uso de conexiones tipo placa de extremo, para …

USO DE CONEXIONES TIPO PLACA DE EXTREMO, PARA CONEXIONES

DE CONTINUIDAD DE COLUMNA, EN PERFILES TIPO H

David Alejandro Ramírez Espitia

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de ingeniería Civil y Agrícola.

Bogotá, Colombia

2019

USO DE CONEXIONES TIPO PLACA DE EXTREMO, PARA CONEXIONES DE CONTINUIDAD DE COLUMNA, EN

PERFILES TIPO H.

David Alejandro Ramírez Espitia

Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título

de:

Magister en Estructuras

Director (a):

(Ph.D) Maritzabel Molina Herrera

Línea de Investigación:

Diseño estructural, Análisis estructural

Grupo de Investigación:

GIES

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de ingeniería Civil y Agrícola.

Bogotá, Colombia

2019

A mi familia y a todas las personas que gracias

a su apoyo fue posible la realización de este

trabajo.

“La suerte es la intersección entre la

preparación y la oportunidad”.

Seneca

Agradecimientos

A mis padres por el apoyo que siempre me han ofrecido y como mis primeros maestros en

la vida, por enseñarme la constancia, perseverancia y fe que se requiere en la vida para

lograr cualquier meta.

A la ingeniera Maritzabel Molina Herrera, por aceptarme como su alumno, su paciencia,

sus consejos y sobre todo por compartir su conocimiento para poder lograr llevar a cabo

este proyecto.

A los laboratoristas del departamento de ingeniería civil, los cuales hacen posibles los

proyectos de investigación gracias a su esfuerzo y dedicación.

A la empresa Alma V.P. ingeniería, por el apriete de los pernos de las probetas que se

ensayaron.

Resumen y Abstract IX

Resumen

A partir de la necesidad de empalmar perfiles de secciones tipo H utilizados como

columnas, en esta investigación se ha planteado el uso de la metodología de conexiones

tipo placa de extremo, para empalmar elementos sometidos a flexo compresión, con el fin

de ofrecer un tipo de conexión versátil que cumpla con las solicitaciones establecidas por

la norma y que tenga un adecuado desempeño ante cargas sísmicas. Para desarrollar el

planteamiento teórico que describe los estados límite del diseño de la conexión, se partió

de una adaptación de las formulaciones establecidas para conexiones placa de extremo,

en conexiones viga a columna, considerando dos tipos de empalme entre perfiles: un

empalme con la misma sección y otro con reducción de sección. Para ello se simularon

numéricamente los dos tipos de conexión utilizando el método de elementos en finitos

bajo solicitaciones experimentales para identificar los posibles modos de falla y hallar una

aproximación al comportamiento de la conexión ante cargas cíclicas en el rango inelástico

de los materiales. Posteriormente se desarrolló un programa experimental para la

validación de la metodología de análisis y diseño planteada para conexiones tipo placa de

extremo.

Palabras clave: Empalme de columna, conexión metálica, placa de extremo.

X USO DE CONEXIONES TIPO PLACA DE EXTREMO, PARA CONEXIONES DE CONTINUIDAD DE

COLUMNA, EN PERFILES TIPO H.

Abstract

From the necessity to join profiles of steel H sections used as columns, in this research

proposed the use of the design methodology of end plate connections, to join elements

subjected to bending and compression, in order to offer a new versatile connection that

accomplishes the requirements established by the structural codes and has an adequate

seismic performance. The development of theoretical approach to describe the limit states

in the design of the connection, is based on the formulations established for beam-column

end plate connections, considering two types of splices between steel sections, a

connection with the same section and another with section reduction. Likewise, numerical

simulations with the finite elements method of these types of performed applying the

experimental demands, with propose to identify the possible failure modes, and find an

approximation to the inelastic behavior of the connection under cyclic loads. Moreover, an

experimental program was developed for the validation of the analysis and design

methodology of end plate connections proposed.

Keywords: Column splice, steel connection, end plate.

Contenido XI

Contenido

Pág.

1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 5 1.1 Antecedentes ..................................................................................................... 5

1.1.1 Experimentación .............................................................................................. 5 1.1.2 Análisis Teóricos .............................................................................................. 8 1.1.3 Modelación y validación ................................................................................... 9

1.2 Filosofía de diseño de estructuras metálicas .................................................... 11 1.3 Sistemas estructurales en estructuras metálicas basados en pórticos. ............ 12 1.4 Conexiones en estructuras metálicas ............................................................... 15

1.4.1 Clasificación de las conexiones ..................................................................... 15 1.4.2 Elementos y Materiales .................................................................................. 17 1.4.3 Empalmes en columnas metálicas tipo H....................................................... 18 1.4.4 Ensayos de calificación de conexiones .......................................................... 19

2. DISEÑO DE LA CONEXIÓN PROPUESTA ............................................................. 23 2.1 Materiales ........................................................................................................ 23 2.2 Cargas de diseño ............................................................................................. 24 2.3 Estados límite ................................................................................................... 25 2.4 Diseño de empalme usando metodología de placa de extremo........................ 34 2.5 Metodología de diseño de una conexión tipo placa de extremo para empalme de columnas .................................................................................................................... 43 2.6 Detalles de planos de la conexión FESF-EF y ED ............................................ 44

3. SIMULACIÓN NUMÉRICA POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS. ........... 46 3.1 Descripción de modelos ................................................................................... 46 3.2 Definición de los materiales y modelos constitutivos. ....................................... 47

3.2.1 Criterio de fluencia ......................................................................................... 48 3.2.2 Modelo constitutivo del material ..................................................................... 49

3.3 Definición de la geometría a partir de los planos .............................................. 50 3.4 Discretización del modelo ................................................................................. 52 3.5 Definición de contactos, cargas y desplazamientos. ......................................... 53 3.6 Obtención de datos del modelo ........................................................................ 55

4. ENSAYOS DE LABORATORIO .............................................................................. 57 4.1 Ensayo de los materiales ................................................................................. 57

4.1.1 Ensayos de las platinas ................................................................................. 57 4.1.2 Ensayo de las soldaduras. ............................................................................. 59 4.1.3 Ensayo de pernos A490 ................................................................................. 63

4.2 Montaje ............................................................................................................ 64

XII Título de la tesis o trabajo de investigación

4.3 Protocolos de carga ......................................................................................... 69

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS ................................................. 71 5.1 Identificación de las conexiones ensayadas ..................................................... 71 5.2 Fallas presentadas en las conexiones .............................................................. 73

5.2.1 Probetas ensayadas a compresión ................................................................ 73 5.2.2 Probetas ensayadas a flexion ........................................................................ 77

5.3 Análisis de datos obtenidos en laboratorio ....................................................... 86 5.3.1 Probetas ensayadas a compresión ................................................................ 87 5.3.2 Probetas ensayadas a flexión ........................................................................ 88 5.3.3 Probetas 1 FESF-EF y 3 FESC-EF ................................................................ 88 5.3.4 Probetas 2 FESF-ED y 4 FESC-ED ............................................................... 91 5.3.5 Probetas 5 FRSC-EF y 7 FRSF-EF ............................................................... 93 5.3.6 Probetas 6 FRSF-ED y 8 FRSC-ED ............................................................... 95 5.3.7 Comparación de empalmes y reducción ........................................................ 97

5.4 Comparación del comportamiento de los ensayos experimentales con el obtenido en la modelación numérica por el MEF. ....................................................... 99

5.4.1 Comparación FE-ED .................................................................................... 101 5.4.2 Comparación FR-ED ................................................................................... 103 5.4.3 Comparación FE-EF .................................................................................... 105 5.4.4 Comparación FR-EF .................................................................................... 107 5.4.5 Extrapolación de MEF sometidos a flexo-compresión .................................. 109

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 115 6.1 Conclusiones generales ..................................................................................115

6.1.1 Experimentación .......................................................................................... 115 6.1.2 Simulación numérica ................................................................................... 117

6.2 Recomendaciones ...........................................................................................118 6.2.1 Experimentación .......................................................................................... 118 6.2.2 Simulación numérica ................................................................................... 118 6.2.3 Lineamientos de futuros trabajos ................................................................. 119

7. Referencias ........................................................................................................... 141

Contenido XIII

Lista de figuras

Pág.

Ilustración 1-1 Montaje (Bruneau&Mahin, 1991) ............................................................... 6

Ilustración 1-2 Tipos de empalme (Snijder & Hoenderkamp, 2006) .................................. 7

Ilustración 1-3 Influencia de los esfuerzos de la soldadura en la posible falla de un

edificio, (Stillmakera, Carmine, & Kanvindeb, 2018). ........................................................ 8

Ilustración 1-4 Empalmes en edificación típica (Ladani, 2014) ......................................... 9

Ilustración 1-5 Ensayos de flexo compresión (Hua, Huangb, & Chena, 2005) ................ 10

Ilustración 1-6 PRM bajo carga sísmica (Crisafulli, 2014). .............................................. 13

Ilustración 1-7 Sistema PAE (Crisafulli, 2014) ................................................................ 13

Ilustración 1-8 Sistema PAC (Crisafulli, 2014). ............................................................... 14

Ilustración 1-9 Empalmes de columnas modificado de (SteelConstruction.info, 2018).... 19

Ilustración 2-1 Sección trasversal sometida a momento. ................................................ 24

Ilustración 2-2 Fuerzas y rotulas en un PRM (Crisafulli, 2014). ...................................... 25

Ilustración 2-3 Ensayo a tensión en aceros Adaptación (engineersedge, 2018) ............. 26

Ilustración 2-4 Planos de falla a corte, Modificado (learneasy, 2018) ............................. 27

Ilustración 2-5 Curvas de interacción para diferentes calidades de pernos Adaptación

(Sriramulu, 2006) ............................................................................................................ 28

Ilustración 2-6 Soldadura a filete (Sriramulu, 2006). ....................................................... 29

Ilustración 2-7 Flexión en la placa de extremo (finesoftware, 2018). ............................... 29

Ilustración 2-8 Geometría de placa de extremo Adaptación (modificado de AISC-358). . 30

Ilustración 2-9 (Aplastamiento en la platina) ................................................................... 31

Ilustración 2-10 Trayectorias de falla en platina modificado de: (Girão, 2015) ................ 32

Ilustración 2-11 Formas de huecos de acceso de soldadura NSR-10 (AIS, 2010) .......... 33

Ilustración 2-12 reducción de la resistencia por huecos de acceso de soldadura ........... 33

Ilustración 2-13 Conexión propuesta .............................................................................. 34

Ilustración 2-14 Representación de Momentos y cortante en la conexión....................... 35

Ilustración 2-15 Geometría adecuada de la conexión. .................................................... 36

Ilustración 2-16 Lamina sometida a flexión. .................................................................... 37

Ilustración 2-17 Fuerza a momento en la conexión. ....................................................... 38

Ilustración 2-18 Fuerza cortante en la conexión. ............................................................ 39

Ilustración 2-19 (Aplastamiento en la platina) ................................................................. 39

Ilustración 2-20 línea de falla de la platina ...................................................................... 40

Ilustración 2-21 Fuerzas en eje débil. ............................................................................. 41

Ilustración 2-22 Fuerzas que actúan en la soldadura. Ftw tensión y Fvw cortante .......... 41

XI

V

Título de la tesis o trabajo de investigación

Ilustración 3-1 Superficie de fluencia de Von Mises en el espacio de tensiones principales

(Oller, 2001) ................................................................................................................... 49

Ilustración 3-2 Superficie de carga plástica (Oller, 2001) ................................................ 49

Ilustración 3-3 ................................................................................................................. 50

Ilustración 3-4 pernos y tuercas ...................................................................................... 51

Ilustración 3-5 Platinas soldaduras y atiezadores ........................................................... 51

Ilustración 3-6 Geometría general. ................................................................................. 51

Ilustración 3-7 Ensayo de sensibilidad del mallado ......................................................... 52

Ilustración 3-8 Elemento finito usado, Modificado de ayuda ANSYS V16 ....................... 53

Ilustración 3-9 (asignación de contactos en ANSYS) ...................................................... 53

Ilustración 3-10 Contacto Frictionless bajo cargas. ......................................................... 54

Ilustración 3-11 Asignación 1 step – 1 desplazamiento. ................................................. 55

Ilustración 3-12 Variación de los desplazamientos durante el proceso de carga. ........... 55

Ilustración 3-13 reacciones a los desplazamientos en carga monotonica. ...................... 56

Ilustración 4-1 MEF para los ensayos de soldadura. ...................................................... 59

Ilustración 4-2 Condiciones iniciales MEF soldaduras. ................................................... 60

Ilustración 4-3 Detalles de la soldadura para ambos casos ............................................ 60

Ilustración 4-4 Comparación ensayos de soldadura MEF y laboratorio. ......................... 61

Ilustración 4-5 Detalle de falla en ensayos de soldadura. ............................................... 61

Ilustración 4-6 Montaje para carga axial ......................................................................... 66

Ilustración 4-7 Montaje para flexión en eje fuerte ........................................................... 66

Ilustración 4-8 Montaje para flexión en el eje débil ......................................................... 67

Ilustración 4-9 Esquema de método de apriete (Nucor Fastener, 2018) ......................... 68

Ilustración 5-1 Empalme ensayado por el eje débil MEF ................................................ 99

Ilustración 5-2 Soldaduras MEF Fotografía 5-21 Soldaduras en probeta .100

Ilustración 5-3 Estado de esfuerzos en los pernos MEF ................................................100

Ilustración 5-4 Modelo sometido a flexo compresión. ....................................................109

Ilustración 5-5 MEF FE-EF para carga: 80%. ................................................................110

Ilustración 5-6 pandeo local de los patines MEF FE-EF para carga: 80%. .....................110

Ilustración 5-7 Soldaduras y pernos a compresión y tensión. ........................................111

Ilustración 5-8 sección trasversal MEF FE-EF para carga: 80%. ...................................111

Ilustración 5-9 Efecto p delta en las probetas ................................................................114

Ilustración 6-1 uso de reducción como link en pórticos PAE, a-Central, b- Esquina ......119

Ilustración 6-2 Uso en conexión viga columna a-Eje débil, b-Eje fuerte .........................119

Ilustración 6-3 Uso de conexión como fusible, a-Muros estructurales, b-Sistema PAC

......................................................................................................................................120

Contenido XV

Lista de tablas

Pág.

Tabla 2-1 Propiedades de los materiales de la conexión. ............................................... 23

Tabla 2-2 Resumen de diseño de la conexión ................................................................ 42

Tabla 3-1 (MEF realizados) ............................................................................................ 47

Tabla 4-1 Resultados de ensayos de pernos. ................................................................. 64

Tabla 4-2 (Cargas teóricas de falla a compresión) ......................................................... 70

Tabla 5-1 (Caracterización de las conexiones ensayadas) ............................................. 72

Tabla 5-2 Resultados de ensayos a compresión ............................................................ 87

Tabla 5-3 Valores teóricos máximos de las secciones. ................................................... 88

Tabla 5-4 valores experimentales alcanzados. ............................................................... 88

X

VI


Lista de Fotografías

Fotografía 1-1 Ensayo - eje débil ...................................................................................... 6

Fotografía 1-2 Ensayo-eje fuerte ...................................................................................... 6

Fotografía 1-3 Montaje (Snijder & Hoenderkamp, 2006) ................................................... 7

Fotografía 1-4 Ensayo bajo cargas cíclicos de secciones H (Shaw & Kanvinde, 2014) .... 7

Fotografía 4-1 platinas de los perfiles ............................................................................. 58

Fotografía 4-2 Lamina de 19mm .................................................................................... 58

Fotografía 4-3 Probetas para ensayo de soldadura. ....................................................... 59

Fotografía 4-4 Ensayo de pernos ................................................................................... 63

Fotografía 4-5 Pernado de probetas a-marcación, b- Instalación. .................................. 69

Fotografía 5-1 Ensayo a compresión de igual peralte (E). .............................................. 73

Fotografía 5-2 Ensayo a compresión tipo reducción (R). ................................................ 74

Fotografía 5-3 CESC con pandeo global. ....................................................................... 74

Fotografía 5-4 Comparación probetas ensayadas a carga axial. .................................... 75

Fotografía 5-5 CRSC con pandeo general. ..................................................................... 75

Fotografía 5-6 pandeo localizado en l sección de menor peralte .................................... 76

Fotografía 5-7 Ensayo a flexión en eje débil ................................................................... 77

Fotografía 5-8 Ensayo a flexión en eje fuerte. ................................................................ 78

Fotografía 5-9 Máxima deformación con el equipo. ........................................................ 78

Fotografía 5-10 FESC-ED después de ensayo ............................................................... 79

Fotografía 5-11 Ensayo de FRSC-ED ............................................................................ 80

Fotografía 5-12 Ensayo FRSF-ED, deflexión permanente en viga de menor peralte. ..... 80

Fotografía 5-13 Detalle de deformaciones en la conexión. ............................................. 81

Fotografía 5-14 probeta FECSC-EF ensayada ............................................................... 82

Fotografía 5-15 FESF-EF detalle de soldaduras. ............................................................ 82

Fotografía 5-16 a-Placa doblada; b-Reemplazo y refuerzo del apoyo. ........................... 83

Fotografía 5-17 FESF-EF después del ensayo. .............................................................. 84

Fotografía 5-18 Probeta FRSC-EF ensayada. ................................................................ 84

Fotografía 5-19 pernos extraídos de las probetas. ......................................................... 85

Fotografía 5-20 Empalme ensayado por el eje débil ....................................................... 99

Ilustración 5-2 Soldaduras MEF Fotografía 5-21 Soldaduras en probeta .100

Fotografía 5-22 Pernos después de ser retirados de las probetas ensayadas ...............101

Contenido XVII

Lista de Gráficas

Gráfica 1-1 Ciclo de carga (Shaw & Kanvinde, 2014) ....................................................... 6

Gráfica 1-2 Push-over en edificación típica con varias rigideces en los empalmes de las

columnas (Ladani, 2014) .................................................................................................. 9

Gráfica 1-3 Curvas M-Ø para diferentes cargas axiales modificado de: (Hua, Huangb, &

Chena, 2005) A: Carga axial. ......................................................................................... 10

Gráfica 1-4 Clasificación de conexiones metálicas Adaptación de AISC360-2010 ......... 16

Gráfica 1-5 Clasificación de conexiones según la rigidez, modificad (Faridmehr, Mamood,

& Lahmer, 2016) ............................................................................................................. 16

Gráfica 1-6 Ciclos de carga. ........................................................................................... 20

Gráfica 1-7 Protocolo de carga para columnas (Shaw & Kanvinde, 2014) ...................... 21

Gráfica 1-8 Montaje con carga axial para columnas. ...................................................... 21

Gráfica 1-9 ensayo de secciones solicitadas a momento (Bruneau&Mahin, 1991) ......... 22

Gráfica 1-10 Momento rotación en empalme W14x370 (Bruneau&Mahin, 1991) ............ 22

Gráfica 2-1 Curva esfuerzo deformación y representación de Rt y Ry (Crisafulli, 2014). 24

Gráfica 3-1 Curvas Esfuerzo Vs Deformación, ............................................................... 50

Gráfica 3-2 Curva Momento rotación del modelo con carga monotónica. ....................... 56

Gráfica 4-1 Curva Esfuerzo vs deformación Para las platinas ........................................ 58

Gráfica 4-2 Curvas de carga vs desplazamiento de los ensayos de la soldadura. .......... 62

Gráfica 4-3 Ensayo de pernos A490 ............................................................................... 64

Gráfica 4-4 (ciclos de carga) ........................................................................................... 69

Gráfica 5-1 Curva de histéresis y envolvente de FESC-EF ........................................... 89

Gráfica 5-2 Curva de histéresis y envolvente de FESF-EF ............................................. 90

Gráfica 5-3 Comparación de las envolventes FESC-EF y FESF-EF ............................... 90

Gráfica 5-4 Curva de histéresis y envolvente de FESC-ED ............................................ 91

Gráfica 5-5 Curva de histéresis y envolvente de FESF-ED ............................................ 91

Gráfica 5-6 Comparación de las envolventes FESC-ED y FESF-ED .............................. 92

Gráfica 5-7 Curva de histéresis y envolvente de FRSC-EF ............................................ 93

Gráfica 5-8 Curva de histéresis y envolvente de FRSF-EF ............................................. 94

Gráfica 5-9 Comparación de las envolventes FRSC-EF y FRSF-EF .............................. 94

Gráfica 5-10 Curva de histéresis y envolvente de FRSF-ED .......................................... 95

Gráfica 5-11 Curva de histéresis y envolvente de FRSC-ED .......................................... 96

Gráfica 5-12 Comparación de las envolventes FRSC-EF y FRSF-EF ............................ 96

Gráfica 5-13 (Comparación FE-ED y FR-ED envolventes promedio) .............................. 97

Gráfica 5-14 Envolventes promedio de ensayos a flexión por el eje débil. ...................... 98

Gráfica 5-15 Carga-desplazamiento de MEF y FESF-ED ..............................................101

Gráfica 5-16 Envolventes de MEF y ENV FE-ED ..........................................................102

Gráfica 5-17 Carga-desplazamiento de MEF y FRSF-ED ..............................................103

Gráfica 5-18 Envolventes de MEF y ENV FE-ED ..........................................................104

Gráfica 5-19 Carga-desplazamiento de MEF y FESF-EF ..............................................105

X

VII

I


Gráfica 5-20 Envolventes de MEF y ENV FE-EF ...........................................................106

Gráfica 5-21 Carga-desplazamiento de MEF y FRSF-EF ..............................................107

Gráfica 5-22 Envolventes de MEF y ENV FR-EF ...........................................................108

Gráfica 5-23 Envolvente MEF FR-ED bajo cargas axiales .............................................112

Gráfica 5-24 Envolvente MEF FE-ED bajo cargas axiales .............................................112

Gráfica 5-25 Envolvente MEF FR-EF bajo cargas axiales .............................................113

Gráfica 5-26 Envolvente MEF FR-EF bajo cargas axiales .............................................113

Contenido XIX

Lista de Símbolos y abreviaturas

Símbolo Término

𝐴𝑏 Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐴𝑔𝑣 Á𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝐴𝑛𝑡 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝐴𝑡 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛

𝐴𝑛𝑣 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜

𝐷 𝐺𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎

𝛴𝑀𝑝𝑐 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝐹𝐸𝑋𝑋 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜

𝐹𝑛𝑡 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝐹𝑛𝑣 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑓𝑣 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝐹𝑦 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝐹𝑦𝑝 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎

𝐻 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑝𝑖𝑠𝑜

𝑘1 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 1.2 𝑘2 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 2.4

𝑙 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑

𝐿𝑐 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑏𝑜𝑟𝑑𝑒 𝐿𝑐−𝑠𝑝𝑎 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜𝑠

𝑀𝑛 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑀𝑝 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑀𝑝𝑙 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎

𝑛 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜𝑠

𝑛𝑐 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜𝑠 Ø 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 0.9

Ø𝑅𝑛 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑅𝑦 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑡𝑝 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑉𝑢 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

Yp Valor geometrico para el modulo plástico de la lámina. 𝑍𝑥 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑍𝑥𝑟 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎

Introducción

Desde que empezó el uso de las estructuras metálicas a finales del siglo XVIII, realizar

conexiones entre sus elementos ha sido inherente a su desarrollo a través de la historia,

debido a su método de fabricación y trasporte se fabrican en longitudes menores a las

necesarias en la obra. Por lo que ha sido necesario desarrollar elementos de unión, desde

las primeras conexiones que tenían un diseño para resistir solo el peso propio de las

estructuras, hasta las actuales conexiones metálicas que son capaces de mantener la

integridad de la estructura bajo cargas sísmicas.

La evolución conceptual de las conexiones como elementos dentro de las estructuras a

partir de las fallas de las edificaciones ante eventos extremos como los sismos, las ha

llevado de ser elementos que soporten cargas estáticas en la estructura, a elementos que

también cuenten con un desempeño sísmico que permita la disipación de energía.

Dentro de los diferentes tipos de conexiones que se pueden realizar entre elementos, los

empalmes de las columnas son bastante importantes debido que deben garantizar la

trasmisión de las fuerzas en los elementos que conectan sin presentar una falla frágil o

afectar la resistencia del elemento, en las estructuras se pueden presentar dos escenarios,

uno con igual peralte de columna y otro con diferente peralte, en la normatividad vigente

se requiere que la conexión trasmita como mínimo las fuerzas del elemento con menores

dimensiones sin presentar una falla frágil.

En la actualidad en el título F de la norma NSR-10, se permiten realizar dos tipos de

uniones entre columnas, las que son soldadas en obra, con soldadura de completa

penetración y aquellas que son pernadas.

2 Introducción

Los empalmes que son soldados en obra deben ser realizados bajo AWS D1.1,

garantizando que todos los parámetros de calidad se cumplan, desde el punto de vista

práctico, es algo costoso y difícil de lograr, debido a que las condiciones en la obra no son

las mismas de un taller de fabricación. En empalmes entre perfiles tipo H, por sus grandes

espesores, los perfiles deben ser soldados con varios cordones de soldadura, lo que

implica además de la destreza del operario, unas condiciones ambientales y técnicas que

no son fáciles de garantizar todo el tiempo en la obra.

Otro tipo de empalme utilizado frecuentemente es el pernado, el empalme consiste en

platinas sobre los patines y el alma de los elementos que se unen. Esta es una solución

que se puede enviar fabricada por partes desde el taller, no requiere condiciones

especiales para la instalación y es más rápida de ejecutar en la obra, tiene ciertas

consideraciones importantes como lo es la alta precisión necesaria en su fabricación, el

uso de varias piezas sueltas y un peso agregado debido a la cantidad de piezas requeridas.

Teniendo en cuenta las condiciones de los montajes de las conexiones pernadas y las

soldadas, en esta tesis se presenta la conexión tipo placa de extremo (End plate) como

una alternativa para empalmar columnas tipo H, dadas las ventajas que presenta en su

instalación en obra, por el poco número de piezas necesarias, la facilidad de instalación

de los pernos y permitir la fabricación de las piezas soldadas desde taller.

En esta investigación se propone el diseño de la conexión tipo placa de extremo en

empalme de columnas, como una adaptación de la conexión tipo placa de extremo que se

muestra en la norma AISC-358.

El diseño de la conexión propuesta se plantea bajo una metodología cuantitativa, en la que

un modelo básico matemático que describe los estados límites de la conexión. Este es

validado por medio de experimentación, y modelación por medio de elementos finitos

(MEF), para posteriormente ser calibrado y arreglado para que describa el comportamiento

experimental de los modelos tanto de MEF, como de laboratorio.

Introducción 3

CONTENIDO

El trabajo realizado durante esta investigación se presenta en 6 capítulos, los cuales están

descritos a continuación:

Capítulo 1- Marco teórico. Se presenta una reseña de investigaciones de otros autores,

que desde lineamientos teóricos y/o experimentales, han abordado el análisis del

comportamiento de empalmes de columnas en estructuras metálicas. Asimismo, se

describe brevemente la filosofía de diseño sismo resistente y su influencia en el diseño de

las conexiones. Además se presenta brevemente la metodología de diseño planteada en

la normatividad vigente.

Capítulo 2 - Diseño de empalme de columna en placa de extremo. A partir de la teoría

explicada en el capítulo 1, se presenta la adaptación de la metodología de diseño de

conexiones tipo placa de extremo para conexiones de viga a columna, al diseño de

empalmes de columnas en perfiles tipo H utilizando la conexión tipo placa de extremo.

Capítulo 3 - Simulación por el método de los elementos finitos. Se realiza una reseña

del método y los modelos constitutivos que se utilizaron en la simulación. También se

describe el proceso de simulación realizado, para evaluar el desempeño de la conexión

ante cargas cíclicas considerando los materiales en su rango inelástico.

Capítulo 4 - Ensayos de laboratorio. Se muestran los detalles de los montajes y de los

procesos de ensayo, tanto de los materiales, como de las probetas de las conexiones.

Capítulo 5 - Análisis de resultados de los ensayos. En este capítulo se realiza el estudio

de la información tomada del laboratorio a través de las metodologías e investigaciones

recopiladas anteriormente, para analizar comportamiento presentado en las conexiones

durante los ensayos.

Capítulo 6 – Conclusiones y recomendaciones. Aquí se presentan de manera concisa

los aportes más importantes de la investigación junto con el planteamiento de futuras líneas

de investigación, para ser abordadas en futuras tesis.

4 Introducción

OBJETIVO GENERAL

Analizar el comportamiento de una conexión tipo placa de extremo para empatar columnas

en perfiles tipo H, por medio de modelación por elementos finitos y la validación

experimental, para establecer la factibilidad de su uso en estructuras metálicas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

-Modelo teórico de la conexión, desarrollar un modelo conceptual que describa el

comportamiento de la conexión con placas de extremo e identifique sus estados limite.

-Elaborar un MEF (Modelo de elementos finitos) que emule las condiciones de carga y los

materiales usados en la conexión, que permita predecir el comportamiento real de la

conexión.

-Realizar un programa experimental con base a los diseños planteados, reproduciendo las

condiciones reales que tiene la conexión en campo.

-Validar el modelo comparando los datos del MEF con los hallados en las pruebas

experimentales.

- Desarrollar una metodología de diseño para este tipo de conexiones, basándose en la

información del modelo experimental y el análisis del MEF.

1. MARCO TEÓRICO

1.1 Antecedentes

Desde la tecnificación del proceso de fabricación de elementos estructurales de acero para

la construcción de estructuras metálicas a finales del siglo XIX, surgió la necesidad de

empalmar los perfiles metálicos. Dado que los perfiles estructurales se fabrican en

longitudes estándar independientemente de las longitudes requeridas en las obras, desde

entonces ha sido un tema de interés, el diseño y fabricación de empalmes en secciones

metálicas. A continuación, se abordan tres aspectos principales en las investigaciones

desarrolladas sobre el tema y se hace un breve recuento acerca del desarrollo alcanzado.

1.1.1 Experimentación

En las primeras especificaciones dadas por AISC en 1923 (AISC, 1923), las conexiones

metálicas debían ser capaces de mantener los elementos estructurales en su lugar,

soportando las cargas verticales a las cuales estaban sometidos, una de las investigaciones

más antiguas encontradas, que abordaban como tema la resistencia que tenían las

conexiones de empalme en secciones tipo H (Edwards, 1930) hallaron de manera

experimental la carga que podía soportar una sección tipo H, la cual tenía una junta con

remaches y soldadura en el centro como se puede observar en la Fotografía 1-1 y

Fotografía 1-2.

6 USO DE CONEXIONES TIPO PLACA DE EXTREMO, PARA CONEXIONES DE CONTINUIDAD DE COLUMNA, EN

PERFILES TIPO H.

Fotografía 1-1 Ensayo - eje débil

Fotografía 1-2 Ensayo-eje fuerte

Con la eventualidad de los sismos y los avances técnicos y científicos, los parámetros de

diseño de las estructuras han sido replanteados, debido a que las edificaciones además de

ser sistemas estructurales que soportan cagas verticales en la Ilustración 1-1

(Bruneau&Mahin, 1991), ya no como una carga límite monotónica en un solo sentido, si no

como un elemento sometido a cargas cíclicas que ponía a prueba la fatiga de los elementos

y la inversión de momentos a la que se somete el elemento como se puede ver en el ciclo

de carga de la Gráfica 1-1, el cual emula los desplazamientos a los cuáles se ve sometida

una columna durante un sismo.

Gráfica 1-1 Ciclo de carga (Shaw &

Kanvinde, 2014)

Ilustración 1-1 Montaje (Bruneau&Mahin,

1991)

Otro aspecto abordado en investigaciones posteriores fue la influencia de las conexiones

en la capacidad axial de los elementos empalmados, como lo fue el estudio de (Snijder &

Hoenderkamp, 2006), donde realizaron ensayos a compresión axial (ver Fotografía 1-3) en

los que se sometieron a compresión elementos empalmados con diferentes tipos de

Universidad Nacional de Colombia 7

conexión (ver Ilustración 1-2), concluyendo que hay un porcentaje de reducción en la

capacidad axial de los elementos empalmados en función de la conexión.

Fotografía 1-3 Montaje (Snijder & Hoenderkamp,

2006)

Ilustración 1-2 Tipos de empalme (Snijder & Hoenderkamp, 2006)

En investigaciones más recientes se han desarrollado ensayos experimentales que bajo el

concepto de desempeño sísmico (ver Fotografía 1-4), se han enfocado en el desempeño

sísmico de los empalmes (Shaw & Kanvinde, 2014), evaluando las fallas presentadas y la

influencia de estos en la edificación (Stillmakera, Carmine, & Kanvindeb, 2018), estos

ensayos experimentales dan con estudios y resultados, bases para la adecuada fabricación

de empalmes que tengan un buen desempeño sísmico.

Fotografía 1-4 Ensayo bajo cargas cíclicos de secciones H (Shaw & Kanvinde, 2014)


PERFILES TIPO H.

Ilustración 1-3 Influencia de los esfuerzos de la soldadura en la posible falla de un edificio, (Stillmakera, Carmine, & Kanvindeb, 2018).

1.1.2 Análisis Teóricos

Otras investigaciones relevantes que se tomaron como referencia para el desarrollo de la

conexión propuesta en esta tesis, fueron aquellas relacionadas con los aspectos de

comportamiento estructural, en los que influyen los empalmes en las columnas, desde

análisis teóricos, como la posible influencia de los empalmes en la capacidad de carga axial

(Snijder & Hoenderkamp, 2008), hasta el análisis estructural del comportamiento general

de las estructuras que tienen estos empalmes (Simão, Girão, & Bijlaard, 2010).

Una investigación relevante acerca de análisis teóricos (sin componente experimental), fue

acerca de la influencia de la rigidez en los empalmes de las columnas, en el comportamiento

de la deriva de edificios de varios pisos ver Ilustración 1-4, en esa investigación se mostró

a partir de modelos de análisis estructural, la variación de los desplazamientos de un

modelo estructural de varios pisos, en función de las rigideces que tienen los empalmes de

columnas como se ve en la Gráfica 1-2.


Ilustración 1-4 Empalmes en edificación

típica (Ladani, 2014)

Gráfica 1-2 Push-over en edificación típica

con varias rigideces en los empalmes de las columnas (Ladani, 2014)

De estas investigaciones es posible determinar que las conexiones de los empalmes, deben

presentar un comportamiento rígido entre 0.5 y 0.25 EI/L para no afectar el desempeño de

la estructura y que es posible una reducción en la capacidad axial del elemento debido al

empalme.

1.1.3 Modelación y validación

Con los avances en computación de las últimas décadas ha sido posible el desarrollo de

simulaciones por el método de elementos finitos, que permiten hacer un estimativo

aproximado del comportamiento experimental de las conexiones, los cuales deben

validarse con base en los resultados experimentales, realizando una comparación los datos

teóricos con los experimentales para realizar ajustes en las simulaciones por MEF, hasta

hallar una aproximación lo más cercana posible.

Una de las investigaciones más relevantes, que desarrollaron un componente de simulación

numérica y validación experimental, fue acerca de ensayos en columnas solicitadas a flexo

compresión empatadas por bridas (ver Ilustración 1-5) (Hua, Huangb, & Chena, 2005), lo

relevante de esta investigación son dos factores importantes.

Las gráficas de MEF y los datos experimentales tuvieron una aproximación

considerable, pero el MEF no refleja en los datos la falla del elemento.

La carga axial degrada la rigidez del elemento y produce una falla prematura como

se ve en la gráfica Gráfica 1-3, en la cual la curva experimental termina alcanza un

límite de rotación menor en función de la carga axial sobre el elemento.


PERFILES TIPO H.

Ilustración 1-5 Ensayos de flexo compresión (Hua, Huangb, & Chena, 2005)

Gráfica 1-3 Curvas M-Ø para diferentes cargas axiales modificado de: (Hua, Huangb, & Chena, 2005) A: Carga axial.

0% A 15% A

20% A 40% A

60% A 80% A


1.2 Filosofía de diseño de estructuras metálicas

A principios del siglo XX se logró la producción en serie de acero estructural con

propiedades lo suficientemente homogéneas y resistentes para lograr la construcción de

estructuras metálicas en acero y garantizar su estabilidad. Desde entonces debido a la

fabricación de la perfilería en longitudes estándar, los perfiles metálicos han sido unidos en

la obra; inicialmente se usaron remaches calientes en juntas de unión tipo mecánico como

en el puente de San Francisco (1937) – California EE.UU., hasta los modernos pernos que

se usan hoy en día alternativamente con soldaduras.

El AISC (American Institute of Steel Construction) generó uno de los primeros códigos de

construcción para edificaciones (AISC,1921), en el que se exigía que las uniones metálicas

fueran capaces de resistir las cargas a las que estaban sometidos los elementos (Cargas

gravitacionales), manteniendo los elementos estructurales en su lugar. Posteriormente, a

raíz de los daños estructurales presentados por los sismos, fue implementado por el AISC

el diseño por capacidad ASD (Allowable Strenght Design) en el que se incluyó en el diseño

que las uniones y elementos estructurales también fueran capaces de resistir estas fuerzas

sísmicas de manera elástica, es decir que no alcanzaran el límite de fluencia ante las

fuerzas extremas como viento o sismo.

A partir de mediados la década de los 50 se introdujo el diseño por LRFD (Load resistance

factors) en el diseño de elementos de hormigón armado y posteriormente adaptado por

AISC en 1986 al diseño de estructuras en acero (T. Bartlett, 2014), el diseño LRFD basado

en estudios estadísticos, ofrecían una serie de combinaciones de cargas basados en la

probabilidad de ocurrencia de dichos factores, obreniendo como resultado unas estructuras

un poco más económicas que las diseñadas por ASD.

Sin embargo, sólo se realizó una investigación profunda para reducir el daño y colapso de

las estructuras frente a los sismos por medio de mecanismos de disipación de energía,

luego de evaluar los daños estructurales ocurridos por los terremotos de Northridge (1994)

y Kobe (1995), por medio del proyecto SAC ventura liderado por Estados unidos y Japón.


PERFILES TIPO H.

Los mecanismos de disipación de energía, son la combinación de elementos estructurales

que por sus propiedades mecánicas, pueden de manera dúctil absorber parte de la energía

del sismo por medio de deformaciones, permitiendo diseñar los elementos para que

puedan tener un comportamiento inelástico y se evite una falla frágil que produzca el

colapso de la edificación. Estos mecanismos se implementaron en las normas de diseño

estructural bajo el precepto de proteger las vidas humanas y reducir los daños en las

infraestructuras, haciendo uso de sistemas estructurales con diseño sismo resistente.

1.3 Sistemas estructurales en estructuras metálicas basados en pórticos.

En lo que respecta a las edificaciones en acero, principalmente hay tres sistemas

estructurales de disipación de energía: PRM (pórtico resistente a momento), PAE (pórtico

excéntricamente arriostrado) y PAC (pórticos arriostrados concéntricamente), cada uno de

estos sistemas tienen elementos que deben cumplir determinados requisitos de diseño para

garantizar su ductilidad.

En lo que respecta a los pórticos resistentes a momento (PRM), las rotulas plásticas (lugar

que sufre deformaciones en el rango inelástico de manera dúctil) se presentan en las vigas

debido a la flexión que se genera en la unión viga columna, mientras que las columnas

deben permanecer en el rango elástico.

Por lo tanto, para los pórticos PRM desde el diseño de elementos debe generarse un

mecanismo de columna fuerte y viga débil, es decir primero entra en fluencia la viga

absorbiendo la energía del sismo y la columna no sufre deformaciones, evitando así un

mecanismo de colapso.

En la ilustración 1-6 (a) se observa un pórtico PRM deformado debido a las cargas sísmicas

que presenta rotulas plásticas en las vigas (puntos rojos), mientras que las columnas

permanecen en un estado elástico, excepto en la base. En la ilustración 1-6 (b) se muestra

la gráfica de fuerza de cortante basal (sísmica) y el desplazamiento lateral, en la que se

identifica el proceso de plastificación del edificio antes del colapso de la estructura.Esto

permite evidenciar que mientras el edificio tenga desarrollo de mecanismos plásticos es


posible evitar el colapso de la estructura, cumpliendo con la filosofía de diseño

anteriormente descrita.

Ilustración 1-6 PRM bajo carga sísmica (Crisafulli, 2014).

Para los pórticos arriostrados excéntricamente PAE, las rótulas se generan en los vínculos

del sistema estructural, los cuales pueden presentar plastificación por cortante o por

momento, ubicándose de tres maneras diferentes en la viga del pórtico como se muestra

en la Ilustración 1-7. En lo que respecta al diseño de las riostras, columnas y vigas por

fuera del vínculo, estos elementos deben permanecer en el rango elástico de los materiales.

Ilustración 1-7 Sistema PAE (Crisafulli, 2014)

En el sistema de pórticos arriostrados concéntricamente PAC el diseño debe garantizar que

las riostras sean las presenten rotulas plásticas, mientras las vigas y columnas deben

a-pórtico sometido a sismo a-Respuesta del pórtico

Vinculo central Vinculo en un extremo

Vinculo en dos extremos


PERFILES TIPO H.

permanecer elásticas. En la Ilustración 1-8 (a), se muestra como los elementos que sufren

deformación son las riostras ya sea por pandeo o por fluencia a tensión. En la Ilustración

1-8 (b) se identifica la respuesta del sistema ante carga lateral, donde se observa que los

primeros elementos en plastificarse son las riostras por pandeo, y las riostras a tensión son

las que aportan mayor ductilidad al sistema, en contraste la trayectoria de la línea punteada

presenta la respuesta del sistema si llegan a fallar las riostras a tensión, lo cual evidencia

el colapso de la estructura de forma muy abrupta.

Ilustración 1-8 Sistema PAC (Crisafulli, 2014).

Como se evidencia en los diferentes tipos de sistemas estructurales, los empalmes de las

columnas permanecen sin plastificación durante los eventos sísmicos. La norma NSR-10,

en el título F plantea los requisitos de resistencia para los empalmes, ya sea por carga

máxima que soporta la sección o por las cargas resultantes del análisis estructural, en el

capítulo de empalmes en columnas metálicas tipo H, se amplía este tema.

Pórtico PAC ante carga sísmica Grafica Cortante- desplazamiento


1.4 Conexiones en estructuras metálicas

Son aquellos elementos que cumplen con la función de unir los elementos de la estructura,

como vigas, columnas, riostras, estos elementos pueden variar desde una platina unida a

una columna para una conexión a cortante simple, hasta una compleja conexión viga

columna precalificada.

Según el reglamento de construcción sismo resistente NSR-10, en su título F las

conexiones deben ser realizadas para cumplir con los requerimientos de resistencia y

desempeño establecidos para un adecuado funcionamiento estructural de los elementos,

tanto para conexiones simples como paras conexiones totalmente restringidas, a

continuación, se exponen las generalidades de las conexiones metálicas.

1.4.1 Clasificación de las conexiones

Como se indicó en el capítulo anterior, el diseño sismo resistente de las estructuras

depende del comportamiento para el cual se diseñó el elemento, esto implica que el diseño

de la conexión varía según el SRS (Sistema de Resistencia Sísmico) y el elemento que se

va a conectar. En la NSR-10 en el título F.3. Dependiendo de la rigidez de la conexion, la

clasifican en: Totalmente restringida (TR), Parcialmente restringida (PR) o simple (S) En la

Gráfica 1-4 se muestra cómo se clasifican las conexiones en estas categorías según la

envolvente de la carga de histéresis que presenta la conexión después de un ensayo de

calificación bajo los parámetros de AISC-360.


PERFILES TIPO H.

Gráfica 1-4 Clasificación de conexiones metálicas Adaptación de AISC360-2010

Alternativamente a la clasificacion de AISC Se presenta en la Gráfica 1-5 otra clasificación

(Faridmehr, Mamood, & Lahmer, 2016), la cual no depende de valores cerrados del

coeficiente de rigidez de la conexión, de otra manera esta clasificación depende del

comportamiento de la curva momento rotacion, y los límites de Mf (momento final) de la

seccion trasversal del elemento.

Gráfica 1-5 Clasificación de conexiones según la rigidez, modificad (Faridmehr, Mamood, & Lahmer, 2016)

-S


Desde el punto de vista de fabricación es posible agruparlas en conexiones soldadas y

conexiones pernadas. De acuerdo con el proyecto SAC después del terremoto de

Northridge (Crisafulli, 2014), no es recomendable el uso de conexiones en las que la

soldadura y los pernos compartan la trasmisión de cargas. A de más que las soldaduras de

completa penetración deben llevar huecos de acceso según AWS D1.1. para evitar la falla

frágil de la soldadura y todos los elementos que componen la conexión deben cumplir con

los estados límite que se describen en NSR-10 Título F.

1.4.2 Elementos y Materiales

Los componentes de las conexiones metálicas como perfiles, platinas, soldaduras y pernos,

son diseñados para permanecer en el rango elástico, mientras que las vigas, vínculos o

riostras son diseñados para que pueda presentarse plastificación durante el evento extremo

(sismo). A través del análisis de los estados límite de los componentes se establecen las

cargas nominales de trabajo de la conexión (limites elásticos de resistencia), las cuales

deben estar por encima de las solicitaciones de los elementos que está uniendo. A través

de esta metodología de diseño se permite que la disipación de energía sísmica sea por

medio de los perfiles metálicos que se deforman inelásticamente, mientras la conexión

permanece con sus componentes dentro de sus límites de resistencia elásticos.

Los materiales usados para los perfiles y platinas son aceros ASTM, indicados en la tabla

F.3.1.4-1, son aceros que garantizan que se presenten rotulas plásticas en los mecanismos

de disipación de energía como vigas, vínculos y riostras, debido a que por su ductilidad se

disipa la energía por medio de deformaciones plásticas.

Las soldaduras en el diseño de conexiones deben cumplir con AWS D.1.1. tanto en la

resistencia requerida, como en su proceso de aplicación. Pese a que el material del que

está hecha la soldadura presenta un bajo grado de ductilidad, en el caso del diseño, la

soldadura se considera como un elemento frágil que no puede presentar plastificación.

En el caso de los pernos, a pesar que estos poseen mayor ductilidad que la soldadura,

actualmente los lineamientos de diseño dados por AISC-358, no consideran la deformación

inelástica de los materiales de los pernos ya sean A490, A325, A307., es decir que los

pernos en los diseños se consideran como elementos que deben permanecer en el rango

elástico. La característica especial que tienen los aceros de los pernos es que permiten


PERFILES TIPO H.

pretensionamiento del perno (Wayne, 2004) y las solicitaciones a las que se ven sometidos

son a tensión o cortante, dependiendo de la conexión en la que se implementen.

1.4.3 Empalmes en columnas metálicas tipo H

Para conexiones de columnas se considera que las conexiones deben ser de tipo TR

(Totalmente restringido) y soportar adicionalmente las cargas axiales de la columna, en

NSR-10 F.3.4.2.5.2. (a) se define la que la resistencia a momento para el empalme como

el Mp de la sección más pequeña Ecuación 1-1 o alternativamente en el numeral (b) La

resistencia determinada a partir de las combinaciones de cargas del título B.

𝑀𝑝 = 1.1𝑅𝑦𝑍𝑥𝐹𝑦 Ecuación 1-1

𝑀𝑝: 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑅𝑦: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝑍𝑥: 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝐹𝑦: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

Adicionalmente en F.3.4.2.5.3. Se presenta la resistencia requerida a cortante de la

conexión:

∑ 𝑀𝑃𝑐/𝐻

Ecuación 1-2

𝛴𝑀𝑝𝑐: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝐻: 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑝𝑖𝑠𝑜

Respecto a las conexiones soldadas, los requisitos de resistencia para las soldaduras en la

norma, se estipulan que deben ser a CJP (Complete Joint Penetration- Soldadura a

completa penetración) que garanticen la resistencia a cortante y momento máxima de las

secciones que se unen, pero actualmente hay investigaciones que demuestran que es

posible usar soldaduras de penetración parcial (Shaw & Kanvinde, 2014), y obtener buenos

resultados de desempeño sísmico en edificaciones.

Como se muestra en la Ilustración 1-9 hay dos tipo de conexiones típicas, las que reducen

el tamaño del peralte de la columna (Reducción-R) y las que dan continuidad al mismo

peralte de la columna (Empalme-E), estas conexiones tienen la característica de poseer un

diseño bastante simple y trasmitir todas las fuerzas por cortante entre los elementos, sus


estados limite principales son por cortante en las placas de empalme y los pernos, esta

conexión debido a la disposición de las placas se considera una conexión de tipo TR.

Ilustración 1-9 Empalmes de columnas modificado de (SteelConstruction.info, 2018)

En esta esta investigación se propone el uso de conexiones tipo placa de extremo para

empalmes en perfiles tipo H, como una alternativa a los dos tipos de conexión usadas

actualmente. Por ello en esta tesis, luego de diseñar la conexión propuesta cumpliendo con

las cargas de diseño de la Ecuación 1-1 y Ecuación 1-2, se propone evaluar el desempeño

sísmico de la conexión sometiéndola a cargas cíclicas

1.4.4 Ensayos de calificación de conexiones

Dentro de la normatividad establecida por NSR-10 y AISC-341 se encuentran los protocolos

de carga cíclica para conexiones de tipo Viga-Columna y Vínculos, sin embargo, no hay en

las actuales normas una metodología establecida, ni protocolos de carga para la

precalificación de conexiones de empalme de columnas, dado que las condiciones de una

conexión viga a columna son más críticas y requieren un mayor grado de rotación y

deformaciones inelásticas que una columna, se consideró para esta investigación realizar

un protocolo de carga basado en los desplazamientos planteados en los protocolos de

carga de uniones para vigas y columnas.


PERFILES TIPO H.

En la Gráfica 1-6 se muestran los ciclos de carga para un elemento tipo vínculo que llega a

una rotación máxima de 0.08rad, los códigos sugieren que después de alcanzar ese límite,

se hagan incrementos en las rotaciones hasta alcanzar la ruptura del espécimen.

Gráfica 1-6 Ciclos de carga.

Otros autores que han intentado evaluar el comportamiento de las columnas bajo cargas

cíclicas (Shaw & Kanvinde, 2014), han propuesto ciclos de carga en función del momento

máximo de la sección ver Gráfica 1-7, esto contando con un equipo capaz de regular la

carga durante el ensayo, a diferencia del protocolo anteriormente mostrado que considera

el desplazamiento controlado por el equipo que realiza el ensayo, este protocolo en función

del momento se realiza bajo la consideración que el elemento tipo columna debe soportar

el momento plástico de la sección para que cumpla con la normatividad establecida en los

códigos de diseño estructural.

-0.080

-0.060

-0.040

-0.020

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

1 4 7 11 14 17 21 24 27 31 34 37

Rad

ian

es

# de ciclo


Gráfica 1-7 Protocolo de carga para columnas (Shaw & Kanvinde, 2014)

Asimismo, para el montaje de ensayo de la conexión entre columnas, se consideraron las

diferentes condiciones de apoyo propuestas para ensayos en columnas. En la Gráfica 1-8

(Hu, 2005) se muestra el montaje del ensayo ideal para columnas sometidas a carga axial

y momento flector. Las ventajas de este ensayo están en poder evaluar los efectos p delta

y la degradación del material al estar sometido el elemento a compresión constante y

momento flector variable; cabe notar que con este montaje la columna queda apoyada en

3 articulaciones simples, permitiendo la trasmisión de carga axial y rotación de los

elementos.

Gráfica 1-8 Montaje con carga axial para columnas.


PERFILES TIPO H.

Para la evaluación de conexiones a momento en secciones tipo H se puede realizar a través

de un montaje sencillo como se muestra en la Gráfica 1-9,en el cual se trata de evitar la

concentración de cortante en el centro del empalme, a diferencia del anterior para este

ensayo no se tiene carga axial en el elemento.

Gráfica 1-9 ensayo de secciones solicitadas a momento (Bruneau&Mahin, 1991)

Con este tipo de ensayo se pretende evaluar el desempeño sísmico de la conexión,

midiendo el desplazamiento y la carga para ser graficado como se muestra en la Gráfica

1-10. En ese caso particular se observa que los empalmes soldados en columnas con

reducción de columna (Bruneau&Mahin, 1991), la curva de histéresis presenta un

comportamiento dúctil.

Gráfica 1-10 Momento rotación en empalme W14x370 (Bruneau&Mahin, 1991)


2. DISEÑO DE LA CONEXIÓN PROPUESTA

En este capítulo se muestran las consideraciones y el procedimiento de diseño, teniendo

en cuenta los estados límite descritos en NSR-10 en su título F, los materiales disponibles

en el mercado colombiano y las consideraciones de diseño para conexiones precalificadas

para pórticos resistentes a momento tipo placa de extremo de AISC-358.

2.1 Materiales

Para la selección de materiales se consideró la disponibilidad comercial que tienen en el

mercado colombiano, en este caso platinas, pernos y soldaduras de procedencia

estadounidense y perfiles europeos. En la tabla Tabla 2-1 se presentan principales

propiedades mecánicas nominales de los materiales: resistencia de fluencia Fy y de

resistencia última Fu, también se tiene en cuenta el endurecimiento del material con los

valores Rt y Ry.

ELEMENTO MATERIAL Fy (Mpa) Fu

(MPa) Frágil Ry Rt

Platinas ASTM A572G50 345 450 no 1.1 1.1

Perfiles S235 345 450 no 1.1 1.1

Soldadura E70xx 400 480 si n/a n/a

Pernos A490 845 1150 si n/a n/a

Tabla 2-1 Propiedades de los materiales de la conexión.


PERFILES TIPO H.

2.2 Cargas de diseño

Resistencia a momento requerida de la conexión: Este valor corresponde al momento

plástico que se genera ver Ecuación 2-1, cuando toda la sección se encuentra bajo el

esfuerzo de plastificación del material como se muestra en la Ilustración 2-1, aumentado por

Ry y 1.1. Siendo Ry un factor que corresponde a una variación estadística de la máxima

posible resistencia del material como se muestra en la Gráfica 2-1.

𝑀𝑝 = 1.1𝑅𝑦𝑍𝑥𝐹𝑦 Ecuación 2-1

𝑀𝑝: 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛.

𝑅𝑦: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙.

𝑍𝑥: 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛.

𝐹𝑦: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙.

Ilustración 2-1 Sección trasversal sometida a momento.

Gráfica 2-1 Curva esfuerzo deformación y representación de Rt y Ry (Crisafulli, 2014).

(a) Esfuerzo vs altura (b) Momentos (c) Centroides de compresión (d) área a compresión


Resistencia requerida a cortante de la conexión (Vu): El cortante que debe soportar la

conexión en un sismo, se ve en la Ilustración 2-2, depende del momento que se genera

en el pórtico y de la geometría del pórtico, lo cual se expresa en la Ecuación 2-2.

(a) Diagrama de momento de un pórtico bajo cargas

de sismo

(b) Diagrama de cortantes bajo cargas

sísmicas

(c) Ubicación de rótula plástica y geometría de un pórtico con rótulas plásticas

Ilustración 2-2 Fuerzas y rotulas en un PRM (Crisafulli, 2014).

∑𝑀𝑃𝑐

𝐻= 𝑉𝑢

Ecuación 2-2

𝛴𝑀𝑝𝑐: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟.

𝐻: 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑝𝑖𝑠𝑜

𝑉𝑢: 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

2.3 Estados límite

Límite a tensión: Es la carga máxima que puede soportar el elemento antes de romperse

(Fu: esfuerzo último del material). Como se muestra en la Ilustración 2-3, en este límite se

considera que hay deformaciones inelásticas del material antes de la rotura y la carga es a

tensión.

(a) (b) (c)


PERFILES TIPO H.

Ilustración 2-3 Ensayo a tensión en aceros Adaptación (engineersedge, 2018)

La ecuación que determina la carga de rotura a tensión es la siguiente:

∅𝑅𝑛 = ∅𝐹𝑛𝑡𝐴𝑡 Ecuación 2-3

Ø: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 0.9

𝐹𝑛𝑡: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛

𝐴𝑡: 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛

Límite a cortante: Es la máxima fuerza paralela a la sección trasversal a la cual puede ser

sometida un elemento antes de separarse por el plano en el cual está actuando la fuerza,

el área a considerar varía dependiendo del elemento que se analiza, si es un perno, una

barra roscada, una platina o perfil, para ello se analizan las posibles geometrías de falla,

se determinan la más crítica y se selecciona esta como la trayectoria de falla ver Ilustración

2-4 (b).

Siendo las platinas diseñadas para evitar la deformación plástica (se diseña con el límite de

fluencia del material) el valor de la resistencia es el límite de fluencia Fy, los pernos y barras

roscadas diseñadas con el esfuerzo último del elemento correspondiente al limite de rotura

Fu, teniendo también en cuenta en los elementos con rosca la ligera pérdida de material en

el área debido a la rosca, lo cual se refleja en la superficie de falla considerada como se

muestra en la Ilustración 2-4 (a).


(a) Falla en pernos (b) Falla en platina

Ilustración 2-4 Planos de falla a corte, Modificado (learneasy, 2018)

𝐹𝑛𝑣 = 0.6𝐹𝑦𝐴𝑔𝑣 Ecuación 2-4

𝐹𝑦: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎.

𝐴𝑔𝑣: Á𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒.

𝑅𝑛 = Ø𝐹𝑛𝑣𝐴𝑏 Ecuación 2-5

𝐹𝑛𝑣: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒.

𝐴𝑏: Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜.

Límite a cortante y tensión: Este estado se muestra en la Ilustración 2-5, ocurre

principalmente en pernos, y es la interacción de las dos fuerzas que al actuar sobre el

elemento, reducen la capacidad del elemento para resistir fuerzas netamente a compresión

o a cortante, debido a la presencia de la fuerza en el otro sentido. Hallar la resistencia del

elemento es dispendiosa de calcular, por lo tanto en la NSR-10 se propone la siguiente

ecuación para calcular la resistencia de estos elementos, para efectos de la conexión tipo

end plate que se propone, de acuerdo a la Ilustración 2-1, los pernos inferiores están a

tensión, los superiores son los que soportan el cortante en la conexión.

𝑅𝑛 = 0.75𝐴𝑏 (1.3 𝐹𝑛𝑡 −𝐹𝑛𝑡

Ø𝐹𝑛𝑣𝑓𝑣)

Ecuación 2-6

𝐹𝑛𝑣: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝐹𝑛𝑡: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛.

𝑓𝑣: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝐴𝑏: Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜


PERFILES TIPO H.

Ilustración 2-5 Curvas de interacción para diferentes calidades de pernos Adaptación (Sriramulu, 2006)

Límite de resistencia de la soldadura: La resistencia nominal de la soldadura depende

de la resistencia que tenga el material del electrodo, para soldaduras a completa

penetración (precalificadas por AWS D1.1) la norma no requiere un cálculo de la resistencia,

para las otras soldaduras la resistencia a cortante está dada por su geometría mostrada en

la Ilustración 2-6 y su resistencia por la ecuación:

Ø𝑅𝑛 = 0.75(0.707𝐷𝑙)0.6𝐹𝐸𝑋𝑋

Ecuación 2-7

𝐷: 𝐺𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎.

𝑙: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑.

𝐹𝐸𝑋𝑋: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜.

𝒏𝒐𝒕𝒂: 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎𝑠 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑒 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 Ø𝑅𝑛 𝑝𝑜𝑟 1.5


Ilustración 2-6 Soldadura a filete (Sriramulu, 2006).

Límite a flexión de la platina: En las conexiones con placas de extremo o placas base,

este estado límite verifica que el voladizo que se forma entre el perno y patín del perfil no

falle por flexión, también se verifica en la parte interior del patín, como se muestra en la

Ilustración 2-7, en la cual F es igual a la fuerza de tensión generada en el patín superior del

perfil debido al momento en la sección, n y m las distancias al patín y al borde de los pernos,

B es la fuerza resistente de los pernos, t el espesor de la platina y Leff la longitud efectiva.

Ilustración 2-7 Flexión en la placa de extremo (finesoftware, 2018).

La modificación de esta ecuación respecto a la presentada en AISC-358 es el termino Yp

en el cual se tiene en cuenta la adición del perno central como se muestra en la Ilustración

2-8, y el resultado de este análisis corresponde a la Ecuación 2-8.


PERFILES TIPO H.

Ilustración 2-8 Geometría de placa de extremo Adaptación (modificado de AISC-358).

𝑀𝑝𝑙 = 𝐹𝑦𝑝 ∗ 𝑡𝑝² ∗ 𝑌𝑝

Ecuación 2-8

𝑀𝑝𝑙: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎

𝐹𝑦𝑝: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎

𝑡𝑝: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎

Yp = bp/2*(h1*(1/pfi + 1/s) + h0*(3/pf0) - 1/2) + 1/g*(2h1*(pfi + s))

Límite de aplastamiento por corte: Es necesario verificar que los agujeros de las platinas

no se deformen demasiado, por lo tanto dependiendo de la geometría se toman los valores

límite se verifica la resistencia de la platina como se muestra en la Ilustración 2-9. Con esta

revisión se corrobora que no fluya la platina en la zona de los pernos, dado que conduciría

a una falla local.

Perno adicional propuesto


Ilustración 2-9 (Aplastamiento en la platina)

Ø𝑅𝑛 = Ø (min(𝑘1𝑙𝑐, 𝑘2𝑑) + min(𝑘1𝐿𝑐−𝑠𝑝𝑎 , 𝑘2𝑑) ∗ (𝑛 − 1)) 𝑡𝑝 𝐹𝑛𝑡 𝑛𝑐

Ecuación 2-9

𝑘1: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 1.2 , 𝑘2: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 2.4

𝐿𝑐: 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑏𝑜𝑟𝑑𝑒; 𝐿𝑐−𝑠𝑝𝑎: 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜𝑠

𝑑: 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜.

𝑛: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜𝑠.

𝑛𝑐: 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜𝑠

Límite a cortante en la platina: Se evalúa la rotura de la platina por la línea de pernos,

teniendo en cuenta que en este estado límite no se permite la deformación plástica de la

platina que trasmite el momento, y el cortante generado por la reacción no debe deformar

los orificios de los pernos, para ello se evalúan varias trayectorias de rotura y se considera

la más crítica como la resistencia límite. En la Ilustración 2-10 se muestran las posibles

trayectorias de bloque de cortante de una platina sometida a tensión.


PERFILES TIPO H.

(a)Aplastamiento en platina

(b)Falla por área neta en tensión

(c)falla por área neta a cortante

(d)Falla por cortante y tensión

Ilustración 2-10 Trayectorias de falla en platina modificado de: (Girão, 2015)

Ø𝑅𝑛 = Ø0.6𝐹𝑦𝑝𝐴𝑛𝑣 + Ø𝐹𝑢𝐴𝑛𝑡

Ecuación 2-10

𝐹𝑦𝑝: 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎.

𝐴𝑛𝑣: 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒.

𝐴𝑛𝑡: 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛

Límite a flexión del perfil: Debido a los huecos de acceso de la soldadura en el perfil que

pueden ser como en la Ilustración 2-11, se genera una disminución de la sección, por lo

tanto es necesario verificar la resistencia de esa sección reducida debido a los huecos de

acceso como se ve en la Ilustración 2-12 la cual corresponde a el corte trasversal de la

sección en el lugar donde se encuentran los huecos de acceso, a continuación se ilustra y

se define la ecuación que describe este estado límite.

Ø𝑅𝑛 = ZxrFy

Ecuación 2-11

Ø𝑅𝑛: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙.

𝑍𝑥𝑟: 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎.

𝐹𝑦: 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

a b c d


Ilustración 2-11 Formas de huecos de acceso de soldadura NSR-10 (AIS, 2010)

Ilustración 2-12 reducción de la resistencia por huecos de acceso de soldadura


PERFILES TIPO H.

2.4 Diseño de empalme usando metodología de placa de extremo

A continuación se muestra el diseño de un empalme de columna entre y se calcula

utilizando la modificación propuesta a la metodología de AISC-358 para placas de extremo.

Uno de los perfiles escogidos para ensayar como columna fue el perfil IPE300 con el fin de

poder realizar las pruebas experimentales de acuerdo con la capacidad del equipo de carga

disponible en los Laboratorios de Estructuras.

(a) Detalle de la conexion

(b) Detallde del montaje

Ilustración 2-13 Conexión propuesta

-Cargas de diseño:

𝑴á𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒎𝒐𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒑𝒓𝒐𝒃𝒂𝒃𝒍𝒆 (𝑴𝒎𝒑):

𝑬𝒋𝒆 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒕𝒆: 1.1𝑅𝑦𝑍𝑥𝐹𝑦 = (1.1 ∗ 1.1 ∗ 628 ∗ 345/1000) = 262.16 kNm

𝑬𝒋𝒆 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒕𝒆: 1.1𝑅𝑦𝑍𝑦𝐹𝑦 = (1.1 ∗ 1.1 ∗ 62 ∗ 300/1000) = 52.06 kNm

𝑪𝒐𝒓𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 (𝑽𝒖):

𝑽𝒖: ∑𝑀𝑃𝑐

𝐻=

262.16𝑘𝑁𝑚

3.8𝑚= 71𝑘𝑁


Ilustración 2-14 Representación de Momentos y cortante en la conexión

Nota: Se considera que la carga axial se convierte en momento por la excentricidad de la carga

-Consideraciones Geométricas y de resistencia de materiales

PROPIEDADES IPE300

d(mm) 300.0

bf(mm) 150.0

tf(mm) 10.7

hw(mm) 248.0

tw(mm) 7.1

r(mm) 15.0

bf/2tf 7.0

rx(cm) 12.5

Zx(cm3) 628.0

Zy(cm3) 124.7

Elemento Valor Unidad Simbolo

Espesor platina 3/4 in bp

Diámetro de pernos 3/4 in db

Dist al borde Horizontal 28.575 mm dh

D.vert al patín 28.575 mm pfi

D. entre pernos 57 mm g

D. pernos Borde ext 35 mm dbext

G garganta soldadura patín 15 mm G

G garganta soldadura alma 6 mm G

Fy pernos 895.7 Mpa Fyb

Fu pernos 1112.7 MPa Fub

Fu platina 448.6 Mpa Fup

Fy platina 350 MPa Fyp

M M V


PERFILES TIPO H.

𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒍 𝒃𝒐𝒓𝒅𝒆 𝒉𝒐𝒓𝒊𝒛𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍 (𝑮𝟏):

𝑳𝒎𝒊𝒏: 5/4𝑑𝑏 = 1.25 ∗ 25.4 ∗ 0.75 = 24𝑚𝑚

𝑳𝒆 𝒎𝒂𝒙: min(12𝑡𝑝, 152.4𝑚𝑚) = min(12 ∗ 0.75 ∗ 25.4 ó 152.4𝑚𝑚) = 152.4𝑚𝑚

𝐿 𝑚𝑖𝑛 < 30𝑚𝑚 < 𝐿𝑚𝑎𝑥

Ilustración 2-15 Geometría adecuada de la conexión.

𝑭𝒍𝒆𝒙𝒊𝒐𝒏 𝒆𝒏 𝒇𝒍𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒍𝒂𝒕𝒊𝒏𝒂:

𝒃𝒑 = 6𝑑𝑏 + 2𝑑𝑏𝑒𝑥𝑡 = 6 ∗ 19.05 + 2 ∗ 35 = 183.45𝑚𝑚

𝒔 = 0.5 ∗ (𝑏𝑝 ∗ 𝑔)12 = 0.5 ∗ (183.45 ∗ 39.33)

12 = 42.47𝑚𝑚

𝒑𝒇𝒊 = 𝑚𝑖𝑛(𝑝𝑓𝑖 ó 𝑠) = min(28.575 ó 42.47) = 28.575 𝑚𝑚

𝒉𝟏 = 𝑑 − 𝑡𝑓 − 𝑝𝑓𝑖 = 300 − 9.27 − 28.575 = 260.73𝑚𝑚

𝒉𝟎 = 𝑑 + 𝑝𝑓𝑖 = 300 + 28.575 = 328.575𝑚𝑚

𝒀𝒑 = 𝑏𝑝/2 ∗ (ℎ1 ∗ (1/𝑝𝑓𝑖 + 1/𝑠) + ℎ0 ∗ (1/𝑝𝑓0) − 1/2) + 2/𝑔 ∗ (ℎ1 ∗ (𝑝𝑓𝑖 + 𝑠))

𝒀𝒑 = 183.45/2(260.7(1/30 + 1/42.4) + 328.5(1/30) − 1/2) + 2/30(260.7(30 + 42.4))

(a) Con reducción (b) Con empalme


𝒀𝒑 = 3057.1𝑚𝑚²

𝑴𝒑𝒍 = 𝐹𝑦𝑝 ∗ 𝑇𝑝^2 ∗ 𝑌𝑝

𝑴𝒑𝒍 = 350 ∗ 0.75 ∗ 25.42 ∗3057.1

1000000= 517.73𝑘𝑁𝑚

Ø𝑴𝒑𝒍 = 0.9 ∗ 517.73 = 465.9𝑘𝑁𝑚

Ilustración 2-16 Lamina sometida a flexión.

𝑴𝒐𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒆𝒏 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔

𝑷𝒕 = 𝐴𝑏 ∗ 𝐹𝑛𝑡

𝑷𝒕 =(25.4 ∗ 0.75)2𝜋

4∗

112.735

1000∗ 0.75 = 237.86𝑘𝑁

𝑴𝒏𝒑 (𝟖 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔) = 2 ∗ 𝑃𝑡 ∗ (𝑆𝑑𝑛) = 2 ∗ 237.86 ∗578.6

1000= 275.25𝑘𝑁𝑚

𝑴𝒏𝒑 (𝟏𝟎 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔) = 𝑃𝑡 ∗ (𝑆𝑑𝑛)

𝑴𝒏𝒑 (𝟏𝟎 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔) = 237.86 ∗ (2 ∗ 578.6 + 300 − 0.5 ∗ 10.7 + 28.575)/1000) = 352.13𝑘𝑁𝑚

M


PERFILES TIPO H.

Ilustración 2-17 Fuerza a momento en la conexión.

𝑪𝒐𝒓𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒆𝒏 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔

𝑬𝒋𝒆 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒕𝒆 𝟖 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔 Ø𝑽𝒏 = 4(Ø𝐹𝑛𝑣𝐴𝑏)

Ø𝑽𝒏 = 4 ∗ (0.75 ∗ 0.6 ∗ 895.7 ∗ (0.75 ∗ 25.4)^2 ∗ 𝑃𝐼()/4)/1000 = 459.53𝑘𝑁

𝑬𝒋𝒆 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒕𝒆 𝟏𝟎 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔 Ø𝑽𝒏 = 5(Ø𝐹𝑛𝑣𝐴𝑏)

Ø𝑽𝒏 = 5 ∗ (0.75 ∗ 0.6 ∗ 895.7 ∗ (0.75 ∗ 25.4)^2 ∗ 𝑃𝐼()/4)/1000 = 689.29𝑘𝑁

Fnt

Fnt

Fnt

M M

(a) vista frontal (b) Resistencia a momento en pernos


Ilustración 2-18 Fuerza cortante en la conexión.

𝑨𝒑𝒍𝒂𝒔𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒐𝒓𝒕𝒆

𝑳𝒄 𝒆𝒏𝒅 = 𝑀𝑎𝑥 (0,0 ó 𝐿𝑒 − 𝑑ℎ/2) = 𝑀𝑎𝑥(0 ó 34.6 − (3/4 + 1/16) ∗ 25.4/2 = 24.25𝑚𝑚

𝑳𝒄 𝒔𝒑𝒂 𝟖 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔 = 𝑀𝑎𝑥(0.0 ó 𝑠 − 𝑑ℎ) = 𝑀𝐴𝑋(0; (57.15 − 2 − ((0.75 + 1/16) ∗ 25.4)))

= 34.51𝑚𝑚

𝑳𝒄 𝒔𝒑𝒂 𝟏𝟎 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔 = 𝑀𝐴𝑋(0; (57.15 − 2 − ((0.75 + 1/16) ∗ 25.4)))

= 55.36𝑚𝑚

Ø𝑅𝑛 = Ø ∗ (𝑚𝑖𝑛(𝑘1 ∗ 𝑙𝑐, 𝑘2 ∗ 𝑑) + 𝑚𝑖𝑛(𝑘1 ∗ 𝐿𝑐 − 𝑠𝑝𝑎, 𝑘2 ∗ 𝑑) ∗ (𝑛 − 1)) ∗ 𝑡𝑝 ∗ 𝐹𝑢 ∗ 𝑛𝑐

Ø𝑅𝑛 = (0.75(𝑀𝐼𝑁(1.2 ∗ 24.25; 2.4 ∗ 0.75 ∗ 25.4) + 𝑀𝐼𝑁(1.2 ∗ 34.51; 2.4 ∗ 25.4 ∗ 0.75)(2

− 1))0.75 ∗ 25.4 ∗ 448.6 ∗ 2)/1000

= 903.87𝑚𝑚

Ilustración 2-19 (Aplastamiento en la platina)

Fnv

Fnv

Vu

(a) vista frontal (b) Resistencia a corte en los pernos

V


PERFILES TIPO H.

𝑪𝒐𝒓𝒕𝒆 𝒂 𝒇𝒍𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒍𝒂𝒕𝒊𝒏𝒂

Ø𝑅𝑛 = Ø ∗ 0.6 ∗ 𝐹𝑦𝑝 ∗ 𝑏𝑝 ∗ 𝑡𝑝

Ø𝑅𝑛 = 0.9 ∗ 0.6 ∗ 350 ∗ (57.15 + 2 ∗ 34.575) ∗ 25.4 ∗ 0.75/1000 = 454.75𝑘𝑁

𝑪𝒐𝒓𝒕𝒆 𝒂 𝒓𝒐𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒍𝒂𝒎𝒊𝒏𝒂

𝐿ℎ = 𝑑ℎ + 1/16 [𝑖𝑛] = 22.225𝑚𝑚

𝐴𝑛 = (𝑏𝑝 − 2𝐿ℎ)𝑡𝑝 = (57.15 + 2 ∗ 34.575 − 2 ∗ 22.25)25.4 ∗ 0.75 = 1558.29𝑚𝑚²

Ø𝑅𝑛 = Ø0.6𝐹𝑢𝑝𝐴𝑛 = 0.75 ∗ 0.6 ∗ 448.6 ∗ 1558.29/1000 = 314.57𝑘𝑁

Ilustración 2-20 línea de falla de la platina

𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂 𝒎𝒐𝒎𝒆𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒐𝒔 𝒑𝒆𝒓𝒏𝒐𝒔 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒆𝒋𝒆 𝒅é𝒃𝒊𝒍

Ø𝑀𝑛 = Ø𝐴𝑏𝐹𝑛𝑡(4𝑏𝑝 + 2𝑏𝑝/2)

= 0.75 ∗ 237.86 ∗ (5 ∗ 183.45)/1000

= 163.63𝑘𝑁𝑚

F


(a) Vista frontal (b) Momentos y cortantes resistentes en pernos eje débil. Ilustración 2-21 Fuerzas en eje débil.

𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂 𝒎𝒐𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒔𝒐𝒍𝒅𝒂𝒅𝒖𝒓𝒂

Ø𝑴𝒏 = 1.5 ∗ 0.75(0.707𝐺𝑙)0.6𝐹𝐸𝑋𝑋 ∗ 𝑑

Ø𝑴𝒏 = 1.5 ∗ 0.75 ∗ 0.707 ∗ 15 ∗ 150 ∗ 2 ∗ 0.6 ∗ 490/1000 ∗ 0.3

= 315.7𝐾𝑁𝑚

Ilustración 2-22 Fuerzas que actúan en la soldadura. Ftw tensión y Fvw cortante

M

V M V

Fnt

Fnt

Fnt

Fnv

Fnv

Fnv

(a)

(b)


PERFILES TIPO H.

𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒔𝒆𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏 𝑹𝒆𝒅𝒖𝒄𝒊𝒅𝒂

𝑴𝒏 = 𝑍𝑥𝑟 ∗ 𝐹𝑦

𝑴𝒏 = 582.31 ∗ 345/1000

= 200.90𝐾𝑁𝑚

Tabla 2-2 Resumen de diseño de la conexión

ESTADO LIMITE CAPACIDAD UNIDAD DEMANDA RELACION D/C

FLEXIÓN EN FLUENCIA DE LA PLATINA 465.96 kNm 262.16 56.3%

MOMENTO RESISTENTE EN PERNOS 264.10 kNm 262.16 99.3%

CORTE EN PERNOS (EJE FUERTE) 689.29 kN 198.41 28.8%

APLASTAMIENTO DE PERNOS POR CORTE 903.87 kN 198.41 22.0%

CORTE A FLUENCIA 454.74 kN 198.41 43.6%

CORTE A ROTURA 314.57 kN 198.41 63.1%

RESISTENCIA A CORTE DE LOS PERNOS (EJE DÉBIL) 574.41 kN 198.41 34.5%

RESISTENCIA A MOMENTO DE LOS PERNOS (EJE DÉBIL) 163.63 Knm 52.06 31.8%

RESISTENCIA A MOMENTO DE LA SOLDADURA 315.68 KNm 262.16 83.0%

RESISTENCIA A CORTE DE LA SOLDADURA 433.01 KN 198.41 45.8%

RESISTENCIA DE LA SECCIÓN REDUCIDA 200.90 kNm 262.16 130.5%

Nota: Para los Resúmenes de las otras 2 conexiones ver anexos.

-Se puede deducir que el primer fallo de la conexión va a ser la fluencia de la sección

trasversal de la sección, dado que el índice demanda capacidad es mayor a la unidad.

-El segundo estado límite que sigue el mecanismo de falla de la conexión son los pernos

debido a que es el segundo estado límite más cercano al 100%.

-Es posible que el estado límite de la sección trasversal entre a endurecimiento y la falla

que describa el comportamiento de la conexión (un cambio en la pendiente de la

envolvente), sean los pernos y no la sección trasversal.


2.5 Metodología de diseño de una conexión tipo placa de extremo para empalme de columnas


PERFILES TIPO H.

2.6 Detalles de planos de la conexión FESF-EF y ED


PERFILES TIPO H.

3. SIMULACIÓN NUMÉRICA POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS.

En algunas investigaciones se han utilizado estas simulaciones numéricas para hallar a

priori el comportamiento no lineal de la conexión y posteriormente validarlo de manera

experimental (Hu, 2005).

Teniendo en cuenta referencias de investigaciones similares a esta, en las cuales se

obtuvieron resultados muy aproximados a los experimentales por medio de modelación por

elementos finitos (Vallejo, 2009), se optó por realizar varios modelos para realizar una

primera aproximación del diseño geométrico de la conexión, diseñar los elementos de

montaje de los ensayos, luego realizar una validación del modelo. A través de la validación

de la metodología de simulación numérica realizada, se busca que la extrapolación de la

simulación a otras secciones sea igualmente válida. Esta metodología de simulación se

utilizó como guía para hallar las curvas de histéresis y las envolventes de las mismas, para

determinar su desempeño en el rango inelástico de los elementos, antes de realizar los

ensayos.

3.1 Descripción de modelos

Para esta investigación se desarrollaron 4 modelos por elementos finitos (MEF) con

diferencias que consideran condiciones de carga y geometría, que posteriormente fueron

validados con los ensayos experimentales. Los parámetros que varían son los siguientes:

-Tipo de solicitación: Se aplica la carga en el eje fuerte (EF) o el eje débil (ED).

-Empalme o reducción: la conexión empalma dos perfiles del mismo (FE) o diferente

peralte (FR).


ANSYS V16 fue el programa de modelación por el Método de Elementos Finitos (MEF) en

el que se realizaron por control de desplazamientos las simulaciones numéricas de las

conexiones estudiadas

Tabla 3-1 (MEF realizados)

No Nombre Carga Tipo Solicitación Sección 1 Sección 2

1 MEF FE-EF Flexión Empalme Eje fuerte IPE300 IPE300

2 MEF FE-ED Flexión Empalme Eje débil IPE300 IPE300

3 MEF FR-EF Flexión Reducción Eje fuerte IPE300 IPE300

4 MEF FR-ED Flexión Reducción Eje débil IPE300 IPE300

El esquema básico de la conexión es el de una viga simplemente apoyada en los extremos,

con desplazamientos aplicados en el centro de la luz como se aprecia en la Imagen 3-1.

Imagen 3-1 Descripción del MEF

3.2 Definición de los materiales y modelos constitutivos.

Los materiales se definieron inicialmente con los valores teóricos de: Elasticidad, Límite de

fluencia y Límite de resistencia a la tracción, que se encuentran en las normas ASTM y

NSR-10, los cuales se muestran en la Tabla 2-1.Los modelos constitutivos de los materiales

que se muestran en 3.2.2 fueron escogidos para representar el comportamiento no lineal

de los materiales, asimismo el criterio de fluencia del material se seleccionó teniendo en

cuenta que los elementos están sometidos a cargas combinadas, ya sea por efecto axial,

momento o cortante.


PERFILES TIPO H.

En lo que respecta a los contactos y condiciones de borde, se seleccionaron con el fin de

representar adecuadamente las condiciones experimentales de la conexión. Además se

hizo un análisis de sensibilidad para escoger la discretización adecuada, para obtener

resultados confiables del comportamiento de las conexiones y sus elementos, con un costo

computacional lo más bajo posible, a continuación se explican estas consideraciones de

manera más amplia .

3.2.1 Criterio de fluencia

El criterio de fluencia determina la discontinuidad del comportamiento elástico que pasa

comportamiento plástico del material, en función del estado de esfuerzos del material,

dependiendo del material que se está modelando. En el caso de los materiales metálicos

los criterios de falla presentan cambios despreciables en función de la presión y las

deformaciones debidas a estas, por lo que en la literatura se recomienda el uso del criterio

de Von Mises (Oller, 2001).

El criterio de Von Mises depende de un sólo parámetro, la máxima resistencia tangencial

octaédrica que es la determinante del límite de discontinuidad plástico del material. Este

criterio de fluencia esta dado por la Ecuación 3-1, en la cual se muestra como la suma de

esfuerzos en los planos principales puede establecer la fluencia del material, en la XXX3-2

se muestra la representación en el espacio de esfuerzos principales.

(𝜎1 − 𝜎2)2 + (𝜎1 − 𝜎3)2 + (𝜎2 − 𝜎3)² ≤ 2𝜎𝑦²

Ecuación 3-1

𝜎1, 𝜎2 𝑦 𝜎3: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙𝑒𝑠 ; 𝜎𝑦: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙


Ilustración 3-1 Superficie de fluencia de Von Mises en el espacio de tensiones principales (Oller, 2001)

3.2.2 Modelo constitutivo del material

Para representar el comportamiento no lineal del acero se el modelo de endurecimiento

isótropo, debido a que hay movimiento homotético de la superficie de carga como se

muestra en Ilustración 3 3, en ANSYS V16 se aplica el comportamiento del material como

se indica en la Ilustración 3-2.

Ilustración 3-2 Superficie de carga plástica (Oller, 2001)


PERFILES TIPO H.

(a) Experimental (Crisafulli, 2014) (b) Modelado en ANSYS

Gráfica 3-1 Curvas Esfuerzo Vs Deformación,

3.3 Definición de la geometría a partir de los planos

Para la modelación de las geometrías tridimensionales necesarias en el modelo, su usó

AUTOCAD 3D, con una escala de 1 a 1 en milímetros con las medidas reales de los perfiles,

pernos y las consideraciones geométricas del diseño de la conexión. Las soldaduras

inicialmente fueron consideradas con 2 geometrías: (a) con trapecios para representar

soldaduras de completa penetración y (b) con prismas triangulares simulando soldaduras

de filete como se muestra en la Ilustración 3-3.

(a) Soldadura CJP (b) Soldadura Filetes

Ilustración 3-3

a b

(a) (b)


El resto de los elementos fuera de las soldaduras de los patines se modelaron tal y como

serían las probetas de los ensayos, a continuación se muestran los detalles en las

ilustraciones 3-4 a 3-6.

Ilustración 3-4 pernos y tuercas

Ilustración 3-5 Platinas soldaduras y atiezadores

Ilustración 3-6 Geometría general.


PERFILES TIPO H.

3.4 Discretización del modelo

Considerando que dependiendo de la densidad del mallado en un modelo numérico los

resultados pueden variar o el modelo llegar a no converger, se realizó una calibración de

sensibilidad del modelo MEF FE-EF como se muestra en la Ilustración 3-7. En el análisis

de sensibilidad se varió la densidad malla, en tamaño, forma y otros parámetros hasta lograr

un modelo que converja y mostrara un comportamiento que se acercara a lo esperado

desde el punto de vista teórico.

(a) geometría sin mallado (b) mallado basto

(c) mallado mediano (d) mallado fino.

Ilustración 3-7 Ensayo de sensibilidad del mallado

En el programa ANSYS V16 hay dos elementos finitos principales usados para la

desratización de los elementos, son el elemento tipo Tetraedro y Hexágono, se probaron

ambos y los mejores resultados se obtuvieron con el elemento tetraedro, ya que este se

acomodaba mejor a las geometrías de los elemento que componen el modelo.

El elemento tetraedro consta de ocho nodos y tres grados de libertad por nodo: translación

x, translación y y translación z. Este elemento tiene la ventaja de acomodarse a la geometría

de los modelos fácilmente con una menor cantidad de elementos finitos que los hexaedros


por lo cual los modelos convergen más rápido, en la Ilustración 3-8 se muestra la geometría

posible que puede adoptar elemento.

Ilustración 3-8 Elemento finito usado, Modificado de ayuda ANSYS V16

3.5 Definición de contactos, cargas y desplazamientos.

-Contactos: En los modelos numéricos de tipo mecánico, la trasmisión de fuerzas entre los

componentes que integran el modelo se realizan a través de los contactos, estos

determinan el tipo de trasmisión de carga que se presenta entre las piezas que forman el

modelo, como puede ser la soldadura y la platina o los pernos y la platina. En la Ilustración

3-9 se muestra cómo se asignan en el programa.

Ilustración 3-9 (asignación de contactos en ANSYS)


PERFILES TIPO H.

La gran diferencia entre estos tipos de contactos usados en los modelos, radica en que el

bonded, trasmite las cargas como si fuera un solo elemento sólido (teniendo en cuenta que

son piezas independientes que pueden estar hechas de materiales distintos y tener

diferente mallado) como sucede en las superficies de contacto entre las soldaduras y

platinas. En el caso de frictionless, los elementos se comportan como solidos que se pueden

desplazar entre ellos, sin embargo trasmiten cargas al estar solicitados a compresión, como

se muestra en la Ilustración 3-10, en la parte de los inferior donde los pernos están a

tracción las placas se separan y en la parte superior donde los pernos están a compresión

permanecen en contacto.

Ilustración 3-10 Contacto Frictionless bajo cargas.

-Condiciones de frontera: Para definir los apoyos se seleccionan superficies ortogonales

al plano de aplicación de la carga y se restringieron los desplazamientos en y que es el

sentido en el cual se aplican los desplazamientos, como se muestra en la Ilustración 3-11,

en las piezas correspondientes a las barras solidas en acero. De otra parte, los modelos

numéricos de las conexiones al estar solicitados por control de desplazamientos, como se

indica en la Ilustración 3-12, se aplican desplazamientos en la zona donde se medirían los

desplazamientos en el ensayo, y se determina la variación de estos desplazamientos para

cada paso del proceso de carga.

Compresión

Tensión


Ilustración 3-11 Asignación 1 step – 1 desplazamiento.

Ilustración 3-12 Variación de los desplazamientos durante el proceso de carga.

Del modelo de un solo paso es posible obtener la envolvente de la conexión, del modelo

de 69 pasos es posible obtener la curva de histéresis de la conexión.

3.6 Obtención de datos del modelo

Es importante resaltar que como datos de salida del programa, este no ofrece graficas de

desplazamiento contra carga o de esfuerzos contra deformaciones, el programa define las

gráficas de cada uno de los parámetros de salida contra los pasos asignados al principio,

por lo tanto la construcción de las gráficas mostradas, surgen del tratamiento de los datos

de salida en Excel, la correlación entre pasos y cada uno de los parámetros de salida del

modelo.

Desplazamiento 0 en Y

Desplazamiento 0 en Y

Desplazamiento variable en Y

Desplazamient

os aplicados

en Y a partir

de la tabla .xls

Gráfica de

desplazamientos

en Y Vs Pasos

Superficie de

aplicación de

desplazamientos en Y


PERFILES TIPO H.

Las salidas de datos como tablas de un lugar en específico, como por ejemplo los apoyos

o el centro de la luz, se seleccionan como probe (herramienta del menú de ANSYS) y

corresponden a las fuerzas o desplazamientos generados en la superficie seleccionada a

partir de los datos de entrada, en la Ilustración 3-13 se muestra la gráfica de fuerza contra

pasos que sale del programa a partir de los desplazamientos insertados en el pre proceso.

Ilustración 3-13 reacciones a los desplazamientos en carga monotonica.

Gráfica 3-2 Curva Momento rotación del modelo con carga monotónica.

-300.00

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

ENV-FESF-EF

+Mn-I300

+Mmp-I300

Tabla de

pasos Vs

Carga

Superficie

seleccionada (Probe).

Gráfica de Carga

Vs Pasos (s)


4. ENSAYOS DE LABORATORIO

En el presente capítulo se muestran los ensayos de caracterización de los materiales,

montajes y protocolos de carga utilizados en el desarrollo experimental de la investigación,

esto con el fin de comprobar las hipótesis planteadas en los anteriores capítulos y realizar

una posterior validación de a partir de la retroalimentación de los resultados de los ensayos

experimentales.

4.1 Ensayo de los materiales

Con el fin de determinar las características mecánicas y validar los parámetros de

resistencia usados en los modelos de elementos finitos, las probetas de las almas de los

perfiles y de la platina de 19mm de la que se fabricaron las platinas de conexión se

ensayaron según la norma ASTM E8. Asimismo los pernos y las soldaduras de filete y de

completa penetración se ensayaron a tracción.

4.1.1 Ensayos de las platinas

Para determinar las propiedades mecánicas de los aceros utilizados en los perfiles, se

extrajeron del alma de los perfiles muestras con oxicorte, teniendo en cuenta que fueran lo

suficientemente grandes para que la zona de donde posteriormente se extrajeran las

probetas no estuvieran afectadas por los esfuerzos residuales generados por el calor. Por

su parte, la muestra de la platina de 19mm de espesor se extrajo del retal de la platina.

Después de obtenidas las piezas rectangurales, las probetas se cortaron por medio de una

hidrocortadora, la cual no produce esfuerzos residuales en los materiales.


PERFILES TIPO H.

Fotografía 4-1 platinas de los perfiles

Fotografía 4-2 Lamina de 19mm

Los ensayos de tracción se realizaron con el equipo Shimadzu del Laboratorio de

Estructuras de la Universidad, se tomaron medidas de carga contra desplazamiento, y

posteriormente se elaboraron las curvas de esfuerzo deformación en Gráfica 4-1. En el

ensayo de la probeta de la IPE240 se deslizaron las mordazas del montaje de carga a

tracción porque sus resultados fueron descartados.

Gráfica 4-1 Curva Esfuerzo vs deformación Para las platinas

-Se puede apreciar que el esfuerzo de fluencia de todas las platinas está por encima del

teórico de 345MPa.

-Los datos no fueron uniformes entre las diferentes muestras.


4.1.2 Ensayo de las soldaduras.

Debido a limitaciones de presupuesto y de materiales disponibles, se realizaron 2 pruebas

destructivas de probetas con soldaduras, con el fin de evaluar el desempeño de la soldadura

de completa penetración (CJP) y la soldadura de filete.

Ilustración 4-1 MEF para los ensayos de soldadura.

Fotografía 4-3 Probetas para ensayo de soldadura.

Además correspondientemente se realizaron los modelos numéricos para las dos clases de

soldadura, con el fin de evaluar su influencia en el comportamiento de la pieza. Para estos

(a) Probeta con filete (b) Probeta con CJP

(b) Probeta con filete (b) Probeta con CJP


PERFILES TIPO H.

modelos en MEF se usaron los mismos parámetros descritos en el capítulo 3, asimismo,

en la zona superior de la platina sin huecos se aplicó un desplazamiento de 30 milímetros

en la dirección Z como se muestra en la Ilustración 4-2, los materiales fueron A36, la

soldadura E70xx, El material bilineal isótropo y con una sola carga monotónica.

Ilustración 4-2 Condiciones iniciales MEF soldaduras.

Ilustración 4-3 Detalles de la soldadura para ambos casos

En la Ilustración 4-5 se muestra comparativamente los resultados experimentales y

computacionales de las probetas de las soldaduras, con el fin de contrastar las similitudes

y diferencias entre los ensayos reales y los obtenidos por medio de los MEF.

Desplazamiento 30mm

Apoyos Fixed

(a) Modelo CJP (b) Modelo filetes


. (a)MEF soldadura Filete (b)MEF soldadura CJP

(b)Ensayo soldadura Filete (b)Ensayo soldadura CJP

Ilustración 4-4 Comparación ensayos de soldadura MEF y laboratorio.

(a)Falla soldadura a filete (b)Falla soldadura CJP

Ilustración 4-5 Detalle de falla en ensayos de soldadura.

De las imágenes comparativas de la Ilustración 4-5 y 4-4 es posible observar que:

La soldadura a completa penetración se rompió junto con la platina de la base,

mientras que la soldadura a filete solo mello un poco la platina Ilustración 4-4 (b).

De la Ilustración 4-4 se puede observar que la soldadura CJP distribuyó los

esfuerzos en un área mayor.

En la Ilustración 4-5 b, se puede observar como la soldadura y la lamina base forman

un solo material.


PERFILES TIPO H.

Para realizar una comparación cuantitativa de los resultados, se graficaron los

desplazamientos y la carga de los ensayos, contra los datos obtenidos de los MEF, como

se ve en la Gráfica 4-2

Gráfica 4-2 Curvas de carga vs desplazamiento de los ensayos de la soldadura.

De la Gráfica 4-2 se puede concluir que:

-Ambas probetas cumplieron con la carga de diseño, como se puede observar enl a gráfica,

las curvas de carga desplazamiento superan el límite de diseño R.Dis.

-El procedimiento de soldadura fue el adecuado, la soldadura visualmente no presentó

defectos que afectaran su resistencia, el material base fue el que falló como se ve en la

Ilustración 4-5, en la cual la platina de A36 de 9mm se rompe trasversalmente y la

soldadura conserva casi completamente su forma original.

-La geometría con la cual se modela la soldadura no afecta la respuesta general del

elemento, las gráficas extraídas de los MEF para ambos casos fueron iguales como se

evidencia en la Gráfica 4-2 en la cual la línea SIM-FIL se sobrepone casi completamente

con la línea SIM-CJP.


-En los modelos de elementos finitos de la Ilustración 4-4 no se puede identificar la falla de

la probeta como es posible notar de la Gráfica 4-2, esto se debe a que el modelo constitutivo

de plasticidad utilizado no considera parámetros de daño para simular la rotura. Es así como

experimentalmente se evidencia la etapa ablandamiento hasta la rotura de la pieza,

mientras que en la simulación solo se percibe una pérdida de rigidez y no llega a

presentarse pérdida de resistencia.

-Las concentraciones de esfuerzos mostradas en los MEF coinciden con las zonas fracturas

presentadas en las probetas ensayadas, como se puede observar en la Ilustración 4-4.

-Las concentraciones de esfuerzos mostradas en los MEF coinciden con las zonas fracturas

presentadas en las probetas ensayadas, como se puede observar en la Ilustración 4-4.

4.1.3 Ensayo de pernos A490

Para caracterizar los pernos, se realizaron 3 ensayos como se muestra en la Fotografía

4-4, 2 pernos extraídos de las probetas B1 y B2, que no presentaron visiblemente

deformaciones, y 1 perno nuevo de control N, todos de calidad ASTM A490 y diámetro ¾”.

(a) montaje (b) pernos ensayados

Fotografía 4-4 Ensayo de pernos


PERFILES TIPO H.

Gráfica 4-3 Ensayo de pernos A490

-De la Gráfica 4-3, se puede observar que tanto los pernos que fueron tensionados con el

método del cuarto de vuelta como el perno nuevo, llegaron a casi la misma carga máxima

como se apreció en investigaciones realizadas por otros autores en pernos grado 8.8

(Ramhormozian, Clifton, & Nguyen, 2015).

-El máximo esfuerzo entre el perno nuevo y los pre tensionados fue de 12% en promedio.

- Por otra parte, en la Tabla 2-1, se observa que el módulo de elasticidad de los pernos es

de aproximadamente 210000Mpa, asimismo que la carga máxima de tensión de los pernos

coincidió con la teórica de 1150MPa.

4.2 Montaje

Para simular adecuadamente las condiciones de servicio en columnas, se diseñaron 3

montajes diferentes, con el fin de independizar los parámetros variables en el ensayo, como

lo son: 1- Solicitación a caga axial, 2- Solicitación a flexión eje fuerte, 3- Solicitación a flexión

eje débil.

Para el caso 1 de solicitación a carga axial, se tomó como referencia el trabajo de empalmes

solicitados axialmente descrito en el capítulo de antecedentes (Snijder & Hoenderkamp,

Tabla 4-1 Resultados de ensayos de pernos.


2008), esto con el fin de medir y analizar únicamente el efecto de la carga axial sobre las

columnas para determinar la carga crítica de falla. El montaje de carga axial se indica en la

Ilustración 4 7 en el que la se aplica monotónicamente la carga que trasmite el cilindro

hidráulico al extremo articulado de la columna.

Para el caso 2 de solicitación a flexión en el eje fuerte, se tomó como referencia el estudio

realizado en la Universidad de Berkley (Bruneau&Mahin, 1991), en el cual se solicitaron las

probetas a cargas de flexión a los tercios de la conexión. Como se ve en la Ilustración 4-7,

el montaje se adaptó a los elementos disponibles en el Laboratorio de Estructuras, por

tratarse de ensayos con cargas cíclicas, se aplica la carga sobre una viga de trasferencia

que induce desplazamiento positivo y negativo sobre la probeta, además . El ensayo a

flexión por el eje fuerte puede inducir al pandeo lateral por el eje débil del perfil IPE, por lo

que fue necesario diseñar un sistema de arriostramiento flexotorsional que lo evitara, para

ello se diseñaron dos columnas ajustadas al marco que funcionan como rieles para

rodamientos que soportan al menos 5 toneladas de carga lateral.

Para el caso 3 de ensayo a flexion por el eje débil, se tomó como referencia el montaje de

ensayos por el eje débil del perfil propuesto en el la investigación de resistencia de

empalmes (Edwards, 1930), el cual se muestra en la Ilustración 4-8. A diferencia del ensayo

por el eje fuerte en este se diseñaron apoyos con platinas sobre los atiezadores ubicados

en los puntos de carga como se ve en el detalle 2 de esa ilustracion, para evitar problemas

de desplazamiento del punto de carga sobre el apoyo.

.


PERFILES TIPO H.

Ilustración 4-6 Montaje para carga axial

Ilustración 4-7 Montaje para flexión en eje fuerte


Ilustración 4-8 Montaje para flexión en el eje débil

Adicionalmente para el montaje se diseñaron apoyos soportados en el marco de carga en

W6X20 que se muestran en la Ilustración 4-7 y la Ilustración 4-8, estos apoyos tienen en la

parte superior varillas de acero que funcionan como apoyos simples permitiendo la rotación

de la probeta y perforaciones para ajustar las probetas y evitar el desplazamiento vertical

del elemento y se dimensionaron para soportar la mitad de la carga máxima proyectada

para el ensayo.

El detalle 1 que se muestra en la Ilustración 4-7 corresponde al arriostramiento flexo

torsional del montaje, el cual consistió en un rodamiento que se deslizaba sobre la W6X20,

y que reduce la probabilidad de que haya torsión local de la probeta durante el ensayo, este

elemento se diseñó basándose en el montaje usado en investigaciones experimentales

anteriores como la de (García, 2015).

El apoyo tipo adaptable a los 3 montajes fue diseñado con perforaciones para sujetarlos al

marco y a los perfiles, con el fin de evitar el desplazamiento verticales en los montajes a

flexión y horizontales en el montaje de carga axial de las probetas, y que a la vez permitiera

la rotación.

Para la pretensión en los pernos de las conexiones tipo end plate, procurando emular las

condiciones de obra, fueron pretensados con el método de la vuelta de tuerca, este método

ha sido validado en anteriores investigaciones (Ramhormozian, Clifton, & Nguyen, 2015),

este método lo recomiendan fabricantes de tornillería como Nucor Fastener, de donde se


PERFILES TIPO H.

tomó la ficha técnica de instalación de tornillería “turn-of-nut installation – Technical data

sheet”. A continuación, en la Ilustración 4-9 se muestra los esquemas y valores de

instalación de las tuercas para asegurar el apriete de los pernos.

.

Ilustración 4-9 Esquema de método de apriete (Nucor Fastener, 2018)


Fotografía 4-5 Pernado de probetas a-marcación, b- Instalación.

4.3 Protocolos de carga

-Flexión: En lo que respecta a los ensayos a flexión a partir de los requisitos planteados en

la norma para precalificación de conexiones tipo viga columna, se planteó un protocolo con

desplazamiento controlado en el centro de la luz cumpliendo con los ciclos planteados en

el título F.3. (AIS, 2010).

Gráfica 4-4 (ciclos de carga)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50

mm

Ciclo #

a b


PERFILES TIPO H.

-Compresión: Para el ensayo compresión se determinó a partir de la luz libre disponible

en el marco de carga y la capacidad de carga de los equipos, el elemento que tuviera una

capacidad axial que en el momento de ser ensayado no afectara el marco de carga ni el

equipo de laboratorio, como resultado de esto se seleccionaron los perfiles que se muestran

en la Tabla 4-2, los valores mostrados corresponden a la carga ultima que soportan los

elementos simplemente apoyados y sin el coeficiente de seguridad de la norma de 0.9.

Tabla 4-2 (Cargas teóricas de falla a compresión)

PROBETA SECCIONES CARGA KN (Pi)

CRSF IPE240-IPE220 361.75

CRSC IPE240-IPE220 374.88

CESC IPE220-IPE220 367.01

CESF IPE220-IPE220 350.04


5. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS

En este capítulo se analiza el comportamiento de las probetas ensayadas incluyendo los

mecanismos de falla presentados. También se hace una comparación entre los resultados

obtenidos de los ensayos, con los datos hallados teóricamente y los determinados por la

simulación numérica por MEF.

5.1 Identificación de las conexiones ensayadas

De acuerdo con el tipo de ensayo, la clase de conexión, el tipo de soldadura se les asignó

una identificación a las probetas que se ensayaron, a continuación se explican los detalles

de la nomenclatura adaptada para esta identificación:

-Tipo de carga: Las cargas como se mostraron en los montajes, pueden ser de flexión por

el eje Fuerte (F-EF). De flexión por el eje débil (F-ED) o a compresión axial (C).

-Tipo de conexión: El empalme de columna puede ser para dar continuidad a la misma

sección de columna (E), o para empalmar la columna con una sección más pequeña

reduciendo la sección de la columna (R).

-Tipo de soldadura: Hasta la fecha no hay documentación de conexiones de tipo placa de

extremo con soldaduras que no sean de completa penetración. En esta tesis se tuvo en

cuenta que la soldadura de tipo filete es más económica que la soldadura de completa

penetración desde el punto de vista de fabricación, por lo cual se hicieron la mitad de las

probetas con soldadura de filete (SF) y la otra mitad con soldadura de completa penetración

(SC).


PERFILES TIPO H.

Tabla 5-1 (Caracterización de las conexiones ensayadas)

No Nombre Carga Tipo Soldadura Solicitación Sección

1 Sección

2

1 FESF-EF Flexión Empalme Filete Eje fuerte IPE300 IPE300

2 FESF-ED Flexión Empalme Filete Eje débil IPE300 IPE300

3 FESC-EF Flexión Empalme CJP Eje fuerte IPE300 IPE300

4 FESC-ED Flexión Empalme CJP Eje débil IPE300 IPE300

5 FRSF-EF Flexión Reducción Filete Eje fuerte IPE270 IPE300

6 FRSF-ED Flexión Reducción Filete Eje débil IPE270 IPE300

7 FRSC-EF Flexión Reducción CJP Eje fuerte IPE270 IPE300

8 FRSC-ED Flexión Reducción CJP Eje débil IPE270 IPE300

9 CRSF Compresión Reducción Filete Compresión IPE240 IPE220

10 CESC Compresión Empalme CJP Compresión IPE220 IPE220

11 CRSC Compresión Reducción CJP Compresión IPE240 IPE220

12 CESF Compresión Empalme Filete Compresión IPE220 IPE220

Para los 4 ensayos a compresión de las probetas, se tomaron en cuenta los valores de las

cargas de falla los cuales se muestran en la Tabla 5-2, debido a que, al no tener

arriostramiento lateral, ni restricción en los apoyos, la carga crítica de falla corresponde a

la dada por el pandeo del elemento. Se resalta que las probetas correspondían a 2

conexiones con reducción de sección (R) y 2 con perfiles de igual peralte (E), y en cada par

variaba el tipo de soldadura aplicada, siendo 2 probetas con soldadura a completa

penetración (SC) y 2 con filetes (SF).

Para los 8 ensayos a flexión se realizó el protocolo de carga descrito por NSR-10 en el título

F, tomando los datos de carga en función del desplazamiento, formando finalmente una

gráfica de curva de histéresis para cada una de las 8 probetas: 4 empalmes de igual peralte

(E) y 4 con diferente peralte (R), 4 ensayos fueron a flexión por el eje débil del elemento


(ED) y 4 por el eje fuerte del elemento (EF), adicionalmente 4 probetas tenían soldadura

de filete (SF) y 4 a completa penetración (SC), siendo esta última diferencia la más

importante, debido a que los estudios realizados por el proyecto SAC ventura en la década

de los noventa, mostraron que las diferentes fallas de las conexiones de unión entre vigas

y columnas se presentaban en las soldaduras.

5.2 Fallas presentadas en las conexiones

5.2.1 Probetas ensayadas a compresión

A continuación, se muestran las fotografías de las probetas después de ser ensayadas en

el montaje indicado en la Ilustración 4-8. En la Fotografía 5-1 se muestra el ensayo para

perfiles de igual peralte (E), en la Fotografía 5-2 para peraltes diferentes (R).

Fotografía 5-1 Ensayo a compresión de igual peralte (E).


PERFILES TIPO H.

Fotografía 5-2 Ensayo a compresión tipo reducción (R).

Análisis del ensayo de la probeta con peraltes de igual tamaño:

En las probetas sin reducción de sección se presentó un pandeo general en el

elemento, ambas partes de la probeta deformaron hacia el centro de la luz como se

ve en la Fotografía 5-3. Además, no se observaron grietas en las soldaduras o

desplazamiento de los pernos.

Fotografía 5-3 CESC con pandeo global.

En la Fotografía 5-4 se observa la conexión sin indicios de falla, mostrando que la falla

ocurrió por pandeo general de los elementos no por falla en la conexión. De otra parte, en

las probetas tampoco hubo evidencias de pandeo local al alcanzar la carga de máxima.


Fotografía 5-4 Comparación probetas ensayadas a carga axial.

Análisis del ensayo de la probeta con peraltes de diferente tamaño:

Realizando el ensayo con las probetas CRSC y CRSF, se evidenció un pandeo en el

elemento de la probeta con menor peralte, mientras que el elemento con peralte más grande

permaneció sin deformaciones como se ve en la Fotografía 5-5.

Fotografía 5-5 CRSC con pandeo general.

Al comparar las probetas después de ser ensayadas como se muestra en la Fotografía 5-4,

se evidencia el mismo comportamiento sin importar el tipo de soldadura usada, en ambos

casos la parte con el peralte más alto permaneció completamente recto, sin deformaciones

(a) CESC

(b) CESF


PERFILES TIPO H.

y el perfil de sección menor tuvo una deformación inelástica en el sentido que se presentó

el pandeo.

Fotografía 5-6 pandeo localizado en l sección de menor peralte

De las fotografías en general es posible resaltar que la conexión de enpalme no incide en

la falla del elemento, el elemento falla por pandeo global, sin presentarse fallas localizada

en las soldaduras o en los pernos de la conexión.

Tanto las probetas con soldaduras de completa penetración (SC) como las soldaduras de

filete (SF) no presentaron grietas o fallas visibles, por lo tanto el proceso usado no incide

en la falla general del elemento.

(a) CESF

(b) CRSC


5.2.2 Probetas ensayadas a flexion

A continuación se presentan fotografías de los ensayos realizados en el Laboratorio de

Estructuras correspondiente a los montajes de flexión por el eje débil (ver Fotografía 5-7 e

Ilustración 4-6) y de flexión por el eje fuerte (ver Fotografía 5-8 e Ilustración 4-7).

Fotografía 5-7 Ensayo a flexión en eje débil


PERFILES TIPO H.

Fotografía 5-8 Ensayo a flexión en eje fuerte.

Análisis del ensayo de las probetas con peraltes de igual tamaño por el eje

débil (FESC-ED y FESF-ED):

En las probetas con igual peralte se alcanzó a aplicar el desplazamiento máximo

permitido por el equipo de laboratorio, correspondiente a 30cm como se ve en la

Fotografía 5-9, desplazamiento que corresponde a una rotación de 0.08 rad, este valor

supera la rotación de 0.04 rad que exige la norma en el titulo F.3 para viga-columna.

Fotografía 5-9 Máxima deformación con el equipo.


Después de cumplir con los ciclos de carga y lograr la deformación máxima establecida,

las probetas presentaron una deformación permanente en el centro de la luz y

desprendimientos de la pintura en los bordes superior e inferior de la sección como se

muestra en la Fotografía 5-10, tanto la probeta con soldadura de completa penetración

(SC), como la probeta con soldaduras de filete (SF) no presentaron fallas en las soldaduras.

Fotografía 5-10 FESC-ED después de ensayo

Análisis del ensayo de las probetas con peraltes de diferente tamaño por el

eje débil (FRSC-ED y FRSF-ED):

Al igual que en el ensayo con las probetas anteriores, se llevaron a la máxima deformación

permitida por el equipo como se ve en la Fotografía 5-11 Sin embargo a diferencia de las


PERFILES TIPO H.

probetas con igual peralte, la deformación en estas probetas con reducción se concentró

en la sección de menor peralte como se observa en la Fotografía 5-13.

Fotografía 5-11 Ensayo de FRSC-ED

Fotografía 5-12 Ensayo FRSF-ED, deflexión permanente en viga de menor peralte.


Fotografía 5-13 Detalle de deformaciones en la conexión.

Para las probetas ensayadas a flexión por el eje débil no se observaron fallas en las

soldaduras a pesar de la gran cantidad de ciclos y que se sobrepasó el momento máximo

probable calculado teóricamente.

En el caso de las probetas FRSC-ED y FRSF-ED, la deflexión permanente se presentó en

ambas mitades de la probeta como se ve en la Fotografía 5-11. Mientras que en las

probetas FESC-ED y FESF-ED la deformación se presentó de igual manera en ambas

secciones como se ve en la Fotografía 5-4.

Análisis del ensayo de las probetas con peraltes de igual tamaño por el eje

fuerte (FESC-EF y FESF-EF):

Para este ensayo se deformó el espécimen hasta lograr una rotación de 0.06rad,

alcanzando una carga de 120% el Mmp calculado para este elemento. A pesar de la

magnitud de la carga alcanzada el elemento presentó una deformación permanente de 2cm,

lo cual es poco perceptible para la dimensión de casi 4m de longitud de las probetas.


PERFILES TIPO H.

Fotografía 5-14 probeta FECSC-EF ensayada

Tanto en la probeta con soldaduras de completa penetración (SC) como las probetas de

soldaduras de filete (SF), se presentó un desprendimiento de la pintura en la cercanía de

los huecos de acceso de soldadura como se ve en Fotografía 5-15.

Fotografía 5-15 FESF-EF detalle de soldaduras.

Análisis del ensayo de las probetas con peraltes de diferente tamaño por el

eje fuerte (FRSC-EF y FRSF-EF):

Durante el ensayo de la primera probeta, se presentaron inconvenientes debido a la falla

de uno de los apoyos, los cuales se diseñaron para una carga igual a la mitad de la carga

máxima del cilindro hidráulico correspondiente a 25 toneladas cada apoyo, suponiendo

reacciones iguales en cada apoyo y que el ensayo según los datos teóricos no alcanzaría

esa carga máxima.


En el ensayo de la probeta con diferentes peraltes, por el eje débil FRSF-EF, al empezar a

plastificar la sección con menor peralte, la carga aplicada en el centro de la luz dejó de

distribuirse simétricamente entre los dos apoyos. Ante la pérdida de la rigidez de la sección

de menor peralte, la mayor parte de la carga fue asumida por la sección más rígida,

conduciendo a que su apoyo recibiera una solicitación más alta de la que estaba diseñado.

El dañó que se presentó en la placa base del apoyo (ver Fotografía 5-16 (a)) se reparó

cambiando la platina, añadiendo atiezadores como se muestra en la Fotografía 5-16 (b).

Sin embargo, los posteriores ensayos se llevaron a una carga máxima de 36 toneladas

dado que para esta carga la sección ya se encuentra a una carga 5% superior a la carga

estipulada para el Mmp por lo tanto no afecta el límite de carga que le da validez a los

ensayos.

Fotografía 5-16 a-Placa doblada; b-Reemplazo y refuerzo del apoyo.

Después de realizar el arreglo del apoyo se realizaron los ensayos y se encontró un

comportamiento equivalente al de las probetas a compresión, en el que la sección más

pequeña sufrió una deformación permanente más grande que la sección con mayor peralte,

lo cual se nota en el desprendimiento de la pintura como se ve en la Fotografía 5-17.

a b


PERFILES TIPO H.

Fotografía 5-17 FESF-EF después del ensayo.

Al desmontar las probetas no se presentó desviación lateral de la probeta, los

arriostramientos permanecieron en su sitio y la probeta presentó deformaciones en su eje

mayor como se ve en la Fotografía 5-18 , al igual que en las otras probetas hubo

deformaciones considerables en la zona aledaña a los huecos de acceso de la soldadura,

lo cual se evidenció en el desprendimiento de la pintura como se ve en la Fotografía 5-18.

Fotografía 5-18 Probeta FRSC-EF ensayada.

Fallas presentadas en los tornillos de las probetas ensayadas a flexión:

Después de desarmar las probetas ensayadas, se evidenció una deformación en los pernos

de los extremos superiores de las probetas ensayadas por el eje fuerte como se ve en la

Fotografía 5-19, si se analizan los estados límite del capítulo 2, el segundo estado límite

mas cercano a la unidad después de la sección trasversal es el de los pernos, por lo tanto

estos entraron en fluencia antes que las láminas.


Fotografía 5-19 pernos extraídos de las probetas.


PERFILES TIPO H.

5.3 Análisis de datos obtenidos en laboratorio

En este ítem, se presentan los datos obtenidos, de manera comparativa entre los diferentes

tipos de probetas y se analizan los comportamientos y valores obtenidos respecto a los

valores teóricos calculados inicialmente.

Para las probetas a compresión se presenta de manera resumida las cargas axiales

comparadas con los valores máximos teóricos de columnas no arriostradas lateralmente,

las cuales deben superar los valores establecidos por la NSR-10 en el capítulo F.3.

Para los ensayos a flexión presentan las curvas de histéresis y envolventes de los datos

tomados, en la Tabla 5-3 se muestran los valores máximos tomados en el laboratorio para

cada uno de los ensayos a flexión, estos valores se comparan con el momento máximo

plástico de la sección Mmp el cual es el valor que debe ser superado para considerar que

la conexión cumple con los requisitos establecidos por NSR-10 en el título F.3. en los

numerales correspondientes a empalmes de columnas.

Dado que uno de los aspectos más importantes de esta investigación es la diferencia entre

los tipos de soldadura usada en los patines, se optó por agrupar los análisis de los ensayos

por parejas, las cuales solo tienen como diferencia el tipo de soldadura, el tipo de ensayo

de carga y peraltes son los mismos, esto con el fin de simplificar los análisis y comparar el

comportamiento de las probetas.


5.3.1 Probetas ensayadas a compresión

Para los ensayos solicitados a carga axial, se tomaron lecturas de las cargas máximas,

antes del pandeo de la probeta, a continuación en la Tabla 2-1 se muestran las cargas

obtenidas experimentalmente las cuales se comparan con los valores teóricos calculados

con la teoría clásica que corresponden a 347kN para IPE220 y 481kN para IPE240, con

apoyos simples y una longitud de 3.2m.

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝐼𝑃𝐸220 − 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑: 3.2𝑚, 𝑘: 1, 𝑟: 2.48𝑐𝑚, 𝐸: 200𝑀𝑃𝑎, 𝐹𝑦: 345𝑀𝑃𝑎, 𝐴𝑔: 33.4𝑐𝑚²

𝐴𝑔0.877𝐹𝑒 = (33.4

10) ∗ 0.877 ∗ ((𝛱2 ∗

200000

129.032)) = 347.3𝑘𝑁

Ecuación 5-1

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝐼𝑃𝐸240 − 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑: 3.2𝑚, 𝑘: 1, 𝑟: 2.7𝑐𝑚, 𝐸: 200𝑀𝑃𝑎, 𝐹𝑦: 345𝑀𝑃𝑎, 𝐴𝑔: 39.1𝑐𝑚²

𝐴𝑔0.877𝐹𝑒 = (39.1

10) ∗ 0.877 ∗ ((𝛱2 ∗

200000

118.52)) = 481𝑘𝑁

Ecuación 5-2

Tabla 5-2 Resultados de ensayos a compresión

PROBETA SECCIONES EXPERIMENTAL KN IPE220%* IPE240%**

CRSF IPE240-IPE220 361.75 104% 75%

CRSC IPE240-IPE220 374.88 108% 78%

CESC IPE220-IPE220 367.01 106%

CESF IPE220-IPE220 350.04 101% *Relación de carga axial de la IPE220 y el valor experimental, ** Relación de carga axial de la IPE220 y el

valor experimental

Como se aprecia en los valores mostrados anteriormente, la carga axial máxima de la

conexión que se alcanzó corresponde a la capacidad máxima de la menor seccion, por lo

tanto la conexión cumple con las solicitaciones de la norma.

En el caso del empalme CESF y CESC la carga axial máxima alcanzada fue la misma

calculada teóricamente contrario a lo señalado en otras investigaciones (Snijder &

Hoenderkamp, 2008), en las cuales se consideraba que existe una reducción en la

capacidad axial máxima del elemento debido a la conexión de empalme.


PERFILES TIPO H.

5.3.2 Probetas ensayadas a flexión

Inicialmente se presentan en la tabla Tabla 5-3, los valores calculados teóricamente para el

valor máximo de la sección (valor en el que empieza la plastificación), estos valores se

comparan con los máximos tomados en el laboratorio como se muestra en la Tabla 5-4, con

el fin de verificar que los ensayos cumplen con lo estipulado en la norma NSR-10 en su

título F, en el cual se define que la conexión de empalme debe soportar la carga de Mmp,

para cumplir con los requisitos de diseño.

Tabla 5-3 Valores teóricos máximos de las secciones.

SECCION EJE DEBIL (kNm) EJE FUERTE (kNm)

Mmp I270 40.08 202.05

Mmp I300 52.06 262.16

No Nombre Momento (kNm)* Mmp%**

1 FESF-EF 268 102%

2 FESF-ED 53.6 103%

3 FESC-EF 287.6 110%

4 FESC-ED 59.8 115%

5 FRSF-EF 231.2 114%

6 FRSF-ED 68.3 170%

7 FRSC-EF 252 125%

8 FRSC-ED 69.4 173% *Valor de momento máximo registrado en el laboratorio, **Porcentaje del valor de experimental sobre el Mmp.

Como se puede evidenciar todos los ensayos realizados cumplen con la carga de

aceptación establecida por la norma para este tipo de conexión.

5.3.3 Probetas 1 FESF-EF y 3 FESC-EF

En las gráficas se muestran los límites de Momento nominal (Mn) y Máximo momento

plástico (Mmp), también las curvas de histéresis y sus respectivas envolventes. En la norma

NSR-10 se establece a lo largo del capítulo F.3. que las conexiones de empalme deben

alcanzar el Mmp de la sección más pequeña del empalme sin presentar fallas frágiles, por

lo tanto, las gráficas que superan el límite trazado por Mmp cumplen lo exigido en la norma.

Tabla 5-4 valores experimentales alcanzados.


Como se puede observar en la Gráfica 5-1 y Gráfica 5-2, la curva de histéresis de las

conexiones superan el límite de Mmp sin presentar una falla frágil.

En la gráfica Gráfica 5-3 Se sobreponen las envolventes de los datos obtenidos de los

ensayos FESF-EF y FESC-EF en las cuales se observa que el comportamiento es muy

parecido en ambos casos a pesar de tener diferentes tipos de soldadura en las conexiones.

Gráfica 5-1 Curva de histéresis y envolvente de FESC-EF

-300

-200

-100

0

100

200

300

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FESC-EF

ENV-FESC-EF

Mn-I300

Mmp-I300


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-2 Curva de histéresis y envolvente de FESF-EF

Gráfica 5-3 Comparación de las envolventes FESC-EF y FESF-EF

-300

-200

-100

0

100

200

300

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FESF-EF

ENV-FESF-EF

Mn-I300

Mmp-I300

-300.00

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

ENV-FESC-EF

ENV-FESF-EF

Mn-I300

Mmp-I300


5.3.4 Probetas 2 FESF-ED y 4 FESC-ED

Las probetas 2 FESF-ED y 4 FESC-ED tienen igual peralte en IPE300, la única diferencia

es la soldadura de los patines. A continuación se muestran los datos obtenidos del

laboratorio en las siguientes gráficas:

Gráfica 5-4 Curva de histéresis y envolvente de FESC-ED

Gráfica 5-5 Curva de histéresis y envolvente de FESF-ED

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FESC -ED

ENV-FESC-ED

Mn-I270

Mmp-I270

0.04rad

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FESF-ED

ENV-FESF-ED

Mn-I270

Mmp-I270

0.04rad


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-6 Comparación de las envolventes FESC-ED y FESF-ED

Como se puede observar en la Gráfica 5-4 y Gráfica 5-5, el momento nominal y plástico de

las secciones es superado sin que las conexiones presenten fallas en sus componentes, la

falla se da por la plastificación de los perfiles que empalma. A pesar de tener diferentes

tipos de soldadura, siendo la soldadura a completa penetración la recomendada en AISC-

358 para placas de extremo, ambas soldaduras presentaron un buen desempeño frente a

las cargas cíclicas.

La pérdida de la rigidez de la conexión se evidencia en la reducción de la pendiente de la

curva de histéresis después de la intersección de la envolvente con el límite de Mmp, lo

cual demuestra que las conexiones soportaron cargas y sobrepasaron el estado de fluencia

de la sección trasversal de la IPE 270, llegando posteriormente a un estado de

endurecimiento por deformación. Lo anterior muestra que la conexión en sus estados

límites cumplen con las cargas requeridas por NSR-10 para solicitaciones a momento en

empalmes.

Teniendo en cuenta los parámetros de rotación iniciales tomados de NSR-10 para la

aceptación de la conexión en los cuales se tendrían como referencia límite el mismo ángulo

de 0.04 rad, se puede afirmar que esta conexión cumple con el criterio ya que presentó una

rotación de 0.076 rad sin presentar fallas.

-75.00

-60.00

-45.00

-30.00

-15.00

0.00

15.00

30.00

45.00

60.00

75.00

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

ENV-FESF-ED

ENV-FESC-ED

Mn-I270

Mmp-I270

0.04rad


Comparando los resultados de las envolventes de los ensayos FESC-ED y FESF-ED en la

Gráfica 5-6, el comportamiento de las envolventes es muy similar, la rigidez (pendiente de

la curva) decae en ambas envolventes, después de alcanzar el límite de Mmp trazado,

ambas superan los límites de rotacion y de momento establecidos como limites en la grafica.

5.3.5 Probetas 5 FRSC-EF y 7 FRSF-EF

Gráfica 5-7 Curva de histéresis y envolvente de FRSC-EF

-300

-200

-100

0

100

200

300

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FRSC-EF

ENV-FRSC-EF

Mn-I270

Mmp-I270


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-8 Curva de histéresis y envolvente de FRSF-EF

Gráfica 5-9 Comparación de las envolventes FRSC-EF y FRSF-EF

-300

-200

-100

0

100

200

300

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FRSF-EF

ENV-FRSF-EF

Mn-I270

Mn-I270

Mmp-I270

Mmp-I270

-300

-200

-100

0

100

200

300

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

ENV-FRSC-EF

ENV-FRSF-EF

Mn-I270

Mmp-I270


En la Gráfica 5-7 y la Gráfica 5-8 se alcanzan los valores límite correspondiente al Mmp, de

la sección más pequeña de la probeta, cumpliendo con los límites de resistencia a momento

exigidos por la norma NSR-10 en el título F3.

En la Gráfica 5-9 se observa que cambia la pendiente de la curva al alcanzar el valor de

Mmp-I270, lo cual indica el inicio de la fluencia de las fibras mas extremas de la sección

entrando en el rango plástico de los materiales que componen lo probeta.

En la Gráfica 5-9 se sobreponen las envolventes de las dos conexiones tipo reducción

ensayadas por el eje fuerte y el comportamiento es muy parecido entre ellas a pesar de

tener diferentes tipos de soldadura.

5.3.6 Probetas 6 FRSF-ED y 8 FRSC-ED

Gráfica 5-10 Curva de histéresis y envolvente de FRSF-ED

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FRSF-ED

ENV-FRSF-ED

Mn-I300

Mmp-I300

0.04rad


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-11 Curva de histéresis y envolvente de FRSC-ED

Gráfica 5-12 Comparación de las envolventes FRSC-EF y FRSF-EF

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

FRSC-ED

ENV-FRSC-ED

Mn-I300

Mmp-I300

0.04rad

-75.00

-60.00

-45.00

-30.00

-15.00

0.00

15.00

30.00

45.00

60.00

75.00

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

Momento - Rotación

ENV-FRSC-ED

ENV-FRSF-ED

Mn-I300

Mn-I300

Mmp-I300

Mmp-I300

0.04rad

0.04rad


Como se puede observar en la Gráfica 5-10 y Gráfica 5-11 los momentos determinados en

los ensayos superan el momento nominal y el plástico de las secciones. La conexión no

presenta fallas en ninguno de sus elementos, independientemente del tipo de soldadura

aplicado.

En este caso también se percibe la pérdida de la rigidez de la conexión por la reducción de

la pendiente de la curva de histéresis como se ve en la Gráfica 5-12, dado que la envolvente

de la curva de histéresis tiende a volverse una línea horizontal, sufriendo mayores

desplazamientos con menos carga aplicada.

Al asociar las envolventes, con las fotografías mostradas en el item 5.2, es posible

relacionar la plastificación de la sección más pequeña de la probeta, con el cambio de

pendiente de la curva envolvente al alcanzar los límites de Mmp.

5.3.7 Comparación de empalmes y reducción

Debido al cambio de rigidez de las secciones a continuación se hace una comparación de

las curvas de histéresis de las conexiones que tenían la misma sección y las conexiones

que tenían secciones diferentes, a continuación se muestran las gráficas:

Gráfica 5-13 (Comparación FE-ED y FR-ED envolventes promedio)

-75.00

-60.00

-45.00

-30.00

-15.00

0.00

15.00

30.00

45.00

60.00

75.00

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

FESC-FRSC (ED)

ENV-FESC-ED

ENV-FRSC-ED

Mn-I270

Mmp-I270

0.04rad


PERFILES TIPO H.

Como se observa en la Gráfica 5-13 se comparan los promedios de los empalmes que

tenían reducción con los de igual peralte, la diferencia no es apreciable, esto es posible

debido a la poca diferencia entre los módulos plásticos de las IPE270 y las IPE300 con

respecto al eje débil.

Gráfica 5-14 Envolventes promedio de ensayos a flexión por el eje débil.

Al observar la gráfica Gráfica 5-14 de los empalmes de reducción y los empalmes del mismo

peralte, se evidencia una mayor pérdida de rigidez de la conexión en los perfiles con

reducción, esto puede ser causado por la diferencia de módulo de plástico Zx entre la

IPE270 e IPE300 que es de un 30%.

De la envolvente FRSC-EF se puede apreciar que tiene menor rigidez respecto al empalme

FESC-EF, debido que el aminoramiento de la pendiente de la envolvente es mas marcado

(tiene valores menores de momento) respecto a la curva superior.

-300.00

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02Rad

ian

es

kNm

FESC-FRSC-EF

ENV-FESC-EF

ENV-FRSC-EF

Mn-I270

Mmp-I270


5.4 Comparación del comportamiento de los ensayos experimentales con el obtenido en la modelación numérica por el MEF.

Luego de calibrados los 4 modelos numéricos, se hace la comparación del comportamiento

obtenido por MEF con el determinado en el laboratorio, además se compara el registro

fotográfico con las imágenes de las simulaciones numéricas.

En la Fotografía 5-20, se muestra la curvatura de la probeta, y el desprendimiento de la

pintura en sus extremos, debido a la deformación del perfil, y se compara con el MEF en la

Ilustración 5-1, en la cual se ve una deformación similar. Asimismo se observa que el

desprendimiento de la pintura presentado en la probeta ensayada coincide con la zona más

esforzada de los perfiles que aparece de color azul claro en la imagen del MEF.

Fotografía 5-20 Empalme ensayado por el eje débil

Ilustración 5-1 Empalme ensayado por el eje débil MEF


PERFILES TIPO H.

En la Ilustración 5 2 y la Fotografía 5 22 se muestra la fluencia del material del perfil en

cercanías de la soldadura, en la imagen MEF de amarillo más claro indica mayor nivel de

esfuerzos en el material, lo cual es acorde con la fotografía en donde este efecto se refleja

en el desprendimiento de la pintura.

Ilustración 5-2 Soldaduras MEF Fotografía 5-21 Soldaduras en probeta

En la Ilustración 5-3 y la Fotografía 5-22 se muestra como los pernos que quedan en

tensión durante la flexión de la probeta, presentan deformaciones permanentes. En la

imagen del modelo numérico se observa cómo durante la flexión de la probeta, los pernos

en tensión tienen colores más cálidos correspondientes a un mayor nivel de esfuerzos a

comparación de los pernos que están a compresión. Lo anterior concuerda con la parte

experimental como se evidencia en la fotografía, los pernos quedaron con deformaciones

permanentes después del ensayo.

Ilustración 5-3 Estado de esfuerzos en los pernos MEF


Fotografía 5-22 Pernos después de ser retirados de las probetas ensayadas

5.4.1 Comparación FE-ED

Para esta comparación se realizó un modelo de elementos finitos con las mismas

características geométricas y mecánicas la conexiones ensayadas, aplicando por control

de desplazamientos los ciclos de carga establecidos experimentalmente.

Gráfica 5-15 Carga-desplazamiento de MEF y FESF-ED

En la Gráfica 5-15 se comparan las curvas de histéresis de los ensayos experimentales con

los resultados del modelo de elementos finitos. La diferencia entre la forma de las curvas

de histéresis del MEF respecto a los experimentales, se debe a que en el MEF los datos de

carga y desplazamiento podían ser tomados cada milímetro, mientras que

experimentalmente se tomaron los estipulados en el protocolo de carga.

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

FE-ED

FESC -ED

MEF E ED

Mn-I270

Mmp-I270

0.04rad


PERFILES TIPO H.

Se observa un desfase en las curvas correspondientes de 3% a 7%, de diferencia en los

valores de carga presentados entre los datos experimentales respecto a los obtenidos a

través del MEF.

En la Gráfica 5-16, se presentan las envolventes del MEF y de los datos experimentales,

se resaltan los límites de 0.04 rad, debido a que este límite corresponde al ángulo de deriva

al que debe llegar una conexión de viga a columna sin sufrir una falla, dado que el nodo

viga columna se considera rígido en PRM, es posible afirmar que la columna debe girar casi

lo mismo que la viga.

Gráfica 5-16 Envolventes de MEF y ENV FE-ED

De la Gráfica 5-15 se puede observar que tanto la envolvente del MEF y la experimental

sobrepasan el límite de conexión tipo simple (L. Simple) y están cercanas el límite de

conexión tipo rígida (L. Rígida), estos límites se trazaron bajo los parámetros establecidos

en AISC-360.

De acuerdo con esto, se concluye que la conexión cumple con los límites de resistencia

establecidos en la norma NSR-10 para ser considerada como una conexión TR (totalmente

restringida) utilizada como empalmes de columna solicitadas a flexión por el eje débil.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Ro

taci

on

(R

ad)

Momento (kNm)

Momento Vs Rotacion

Mn I300 Mmp ENV FE-ED MEF FE-ED

L. Simple L. Rigida +0.04rad -0.04rad


El valor aproximado para K es el mostrado en la Gráfica 1-4, para conexiones rígidas según

AISC 360 cuyo valor corresponde a 20EI/L según se define en el documento.

Las curvas muestran buena ductilidad dado que la pérdida de su rigidez no es repentina, y

que para los límites establecidos por la norma no se presenta pérdida de resistencia, sólo

se observa una inflexión cerca al límite Mmp..

5.4.2 Comparación FR-ED

A continuación, se muestra la superposición de las gráficas de los datos de Laboratorio

tomados de las probetas ensayadas con empalmes por el eje débil que tenían diferentes

peraltes, y su gráfica homologa tomada del MEF.

Gráfica 5-17 Carga-desplazamiento de MEF y FRSF-ED

En la Gráfica 5-17 se aprecia que hay bastante similitud en las curvas de histéresis, en

ambas se muestra una perdida de la rigidez, debido al comportamiento no lineal de los

perfiles, lo cual se refleja en el engrosamiento de la curva de histéresis.

Si se comparan los límites inferior y superior de la envolvente FRSF-ED (experimental), se

observa que el valor absoluto del límite inferior en kNm es menor al superior debido al efecto

Bauschinger del acero de los perfiles, los cuales fueron deformados inicialmente en sentido

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

FR-ED

FRSF-ED

MEF FR-ED

Mn-I300

Mmp-I300

0.04rad


PERFILES TIPO H.

positivo y por eso la envolvente se ve desplazada hacia arriba en la Gráfica 5-17, mientras

que la envolvente sacada del MEF si es completamente simétrtica.

Gráfica 5-18 Envolventes de MEF y ENV FE-ED

Es muy similar en valores límite y comportamiento a la probeta de 5.3.1, debido a la poca

diferencia entre los módulos plásticos de la IPE 270 e IPE300. También se observa un

comportamiento dúctil ya que la curva no reduce su resistencia, pese a la reducción de la

rigidez, por lo tanto se considera como una conexión rígida bajo los parámetros de AISC-

360 para conexiones, además cumplen con los límites de resistencia que se establecen en

el título F de NSR-10.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Ro

taci

on

(R

ad)

Momento (kNm)

Momento Vs Rotacion

Mn Mmp ENV FR-ED MEF FR-ED

L. Simple L. Rigida -0.04rad


5.4.3 Comparación FE-EF

Gráfica 5-19 Carga-desplazamiento de MEF y FESF-EF

De la Gráfica 5-19 se puede obsrvar que para ambas curvas alcanzan el valor límite de

Mmp, el cual determina que si se alcanza la conexión cumple con los requicitos de NSR-10

en el título F para ser usada como empalme en columnas.

-450

-350

-250

-150

-50

50

150

250

350

450

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

FE-EF

FESF-EF

MEF FE EF

Mn-I300

Mmp-I300

0.04rad


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-20 Envolventes de MEF y ENV FE-EF

Para la Gráfica 5-20 se contrataron las envolventes de las curvas de histéresis con el criterio

de rigidez de acuerdo con el porcentaje de Mmp alcanzado (Gráfica 1-5),en el que la

conexión se considera rígida si el momento máximo supera 0.9 de Mmp, y se clasifica

como simple si el momento máximo es menor que 0.25Mmp (Faridmehr, Mamood, &

Lahmer, 2016) dado que este ensayo se realizó con los apoyos simples en los extremos y

no era posible aplicar el mismo criterio de AISC-360 el cual supone apoyos empotrados.

En la Gráfica 5-20 se puede notar que la curva experimental solo cambia su comportamiento

en los extremos y tiene una rigidez mayor que la curva del MEF.

La curva del MEF cambia su comportamiento después de alcanzar el Mmp de la sección,

convirtiéndose en una línea recta de pendiente constante, lo cual se puede interpretar como

el endurecimiento de los materiales después de alcanzar el límite de fluencia.

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080

Rad

kNm

ENV E-EF Mp IPE270 Mp IPE300

ENV MEF E-EF L. Simple L. Rigida


5.4.4 Comparación FR-EF

Para las gráficas de las probetas con las secciones de diferentes peraltes, los límites de Mn

(Momento nominal) y Mmp (Momento máximo probable) se tomaron con los valores de la

sección de menor peralte, la IPE270, debido a que durante las pruebas se corroboró que

este perfil era el que primero fallaba.

Gráfica 5-21 Carga-desplazamiento de MEF y FRSF-EF

En la Gráfica 5-21 se observa que ambas histéresis tienen un cambio en su comportamiento

después de alcanzar el Mmp de la menor sección y tienen las mismas características que

la gráfica FE-EF, con la diferencia que la gráfica FR-EF tiene valores máximos menores en

comparación debido a la menor rigidez que presenta la IPE270.

.

-450

-350

-250

-150

-50

50

150

250

350

450

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1Rad

ian

es

kNm

FR-EF

FRSC-EF

MEF FR EF

Mn-I300

Mmp-I300

0.04rad


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-22 Envolventes de MEF y ENV FR-EF

Para los límites de la Gráfica 5-22, se tomaron las mismas consideraciones de 5.3.3, tanto

la curva experimental como la realizada con los datos del MEF superan el límite de Mmp

de la sección más pequeña (IPE270), por lo tanto cumple con la resistencia de diseño

exigida en NSR-10.

La aproximación entre el MEF y los datos experimentales tiene un mayor grado de

aproximación, los valores experimentales y simulados tienen menor diferencia que en los

casos anteriores, en ambos casos se evidencia un cambio del comportamiento al alcanzar

la carga de Mmp de la sección más pequeña y las curvas MEF FR-EF y ENV FR-EF se

superponen.

Según el criterio de la Gráfica 1-5, la conexión con reducción de sección entre IPE300 e

IPE270 es rígida.

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080

Rad

kNm

ENV FR-EF Mp IPE270 Mp IPE300

MEF FR-EF L. Simple L. Rigida


5.4.5 Extrapolación de MEF sometidos a flexo-compresión

Después de la calibración de los modelos presentados anteriormente, se usaron los 4

modelos ya calibrados generados en el capítulo 3, adicionándole a cada uno 3 valores de

carga axial del 60%, 80% y 100% de la carga axial máxima de la columna como se muestra

en Ilustración 5-4.

Ilustración 5-4 Modelo sometido a flexo compresión.

En la Ilustración 5-5 se muestra el modelo FE-EF, sometido al 80% de la carga axial

maxima, se evidencia las concentraciones de esfuerzos en los patines de la seccion tipo

H en la zona aledaña a la la soldadura lo cual podria incidir en una posible falla del

material en esa zona.


PERFILES TIPO H.

Ilustración 5-5 MEF FE-EF para carga: 80%.

Se puede ver que los huecos de acceso de la soldadura sirven como concentradores de

esfuerzo para que el material de los patines (círculos rojos Ilustración 5-5) entren en estado

de fluencia deformándose, mientras que las soldaduras permanecen con esfuerzos por

debajo de su límite de rotura.

Ilustración 5-6 pandeo local de los patines MEF FE-EF para carga: 80%.

En la Ilustración 5-6 se muestra como el elemento sin alcanzar los 0.08 rad presenta pandeo

local de los patines de la IPE debido a la flexo-compresión a la que está sometido y las

soldaduras presentan menores esfuerzos (colores mas fríos), a comparación del material

de los patines que si presentan fluencia de los materiales.


Ilustración 5-7 Soldaduras y pernos a compresión y tensión.

De la Ilustración 5-8 es posible observar que los cordones interiores están más solicitados

que los exteriores, dado que los colores más vivos se encuentran en la parte interna de la

sección.

Ilustración 5-8 sección trasversal MEF FE-EF para carga: 80%.

En la Ilustración 5-8 muestra que hay una mayor concentracion en la parte inferior donde

hay colores mas calidos y el desplazamiento es hacia la parte inferior del elemento, dejando

a compresion las fibras del otro extremo, la soldadora presenta mayores esfuerzos que la

platina.

A continuacion se muestran las gráficas de momento rotación para los diferentes modelos.


PERFILES TIPO H.

Gráfica 5-23 Envolvente MEF FR-ED bajo cargas axiales

Gráfica 5-24 Envolvente MEF FE-ED bajo cargas axiales

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Ro

taci

on

(R

ad)

Momento (kNm)

Momento Vs Rotacion

Mn Mmp MEF FR-ED 60% 80% 100%

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Ro

taci

on

(R

ad)

Momento (kNm)

Momento Vs Rotacion

Mn Mmp MEF FE-ED 60% 80% 100%


Gráfica 5-25 Envolvente MEF FR-EF bajo cargas axiales

Gráfica 5-26 Envolvente MEF FR-EF bajo cargas axiales

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08Rad

kNm

Mp IPE270 Mp IPE300 ENV MEF FR-EF 60% 80% 100%

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08Rad

kNm

Mp IPE270 Mp IPE300 ENV MEF E-EF 60% 80% 100%


PERFILES TIPO H.

La diferencia entre 0% carga y 100% fue de un 30% en los valores de momento a los

0.08rad, esto debido al incremento en los esfuerzos de Von Mises lo cual degrada la

ductilidad del elemento.

Entre mayor carga axial se alcanza la plastificación del material mas rápido, esto se nota

en el cambio del comportamiento de la curva en las cercanías del límite de Mmp.

La rigidez inicial de la conexión es la misma sin importar la carga axial.

En general el comportamiento de las gráficas muestra una pérdida de la rigidez en relación

directa con la carga axial, esto se aprecia de la Gráfica 5-23 a la Gráfica 5-26, esto se refleja

en un menor límite máximo de la parte lineal de la envolvente de la conexión, debido a la

degradación de la rigidez, por el efecto p delta de la carga axial impuesta sobre el elemento,

en la Ilustración 5-9 Efecto p delta en las probetas se esquematiza el efecto que tiene sobre

elelemento.

Ilustración 5-9 Efecto p delta en las probetas


6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 Conclusiones generales

-De acuerdo con el análisis hecho al comportamiento de las conexiones en los ensayos

experimentales, se demuestra que es factible el uso de conexiones tipo placa de extremo

para empalmar columnas metálicas en perfiles tipo H, debido a que cumple con los

requisitos de resistencia establecidos en la norma NSR-10.

-La metodología de diseño propuesta en el capítulo 2.5, plantea adecuadamente los

estados límite y garantiza el cumplimiento de los parámetros de la norma, para el diseño de

la conexión tipo placa de extremo para empalmes de columnas tipo H.

-La modificación de la geometría de la conexión tipo placa de extremo de unión entre vigas

y columnas que se propuso, evidenció el aumento de la resistencia de los pernos a tensión

dado que con 8 pernos no se superaba el límite de resistencia necesario para soportar el

momento generado por la viga en su estado de plastificación.

- Al calcular los estados límite de la conexión diseñada se evidenció que los estados más

vulnerables, correspondientes a los que tienen un índice demanda de capacidad más alto,

fueron los que describían la resistencia de la sección trasversal y los pernos, lo cual

concuerda con los resultados de los ensayos y las simulaciones, en los cuales se

presentaron deformaciones visibles en los pernos y las zonas cercanas a la soldadura.

-Es importante establecer el modo de falla de la conexión antes de determinar el diseño

definitivo, como se muestra en el Capítulo 2 como es necesario evaluar que el estado límite

de la soldadura, no sea el que tenga mayor relación de demanda capacidad, debido a que

la falla de la soldadura es frágil, y por lo tanto, se afectaría el desempeño de la conexión.

Así mismo, tampoco se recomienda dejar como estado límite más crítico la resistencia

momento de los pernos, dado que al ser pernos de alta resistencia con procesos térmicos,

no presentan gran ductilidad y la falla puede ser frágil en la conexión.


-La conexión en los 12 ensayos presentó una falla dúctil, dado que los elementos entraron

en fluencia, como los pernos y las secciones de perfil en H sin presentar fracturas en las

soldaduras.


PERFILES TIPO H.

-En lo que respecta al comportamiento a compresión de las 4 probetas ensayadas, se

observó que la conexión en la columna no afecta la capacidad de la carga axial de la

columna, contrario a lo que proponen otros autores (Snijder & Hoenderkamp, 2008),

(Hoenderkamp, 2005), que concluyen que la conexión puede inducir a una pérdida de la

capacidad axial de la columna sometida a compresión pura.

-Con respecto a los elementos ensayados a flexión, cuando los elementos tienen igual

peralte ambos tienen la misma deformación permanente, en el caso de tener una reducción,

el tramo de menor peralte se deforma y la sección más grande permanece en el rango

elástico, teniendo presente que en ninguno de los casos la conexión fallo de manera frágil.

-De acuerdo a los análisis realizados a la Fotografía 5-17 y las ilustraciones 5-7 y 5-8 se

puede concluir que el hueco de acceso de soldadura, al reducir la sección en el área

trasversal de la sección, se comporta como un concentrador de esfuerzos en los patines

del perfil, con lo que se alcanza la fluencia de los patines y se evita la falla frágil de la

conexión debido a la soldadura.

-Debido a que el estado límite más crítico era la resistencia a tracción de los pernos, la

soldadura a filete no falló (a pesar que en 4.1.2, se muestra que la soldadura a filete tiene

menos capacidad que la de completa penetración), debido a que se aplicó un filete lo

suficientemente grueso y el estado límite más crítico era uno diferente al de la resistencia

de la soldadura, por ese motivo la conexión presentó un buen desempeño en todos los

ensayos a flexión, concluyendo que es posible realizar este tipo de conexión con soldaduras

a filete siempre y cuando el dimensionamiento de la soldadura sea el adecuado.

-Los pernos pretensados con el método del giro de vuelta no presentaron una degradación

considerable, en sus propiedades mecánicas, respecto a los pernos intactos, como se pudo

observar en el capítulo 4.1.3, en el cual las curvas de esfuerzo deformación son muy

parecidas, por lo tanto el método de apriete usado no reduce de manera significativa la

resistencia a tensión del perno.


6.1.2 Simulación numérica

-Las simulaciones realizadas por MEF, dieron una aproximación muy cercana a los

resultados de laboratorio como se muestra en el Item 5.4, por lo tanto es factible utilizarlas

simulaciones numéricas por MEF para predecir el comportamiento estructural y el

desempeño sísmico de este tipo de conexiones y optimizar su diseño.

-El comportamiento de la envolvente de la curva de histéresis de los modelos calibrados

del capítulo 5, se aproxima al comportamiento del modelo carga monotónica que se muestra

en la Gráfica 3-2, por lo tanto la calibración más rápida para las condiciones iniciales del

modelo es usando una carga monotónica, lo cual ahorra tiempo y costo computacional.

-Es posible identificar las posibles fallas de la conexión por medio de la simulación

numérica, una vez se han calibrado los modelos acorde con los resultados experimentales,

dado que las concentraciones de esfuerzos y deformaciones permanentes de los MEF, se

evidenciaron en los ensayos experimentales, lo cual permite afirmar que usando estos

mismos parámetros de modelamiento, es posible extrapolar esta conexión a otras

secciones de diferentes peraltes y obtener resultados muy cercanos a los reales usando

MEF.

-En la extrapolación de las conexiones sometidas a flexo compresión se notó una

degradación de la rigidez en curvas de histéresis de la conexión como se mostró en 5.4.5.,

debido a los efectos p delta producidos por la carga axial.

-La geometría de la soldadura modelada no incide en el comportamiento general de la

conexión, pero si incide en las concentraciones de esfuerzo sobre la placa como se mostró

en el capítulo 4.1.2. en la gráfica 4.1-3, para efectos del análisis general de la conexión no

es necesario hacer un modelamiento detallado de la soldadura, dado que

experimentalmente también se comprobó que el comportamiento de la conexión no varió

de manera considerable a pesar de usar procesos de soldadura diferentes.

-El pre-tensionamiento de los pernos en ANSYS usando la herramienta que el programa

tiene, no incide en el comportamiento general de la conexión, por lo tanto aplicar pretensión

en los pernos en la simulación es un costo computacional extra, que no repercute en los

resultados.


PERFILES TIPO H.

-Los contactos tipo frictionless son adecuados para determinar en los modelos la trasmisión

de carga entre elementos que pueden trasmitir compresiones entre ellos perno no

tensiones, lo cual permitió la calibración adecuada del modelo, obteniendo resultados de

las simulaciones muy parecidos a los experimentales.

6.2 Recomendaciones


-Es apropiado evaluar la sobre-resistencia de los elementos ensayados, para diseñar y

fabricar los apoyos de los montajes, también considerar la posible afectación que pueden

tener las fuerzas que se generan en el montaje sobre los elementos involucrados en el

ensayo.

-Para el arriostramiento flexotorsional, se recomiendan rieles con elementos de sujeción

fáciles de montar y retirar que permitan el desplazamiento de la probeta ensayada,

restringiendo la rotación del elemento.

-Para la instalación de los pernos con equipo mecánico, se recomienda tener en cuenta los

tamaños de las pistolas y dejar suficiente espacio para la maniobrabilidad de estas en la

instalación.

6.2.2 Simulación numérica

-Se recomienda hacer los análisis iniciales de las simulaciones numéricas con cargas

monotónicas unidireccionales antes de realizar modelos con cargas histeréticas. Esta

simulación previa permite evaluar de antemano las condiciones de apoyo, mallado,

desplazamientos, geometría y velocidad de convergencia del modelo.

-Evaluar adecuadamente el tipo de contactos permite obtener mejores resultados del MEF.

En el caso de esta investigación se empleó una combinación de contactos tipo bonded y

frictionless que permitieron una adecuada simulación.


6.2.3 Lineamientos de futuros trabajos

- Para una futura investigación se propone la evaluación experimental de las conexiones

sometidas a flexo compresión, como una comprobación de la extrapolación propuesta en

esta investigación.

-Se sugiere realizar una futura tesis, en la que se evalúe el efecto que tienen las conexiones

tipo placa de extremo en empalmes de columnas tipo H, en el comportamiento de

edificaciones en acero ante cargas de sismo, partiendo de los resultados de rigidez y curvas

de histéresis obtenidos en esta investigación.

- Como futura línea de investigación, se propone el análisis de sistemas estructurales que

incorporen la reducción de la sección en vigas como se muestra en las siguientes

ilustraciones, utilizando estas reducciones como fusibles de disipación de energía, que

permitan posteriores reparaciones en las estructuras.

Ilustración 6-1 uso de reducción como link en pórticos PAE, a-Central, b- Esquina

Ilustración 6-2 Uso en conexión viga columna a-Eje débil, b-Eje fuerte

(a) (b)

(a) (b)


PERFILES TIPO H.

Ilustración 6-3 Uso de conexión como fusible, a-Muros estructurales, b-Sistema PAC

A. Anexo: cálculo de conexiones

En este anexo se muestra el cálculo de las conexiones IPE220, IPE240, IPE270.

PERFIL IPE220 CORTANTE 50%

Fy(Mpa)= 345 Vn= Ø0.6AvFy

Fu(Mpa)= 450 (0.9*0.6*220*5.9*345*0.5/1000)

120.91 kN

PROPIEDADES

d(mm) 220 MOMENTO

bf(mm) 110

tf(mm) 9.2 NOMINAL (Zx) 100%

hw(mm) 177 Mp= ØZxFy

tw(mm) 5.9 (1*0.9*286*345/1000)

r(mm) 12 88.8 kNm

bf/2tf 5.97826087

hw/tw 30 NOMINAL (Zy) 100%

área(cm²) 33.4 Mp= ØZyFy

peso(Kg/m) 26.2 (1*0.9*57*345/1000)

Ix(cm4) 2770 5.5 kNm

Sx(cm3) 252

rx(cm) 9.11 MAXIMO MOMENTO PROBABLE

Qx(cm3) 143

Zx(cm3) 286 EJE FUERTE 1.1RyZxFY

Iy(cm4) 205 (1.1*1.1*286*345/1000)

Sy(cm3) 37.3 119.39 kNm

ry(cm) 2.48

Qy(cm3) 29 EJE DEBIL 1.1RyZxFY

1.5.Sy(cm3) 55.95 (1.1*1.1*29*220/1000)

Zy(cm3) 57 23.79 kNm

CARGA AXIAL IPE220

long (m) 3

k 1

kL/r 121.0

4.71(E/Fy)^.5 113.4

AgFy0.658^(Fy/Fe) NA

Ag0.877Fe 395.1

CUMPLE Pu>FaxFS

122 USO DE CONEXIONES TIPO PLACA DE EXTREMO, PARA CONEXIONES DE CONTINUIDAD DE


CONSIDERACIONES GEOMETRICAS














G1 DISTANCIA AL BORDE HORIZONTAL

Lmin=5/4db

1.25*25.4*0.75

24 mm

Lemax = min(12*tp, 6 [in])

MIN(12*0.75*25.4;6*25.4)

152.4 mm

Lmin<= 30 <=Lmax OK

G1 DISTANCIA AL BORDE VERTICAL

Lmin=5/4db

1.25*25.4*0.75

23.8125 mm


MIN(12*0.75*25.4;6*25.4)

152.4 mm

Lmin<= 30 <=Lmax OK

Anexo B. Nombrar el anexo B de acuerdo con su contenido 123

VERIFICACION DE DISEÑO

FLEXION EN FLUENCIA DE LA PLATINA

s = 0.5*(bp*g)^1/2 bp=2db+2*dbext=

183.45 mm

42.47 mm h1=d-tf-pfi= 182.

23 mm

h0=d+pfi= 248.

58 mm

pfi

=min(pfi,s)

MIN(30;42.47)

30 mm

Yp = bp/2*(h1*(1/pfi + 1/s) + h0*(1/pf0) - 1/2) + 2/g*(h1*(pfi + s))

183.45/2*(182.225*(1/30+1/42.47)+248.575*(1/30)-1/2)+2/30*(182.225*(30+42.47))

2183.61 mm²

Mpl = Fyp*Tp^2*Yp Fyp=Fy platina 350 Mpa

350*0.75*25.4^2*2183.61/1000000

369.8 kNm

ØMpl 0.9*369.8

332.82 kNm OK

MOMENTO RESISTENTE EN PERNOS

Pt = Ab*Fnt

(25.4*0.75)^2*PI()/4*895.7/1000

(25.4*0.75)^2*PI()/4*1112.735*0.75/1000

237.86 kN

Mnp = 2*Pt*(Sdn) "8 Pernos"

2*Pt*(Sdn) "10 pernos"

2*237.86*((421.6))/1000

237.86*(2*421.6+220-0.5*9.2+28.575)/1000)

200.56 258.59 kNm

Mn = Ø*Mnp "8 Pernos"

= Ø*Mnp "10 Pernos"

150.42 kNm 193.9425 kNm



OK OK

CORTE EN PERNOS (EJE FUERTE)

Rn = 4 * (f*Fnv*Ab) "8 Pernos"

= 5 * (f*Fnv*Ab) "10 Pernos"

4*(0.75*0.6*895.7*(0.75*25.4)^2*PI()/4)/1000

5*(0.75*0.6*895.7*(0.75*25.4)^2*PI()/4)/1000

459.53 Kn 689.

29 kN

OK OK

APLASTAMIENTO DE PERNOS POR CORTE

Lc-end = Max(0.0, Le - dh/2)

MAX(0;34.575-((0.75+1/16)*25.4)/2)

24.25

Lc-spa = Max(0.0, s - dh) = Max(0.0, s - dh)

MAX(0;(57.15-2-((0.75+1/16)*25.4))) MAX(0;(57.15-2-((0.75+1/16)*25.4)))

34.51 mm 55.3

6 mm

Rn = Ø*(min(k1*lc, k2*d) + min(k1*Lc-spa, k2*d)*(n - 1))*tp*Fu*nc

(0.75*(MIN(1.2*24.25; 2.4*0.75*25.4) + MIN(1.2*34.51; 2.4*25.4*0.75)*(2 - 1))*0.75*25.4*448.6*2)/1000

903.87 kN

CORTE A FLUENCIA

Rn = Ø*0.6*Fyp*bp*tp

0.9*0.6*350*(57.15+2*34.575)*25.4*0

.75/1000

454.74 kN

CORTE A ROTURA

Lh = dh + 1/16 [in]

22.25 mm

An = (bp - 2*Lh)*tp

(57.15+2*34.575- 2*22.25)*25.4*0.75

1558.29 mm2


Rn = Ø*0.6*Fup*An

0.75*0.6*448.6*1558.29/1000

314.57 kN

RESISTENCIA A CORTE DE LOS PERNOS (EJE DÉBIL)

Rn =nb(Ø0.6FybAb)

5*(0.75*0.6*895.7*(PI()*(0.75*25.4)^2/4))/1000

574.4 kN

RESISTENCIA A MOMENTO DE LOS PERNOS (EJE DÉBIL)

Mn ØAbFnt(4bp+2bp/2)

0.75*237.86*(5*183.45)/1000

163.63 Knm

RESISTENCIA A MOMENTO DE LA SOLDADURA

ØMn =1.5*0.75(0.707Gl)0.6FEXX*d

1.5*0.75*0.707*15*110*2*0.6*490/1000*0.22

169.8 KNm

RESISTENCIA A CORTE DE LA SOLDADURA

ØRn

=0.75(0.707Gl)0.6FEXX

0.7*0.707*6*(2*B9)*0.6*490/1000

309 KN

RESISTENCIA DE LA SECCION REDUCIDA

ØRn =Zxr*Fy

261.38*345/1000

90.2 kNm

ESTADO LIMITE CAPACIDAD

UNIDAD

DEMANDA

RELACION D/C



FLEXION EN FLUENCIA DE LA PLATINA 332.82 kNm 119.39 35.9%





CORTE A ROTURA 314.57 kN 120.91 38.4%





RESISTENCIA DE LA SECCION REDUCIDA 90.18 kNm 119.39 132.4%




Fu(Mpa)= 450 (0.9*0.6*240*6.2*345*0.5/1000)

138.61 kN

PROPIEDADES

d(mm) 240 MOMENTO

bf(mm) 120



tw(mm) 6.2 (1*0.9*366*345/1000)

r(mm) 15 113.6 kNm

bf/2tf 6.12244898

hw/tw 30.64516129 NOMINAL (Zy) 100%


peso(Kg/m) 30.7 (1*0.9*73*345/1000)

Ix(cm4) 3890 7.7 kNm

Sx(cm3) 324


Qx(cm3) 183


Iy(cm4) 284 (1.1*1.1*366*345/1000)

Sy(cm3) 47.3 152.79 kNm

ry(cm) 2.7


1.5.Sy(cm3) 70.95 (1.1*1.1*36*240/1000)

Zy(cm3) 73 30.47 kNm

CARGA AXIAL IPE240

long (m) 3

k 1

kL/r 111.1

4.71(E/Fy)^.5 113.4

AgFy0.658^(Fy/Fe) 546.73

Ag0.877Fe NO APLICA

CUMPLE Pu>FaxFS


















Lmin=5/4db

1.25*25.4*0.75

24 mm


MIN(12*0.75*25.4;6*25.4)

152.4 mm

Lmin<= 30 <=Lmax OK


Lmin=5/4db

1.25*25.4*0.75

23.8125 mm


MIN(12*0.75*25.4;6*25.4)

152.4 mm

Lmin<= 30 <=Lmax OK




s = 0.5*(bp*g)^1/2 bp=2db+2*dbext=

183.45 mm

42.47 mm h1=d-tf-pfi= 201.6

3 mm

h0=d+pfi= 268.5

8 mm

pfi =min(pfi,s)

MIN(30;42.47)

30 mm


183.45/2*(201.625*(1/30+1/42.47)+268.575*(1/30)-1/2)+2/30*(201.625*(30+42.47))

2400.22 mm²


350*0.75*25.4^2*2400.22/1000000

406.48 kNm

ØMpl 0.9*406.48

365.832 kNm OK


Pt = Ab*Fnt

(25.4*0.75)^2*PI()/4*895.7/1000

(25.4*0.75)^2*PI()/4*1112.735*0.75/1000

237.86 kN

Mnp = 2*Pt*(Sdn) "8 Pernos" 2*Pt*(Sdn) "10 pernos"

2*237.86*((460.4))/1000

237.86*(2*460.4+240-0.5*9.8+28.575)/1000)

219.02 281.73 kNm

Mn = Ø*Mnp "8 Pernos" = Ø*Mnp "10 Pernos"

164.265 kNm 211.2975 kNm

OK OK


Rn

= 4 * (f*Fnv*Ab) "8 Pernos" = 5 * (f*Fnv*Ab) "10 Pernos"

4*(0.75*0.6*895.7*(0.75*25.4)^2*PI()/4)/1000

5*(0.75*0.6*895.7*(0.75*25.4)^2*PI()/4)/1000

459.53 Kn 689.2

9 kN



OK OK



MAX(0;34.575-((0.75+1/16)*25.4)/2)

24.25


MAX(0;(57.15-2-((0.75+1/16)*25.4))) MAX(0;(57.15-2-((0.75+1/16)*25.4)))

34.51 mm 55.36 mm


(0.75*(MIN(1.2*24.25; 2.4*0.75*25.4) + MIN(1.2*34.51; 2.4*25.4*0.75)*(2 - 1))*0.75*25.4*448.6*2)/1000

903.87 kN

CORTE A FLUENCIA


0.9*0.6*350*(57.15+2*34.575)*25.4*0.75/1

000

454.74 kN

CORTE A ROTURA

Lh = dh + 1/16 [in]

22.25 mm

An = (bp - 2*Lh)*tp

(57.15+2*34.575- 2*22.25)*25.4*0.75

1558.29 mm2

Rn = Ø*0.6*Fup*An

0.75*0.6*448.6*1558.29/1000

314.57 kN


Rn =nb(Ø0.6FybAb)

5*(0.75*0.6*895.7*(PI()*(0.75*25.4)^2/4))/1000

574.4 kN




0.75*237.86*(5*183.45)/1000

163.63 Knm


ØMn =1.5*0.75(0.707Gl)0.6FEXX*d

1.5*0.75*0.707*15*120*2*0.6*490/1000*0.24

202.0 KNm


ØRn

=0.75(0.707Gl)0.6FEXX

0.7*0.707*6*(2*B9)*0.6*490/1000

332 KN


ØRn =Zxr*Fy

332.34*345/1000

114.7 kNm


UNIDAD

DEMANDA

RELACION D/C








CORTE A ROTURA 314.57 kN 138.61 44.1%









Fu(Mpa)= 450 (0.9*0.6*270*6.6*345*0.5/1000)

165.99 kN

PROPIEDADES

d(mm) 270 MOMENTO

bf(mm) 135



tw(mm) 6.6 (1*0.9*484*345/1000)

r(mm) 15 150.3 kNm

bf/2tf 6.617647059

hw/tw 33.18181818 NOMINAL (Zy) 100%


peso(Kg/m) 36.1 (1*0.9*96*345/1000)

Ix(cm4) 5790 11.3 kNm

Sx(cm3) 429


Qx(cm3) 242


Iy(cm4) 420 (1.1*1.1*484*345/1000)

Sy(cm3) 62.2 202.05 kNm

ry(cm) 3.02


1.5.Sy(cm3) 93.3 (1.1*1.1*48*270/1000)

Zy(cm3) 96 40.08 kNm

CARGA AXIAL IPE270

long (m) 3

k 1

kL/r 99.3

4.71(E/Fy)^.5 113.4

AgFy0.658^(Fy/Fe) 769.35

Ag0.877Fe NO APLICA

CUMPLE Pu>FaxFS


















Lmin=5/4db

1.25*25.4*0.75

24 mm


MIN(12*0.75*25.4;6*25.4)

152.4 mm

Lmin<= 30 <=Lmax OK


Lmin=5/4db

1.25*25.4*0.75

23.8125 mm


MIN(12*0.75*25.4;6*25.4)

152.4 mm

Lmin<= 30 <=Lmax OK




s = 0.5*(bp*g)^1/2 bp=2db+2*dbext=

183.45 mm

42.47 mm h1=d-tf-pfi= 231.2

3 mm

h0=d+pfi= 298.5

8 mm

pfi =min(pfi,s)

MIN(30;42.47)

30 mm


183.45/2*(231.225*(1/30+1/42.47)+298.575*(1/30)-1/2)+2/30*(231.225*(30+42.47))

2729.05 mm²


350*0.75*25.4^2*2729.05/1000000

462.17 kNm

ØMpl 0.9*462.17

415.953 kNm OK


Pt = Ab*Fnt

(25.4*0.75)^2*PI()/4*895.7/1000

(25.4*0.75)^2*PI()/4*1112.735*0.75/1000

237.86 kN

Mnp = 2*Pt*(Sdn) "8 Pernos" 2*Pt*(Sdn) "10 pernos"

2*237.86*((519.6))/1000 237.86*(2*519.6+270-0.5*10.2+28.575)/1000)

247.18 316.99 kNm

Mn = Ø*Mnp "8 Pernos" = Ø*Mnp "10 Pernos"

185.385 kNm 237.7425 kNm

NO OK




Rn

= 4 * (f*Fnv*Ab) "8 Pernos" = 5 * (f*Fnv*Ab) "10 Pernos"

4*(0.75*0.6*895.7*(0.75*25.4)^2*PI()/4)/1000

5*(0.75*0.6*895.7*(0.75*25.4)^2*PI()/4)/1000

459.53 Kn 689.2

9 kN

OK OK



MAX(0;34.575-((0.75+1/16)*25.4)/2)

24.25


MAX(0;(57.15-2-((0.75+1/16)*25.4))) MAX(0;(57.15-2-((0.75+1/16)*25.4)))

34.51 mm 55.36 mm


(0.75*(MIN(1.2*24.25; 2.4*0.75*25.4) + MIN(1.2*34.51; 2.4*25.4*0.75)*(2 - 1))*0.75*25.4*448.6*2)/1000

903.87 kN

CORTE A FLUENCIA


0.9*0.6*350*(57.15+2*34.575)*25.4*0.75/1

000

454.74 kN

CORTE A ROTURA

Lh = dh + 1/16 [in]

22.25 mm

An = (bp - 2*Lh)*tp

(57.15+2*34.575- 2*22.25)*25.4*0.75

1558.29 mm2

Rn = Ø*0.6*Fup*An

0.75*0.6*448.6*1558.29/1000

314.57 kN



Rn =nb(Ø0.6FybAb)

5*(0.75*0.6*895.7*(PI()*(0.75*25.4)^2/4))/1000

574.4 kN



0.75*237.86*(5*183.45)/1000

163.63 Knm


ØMn =1.5*0.75(0.707Gl)0.6FEXX*d

1.5*0.75*0.707*15*135*2*0.6*490/1000*0.27

255.7 KNm


ØRn

=0.75(0.707Gl)0.6FEXX

0.7*0.707*6*(2*B9)*0.6*490/1000

382 KN


ØRn =Zxr*Fy

444.06*345/1000

153.2 kNm




UNIDAD

DEMANDA

RELACION D/C






CORTE A ROTURA 314.57 kN 165.99 52.8%







B. Anexo: Planos de taller

7. Referencias

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