comportamiento sismico conexiones curso cicq

7/23/2019 Comportamiento Sismico Conexiones Curso CICQ

http://slidepdf.com/reader/full/comportamiento-sismico-conexiones-curso-cicq 1/341

Héctor Soto Rodríguez

www.ahmsa.com

www.mejor conacero.com

Querétaro, Qro. 26 de julio de 2013

http://www.ahmsa/

http://www.mejor/

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http://www.ahmsa/



PENSAMIENTO 1

“El diseño de las conexiones

estructurales de acero es, al mismotiempo, un arte y una ciencia”

Ing. Oscar de Buen López de Heredia”

Profesor Emérito de la UNAM, Director General deColinas 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 columnade edificios de acero deben diseñarse,

detallarse, fabricarse y supervisarsecon especial cuidado, particularmenteen zonas de alta sismicidad, paragarantizar el comportamientosatisfactorio de éstas y de la estructuradurante sismos moderados y fuertes”

HSR



“El árbol de las conexiones, escultura didáctica”



Presentar los aspectosfundamentales del comportamientoy diseño sísmico de conexiones

rígidas trabe-columna, de acuerdocon la experiencia académica yprofesional del autor.

¿ Que hemos aprendido acerca del diseño estructuraly sísmico de las conexiones rígidas trabe columnatras los sismos de Northridge, Cal y Kobe , Japón,1994 y 1995?

OBJETIVO GENERAL




Columnas –Conexiones rí idas trabe-columna ti o árbol



1. Comentar los factores quedeterminan las diferencias enel diseño sísmico deconexiones rígidas trabe-

columna, en México, EstadosUnidos y Japón.

OBJETIVOS



PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS ENMÉXICO



2. Ilustrar las conexiones rígidas

típicas trabe-columna comúnmenteutilizadas en estos tres países,antes y después de los sismos de

Northridge, Cal y Kobe, Japón.

OBJETIVOS



TENDENCIAS ACTUALES EN CONEXIONESTRABE COLUMNA EN MÉXICO



3. Mostrar los puntos débiles

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

OBJETIVOS



CONEXIÓN TIPO ÁRBOL



4. Presentar el uso de nuevasconexiones trabe-columna en

países de alta sismicidad, traslos sismos de Northridge, Cal,

1994 y Kobe, Japón, 1995.

OBJETIVOS



INTRODUCCIÓN

Se hará énfasis en los requisitos quedeben cumplirse en el diseño sísmico

de conexiones rígidas trabe columna,de acuerdo con AISC 2010 (LRFD-ASD) FEMA y las AISC SEISMIC

PROVISIONS FOR STRUCTURALSTEEL BUILDINGS .



CONEXIONES TRABE COLUMNAATORNILLADAS



El diseño de conexiones trabecolumna cambia significativamentede 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.

INTRODUCCIÓN

MATERIA PRIMA



MATERIA PRIMA



SECCIONES ESTRUCTURALES PESADAS (TIPO JUMBO)



MANO DE OBRA ESPECIALIZADA ENESTRUCTURAS DE ACERO



5. Existencia de talleres certificados de

estructuras de acero.

6. criterios de diseño del estructurista.

7. ubicación sísmica de la estructura

INTRODUCCIÓN



LA FABRICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACEROEN LA ACTUALIDAD



LA FABRICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO SEHA REINVENTADO EN LOS ÚLTIMOS AÑOS”

LA ESTRUCTURA DE ACEROYA NO SE FABRICAN A MANO



CRITERIOS ESTRUCTURISTA



Edificios modernos de acero ubicados en zonas de

alta sismicidad



IMPORTANCIA DE LAS CONEXIONES

Es evidente que la seguridad deuna estructura depende, entreotros factores, de que el diseñode las conexiones sea correcto.



Nulo contacto entre la trabe columna

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



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




Excentricidad excesiva de la trabe yconsecuentemente falta de apoyo del patín

inferior de la trabe



¿ Donde están las soldaduras de filete en

la unión tipo peine?



SISTEMAS ESTRUCTURALES EN



SISTEMAS ESTRUCTURALES ENCALIFORNIA





SISTEMAS ESTRUCTURALES



SISTEMAS ESTRUCTURALES

MÉXICO Y JAPÓN



SISMO DE NORTHRIDGE, CAL

17 DE ENERO DE 1994

Ocasionó la muerte de 65 personasDerrumbe de 9 puentes carreteros

Daños severos en más de 200 edificiosestructurados a base de marcosrígidos con conexiones rígidas trabe

columna soldadas.

Costo estimado de daños: $20

billones de dólares



Colapso de un nivel de un edificio de

madera destinado a habitación



Daño severo en un edificio antiguo no dúctil deconcreto reforzado. Nótese que un nivel completo

sufrió colapso total.

Daño severo en un edificio moderno de



Daño severo en un edificio moderno deestacionamiento



DAÑOS EN EDIFICIOS DE ACERO DURANTEEL SISMO DE NORTHRIDGE DE 1994

Un buen número de edificios modernos deacero tuvieron daños severos en lasconexiones rígidas soldadas trabe-columna

Los daños principales fueron en, yalrededor de las soldaduras depenetración 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 amomento es un conjunto de vigas

y columnas conectadasrígidamente para resistir fuerzasverticales y accidentales (sismo,

principalmente)

Montaje de un edificio de acero con marcos



Montaje de un edificio de acero con marcosresistentes a momento, en los que los extremosde 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 rígidosde acero constituían el sistema estructural más conveniente para soportaracciones sísmicas intensas, pues tomando las medidas adecuadas para evitarfallas por inestabilidad, o de tipo frágil, se obtenían estructuras querespondían dúctilmente hasta el colapso.



MARCOS RÍGIDOS

En este tipo de estructura, laestabilidad lateral dependeexclusivamente de la rigidez a laflexión de las trabes y columnas.

La preocupación principal al diseñarun marco que debe ser capaz de

responder inelásticamente es evitarfracturas frágiles y pandeo severoen las zonas inelásticas.



MARCOS RÍGIDOS

En Estados Unidos los requisitos dediseño, en marcos rígidos en los quese pretende obtener una ductilidadalta, son ahora muy estrictos yexigentes:

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 enmarcos rígidos, sobre todo cuandodisminuye la hiperestaticidad de la

estructura.



CONEXIÓN TÍPICA TRABE COLUMNASOLDADA NORTHRIDGE

Se reitera que , uno de losrequisitos de detallado dúctilen marcos resistentes amomento es evitar la falla

frágil de las conexiones rígidastrabe-columna.



CONEXIÓN TRABE COLUMNA RÍGIDA PREVIA AL SISMO



CONEXIÓN TRABE COLUMNA RÍGIDA PREVIA AL SISMODE NORTHRIDGE, CAL. PATINES SOLDADOS – UNIÓNATORNILLADA 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



10

30 o

T & B FLAN GES E70T-4 Backing Bar and Weld Tabs To R emain In Place

8

8

BOLTS: 10 - 22mm A325-SC

HOLES: 24 mm

P 16 x 127 x 760 L

8 100

T & B of P L

8 T & B of P L

75

W36x150 (A36)

W14x257 (A572 Gr. 50)

P 12 x 150 L (Both Sides)

CJP - 3 Sides TYP

COLUMNA SOLDADA PREVIA SISMO NORTHRIDGE



DAÑOS CONEXIONES TRABECOLUMNA SOLDADAS

Las conexiones rígidas trabe-columna soldadas debieron

haber sido capaces de desarrollarla capacidad en flexión de las

trabes con importante rotación ycon ciclos de histéresis estables.



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

DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE



DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABECOLUMNA ANTES DEL SISMO DE

NORTHDRIGE, CAL

Unión muy popular en California desde 1970-1994

La placa de cortante se suelda en taller al patín

de la columna; la trabe se atornilla en campopor el alma y sus patines se unen rígidamente alos de la columna con soldaduras depenetración completa con bisel sencillo (CJP:Complete Joint Penetration) .

Los atiesadores o placas de continuidad sesueldan en taller en ambos lados del alma de la

columna.




DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABECOLUMNA ANTES DEL SISMO DE

NORTHDRIGE, CAL

En taller se hacen agujeros de acceso en el alma de latrabe para depositar las soldaduras de penetracióncompleta.

En el patín superior de la viga, el agujero de accesofacilita la colocación de la placa de respaldo y en el patíninferior, el agujero permite depositar y contener lasoldadura de penetración completa (CJP).

Las placas de respaldo, y las soldaduras de puntosnormalmente se dejaban en la conexión soldada. No setomaban precauciones especiales para reducir el dañoen el metal base y de aportación.

DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN



DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓNTRABE COLUMNA ANTES DEL SISMO

DE NORTHDRIGE, CAL

Los agujeros de acceso paralas soldaduras tienen unageometría adecuada; susbordes deben ser lisos, y

libres de muescas.



Geometría de los

agujeros de acceso parasoldar.

“Puntos finos de lasconexiones trabe

columna”

Ver Figura 11-1 in the 2010 AISCSeismic Prov is ions paradimensiones y requisitos deacabado



DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA

La mayoría de los daños de lasconexiones rígidas trabe-columnasoldadas durante los temblores deNorthdrige, Cal., 1994 y Kobe,Japón, 1995, ocurrieron por unmecanismo de fractura frágil que seinició en la raíz de la soldadura depenetración completa del patíninferior de la trabe.




COLUMNA ANTES DEL SISMO DENORTHDRIGE, CAL

Uno de los electrodos comunes, utilizadopara depositar soldaduras en estaconexión trabe columna, era el E70T- 4.

La baja tenacidad a la fractura del metal desoldadura depositado con este electrodoha sido identificada como uno de los

factores que contribuyeron a las fallasobservadas en esta conexión durante elsismo referido.

DAÑO SEVERO EN SOLDADURAS DE



DAÑO SEVERO EN SOLDADURAS DEPENETRACIÓN 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 vigaspermanecían todavía en el intervaloelástico, sin desarrollar ninguna

ductilidad, confirmando elcomportamiento frágil de las juntassoldadas.

Esto confirma el muy pobrecomportamiento que fue frecuentemente

exhibido durante el sismo de Northridge.




En aquella época, había pocainformación disponible sobre elnivel de ductilidad realmentenecesario que debía tener unaconexión rígida trabe columna pararesistir un temblor moderado ofuerte.

5000

B ittl F t t B tt



-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03

Plastic Rotation (rad)

B e n d i n g

M o m e n t ( k N - m )

X

Brittle Fracture at Bottom

Flange Weld

Mp

Mp

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



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

TRABE COLUMNA

DAÑOS GENERALES



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 lacolumna

4.Fractura del patín de la columna en la parte

inferior5. Fractura del patín de la columna en la parte

superior de la soldadura

6. Fractura en la soldadura

DAÑOS GENERALES



DAÑOS GENERALES

7. Fractura vertical en el patín de la

columna8. Ruptura del tablero de la columna

9. Fractura de la placa de cortante

10. Pandeo fuera del plano decontraventeos 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 carade la columna. Obsérvese la orientaciónincorrecta 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



DAÑOS GENERALES

La foto muestra fractura en el patín superior deun espécimen de una conexión rígida trabe-columna.

Para este espécimen, las soldaduras del patínse depositaron con electrodos que producenmetal de soldadura susceptibles a la fracturapor su baja tenacidad.

Además, la placa de respaldo y las soldaduraspor puntos se removieron déspues de completarlas soldaduras, para reducir los defectos deestas piezas.



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

DAÑOS GENERALES



DAÑOS GENERALES



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



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

TRABE Y DE LA PLACA DE CORTANTE



Fractura de la soldadura cerca de la cara de la

columna. Nótese que la tarjeta se coloca através de lafractura de la soldadura. La columna es de sección encajón. Se observa una superficie áspera del acerodebido a la remoción del material de protección contra

fuego.

FRACTURA SOLDADURA

Í



PATÍN INFERIOR TRABE

La evaluación de las causas reales de la fracturafrágil es un problema complejo debido a numerososfactores que intervienen en la producción de lamateria prima (acero), diseño , fabricación ymontaje de las estructuras de acero.



RUPTURA DEL ALMA DE LA



COLUMNA



Ejemplo de fractura parcial através del patín yalma de la columna.



Fractura de la soldadura y del alma de la columna

DA OS CONEXIONES TRABECOLUMNA



COLUMNA

DAÑOS CONEXIONES TRABE



DAÑOS CONEXIONES TRABECOLUMNA



Foto de un ensamble típico de una conexióntrabe columna ensayada en laboratorio. Seaplica una carga en el extremo derecho delsegmento de viga con un gato hidráulico.

Se coloca contraventeo lateral cerca delextremo de la viga, para restringir el pandeo

por flexotorsión de dicho miembro.

RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGASCICLICAS



Comportamiento histerético de la conexión

CICLICAS



RESULTADOS DE ENSAYES

BAJO CARGAS CICLICAS

Respuesta a carga cíclica de unaconexión totalmente soldada, viga W24x76.

La conexión permite que la viga

desarrolle su resistencia plástica total,y que la mantenga a través de grandesciclos con deformaciones inelásticas.



RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGASCICLICAS

Cuando se terminó el ensaye no hubo falla de laconexión. Esta prueba demostró uncomportamiento excelente de la conexión

totalmente soldada. Es decir, la conexión permiteque la viga desarrolle gran ductilidad sin que falleésta.

Nótese que el medio ciclo amplio final de cargaindica cierto deterioro de la resistencia de la viga.Esto se debe al desarrollo del pandeo local de laviga.

RESULTADOS DE ENSAYES BAJO



RESULTADOS DE ENSAYES BAJOCARGAS CICLICAS

RESULTADOS DE ENSAYES BAJOC G S C C C S



CARGAS CICLICAS





BAJO CARGAS CICLICAS

Respuesta de una conexión rígida totalmentesoldada con una viga W 24x76 sujeta a cargascíclicas,. Los patines están soldados y el almaatornillada.

Esta conexión permite la fluencia de la viga y quedesarrolle también niveles moderados de

ductilidad.Sin embargo, en el espécimen, la falla de laconexión (fractura) ocurríó después de varios

ciclos de carga

RESULTADOS DE ENSAYES BAJOCARGAS CÍCLICAS



CARGAS CÍCLICAS

RESULTADOS DE ENSAYES BAJOCARGAS CÍCLICAS



CARGAS CÍCLICAS

RESPUESTA A CARCA CÍCLICA DE UNACONEXIÓN SOLDADA



La foto muestra una conexión concubreplacas que fue ensayada en laboratorio.Nótese la formación de una articulaciónplástica en la trabe, en la región cercana alos extremos de las cubreplacas. Esteespécimen, al igual que muchos otros quetienen cubreplacas, permitió que la viga

desarrollara grandes niveles de ductilidad sindaño de la conexión.

CONEXIÓN SOLDADA

RESPUESTA A CARCA CÍCLICA DE UNACONEXIÓN SOLDADA



Las conexiones con cubreplacas exhiben unmejor comportamiento que la conexiónprevia al sismo de Northridge.

Sin embargo, esta conexión resulta más caraal constructor, pero es mucho mas confiableque la conexión previa al sismo de

Northridge.

CONEXIÓN SOLDADA

FALLAS EN CONTRAVENTEOSCONCÉNTRICOS



CONCÉNTRICOS

FALLAS CONTRAVENTEOSCONCÉNTRICOS



CONCÉNTRICOS

FRACTURAS EN PLACAS BASE DECOLUMNAS



COLUMNAS

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE ELSISMO DE NORTHDRIDGE CAL 1994



SISMO DE NORTHDRIDGE, CAL. 1994

Algunos factores importantes que contribuyeron a

los graves daños en las conexiones rígidas trabecolumna durante el sismo de Northridge de 1994pueden agruparse:

1. Factores relacionados con la soldadura2. Factores asociados al diseño de las conexiones

rígidas trabe columna

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

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL



CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE ELSISMO DE NORTHDRIDGE, CAL. 1994

1. Ejecución incorrecta de lassoldaduras de penetración completaen los patines de la trabe contra elpatín de la columna.

2. Grietas preexistentes en las

soldaduras o en el metal baseadyacente




CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE ELSISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994

3.Esfuerzos residuales en las juntas,generados durante la fabricación de laestructura, incluyendo la ejecución de lassoldaduras. Los esfuerzos residuales en lassoldaduras provocan que las zonasadyacentes a las soldaduras sean las más

sensibles a la fractura del acero.4.Falla del patín de la columna, ocasionadapor tensiones en la dirección del grueso.




SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994

En la conexión trabe columna, lassoldaduras de los patines de la trabe son

mucho más rígidas que la conexión delalma atornillada.

Consecuentemente, muchos esfuerzos deflexión en el alma de la trabe fluyen a lazona de unión de los patines de la viga.El efecto se ilustra cualitativamente enesta imagen.

r e s s

Fu



Mp

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

F l a n g e

S t r

Fy





De esta manera, el uso deconexiones atornilladas en el alma

de la viga, incrementa los esfuerzosen el patín de la trabe en la vecindadde las soldaduras de penetración

completa.





Estos niveles de esfuerzos incrementanprobablemente la falla de la soldadura(especialmente en la presencia dedefectos de soldadura y baja tenacidaddel metal de soldadura). A pesar de laalta calidad, gran tenacidad de la

soldaduras, estos elevados esfuerzospueden ocasionar la fractura del metalbase del patín de la viga.



Vflange

Incremento de los esfuerzos en el patín de la trabedebido a los esfuerzos cortantes en los patines

CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DENORTHRIDGE CAL 1994



NORTHRIDGE, CAL., 1994

Consecuentemente, el esfuerzo en laraíz de la soldadura del patín

superior es mucho menor que el dela raíz de la soldadura depenetración completa del patín

inferior.



StressConcentratio

ns:

• Agujero deacceso en el almade la trabe para

soldar

• Cortante en elpatín

• Inadecuadaparticipacion deflexión por laconexión del alma





La presencia de los agujeros de acceso en elalma de la trabe, de dimensiones adecuadaspara soldar también introduce una

concentración de esfuerzos.Dicha concentración depende del tamaño yforma del agujero de acceso, así como del

acabado del corte ( cortes lisos o asperos) Deberá cuidarse que los agujeros de accesono sean mayores que lo necesario.





En resumen, mucho de los diseñosy detallado de las conexionesrígidas patines soldados y almaatornilladas ocasionaron niveles deesfuerzos elevados en los patinesde la viga y en las soldaduras depenetración completa.





Estos esfuerzos elevados,combinados con la presencia dedefectos de soldadura

(particularmente en la soldadura delpatín inferior cerca del agujero deacceso), combinado con metal de

soldadura de baja tenacidad,ocasionan una probable fracturafrágil..





5. Incremento de los esfuerzos de tensiónen el patín inferior, debido a la presenciade la losa en el patín superior, que

levanta la posición del eje neutro

6. Presencia de estados triaxiales deesfuerzos que propician uncomportamiento frágil

CAUSA DE DAÑOS DURANTE LOS



SISMOS DE NORTHRIDGE, CAL, 1994

7. Concentración en pocos lugares de lasconexiones rígidas para soportar lasacciones sísmicas.

Otros:Reducción de la tenacidad de la zona debido al efectode muesca creado por la colocación y permanencia

de las placas de respaldo para depositar lassoldaduras de penetración completa.

Uso de metal de aportación en soldadura de bajatenacidad.

REFUERZO CONEXIONES TRABE



REFUERZO CONEXIONES TRABECOLUMNA

En algunos casos resultó másapropiado remover las

soldaduras defectuosas ycambiarlas por soldaduras

sanas depositadas con mano deobra calificada y electrodosapropiados.

REFUERZO DE CONEXIONESRÍGIDAS TRABE COLUMNA



RÍGIDAS TRABE COLUMNA

REFUERZO DE CONEXIONES RÍGIDAS



La foto muestra otro método utilizado para elrefuerzo de conexiones rígidas.

En esta esta conexión, se sueldan placas en lospatines de la viga y en el patín de la columna.

Igual que las cubreplacas, las nervaduras sirven

para hacer más resistente la conexión que latrabe, y para obligar la formación de lasarticulaciones plásticas fuera de la cara de lacolumna.

TRABE COLUMNA



Una prueba de laboratorio de una conexiónregida con nervaduras en patines de la viga. Lamuestra desarrollo gran ductilidad sin falla en la

conexión



RESISTENCIA AL

CORTANTE EN ELTABLERO DEL ALMA

RESISTENCIA AL CORTANTE EN EL TABLERO DEL ALMASe obtiene del equilibrio de la porción de la viga comprendida entre



M pr-2

M pr1

V Trabe-2

V Viga-1

Trabe 1 Trabe 2

Articulación plástica


sh sh

M f1 M f2

M pr = momento esperado en la articulación plástica = 1.1 R y M p

V beam = cortante en la trabe

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

trabe

q p g plas articulaciones plásticas

RESISTENCIA AL CORTANTE EN ELTABLERO DEL ALMA



Las siguientes imágenes muestran como sedetermina la resistencia requerida alcortante de un tablero de alma de columna.

El primer paso es suponer que el momentoen la trabe es el momento plástico esperado,

y que se desarrolla en la ubicación de laarticulación plástica.

Trabe 1 Trabe 2

RESISTENCIA AL CORTANTE DEL TABLERO DEL ALMA



M pr-2 M pr1

V beam-2

V Trabe

-1

Trabe 1 Trabe 2

Plastic Hinge Location


sh sh

M f1 M f2

M f = momento en la cara de la columna

M f = M pr + V v iga s h

El momento esperado en la articulación se proyecta en la cara de la columna, conbase en el gradiente de momento (es decir, cortante) en la trabe.



PLACAS DE

CONTIMUIDAD

PLACAS DE CONTINUIDAD



Placas de continuidad(atiesadores

horizontales en lacolumna)

Las placas de continuidad son atiesadoresh i t l t l l d l




horizontales transversales, colocados en elalma de la columna. Se denominan “placas decontinuidad”, debido, a que en efecto,continuan los patines de las trabes a tráves dela junta.

Cuando el diseño queda regido por unacombinación de carga que incluye sismo,deben colocarse atiesadores horizontales enlos dos lados del alma de la columna quecumplan con los requisItos que se mencionanen las Especificaciones AISC 2010 (LRFD-ASD).

TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNAZona 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 elmismo planoSujeto a cortantes elevados

Fluencia por cortante y grandesdeformaciones (se forman articulacionesplásticas por cortante)Proporciona un mecanismo de fluencia alternoen un marco rígido

TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA



El tablero del alma (la parte de la columna dentro dela junta viga-columna) está sometido a cortantes

muy elevados cuando el marco está sometido acargas laterales.



TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA

Esto permite la fluencia por cortante del tablero delalma, y el desarrollo de “ articulaciones por

cortante”. También permite un mecanismo plásticoalternativo de marcos de acero, es decir, uno en elque las articulaciones plásticas se forman en eltablero y no en los extremos de las trabes.

La imagen muestra los requisitos del d ti id d AISC 358 l



placas de continuidad en AISC 358 para el

caso de trabes unidas a columnas Hcolumns.

Cuando en una conexión rígida el grueso

de los patines es menor que el máspequeño de los valores dados por lassiguientes ecuaciones, se colocanatiesadores transversales (placas decontinuidad) en los dos lados del alma dela columna, frente a los patines superiorese inferiores de las trabes.

REQUISITOS PLACAS DE CONTINUIDAD



t cp

t bf t cp ≥ 1/2 t bf

Requisitos de espesor para las placas decontinuidad (atiesadores) en conexiones trabe-

columna de un solo lado

REQUISITOS DE PLACAS DE CONTINUIDAD

Pl d ti id dPara columnas H:



Placas de continuidad

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

yc yc

ybybbf bf c f

F R

F R t b8 .14.0 t

6 bt bf

cf

Y

t cf = grueso patín d ela columna

bbf = ancho patín de la viga

t bf = grueso patín de la trabe

REQUISITOS DE PLACAS DECONTINUIDAD



REQUISITOS DE PLACASDE CONTINUIDAD



Los patines de las trabes desarrollan una fuerza

concentrada que se transmite a la columna, enla conexión trabe columna.

Esto ocasiona fallas locales en la columna enesta zona, debido a la flexión local de lospatines, fluencia local del alma y arrugamientodel alma.

Estas fallas locales pueden evitarse con lacolocación de atiesadores.




El patín de la trabe transmite una fuerzaconcentrada en la columna, en laconexión trabe columna.

Esta fuerza puede ocasionar una fallalocal en la columna, debido a la flexión

local del patín, fluencia local del alma, yarrugamiento del alma. La falla localpuede evitarse colocando atiesadoresen la columna.




Si la resistencia del tablero de la columna es inadecuada:

- Se selecciona una columna con mayor area en elalma

- Soldar placas dobles en la columna

Alternativas para colocar placas en el

alma de la columna




Para satisfacer los requisitos deresistencia a cortante en la zona del

tablero del alma de acuerdo con lasdisposiciones AISC Seismic Provisions,en ocasiones es necesario soldar placas

dobles en el alma de la columna.




Las placas se colocan dentro del la junta, e

incrementan el área del alma efectiva de lacolumna. (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 paracolocar las placas dobles a las columnas. El

detalle de la izquierda se usa comúnmente enla práctica, aunque requiere soldadura defilete en la dimensión K de la columna.




Los atiesadores tienen una función adicional muyimportante en las conexiones rígidas trabe columna. En elcaso de uniones sin placas atiesadoras , la flexión local delos patines en la columna desarrolla un estado deesfuerzos no uniforme en el patín de la trabe, y en las

soldaduras de penetración del patín de la viga, lo queocasiona elevados esfuerzos en la parte central del patínde la trabe.

Esto puede contribuir a la fractura del patín de la viga o de

las soldaduras de penetración del patín La colocación deplacas atiesadoras sirve para reducir los esfuerzosmáximos 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 DENORTHRIDGE



NORTHRIDGE

“Reforzar las conexiones trabecolumna de un edificio de acerodañadas severamente por sismos demagnitud moderada es corregir, tardey a mayor costo, lo que debió hacerseantes y durante de cada una de lasetapas de diseño y ejecución dedichas uniones”

HSR



NUEVAS CONEXIONES TRAS EL

SISMO DE NORTHRIDGE, CAL.17 DE ENERO DE 1994

FEMA 350



FEMA 350

FEMA 267 A

SAC Joint Ventura fue creado por miembros de la



SAC Joint Ventura fue creado por miembros de laStructural Enginnering Associations de California

(SEAC), ATC y CUREE con objeto de coordinar lostrabajos de investigación sobre comportamientosísmico de estructuras formadas a base de marcos

resistentes a momento. El programa SAC-FEMA sepuso en marcha desde 1994 hasta 2001.

Como consecuencia de los graves daños ocurridosen Kobe, Japón, en 1995 se realizaroninvestigaciones extensas en muchos otros paisesubicados en zonas de alta sismicidad.

NUEVAS CONEXIONES



La tercera versión, del AISC 1997,incluye modificacionesimportantes, debidas al mal

comportamiento, no esperado, demuchas conexiones soldadas demarcos rígidos, durante el temblor

de Northridge de 1994, e incorporalos resultados de los estudios paraentender, y mejorar, ese

t i t

NUEVAS CONEXIONES



NUEVAS CONEXIONES

EL AISC ha Publicado, desde 1999recomendaciones especiales para

el diseño de estructuras de aceroen zonas sísmicas, que seemplean como un complemento

de sus especificacionesgenerales.

FEMA 350 "R d d S i i D i

NUEVAS CONEXIONES



FEMA 350: "Recommended Seismic Design

Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings,"fue uno de los resultados más importantes delPrograma SAC-FEMA.

Este documento, publicado en el 2000,constituye una guía práctica de los aspectosrelacionados con el diseño de estructuras a basede marcos resistentes a momento. Se incluyen

en FEMA 350 las descripciones de las nueveconexiones 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 unionesrígidas, juntos con sus detalles, en el FEMA350 se denominan “Conexiones

Precalificadas“.

El objetivo de estas conexiones, con sus

límites especificados, es que puedenutilizarse sin necesidad de efectuar ensayesde laboratorio.

En el 2005, el AISC propuso un nuevo tema:“C i P lifi d M d



“Conexiones Precalificadas para Marcos de

Acero Especiales Resistentes a Momentointermedios. 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 amomento, y que sirven todavía como unaimportante referencia.

Conexión conl



ranuras en el

alma de la trabe

La conexión trabe columna con alma ranurada

NUEVAS CONEXIONES



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 deesfuerzos en los patines de la viga y en lassoldaduras de penetración completadepositadas en los patines de la trabe.

Para mayor información, consultarhttp://www.slottedweb.com/

Conexión trabecolumna:

P ti ld d



Patines soldados

sin refuerzo-Alma soldada

NUEVAS CONEXIONES



La conexión con patines soldados sinrefuerzo- Alma soldada (WUF-W) fué

investigada en la Universidad Lehigh bajo elprograma SAC-FEMA. Se trata de unaconexión totalmente soldada. Los dos patinesde la viga y el alma se sueldan a la cara de lacolumna.

El alma de la viga se suelda al patín de la

NUEVAS CONEXIONES



El alma de la viga se suelda al patín de la

columna utilizando soldadura de penetracióncompleta CJP, pero también se colocansoldaduras de filete complementarias en laplaca de cortante.

Al igual que las otras conexiones rígidas, laWUF-W emplea prácticas de soldaduramejoradas (alta tenacidad del metal de

soldadura, prácticas mejoradas para placasde respaldo, puntos de soldadura) y usos deagujeros de acceso para soldar.

NUEVAS CONEXIONES



Ensayes en la Universidad de LehighUniversity, y subsecuentes ensayos enla Universidad de Minnesota

mostraron que la WUF-W proporcionaexcelente comportamiento sísmico, loque permite que las vigas desarrollen

los niveles de ductilidad deseablespara utilizarse en Marcos RígidosEspeciales (SMF).

Conexión con“ ti lib ”



“patines libres”



NUEVAS CONEXIONES

La conexión de patines libres se desarrolló yse ensayó en la Universidad de Michigan bajoel programa SAC-FEMA.

En esta conexión, el alma de la viga se cortamás allá de la región adyacente a la columna.

Los patines de la viga sonporconsiguiente “libres” en la región de la



porconsiguiente libres en la región de la

conexión. La conexión también secaracteriza por tener una placa decortante soldada pesada.

Esta conexión mostró un excelentecomportamiento durante un número

limitado de ensayos.En estos ensayos, las vigas desarrollaronniveles de ductilidad deseables para suuso en Marcos a Momentos Especiales.

Conexión rígidatrabe columna conplacas soldadas a



placas soldadas a

patines

NUEVAS CONEXIONES

La conexión con placas soldadas a los patines fue



La conexión con placas soldadas a los patines fue

investigada en la Universidad de California enBerkeley, bajo el programa SAC-FEMA. Estaconexión es similar a la unión con cubreplacasdescrita anteriormente, con una significativa

diferencia.

En la conexión con cubreplacas utilizadaimmediatamente después del sismo de Northridge,tanto los patines de la viga y las cubreplacas eranunidas con soldadura de penetración completa a lacara de la columna.

NUEVAS CONEXIONES

En la cone ión con placas soldadas a los



En la conexión con placas soldadas a los

patines SAC, únicamente las cubreplacasse sueldan a la cara de la columna.

Esto resulta en la necesidad de colocar

cubreplacas más pesadas, pero impidealgunos problemas asociadas consoldadura el patín de la viga combinada y

cubreplacas en la columna. La placasoldada al patín también mostró un buencomportamiento en un número limitado deensayes de laboratorio.

Conexión trabecolumna con placaextrema atornillada no



extrema atornillada noatiesada

NUEVAS CONEXIONES

En la Universidad de Virginia bajo el



En la Universidad de Virginia, bajo el

programa SAC-FEMA, se ensayaron dostipos 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, yposteriormente se desarrollaronprocedimientos de detallado y diseño.

Conexión trabecolumna rígida conplaca extrema



placa extrema

atornillada atiesada

NUEVAS CONEXIONES



Las conexiones con placa extrema seusan comúnmente en edificios deacero ordinarios y algunas veces enestructuras industriales (refinerías,centrales de energía, estaciones, etc.).Nótese que las conexiones extremas

no requieren soldaduras de filete.

Conexión conplacas atornilladasa patines



p

NUEVAS CONEXIONES

La conexión con placas atornilladas a



La conexión con placas atornilladas a

los patines de la viga fue investigadaen la Universidad de Illinois bajo elprograma SAC-FEMA.

Esta conexión, similar a la de placaextrema, no requiere soldadura defilete. La conexión que se ilustraexhibió un comportamiento adecuadoen un número limitado de ensayes.

Conexión rígidaatornillada con dos



atornillada con dos

Tes unidas a lospatines de la trabey a la columna

NUEVAS CONEXIONES Esta conexión se investigó en la Universidad deGeorgia, de acuerdo con el Programa SAC-FEMA.



g g

La conexión es totalmente atornillada en campo ymostró un comportamiento satisfactorio durante unlimitado 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 flexibilidadde la conexión debe incluirse en el análisis generalde la estructura.

CONNEXIÓN CON 0.03 RADIANES



Resultado del ensaye de la conexión después decompletar ciclos de carga de 0.03 radianes. Se ilustra la

articulación plástica"

En la foto se aprecia el pandeo local del alma en la zonade la reducción de los patines.

Conceptos fundamentales:

CONEXIÓN HUESO DE PERRO (DOG BONE)



p

Se reducen intencionalmente los patinesde la trabe cerca de la conexión. Elextremo de la viga se mantiene dentro deun comportamiento nominalmente elásticoy se relocaliza la demanda de ductilidad

por medio de una articulación plástica enuna zona de la viga alejada de la conexióntrabe columna.

Se reduce el momento en la conexión

Se obliga que la articulación plástica seforme fuera de la cara de la columna.

CONEXIÓN HUESO DE PERRO“DOG BONE”



CONEXIÓN HUESO DE PERRO (“DOG BONE”) REQUISITOS GEOMETRÍCOS



a (0.50 -0.75 ) bf

b (0.65 - 0.85) d

c 0.25 bf

4C2 + B2

8 C

A B

C

R =

bf

CONEXIÓN HUESODE PERRO (DOG BONE)



DE PERRO (DOG BONE)

CONEXIONES

La conexión “Hueso de Perro” o de



La conexión Hueso de Perro o de

Sección de Viga Reducida (“Reduced Beam Section”) es una unión precalificadaque se usa ampliamente en Estados

Unidos tras el sismo de Northridge, Cal., .Se basa en extensas pruebas delaboratorio a escala natural y en

numerosos estudios analíticos que handemostrado que tienen uncomportamiento satisfactorio ante cargascíclicas.

CONEXIÓN HUESODE PERRO (DOG BONE)

10

B.U . Bar to R em ai n



30 o

L

45 o

30 o

G r ind Par allel to F lang e G r ind Smooth

10

6

6 5 8

Bol ts : 25 mm A325 225 mm c-c H ol es : 27mm D IA . P 9.5 x 152 x 762

10

8

8

8

1015 mm R adius

230 685

60

60

190

Wel d B.U . Bar to C ol um n

A fte r R oot is C leaned and Inspected

R em ove B.U . Bar

W 36x194 (A36)

W14x426

A572 G r . 50

L P 25 x 125

G roove welds : E71T -8 R em ove Wel d T abs

RESPUESTA EXPERIMENTAL CONEXIÓN HUESODE PERRO (DOG BONE)

5000



-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

Plastic Rotation (rad)

B e n d i n g M o m e n t ( k N - m ) Mp

Mp



CONEXIÓN HUESO DE PERRO

Zonas protegidas



Zonas protegidas

CONEXIONES POST SISMONORTHRIDGE



CONEXIONES POST SISMONORTRIDGE



CONEXIONES TRABE COLUMNA



ENSAYE DE NUEVAS CONEXIONESTRABE COLUMNA EN LABORATORIO



NUEVAS CONEXIONES



Conviene que la configuración delas conexiones haga que las

articulaciones plásticas aparezcanlejos de la cara de la columna,donde la respuesta depende

menos del material y de la manode obra.

NUEVAS CONEXIONES



Para ello, la relación entre demanday resistencia debe ser máxima enuna sección interior de la trabe, lo

que se logra reforzando localmentela conexión y el extremo de la viga,o reduciendo localmente su sección

transversal.

NUEVAS CONEXIONES



Como la longitud en la que seconcentran las deformaciones

inelásticas es del orden, a cadalado del punto teórico, de la mitaddel peralte de las vigas, las

articulaciones deben moversecuando menos a esa distancia dela cara de la columna.

NUEVAS CONEXIONES



En caso contrario, aparecen a unadistancia de la cara de la columna,

igual, aproximadamente, a uncuarto del peralte de la trabe, y seextienden hasta la columna.




CONEXIÓN TRABE COLUMNA CONPLACA EXTREMA

Esta conexión fue desarrollada por el



Esta conexión fue desarrollada por el

Prof. Thomas M. Murray después delsismo de 17 de enero de 1994 deNorthridge, Cal. y ha sidoampliamente utilizada en los EstadosUnidos, especialmente en zonassísmicas.

La conexión también se usa enempalmes de tramos de trabes.

CONEXIÓN CON PLACA EXTREMA



CONEXIÓN CON PLACA DE EXTREMOEXTENDIDA



.La trabe se conecta a la columna conmucha precisión con una placa soldada

que viene de taller, y con un número detornillos adecuados que trabajan atensión. La placa extremo puededisponer de placas rigidizadoras quereducen la flexión y el grueso de la placaextrema.

CONEXIÓN PLACA EXTREMA



Aprovecha las ventajas desencillez para hacerla más

competitiva respecto a otrostipos de conexiones trabecolumna de estructuras

localizadas en zonas de altasismicidad.

RESPUESTA DE CONEXIONES PLACA EXTREMAPLACAS DELGADAS



CONEXIONES CON PLACA EXTREMA



El problema es complejo debidoa que este tipo de conexión esaltamente indeterminada y se

requiere hacer estudiosempleando el método deelemento finito para determinarla distribución de esfuerzosinternos.


Conexión a):



cuatro tornillos sin atiesadores (4E)

Conexión b):

Cuatro tornillos atiesada (4ES)

Conexión c):Ocho tornillos atiesada (8ES)



RESISTENCIA REQUERIDA ENCONEXIONES



La resistencia requerida de unaconexión se determina utilizando el

esfuerzo de fluencia esperado, Fye

,del miembro conectado:

Fye = Ry Fy

Ry se toma de la siguiente tabla

RESISTENCIA REQUERIDA ENCONEXIONES

Ry = factor que tiene en cuenta que



Ry factor que tiene en cuenta quelas resistencias de fluencia de losperfiles laminados reales suelen ser

mayores que las especificadas.Es igual al cociente del esfuerzo defluencia esperado Fye entre el

mínimo especificado, Fy

En la tabla siguiente se indican losvalores de Ry



CARACTERÍSTICAS ACEROLos aceros que deben utilizarse tienen lascaracterísticas siguientes:



Relación entre las resistencias deiniciación del flujo plástico y de ruptura entensión no mayor de 0.85

Diagrama esfuerzo alargamiento con unameseta pronunciada en el nivel de fluencia.

Gran capacidad de deformación inelástica

(por ejemplo, una elongación a la rupturaen tensión no menor de 20 por ciento, enuna longitud de 50 mm).

CARACTERÍSTICAS ACERO

Los aceros que deben utilizarse



tienen las características siguientes:Relación entre las resistencias deiniciación del flujo plástico y de

ruptura en tensión no mayor de 0.85Diagrama esfuerzo alargamiento conuna meseta pronunciada en el nivelde fluencia.

CARACTERÍSTICAS ACERO

Gran capacidad de deformación



inelástica (por ejemplo, unaelongación a la ruptura en tensión nomenor de 20 por ciento, en una

longitud de 50 mm.

Buena ductilidad

DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES

Cuando el diseño de una estructura de



Cuando el diseño de una estructura deacero queda regido por una condiciónde carga que incluye sismo, la

resistencia de la conexión de cadaviga será suficiente para transmitir elmenor de los momentos siguientes:




Mu ≥ 1.1RyMpv ≥ 1.1Ry ZxFy

Donde:MPv = momento plástico nominal de latrabe

Ry corresponde al acero de la trabe




Se exigen requisitos semejantes alas de las Especificaciones AISC-

LRFD-99, incluyendo el uso delesfuerzo de fluencia esperado

Fye = Ry Fy




Muc = Mpe + Vu Lp

Mpe = momento máximo probable en la

articulación plásticaVu = fuerza cortante de diseño en el

extremo de la trabe

L = distancia de la cara de la columna a lasección donde se forma la articulación

plástica.




Muc = Mpe + Vu Lp

Mpe = 1.1 RyFyZx

L pmín = Menor valor de d/2 o 3bf

d = peralte de la trabebf = 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 porcortante 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 alpatín comprimido de la trabe.

CONEXIÓN TIPO “ÁRBOL” (JAPÓN)



CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN



Se basa en el concepto de columnatipo árbol, que ha sido ampliamente

usada en Japón, en la que un tramocorto de la trabe que se denomina“muñón o brazo”, se fabrica y se

suelda en taller directamente a lospatines de la columna HSS o en cajón.



Los muñones o brazos de la trabese fabrican en taller con patines deancho variables para obligar que

las articulaciones plásticas seformen fuera de la cara de lacolumna.




CONEXIÓN TIPICA JAPÓN



Las columna se envían de taller en tramosde uno o dos niveles con muñones.

la conexión se termina en campo, 100 porciento atornillada con tornillos de alta

resistencia, de características similares alos ASTM A 325(NOM-H-124).




Esta conexión requiere ochoplacas para el empalme de campo

del muñón con la trabe: seis y dosmás, adosadas al alma de la trabepara resistir la fuerza cortante.




Como el diseño de la conexión quedaregido por una condición de carga que

incluye sismo, la columna en cajónrequiere atiesadores horizontales oplacas de continuidad en su interior, a

nivel de los patines del muñón.


Se proveen atiesadores en la zona



donde se forma las articulacionesplásticas, el primero colocado auna distancia igual al peralte de la

trabe medida del paño de lacolumna y dos más, separados auna distancia igual al ancho delpatín de la trabe o a la mitad de superalte.




Los atiesadores tienen variospropósitos:

1. Retardar el pandeo local de lospatines de la trabe.

2. Evitar el pandeo del alma de la viga.




REQUISITOS DE CONEXIONES

TRABE COLUMNA EN ZONASDE ALTA SISIMICIDAD

REQUISITOS CONEXIONES ZONASSÍSMICAS



Se recomienda elegir conexionescuyo diseño se basa en los

resultados de ensayes delaboratorio bajo cargas cíclicas,como es el caso de la unión trabe

columna con placa extremo.




Las conexiones trabe columnaque se propongan en zonas

sísmicas deben demostrar unacapacidad de rotación adecuadano menor de 0.03 radianes al ser

sometidas a varios ciclos decargas reversibles.

2000

3000

4000

5000

- m

Mp



-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Drift Angle (radian)

B e n d

i n g M o m e n t ( k N

RBS Connection

Mp

Respuesta experimental conexión Hueso de Perro

Se muestra la respuesta de una conexiónhueso de perro.



El eje vertical representa el momento en latrabe, en la cara de la columna.

Nótese que aún con los cortes en lospatines, la viga todavía desarrolla ( y excede

significativamente) su momento plástico totalen la cara de la columna.

La degradación de resistencia para ciclos de



cargas de aproximadamente 0.03 radianesse debe al pandeo local y pandeo porflexotorsión de la trabe.

Como la sección de la viga se clasifica comosísmicamente compacta, y debido a que laviga está adecuadamente soportada

lateralmente, la degradación de laresistencia se retarda hasta que ocurrengrandes deformaciones inelásticas.




Pueden utilizarse también

conexiones documentadas en laliteratura, que hayan demostradoposeer la capacidad de rotaciónmencionada anteriormente.




Deben ser capaz de desarrollar la

resistencia a flexión de la trabe,sin que se presente ningún modode pandeo.

REQUISITOS FUNDAMENTALES

DISEÑO SÍSMICO



Los requisitos fundamentales que debencumplirse en el diseño sísmico de lasconexiones trabe columna tienen por

objeto que las articulaciones plásticasque puedan desarrollarse en ellas durantela respuesta a sismos intensos no tendránlugar en la cara de la columna, sino enalguna de las dos zonas adyacentes, laviga o la junta.

Articulaciones

lá ti l



plásticas en lastrabes:

Fluencia porflexión en los

extremos de lasvigas

COLUMNA FUERTE-TRABE DÉBIL

Las columnas soportan el peso



del edificio; un daño severo enellas puede conducirdirectamente al colapso del

edificio o de una parte de él; porlo tanto, se pretende que seeviten las articulacionesplásticas, de ahí el concepto devigas débiles-columnas fuertes.



COLUMNA FUERTE TRABE DÉBIL

S



Si los daños se presentan en lastrabes no se atenta contra la

estabilidad general de laestructura, ya que este tipo dedaños son generalmente locales.

RECOMENDACIONES

N i l ti l i



No convienen las articulacionesplásticas en las columnas porquepueden formarse mecanismos de

entrepiso, con pocasarticulaciones, y fallas con muypoca disipación de energía, esto

ocurre en los llamados entrepisosdébiles.

UBICACIÓN DE FORMACIÓN DEARTICULACIONES PLÁSTICAS

Tablero del alma de lacolumna



Trabe(Fluencia por

flexión)

columna(Fluencia por cortante)

Columna(Flexión y

compresiónFluencia)

RECOMENDACIONES

En resumen, en las conexiones

t b l í i



trabe columna en zonas sísmicas,deben poder formarsearticulaciones plásticas donde

sean necesarias, preferentementeen las trabes, y mantener suresistencia durante rotacionesplásticas importantes.

RECOMENDACIONES

Para ello, se detallanid d t tili



cuidadosamente, y se utilizanperfiles con patines y almas

con relaciones ancho/gruesoque aseguren que eviten elpandeo local prematuro.

RECOMENDACIONES

Cuando el diseño queda regido por

bi ió d i l



una combinación de carga que incluyesismo, deben colocarse placas decontinuidad (atiesadores horizontalesen los dos lados del alma de lacolumna) que satisfagan los requisitosque se mencionan en lasEspecificaciones 2010 (LRFD-ASD).

COLUMNA FUERTE TRABE DÉBILRELACIÓN ENTRE LOS MOEMNTOS EN VIGAS YCOLUMNAS

Los códigos y reglamentos de

t ió i t i l i i



construcción internacionales propicianlograr una columna fuerte y una trabedébil mediante la siguiente ecuación. Ver

the AISC Seismic Provisions for SpecialMoment Frames. Cuando en el diseñointervienen las acciones sísmicas, en las

juntas debe satisfacerse la relaciónsiguiente:

0 .1M

M *

pb

*

pc



C ColumnaL

M*pc-Sup M*pb-Derecha

0 .1M M *

pb

*

pc



C Viga

M pc-Sup.

M* pc-Inferior M* pb-Izq.

M pb Derecha

Nota:

M* pc se basa en el esfuerzo de fluenciamínimo especificado d ela columna

M* pb se basa en el esfuerzo d efluenciaesperado de la viga e incluye un margen parael endurecimiento por deformación

M

V Viga-Derecha

Viga izquierda Viga derecha

Plastic Hinge Location

M*

CALCULO DEL M* pb



M pr-

Derecha

M pr-Izq.

V Viga-Izq.Ubicación de la

articulación plásticash+d col /2

M pr = momento esperado en la articulación plástica = 1.1 R y M p

V beam = cortante en la viga

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

la trabe

M* pb-Izq. M* pb-Der.

sh+d col /2

M* pb = M pr + V beam (sh + d col /2 )

Columnasuperior

M pc-Sup.

M* pc- t Sup.

d

V col-Sup.



Columna inferior

M pc = momento plástico nominal de la columna, reducido por la presencia

de fuerza axial, puede tomarse M pc = Z c (F yc - P uc / Ag )

V col = cortante en la columna , basado en la posición del punto de inflexiónen la columna (generalmente a media altura de la columna)

M* pc-Inferior

M* pc = M pc + V col (d Viga /2 )

M pc-Inferior

d Viga

V col-Inferior

¿COLUMNA FUERTE -TRABE DÉBIL?



SISMO DE KOBE, JAPÓNOcurrió 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 unaduración de 20 seg.



• Gran lección para los japoneses y el mundo, porconsiderarse Japón uno de los países mejor preparadospara enfrentar sismos

• La Ciudad de Kobe es el segundo puerto comercial deJapón 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 dedólares



estimaron en 200 000 millones dedólares

• Causó daños en obras deinfraestructura, principalmente altransporte carretero e instalacionesportuarias

SISMO DE KOBE, JAPÓNDurante el sismo de Kobe, Japón, sedañaron severamente muchosedificios de acero estructurados con



edificios de acero estructurados conmarcos rígidos.

Los daños ocurridos fueron similaresa los del temblor de Northridge, Cal,1994.

Muchos edificios presentaroncolapsos parciales.



SISMO DE KOBE, JAPÓN



Colapso típico de casa habitación con estructura demadera. Falta de elementos estructurales resistentes a laacción sísmica en planta baja.



Colapso lateral de un tramo del Viaducto Hanshin, Kobe, Japón

Estructuración poco redundante a base de péndulo invertido deconcreto reforzado



Pandeo local y fractura de diagonales decontraventeos en X



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



Falla de la cimentación de las grúas carril



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



COMPORTAMIENTO DEEDIFICIOS DE ACERO

El comportamiento de edificios de



El comportamiento de edificios deacero durante sismos reales hasido satisfactorio en general,desde el punto de vista de suresistencia.

Ciudad de México: 1957, 1979 y 1985



Sismos fuertes ocurridos en la Ciudad de México

DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACEROSISMOS DE 1985

El comportamiento de las conexiones



El comportamiento de las conexionestrabe-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 CRÍTICOSCONEXIÓN TIPO ÁRBOL



PUNTOS CRÍTICOS CONEXIONESTRABE COLUMNA




Las conexiones reales seconstruirán utilizando materiales



Las conexiones reales seconstruirán utilizando materiales,configuraciones, procesos y

métodos de control de calidad quese acerquen, tanto como seaposible, a los empleados en las juntas ensayadas.




Si se construye



Si se construyeinadecuadamente, sin un

estricto control de calidad enlas soldaduras, puede haberpuntos débiles en una

estructura de acero.




El FEMA 350 recomienda

especial control de calidad en



especial control de calidad enlos materiales, mano de obra,

procesos para efectuar lassoldaduras y ensayes paraverificar que las soldadurassean adecuadas.

CONTROL DE CALIDADSOLDADURAS DE CAMPO



FALLA FRÁGIL En los casos pocos frecuentes, en que lascondiciones de trabajo puedan provocar

fallas de tipo frágil, deben evitarse todas lascondiciones que puedan propiciarla:



p g ,condiciones que puedan propiciarla:

1.Uso de aceros con altos contenidos de

carbono2.Operación de la estructura a muy bajas

temperaturas

3. Aplicación de cargas que produzcanimpacto 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 larelación entre el cortante máximo y la

tensión máxima sea muy pequeña

Especialmente deberá evitarse la presencia simultáneade varias de estas condiciones. (Sismo del 17 de enerode 1994, Northridge, Cal.).



RESUMEN DE LAS



RESUMEN DE LASCONEXIONES TRABE

COLUMNA

Conexión Descripción Comentario Desventajas de diseño yfabricación

CTC-1

Placas de conexión soldadas apatines de la trabe y placa decortante soldada al patín de lacolumna en taller y soldada encampo al alma de la trabe.

En México, a diferenciade otros paísesindustrializados, escomún y muy frecuentediseñar conexionessoldadas de este tipo.

Presenta varios puntos críticosde falla, correspondientes a lassoldaduras de penetracióncompleta y de filete que debendepositarse en campo en laplaca de conexión superior yen la de cortante.

Placas de conexión atornilladas a Conexión común, de usof Mé i

Conexión rápida de hacer en



CTC-2

los patines de la trabe y placa decortante soldada al patín de lacolumna y atornillada al alma de latrabe

frecuente en México campo y que requiere de unaprecisión geométrica muyrigurosa para garantizar lacoincidencia de los agujeros enpatines y placas para colocarlos tornillos de alta resistenciaASTM A325(NOM-H-124)..

CTC-3

Conexión tipo árbol, típica deJapón, cien por ciento atornilladaen campo

De uso moderado enMéxico, ha sidoremplazada por laconexión con placaextrema.

Muy eficiente, ya que sereducen los puntos críticos dela conexión, que son lassoldaduras que se depositanen taller.

Requiere el uso de muchasplacas, por lo que lafabricación resulta cara.

Los muñones o brazos reducenla capacidad de transporte delas columnas

CTC-4

Conexión con placa extrema, unión

precalificada por el AISC

Muy popular en EstadosUnidos y de uso normal y

cada vez más frecuenteen México.

Los tornillos trabajan atensión, lo que ocasionala acción de palanca(“prying actions”) quedeben tomarse en cuenta

en el diseño.

Conexión sencilla y económica,ya que no requiere de muchos

elementos de unión y por lotanto se reducen los puntoscríticos de falla. Toda la soldadura se depositaen taller, por lo que se elimina lasoldadura de campo querequiere mayor supervisión ycontrol de calidad.

La fabricación debe ser muyprecisa para asegurar sualineado y plomeado en obra



alineado y plomeado en obra.

CTC-5

Hueso de perro(“dog bone”) De uso escaso enMéxico. Los patines de la trabe sereducen intencionalmentepara obligar que en estas

zonas se formen lasarticulaciones plásticasasociadas al mecanismode falla.

Unión sencilla y económica, quecarece de elementos de uniónya que los patines se sueldandirectamente a los patines de lacolumna con soldadura de

penetración completa. La placade cortante se atornilla encampo.

CONEXIÓN TRABE COLUMNA

SOLDADA CT-1



CONEXIÓN SOLDADA CT-1



CONEXIÓN SOLDADA ATORNILLADA



CONEXIÓN SOLDADA CON REFUERZOEXTERIOR



CONEXIÓN TOTALMENTE SOLDADA



CONEXIÓN TRABE COLUMNASOLDADA



CONEXIÓN TRABE COLUMNAATORNILLADA CT-2



CONEXIÓN ATORNILLADA CT-2



CONEXIÓN ATORNILLADA



CONEXIÓN TIPO ÁRBOL CT-3




CONEXIÓN HUESO DE PERRODOG BONE




CONEXION ATORNILLADA COLUMNAOC CON PLACAS EXTREMAS




La conexión se realiza en la zona de



La conexión se realiza en la zona demomento máximo, que corresponde

al paño de la columna. Sin embargo,se recomienda desplazar laconexión a una zona donde el

momento flexionante es menor.


La placa extrema se suelda en taller



La placa extrema se suelda en tallera la trabe con todas las

precauciones que se requieren, conuna precisión geométrica rigurosapara garantizar el montaje de las

vigas.





La conexión se realiza en la zona demomento máximo, que corresponde



, q pal paño de la columna. Sin embargo,

se recomienda desplazar laconexión a una zona donde elmomento flexionante es menor.

CONEXIÓN TRABE COLUMNA TIPO

ÁRBOL CON PLACAS EXTREMAS




El muñón se suelda a la columna en taller,conexión tipo árbol”, a pesar de que éstos



p , p qcomplican un poco el transporte a la obra.

Si la conexión se hace fuera de la cara de lacolumna, se requieren un número menor de

tornillos y la placa de extremo resulta menosgruesa, a cambio de tener el problema parael transporte de las columnas tipo árbol.

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