DISEÑO DE CONEXIONES EN SISTEMAS ESPECIALES

Ing. Fabricio Rosales

Muros de cortante de placas de acero

Los muros de cortante formados por placas de acero pueden parecer una idea nueva; sin embargo, el concepto de estos muros se ha manejado por décadas, y se ha utilizado en un número importante de edificios, aún antes de la existencia de normatividad que regule este sistema estructural.

Ejemplos

Muro de cortante de placas de acero en Japón: Muro con atiesadores horizontales del panel.

Muro de cortante de placas de acero en Japón: Muro con atiesadores horizontales y verticales.

Mecánica del Comportamiento

Las placas del alma en los muros de cortante de placas de acero se clasifican de acuerdo a su habilidad de resistir pandeo.

Las placas del alma pueden atiesarse lo suficiente para prevenir pandeo y permitir que el alma alcance la máxima resistencia a cortante.

Estos elementos se conocen como placas de alma rigidizadas.

En diseños típicos, sin embargo, las almas de los muros de cortante son esbeltas y sin rigidizar. De esta forma las almas son capaces de resistir fuerzas de tensión grandes, pero poca o nula compresión.

Conforme las cargas laterales actúan en el sistema se desarrollan esfuerzos cortantes en el alma hasta que los esfuerzos de compresión principales (orientados a 45º a los esfuerzos de cortante) exceden la resistencia a compresión de la placa.

En este punto, la placa del alma se pandea y forma líneas diagonales plegadas.

Las cargas laterales se transfieren a través de la placa por los esfuerzos de tensión principales (paralelos a las líneas plegadas); el ángulo de tensión se mueve entonces de 45º a un ángulo “alfa”.

La fluencia axial de los elementos verticales de frontera, especialmente en la base, que corresponden a un modo de flexión, deben evitarse.

Se espera la fluencia a flexión en los extremos de los elementos de frontera horizontales (cerca de las conexiones rígidas con los elementos de frontera verticales) como parte del mecanismo de cortante.

Analogía simplificada del muro

Tensión diagonal en la placa del alma del muro de cortante

plieguesdiagonales

Esfuerzosde tensión

cargalateral

a

ángulo deinclinación

HBE

HBE

VBE

Esfuerzos de cortante y tensión en la frontera(cortante puro)

Esfuerzos de tensión y cortante en la frontera(tensión diagonal)

s11 = s cos2(a)s12 = s sin(a) cos(a) = ½ s sin(2a) s22 = s sin2(a)s21 = s sin(a) cos(a) = ½ s sin(2a)

Ángulo α

t Lw12A4 ctan 31 h

1 t hw A 360I Lcb

Fuerzas internas

VHBE

F

F + PHBE (VBE)

RyFytw

VHBE

F – PHBE (VBE)

VHBEVHBE

F + PHBE (VBE) F – PHBE (VBE)

VVBEVVBE

PVBE PVBE

F

RyFytw

RyFytw

RyFytwRyFytw

RyFytw

RyFytw

Reacciones

FF

PVBE (left) PVBE (right)

VVBEVVBE RyFytw

Modos de fluencia

Aceptable: Modo de cortante de multiniveles

Inaceptable: Modo en flexión, fluencia axial

en la base

En la base, las fuerzas de tensión en el alma, que jalan hacia arriba, deben ser resistidas por la cimentación. Por tanto, debe proporcionarse una cimentación con resistencia suficiente para el anclaje a tensión de la placa del alma.

1. Se asume que las placas del alma alcanzan la fluencia en tensión máxima a un ángulo en cada nivel. está basado en la geometría del muro y las propiedades de los elementos de frontera.

2. Las almas se diseñan para satisfacer las demandas de las cargas aplicadas.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

3. Para garantizar que las almas alcanzan la máxima resistencia en tensión, la resistencia requerida de las conexiones a los elementos de frontera está basada en la máxima resistencia en fluencia del alma, utilizando el esfuerzo de fluencia en tensión esperado:

El alma es soldada o atornillada a los elementos de frontera en el campo por medio de una placa, la cual es soldada en taller a los elementos de frontera verticales u horizontales.

y yR F

Conexiones del alma a los elementos de

frontera

Deben desarrollar la resistencia esperada del alma

Conexión a elementos verticales

Tensión: Ry Fy tw hc sin2(α)Cortante: ½ Ry Fy tw hc sin(2α)

Conexión a elementos horizontales

Tensión: Ry Fy tw Lcf cos2(α)Cortante: ½ Ry Fy tw Lcf sin(2α)

Conexiones típicas de la placa del alma

Conexiones típicas de la placa del alma

4. Los elementos de frontera se diseñan para permanecer esencialmente elásticos (con la excepción de las articulaciones plásticas anticipadas en los elementos de frontera horizontales) cuando el alma alcanza su resistencia esperada a la tensión.

Debido a que las almas se asumen en fluencia total en tensión, la resistencia requerida de los elementos de frontera y sus conexiones está basada en la resistencia del alma y la resistencia asociada a los momentos plásticos de los elementos de frontera horizontales, en combinación con las cargas gravitacionales.

5. Las relaciones ancho-espesor de los elementos de frontera deben satisfacer los requisitos para marcos especiales (dúctiles). Este requisito reconoce que una parte significativa de la acción de marco participa en el sistema y asegura que los elementos del marco resistente a momento son lo suficientemente compactos para soportar deformaciones inelásticas significativas.

6. Por la misma razón anterior, los elementos horizontales de frontera deben satisfacer los requisitos de arriostramiento lateral consistentes con las vigas de marcos especiales resistentes a momento.

7. Se espera que se formen articulaciones plásticas en las conexiones de los elementos de frontera horizontales con los verticales, pero éstas no son la principal fuente de disipación de energía en el sistema. No se espera que los sistemas con muros estén sujetos a tanto desplazamiento lateral como los marcos especiales resistentes a momento, y por lo tanto no son necesarios los requisitos de dichos marcos especiales en las conexiones a momento.

En cambio, se requiere el comportamiento esperado de una conexión en marcos resistentes a momento ordinarios (articulación plástica en lugar de falla en la conexión).

Además, las conexiones rígidas ayudan a prevenir el pinzamiento del comportamiento histerético del sistema.

Conexión de elementos de frontera horizontales con verticales

Conexión viga-columna tipo OMF

Cortante mínimo:

Vu = VHBE(web) + VHBE(MF)

VHBE(web) = Ry Fy [tw(i) ― tw(i+1)] Lcf cos2(a) Lh/2VHBE(MF) = 2 Mpr/Lh

Mpr = 1.1 Ry Zb (Fyb - PHBE/Ag)

8. La rigidez de un elemento de frontera vertical es crítica para garantizar que el alma alcance una fluencia de tensión uniforme en toda el alma. Por tanto, dichos elementos de frontera verticales deben tener una rigidez a la flexión alta.

9. Los requisitos del panel en la unión de los elementos de frontera vertical con los elementos de frontera horizontales en la base y en la parte superior son los mismos que aquellos indicados para marcos especiales.