facultad de ciencias matemÁticas y fÍsicas …

Universidad de Guayaquil

FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A

LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

ESTRUCTURAS

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LA CONEXIÓN VIGA

COLUMNA PRECALIFICADA DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO

Y ALMA SOLDADA (WUF-W) EN UN EDIFICIO DE

ESTRUCTURA METÁLICA.

AUTORA: STEFANÍA PAOLA BOWEN CRUZATTY

TUTOR: ING. PABLO LINDAO TOMALA, M.Sc.

GUAYAQUIL, ABRIL 2020

ii

Agradecimiento

A mi padre celestial, Dios, por haberme

dado fortaleza, sabiduría y entendimiento

durante mis estudios universitarios.

A todas aquellas personas que cuidaron de

mis hijos mientras yo asistía a recibir

clases.

A mis distinguidos docentes de la facultad,

quienes me impartieron sus conocimientos

a lo largo de la carrera, en especial al Ing.

Pablo Lindao por su ayuda en el desarrollo

de esta tesis.

A mi hijo Víctor Moreira, por atender a su

hermano durante mi ausencia.

A mis compañeros, autoridades y demás

colaboradores de la facultad que siempre

me brindaron su ayuda y amistad.

Stefanía Paola Bowen Cruzatty

iii

Dedicatoria

Después de Dios dedico este trabajo de

titulación a mis hijos: Víctor y Stéfano,

porque fueron los motores principales para

no rendirme a pesar de los obstáculos en

el camino y los que muchas veces sintieron

mi estrés y ausencia.

A mis padres, hermanas, amistades y

demás familia que me ayudaron de

diversas maneras cuando los necesité.

A mis estimados docentes que me

permitieron en varias ocasiones llevar a

mis hijos a clases, los cuales entendieron

mi situación y mis ganas de nutrirme a

diario de sus enseñanzas.

Stefanía Paola Bowen Cruzatty

vi

ANEXO XI.- CERTIFICADO DEL TUTOR REVISOR

vii

ANEXO XII.- DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y DE AUTORIZACIÓN de

LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO

NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS

Guayaquil, 04 de marzo del 2020

LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO

ACADÉMICOS

viii

ÍNDICE GENERAL

CAPÍTULO I

Generalidades

1.1. Introducción............................................................................................. 1

1.2. Planteamiento del Problema ................................................................... 2

1.3. Objetivos de la Investigación................................................................... 3

1.3.1. Objetivo General. .............................................................................. 3

1.3.2. Objetivos Específicos. ....................................................................... 3

1.4. Alcance del Trabajo ................................................................................ 4

1.5. Justificación e Importancia ...................................................................... 4

CAPÍTULO II

Marco Teórico

2.1. Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-2015 ................................. 6

2.1.1. Capítulo de Cargas Gravitacionales No Sísmicas de la NEC-2015 . 7

2.1.2. Capítulo de Diseño Sísmico de la NEC-2015 (NEC-SE-DS). ........... 7

2.1.3. Capítulo de Diseño de Estructuras de Acero de la NEC-2015 . ........ 9

2.2. Tipos de Aceros Estructurales .............................................................. 10

2.2.1. Acero ASTM A992 Grado 50. ......................................................... 12

2.3. Sistemas Sismo resistentes Utilizados en Edificios de Acero ............... 13

2.3.1. Pórticos Especiales Resistentes a Momentos (PEM). .................... 14

2.3.1.1. Criterios de Diseño de Pórticos Especiales Resistentes a . ..... 15

2.4. Provisiones Sismo resistentes según AISC 341 ................................... 16

2.5. Nomenclatura típica de la conexión viga - columna .............................. 17

2.6. Ubicación de Rótulas Plásticas en la viga ............................................. 18

ix

2.6.1. Momento Máximo Probable en la Rótula Plástica. .......................... 19

2.6.2. Máximo Corte en la Rotula Plástica. ............................................... 21

2.7. Resistencia a Corte Requerida de la viga ............................................. 22

2.8. Criterio Columna Fuerte Viga Débil ....................................................... 22

2.9. Zona de Panel ....................................................................................... 24

2.9.1. Espesor de la Zona de Panel. ......................................................... 24

2.9.2. Resistencia de diseño al Cortante en la Zona de Panel. ................ 25

2.10. Diseño de la placa de cortante en la unión del alma de la viga . ........ 26

2.11. Agujeros de acceso a la soldadura según ASW D1.8-2009 ................ 28

2.12. Espesores y soldaduras en las Placas de Continuidad ....................... 28

2.13. Ángulo de Deriva de Piso .................................................................... 30

2.14. Limitaciones de las Columnas y Vigas ................................................ 31

CAPÍTULO III

Modelación y Diseño de la Edificación en el Software ETABS

2016

3.1. Selección de Materiales y Sistema Estructural ..................................... 33

3.2. Predimensionamiento de Losa, Vigas y Columnas ............................... 34

3.2.1. Determinación de Cargas Permanentes. ........................................ 34

3.2.2. Prediseño de Vigas Secundarias. ................................................... 35

3.2.3. Prediseño de Vigas Principales. ..................................................... 37

3.2.4. Prediseño de Columnas. ................................................................. 38

3.3. Selección de Perfiles y Secciones según el Prediseño ......................... 40

3.4. Verificación de la Relación Ancho Espesor según AISC 341 ................ 41

3.5. Modelación en el Software ETABS-2016 .............................................. 44

x

3.5.1. Definición de Unidades, Coordenadas y Pisos. .............................. 45

3.5.2. Creación de Materiales, Secciones y Losa Tipo Deck. ................... 46

3.5.2.1. Definición de Materiales. .......................................................... 46

3.5.2.2. Definición de Secciones. .......................................................... 49

3.5.2.3. Definición de Losa. ................................................................... 51

3.5.3. Definición de Patrones y Casos de Cargas. ................................... 52

3.5.4. Definición del Espectro de Respuesta. ........................................... 53

3.5.5. Creación de la Fuente de Masa. ..................................................... 56

3.5.6. Definición de Modos de Vibración y Combinaciones de Cargas. .... 58

3.5.7. Elección del Efecto P-Delta............................................................. 59

3.5.8. Dibujo de Elementos: Columnas, Vigas Principales, ...................... 59

3.5.9. Cambio de Apoyos en las Columnas de la Planta Baja. ................. 61

3.5.10. Asignación de Cargas de Gravedad: sobrecarga impuesta. ......... 62

3.5.11. Asignación de Diafragmas. ........................................................... 63

3.5.12. Selección de Preferencias de Diseño. .......................................... 64

3.5.13. Chequeo y Análisis del Modelo. .................................................... 64

3.6. Verificación de los Resultados Obtenidos en el Análisis Estructural ..... 66

3.6.1. Chequeo de Períodos y modos de Vibración. ................................. 66

3.6.1.1. Cálculo del Período de la Estructura según la NEC 2015. ....... 68

3.6.2. Cálculo del Cortante Estático Según la NEC 2015 Para la. ............ 69

3.6.2.1. Corrección del Cortante Dinámico. ........................................... 72

3.6.3. Chequeo de Derivas. ...................................................................... 73

3.6.4. Diseño de Miembros: Vigas Principales, Columnas, Vigas. ............ 74

3.6.5. Chequeo de la Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial. ...... 76

3.7. Análisis del Criterio Columna Fuerte – Viga Débil................................. 77

xi

CAPÍTULO IV

Selección y Diseño Teórico de la Conexión Precalificada Viga Columna

4.1 Conexiones Precalificadas Según el Código AISC 358-10 .................... 80

4.2. Conexión de Ala Soldada sin Reforzar y Alma Soldada (WUF-W) ....... 83

4.2.1. Definición. ....................................................................................... 83

4.2.2. Límites de Precalificación. .............................................................. 84

4.2.3. Características de la Conexión WUF – W. ...................................... 85

4.2.4. Procedimiento de Diseño de la Conexión WUF – W Según. .......... 86

CAPÍTULO V

Verificación del Diseño Teórico de la conexión en el

Software RAM Connection.

5.1. Introducción y Definición del Software RAM Connection Versión ....... 105

5.2. Asignación de Secciones de los Elementos ........................................ 106

5.3. Asignación de la Placa de Corte ......................................................... 108

5.4. Elección y Asignación de la Conexión a Momento.............................. 109

5.5. Condiciones y Combinaciones de Cargas .......................................... 111

5.6. Asignación de Cargas a las Conexiones ............................................. 112

5.6.1. Asignación de Fuerzas a las Conexiones ..................................... 115

5.7. Selección de Parámetros de Diseño para la Conexión. ...................... 116

5.8. Resultados del Diseño obtenidos en el software RAM Connection ..... 117

xii

5.8.1. Resultados de la Placa de Cortante. ............................................. 117

5.8.2. Resultados de la Conexión de Momento. ..................................... 118

CAPÍTULO VI

Resumen de Resultados y Discusión

6.1. Comparación de Resultados. .............................................................. 120

6.2. Planos de Diseño de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y. ........... 120

6.2.1. Detalles del Diseño de la Placa de Cortante. ................................ 121

6.2.2. Detalles del Diseño de la Soldadura de Penetración Completa. ... 122

6.3. Planos de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y Alma Sold. ........... 124

6.3.1. Detalles del Diseño Optimizado de la Placa de Cortante .............. 125

6.4. Discusión de los Resultados Obtenidos. ............................................. 126

CAPÍTULO VII

Conclusiones y Recomendaciones

7.1. Conclusiones....................................................................................... 128

7.2. Recomendaciones .............................................................................. 132

xiii

Índice de Ilustraciones

ILUSTRACIÓN 1: ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA NEC – SE – CG ............................................................ 7

ILUSTRACIÓN 2: ESQUEMA DEL DISEÑO BASADO EN FUERZAS (DBF) ....................................................... 8

ILUSTRACIÓN 3: ESQUEMA DEL DISEÑO BASADO EN CARGAS (DBF) ....................................................... 10

ILUSTRACIÓN 4: EDIFICACIÓN EN ACERO ESTRUCTURAL ASTM A992 ................................................... 13

ILUSTRACIÓN 5: ZONAS EN LA QUE SE ESPERAN DEFORMACIONES INELÁSTICAS .................................... 15

ILUSTRACIÓN 6: SISTEMA DE PÓRTICOS ESPECIALES A MOMENTO TIPO 2 Y 1 RESPECTIVAMENTE......... 15

ILUSTRACIÓN 7: SISTEMA DE PÓRTICOS ESPECIALES A MOMENTO TIPO 2 Y 1 RESPECTIVAMENTE......... 17

ILUSTRACIÓN 8: UBICACIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS EN VIGAS CON DISTINTO TIPO DE CONEXIONES .... 19

ILUSTRACIÓN 9: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA VIGA ...................................................................... 21

ILUSTRACIÓN 10: DETERMINACIÓN DE MPV PARA UNA COLUMNA INTERIOR............................................ 23

ILUSTRACIÓN 11: FUERZAS INTERNAS ACTUANDO EN LA ZONA DE PANEL DE UN PEM ........................... 24

ILUSTRACIÓN 12: SOLDADURAS TAPÓN EN LA ZONA DE PANEL ................................................................ 25

ILUSTRACIÓN 13: DETALLE DE LA PLACA DE CORTANTE EN LA UNIÓN ..................................................... 27

ILUSTRACIÓN 14: AGUJEROS DE ACCESO A LA SOLDADURA EN LA UNIÓN. .............................................. 28

ILUSTRACIÓN 15: PLACA DE CONTINUIDAD PARA LAS ALAS DE LA VIGA. .................................................. 29

ILUSTRACIÓN 16: PLACA DE CONTINUIDAD SOLDADAS A LA COLUMNA. ................................................... 30

ILUSTRACIÓN 17: ÁNGULOS DE DISTORSIÓN DE PISO. ............................................................................. 31

ILUSTRACIÓN 18: DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA LOSA TIPO DEL EDIFICIO MULTIFAMILIAR. ................... 33

ILUSTRACIÓN 19: GEOMETRÍA DEL EDIFICIO EN ELEVACIÓN. .................................................................. 34

ILUSTRACIÓN 20: CORTE TÍPICO DE PLACA COLABORANTE TIPO DECK, MEDIDAS EN MILÍMETROS ....... 35

ILUSTRACIÓN 21: PREDISEÑO DE VIGA SECUNDARIA. ............................................................................. 36

ILUSTRACIÓN 22: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE EN EL PREDISEÑO DE LA VIGA SECUNDARIA. ............. 36

ILUSTRACIÓN 23: CÁLCULO DE CORTANTES Y MOMENTOS FLECTORES EN UNA VIGA PRINCIPAL. .......... 38

ILUSTRACIÓN 24: VENTANA DE INICIO PARA UN NUEVO MODELO. ............................................................ 45

ILUSTRACIÓN 25: VENTANA DE COORDENADAS PARA LA UBICACIÓN DE LOS EJES.................................. 45

ILUSTRACIÓN 26: DETERMINACIÓN DE PISO MÁSTER. .............................................................................. 46

ILUSTRACIÓN 27: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO ASTM 992 ........................................ 47

ILUSTRACIÓN 28: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO ASTM 992. ....................................... 47

ILUSTRACIÓN 29: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL HORMIGÓN. .................................................... 48

ILUSTRACIÓN 30: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL HORMIGÓN. .................................................... 48

ILUSTRACIÓN 31: DEFINICIÓN DE PERFILES PARA COLUMNAS. ................................................................ 49

ILUSTRACIÓN 32: DEFINICIÓN DE PERFILES PARA VIGAS PRINCIPALES. ................................................... 50

ILUSTRACIÓN 33: DEFINICIÓN DE PERFILES PARA VIGAS SECUNDARIAS. ................................................. 50

ILUSTRACIÓN 34: DEFINICIÓN DE LA LOSA CON LOS DATOS OBTENIDOS. ................................................ 51

xiv

ILUSTRACIÓN 35: DEFINICIÓN DE PATRONES DE CARGAS ........................................................................ 52

ILUSTRACIÓN 36: DEFINICIÓN DE CASOS DE CARGAS. ............................................................................. 52

ILUSTRACIÓN 37: DEFINICIÓN DEL ESPECTRO DE DISEÑO ........................................................................ 56

ILUSTRACIÓN 38: DEFINICIÓN DEL PORCENTAJE DE MASA PARTICIPATIVA. ............................................. 57

ILUSTRACIÓN 39: DEFINICIÓN DE MODOS DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA. ........................................ 58

ILUSTRACIÓN 40: DEFINICIÓN DE LAS COMBINACIONES DE CARGA SEGÚN NEC 2015. .......................... 58

ILUSTRACIÓN 41: DEFINICIÓN DEL EFECTO P-DELTA. .............................................................................. 59

ILUSTRACIÓN 42: ELEVACIÓN TÍPICA DEL EDIFICIO EN LA DIRECCIÓN X . ................................................. 59

ILUSTRACIÓN 43: CONDICIONES DE APOYO DE LAS VIGAS SECUNDARIAS. .............................................. 60

ILUSTRACIÓN 44: PLANTA TÍPICA DEL EDIFICIO. ........................................................................................ 60

ILUSTRACIÓN 45: LOSA TIPO DECK. .......................................................................................................... 61

ILUSTRACIÓN 46: DIBUJO 3D DEL EDIFICIO. ............................................................................................. 61

ILUSTRACIÓN 47: SELECCIÓN DE APOYOS EN LAS BASES DE LAS COLUMNAS. ........................................ 62

ILUSTRACIÓN 48: VALORES DE CARGAS ASIGNADAS A LOS PAÑOS DE LA LOSA. ..................................... 62

ILUSTRACIÓN 49: VALORES DE CARGAS ASIGNADAS A LAS ESCALERAS DEL EDIFICIO ............................ 63

ILUSTRACIÓN 50: COLOCACIÓN DE DIAFRAGMAS RÍGIDOS EN LA LOSA DE CADA PISO. ........................... 63

ILUSTRACIÓN 51: MODIFICACIÓN DE LOS PARÁMETROS SEGÚN EL MODELO ESTRUCTURAL. .................. 64

ILUSTRACIÓN 52: CHEQUEO DEL MODELO ESTRUCTURAL ANTES DE REALIZAR EL ANÁLISIS. ................. 65

ILUSTRACIÓN 53: ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA EN EL PROGRAMA. ........................................................ 65

ILUSTRACIÓN 54: PRIMER MODO DE LA ESTRUCTURA: MOVIMIENTO TRASLACIONAL EN Y. ..................... 66

ILUSTRACIÓN 55: SEGUNDO MODO DE LA ESTRUCTURA: MOVIMIENTO TRASLACIONAL EN X. ................. 67

ILUSTRACIÓN 56: TERCER MODO DE LA ESTRUCTURA: MOVIMIENTO ROTACIONAL EN Z. ........................ 67

ILUSTRACIÓN 57: ESPECTRO SÍSMICO ELÁSTICO DE ACELERACIONES QUE REPRESENTAN . .................. 69

ILUSTRACIÓN 58: MÁXIMO CORTANTE DINÁMICO PRODUCIDO EN EL SISMO EN X. ................................. 71

ILUSTRACIÓN 59: CORRECCIÓN DEL CORTANTE DINÁMICO CON EL FACTOR DE AMPLIFICACIÓN FA. ..... 72

ILUSTRACIÓN 60: MÁXIMO CORTANTE DINÁMICO PRODUCIDO EN EL SISMO EN X CORREGIDO. ............. 72

ILUSTRACIÓN 61: DERIVA DE PISO, SISMO EN X....................................................................................... 73

ILUSTRACIÓN 62: DERIVA DE PISO, SISMO EN Y ....................................................................................... 74

ILUSTRACIÓN 63: OPCIONES PARA DISEÑAR Y CHEQUEAR LOS ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA .......... 75

ILUSTRACIÓN 64: DISEÑO DE VIGAS PRINCIPALES Y SECUNDARIAS DEL PISO 1 ...................................... 75

ILUSTRACIÓN 65: DISEÑO DE COLUMNAS EN EL EJE 2 .............................................................................. 76

ILUSTRACIÓN 66: RELACIÓN DEMANDA / CAPACIDAD EN LAS VIGAS DEL PISO 1 ...................................... 76

ILUSTRACIÓN 67: RELACIÓN DEMANDA / CAPACIDAD EN LAS COLUMNAS DEL EJE 2 ............................... 77

ILUSTRACIÓN 68: DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL COLUMNA PISO 1 .......................................................... 78

ILUSTRACIÓN 69: DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL COLUMNA PISO 2 .......................................................... 78

ILUSTRACIÓN 70: CONEXIÓN RBS ............................................................................................................ 80

ILUSTRACIÓN 71: CONEXIÓN PRECALIFICADA DE PLACA EXTREMA EMPERNADA SIN RIGIDIZAR. ............. 81

ILUSTRACIÓN 72: CONEXIÓN PRECALIFICADA DE PLACA DE ALA EMPERNADA ......................................... 81

xv

ILUSTRACIÓN 73: CONEXIÓN PRECALIFICADA DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO Y ALMA SOLDADA ......... 82

ILUSTRACIÓN 74: CONEXIÓN PRECALIFICADA KAISER CON SOPORTE ATORNILLADO (IZQUIERDA) ......... 82

ILUSTRACIÓN 75: CONEXIÓN DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO Y ALMA SOLDADA WUF - W ................... 84

ILUSTRACIÓN 76: CARACTERÍSTICAS DE LA CONEXIÓN DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO ...................... 85

ILUSTRACIÓN 77: ESQUEMA DE CUERPO LIBRE ENTRE EL CENTRO DE LA VIGA . ..................................... 87

ILUSTRACIÓN 78: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA ................................. 88

ILUSTRACIÓN 79: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA. ................................ 88

ILUSTRACIÓN 80: VISTA LATERAL DE LA PLACA DE CORTANTE. .............................................................. 91

ILUSTRACIÓN 81: SOLDADURA DE FILETE EN PLACA DE CORTANTE. ...................................................... 94

ILUSTRACIÓN 82: CÁLCULO DE LA GARGANTA Y ÁREA EFECTIVA PARA UNA SOLDADURA DE FILETE. ... 94

ILUSTRACIÓN 83: SOLDADURA DE PENETRACIÓN COMPLETA ................................................................. 96

ILUSTRACIÓN 84: CONEXIONES EN T Y EN CRUZ CON PLANCHA TRANSVERSAL . .................................. 98

ILUSTRACIÓN 85: CONEXIONES DE PLANCHA DE TAPADO BAJO CARGA AXIAL. ................................... 100

ILUSTRACIÓN 86: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA. .............................. 101

ILUSTRACIÓN 87: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA. .............................. 101

ILUSTRACIÓN 88: DEFINICIÓN DE UNIDADES DE MEDIDAS. .................................................................... 106

ILUSTRACIÓN 89: SELECCIÓN DE LA CONEXIÓN VIGA – ALMA DE COLUMNA ......................................... 106

ILUSTRACIÓN 90: ASIGNACIÓN DE SECCIONES DE LOS ELEMENTOS. .................................................... 107

ILUSTRACIÓN 91: VIGA CONECTADA AL ALMA Y AL ALA DE LA COLUMNA. ............................................... 107

ILUSTRACIÓN 92: ELECCIÓN DE LA PLACA DE CORTANTE. .................................................................... 108

ILUSTRACIÓN 93: ELECCIÓN Y ASIGNACIÓN DE DATOS GEOMÉTRICOS OBTENIDOS . ............................ 108

ILUSTRACIÓN 94: SELECCIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO....................................................................... 109

ILUSTRACIÓN 95: CONEXIÓN A MOMENTO DIRECTAMENTE SOLDADA ................................................... 109

ILUSTRACIÓN 96: ASIGNACIÓN DE LA CONEXIÓN A MOMENTO. ............................................................. 110

ILUSTRACIÓN 97: CONEXIÓN A MOMENTO Y PLACA DE CORTANTE. ...................................................... 110

ILUSTRACIÓN 98: CASOS Y COMBINACIONES DE CARGAS ..................................................................... 111

ILUSTRACIÓN 99: ASIGNACIÓN DE CORTANTES Y MOMENTOS PRODUCIDOS. ....................................... 112

ILUSTRACIÓN 100: ASIGNACIÓN DE CORTANTES Y MOMENTOS PRODUCIDOS. ..................................... 113

ILUSTRACIÓN 101: ASIGNACIÓN DE FUERZA AXIAL Y MOMENTO FLECTOR PRODUCIDOS. ................... 114

ILUSTRACIÓN 102: DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL Y MOMENTO FLECTOR . ............................................ 114

ILUSTRACIÓN 103: FUERZAS QUE LLEGAN A LA PLACA DE CORTANTE. ................................................. 115

ILUSTRACIÓN 104: FUERZAS QUE LLEGAN A LA CONEXIÓN DE MOMENTO ............................................ 115

ILUSTRACIÓN 105: PERSONALIZACIÓN, COMBINACIONES DE CARGAS. .................................................. 116

ILUSTRACIÓN 106: DISEÑO DE LA CONEXIÓN EN AMBOS LADOS DE LA COLUMNA ................................ 120

ILUSTRACIÓN 107: VISTA SUPERIOR DE LA PLACA ................................................................................. 121

ILUSTRACIÓN 108: VISTA LATERAL DE LA PLACA ................................................................................... 121

ILUSTRACIÓN 109: VISTA FRONTAL DE LA PLACA .................................................................................. 122

ILUSTRACIÓN 110: VISTA FRONTAL DE LA CONEXIÓN A MOMENTO ....................................................... 122

xvi

ILUSTRACIÓN 111: VISTA LATERAL DE LA CONEXIÓN A MOMENTO ....................................................... 123

ILUSTRACIÓN 112: VISTA SUPERIOR DE LA CONEXIÓN A MOMENTO ..................................................... 123

ILUSTRACIÓN 113: DISEÑO OPTIMIZADO DE LA CONEXIÓN EN AMBOS LADOS DE LA COLUMNA ............ 124

ILUSTRACIÓN 114: VISTA SUPERIOR DE LA PLACA OPTIMIZADA ............................................................ 125

ILUSTRACIÓN 115: VISTA LATERAL DE LA PLACA OPTIMIZADA .............................................................. 125

ILUSTRACIÓN 116: VISTA FRONTAL DE LA PLACA OPTIMIZADA ............................................................. 126

ILUSTRACIÓN 117: CONEXIÓN ALA SOLDADA SIN REFORZAR ALMA SOLDADA A ESCALA REAL .......... 127

xvii

Índice de Tablas

TABLA 1: TIPOS DE ACERO SEGÚN SUS USOS .......................................................................................... 10

TABLA 2: ESFUERZOS DE FLUENCIA (FY) Y RESISTENCIA A LA TRACCIÓN ÚLTIMA (FU) DE ACEROS..... 11

TABLA 3: CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS SISMO RESISTENTES SEGÚN AISC 341 ................................... 12

TABLA 4: REQUERIMIENTOS DE DISEÑO ENTRE LOS SISTEMAS PRECALIFICADOS ................................... 16

TABLA 5: FACTORES DE FLUENCIA Y TENSIÓN PROBABLES PARA ACEROS.............................................. 19

TABLA 6: DETERMINACIÓN DE CARGAS GRAVITACIONALES. ................................................................... 33

TABLA 7: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA PLACA COLABORANTE TIPO DECK. ................................ 33

TABLA 8: RELACIÓN DE ESBELTEZ ENTRE LA LONGITUD EFECTIVA DE LA COLUMNA . ............................. 38

TABLA 9: ESFUERZO CRÍTICO DISPONIBLE PARA MIEMBROS EN COMPRESIÓN. .................................... 38

TABLA 10: RELACIÓN ANCHO ESPESOR PARA MIEMBROS A COMPRESIÓN ALTA ..................................... 40

TABLA 11: CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DE LOS PERFILES EN CENTÍMETROS. .............................. 41

TABLA 12: GRUPOS ESTRUCTURALES DE ACUERDO CON R. ................................................................... 51

TABLA 13: VALORES DEL FACTOR Z EN FUNCIÓN DE LA ZONA SÍSMICA ADOPTADA. ............................... 51

TABLA 14: VALORES DE LA RELACIÓN DE LA ACELERACIÓN ESPECTRAL Y EL PGA . .............................. 51

TABLA 15: TIPO DE SUELO Y FACTORES DE SITIO FA. .............................................................................. 52

TABLA 16: TIPO DE SUELO Y FACTORES DE SITIO FD. .............................................................................. 52

TABLA 17: TIPO DE SUELO Y FACTORES DEL COMPORTAMIENTO INELÁSTICO DEL SUBSUELO FS. ......... 53

TABLA 18: TIPO DE USO, DESTINO E IMPORTANCIA DE LA ESTRUCTURA. ................................................ 53

TABLA 19: TRES PRIMEROS MODOS DE VIBRACIÓN. ................................................................................. 66

TABLA 20: VALORES PARA CT Y Α SEGÚN EL TIPO DE SISTEMA ESTRUCTURAL. ...................................... 66

TABLA 21: CÁLCULO DEL PERIODO DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA SEGÚN LA NEC 2015. ............ 67

TABLA 22: DEFINICIÓN DE LA CARGA QUE ACTÚA EN LA ESTRUCTURA. ................................................... 69

TABLA 23: VALORES DE ΔM MÁXIMOS, EXPRESADOS COMO FRACCIÓN DE LA ALTURA DE PISO. ........... 71

TABLA 24: LIMITACIONES Y PARÁMETROS GENERALES DE LA CONEXIÓN WUF - W ............................... 81

TABLA 25: CARACTERÍSTICAS DE LA SOLDADURA EN LA CONEXIÓN WUF - W ....................................... 83

TABLA 26: RESISTENCIA DISPONIBLE DE JUNTAS SOLDADAS ................................................................. 89

TABLA 27: DISPOSICIONES DE LA AWS D1.1 PARA METALES DE APORTE COMPATIBLE CON . .............. 90

TABLA 28: RESISTENCIA DISPONIBLE DE JUNTAS SOLDADAS ................................................................. 93

TABLA 29: RESULTADOS DEL DISEÑO EN EL SOFTWARE ....................................................................... 114

TABLA 30: RESULTADOS DEL DISEÑO DE LA CONEXIÓN EN EL SOFTWARE RAM CONNECTION .......... 115

TABLA 31: TABLA DE COMPARACIÓN DE RESULTADOS. ........................................................................ 116

xviii

RESUMEN

Autor: Stefanía Paola Bowen Cruzatty

Título Del Trabajo De Titulación: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LA CONEXIÓN VIGA COLUMNA PRECALIFICADA DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO Y ALMA SOLDADA (WUF-W) EN UN EDIFICIO DE ESTRUCTURA METÁLICA.

Este trabajo de titulación tiene como objetivo el estudio del comportamiento en la conexión viga columna de un edificio de 10 pisos diseñado en acero estructural ASTM A992 de Grado 50 con sistema de pórticos resistentes a momentos. En el diseño se usarán conexiones soldadas precalificadas y posteriormente se comprobará si las mismas cumplen con las disposiciones sísmicas de acuerdo con el capítulo j del código AISC 360-10, AISC 341-10, AISC 358-10 y la norma NEC 2015, las mismas que indican que una conexión que une a miembros que pertenezcan a un sistema resistente a cargas sísmicas debe ser diseñada de tal forma que el estado límite dúctil sea quien controle el diseño ya sea en los miembros o en la conexión. La edificación es una estructura nueva, diseñada para para este proyecto. Se asumió que se encuentra en la ciudad de Guayaquil sobre un suelo tipo D y su importancia será de uso residencial. El predimensionamiento de las columnas y vigas que son los elementos principales es calculado conforme a el plano arquitectónico realizado mediante el Software AutoCAD 2016, para el predimensionamiento y análisis de las vigas principales y secundarias se usó el Software SAP 2000, el análisis dinámico se lo realizó con el Software ETABS 2016, las cargas gravitacionales para el pre diseño y el análisis estático se las calculó mediante los capítulos NEC-SE-CG Y NEC-SE-DS de la NEC-2015, para el análisis sísmico de las secciones escogidas se verificó que cumplan con los requerimientos del código AISC 341-10 según recomienda la norma NEC-2015 en el capítulo de estructuras de acero (provisiones sísmicas), los perfiles escogidos para el diseño de la edificación y que cumplen con los requerimientos fueron el IPE 500 para las vigas principales e IPE 200 para las vigas secundarias, las columnas son rectangulares tipo cajón sin relleno. Realizado el diseño de la edificación, con los resultados obtenidos se analiza y diseña teóricamente la conexión viga columna precalificada para garantizar que cumpla con los requisitos de diseño como son los de capacidad de disipación de energía y ductilidad según AISC 358-10 y posteriormente se realiza el diseño digital en el software RAM Connection 2016 con los datos geométricos para la conexión obtenidos del diseño teórico. Al final, una vez que se desarrolló la investigación, se realizan las recomendaciones y conclusiones.

PALABRAS CLAVES: ESTUDIO, COMPORTAMIENTO, CONEXIÓN, DISEÑO, ESPECIFICACIONES.

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ABSTRACT

Author: Stefania Paola Bowen Cruzatty

Title of the Degree Work: STUDY OF THE BEHAVIOR OF THE PRE- QUALIFIED COLUMN BEAM OF WELDED WING WITHOUT REINFORCEMENT AND WELDED CORE (WUF-W) IN A METAL STRUCTURE BUILDING.

This titration work aims to study the behavior in the column beam connection of a 10-story building designed in ASTM A992 Grade 50 structural steel with moment-resistant gantry system. Pre-qualified welded connections will be used in the design and subsequently it will be checked if they comply with the seismic provisions in accordance with chapter j of the AISC 360-10, AISC 341-10, AISC 358-10 and NEC 2015 standards, the same that indicate that a connection that unites members belonging to a system resistant to seismic loads must be designed in such a way that the ductile limit state is the one who controls the design either in the members or in the connection.The building is a new structure, designed for this project. It was assumed that it is located in the city of Guayaquil on a type D floor and its importance will be for residential use. The pre-sizing of the columns and beams that are the main elements is calculated according to the architectural plan made using the AutoCAD 2016 Software, for the pre-sizing and analysis of the main and secondary beams the SAP 2000 Software was used, the dynamic analysis was performed With the 2016 ETABS Software, gravitational loads for pre-design and static analysis were calculated using NEC-SE-CG and NEC-SE-DS chapters of NEC-2015, for the seismic analysis of the selected sections that meet the requirements of the AISC 341-10 code as recommended by the NEC-2015 standard in the chapter of steel structures (seismic provisions), the profiles chosen for the design of the building and that meet the requirements were the IPE 500 for the main beams and IPE 200 for the secondary beams, the columns are rectangular type drawer without padding.Once the design of the building has been carried out, with the results obtained, the pre-qualified column beam connection is analyzed and theoretically designed to ensure that it meets the design requirements such as energy dissipation capacity and ductility according to AISC 358-10 and subsequently performed the digital design in the RAM Connection 2016 software with the geometric data for the connection obtained from the theoretical design.In the end, once the research was developed, recommendations and conclusions are made. KEYWORDS: STUDY, BEHAVIOR, CONNECTION, DESIGN, SPECIFICATIONS.

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CAPÍTULO I

Generalidades

1.1. Introducción

En las últimas décadas, en el Ecuador ha surgido una gran evolución

relacionada al sector de la construcción, los sismos que han sucedido en el país

han dado lugar a que se modifiquen las normas nacionales y que haya mayor

control al momento de diseñar y construir una edificación, los métodos de diseño

y de construcción también han presentado cambios y han dejado de ser sistemas

tradicionales para convertirse en métodos relativamente nuevos como son los

proyectos realizados con sistemas en acero estructural.

Hace una década para proyectos de edificaciones en el Ecuador se usaba el

acero ASTM A36, luego fue reemplazado por el acero ASTM A572 de Grado 50

y en la actualidad se usa el acero ASTM A992 de Grado 50, este último fue el

escogido para el modelo estructural de esta investigación.

En otros países de Norteamérica, Europa y Asia ubican los pórticos

resistentes a momentos únicamente en el perímetro del edificio, debido a que

con el paso de los años observaron que existía mucha redundancia entre los

pórticos y que las conexiones viga columna resultaban más costosas si se las

diseñaba para que todas puedan resistir cargas sísmicas, pero en Ecuador se

sigue acostumbrando el mismo mecanismo que usaba Estados Unidos en la

década de los 70 al momento de diseñar un edificio en acero estructural, es

decir, que todos los pórticos que conforman la estructura deben ser diseñados

para soportar cargas verticales y laterales al igual que sus conexiones.

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1.2. Planteamiento del Problema

Los requerimientos de la Norma Ecuatoriana de la construcción se

complementan con normas y códigos extranjeros reconocidos, nombrados en el

resumen de esta investigación. Tuvieron que suceder sismos como el de los

Ángeles y el de Northrigde en 1994 para que estos códigos sean modificados

luego de comprobar mediante varios estudios realizados a escala real por la

Agencia Federal de Gestión de Emergencia (FEMA) de los Estados Unidos que

se produjeron fallas aún en edificaciones ubicadas en localidades donde no

existió una aceleración sísmica significativa, de todos los edificios

inspeccionados durante estos sismos observaron que las fallas se produjeron en

las bases de las columnas y en las soldaduras de penetración completa en la

conexión viga columna, impidiendo de esta manera que la estructura tenga un

comportamiento dúctil durante el evento sísmico.

La conexión viga columna es la que debe resistir los esfuerzos de cortes y

momentos flectores que se transfieren de la viga a la columna conjuntamente

con las alas, alma y soldadura de las mismas, por lo tanto, el diseño de la

conexión y el tipo de soldadura que se utilice deben ser los que recomienda la

norma de cada país, muchas edificaciones en el Ecuador han sido construidas

con soldadura de filete y no de penetración completa como recomienda la NEC-

2015, por lo que en el sismo de Abril del 2016 en la provincia de Manabí y

Esmeraldas los daños fueron significativos, llegando a la conclusión que existen

muchas deficiencias y desconocimiento de los códigos y normas por parte de la

ciudadanía al momento de diseñar y construir una edificación.

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1.3. Objetivos de la Investigación

1.3.1. Objetivo General.

Evaluar el comportamiento de la conexión viga columna precalificada de ala

soldada sin refuerzo y alma soldada en un edificio de 10 pisos diseñado en acero

estructural ASTM A992 de Grado 50 con sistema de pórticos resistentes a

momentos.

1.3.2. Objetivos Específicos.

a) Realizar el predimensionamiento de la edificación según los planos

arquitectónicos y basados en la norma Nec-2015, códigos AISC 360-

10, 341-10, Y 358-10.

b) Analizar el comportamiento dinámico de la estructura en el software

ETABS 2016 y revisar el diseño de los elementos de acuerdo con los

requerimientos.

c) Realizar el diseño teórico de la conexión precalificada de ala soldada

sin reforzar y alma soldada según AISC 358-10.

d) Diseñar la Conexión soldada a momento y Placa de Cortante en el

software RAM Connection 2016 aplicando los datos geométricos

obtenidos en el diseño teórico.

e) Aplicar en el software de análisis de la conexión, las fuerzas que

llegan a la misma obtenidas en el ETABS y evaluar su

comportamiento.

f) Comparar los resultados del diseño teórico vs el diseño en el software.

g) Editar las recomendaciones y conclusiones según el análisis de los

resultados obtenidos.

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1.4. Alcance del Trabajo

En el presente trabajo de titulación se realizó el estudio del comportamiento

de la conexión viga columna de una edificación de estructura metálica de 10

pisos con pórticos resistentes a momentos diseñados con columnas tubulares

rectangulares y vigas tipo I en acero laminado en caliente ASTM A992 Grado 50,

los elementos que forman los pórticos cumplen los requisitos sísmicos del código

AISC 341-10 Y las conexiones los del código AISC 358-10 conforme recomienda

la norma NEC-2015.

El análisis dinámico de la superestructura se lo realizó en el software ETABS

2016, con los resultados de los momentos flectores y esfuerzos de cortes

obtenidos se realizó el diseño y posterior análisis de la conexión viga columna.

La configuración geométrica de la edificación es la siguiente:

a) Vigas de 4, 5, y 6 metros de luz en el sentido longitudinal

b) Vigas de 6 y 8 metros de luz en el sentido transversal

c) Columnas entre pisos de 3.2 metros de altura.

d) Losa tipo deck de 10 centímetros de espesor y concreto de 210 kg/cm2

soportada por vigas secundarias sísmicas tipo I.

e) Escalera metálica con escalones fundidos de hormigón y ascensor.

1.5. Justificación e Importancia

Las conexiones viga columna son miembros que transmiten las fuerzas desde

las vigas hacia las columnas, las cuales soportan grandes solicitaciones de

momentos flexionantes y esfuerzos de cortes por lo que su diseño debe ser el

adecuado para que presenten un comportamiento dúctil y resistente ante cargas

accidentales y de gravedad. Para un diseño óptimo se recomienda cumplir con

los requerimientos del código ANSI/AISC 358.

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La FEMA recomienda el uso de conexiones precalificadas según el sistema

estructural de la edificación, la NEC-2015 también proporciona limitaciones y

criterios que se deben cumplir en este tipo de conexiones como son los

requerimientos en la zona de panel, el criterio columna fuerte viga débil, la

soldadura calificada según la AWS que se debe usar en la conexión entre las

alas y el alma de los elementos a unir, además de los ensayos de laboratorio

que se deben realizar a los miembros unidos para garantizar un mecanismo de

plastificación estable, conocer los modos de falla y garantizar el comportamiento

dúctil de la conexión, con el fin de que en esta no se produzcan fallas frágiles y

que las rotulas plásticas se formen en las zonas esperadas de la estructura.

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CAPÍTULO II

Marco Teórico

2.1. Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-2015

En el año 2001, el Código Ecuatoriano de la Construcción fue actualizado y

promovido por la Subsecretaría de Hábitat y Asentamientos Humanos del

MIDUVI (Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda) con el objetivo de regular

los procesos constructivos para que los mismos cumplan con las exigencias de

calidad y seguridad en las estructuras. A partir de esa actualización nace la

norma NEC (Norma Ecuatoriana de la Construcción), la cual basada en

diferentes criterios especifica parámetros, procedimientos y objetivos para el

uso, rehabilitación y mantenimiento de los diferentes proyectos ingenieriles.

La Norma se estructura de varios capítulos que hace referencia especialmente

a la seguridad y comportamiento estructural, adecuada distribución de servicios

básicos, salud y habitabilidad. Esta Norma se complementa con códigos y

especificaciones extranjeras, en especial, las americanas y sus capítulos son

actualizados conforme avance los estándares tecnológicos hacia otros sectores

y en especial el de la construcción.

Las empresas privadas y públicas, así como los profesionales en la

construcción están en la obligación de cumplir con los diferentes requerimientos

establecidos en los capítulos contemplados en la Norma y las regularizaciones

emitidas por el GAD (Gobierno Autónomo Descentralizado) Municipal del

territorio donde se ejecute el proyecto; de la misma forma deben realizar los

diseños según la normativa vigente.

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En esta investigación se realiza una breve introducción de los capítulos

principales considerados para el diseño del edificio

2.1.1. Capítulo de Cargas Gravitacionales No Sísmicas de la

NEC-2015 (NEC-SE-CG).

Entre los factores que se deben considerar para realizar el cálculo y diseño

estructural se encuentran los factores de cargas, este capítulo contempla e indica

diferentes parámetros para las cargas permanentes (cargas muertas, peso

propio de la estructura), cargas variables (cargas vivas, granizo y viento),

combinaciones de cargas y recomienda el capítulo NEC-SE-DS para las cargas

accidentales, en conclusión, solo considera las cargas no sísmicas (cargas

verticales o de gravedad) que soportará la estructura.

Ilustración 1: Esquema Conceptual de la NEC – SE – CG

Fuente: (MIDUVI, 2014)

2.1.2. Capítulo de Diseño Sísmico de la NEC-2015 (NEC-SE-

DS).

Este capítulo considera las cargas accidentales (cargas sísmicas) que puede

soportar la estructura durante su vida útil, en los diseños sismo resistentes de

8

edificaciones se emplean metodologías y técnicas fundamentadas en los

requerimientos mínimos y básicos adecuados para el dimensionamiento y

cálculo de la estructura, con el fin de que la misma presente un mecanismo

adecuado de disipación de energía durante un sismo.

En estos diseños es importante determinar la demanda sísmica, las fuerzas

laterales y escoger el método de análisis sísmico. El capítulo contiene dos

métodos: uno basado en fuerzas, el cual es mínimo y obligatorio para todas las

estructuras y el otro basado en desplazamientos, el cual es alternativo; para el

análisis sísmico de la edificación se escogió el primer método esquematizado en

la ilustración 2.

Ilustración 2: Esquema del diseño basado en fuerzas (DBF)


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2.1.3. Capítulo de Diseño de Estructuras de Acero de la NEC-

2015 (NEC-SE-AC).

La filosofía de diseño empleada en este capítulo estudia a los miembros en

dos partes: la parte que soporta las fuerzas verticales como las vigas

secundarias que únicamente soportan el peso muerto y vivo que actúan sobre

ellas directamente y la parte que resiste las fuerzas horizontales como son las

vigas principales y columnas. En este capítulo se emplean las siguientes

disposiciones principales para el diseño, montaje y fabricación de los miembros

que forman el sistema resistente a cargas sísmicas y gravitacionales en acero:

Para el diseño:

a) Especificaciones generales para edificios de acero estructural, AISC 360.

b) Disposiciones sísmicas para edificios de acero estructural, AISC 341.

c) Aplicaciones sísmicas para conexiones precalificadas usadas en pórticos

especiales resistentes a momento y pórticos intermedios, AISC 358.

Para el montaje y fabricación:

a) Especificación para uniones estructurales con pernos de alta resistencia

(RCSC, 2009)

b) Código de soldadura estructural - Acero, AWS D1.1 (AWS, 2015)

c) Código de prácticas estándar para edificios y puentes de acero, AISC 303.

El capítulo no aplica en edificios ensamblados y fabricados con perfiles

laminados en frío y cuando el R que es el coeficiente de reducción de respuesta

sísmica sea menor o igual a 3.

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Ilustración 3: Esquema del diseño basado en cargas (DBF)


La finalidad del capítulo es que la estructura mediante deformaciones

inelásticas disipe la energía provocada por el sismo en el terreno de diseño.

2.2. Tipos de Aceros Estructurales

En el mercado existen aceros de diferentes grados, pero es primordial que el

acero usado en el diseño cumpla con las disposiciones de estados límites de

falla y de servicio, por lo tanto, se debe considerar la resistencia (tensión) y

ductilidad a la fractura (esfuerzo de fluencia), la metalurgia, composición química

y soldabilidad. A la vez, también se debe conocer las aplicaciones de campo y la

fabricación del material antes de hacer la elección.

11

Tabla 1: Tipos de acero según sus usos

Fuente: (Carlos Cházaro, 2014)

12

Tabla 2: Esfuerzos de Fluencia (Fy) y Resistencia a la Tracción Última (Fu) de aceros.


2.2.1. Acero ASTM A992 Grado 50.

El acero ASTM 992 de grado 50 es el más reciente que se adicionó en 1998

a la nómina de los aceros para la construcción de estructuras, también es

conocido como acero ASTM A 572 modificado, es decir, con controles

adicionados y requerimientos especiales; el valor de 0,85 es el máximo entre la

relación de resistencias fy/fu ya que la característica principal de este acero es

que ofrece un límite máximo de fluencia de 4.600 kg/cm2 (65 Ksi) y un límite

mínimo de 3.515 kg/cm2 (50 Ksi). Químicamente la cantidad de carbono que

contiene equivale a un 0.47% que comparado a otros aceros tiene menor

cantidad de carbono y más control en el contenido de Molibdeno. El Molibdeno

13

es un metal que se emplea en aleaciones de grandes resistencias que soportan

altas temperaturas y corrosiones.

Ilustración 4: Edificación en Acero Estructural ASTM A992


2.3. Sistemas Sismo resistentes Utilizados en Edificios de Acero

Estructural

Para la clasificación de estos sistemas el código AISC 341 los divide en dos

grupos como lo muestra la tabla 3, sin embargo, muchos diseñadores combinan

estos sistemas según las solicitudes sísmicas de la estructura.

Tabla 3: Clasificación de Sistemas Sismo resistentes según AISC 341

Fuente: (Lenin, 2014)

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La norma NEC-2015 en su capítulo de diseño de estructuras de acero hace

referencia únicamente a los siguientes pórticos:

a) Pórticos especiales resistentes a momentos (PEM), en inglés “special

moment frame” (SMF).

b) Pórticos arriostrados excéntricamente (PAE), en inglés “eccentrically

braced frame” (EBF).

c) Pórticos especiales arriostrados concéntricamente (PEAC), en inglés

“special concentrically braced frame” (SCBF).

El sistema usado en el diseño de la estructura es el de “Pórticos especiales

resistentes a momentos (PEM).

2.3.1. Pórticos Especiales Resistentes a Momentos (PEM).

También conocidos como pórticos no arriostrados se conforman de columnas

y vigas que se conectan por medio de soldaduras, pernos o la combinación de

ambos. Se diseñan para que resistan esfuerzos de corte y momentos flectores

con el objetivo de que cuando la estructura incursione en el rango inelástico

disipen la energía por medio de sus miembros fusibles cuando haya una

excitación sísmica, las vigas serán los miembros fusibles en este sistema y se

espera que en ellas se formen las articulaciones plásticas donde ocurrirán la

mayoría de las deformaciones a una cierta distancia de la cara de la columna.

En las bases de las columnas también pueden existir deformaciones inelásticas

como se muestra en la ilustración 5.

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Ilustración 5: Zonas en la que se esperan deformaciones inelásticas


2.3.1.1. Criterios de Diseño de Pórticos Especiales

Resistentes a Momentos (PEM) Según la NEC-2015.

El diseñador, según criterios y solicitudes de demanda de cargas, es quien

decide si realizar el diseño de tal forma que todos los pórticos, interiores como

exteriores, sean PEM (tipo 1) o si únicamente los pórticos perimetrales lo sean

(tipo 2); puesto que, por varios estudios realizados en sismos pasados

concluyeron que existía mucha redundancia en el diseño de estos sistemas y

que por economía era factible dividirlo en los 2 tipos.

Ilustración 6: Sistema de pórticos especiales a momento tipo 2 y 1 respectivamente.


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2.4. Provisiones Sismo resistentes según AISC 341

Las disposiciones sísmicas dominarán el diseño, la fabricación y el montaje

de elementos de acero estructural y conexiones en los sistemas de resistencia a

la fuerza sísmica (SRFS), los empalmes y bases de las columnas en sistemas

de pórticos por gravedad en edificios y otras estructuras con pórticos a

momentos, pórticos arriostrados y muros de corte.

Las especificaciones AISC recomiendan que los edificios de acero, en

especial los miembros que conforman los pórticos como vigas, columnas y

conexiones deben cumplir criterios y requerimientos generales como:

a) Criterio de columna fuerte - viga débil

b) Cálculo del cortante máximo y momento plástico probable en la rótula

plástica.

c) Requerimientos de las limitaciones para columnas y vigas

d) Chequeo de la conexión que unirá la viga con la columna

e) Diseño de la zona de panel y de las placas de continuidad si lo requiere

el diseño, entre otros.

En la tabla 4, se puede observar los requerimientos de los dos tipos principales

de diseños precalificados que distinguen estos códigos.

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Tabla 4: Requerimientos de diseño entre los sistemas precalificados


2.5. Nomenclatura típica de la conexión viga - columna

Ilustración 7: Sistema de pórticos especiales a momento tipo 2 y 1 respectivamente.


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Donde:

tp: espesor de la zona de panel

dc: altura de la columna

wz: altura de la zona de panel

db: altura de la viga

dz: ancho de la de la zona de panel

tbf: espesor del ala de la viga

bbf: ancho de las alas de la viga

tcf: espesor del ala de la columna

bcf: ancho de las alas de la columna

2.6. Ubicación de Rótulas Plásticas en la viga

Para determinar la posición de las rótulas plásticas es necesario realizar el

cálculo detallado de las cargas gravitacionales y la demanda flexional que

soporta la viga, puesto que, si existe gran cantidad de cargas verticales la

posición de las rótulas plásticas puede variar y que no se realice la deformación

inelástica en las zonas esperadas ni que el tipo de mecanismo de colapso sea

el deseado.

La ilustración 8 muestra dos posiciones de las articulaciones en la viga según

la conexión, en (a) del lado izquierdo la conexión es de sección reducida, es

decir, que a una distancia x del extremo de la viga se reduce la sección de la

misma, por consiguiente la deformación inelástica se producirá en el centro de

la zona reducida y en el lado derecho de la viga se encuentra una conexión

reforzada, es decir, se refuerza la unión con rigidizadores o placas y de esta

forma se aumenta la capacidad de resistencia de la conexión, la deformación

ocurrirá a una distancia entre 1/3 y 1/4 de la altura de la viga que se mide a partir

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del borde de las placas o rigidizadores de refuerzo. La distancia x o también

conocida con la nomenclatura de Sh puede variar según el tipo de conexión viga-

columna utilizada en el diseño, en este análisis por cuestiones de diseño y

recomendaciones del código AISC 358 para conexiones precalificadas Sh será

igual a 0.

Ilustración 8: Ubicación de rótulas plásticas en vigas con distinto tipo de conexiones

Fuente: (Crisafulli, 2012)

2.6.1. Momento Máximo Probable en la Rótula Plástica.

El momento máximo probable en la rótula plástica será:

Mpr = Cpr * Ry * Fy * Ze

Donde:

Mpr Máximo momento probable en la rótula plástica.

Cpr Factor que toma en cuenta la resistencia máxima de la conexión,

incluyendo el endurecimiento por deformación, restricciones locales incluyendo

reforzamiento adicional y otras conexiones de conexión.

Ry Factor de esfuerzo de fluencia probable del acero, valor determinado en

la tabla 5.

20

Fy Mínimo esfuerzo de fluencia especificado del tipo de acero usado en el

elemento, valor determinado en la tabla dos.

Ze Modulo plástico efectivo de la sección o conexión en la rótula plástica.

Generalmente el valor de Cpr se calcula con la siguiente ecuación:

Cpr = 𝐹𝑦 + 𝐹𝑢

2 𝐹𝑦≤ 1.20

Donde:

Cpr Factor que toma en cuenta la resistencia máxima de la conexión,

incluyendo el endurecimiento por deformación, restricciones locales incluyendo

reforzamiento adicional y otras conexiones de conexión.

Fy Mínimo esfuerzo de fluencia especificado del tipo de acero usado en el

elemento, valor determinado en la tabla dos.

FU Resistencia mínima a tensión del acero, valor determinado en la tabla

dos.

El valor de Cpr puede variar según los requerimientos de endurecimiento por

deformación.

Tabla 5: Factores de fluencia y tensión probables para aceros.

Fuente: (AISC341, 2010)

21

2.6.2. Máximo Corte en la Rotula Plástica.

La máxima fuerza de corte Vh de las rótulas en cada extremo de la viga se

determina con un diagrama de cuerpo libre entre la longitud libre del elemento y

las rótulas plásticas.

Ilustración 9: Diagrama de Cuerpo Libre de la viga


𝑉ℎ = 2𝑀𝑝𝑟

𝐿ℎ+ 𝑉𝑝

Donde:

Vh Máxima fuerza de corte en cada rótula plástica.

Mpr Momento máximo probable en la rótula plástica.

Lh Longitud libre entre ambas rótulas.

Vp Fuerza de corte calculada en la viga con la combinación de carga

1.2D+f1L+0.2S (ASCE/SEI 7-16).

Nota: el factor f1 de la combinación se lo encuentra en los códigos o normas

de construcción, el mismo no debe ser menor a 0.5, en la NEC-2015, f1 es igual

a 1. Según el Código Internacional de la Construcción al factor 0.2 para S (nieve)

se lo puede reemplazar por 0.7 cuando la configuración de la cubierta es tal que

no arroja nieve sobre la estructura.

22

2.7. Resistencia a Corte Requerida de la viga

La resistencia requerida al cortante de la viga Vu será el mayor de los dos

valores de la fuerza de corte Vh calculados en la sección 2.6.2.

2.8. Criterio Columna Fuerte Viga Débil

La finalidad de este criterio es que las columnas sean más fuertes que las

vigas de la estructura, para que al momento de producirse las fuerzas laterales

resultantes debido al sismo de diseño se fuerce el estado límite de fluencia por

flexión en las vigas en cada nivel de los pórticos especiales a momentos con el

fin de que se logre disipar un alto nivel de energía.

En la conexión viga columna debe cumplirse la siguiente condición:

∑𝑀𝑃𝑐∗

∑𝑀𝑃𝑣∗ ≥ 1.0

Donde:

∑𝑀𝑃𝑐∗ Suma de los momentos plásticos nominales de las columnas que llegan

a la conexión.

∑𝑀𝑝𝑣∗

Suma de los momentos plásticos nominales de las vigas que llegan a

la conexión.

Bajo el método adoptado para el análisis que es el de diseño por factores de

resistencia y cargas tenemos que:

∑𝑀𝑃𝑐∗ = ∑𝑧𝐶 (𝐹

𝑦𝑐− 𝑃𝑢𝑐

𝐴𝑔

)

Donde:

∑𝑀𝑃𝑐∗ Suma de los momentos plásticos nominales de las columnas que llegan

a la conexión.

𝑧𝐶 Módulo plástico de la columna.

23

Fyc Mínimo esfuerzo de fluencia especificado para el tipo de acero usado

para las columnas.

𝐴𝑔 Área gruesa de la columna.

𝑃𝑢𝑐 Resistencia a carga axial requerida de una columna usando las

combinaciones de carga para las columnas.

∑𝑀𝑃𝑣∗ = ∑(𝑀𝑝𝑟 + 𝑀𝑢𝑣)

Donde:

∑𝑀𝑃𝑣∗ Suma de los momentos plásticos nominales de las vigas que llegan

a la conexión.

∑𝑀𝑝𝑟 Suma de los momentos probables en las rotulas plásticas que llegan a

la conexión, calculados en la sección 2.6.1.

∑𝑀𝑢𝑣 Momento adicional basado en combinaciones de factores por

resistencia y cargas, producidos por la fuerza cortante localizado en la rótula

plástica cuyo brazo es igual a la distancia existente entre la articulación plástica

y la cara de la columna.

Ilustración 10: Determinación de Mpv para una columna interior


24

2.9. Zona de Panel

La zona de panel o panel nodal es el segmento cuadrado o rectangular que

se forma en el alma de la columna, entre las placas de continuidad que une las

vigas y las alas de la columna. Esta zona soporta momentos que provienen de

las vigas y columnas además de fuerzas cortantes y axiales como se muestra en

la ilustración 11.

Ilustración 11: Fuerzas internas actuando en la zona de panel de un PEM


2.9.1. Espesor de la Zona de Panel.

El espesor necesario para esta zona se debe determinar según el método

recomendado en el procedimiento de diseño de la conexión precalificada o de la

conexión ensayada.

Según AISC 341-05, si se necesitan dobles placas, el espesor “t” de la misma

y el espesor “t” del alma de la columna deberán cumplir el requerimiento de la

ecuación:

𝑡 ≥ⅆ𝑧 + 𝑤𝑧

90

Donde:

t Espesor del alma de la columna o la placa doble en mm.

25

dz Profundidad de la zona del panel entre placas de continuidad en mm.

Wz Ancho de zona del panel entre las alas de la columna en mm.

Alternativamente, cuando se desea evitar el pandeo local del alma de la

columna y la doble placa se lo hace mediante el uso de soldaduras de unión, la

soldadura es de tipo tapón y se puede usar un mínimo de 4; bajo estas

condiciones el espesor total de la zona del panel deberá satisfacer la ecuación

anterior.

Ilustración 12: Soldaduras tapón en la zona de panel


2.9.2. Resistencia de diseño al Cortante en la Zona de Panel.

Si se realiza el diseño por el método de Resistencia y factores de cargas se

debe comprobar que la resistencia de diseño en cualquier segmento de un

elemento sea mayor o igual a la resistencia que se requiere “Vu” según las

combinaciones de carga recomendadas por los códigos.

Luego,

Resistencia de Diseño al cortante = 𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣

Donde:

𝜙𝑣 Factor de reducción de la resistencia que toma el valor de 1 para

miembros dúctiles y el valor de 0.9 para miembros no dúctiles.

26

𝑅𝑛𝑣 Resistencia nominal al corte, de acuerdo con el estado límite de fluencia

al cortante. Se la determina de acuerdo con la sección J10.6 del código AISC

360; la cual especifica que:

𝑅𝑛𝑣 = 0,60𝐹𝑦ⅆ𝑐𝜏𝑤

Donde:

𝐹𝑦 Tensión de fluencia mínima especificada del alma de la columna, kg/cm2.

ⅆ𝑐 Altura de la columna en centímetros.

𝜏𝑤 Espesor del alma de la columna en centímetros.

Finalmente,

𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣 ≥ 𝑉U

Si la resistencia de diseño al corte es mayor o igual a la resistencia requerida

no se necesita colocar doble placa de continuidad en esta zona.

La resistencia requerida VU es la determinada en la sección 2.5.1.2.6. de

esta investigación.

2.10. Diseño de la placa de cortante en la unión del alma de la

viga con el patín de la columna.

Para el diseño de la placa de cortante en la unión del alma de la viga con el

patín de la columna se debe verificar que la altura del alma de la viga pueda

resistir la fuerza cortante requerida Vu, para esto se escoge una placa de

espesor mínimo (9,5 mm) y se chequea con la siguiente expresión:

ⅆ𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑢

𝜙𝑣0.6 𝐹𝑦𝜏𝑝𝑐

27

Donde:

𝜙𝑣 Factor de reducción de la resistencia que toma el valor de 1 para

miembros

dúctiles y el valor de 0.9 para miembros no dúctiles.

𝐹𝑦 Tensión de fluencia mínima especificada del alma de la columna, kg/cm2.

ⅆ𝑚𝑖𝑛 Altura mínima de la placa de cortante.

𝜏𝑝𝑐 Espesor de la placa de cortante en centímetros.

𝑉𝑢 Resistencia de corte requerida por la viga en la unión viga columna.

La ilustración 13 muestra un esquema de la placa de cortante que esta

soldada a la columna y la viga, la placa tiene orificios que permiten empernar la

placa a la viga al momento del montaje para así facilitar la soldadura en campo,

por lo tanto, el AISC 358 recomienda que no se debe tomar en cuentan estos

orificios al momento de calcular la fuerza cortante y por ser conexiones

precalificadas recomienda valores máximos y mínimos para la soldadura que es

la que controlará el diseño.

Ilustración 13: Detalle de la placa de cortante en la unión

Fuente: (Pillajo, 2017)

28

Donde:

a = 1/4 pulgadas (6 mm) mínimo, 1/2 pulgada (12 mm) máximo.

b = 1 pulgada (25 mm) mínimo

c = 30 ° (± 10 °)

d = 2 pulgada (50 mm) mínimo

e = Distancia mínima de 1/ 2 pulgada (12 mm), 25 mm distancia máxima desde

el final de la soldadura de filete hasta el borde de agujero de acceso.

2.11. Agujeros de acceso a la soldadura según ASW D1.8-2009

“En perfiles laminados, el borde del alma deberá estar curvado desde la

superficie del ala hasta la superficie reentrante del agujero de acceso” (Pillajo,

2017).

Ilustración 14: Agujeros de acceso a la soldadura en la unión.


2.12. Espesores y soldaduras en las Placas de Continuidad

Según (Pillajo, 2017), las placas de continuidad “son rigidizadores ubicados

entre las alas de la columna, a nivel de las alas de las vigas que llegan a la

conexión, el objetivo es transferir las cargas de tensión y compresión que se

producen sobre la columna”; es necesario colocar placas de continuidad para las

alas de la viga excepto en los casos donde el espesor de la columna de sección

29

I de ala ancha o encajonada satisfagan las ecuaciones dadas por el código AISC

358.

Ilustración 15: Placa de continuidad para las alas de la viga.


En conexiones interiores, el espesor mínimo de la placa será el mayor espesor

de las alas de las vigas que llegan a la columna.

En conexiones exteriores, la placa deberá tener un espesor de por lo menos

la mitad del espesor del ala de la viga.

Generalmente los diseñadores igualan el ancho de la placa de continuidad

con el ancho del ala de la viga sobre el alma de la columna. Pero, el ancho

mínimo de la placa se lo puede deducir de la siguiente manera:

𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑖𝑛 ≥𝑏𝑣𝑓

3+

𝑡𝑐

2

Donde:

𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑖𝑛 Ancho mínimo de la placa de continuidad en mm.

𝑏𝑣𝑓 Ancho del ala de la viga en mm.

𝑡𝑐 Espesor del alma de la columna en mm.

Según la sección 9.2 de la NEC-SE-AC que refiere a la soldadura de

penetración completa para esta placa de continuidad, menciona que la

30

resistencia requerida de las juntas soldadas de las placas de continuidad al alma

de la columna deberá ser la menor de los siguientes valores:

a) La suma de las resistencias de diseño a tensión de las áreas en

contacto de las placas de continuidad con las alas de la columna que

estén conectadas a las alas de las vigas.

b) La resistencia de diseño a cortante del área de contacto de la placa con

el alma de la columna.

c) La resistencia de diseño a cortante de la zona de panel de la columna.

d) La suma de los esfuerzos de fluencia probable de las alas de las vigas

transmitiendo fuerzas a las placas de continuidad, (MIDUVI, 2016)

Ilustración 16: Placa de continuidad soldadas a la columna.


2.13. Ángulo de Deriva de Piso

“La conexión debe ser capaz de soportar las rotaciones plásticas

correspondiente a un nivel de distorsión de piso total de 0.04 radianes (ver figura

15), este nivel de distorsión es equivalente a una rotación plástica en las rotulas

de 0.03 radianes (considerando que la distorsión elástica de piso es 0.01

radianes)”, (Lenin, 2014)

31

Ilustración 17: Ángulos de distorsión de piso.


Donde:

ϴ = 0.04 radianes

Ɣ = 0.03 radianes

2.14. Limitaciones de las Columnas y Vigas

Limitaciones para la Viga según ANSI/AISC 358-10

a) TIPO: Vigas I fabricadas a partir de planchas soldadas, permitida por las

limitaciones.

b) Peralte: máximo permitido W920 mm

c) Peso: máximo permitido 223 kg/m

d) Espesor del ala de la viga: máximo permitido 25,4 mm

e) Relación luz/peralte: > 7 mínimo permitido para SMF

f) Relación ancho / espesor: según AISC 341 - 05

Limitaciones para la Columna según ANSI/AISC 358-10

a) TIPO: Columnas tipo cajón fabricadas a partir de planchas soldadas,

permitida por las limitaciones.

32

b) Conexión a la viga: la viga deberá conectarse al ala de la Columna

c) Peralte: máximo permitido 610 mm

d) Peso: sin limitaciones

e) Espesor del ala de la Columna: sin limitaciones

f) Relación ancha/ espesor: según AISC 341 - 05

Donde:

λhd Relación ancho espesor de la sección de cada miembro.

E Modulo de Elasticidad del acero.

Fy Definido en secciones anteriores.

33

CAPÍTULO III

Modelación y Diseño de la Edificación en el Software ETABS

2016

3.1. Selección de Materiales y Sistema Estructural

La obra consiste en el desarrollo de un edificio multifamiliar de 10 pisos,

constituido con pórticos resistentes a momentos formados con perfiles de acero

estructural ASTM A992. Las columnas son perfiles tubulares sin relleno y las

vigas son perfiles tipo I; ambos elementos mantienen la misma sección para

todos los pisos. En la fig. 16 se muestra el diseño estructural de la losa tipo del

edificio y en la ilustración 18 se muestra la geometría del edificio en elevación.

Ilustración 18: Diseño Estructural de la Losa Tipo del Edificio Multifamiliar.

Fuente: (Software AutoCAD, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen

34

Ilustración 19: Geometría del Edificio en Elevación.

Fuente: AutoCAD 2016 Elaborado por: Stefanía Bowen

3.2. Predimensionamiento de Losa, Vigas y Columnas

3.2.1. Determinación de Cargas Permanentes.

Tabla 6: Determinación de Cargas Gravitacionales.

Fuente: (Excel, 2016)

Elaborado por: Stefanía Bowen

35

.

Ilustración 20: Corte Típico de Placa Colaborante Tipo Deck, medidas en milímetros


Tabla 7: Características técnicas de la Placa Colaborante Tipo Deck.


3.2.2. Prediseño de Vigas Secundarias.

Las conexiones entre vigas principales y vigas secundarias pueden

considerarse simplemente apoyadas o flexibles.

Se analizará el tramo más desfavorable en planta para el eje X, esta sección

será usada para todos los pisos.

En el tramo E-F consta con una longitud de 5 m y un ancho tributario de 1,50

m. Se despreciará el peso de la viga y se determina con la combinación:

𝑈 = 1,2 𝐷 + 1,6 𝐿

𝑈 = 1,2 (650,85 𝑘𝑔𝑓/𝑚²) + 1,6 (200 + 500

2) 𝑘𝑔𝑓/𝑚²) = 1341,02 𝑘𝑔𝑓/𝑚²

Luego se multiplica por el ancho tributario (1.50 m), para obtener la carga por

unidad de longitud y así poder distribuirla uniformemente a lo largo de la viga.

𝑤 = 1341,02𝑘𝑔𝑓

𝑚2∗ 1,50 𝑚 = 2011,53

𝑘𝑔𝑓

𝑚= 2,01153

𝑡𝑜𝑛𝑓

𝑚

36

Ilustración 21: Prediseño de Viga Secundaria.

Fuente: (Software SAP200 v20.2.0, 2020) Elaborado por: Stefanía Bowen

Posteriormente se calcula el momento máximo positivo producido en la viga

simplemente apoyada.

𝑀𝑢 =𝑤 ∗ 𝐿2

8

𝑀𝑢 =2,01153

𝑡𝑜𝑛𝑓𝑚

∗ (5 𝑚)2

8= 6,286 𝑡𝑜𝑛𝑓 − 𝑚

Ilustración 22: Diagrama de Cuerpo Libre en el Prediseño de la Viga Secundaria.

Fuente: (Software SAP200 v20.2.0, 2020)


Se estima el valor del módulo plástico requerido con la siguiente fórmula:

𝑍𝑥 𝑟𝑒𝑞 =𝑀𝑢

∅𝑏 ∗ 𝐹𝑦

37

𝑍𝑥 𝑟𝑒𝑞 =6,286 ∗ 105 𝑘𝑔𝑓 − 𝑐𝑚

0,90 ∗ 3515𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2

= 198,70 𝑐𝑚3

Se escoge un perfil que tenga un módulo plástico igual o mayor que el valor

calculado (IPE 200; Zx=221 cm3).

3.2.3. Prediseño de Vigas Principales.

Para el predimensionamiento analicé la viga ubicada en el eje B, entre los ejes

2-3 con luz de 8 metros.

Se calcula las reacciones en los apoyos de las vigas secundarias, las mismas

que se transmiten a la viga principal.

𝑤 = 1341,02𝑘𝑔𝑓

𝑚2∗ 1,33 𝑚 = 1783,56

𝑘𝑔𝑓

𝑚= 1,784

𝑡𝑜𝑛𝑓

𝑚

𝑅1 =1,784

𝑡𝑜𝑛𝑓𝑚 ∗ 5 𝑚

2= 4,46 𝑡𝑜𝑛𝑓

𝑅2 =1,784

𝑡𝑜𝑛𝑓𝑚 ∗ 4 𝑚

2= 3,57 𝑡𝑜𝑛𝑓

Se escogió el perfil IPE 200 para las vigas secundarias cuyo peso según

catálogo es 22,40 Kg/ml que convirtiéndolo en toneladas y multiplicándolo por el

tramo de cada viga secundaria que soporta la viga principal, el peso es de 0.1

toneladas.

Entonces,

RT= R1+ R2 + Peso propio de viga secundaria= 4,46 T+3,57 T+0,1 T= 8,13 toneladas

En la ilustración 23 se aprecia las reacciones totales de las vigas secundarias

actuando como cargas puntuales sobre la viga principal.

38

Ilustración 23: Cálculo de cortantes y momentos flectores en una viga principal.

Fuente: (Software SAP200 v20.2.0, 2020) Elaborado por: Stefanía Bowen

Se estima el valor del módulo plástico requerido.

𝑍𝑥 𝑟𝑒𝑞 =48,78 ∗ 105 𝑘𝑔𝑓 − 𝑐𝑚

0,90 ∗ 3515𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2

= 1541,96 𝑐𝑚3

Se escoge un perfil que tenga un módulo plástico igual o mayor que el valor

calculado (IPE 500; Zx=2194 cm3).

3.2.4. Prediseño de Columnas.

Las columnas trabajan a compresión y soportan cargas puntuales,

emplearemos el método de cargas concéntricas para el predimensionamiento.

Peso propio de la losa + Cargas permanentes

650,85𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Peso de vigas principales = 90,70 kg/m 8,24 𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Peso de vigas secundarias = 22,40 kg/m 28 𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Peso de columnas = 324,70 kg/m 10,15 𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Carga Muerta total 697,24 𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Carga Viva 200 𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Se mayoriza las cargas

39

𝑈 = 1,2 𝐷 + 1,6 𝐿

𝑈 = 1,2 (697,24𝑘𝑔𝑓

𝑚2) + 1,6 (200

𝑘𝑔𝑓

𝑚2) = 1156,69

𝑘𝑔𝑓

𝑚2

Se analiza la columna ubicada en los ejes B-2 de la planta baja, la cual tiene

un área tributaria de:

𝐴𝑇 = 4,50 ∗ 7 = 31,15 m2

El peso puntual que soportará la columna será de:

Pu = 1156,69𝑘𝑔𝑓

𝑚2 ∗ 31,15 m2 * 10 pisos= 360308,31 Kg=360,31 t

Como no se conoce la sección se asume un valor KL/r de la tabla 8 según la

altura de la columna.

La altura de la columna es de 3,2 m = 10,5’. Se asume la relación KL/r = 50

Tabla 8: Relación de Esbeltez entre la longitud efectiva de la columna y su radio de giro menor.

Le KL/r

10’ - 15’ 40-60

15’ - 30’ 60-80

>30’ 80-120



Luego,

𝐿𝑒 = 10,5′ =>𝐾𝐿

𝑟= 50 con Fy =50 Ksi

Con los datos obtenidos se acude a la tabla 4-22 editada en el 2011 bajo

licencia del AISC y se determina el valor del esfuerzo crítico.

40

Tabla 9: Esfuerzo Crítico Disponible Para Miembros en Compresión.


Para una relación de esbeltez de 50 el valor del esfuerzo crítico es de

2635 𝑘𝑔𝑓

𝑐𝑚2

Por conceptos básicos de resistencia de materiales se sabe que:

𝐴𝑟𝑒𝑞 =𝑃𝑢

∅𝐶 ∗ 𝐹𝑐𝑟

Donde:

Areq : Área requerida

Pu: Carga axial última

Øc Fcr: Esfuerzo crítico a compresión

𝐴𝑟𝑒𝑞 =360,31 ∗ 1000𝑘𝑔𝑓

2635𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2

= 136,74 𝑐𝑚2

Se escoge un perfil tubular rectangular 450*300*30 para las columnas de

todos los pisos.

3.3. Selección de Perfiles y Secciones según el Prediseño

El predimensionamiento es un procedimiento que se realiza para conocer un

aproximado de las secciones de los perfiles a utilizar, mediante el módulo

plástico calculado para las vigas o según el área requerida para las columnas y

con el software se puede analizar el comportamiento de los elementos partiendo

de una sección inicial obtenida en el predimensionamiento, con esto se realiza

41

el modelo del edificio y luego se analiza si esas secciones cumplen con los

requerimientos, caso contrario se aumenta las secciones hasta llegar al diseño

óptimo.

En las secciones 3.2.1, 3.2.2 y 3.2.3 se obtuvieron valores mínimos para las

secciones de los elementos, escogiendo un perfil IPE 200 para las vigas

secundarias, IPE 450 para las vigas principales y un tubo cuadrado de 30 * 30

cm2 para las columnas; pero modelando en el software ETABS y analizando la

estructura no cumplía con los niveles de derivas y se obtenía un comportamiento

muy dúctil del edificio, además de que las vigas principales fallaban a tracción.

Por lo expuesto, se cambió las secciones de los perfiles quedando de la

siguiente manera:

Perfil IPE 200 para vigas secundarias

Perfil IPE 500 para vigas principales

Perfil tubo rectangular de 450*300*30 en mm para columnas.

3.4. Verificación de la Relación Ancho Espesor según AISC 341

La relación ancho espesor o alto espesor de los elementos deberán ser

menores a los requerimientos del código AISC 341 para que estos sean de alta

ductilidad.

42

Tabla 10: Relación ancho espesor para miembros a compresión alta y moderadamente

dúctiles.


43

Tabla 11: Características Geométricas de los Perfiles en centímetros.

Fuente: (Excel, 2016)


Verificación

Columnas

PERFIL TUBULAR RECTANGULAR 450*300*30 mm

Alma

λhd 0,55√𝐸

𝐹𝑦

λhd 0,55√2100000𝑘𝑔/𝑐𝑚2

3515𝑘𝑔/𝑐𝑚2 =13,44

𝑏

𝑡=

45 𝑐𝑚−(2∗3𝑐𝑚)

3 𝑐𝑚= 13 < 13,44 → Ala Sísmica

Vigas Principales

PERFIL IPE 500

Alas

44

Alma

Vigas Secundarias

PERFIL IPE 200

Alas

Alma

3.5. Modelación en el Software ETABS-2016

A continuación, se realizó el modelo de la estructura de forma rápida ya que

el tema principal de esta investigación es profundizar en la conexión viga

columna escogida.

45

3.5.1. Definición de Unidades, Coordenadas y Pisos.

.

Ilustración 24: Ventana de inicio para un nuevo modelo.

Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)


Ilustración 25: Ventana de coordenadas para la ubicación de los ejes.



46

Ilustración 26: Determinación de piso máster.



3.5.2. Creación de Materiales, Secciones y Losa Tipo Deck.

3.5.2.1. Definición de Materiales.

Se define los materiales escogidos para el modelo mediante la opción Define-

Material Properties.

Acero ASTM 992 Gr 50 para

Hormigón de f´c = 210 Kg/ cm2

47

.

Ilustración 27: Definición de las propiedades del Acero ASTM 992



.

Ilustración 28: Definición de las propiedades del Acero ASTM 992.



48

.

Ilustración 29: Definición de las propiedades del Hormigón.



.

Ilustración 30: Definición de las propiedades del Hormigón.



49

3.5.2.2. Definición de Secciones.

Seleccionamos los perfiles escogidos en el diseño para los elementos:

columnas, vigas principales y secundarias mediante la opción Define – Section

Properties – Frame Sections.

Ilustración 31: Definición de perfiles para columnas.



50

.

Ilustración 32: Definición de perfiles para vigas principales.



.

Ilustración 33: Definición de perfiles para vigas secundarias.



51

3.5.2.3. Definición de Losa.

La losa escogida para la estructura es de tipo Deck y en el ETABS se la define

con las opciones: Define – Section Porperties – Deck Sections.

Ilustración 34: Definición de la losa con los datos obtenidos de las especificaciones

técnicas del catálogo.



52

3.5.3. Definición de Patrones y Casos de Cargas.

.

Ilustración 35: Definición de patrones de cargas



Donde:

PP: peso propio de los elementos del edificio

CV: carga viva en la estructura según la NEC 2015

SCP: sobrecarga impuesta a la estructura (paredes, acabados,

ductos).

CVT: carga viva de techo según NEC 2015

Ilustración 36: Definición de casos de cargas.



53

3.5.4. Definición del Espectro de Respuesta.

Para definir el espectro de diseño se asumió que el edificio se encontrará en

la ciudad de Guayaquil en un suelo tipo D y por ser una estructura nueva de

acero estructural con pórticos resistentes a momentos, sin muros, se escogió el

factor de reducción R = 8 como indica la NEC 2015 para las estructuras con

estas características.

Tabla 12: Grupos Estructurales de acuerdo con R.


Guayaquil se encuentra en la zona sísmica V, por lo tanto, el valor del factor

de zona Z será de 0,4.

Tabla 13: Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada.


El edificio estará ubicado en la región costa, por lo que, la relación entre la

aceleración espectral y el PGA “n” será de 1,8.

Tabla 14: Valores de la relación de la aceleración espectral y el PGA según las regiones.


54

Los coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd, Fs, se definen por la tabla de valores

que brinda la NEC, según la zona sísmica y el tipo de suelo donde está ubicada

la estructura.

Donde:

Fa: Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de período corto.

Tabla 15: Tipo de suelo y factores de sitio Fa.


Fd: Amplificación de las ordenadas del espectro elástico de respuesta de

desplazamientos para diseño en roca.

Tabla 16: Tipo de suelo y factores de sitio Fd.


55

Fs: Comportamiento no lineal de los suelos.

Tabla 17: Tipo de suelo y factores del comportamiento inelástico del subsuelo Fs.


El edificio está destinado para vivienda multifamiliar, así que su factor de

importancia “I” según la NEC será de 1.

El propósito de este factor es incrementar la demanda sísmica de diseño para

la estructura, que según la importancia o uso que se le de deben sufrir menores

daños o permanecer operativas durante y después del sismo de diseño.

Tabla 18: Tipo de uso, destino e importancia de la estructura.


56

.

Ilustración 37: Definición del espectro de diseño



3.5.5. Creación de la Fuente de Masa.

La norma NEC indica que para el análisis de la estructura se debe considerar

únicamente la carga muerta como masa participativa, sin embargo, para hacer

el diseño mas conservador y basándome en las normas NSR 10 (norma

colombiana de la construcción ) y la norma peruana RNE, en donde si se

considera un porcentaje de la masa viva según la importancia que se le dé al

57

edificio, consideré el 25% de la masa viva para que el programa incluya ese

porcentaje al realizar el cálculo del cortante dinámico.

. Ilustración 38: Definición del porcentaje de masa participativa.



Estos porcentajes de las masas serán los mismos para realizar el cálculo del

peso de la estructura “W” y posteriormente definir el cortante basal según la NEC.

Una vez calculado el cortante estático hay que compararlo con el cortante

dinámico que da el ETABS y debe cumplir la siguiente condición:

0.8 * cortante estático < cortante dinámico, si la estructura se la considera

regular.

0.85*cortante estático<cortante dinámico, si la estructura se la considera

irregular.

Si no cumple la condición hay que corregir la aceleración en los casos de

cargas del sismo en el ETABS, mediante un factor de corrección que se lo

determina así:

0.8 * cortante estático / cortante dinámico, si la estructura se la considera

regular.

58

0.85*cortante estático / cortante dinámico, si la estructura se la considera

irregular.

3.5.6. Definición de Modos de Vibración y Combinaciones de

Cargas.

.

Ilustración 39: Definición de modos de vibración de la estructura.



Ilustración 40: Definición de las combinaciones de carga según NEC 2015.



59

3.5.7. Elección del Efecto P-Delta.

El análisis P-Delta es el efecto de una sobre carga axial sobre el

comportamiento de la flexión transversal de los elementos en estructuras

reticulares. La compresión axial reduce la rigidez de flexión de los elementos y

la tracción axial rigidiza estos elementos.

Ilustración 41: Definición del efecto P-Delta.



3.5.8. Dibujo de Elementos: Columnas, Vigas Principales,

Vigas Secundarias, Losa, Escaleras.

Una vez que se define los materiales y secciones se dibuja la estructura con

las diferentes herramientas que brinda el ETABS.

Ilustración 42: Elevación típica del edificio en la dirección X (columnas y vigas principales).



60

Al dibujar las vigas secundarias se cambió las condiciones de apoyo por lo

que se consideran que están simplemente apoyadas.

Ilustración 43: Condiciones de apoyo de las vigas secundarias.



Ilustración 44: Planta típica del edificio.



Al dibujar la losa en sentido de esta debe ser perpendicular a las vigas

secundarias como se muestra en la ilustración 43.

61

.

Ilustración 45: Losa tipo Deck.



Ilustración 46: Dibujo 3D del edificio.



3.5.9. Cambio de Apoyos en las Columnas de la Planta Baja.

Se cambia los apoyos en la planta base por apoyos empotrados.

62

Ilustración 47: Selección de apoyos en las bases de las columnas.



3.5.10. Asignación de Cargas de Gravedad: sobrecarga

impuesta calculada y carga viva según la NEC 2015.

.

Ilustración 48: Valores de cargas asignadas a los paños de la losa.



63

Ilustración 49: Valores de cargas asignadas a las escaleras del edificio



3.5.11. Asignación de Diafragmas.

En el análisis estructural se asume el diafragma rígido para que todos los

puntos o nodos de un entrepiso tengan los mismos grados de libertad

(traslacionales y rotacional), así se reduce el tiempo del cálculo y se asume la

rigidez de la losa como infinita.

Ilustración 50: Colocación de diafragmas rígidos en la losa de cada piso.



64

3.5.12. Selección de Preferencias de Diseño.

En esta sección se asigna el modelo estructural escogido, en este caso es un

sistema SMF (Special Moment Frame) o pórticos especiales a momentos y se

modifica los valores de los diferentes parámetros definidos en los códigos o

normas según el modelo estructural.

Ilustración 51: Modificación de los parámetros según el modelo estructural.



3.5.13. Chequeo y Análisis del Modelo.

El ETABS realiza el chequeo de la edificación antes de realizar el análisis, el

cual sirve para verificar que no haya un elemento montado en otro o cualquier

otro tipo de error después de dibujar los elementos.

En caso de existir algún error, el programa te indica un mensaje en una nueva

ventana y te muestra los elementos donde se presenta el error, caso contrario te

muestra el mensaje de la ilustración 50.

65

Ilustración 52: Chequeo del modelo estructural antes de realizar el análisis.



Antes de correr el programa para que analice la estructura se selecciona la

casilla para que el mismo calcule el centro de rigidez de los diafragmas.

Ilustración 53: Análisis de la estructura en el programa.

Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen

66

3.6. Verificación de los Resultados Obtenidos en el Análisis

Estructural

Una vez que se corre el programa se verifica los modos de vibración, períodos,

derivas y cortantes para comparar con los requerimientos y así conocer si el

edificio se comportará adecuadamente.

3.6.1. Chequeo de Períodos y modos de Vibración.

Modo 1 T = 1,261 seg.

Ilustración 54: Primer modo de la estructura: movimiento traslacional en Y.


67

Modo 2 T = 1,105 seg.

Ilustración 55: Segundo modo de la estructura: movimiento traslacional en X.


Modo 3 T = 0,981 seg.

Ilustración 56: Tercer modo de la estructura: movimiento rotacional en Z.


68

Tabla 19: Tres primeros modos de vibración.


3.6.1.1. Cálculo del Período de la Estructura según la NEC

2015.

La NEC 2015 establece el siguiente modelo matemático para el cálculo del

periodo de vibración de la estructura.

(MIDUVI, 2014)

Además, la NEC nos da la siguiente tabla de valores para Ct y α que se definen

según el sistema estructural del edificio.

Tabla 20: Valores para Ct y α según el tipo de sistema estructural.


TABLE: Modal Direction Factors

Case Mode Period UX UY RZ

sec

Modal 1 1,261 0,001 0,999 0

Modal 2 1,105 0,962 0,001 0,037

Modal 3 0,981 0,037 0 0,963

69

Tabla 21: Cálculo del Periodo de Vibración de la Estructura según la NEC 2015.

Fuente: (Excel, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen

El periodo fundamental que nos da el ETABS fue de 1,261 segundos, el cual

es un período aproximado al que se obtuvo con la fórmula que da la NEC.

3.6.2. Cálculo del Cortante Estático Según la NEC 2015 Para la

Ciudad de Guayaquil.

Ilustración 57: Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representan el sismo de

diseño.


70


𝑇𝑐 = 0,55 ∗ 1,28 ∗1,19

1,20= 0,6981

Para T = 1.15 segundos

𝑆𝑎 = 𝜂 ∗ 𝑍 ∗ 𝐹𝑎(𝑇𝑐

𝑇)^𝑟

𝑆𝑎 = 1,8 ∗ 0,4 ∗ 1,20 (0,6981

1,152)

1

= 0,524

El edificio es regular en altura y en planta, por lo tanto, φe y φp serán igual a 1.

71

El peso W de la estructura se lo define en la siguiente tabla:

Tabla 22: Definición de la carga que actúa en la estructura.

Fuente: (Excel, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen

El cortante estático será:

vesτ =1 ∗ 0,524

8 ∗ 1 ∗ 1∗ 2006,035 = 131,34 Toneladas

Según la NEC: V dinámico > 80% V estático para estructuras regulares, por

lo tanto: 0,8 * 131,34 = 105,12 Toneladas.

El máximo cortante dinámico en el ETABS es de 93,95 Toneladas como se

observa en la figura 56 y es menor a 105,12 Toneladas, por lo tanto, no cumple

con la condición de la NEC.

Hay que realizar el ajuste en el ETABS mediante el factor de amplificación:

𝐹𝐴 = 0,80 ∗𝑉𝑒𝑠𝑡

𝑉𝑑𝑖𝑛

Ilustración 58: Máximo Cortante Dinámico producido en el sismo en X.


Coeficiente de Mass Source

PESO PROPIO 1015,0744 Ton 1 1015,0744 Ton

CARGA VIVA 641,7 Ton 0,25 160,425 Ton

SCP 822,1545 Ton 1 822,1545 Ton

CVT 33,6 Ton 0,25 8,4 Ton

Carga Reactiva Total (W) = 2006,0539 Ton

Base Reaction Carga Reactiva por sismo

72

3.6.2.1. Corrección del Cortante Dinámico.

𝐹𝐴 = 0,80 ∗131,34

93,95= 1,118382

Con este valor se corrige las aceleraciones en los casos de cargas de los

sismos en el ETABS.

Ilustración 59: Corrección del cortante dinámico con el factor de amplificación FA.


Ilustración 60: Máximo Cortante Dinámico producido en el sismo en X corregido.


73

3.6.3. Chequeo de Derivas.

Se debe chequear las máximas derivas de piso en todas las combinaciones

del sismo en el ETABS y escoger el mayor valor en las direcciones de X y Y para

luego amplificarlas con la siguiente fórmula de la NEC:

𝛥𝑀 = 0,75 ∗ 𝑅 ∗ 𝛥𝐸

Donde:

𝛥𝑀 : Deriva máxima por piso amplificada.

R: Factor de reducción de respuesta sísmica.

𝛥𝐸: Máxima deriva por piso obtenida del ETABS.

Se debe verificar que las derivas máximas 𝛥𝑀no excedan los límites

permisibles de derivas por piso establecidos por la NEC 2015, los cuales se

definen en la siguiente tabla.

Tabla 23: Valores de 𝛥𝑀 máximos, expresados como fracción de la altura de piso.


Ilustración 61: Deriva de piso, Sismo en X.


74

𝛥𝑀 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001298 = 0,0078 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 2. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒

Ilustración 62: Deriva de piso, Sismo en Y


𝛥𝑀 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001491 = 0,0089 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 3. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒

3.6.4. Diseño de Miembros: Vigas Principales, Columnas,

Vigas Secundarias.

Los miembros de la estructura deben comportarse de forma dúctil siguiendo

los requerimientos del AISC 341, esta verificación ya se comprobó en la sección

3.4 de esta investigación.

Para realizar el diseño de los miembros se usó las herramientas del ETBAS

que se muestran en la ilustración 63.

75

Ilustración 63: Opciones para diseñar y chequear los elementos de la estructura


Ilustración 64: Diseño de vigas principales y secundarias del piso 1


76

Ilustración 65: Diseño de columnas en el eje 2


3.6.5. Chequeo de la Relación Demanda/Capacidad a Fuerza

Axial y Flexión de los Miembros.

Ilustración 66: Relación demanda / capacidad en las vigas del piso 1


77

Ilustración 67: Relación demanda / capacidad en las columnas del eje 2


3.7. Análisis del Criterio Columna Fuerte – Viga Débil

Momento plástico probable de la columna.

Columna 450*300*30 inferior a la viga principal IPE 500 piso 1

Pu= 303,81 ton

78

Ilustración 68: Diagrama de Fuerza Axial Columna piso 1


Columna 450*300*30 superior a la viga principal IPE 500 piso 2

Pu= 273,23 ton

Ilustración 69: Diagrama de Fuerza Axial Columna piso 2


M*pc = ∑Zxc (𝐹𝑦𝑐 − 𝑃𝑢𝑐

𝐴𝑔𝑐) =

79

4509 cm3 (3515𝑘𝑔

𝑐𝑚2 ∗1

1000−

303,81𝑡

414𝑐𝑚2)1

100+ 4509 cm3 (

3515𝑘𝑔

𝑐𝑚2 ∗1

1000−

273,23𝑡

414𝑐𝑚2)

1

100= Mpc = 125,40 𝑡 𝑚 + 128,73 𝑡 𝑚

M*pc =254,13 t m

Momento plástico probable de la viga

∑𝑀𝑃𝑣∗ = ∑(𝑀𝑝𝑟 + 𝑀𝑢𝑣)

Cpr = 𝐹𝑦 + 𝐹𝑢

2 𝐹𝑦≤ 1.20

Cpr = 3515 + 4570

2 ∗ 3515= 1,15 ≤ 1,20

Momento máximo probable en la zona de articulación plástica

Mpr = Cpr * Ry * Fy * Zx

M*pr = 1.15*1.1*3515 𝑘𝑔/𝑐𝑚2*2194 𝑐𝑚3 = 97,56 t m

Momento producido en la zona de corte a una cara de la columna

Muv1= 3,91 𝑡 𝑚

Muv2= 3,16 𝑡 𝑚

Mpv = (97,56 t m + 3,91) +(97,56+3.16) t m = 202,19 t m

∑𝑀𝑃𝑐∗

∑𝑀𝑃𝑣∗ ≥ 1.0

254,13 𝑡 𝑚

202,19 𝑡 𝑚= 1,26 > 1 𝑂𝐾

80

CAPÍTULO IV

Selección y Diseño Teórico de la Conexión Precalificada Viga Columna

4.1 Conexiones Precalificadas Según el Código AISC 358-10

En el año 2010, se publicó el código americano AISC 358, en el cual se

encuentra cinco tipos de conexiones viga columna precalificadas resistentes a

momentos para estructuras metálicas y sus respectivos procedimientos de

cálculos para el diseño de estas. A continuación, se observa los nombres de las

conexiones que se las puede encontrar desde el capítulo 5 hasta el capítulo 9

del código.

a) Conexión Viga de Sección Reducida / Reduced Beam Section (RBS).

Ilustración 70: Conexión RBS


b) Conexión de Placa Extrema Empernada / Bolted Extended end Plate

(BEEP).

81

Ilustración 71: Conexión precalificada de placa extrema empernada sin rigidizar (izquierda)

y rigidizada (derecha).


c) Conexión de Placa de Ala Empernada / Bolted Flange Plate (BFP).

Ilustración 72: Conexión precalificada de placa de ala empernada


82

d) Ala Soldada sin Reforzar y Alma Soldada / Welded Unreinforced Flange

– Welded Web (WUF – W).

Ilustración 73: Conexión precalificada de ala soldada sin refuerzo y alma soldada


e) Soporte Kaiser Empernado / Kaiser Bolted Bracket (KBB).

Ilustración 74: Conexión precalificada Kaiser con soporte atornillado (izquierda) y soldado

(derecha)


83

Las conexiones mencionadas en el código son para sistemas de pórticos

intermedio y especiales a momentos, IMF y SMF.

Estas conexiones tienen como objetivo garantizar que el desarrollo de la rótula

plástica sea en la viga para que no falle la conexión, por lo que, la elección de

esta queda a criterio del diseñador según los requerimientos del proyecto.

Para el diseño y análisis de la conexión en esta investigación, se ha escogido

la conexión de ala soldada sin reforzar y alma soldada (WUF – W).

4.2. Conexión de Ala Soldada sin Reforzar y Alma Soldada (WUF-

W)

4.2.1. Definición.

En la conexión de momento de alas soldadas sin reforzar y alma soldada

(WUF-W), la rotación inelástica se desarrolla principalmente al ceder la viga en

la región adyacente a la cara de la columna. La ruptura de la conexión se controla

mediante soldaduras con requisitos especiales que deben detallarse para unir

las alas de la viga a la columna y el alma de la viga a el alma de la columna.

Dentro de estos detalles también debe definirse la forma y el acabado de los

agujeros por donde tendrá acceso la soldadura.

Debido a que el diseño de la conexión será controlado por la soldadura, no se

debe considerar a los pernos que conectan la unión con el alma de la viga en el

cálculo de la capacidad a cortante de la conexión, estos únicamente servirán

para el montaje de los elementos en campo.

84

Ilustración 75: Conexión de ala soldada sin refuerzo y alma soldada WUF - W


4.2.2. Límites de Precalificación.

Tabla 24: Limitaciones y parámetros generales de la conexión WUF - W


85

4.2.3. Características de la Conexión WUF – W.

Ilustración 76: Características de la Conexión de ala soldada sin refuerzo y alma soldada

WUF - W

Fuente: (FEMA350, 2000)

86

Donde:

Tabla 25: Características de la soldadura en la conexión WUF - W


4.2.4. Procedimiento de Diseño de la Conexión WUF – W

Según AISC 358.

Conexión soldada al alma de la columna (lado más largo de la sección

transversal de la columna).

Paso 1. Se calcula el máximo momento probable en la rótula plástica “Mpr”,

de acuerdo con la sección el valor del módulo plástico efectivo de la conexión

“Ze” será igual al módulo plástico de la sección de la viga “Zx” y según los datos

experimentales que muestran un alto grado de endurecimiento por deformación,

el valor de Cpr será de 1,4.

87

Mpr = Cpr * Ry * Fy * Zx

Mpr = 1.4*1.1*3515 𝑘𝑔/𝑐𝑚2*2194 𝑐𝑚3 = 118,76 Ton - m

Paso 2. En otros tipos de conexiones, la ubicación de las rótulas plásticas se

la considera a cierta distancia “Sh” de la cara de la columna como se aprecia en

la figura 74, por lo tanto, al realizar el cálculo del máximo momento probable en

la cara de la columna, se realizará una sumatoria de momentos (momento

máximo probable en la rótula plástica + el momento producido por la fuerza

cortante y el brazo de palanca en el centro de la sección reducida de la viga). En

la conexión WUF-W el valor de Sh será cero porque se asume que las rótulas

plásticas se formarán en la cara de la columna. Entonces, el momento máximo

probable en la cara de la columna será el mismo que el de la rótula plástica.

Mf = Mpr

Ilustración 77: Esquema de cuerpo libre entre el centro de la viga de sección reducida y la

cara de la columna.


88

Paso 3. Calcule la fuerza de corte, Vh, en la ubicación de la rótula plástica en

cada extremo de la viga.


𝐿ℎ+ 𝑉𝑝

Se analiza la viga ubicada en el eje 2 entre los ejes B y C del primer piso.

Ilustración 78: Diagrama de Corte de la Viga a una cara de la columna


En el diagrama se observa que el Vp1= - 2,54 Ton.

Ilustración 79: Diagrama de Corte de la Viga a una cara de la columna.


En el diagrama se observa que el Vp2= 3 Ton.

89

Entonces,

𝑉ℎ1 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚

4,70 𝑚− 2,54 𝑇𝑜𝑛 = 48 𝑇𝑜𝑛

𝑉ℎ2 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚

4,70 𝑚+ 3 𝑇𝑜𝑛 = 53,54 𝑇𝑜𝑛

Paso 4. Verifique la resistencia requerida al corte en la viga.

La resistencia a corte requerida “Vu”, será igual a la mayor de los dos valores

de Vh calculados en cada extremo de la viga en el Paso 3.

Vu= 53,54 Ton.

Paso 5. Calcule la resistencia de diseño de cortante de la viga.

𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣 ≥ 𝑉u

𝜙𝑣 = 1 para miembros dúctiles

𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60𝐹𝑦ℎ𝑣𝜏𝑤𝑣

𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60 ∗ 3515𝑘𝑔

𝑐𝑚2 ∗ 50 𝑐𝑚 ∗ 1,02 𝑐𝑚 = 107,56 𝑇𝑜𝑛 > 53,54 𝑇𝑜𝑛 √

Esto quiere decir que la sección transversal de la viga satisface la

solicitación de resistencia requerida de cortante Vu.

90

Paso 6. Verifique las limitaciones de la relación columna-viga.

Limitaciones para la Viga según ANSI/AISC 358


limitaciones.

b) Peralte: 500 mm < máximo permitido W920 mm √

c) Peso: 90,70 kg/m < máximo permitido 223 kg/m √

d) Espesor del ala de la viga:16 mm < máximo permitido 25,4 mm √

e) Relación luz/peralte: 5/0,50 = 10 > 7 mínimo permitido para SMF √

Limitaciones para la Columna según ANSI/AISC 358




c) Peralte: 450 mm < máximo permitido 610 mm √



Paso 7. Diseñar la placa de cortante en la unión del alma de la viga con el

alma de la columna.

Se calcula la altura mínima del alma de la viga y se verifica que sea menor a

la altura real de esta.


𝜙𝑣0.6 𝐹𝑦𝜏𝑤𝑣

91

ⅆ𝑚𝑖𝑛 =53540 𝑘𝑔

1∗0.6∗ 3515𝑘𝑔

𝑐𝑚2∗1,02 𝑐𝑚= 24,89 𝑐𝑚 < 46,8 cm √

Por lo tanto, la altura del alma de la viga es suficiente para resistir la

resistencia requerida Vu.

Según el código de soldadura AWS sección D1.1-15, la altura mínima para los

agujeros de acceso de la soldadura es de 20 mm con un ancho mínimo de 1,5

tw. Entonces, para cumplir los requisitos geométricos de diseño del AISC 358

restamos 4,8 cm de los agujeros superior e inferior (2,4 cm por agujero), por lo

que tendremos que la altura de la placa cortante será de 42 cm con un ancho de

12 cm que es mayor al ancho mínimo de los requerimientos y un espesor de 1,2

cm mayor al espesor del alma de la viga, puesto que el código recomienda que:”

el espesor mínimo de la placa de cortante debe ser al menos el espesor del alma

de la viga”.

En resumen, la placa será PL120X420X12mm en acero ASTM A992.

Ilustración 80: Vista Lateral de la Placa de Cortante.


Paso 8. Calcular la resistencia de diseño a corte de la soldadura que conecta

al alma de la columna con la placa de corte, la cual debe ser menor o igual a la

92

resistencia de diseño de corte de la placa cortante y a la resistencia requerida a

corte por la viga.

Con respecto a los detalles de la soldadura el AISC 358 indica que deben

cumplir lo que estipula la sección J2 del código AISC 360, y esta a su vez nos

dice que se debe considerar el área efectiva de la soldadura como la longitud de

la soldadura por el espesor de la garganta efectiva.

El espesor de la soldadura de filete debe ser el espesor de la parte más

delgada conectada; en este caso el espesor de la columna es de 3 cm y el de la

placa de 1,2 cm, lo cual indica que el espesor de la soldadura será de 1,2 cm y

la longitud de la soldadura de 42 cm, que es la longitud de la placa de cortante.

La resistencia de diseño a corte de la soldadura según el AISC 360 se

determina con la siguiente expresión:

Ø Rn = Ø Fnw * Awe

Donde,

Ø Rn resistencia de diseño a corte de la soldadura

Fnw tensión nominal del metal de soldadura, kg/cm2

Awe Área efectiva de la soldadura, cm2

Para obtener el valor de Fnw vamos a la tabla J2.5 del AISC 360.

Tabla 26: Resistencia Disponible de Juntas Soldadas


93

En la primera columna de tipo de carga buscamos la casilla que dice corte y

en la tercera columna se obtiene los siguientes datos para el cálculo de la

resistencia.

Ø = 0.75 Factor para corte por el método de LRFD

0,60 FEXX que es Fnw en la fórmula, la expresión FEXX es la resistencia del

electrodo que se va a usar como material de aporte compatible para soldar las

piezas.

El tipo de electrodo se lo determina en la tabla siguiente:

Tabla 27: Disposiciones de la AWS D1.1 para metales de aporte compatible con el metal

base.


Se escoge el electrodo E70, la letra E significa electrodo y el número 70 es la

resistencia de tracción mínima del material de aporte en KSI que en kg/cm2 será

4921,4. Las otras nomenclaturas indican la posición para soldar y el

recubrimiento.

Obtenido todos los datos, se calcula la resistencia de diseño a corte de la

soldadura.

Ø Rn = Fnw * Awe

94

Ilustración 81: Soldadura de Filete en Placa de Cortante.

Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016)

Ilustración 82: Cálculo de la Garganta y Área efectiva para una Soldadura de Filete.

Fuente: (Jack Mccormac, 2012)

Rn = 0,6 * 4921,46 kg/cm2 * 1,2cm *0.707* 42cm = 105,24 Ton (Resistencia de

la soldadura).

Ø Rn = 0,75 * 105.24 Ton = 78,93 Ton (Resistencia de diseño a corte de la

soldadura).

95

Resistencia de diseño a corte por fluencia y ruptura de la placa de cortante

𝜙𝑅𝑛𝑃𝐿

Resistencia por corte a fluencia :


𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 𝜙𝑣 ∗ 0,6 ∗ 𝐹𝑦 ∗ 𝐴𝑔

𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 1 ∗ 0,6 ∗3515𝐾𝑔

𝑐𝑚2∗ (42𝑐𝑚 ∗ 1,2𝑐𝑚)

𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 106,3 𝑇𝑜𝑛

Resistencia por corte a ruptura:

Ø = 0,75

Ø Rn= Ø* 0,6* Fu * Ae

Ae= Ag * U por ser piezas soldadas y para hacerlo conservador U=1

Ae= 42 cm * 1,2 cm * 1 = 50,4 cm2

Ø Rn= 0,75 * 0,6 ∗4570𝐾𝑔

𝑐𝑚2 *50,4 cm2 =103,65 Ton.

Paso 9. Verifique los requisitos de la placa de continuidad de la columna.

Paso 10. Diseño de la zona de panel

El paso 9 y 10 no se aplica para perfiles tubulares rectangulares, puesto que

no es recomendable obstruir la continuidad de la columna, el uso de rigidizadores

se lo puede hacer únicamente si la columna es demasiado esbelta y no permite

la colocación de placas simples, si no se desea colocar placas atravesadas en

la zona de panel o placas de continuidad en las alas, se debe aumentar las

sección transversal de la columna así como el espesor de la misma o rellenar la

columna de concreto.

Paso 11. Soldadura de penetración Completa en la unión del ala de la viga

con el alma de la columna (Conexión de Momento).

96

Tabla 28: Resistencia Disponible de Juntas Soldadas


De acuerdo con la especificación AISC J2 (Tabla J2.5), la resistencia de

soldadura de penetración completa es igual a la del metal base en todo sentido.

Por esta razón no se requieren verificaciones especiales de resistencia para este

tipo de soldadura.

Ilustración 83: Soldadura de Penetración Completa entre las Alas de la Viga y el Alma de la

Columna Tubular.


97

Paso 12. De acuerdo con el capítulo K del AISC 360 sección K1-3 para

miembros de secciones tubulares rectangulares que soportan cargas

concentradas, se deben realizar los siguientes chequeos en la conexión.

a) Ancho Efectivo de Contacto.

b) Pandeo de las Paredes (Conexión Opuesta).

c) Fluencia en la Cara de la Columna.

Fluencia Local Debida a Distribución Desigual de Carga en la Placa Cargada

(Ancho Efectivo de Contacto).

Es la capacidad por fluencia en los extremos de un elemento transversal al

eje de la columna sobre la pared del soporte. Puede ser expresada como la

menor de las dos resistencias de diseño de la siguiente ecuación:

(Ec. K1-7 de la Tabla K1.2)

Φ = 0.95 (LRFD)

Donde:

Bp = Ancho del ala de la viga.

B= ancho de la sección tubular rectangular, medida 90 grados hacia el plano

de la conexión.

t = espesor de pared de la sección tubular rectangular.

Fy = esfuerzo de fluencia del material del miembro de sección tubular

rectangular.

Fyp = esfuerzo de fluencia del material de la viga.

98

tp = espesor del ala de la viga.

Ilustración 84: Conexiones en T y en Cruz con Plancha Transversal Solicitadas por Carga

Axial a través de la Plancha.


𝑅𝑛 = [10 ∗ 3515

𝐾𝑔𝑐𝑚2 ∗ 3 𝑐𝑚

(45 𝑐𝑚3 𝑐𝑚 )

] ∗ 20 𝑐𝑚 ≤ 3515 𝐾𝑔

𝑐𝑚2∗ 1,6 𝑐𝑚 ∗ 20 𝑐𝑚

Ø𝑅𝑛 = 0,95 ∗ 140,6 𝑇𝑜𝑛 ≤ 0,95 ∗ 112,5 𝑇𝑜𝑛

Ø𝑅𝑛 = 133,57 𝑇𝑜𝑛 ≤ 106,88 𝑇𝑜𝑛

Ø𝑅𝑛 = 106,88 𝑇𝑜𝑛

Pandeo Local de las Paredes de la Sección Tubular Rectangular.

Se refiere a la capacidad de las paredes de la columna cuando sobre ambos

lados de la columna actúan fuerzas de compresión:

(AISC 360-10 Ec. K1-11)

Ø = 0.90 (LRFD) W = 1.67 (ASD)

Donde:

t = espesor de la pared de la sección tubular rectangular.

99

H = altura del miembro de sección tubular rectangular, medida en el plano de

la conexión.

E = Módulo de elasticidad del acero

Fy = tensión de fluencia del material del miembro de sección tubular

rectangular.

Qf = factor de reducción tomado igual a 1.0 para superficies conectada en

tracción para tubos.

Ø𝑅𝑛 = 0,90 ∗ [48 ∗ (3𝑐𝑚)3

(45 𝑐𝑚 − 3 ∗ 3𝑐𝑚)] (

2100000𝐾𝑔

𝑐𝑚2∗

3515𝐾𝑔

𝑐𝑚2)

0,5

∗ 1

Ø𝑅𝑛 = 2783 𝑇𝑜𝑛

Fluencia de la Cara o Pared de la Sección Tubular

Es la capacidad (límite inferior) de la pared de la columna cuando se ha

formado un mecanismo de líneas de falla por un elemento transversal al eje de

la columna. El método de cálculo es el recomendado por las especificaciones

AISC, Sección K1.3, que proporciona la siguiente ecuación:

(Ec. K1-4)

Ø = 1.0 (LRFD)

Donde:

t = espesor de pared de la sección tubular rectangular.

N = longitud de apoyo o contacto de la carga, medida paralela al eje del

miembro Tubular, en este caso N = espesor del ala de la viga.

100

k = radio exterior de la esquina de la sección tubular rectangular, que se

permite sea tomado igual a 1.5t cuando su valor se desconoce.

Fy = esfuerzo de fluencia del material del miembro de sección tubular

rectangular.

Ilustración 85: Conexiones de Plancha de Tapado Bajo Carga Axial.


Ø𝑅𝑛 = 1 ∗ 2 ∗ 3515𝐾𝑔

𝑐𝑚2∗ 3 𝑐𝑚 (5 ∗ 1.5 ∗ 3𝑐𝑚 + 1.6 𝑐𝑚) = 508,269 𝑇𝑜𝑛

Conexión soldada al ala de la columna (lado más corto de la sección

transversal de la columna).

El paso 1 y 2 es el mismo realizado en el lado mas largo de la columna puesto

que el perfil de la viga es el mismo.

Paso 3. Calcule la fuerza de corte, Vh, en la ubicación de la rótula plástica en

cada extremo de la viga.


𝐿ℎ+ 𝑉𝑝

Se analiza la viga ubicada en el eje B entre los ejes 2 y 3 del primer piso.

101



En el diagrama se observa que el Vp1= - 11,91 Ton.



En el diagrama se observa que el Vp2= 12,15 Ton.

Entonces,

𝑉ℎ1 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚

4,70 𝑚− 11,91 𝑇𝑜𝑛 = 19,55 𝑇𝑜𝑛

𝑉ℎ2 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚

4,70 𝑚+ 12,15 𝑇𝑜𝑛 = 43,61 𝑇𝑜𝑛

102

Paso 4. Verifique la resistencia requerida al corte en la viga.

La resistencia a corte requerida “Vu”, será igual a la mayor de los dos valores

de Vh calculados en cada extremo de la viga en el Paso 3.

Vu= 43,61 Ton.

Paso 5. Calcule la resistencia de diseño de cortante de la viga.

𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣 ≥ 𝑉u


𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60𝐹𝑦ℎ𝑣𝜏𝑤𝑣

𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60 ∗ 3515𝑘𝑔

𝑐𝑚2 ∗ 50 𝑐𝑚 ∗ 1,02 𝑐𝑚 = 107,56 𝑇𝑜𝑛 > 43,61 𝑇𝑜𝑛 √

Esto quiere decir que la sección transversal de la viga satisface la

solicitación

de resistencia requerida de cortante Vu.

103

Paso 6. Verifique las limitaciones de la relación columna-viga.

Limitaciones para la Viga según ANSI/AISC 358


limitaciones.

b) Peralte: 500 mm < máximo permitido W920 mm √

c) Peso: 90,70 kg/m < máximo permitido 223 kg/m √

d) Espesor del ala de la viga:16 mm < máximo permitido 25,4 mm √

e) Relación luz/peralte: 8/0,50 = 16 > 7 mínimo permitido para SMF √

Limitaciones para la Columna según ANSI/AISC 358




c) Peralte: 450 mm < máximo permitido 610 mm √



Paso 7. Diseñar la placa de cortante en la unión del alma de la viga con el

alma de la columna.

Se calcula la altura mínima del alma de la viga y se verifica que sea menor a

la altura real de esta.


𝜙𝑣0.6 𝐹𝑦𝜏𝑤𝑣

104

ⅆ𝑚𝑖𝑛 =43610 𝑘𝑔

1∗0.6∗ 3515𝑘𝑔

𝑐𝑚2∗1,02 𝑐𝑚= 20,27 𝑐𝑚 < 46,8 cm √

Por lo tanto, la altura del alma de la viga es suficiente para resistir la

resistencia requerida Vu.

En resumen, la placa será PL120X420X12mm en acero ASTM A992.

Los demás cálculos no se realizan porque son los mismos que se realizaron

en el lado más largo de la columna a excepción del cálculo de pandeo local de

las paredes de la sección tubular rectangular.

Pandeo Local de las Paredes de la Sección Tubular Rectangular.

Se refiere a la capacidad de las paredes de la columna cuando sobre ambos

lados de la columna actúan fuerzas de compresión:

(AISC 360-10 Ec. K1-11)

Ø𝑅𝑛 = 0,90 ∗ [48 ∗ (3𝑐𝑚)3

(30 𝑐𝑚 − 3 ∗ 3𝑐𝑚)] (

2100000𝐾𝑔

𝑐𝑚2∗

3515𝐾𝑔

𝑐𝑚2)

0,5

∗ 1

Ø𝑅 = 4772 𝑇𝑜𝑛

105

CAPÍTULO V

Verificación del Diseño Teórico de la conexión en el

Software RAM Connection.

5.1. Introducción y Definición del Software RAM Connection

Versión 11.0.1

RAM Connection es un programa para ingenieros estructurales o fabricantes

de estructuras metálicas que sirve para el análisis y diseño de conexiones para

estructuras de acero, trabaja de manera autónoma pero también lo puede hacer

de manera integrada con los softwares de análisis de estructuras metálicas RAM

Estructural System, STAAD Pro y RAM Elements.

El diseño de conexiones con el Software puede hacerse en un período corto

de tiempo debido a su poder y simplicidad, estas conexiones se pueden diseñar

con normas americanas, europeas, británicas o Chinas y en cada lanzamiento

los creadores del programa agregan más códigos de diseño, por lo general

hacen dos lanzamientos del software al año y la interfaz gráfica, tutoriales, así

como manuales están disponible en los idiomas inglés, Español y Chino.

El programa realiza cálculos con los códigos de diseño americano AISC 360,

358, 341 en versiones del año 2005 y 2010, en los dos métodos LRFD y ASD,

otros códigos que incluye son: el euro código, el código chino y británico; de esta

manera se puede diseñar un sin número de conexiones internacionales y

también cuenta con la opción para diseñar y optimizar anclas para placas bases

en las normas americanas y europeas.

Se pueden diseñar conexiones a cortante, momento, ménsula, contraviento,

empalme o placas base, en los informes incluye los resultados, fórmulas y

106

valores reemplazados, así como el detalle de todas las conexiones en formato

DXF para poder exportarlo al programa CAD de nuestra preferencia.

5.2. Asignación de Secciones de los Elementos

Antes de comenzar a dibujar la conexión se define las unidades de medidas

con las que se va a trabajar.

Ilustración 88: Definición de Unidades de Medidas.

Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen

Ilustración 89: Selección de la Conexión Viga – alma de Columna


107

En esta opción se puede definir la ubicación de la viga con respecto a la

columna, ya sea en el ala o en el alma, en este caso la viga se encuentra en el

alma de la columna.

Ilustración 90: Asignación de Secciones de los Elementos.


Si la sección no está definida en el menú del programa se puede crear de

forma Manuel con las dimensiones requeridas.

Ilustración 91: Viga conectada al alma y al ala de la columna.


108

5.3. Asignación de la Placa de Corte

Los requisitos de diseño del AISC 358 solicita que la placa de corte sea una

placa simple ya que la conexión precalificada de Ala Soldada sin Reforzar y Alma

Soldada escogida para el análisis es una conexión de momento y es la soldadura

la que debe controlar el diseño, esta placa en el software se la encuentra como

conexión básica.

Ilustración 92: Elección de la Placa de Cortante.


Ilustración 93: Elección y Asignación de datos geométricos obtenidos en el diseño teórico en el Capítulo IV de la Placa de Cortante.


109

Ilustración 94: Selección de Criterios de Diseño


5.4. Elección y Asignación de la Conexión a Momento

Al estar soldadas las alas de la viga con el alma de la columna sin placa de

refuerzo y con soldadura de penetración completa se escoge la opción de

conexión directamente soldada.

Ilustración 95: Conexión a Momento Directamente Soldada


110

Ilustración 96: Asignación de la Conexión a Momento.


Ilustración 97: Conexión a Momento y Placa de Cortante.


111

5.5. Condiciones y Combinaciones de Cargas

Ilustración 98: Casos y Combinaciones de Cargas


112

5.6. Asignación de Cargas a las Conexiones

Los patrones y casos de carga se los puede exportar directamente desde el

programa de análisis estructural o de forma manual, en este modelo se

ingresaron los datos manualmente, el software da una guía mediante gráficos y

explica cómo se debe ingresar los diferentes patrones de carga.

Ilustración 99: Asignación de Cortantes y Momentos producidos por las vigas a una cara

de la columna.


113

Ilustración 100: Asignación de Cortantes y Momentos producidos por las vigas a una cara

de la columna.


114

Ilustración 101: Asignación de Fuerza Axial y Momento Flector producidos en la columna.


Ilustración 102: Diagrama de Fuerza Axial y Momento Flector a 3.2 metros de la base de la

Columna (sismo en X).


115

5.6.1. Asignación de Fuerzas a las Conexiones

Ilustración 103: Fuerzas que llegan a la Placa de Cortante.


Ilustración 104: Fuerzas que llegan a la Conexión de Momento


116

5.7. Selección de Parámetros de Diseño para la Conexión.

Ilustración 105: Personalización, combinaciones de cargas y consideraciones sísmicas.


117

5.8. Resultados del Diseño obtenidos en el software RAM

Connection

5.8.1. Resultados de la Placa de Cortante.

Tabla 29: Resultados del Diseño en el Software

118


5.8.2. Resultados de la Conexión de Momento.

Tabla 30: Resultados del Diseño de la Conexión en el Software RAM Connection

119


El mismo procedimiento se realiza para la conexión viga – ala de la columna,

cuyo diseño se detalla en los planos de diseño de la conexión.

120

CAPÍTULO VI

Resumen de Resultados y Discusión

6.1. Comparación de Resultados.

Tabla 31: Tabla de Comparación de Resultados entre el diseño teórico y el diseño en el software de análisis.

NOMBRE DEL ANALISIS DISEÑO TEORICO

DISEÑO SOTFWARE RAM CONNECTION

DEMANDA REQUERIDA A CORTE

PLACA DE CORTE

Resistencia de diseño de cortante de la viga

107,56 TON 107,57 TON

>53,54 TON Resistencia de la soldadura 105,24 TON 104,41 TON

Resistencia de diseño a corte por fluencia de la placa

106,3 TON 106,3 TON

CONEXIÓN A MOMENTO

Fluencia local por cargas 106,87 TON 106,87 TON

Fluencia local paredes lat 508,32 TON 508,32 TON

Pandeo local de las paredes laterales

2783 TON 2743 TON

Elaboración: Stefanía Bowen

6.2. Planos de Diseño de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y

Alma Soldada.

Ilustración 106: Diseño de la Conexión en ambos lados de la Columna


121

6.2.1. Detalles del Diseño de la Placa de Cortante.

Ilustración 107: Vista Superior de la Placa


Ilustración 108: Vista Lateral de la Placa


Colu

mna

Viga

Pla

ca d

e

122

Ilustración 109: Vista Frontal de la Placa


6.2.2. Detalles del Diseño de la Soldadura de Penetración

Completa.

Ilustración 110: Vista Frontal de la Conexión a Momento


Soldadura de

Penetración Completa

Soldadura de


Columna

123

Ilustración 111: Vista Lateral de la Conexión a Momento


Ilustración 112: Vista Superior de la Conexión a Momento


124

Se aplicará el mismo diseño de conexión viga columna precalificada tanto en

el alma de la columna, así como en el ala ya que en ambos lados el diseño de la

conexión tiene un buen comportamiento.

Sin embargo, el programa de diseño cuenta con opciones para optimizar la

conexión sin que esta incumpla los parámetros de diseño y límites de servicio

permisibles y de esta forma bajar los costos de producción de las placas de

cortante y soldaduras.

6.3. Planos de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y Alma

Soldada, Diseño Optimizado.

Ilustración 113: Diseño optimizado de la Conexión en ambos lados de la Columna


La conexión será la misma para ambos lados de la columna, los resultados

del modelo optimizado dados por el programa de diseño RAM Connection se

mostrarán en los ANEXOS de esta investigación.

125

6.3.1. Detalles del Diseño Optimizado de la Placa de Cortante

para Ambos Lados de la Columna.

Ilustración 114: Vista Superior de la Placa optimizada


Ilustración 115: Vista Lateral de la Placa Optimizada


Viga

126

Ilustración 116: Vista Frontal de la Placa Optimizada


6.4. Discusión de los Resultados Obtenidos.

En el diseño teórico se obtuvo una placa de cortante con las siguientes

características geométricas:


Mientras que en el diseño optimizado en el software de análisis de la placa

de cortante se obtuvieron las siguientes medidas geométricas:

127


La soldadura de penetración completa seguirá siendo la misma, mientras que

en el diseño optimizado de la placa de cortante comparado con el diseño teórico

se observa que hay una reducción en las dimensiones de la placa, también se

reducen el número de pernos y la longitud de la soldadura de filete, sin que la

conexión deje de tener un comportamiento dúctil.

En el diseño optimizado la resistencia por corte a fluencia de la placa cambia,

debido al cambio de la sección de esta, pero sigue siendo mayor a la demanda

requerida por la conexión, lo mismo pasa con la resistencia de la soldadura de

filete, sin embargo, ambas resistencias son mayores a la demanda producida por

la fuerza cortante en las caras en ambos lados de la columna.

Ilustración 117: Conexión Ala Soldada sin Reforzar Alma Soldada a Escala Real

(Lenin, 2014)

128

CAPÍTULO VII

Conclusiones y Recomendaciones

7.1. Conclusiones

a) Aplicando la norma de construcción local y códigos correspondientes de

diseño, se obtuvo el predimensionamiento adecuado en los elementos

que conforman los pórticos resistentes a momentos en la edificación, las

secciones obtenidas tanto en vigas como columnas cumplieron con los

requerimientos sísmicos según el código AISC 341 para miembros

altamente dúctiles y se conservó el diseño arquitectónico de la estructura.

b) En el análisis dinámico, la estructura obtuvo los modos de vibraciones

esperados, los dos primeros traslacionales y el tercer modo rotacional.

La masa participativa fue del 100%, los límites de derivas no excedieron

el 2%, por lo que se concluye que la estructura cumple con estos

parámetros de riesgo sísmicos contemplados en la NEC 2015.

Los elementos diseñados tienen la suficiente capacidad para soportar la

demanda de las fuerzas de servicio mayoradas y de las fuerzas sísmicas.

𝛥𝑀𝑋 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001298 = 0,0078 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 2. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒

𝛥𝑀𝑌 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001491 = 0,0089 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 3. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒

129

𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 106,3 𝑇𝑜𝑛

c) Siguiendo el procedimiento de diseño del AISC 358 para la conexión se

obtuvo la demanda de la fuerza cortante que soportará la conexión y se

diseñó la placa de cortante, de tal forma que esta tiene una resistencia

superior a la demanda al igual que la soldadura de filete.

Demanda V u=53,54 𝑇𝑜𝑛

La soldadura de penetración completa tiene la misma resistencia de

diseño que los elementos a unir. En este diseño se obtuvo el espesor y

altura de la placa de cortante para luego aplicarlo al software de diseño

especializado.

d) En el Software especializado para el análisis de conexiones precalificadas

se dibujaron los elementos y la conexión a momento de alas directamente

soldadas junto con la placa de cortante con las dimensiones obtenidas en

el diseño teórico, obteniendo un buen comportamiento del diseño

geométrico de la conexión en el software.

Soldadura de


130

e) Las cargas que soporta la conexión obtenidas en el ETABS se

introdujeron al software de diseño especializado de forma manual ya que

también se las puede importar directamente desde el ETABS, controlando

el diseño la carga por sismo en X para el lado mas largo de la columna y

por cargas de servicio para el lado más corto.

Cargas que soporta la conexión en el lado mas largo de la columna.

Cargas que soporta la conexión en el lado más corto de la columna.

131

f) Los resultados del diseño teórico, así como los del software son muy

parecidos.

Con la diferencia que en el software se puede optimizar la conexión sin

que la misma deje de comportarse de una manera dúctil y adecuada en

la edificación y de esta forma reduciendo costos en los materiales

empleados en la conexión.

Conexión optimizada mediante el software de diseño.

Conexión sin optimizar en el software de diseño con las medidas del

diseño teórico.

132

7.2. Recomendaciones

a) Ecuador es un país ubicado en una zona altamente sísmica, por lo que el

diseñador debe tener conocimientos estructurales actualizados y aplicar

todos los códigos y normas locales correspondientes al momento de

diseñar una estructura.

b) Para el análisis del edificio en el ETABS hay que tener ciertos criterios al

momento de dibujar los elementos, principalmente al ubicar las secciones

de las columnas, se las debe colocar de tal forma que ayuden a mejorar

el periodo de vibración de la estructura, si la diferencia entre el periodo de

vibración dado por el ETABS y el obtenido mediante la NEC 2015 es

mucha, se debe hacer un nuevo predimensionamiento de las secciones,

bien sea aumentarlas o reducirlas según sea el caso o cambiar la posición

de los elementos y nuevamente chequear el periodo, derivas, cortantes

etc.

c) Se recomienda colocar placas de continuidad en las alas de la viga y

placas dobles en la zona de panel si la columna es de tipo I si así lo

requieran. En columnas tubulares como en el caso de la investigación no

es recomendable colocar este tipo de placas para no interferir en la

continuidad de la columna ni reducir su resistencia, en este caso se puede

133

aumentar el espesor de la columna o rellenarla de concreto para un mejor

comportamiento del elemento.

d) La elección de la conexión precalificada por el AISC 358 es a criterio del

diseñador según los requerimientos del proyecto y de la seguridad e

importancia que se le dé al mismo, se recomienda hacer un análisis de

costos de las conexiones antes de seleccionar un modelo estándar, ya

que, según la conexión, el costo en la fabricación y montaje de estas

varían.

e) El software de análisis para la conexión usado en esta investigación es

muy sencillo de usar y te brinda resultados confiables iguales o parecidos

a los obtenidos manualmente, es muy amigable con el usuario y ahorra

tiempo, ya que en él se puede modelar cualquier tipo de conexión sea a

cortante o a momento, conexiones precalificadas empernadas o soldadas.

El análisis se lo puede realizar mediante los métodos por estados limites

LRFD o por esfuerzos permisibles ASD, la conexión puede ser OMF, IMF,

SMF o una conexión simple. Pero se recomienda aprender bien el uso de

este para poder interpretar los resultados que nos brinda, aunque

internamente también tiene menús en donde detalla el significado de cada

opción a elegir y cuenta con formularios y referencias de las ecuaciones

y métodos de análisis utilizados.

Bibliografía

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Momentos. Chicago, Illinois: American Institute of Steel Construction.

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https://www.gerdaucorsa.com.mx/

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Miniterio de Desarrollo Urbano y Vivienda:

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MIDUVI.

MIDUVI. (2014). NEC - SE-AC (Estructuras de Acero). Guayaquil: Dirección de Comunicaión Social,

MIDUVI.

MIDUVI. (2014). NEC-SE- DS (Peligro Sísmico). Guayaquil: Dirección de Comunicaión Social,

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MIDUVI. (2016). Guía Práctica de Diseño de Estructuras de Acero. Quito: Imprenta Activa.

Pillajo, H. (2017). Evaluación de la Conexión Precalificada de Viga con Sección Reducida. Quito.

Software AutoCAD. (2016). Autodesk.

Software ETABS v16.0.0. (2016). CSi, Computers & Structures. España.

Software RAM Connection v11.0.1. (2016). Bentley Communities.

Software SAP200 v20.2.0. (2020). CSi,Computers & Structures. España.

Anexo 1: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para

conexiones, de la placa de cortante en el lado más corto de la columna y

considerando las perforaciones para pernos en la placa.


conexiones, de la conexión a momento en el lado más corto de la columna.


conexiones, de la placa de cortante optimizada en el lado más largo de la

columna, considerando las perforaciones para pernos en la placa.


conexiones, de la conexión a momento optimizada en el lado más largo de la

columna.


conexiones, de la placa de cortante optimizada en el lado más corto de la

columna y considerando las perforaciones para pernos en la placa.


conexiones, de la conexión a momento optimizada en el lado más corto de la

columna.

Anexo 7: Conexiones calificadas FEMA 350

Anexo 8: Significado de abreviaciones más usadas en la investigación.

AISC: American Institute of Steel Construction - Instituto Americano de

Construcción de Acero.

FEMA: Federal Emergency Management Agency – Agencia Federal para el

Manejo de Emergemcias.

AWS: American Welding Society – Sociedad Americana de Soldadura

WUF-W: Welded Unreinforced Flange, Welded Web – Alas Soldadas no

Reforzadas, Almas Soldadas.

Anexo 9: Relación ancho espesor para miembros a compresión alta y

moderadamente dúctiles según AISC 341

x

x

FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN

TÍTULO Y SUBTÍTULO: Estudio del comportamiento de la conexión viga columna precalificada de ala soldada sin refuerzo y alma soldada (WUF-W) en un edificio de estructura metálica.

AUTOR(ES) Bowen Cruzatty Stefanía Paola

REVISOR(ES)/TUTOR(ES) Ing. Pablo Lindao Tomalá, MSc

INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil

UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ciencias Matemáticas y Física

MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:

GRADO OBTENIDO:

FECHA DE PUBLICACIÓN: Abril, 2020 No. DE PÁGINAS: 133

ÁREAS TEMÁTICAS: Estudio del comportamiento de la conexión soldada viga columna.

PALABRAS CLAVES/

KEYWORDS: < ESTUDIO-COMPORTAMIENTO-CONEXIÓN-DISEÑO-

ESPECIFICACIONES>

RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras): Este trabajo de titulación tiene como objetivo el estudio del comportamiento en la conexión viga columna de un edificio de 10 pisos diseñado en acero estructural ASTM A992 de Grado 50 con sistema de pórticos resistentes a momentos. En el diseño se usarán conexiones soldadas precalificadas y posteriormente se comprobará si las mismas cumplen con las disposiciones sísmicas de acuerdo con el capítulo j del código AISC 360-10, AISC 341-10, AISC 358-10 y la norma NEC 2015, las mismas que indican que una conexión que une a miembros que pertenezcan a un sistema resistente a cargas sísmicas debe ser diseñada de tal forma que el estado límite dúctil sea quien controle el diseño ya sea en los miembros o en la conexión. La edificación es una estructura nueva, diseñada para para este proyecto. Se asumió que se encuentra en la ciudad de Guayaquil sobre un suelo tipo D y su importancia será de uso residencial. ADJUNTO PDF: x SI NO

CONTACTO CON

AUTOR/ES: Teléfono: 0992380028 E-mail: [email protected]

CONTACTO CON LA

INSTITUCIÓN:

Nombre: FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS

Teléfono: 2-283348

E-mail: [email protected]

mailto:[email protected]

facultad de ciencias matemÁticas y fÍsicas …

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