PRECALIFICACIÓN DE DOS CONEXIÓNES SOLDADAS A MOMENTO VIGA - COLUMNA CON REDUCCIÓN DE SECCIÓN E N

LA VIGA Y CON CUBREPLACA PARA EDIFICIOS METALICOS B AJO LA ACCIÓN DE CARGA DINAMICA

CÉSAR AUGUSTO CERÓN PINO Ingeniero Civil, Especialista en Estructuras, Estudiante de Maestría en Ingeniería,

Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes G-7, Profesor Asistente, Escuela de Ingeniería Civil y Geomática,

Universidad del Valle, Cali, Colombia.

Los intereses en investigación están en las áreas de: Procedimientos Constructivos, Uso de nuevos materiales y tecnologías estructurales, Análisis y diseño de conexiones en estructuras, Estudios de precalificación.

GILBERTO AREIZA PALMA Magister en Ingeniería Estructural, Universidad de Lehigh, Bethlehem Pennsylvania,

USA. Profesor Titular, Escuela de Ingeniería Civil y Geomática, Universidad del Valle, Cali, Colombia.

Los intereses en investigación están en las áreas de: Procedimientos Constructivos, Uso de nuevos materiales y tecnologías estructurales, Análisis y diseño de Edificaciones, Estudios de precalificación.

PETER THOMSON. Doctor en Ingeniería Aeroespacial, Universidad de Minnesota, USA. Director Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes,

G-7. Profesor Titular, Escuela de Ingeniería Civil y Geomática, Universidad del Valle, Cali, Colombia.

Los intereses en la investigación están en las áreas de: Dinámica y control estructural, Materiales con memoria de forma (SMA), Estructuras inteligentes, Monitoreo de salud estructural, Estructuras aeroespaciales, Vehículos no tripulados, Diseño de naves aeroespaciales.

RESUMEN: La precalificación de conexiones se basa en las consideraciones de las Provisiones Sísmicas Para Edificios Metálicos de Acero del AISC-2005. Esta norma propone el procedimiento estándar de ensayo para la realización de pruebas cíclicas a las conexiones, con el fin de comprobar su comportamiento ante solicitaciones dinámicas. El presente proyecto presenta los resultados de dos conexiones a momento, el Prototipo I conexión con cubreplacas y el Prototipo II con Reducción de Sección en la Viga –RBS, ambas cuentan con perfiles de acero y estudios de precalificación similares, pero con diferencias geométricas en los elementos de rigidización, como las cubre placas, atiezador en el alma de la viga y el corte de sección en las alas de la viga. La conexión Prototipo II que cuenta con la RBS presenta una menor concentración de esfuerzos en la zona de frontera de la cara de la columna que conecta con las cubreplacas y la placa de cortante que van soldadas al alma de la viga, manteniendo alejada la diferencia de esfuerzos de fluencia entre el material de los perfiles y el especificado para la soldadura. La conexión Prototipo I que es de solo cubreplacas presenta valores mayores de capacidad a momento curvatura.

PREQUALIFICATION OF TWO BEAM-TO-COLUMN WELDED MOMENT CONNECTION WITH REDUCED BEAM SECTION IN THE

BEAM AND WITH COVER PLATE FOR STEEL BUILDING APPLICATIONS UNDER THE ACTION OF DYNAMIC LOAD

ABSTRACT: The prequalification of the connection is based on the AISC -2005 Standard Seismic provisions for Structural Steel Buildings. In this norm, a standard procedure is defined for undertaking cyclic tests of connections to check their dynamic behavior. The paper presents the results of two moment-resistant steel connections, The Prototype I with cover plates and the Prototype II with Reduced Beam Section. RBS, Both connections have a similar prequalification, but geometric differences in the stiffness elements, cover plates, web ribs and the section cut in the beam flanges. The Prototype II connection that has the RBS has a smaller area of stress concentration where the face of the column connects with the cover plates and the shear plate that are welded to the beam’s web. This also maintains the real yield strength of the steel profiles below the specified yield strength of the welding. The connection Prototype I that is of only cubreplacas presents major values of capacity to moment curvature.

INTRODUCCIÓN

La normativa base de estructuras de acero que tiene la actual edición de la Norma de diseño sismo resistente que rige en Colombia NSR-98 [2] es la AISC [3] cuya edición data de 1992, pero debido a los cambios y actualizaciones que se han hecho a nivel mundial entre las cuales están la AISC 2005 [1] y próximamente la AISC 2010, es que la AIS 1 implementará la normativa de la AISC 2005 [1] como base para los cambios en los títulos referentes al acero en la nueva Norma de diseño sismo resistente que saldrá en Colombia a partir del año 2010 que será la NSR-09.

El estudio y las normas de conexiones entre vigas y columnas con perfiles en acero estructural para pórticos resistentes a momento (PRM) usando soldadura de penetración completa en la unión de las alas de la viga a las alas de las columnas fueron invalidadas en los Estados Unidos después del terremoto de Northridge california 1994 y de Kobe en Japón 1995 obedeciendo a que en este tipo de conexión no hubo evidencia de rótula plástica en la viga o cedencia en la zona del panel viga -columna, como era de esperarse en un comportamiento dúctil; es así, como la AISC 2005 [1] en sus nuevas especificaciones establece las modificaciones en: criterios de diseño, precalificación y prácticas constructivas tanto en taller como en obra de conexiones a momento tipo tomadas de la FEMA 2 a partir de proyectos de investigación iniciados en octubre de 1995 por entidades e instituciones reconocidas en la investigación de ingeniería sismo resistente.

Debido a que las normas internacionales presentan cambios radicales, entre las cuales está, el que todas las conexiones del sistema de resistencia sísmica de estructuras de acero deben ser probadas en laboratorio, surge la necesidad de proponer tipos de conexiones viga-columna, que respaldadas en ensayos de laboratorio, garanticen un comportamiento dúctil de la estructura durante un evento sísmico.

Figura 1 - Conexión soldada a momento típica antes de 1994

1 Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS. 2 Federal Emergency Management Agency, FEMA.

DISEÑO DE ESPECÍMENES

Son dos prototipos de conexión escogidos, uno con cubreplacas y rigidizador [4] (Prototipo I, Figura 2) y otro con cubreplacas, sin rigidizador y RBS (Prototipo II , Figura 3). Estas son de fácil uso por diseñadores y constructores, para edificios con altura entre 8 y 10 pisos.

Para los dos prototipos se utilizó para la viga un perfil IPE 400 y para la columna un perfil HEA 300, ambos de acero A36, con una tensión de fluencia de 248 Mpa y una tensión última de fluencia igual a 400 Mpa.

Figura 2 - Prototipo I de ensayo

Figura 3 - Prototipo II de ensayo

La conexión prototipo I es de tipo cubreplaca con una ranura en la cubreplaca superior de 60 mm de ancho (bfb/3) ver Figura 4, la cual se usó para aplicar soldadura plana horizontal en filete, y para el prototipo II se usó una cubreplaca II en

su parte superior con sección transversal menor al patín de la viga para su facilidad de aplicación de la soldadura plana horizontal en filete. Para facilitar el montaje, las conexiones tienen dos pernos que une la placa de cortante y el alma de la viga y si se desea se pueden remover después de aplicada la soldadura definitiva. Estas condiciones hacen que la conexión sea segura y económica, y para los dos prototipos se tiene la cubreplaca inferior Figura 6.

Figura 4 - Cubreplaca superior Prototipo I

Figura 5 - Cubreplaca superior Prototipo II

Figura 6 - Conexión cubreplaca inferior Prototipos I y II

CRITERIOS DE DISEÑO

A continuación se presentan algunos criterios en el diseño de la conexión:

- Momento plást ico. -

Mp = Zxb Fyb (1) donde Zxb Módulo plástico de sección de la viga sentido x, mm3 Fyb Resistencia especificada, a la fluencia, del acero, Mpa

- Momento plást ico esperado. -

Mpr = Cpr Ry Mp (2) donde Cpr Factor a cuenta de la fuerza máxima de la conexión Ry Relación entre la fluencia esperada Fye y la fluencia

mínima del acero a utilizar, Fy

- Columna fuerte-viga débil y una manera es mediante la siguiente ecuación:

(Ec. 9.3-AISC-2002) (3)

- tfc espesor de las platinas de continuidad cumplan con la siguiente ecuación:

(Ec. C9-3 AISC-2002) (4)

- La zona del panel debe cumplir con la ecuación siguiente:

(Ec. 9.2 AISC-2002) (5)

Figura 7 - Platinas dobles en zona del panel

- La resistencia de diseño a corte ØvRv de la zona del panel se determina con la siguiente expresión, usando un Øv = 1,0.

(Ec 9.1 AISC-2002) (6)

ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS (Software ALGOR y A NSYS)

Con este método se evaluó el comportamiento de los prototipos. Determinamos las zonas donde se presentaron altas concentraciones de tensiones y deformaciones durante el ensayo cíclico. Con esta información se identificó los sitios óptimos para colocar la instrumentación y así se determinó el mecanismo de falla del prototipo. Para la simulación en Algor de la prueba cíclica en elementos finitos del prototipo I del modelo definitivo se usaron 74516 elementos en total, donde 71569 fueron elementos Brick y 2947 fueron elementos Shell. Y para la simulación en Ansys del prototipo II del modelo definitivo se usaron 75670 elementos tipo Solid185.

Los modelos de los prototipos fueron cargados de acuerdo a una historia de carga basada en los requerimientos del Apéndice S de las Provisiones Sísmicas del AISC-2002. La historia de carga consiste en incrementos moderados de ciclos de deformación, controlando el ángulo de deriva.

En las figuras 8 y 9 se observa la rótula plástica, la cual se genero en la viga para los prototipos I y II respectivamente.

Figura 8 - Prototipo I de la conexión en elementos finitos.

Figura 9 - Prototipo II de la conexión en elementos finitos.

FABRICACIÓN DEL ESPÉCIMEN Una vez realizado el análisis del prototipo por elementos finitos, se procedió a fabricar el espécimen de los prototipos I y II y se confrontan los resultados con los obtenidos mediante elementos finitos.

En la planta de la empresa B&S Engineering, el espécimen de prueba fue fabricado siguiendo la práctica convencional comúnmente usada por muchos fabricantes en

nuestro medio. La soldadura fue también hecha en la planta por soldadores calificados en condiciones cercanamente parecidas a las condiciones reales de montaje en el campo de una estructura, el electrodo de soldadura usado fue E7018 con una resistencia de 480 Mpa y se aplicó de acuerdo a la norma AWS *.

MONTAJE E INSTRUMENTACIÓN DEL ENSAYO

Cada espécimen fue instrumentado con el fin de obtener la mayor información posible. Para tal propósito se usaron 5 extensómetros (LVDTs **), 17 galgas extensométricas (strain gauges) y un sensor de temperatura.

Figura 10 - Montaje del ensayo.

* American Welding Society. Structural Welding Code – Steel. (AWS).

** Linear Variable Differential Transducer (LVDT).

Figura 11 - Instrumentación del ensayo.

ADQUISICIÓN DE DATOS Las señales provenientes de los sensores (LVDTs, galgas, celda de carga y sensor de temperatura) fueron llevadas a una tarjeta de adquisición de datos con módulos para acondicionamiento analógico de las señales, y luego interpretados y procesados por un software (TCS***) instalado en la computadora; para este ensayo se uso el software MATLAB versión 6.5.

Figura 12 - Sistema de adquisición de datos

***

Test Control Software (TCS).

HISTORIA DE CARGA El programa de carga según requerimientos de las Provisiones Sísmicas del AISC-2002. consiste en incrementos moderados de ciclos de deformación, controlando el ángulo de deriva.

Tabla 1 - Historia de carga. Paso de carga # Deformación pico,θ(rad) Número de ciclos, n δ (mm)

1 0,00375 6 14,25

2 0,005 6 19,00

3 0,0075 6 28,50

4 0,01 4 38,00

5 0,015 2 57,00

6 0,02 2 76,00

7 0,03 2 114,00

8 0,04 2 152,00

Si es necesario se continúa cargando con incrementos de θ = 0,01 rad, realizando dos ciclos en cada paso hasta que la falla ocurra.

RESULTADOS DE LA PRUEBA EXPERIMENTAL En las siguientes figuras se aprecia que la energía fue disipada por la fluencia cíclica de la viga, originando un pandeo local de las aletas y alma en la formación de la rótula plástica. No se presentó distorsión de la zona de panel. Esto coincide con lo observado en el análisis de elementos finitos.

Figura 13 - Vista frontal de la conexión ensayada.

En estas figuras se observa cómo la viga tuvo un pandeo torsional. Esta torsión es producida por una distribución de tensiones en la zona donde se produce la rótula plástica.

COMPORTAMIENTO EN ZONA DEL PANEL DE LA CONEXIÓN

Figura 14 - Rotación columna Vs. Rotación viga

Figura 15 - Rigidez en la zona del panel De la Figura 14 según la distribución de la gráfica experimental (una pendiente constante). Las conexiones se comportan de manera rígida, ya que la deformación en la columna es aproximada a la de la viga en la zona del panel de la conexión.

De la Figura 15 la gráfica experimental muestra la rigidez de la zona de panel en las conexiones con valores muy pequeños, indicando que su distorsión angular es prácticamente nula. Lo anterior demuestra que el panel no contribuye a la deformación de la conexión y que toda la deformación plástica se produjo en la viga.

COMPORTAMIENTO HISTERÉTICO DE LAS CONEXIONES

Exper imental Protot ipo I Experimental Protot ipo I I Figura 18 - Gráfica histerética Carga Vs. Rotación

Exper imental Protot ipo I Experimental Protot ipo I I

Figura 19 - Gráfica histerética Momento Mf Vs. Rotación

Experimental Protot ipo I Exper imental Protot ipo I I

Figura 20 - Gráf ica histerética Momento Mpr Vs. Rotación

Tabla 2 - Cuadro comparativo.

Valores Máximos del ensayo cíclico

Prototipo I

Valores ensayo cíclico

prototipo II

Condición Simulación

Elem.Finito

Prueba

Experimental

Elem.Finito

Vs.

Experimental

Simulación

Elem.Finito

Prueba

Experimental

Elem.Finito

Vs.

Experimental

Carga (KN) 135 146 8 % 134 150 11 %

Mp (KN-m) 324 324 --------- 324 324 ---------

Mf (KN-m)>0,8Mp

492 535 8 % 490 570 14 %

Mpr (KN-m) 402 440 8 % 420 477 12 %

Rotación (Rad) 0,03 0,04 ---------- 0,04 0,04 ---------

En los gráficos 18, 19 y 20 se observa que hasta el ciclo de 0,025 radianes, los modelos de elementos finitos y la parte experimental se comportan en forma parecida y después tienen un desfase. Como se muestra en la tabla 2.

CONCLUSIONES

El procedimiento de diseño y el detallado de la conexión fueron exitosamente validados por el ensayo experimental de precalificación cíclica a escala real, y para la simulación del ensayo en elementos finitos, siguiendo los lineamientos del AISC-2005.

El comportamiento de las conexiones logró una máxima rotación plástica en la viga de 0,04 radianes para el ensayo cíclico experimental, y de 0,04 radianes en la simulación de la prueba, sin ninguna contribución de la zona del panel de la columna, ni concentración de esfuerzos en los elementos que componen las conexiones.

El momento plástico en la cara de la columna (Mf), supera notablemente el 80% del momento plástico (Mp) nominal de la viga.

El mecanismo de falla fue dúctil y la rótula plástica se presentó en la luz de la viga, después de la conexión y en la zona de RBS como estaba calculado en el diseño- con gran fluencia y pandeo local del alma y las aletas. Lo anterior indica que la conexión cumplió con la condición de columna fuerte-viga débil, comportamiento adecuado para pórticos resistentes a momento.

La distribución de esfuerzos en la zona de rotula plástica tuvo un mejor comportamiento en el prototipo II , ya que su longitud de desarrollo es menor a la presentada con el prototipo I, aunque se puede apreciar que el rigidizador del prototipo I es un gran elemento para evitar pandeo de la sección.

El detallado de la conexión precalificada, se puede usar para pórticos a momento con capacidad de disipación de energía especial (DES), para regiones con sismicidad alta.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la financiación de la Universidad del Valle y a B&S Engineering para el proyecto: Precalificación de conexiones soldadas a momento bajo la acción de cargas dinámicas.

REFERENCIAS

[1] AISC (American Institute of Steel Construction). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings., Ed 2005, Chicago, Illinois, EU, AISC 2005.

[2] AIS. (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica). Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente., Cuarta Edición, Bogotá, Colombia: 3R Editores Ltda., NSR-98, 2003.

[3] AISC. (American Institute of Steel Construction). Manual of Steel Construction.1992.

[4] Acero Perdomo, H., (2005). “Precalificación de una Conexión Soldada a Momento Viga Columna para Aplicaciones en Edificios Metálicos” Universidad del Valle. Cali, 2005.

[5] REF. Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica. Precalificación de Una Conexión Soldada a Momento Viga – Columna con Reducción de Sección Hueso de Perro en la Viga para Edificios Metálicos Bajo la Acción de Carga Dinámica. Santiago de Chile, Mayo de 2010.