Ángulo Total de Deriva Relativo, θ SD, y θ U para Sistemas OMF y SMF Sistema Estructural

θ SD (radianes)

θ U (radianes)

OMF

0.02

0.03

SMF

0.04

0.06

Nota: ver definiciones de θSD y θU, en Secc. 4.6.2.2.2 – FEMA-350

Esta sección fija el criterio para el uso de especificaciones de calificación de conexiones, de acuerdo con la Secc. 3.9 – FEMA-350, y para el diseño de nuevas conexiones precalificadas en relación con la Secc. 3.10 – FEMA-350. Dos capacidades de ángulo de deriva relativo son tratadas. Los valores indicados en la Tabla III-L, formaron las bases para numerosas evaluaciones probabilísticas de la capacidad de varios sistemas estructurales, reportados en el FEMA-355F. Esta evaluación probabilística, indica una elevada confianza, en el orden del 90%, de que estructuras regulares y bien configuradas, reúnen los requerimientos del FEMA-302, y construidas con conexiones que tiene estas capacidades, puede reunir los objetivos de comportamiento propuestos con respecto a la protección contra el colapso global, y de seguridad moderada, en el orden del 50%, que las conexiones pueden resistir las máximas demandas sísmicas consideradas, sin daños de amenaza de vida. Detalles de conexiones con capacidades menores que aquellas indicadas en esta sección, no deberían ser incorporadas en las estructuras, a menos que un específico análisis probabilístico usando los procedimientos de evaluación de comportamiento, contenidos en el Capítulo 4 y el Apéndice A – FEMA-350, indique que puede ser obtenido un nivel aceptable de confianza, de comportamiento adecuado. Las conexiones en las estructuras donde las relaciones de alma-luz de la viga son menores que aquellas usadas para los ensayos de precalificación, experimentarán mayores esfuerzos en las alas que aquellos ensayados, en las rótulas plásticas y en la deriva de la estructura. Por esta razón, las conexiones usadas en tales estructuras, necesitan ser calificadas para derivas mayores como por la formulación de esta CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

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sección, a menos que las estructuras sean diseñadas para experimentar derivas proporcionalmente menores que las permitidas por el FEMA-302. III.4.1.3 Predicción Analítica del Comportamiento La calificación de la conexión debería incluir el desarrollo de un procedimiento analítico para predecir los estados límites del ensamblaje de conexión, como se demostró por el ensayo de calificación. Este procedimiento, permitiría la identificación de las demandas de resistencia y deformación, y los estados límites sobre varios elementos del ensamblaje, en varios estados de comportamiento. Además, debería ser lo suficientemente detallado para permitir el diseño de conexiones empleando miembros similares a aquellos ensayados, dentro de los límites establecidos en la Sección S5.2 de la AISC Seismic. Es importante para el diseñador, tener una comprensión de los comportamientos límites de cualquier detalle de conexión, ya que los detalles pueden ser diseñados y especificados sobre una base racional para ensamblajes que varían, dentro de los límites especificados de estos ensayos. III.4.14 Criterio de Ensayo de Precalificación Esta sección provee los lineamientos para la precalificación de las conexiones, para las cuales no están actualmente precalificadas, o para extender las limitaciones paramétricas para la precalificación listada en el apartado III-3. La precalificación incluye un programa de ensamblaje de conexión, prototipo de ensayo, suplementada por un procedimiento analítico apto que permite la predicción de los comportamientos identificados en el programa de ensayo. El propósito de esta sección es proveer los procedimientos recomendados para la precalificación de una conexión que no está actualmente precalificadas en el FEMA-350, o para extender el rango de dimensiones de los miembros, que pueden ser usadas con las conexiones precalificadas en la actualidad, para aplicaciones generales. Estos criterios, se entiende, requieren significativamente más ensayos que los requeridos un programa de calificación de proyecto específico, donde ya la conexión está precalificada, este puede tener una amplia aplicación. La precalificación de una conexión puede incorporar los ensayos descritos en la sección, también como las debidas consideraciones del cuarto criterio descrito en el comentario de la Sección 3.4 – FEMA-350. La capacidad de los estados límites para conducen al colapso local (es decir, pérdida de la capacidad de carga gravitacional), es una importante consideración en la evaluación del comportamiento de una conexión prototipo. Estableciendo este estado límite requerido por la Sección III.4.1, necesitará imponerse grandes deformaciones sobre la conexión. Esto requerirá establecer cargas capaces de liberar grandes golpes (pulsos) mientras resiste grandes deformaciones torsionales o fuera de su plano. Muchos ensayos son finalizados antes de la falla última de la conexión, para proteger los aparatos de carga. Estas tempranas terminaciones, limitarán los rangos sobre los cuales una conexión puede ser calificada. III.4.2 Ensayos de Precalificación Los criterios de aceptación podrían seguir las recomendaciones del apartado III.4.1, excepto que al menos cinco diferentes especimenes de ensayo fueran usados. El rango resultante de miembros que serían precalificados, estarían limitados al rango presentado por las muestras ensayadas. III.4.2.1 Extendiendo los Límites sobre las Conexiones Precalificadas Los criterios de ensayo y aceptación podrían seguir las recomendaciones del apartado III.4.1, excepto que al menos dos diferentes especimenes de ensayo fueran usados. El rango resultante de miembros que serían precalificados, estarían limitados para aquellos contenidos en la base de datos de los ensayos para este tipo de conexiones. CONEXIONES POST-NORTHRIDGE

CAPÍTULO III

. III.5. Resultados Obtenidos


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III Conexiones Precalificadas

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