Articulo

RCF-37-1

ESTANDARIZACIN DE CONEXIONES SOLDADAS EN PRTICOS RESISTENTES A MOMENTO

STANDARDIZING WELDED CONNECTIONS IN MOMENT RESISTANT FRAMESGonzlez, G. a

a [email protected]

Marzo - 2015

ResumenActualmente se ha descuidado la importancia de la soldadura en el campo de las estructuras metlicas y es lamentable que tan importante elemento se est delegando algunas veces desde la etapa de diseo y en la mayora de los casos desde la etapa de construccin a los operarios de soldadura. El presente trabajo recopila todos los elementos estructurales ms comnmente utilizados y los agrupa en parejas viga-columna por medio de una relacin de momentos que permite una jerarqua de falla con columnas fuertes y vigas dbiles, con las cuales se disearan soldaduras con cargas de diseo iguales a las cargas de capacidad de la conexin. De esta manera se obtiene una conexin que cumple con todos los requerimientos de diseo establecidos por la normativa vigente. Estandarizar tanto procesos constructivos como de diseo puede mejorar considerablemente el desempeo y la productividad de las obras de infraestructura adems de la seguridad como una de las variables ms importantes dentro de los objetivos de la ingeniera civil.

Palabras claves: Estandarizacion, Soldadura, Conexion.

AbstractNowadays the importance of welding on metallic structures has decreased and its worrying that this element is sometimes being delegated to the welding operators in the design stage, and most of the cases, in the building stage. This project takes the most commonly structural elements and joins in couples of beam-column through a ratio of moments which allows a fault hierarchy with strong column and weak beam, in which the welding will be designed with equal loads to the connection capacity. On this way, is gotten a connection that meets the design requirements fixed in the current regulation. Standardizing building and designing processes could improve performance and productivity of the infrastructures, furthermore the security like one of the most important variable within the Civil Engineering objectives.

Keywords: Standardization, Welding, Connection

Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

Giordany Gonzlez Serna

Trabajo de Grado

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I. INTRODUCCIN

Las estructuras metlicas en comparacin con las estructuras de concreto tienen un riesgo ms crtico en las uniones, para lo cual es necesario enfocar estudios puntuales al mejoramiento de su comportamiento, al aprovechar que su modelo estructural es ms fiel y la idealizacin es ms acertada que la obtenida en los modelos estructurales de concreto reforzado.

El clculo y el diseo de estructuras metlicas requieren de un delicado y detallado clculo de conexiones. Las conexiones son el elemento ms importante dentro de una estructura metlica ya que es all donde se concentran y se transmiten grandes esfuerzos entre un elemento estructural y otro.

Si se logra aprovechar las estandarizaciones que rodean a las estructuras metlicas desde la geometra de los elementos que la componen hasta las caractersticas, qumicas y mecnicas, se puede tomar ventaja en estandarizacin de las conexiones como un elemento que facilitara la toma de decisiones tanto en la elaboracin de diseos como en la etapa de fabricacin y montaje.

Las conexiones deben de tener el cuidado y el respeto de los profesionales de la ingeniera desde su diseo, ejecucin, control y evaluacin de calidad. No se justifica que en la actualidad se permita dejar las conexiones a criterio del constructor y posteriormente al soldador, es importante poner al alcance de los ingenieros informacin detallada de dimensionamiento de soldaduras, preparaciones de junta, protocolos de ejecucin y evaluacin de calidad como una herramienta inmediata a la hora de elaborar diseos y de ejecutarlos debidamente.

La estandarizacin de conexiones soldadas es posible, mediante el estudio de los perfiles estructurales producidos por la industria metalrgica, es necesario conocer todas las capacidades de carga de todos estos elementos y as usarlas como la demanda de esfuerzos que debera soportar la soldadura, este criterio se basa en la hiptesis de que una soldadura debe ser ms fuerte que su material base y una estructura nunca puede fallar en la conexin antes de la rotulacin plstica.

II. ANTECEDENTES

La humanidad sin mayor podero para enfrentar y predecir los fenmenos naturales siempre ha optado por prevenirlos y actuar de manera pasiva ante estos siniestros. En el siglo XX los terremotos generaron alrededor de 14000 muertos en promedio al ao, esto incluye prdidas econmicas que impactaron negativamente el desarrollo de las zonas afectadas.

Los ingenieros Juan Felipe Beltrn y su colega Ricardo Herrera M. profesores del departamento de ingeniera de la Universidad de Chile, con su trabajo titulado: Innovaciones en el Diseo Ssmico de Estructuras de Acero (2006), argumentan que en la dcada de los 90, sismos de gran magnitud como el de Northridge, en Estados Unidos (1994) y Kobe, en Japn (1995) resaltaron la vulnerabilidad de las conexiones soldadas viga-columna en prticos metlicos resistentes a momento. Los daos observados en las edificaciones afectadas por los sismos mostraron el bajo desempeo de sus estructuras, las cuales no fueron rivales para la devastadora fuerza de la naturaleza. Esto puso en tela de juicio la filosofa de diseo que se aplicaba e hizo que se iniciaran importantes programas de investigacin en torno al comportamiento de los diferentes tipos de conexiones, con el fin de restringir procedimientos tanto constructivos como de diseo y a la vez de involucrar correctas formas y procesos constructivos que mejoren su desempeo.

El diseo sismorresistente da pequeos pasos, lamentablemente, de manera posterior a las tragedias que se han presentado con cada sismo que la sociedad tiene que enfrentar sin previo aviso. Por ello, los aportes realizados al diseo ssmico de edificaciones sin importar que tan pequeos sean podrn algn da salvar vidas, disminuir daos, mejorar el comportamiento inelstico de las estructuras y proveer modelos ms cercanos a la realidad.

En enero de 1994 el sismo que sacudi a Northridge en Estados Unidos, no report fallas estructurales de manera inmediata en las edificaciones que lograron quedar en pie con el cese del movimiento telrico, puesto que para ello se deba retirar todo tipo de elementos de fachada y acabados que permitieran evidenciar cualquier tipo de falla. Algunos meses despus, con elevadores en mal funcionamiento y con las reparaciones de elementos no estructurales a causa del siniestro, se evidencia accidentalmente todo tipo de fallas en las conexiones viga-columna; esto llev a una inspeccin aleatoria ms minuciosa en todo el norte del valle de San Fernando. Debido a la investigacin exhaustiva se logra identificar un gran nmero de fallas crticas, en donde pasado un ao, ya se tenan identificadas ms de 100 estructuras con fallas en sus conexiones.

Al ver las fotografas del siniestro, se evidencia con facilidad que muchas de las fallas presentadas en las conexiones a causa de los fuertes sismos (Northridge y Kobe) fueron de tipo frgil, al ser las ms comunes fisuras en las soldaduras de los patines de las vigas, fractura a lo largo de la lnea de los pernos en el alma y fractura de los patines de las columnas. Al observar los elementos adyacentes a las conexiones, se evidenci que la estructura no plastific, este factor fue catastrfico al no permitir que la estructura disipara energa y se comportara de manera dctil.

Por otra parte, en el estudio: Calificacin de una Conexin realizado por Maritza Uribe Vallejo y Gabriel F. Valencia Clement, (2009), Docentes investigadores de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogot, encontraron:

Durante las ltimas dcadas un importante crecimiento del uso de diferentes sistemas estructurales de acero en el mbito de la construccin en Colombia, gracias a las notables facilidades en la adquisicin de la materia prima, la versatilidad de los productos y las ventajas que ofrece el acero durante las etapas de fabricacin y montaje, que se reflejan en el ahorro considerable de tiempo y costos directos. Este precedente ha generado inquietudes a nivel de la academia y de la investigacin en lo que se refiere al desarrollo de nuevas metodologas de diseo y tcnicas constructivas que se ajusten cada vez ms a nuestro medio, recursos, necesidades y tecnologa, que permitan garantizar el comportamiento eficiente de las estructuras ante solicitaciones ssmicas, aprovechando al mximo las ventajas del acero, como su alta resistencia, capacidad de disipacin de energa, elasticidad y ductilidad. (pg.1)

Un estudio como la estandarizacin de conexiones est inspirado por el constante crecimiento que muestra la construccin con estructuras metlicas, pues es necesario tener un desarrollo constante que mejoren la calidad de la fabricacin y el montaje de estructuras al igual que las conexiones como el elemento fundamental de estos sistemas constructivos.

Uribe y Valencia en el estudio anteriormente mencionado, hablan de la implementacin de procesos constructivos que no cuentan con soportes tcnicos ni experimentales:

Estas investigaciones son evidencia del inters constante por dar solucin y mejorar ciertas prcticas constructivas y de diseo que se vuelven comunes y frecuentes pero que en la mayora de los casos no presentan un soporte ni tcnico ni experimental que garantice el adecuado comportamiento de la unin ante las demandas ssmicas. (pg. 2)

En vista de este tipo de situaciones, con el paso del tiempo las conexiones se han vuelto objeto de estudio para mejorar da a da tanto los diseos como los procesos constructivos de las estructuras metlicas.

No mucho tiempo despus, el ingeniero Edgar Ricardo Quiroz Villn, inspector de construcciones soldadas de Lima, Per, en su tesis Comportamiento de Conexiones Empernadas Sometidas a Cargas Cclicas y Peridicas (2011) realiz estudios prcticos y analticos para determinar el comportamiento de conexiones empernadas sometidas a cargas cclicas y peridicas con resultados que muestran ciclos de histresis de tipo deslizamiento, lo cual es un comportamiento muy diferente al comportamiento de las conexiones soldadas ante cargas cclicas.

El ingeniero Quiroz realiz su tesis de Maestra en Ingeniera Estructural basado en los estudios de Popov, E.P. y R. B. Pinkney (1968, 1969a, 1969b), sobre del comportamiento de las conexiones ante cargas cclicas, en donde determinaron las siguientes caractersticas:

1. En conexiones con soldadura completa, los lazos de histresis son estables y en forma de espiral. Ver figura (1.): Ilustracin 1. Ciclos de carga y descarga en conexin con soldadura completa.Fuente: (Quiroz, 2011, pg. 11)

2. En conexiones pernadas en el alma y soldadas en los patines, los lazos de histresis son iguales a los de soldadura completa, aunque no son totalmente rgidas debido al deslizamiento de los pernos.

3. En las conexiones totalmente pernadas se ven lazos de histresis de tipo deslizamiento debido al deslizamiento de los pernos sobre sus orificios.

Al observar los resultados de las investigaciones anteriormente mencionadas es tentativo determinar cul tipo de unin muestra mejor desempeo ante cargas cclicas producidas por sismos. Las investigaciones realizadas generalizan el comportamiento de las conexiones cuando realmente sus estudios estn basados en un caso de conexin en particular. Los estudios podrn tener resultados ms confiables si son apoyados en conexiones estandarizadas que dejen a un lado los procedimientos constructivos y de diseo que no cuentan con un soporte tcnico e investigativo, a la vez podrn abrir un camino importante a las estructuras metlicas por medio de diseos confiables y procedimientos precalificados.

III. MARCO REFERENCIAL

a. Marco Coceptual Dentro de la ingeniera se han desarrollado normativas y cdigos que buscan dar seguridad y calidad a todos los procesos que tienen como fin estar al servicio de las personas. Por esta razn un los elementos que componen el marco conceptual no estn lejos de ser un marco legal.

Sistemas Estructurales Sismoresistentes De acuerdo con la normativa AISC, los sistemas estructurales sismoresistentes en acero se clasifican en 2 grupos:

Figura 1. Clasificacin de Sistemas Estructurales.Fuente: (Crisafulli, 2013, pg. 33)

Sistema de Prticos Resistentes a MomentoLos prticos resistentes a momento es un sistema estructural que combina elementos horizontales y verticales unidos entre s por medio de conexiones ya sea pernadas, soldadas o mixtas (soldadas y pernadas).

Ilustracin 2. Prtico Resistente a Momento.Fuente: (Bolivar Diaz, 2012, pg. 67)

Se debe tener en cuenta que este sistema estructural depende drsticamente de las conexiones ya que es su principal medio de transmisin de esfuerzos. Las conexiones deben ser tan fuertes y resistentes que puedan soportar deformaciones en las vigas de rango plstico (Ilustracin 3), estas deformaciones en el rango plstico son denominadas rotulas plsticas (Ilustracin 4) y permiten a la estructura disipar grandes cantidades de energa ssmica. (Crisafulli, 2013, pg. 33).

Ilustracin 3. Diagrama Esfuerzo-DeformacinFuente: El Autor

Ilustracin 4.Rotulas Plsticas en Vigas de un Prtico.Fuente: (Crisafulli, 2013, pg. 53)

Conexiones Precalificadas El desastre natural de Northridge en Estados Unidos, saco a la luz todas las debilidades de las conexiones utilizadas hasta ese entonces. Este suceso trajo consigo investigaciones que permitieran calificar las conexiones a utilizar en prticos resistentes a momento, FEMA (Federal Emergency Management Agency) se puso al frente de estas investigaciones y califico un grupo de conexiones que hoy en da se conocen como conexiones precalificadas, estas cuentan con toda la informacin correspondiente al diseo, especificaciones y limitaciones.

La AISC (American Institute of Steel Construction) tambin se ha basado en estas investigaciones para incorporar nuevas especificaciones en su cdigo AISC-358 Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications. (American Institute of Steel Construction, 2010)

El proceso de Precalificacin implica que:

Exista suficiente informacin experimental y analtica para asegurar que la conexin presenta adecuada capacidad de deformacin plstica. Se dispone de modelos racionales para predecir la resistencia asociada a los distintos modos de falla y la capacidad de deformacin, a partir de las propiedades geomtricas y mecnicas de los elementos que la componen. Los datos existentes permiten evaluar estadsticamente la confiabilidad de la conexin. (Crisafulli, 2013, pg. 53)

Tabla 1. Conexiones Calificadas FEMA-350

Fuente: (Federal Emergency Management Agency, 2000, pgs. 2-25)

De acuerdo con la Tabla 1 en la categora de welded, fully restrained (soldada totalmente restringida), la conexin descrita como welded unreinforced flanges, welded web (alas soldadas no reforzadas, alma soldada) son permitidas las conexiones soldadas en sistemas SMF (prticos especiales no arriostrados).

Acero EstructuralEl acero estructural es producto de la combinacin entre hierro y carbono, en donde su comportamiento esta fielmente ligado a la cantidad exacta de carbono.Adicionalmente puede contar con otras aleaciones que modifiquen sus caractersticas fsicas y mecnicas.

El acero A572 est normalizado por la ASTM (American Society for Testing and Materials). La ASTM A572 es una especificacin para acero de alta resistencia de baja aleacin de columbio vanadio, este acero es usado para la fabricacin de perfiles W, H, IP, UP entre otros y est dividido en 5 grados de resistencia G-42, G-50, G-60 y G-65. El acero grado 50 (G-50) es utilizado para edificaciones y cuenta con propiedades mecnicas generosas que alcanzan hasta los 3515 Kg/cm^2 como lmite de fluencia y los 4570 Kg/cm^2 como resistencia ultima. (ASTM, 2014)

Diseo por Medio de Factores de Carga y Resistencia (LRFD)Esta metodologa satisface las condiciones de diseo cuanto la resistencia de cada componente estructural es mayor o igual a la resistencia requerida. El diseo debe cumplir con la Ecuacin 1. Ecuacin 1. Relacin de resistencias

donde: Resistencia Requerida (LRFD) Factor de Reduccin de Resistencia Resistencia Nominal Resistencia de Diseo(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-11)

Clasificacin del Perfil para Pandeo LocalLas secciones transversales de un perfil estructural se clasifican como compactas, no compactas y esbeltas. Se considera como compacta a una seccin que cuenta con patines continuamente conectados al alma (o almas) y que cuenta con una relacin ancho-espesor de los elementos que lo componen que no excede la relacin p de la Tabla 2. Si la razn ancho espesor de uno o ms de uno de los elementos que componen a la seccin excede p, pero no supera r, la seccin se denomina no compacta. Si la razn ancho-espesor de cualquier elemento comprimido excede r, la seccin califica como esbelta. (American Institute of Steel Construction, 2010).

Tabla 2. Clasificacin de las Secciones Segn Pandeo Local

Fuente: AISC. (American Institute of Steel Construction, 2010)

Diseo de Miembros En FlexinEl diseo de miembros en flexin simple se realiza en torno a un eje principal o eje neutro que atraviesa la seccin transversal del perfil.

El miembro es cargado en un plano paralelo al eje principal que pasa a travs del centro de corte. Miembros compactos de seccin h de simetra doble y canales flectadas en torno a su eje mayorLa resistencia nominal de flexin, , debe ser el menor valor obtenido de acuerdo con los estados lmite de fluencia (momento plstico) y pandeo lateral-torsional (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-47).

Fluencia:Ecuacin 2. Resistencia nominal a flexin.

donde: Tensin de fluencia mnima del acero utilizado Kgf/cm^2 Mdulo de seccin plstico en torno al eje x,cm^3(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-47).

Pandeo lateral-torsional:Los miembros tienen mayor resistencia cuando el estado lmite de pandeo lateral-torsional no aplica, se calculara la capacidad mxima del perfil solo en estado lmite de fluencia.

Esto con el fin de obtener mayores demandas de carga en el diseo de las conexiones.

Longitudes lmite de arrostramiento lateral:Las longitudes lmite representan la separacin mxima entre arriostramientos laterales para alcanzar pandeos laterales, por un lado la Ecuacin 3 aplica para pandeos laterales en estado lmite de fluencia.

Ecuacin 3. Separacin lmite no arriostrada para estado lmite de fluencia

donde: Separacin lmite entre arriostramientos para alcanzar estado lmite de fluencia en flexin. Tensin de fluencia mnima del acero utilizado Kgf/cm^2 Mdulo de elasticidad del acero utilizado Kgf/cm^2 Radio de giro entorno al eje "y" cm(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-48).

Por otro lado se debe tener en cuenta la separacin lmite para pandeo lateral torsional inelstico mediante la Ecuacin 4.

Ecuacin 4. Separacin lmite para pandeo lateral torsional inelstico

donde: Separacin lmite entre arriostramientos para alcanzar pandeo lateral torsional inelstico Mdulo de elasticidad del acero utilizado Kgf/cm^2 Tensin de fluencia mnima del acero utilizado Kgf/cm^2 Constante Torsional con respecto al centroide 1.0, Para secciones H con simetra doble. Modulo elstico de la seccin entorno al eje X Distancia entre Centroides de Alas Constante de Alabeo

El radio de giro efectivo (rts^2) est determinada por la Ecuacin 5.

Ecuacin 5. Radio de giro efectivo

(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-48)

Miembros de seccin H de simetra doble con almas compactas y alas no compactas o esbeltas flectados en torno a su eje mayorLa resistencia nominal de flexin, , debe ser el menor valor obtenido de acuerdo con los estados lmite de pandeo lateral-torsional y pandeo local del patn en compresin (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-49).

Pandeo lateral-torsional:Si se tiene en cuenta que los miembros tienen mayor resistencia cuando el estado lmite de pandeo lateral-torsional no aplica, se calculara la capacidad mxima del perfil solo en estado lmite de fluencia.

Esto con el fin de obtener mayores demandas de carga en el diseo de las conexiones.

Pandeo local del patn en compresin:Para secciones con alas no compactas, por medio de la Ecuacin 6. Ecuacin 6. Pandeo local del patn en compresin para alas no compactas


Para secciones con alas esbeltas, por medio de la Ecuacin 7.Ecuacin 7. Pandeo local del patn en compresin para alas esbeltas

donde: p es la esbeltez lmite para ala compacta. r es la esbeltez lmite para ala no compacta. para clculo no debe tomarse menor que 0,35 ni mayor que 0,76. altura del elemento de corte. relacin de esbeltez.


Miembros de seccin H y canales flectados en torno a su eje menorLa resistencia de flexin nominal, debe ser el menor valor obtenido de acuerdo con los estados de fluencia (momento plstico) y pandeo local del ala (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-54).

Fluencia del ala en traccinPara chequeo de fluencia del ala en traccin, mediante la Ecuacin 8.

Ecuacin 8. Fluencia del ala en traccin


Pandeo local de ala Para secciones con alas compactas, no plica el estado lmite de pandeo local.

Para secciones con alas no compactas se aplica la Ecuacin 9

Ecuacin 9. Pandeo local del ala, para secciones con alas no compactas


Para secciones con alas esbeltas, se debe usar la Ecuacin 10. Ecuacin 10. Pandeo local del ala, para secciones con alas esbeltas

donde: b/t relacin de esbeltez Tensin Critica y se calcula as:

Ecuacin 11. Tensin crtica

p es la esbeltez lmite para ala compacta r es la esbeltez lmite para ala no compacta(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-55).

Diseo de Miembros a CortanteComprende el diseo de almas de miembros con simetra doble o simple solicitados por corte en el plano del alma, y corte en la direccin dbil de perfiles de simetra doble o simple. (American Institute of Steel Construction, 2010).

Resistencia de corte nominalLa resistencia de corte nominal, de almas no atiesadas o atiesadas de acuerdo al estado lmite de fluencia en corte y pandeo en corte, es:Ecuacin 12. Resistencia de corte nominal

(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-65).

El coeficiente de resistencia al corte del alma se determina bajo las siguientes condiciones: Caso 1:

Ecuacin 13. Coeficiente de resistencia al corte del alma - caso 1


Caso 2:



Caso 3:


donde: Altura total multiplicada por el espesor del alma.El coeficiente de pandeo de placa del alma, se determina bajo las siguientes condiciones:

Para almas no atiesadas con

5 Excepto para el alma de perfiles en T donde Kv=1,2(American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-65).

Resistencia de corte respecto al eje dbil en perfiles con simetra simple y doblePara perfiles con simetra doble y simple cargados en el eje dbil sin torsin, la resistencia de corte nominal, para cada elemento resistente al corte debe ser determinado por medio de la Ecuacin 12 con (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-68)

Arriostramiento Lateral de VigasAmbas alas de las vigas sern arriostradas lateralmente, con una separacin mxima de:

Ecuacin 16. Separacin mxima de arriostramiento lateral


Conexiones Viga-ColumnaDe acuerdo con los requerimientos establecidos por la norma AISC seismic provisions for structural Steel buildings, (2005), en conexiones usadas para sistemas de resistencia de carga ssmica se deben satisfacer los siguientes requerimientos.

La conexin deber soportar una deformacin angular de entrepiso de al menos 0,04 radianes.

La resistencia a Flexin medida de la conexin en la cara de la columna debe ser al menos 0.8Mp de la viga conectada y una deformacin angular de entrepiso de 0.04 radianes.

La resistencia al corte requerida de la conexin se determinar mediante la siguiente cantidad para el efecto de carga terremoto E:Ecuacin 17. Cortante plstico

Relacin de la tensin de fluencia especificada por material resistencia a la flexin plstica nominal. distancia entre las localizaciones de articulacin plstica.(American Institute of Steel Construction, 2005, pgs. 6.1-30)Relacin de Momento Viga-ColumnaLa relacin entre viga-columna deber satisfacerse de acuerdo con:

Ecuacin 18. Relacin de momentos

Se permite utilizar como sumatoria de momentos plsticos en columna la siguiente expresin:

Ecuacin 19. Sumatoria de momentos plsticos en columnas

Mientras que para la sumatoria de momentos plsticos en vigas se permite usar la siguiente expresin:

Ecuacin 20. Sumatoria de momentos plsticos en vigas

donde: rea bruta de la seccin de la columna. esfuerzo de fluencia mnimo del acero de la columna. esfuerzo de fluencia mnimo del acero de la viga. momento adicional debido a cargas externas. demanda de carga en compresin. mdulo plstico de la seccin de la viga. mdulo plstico de la seccin de la columna.(American Institute of Steel Construction, 2005, pgs. 6.1-33)

Diseo de Conexiones a MomentoLas conexiones a momento completamente restringidas deben ser tan fuertes y rgidas como sus elementos adyacentes para transferir adecuadamente el momento y a su vez mantener el ngulo entre miembros conectados. (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs. 16.1-91).

Platinas de continuidadDe acuerdo con la literatura y a la vez en afinidad con los cdigos AISC se establece:

En nudos exteriores el espesor debe ser como mnimo la mitad del espesor del ala de la viga. (Crisafulli, 2013, pg. 54)

En nudos interiores el espesor de las placas deben ser como mnimo igual al espesor mayor de las alas de las vigas que llegan al nudo. (Crisafulli, 2013, pg. 54)

Las placas de continuidad deben unirse a las alas de la columna mediante soldadura de penetracin completa (CJP groove welds) y al alma de la columna con soldadura de ranura o de filete. (Crisafulli, 2013, pg. 54)

Zona de panelLas especificaciones ssmicas vigentes requieren de la consideracin de las deformaciones del panel nodal y plantean verificaciones de la resistencia del mismo, sin embargo los modelos de anlisis usualmente no incluyen una representacin explcita de dicha zona.

De acuerdo con anlisis realizados, la zona de panel muestra un significativo aumento de tensiones de corte en su zona central, por lo cual es necesario realizar reforzamientos conforme a las solicitaciones de carga. (Crisafulli, 2013, pg. 55)

Ilustracin 5. Tensiones de corte en zona de panel mediante elementos finitos.Fuente: (Crisafulli, 2013, pg. 55)

Clculo de SoldadurasExisten muchos tipos de soldadura, principalmente se distinguen cinco de ellas (Ilustracin 6). La junta a tope, junta de esquina, junta de traslape, junta de borde y junta T.

Ilustracin 6. Tipos de Uniones.Fuente: (Minilo, 2007, pg. 21)

En uniones viga columna, solo es comn el uso de uniones de tipo junta T [Ilustracin 7(a)], en donde su soldadura es de tipo filete [Ilustracin 7(b)]. Esto se debe a que las uniones viga columna nunca se conectan entre s de manera paralela a su eje longitudinal, siempre va a existir un ngulo de desviacin entre viga y columna, el cual en la mayora de los casos es de 90.

(b)a=GARGANTA TEORICACATETO

Ilustracin 7. Junta - T y Soldadura de FileteFuente: El Autor

Se asume que las tensiones son uniformes sobre el plano de soldadura a*l y se procede a determinar las componentes de esfuerzos que actan sobre el filete.

Ilustracin 8. Componentes de Esfuerzos Sobre el Plano de la soldadura.Fuente: (Ministerio de Obras Pblicas, Transportes y Medio Ambiente, 1995)

donde: Garganta terica. Componente de esfuerzo cortante paralelo a la longitud del cordn. Componente de esfuerzo cortante perpendicular a la longitud del cordn. Componente de traccin normal al plano de garganta terica.

Las acciones ponderadas de una soldadura en ngulo dan como resultado la tensin de comparacin.

Ecuacin 21. Tensin de Comparacin

(Ministerio de Obras Pblicas, Transportes y Medio Ambiente, 1995)

Donde es la resistencia del material de aporte y los dems trminos se identifican en la Ilustracin 8.

IV. MEDOTOLOGA

Para poder dar cumplimiento a los objetivos especficos y como resultado final obtener conexiones estandarizadas tan fuertes y rgidas como sus secciones adyacentes, se ejecuto una secuencia ordenada y lgica consecuente con cada objetivo.

Para la recoleccin de informacin se utilizo catlogos de productos pertenecientes a Agofer S.A.S., la cual es una de las ms prestigiosas comercializadoras de acero estructural del pas.

La compatibilidad de elementos viga-columna, se realizo por medio del clculo de la capacidad mecnica de todos los perfiles estructurales, y as se determino cada una de las posibles parejas de viga columna que cumplan con las condiciones de columna fuerte-viga dbil.

Se realizo un chequeo en la relacin de momentos para ajustar las parejas viga columna y asi, garantizar en su totalidad una gerarquia de falla con columna fuerte-viga dbil.

Se tuvo en cuenta que para uniones viga-columna se pueden presentar uniones soldadas con almas paralelas, almas perpendiculares y viga a tope con columna, por lo tanto, fue importante discriminar estos posibles eventos que se podian presentar.

Se determin la capacidad de carga bajo los chequeos establecidos por la norma AISC, bajo la clasificacin de secciones segn pandeo local.

Para efectos de plasmar las conexiones soldadas en la realidad, fue necesario respetar los cdigos y normas aplicables en la regin y en el pas; por lo tanto, se tuvo en cuenta que la normativa colombiana de estructuras metlicas est basada en su totalidad en la norma americana AISC, bajo este principio se tom como referente la ltima actualizacin de la AISC; de igual manera, se tuvo en cuenta las especificaciones de la AWS para uniones soldadas tal y como lo remite el cdigo anteriormente mencionado.

Las uniones soldadas, de acuerdo a la complejidad del empalme, requieren ocasionalmente no solo el diseo de la junta sino tambin del diseo del procedimiento de soldadura; aunque no est dentro del alcance del presente documento, se estudiaron y se establecieron protocolos de ejecucin y control de calidad de las uniones soldadas

V. ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS

CONEXIONES DE BORDE EJE M YORComo resultado final se logro obtener cada una de las dimensiones de las soldaduras que comonen la conexin tanto para solicitaciones de cortante como para solicitaciones a flexion para los siguientes casos:

Elementos de borde con flexion en eje mayor

Ilustracin 9. Esquema General Elementos de Borde "Eje Mayor"Fuente: El Autor

Ilustracin 10. Diseo Final Elementos de Borde "Eje Mayor"Fuente: El Autor

Tabla 3. Variables de Simbolo de Soldar Elementos de Borde "Eje Mayor"

Fuente: El Autor

Elementos de borde con flexion en eje menor

Ilustracin 11. Esquema General Elementos de Borde "Eje Menor"Fuente: El Autor

Ilustracin 12. Diseo Final Elementos de Borde "Eje Menor"Fuente: El Autor

Tabla 4. Variables de Simbolo de Soldar Elementos de Borde "Eje Menor"

Fuente: El Autor

Elementos interiores con flexion en eje mayor

Ilustracin 13. Esquema General Elementos Interiores "Eje Mayor"Fuente: El Autor

Ilustracin 14. Diseo Final Elementos Interiores "Eje Mayor"Fuente: El Autor

Tabla 5. Variables de Simbolo de Soldar Elementos Interiores "Eje Mayor"Fuente: El Autor

En elementos interiores con flexion en eje menor

Ilustracin 15. Esquema General Elementos Interiores "Eje Menor"Fuente: El Autor

Ilustracin 16. Diseo Final Elementos Interiores "Eje Menor"Fuente: El Autor

Tabla 6. Variables de Simbolo de Soldar Elementos Interiores "Eje Menor"

Fuente: El AutorBajo esta metodologa es aceptable afirmar que los tamaos de las soldadruas siempre estarn directamente relacionados con la resistencia de la viga y no con la columna, siempre y cuando se cumpla la relacin de momentos o la jerarqua de columna fuerte y viga dbil.

Los dems elementos que conforman la conexin como placas de reforzamiendo de panel o las placas de continuidad s estn muy comprometidas con el elemento de columna desde su geometra hasta su espesor, por lo tanto estos elementos s deben ser tenidos en cuenta a la hora de disear una conexin.

VI. CONCLUSIONES

La estandarizacin tanto de procesos constructivos como de diseo puede mejorar considerablemente el desempeo y la productividad de las obras de infraestructura adems de la seguridad como una de las variables ms importantes dentro de los objetivos de la ingeniera civil.

La relacin de momento en una unin viga columna es un elemento fundamental en la jerarqua de falla de la estructura, pero para que se cumpla esta condicin su conexin debe ser tan fuerte y rgida como sus elementos adyacentes.

Las estructuras no se comportan como se disean, sino como se construyen por eso al calificar tericamente las conexiones por medio de variables fundamentales precalificadas se garantiza la rigidez y la resistencia, pero los protocolos permiten una ejecucin segura para un desempeo ms semejante a los modelos.

Las estructuras logran disipar gran cantidad de energa ssmica por medio de deformaciones, en donde la fatiga es por defecto un dao colateral de este fenmeno, es necesario subsanar estos efectos por medio de reforzamientos locales en las zonas de panel nodal en donde la concentracin de esfuerzos es crtica.

Sobredimensionar elementos estructurales o en este caso las soldaduras no es una decisin prudente si se tiene en cuenta que los calentamientos locales generan disminucin de la resistencia en las zonas afectadas trmicamente, por lo tanto las soldaduras deben ser del tamao estrictamente necesario para evitar efectos contraproducentes durante su etapa de operacin.

VII. RECOMENDACIONES

Los procesos de ejecucin de soldadura recomendados son netamente tericos y pueden ser mejorados y complementados siempre y cuando se respete la resistencia del material de aporte y los tamaos de garganta de la soldadura establecidos.

El uso de una union calificada teoricamente no deber liberar la obligacion del ingeniero de hacer uso de su juicio de ingenieria para determinar la conveniencia de la aplicacin de estas uniones.

Las uniones soldadas obtenidas en este proyecto son producto de un anlisis teorico y no han atravezado un proceso de calificacin de laboratorio. Este proceso de calificacin es el elemento fundamental que da una garanta total en el funcionamiento de la conexin.

VIII. AGRADECIEMIENTO

Al Dr. Leonardo Cano Saldaa quien realiz un importante acompaamiento en el desarrollo de este trabajo.

IX. BIBLIOGRAFA

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