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Articulo Estandarizacion de conexiones soldadas

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Conexiones a momento en estructuras metalicas

Text of Articulo Estandarizacion de conexiones soldadas

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

    Trabajo de Grado

    ESTANDARIZACIN DE CONEXIONES SOLDADAS EN PRTICOS

    RESISTENTES A MOMENTO

    STANDARDIZING WELDED CONNECTIONS IN MOMENT RESISTANT FRAMES Gonzlez, G. a

    a [email protected]

    Marzo - 2015

    Resumen

    Actualmente se ha descuidado la importancia de la soldadura en el campo de las estructuras metlicas y es la-mentable 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 rela-

    cin de momentos que permite una jerarqua de falla con columnas fuertes y vigas dbiles, con las cuales se dise-aran soldaduras con cargas de diseo iguales a las cargas de capacidad de la conexin. De esta manera se obtie-

    ne una conexin que cumple con todos los requerimientos de diseo establecidos por la normativa vigente. Es-

    tandarizar tanto procesos constructivos como de diseo puede mejorar considerablemente el desempeo y la pro-

    ductividad de las obras de infraestructura adems de la seguridad como una de las variables ms importantes den-tro de los objetivos de la ingeniera civil.

    Palabras claves: Estandarizacion, Soldadura, Conexion.

    Abstract

    Nowadays 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 col-

    umn and weak beam, in which the welding will be designed with equal loads to the connection capaci-

    ty. On this way, is gotten a connection that meets the design requirements fixed in the current regula-

    tion. 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

    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 compor-

    tamiento, 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 re-

    quieren de un delicado y detallado clculo de cone-

    xiones. Las conexiones son el elemento ms impor-

    tante dentro de una estructura metlica ya que es all

    donde se concentran y se transmiten grandes esfuer-

    zos entre un elemento estructural y otro.

    Si se logra aprovechar las estandarizaciones que

    rodean a las estructuras metlicas desde la geome-

    tra 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 deci-

    siones tanto en la elaboracin de diseos como en la

    etapa de fabricacin y montaje.

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

    2

    Las conexiones deben de tener el cuidado y el res-

    peto 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 poste-

    riormente al soldador, es importante poner al alcan-

    ce de los ingenieros informacin detallada de di-

    mensionamiento de soldaduras, preparaciones de

    junta, protocolos de ejecucin y evaluacin de cali-

    dad como una herramienta inmediata a la hora de

    elaborar diseos y de ejecutarlos debidamente.

    La estandarizacin de conexiones soldadas es posi-

    ble, mediante el estudio de los perfiles estructurales

    producidos por la industria metalrgica, es necesa-

    rio 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 es-

    tructura 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 traba-

    jo 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 obser-

    vados 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 filo-

    sofa de diseo que se aplicaba e hizo que se inicia-

    ran 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 constructi-

    vos que mejoren su desempeo.

    El diseo sismorresistente da pequeos pasos, la-

    mentablemente, de manera posterior a las tragedias

    que se han presentado con cada sismo que la socie-

    dad tiene que enfrentar sin previo aviso. Por ello,

    los aportes realizados al diseo ssmico de edifica-

    ciones sin importar que tan pequeos sean podrn

    algn da salvar vidas, disminuir daos, mejorar el

    comportamiento inelstico de las estructuras y pro-

    veer 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 logra-

    ron quedar en pie con el cese del movimiento telri-

    co, 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 estructu-

    ras 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 (Northrid-

    ge y Kobe) fueron de tipo frgil, al ser las ms co-

    munes 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 estructu-

    ra disipara energa y se comportara de manera dc-

    til.

    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 Co-

    lombia, sede Bogot, encontraron:

    Durante las ltimas dcadas un importante crecimien-

    to del uso de diferentes sistemas estructurales de ace-

    ro en el mbito de la construccin en Colombia, gra-

  • Giordany Gonzlez Serna

    3

    cias 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 fa-bricacin y montaje, que se reflejan en el ahorro con-

    siderable 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 constructi-

    vas que se ajusten cada vez ms a nuestro medio, re-

    cursos, necesidades y tecnologa, que permitan garan-

    tizar el comportamiento eficiente de las estructuras ante solicitaciones ssmicas, aprovechando al mximo

    las ventajas del acero, como su alta resistencia, capa-

    cidad de disipacin de energa, elasticidad y ductili-

    dad. (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 constructi-

    vos.

    Uribe y Valencia en el estudio anteriormente men-

    cionado, hablan de la implementacin de procesos

    constructivos que no cuentan con soportes tcnicos

    ni experimentales:

    Estas investigaciones son evidencia del inters cons-

    tante 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 pre-

    sentan un soporte ni tcnico ni experimental que ga-

    rantice 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 estu-

    dio para mejorar da a da tanto los diseos como

    los procesos constructivos de las estructuras metli-

    cas.

    No mucho tiempo despus, el ingeniero Edgar Ri-

    cardo 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 prcti-

    cos y analticos para determinar el comportamiento

    de conexiones empernadas sometidas a cargas ccli-

    cas 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 siguien-

    tes 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 solda-

    das en los patines, los lazos de histresis son

    iguales a los de soldadura completa, aunque

    no son totalmente rgidas debido al desliza-

    miento de los pernos.

    3. En las conexiones totalmente pernadas se ven

    lazos de histresis de tipo deslizamiento debi-

    do 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 investi-

    gaciones 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 im-

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

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    portante 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 norma-

    tivas 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 ele-

    mentos 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 Momento

    Los 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 plsti-

    cas (Ilustracin 4) y permiten a la estructura disipar

    grandes cantidades de energa ssmica. (Crisafulli,

    2013, pg. 33).

    Ilustracin 3. Diagrama Esfuerzo-Deformacin

    Fuente: 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 Uni-

    dos, saco a la luz todas las debilidades de las cone-

    Sistemas de Porticos Arriostrados y

    Muros en Corte

    Prticos ordinarios arriostrados concntricamente (OCBF)

    Prticos especiales arriostrados concntricamente (SCBF)

    Prticos arriostrados excntricamente (EBF)

    Prticos con riostras de pandeo restringido (BRBF)

    Muros de corte especiales con placas de acero (SPSW)

    Sistemas de Prticos a Momento

    Prticos no arriostrados ordinarios (OMF)

    Prticos no arriostrados intermedios (IMF)

    Prticos no arriostrados especiales (SMF)

    Prticos no arriostrados especiales con vgas reticuladas (STMF)

    Sistema de columnas ordianrias en voladizo (OCCS)

    Sistema de columnas especiales en voladizo (SCCS)

  • Giordany Gonzlez Serna

    5

    xiones utilizadas hasta ese entonces. Este suceso

    trajo consigo investigaciones que permitieran califi-

    car las conexiones a utilizar en prticos resistentes a

    momento, FEMA (Federal Emergency Manage-

    ment Agency) se puso al frente de estas investiga-

    ciones y califico un grupo de conexiones que hoy en

    da se conocen como conexiones precalificadas,

    estas cuentan con toda la informacin correspon-

    diente 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 deforma-

    cin plstica.

    Se dispone de modelos racionales para predecir la resistencia asociada a los distin-

    tos modos de falla y la capacidad de de-

    formacin, a partir de las propiedades

    geomtricas y mecnicas de los elementos

    que la componen.

    Los datos existentes permiten evaluar esta-dsticamente la confiabilidad de la cone-

    xin. (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 wel-

    ded, fully restrained (soldada totalmente restringi-

    da), la conexin descrita como welded unreinforced

    flanges, welded web (alas soldadas no reforzadas,

    alma soldada) son permitidas las conexiones solda-

    das en sistemas SMF (prticos especiales no arrios-

    trados).

    Acero Estructural

    El acero estructural es producto de la combinacin

    entre hierro y carbono, en donde su comportamiento

    esta fielmente ligado a la cantidad exacta de car-

    bono.

    Adicionalmente puede contar con otras aleaciones

    que modifiquen sus caractersticas fsicas y mecni-

    cas.

    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 va-nadio, 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 edificacio-

    nes 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 Resis-

    tencia (LRFD)

    Esta metodologa satisface las condiciones de dise-

    o cuanto la resistencia de cada componente estruc-

    tural 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 Local

    Las secciones transversales de un perfil estructural

    se clasifican como compactas, no compactas y es-

    beltas. Se considera como compacta a una seccin

    que cuenta con patines continuamente conectados al

    alma (o almas) y que cuenta con una relacin an-

    cho-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 elemen-

    tos 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 com-

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

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    primido 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 Flexin

    El 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 mayor

    La 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 ace-ro 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 capaci-

    dad mxima del perfil solo en estado lmite

    de fluencia.

    Esto con el fin de obtener mayores deman-

    das de carga en el diseo de las conexio-

    nes.

    Longitudes lmite de arrostramiento lateral: Las longitudes lmite representan la sepa-

    racin mxima entre arriostramientos late-

    rales 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 es-

    tado lmite de fluencia

    = 1,76

    donde:

    = Separacin lmite entre arriostra-mientos para alcanzar estado lmite de

    fluencia en flexin.

    = Tensin de fluencia mnima del ace-ro utilizado Kgf/cm^2

    = Mdulo de elasticidad del acero utili-zado 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 se-

    paracin lmite para pandeo lateral torsio-

    nal inelstico mediante la Ecuacin 4.

    Ecuacin 4. Separacin lmite para pandeo lateral tor-

    sional inelstico

    = 1,95 (

    0,7 )

    1 + 1 + 6,76 ((0,7

    )

    )

    2

    donde:

    = Separacin lmite entre arriostra-mientos para alcanzar pandeo lateral tor-

    sional inelstico

    = Mdulo de elasticidad del acero utili-zado Kgf/cm^2

    = Tensin de fluencia mnima del ace-ro utilizado Kgf/cm^2

  • Giordany Gonzlez Serna

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    = Constante Torsional con respecto al centroide

    = 1.0, Para secciones H con simetra doble.

    = Modulo elstico de la seccin en-torno al eje X

    = Distancia entre Centroides de Alas = Constante de Alabeo

    El radio de giro efectivo (rts^2) est de-

    terminada 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 mayor

    La 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 tie-

    nen mayor resistencia cuando el estado l-

    mite 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 deman-

    das de carga en el diseo de las conexio-

    nes.

    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 pa-

    ra alas no compactas

    = ( 0,7 )

    (

    )

    (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs.

    16.1-49)

    Para secciones con alas esbeltas, por medio

    de la Ecuacin 7.

    Ecuacin 7. Pandeo local del patn en compresin pa-

    ra alas esbeltas

    =0,9

    2

    donde:

    = p es la esbeltez lmite para ala compacta.

    = r es la esbeltez lmite para ala no compacta.

    = 4

    para clculo no debe tomarse

    menor que 0,35 ni mayor que 0,76.

    = altura del elemento de corte.

    =

    2 relacin de esbeltez.

    (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs.

    16.1-49)

    Miembros de seccin H y canales flectados en

    torno a su eje menor

    La 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 traccin Para chequeo de fluencia del ala en trac-

    cin, mediante la Ecuacin 8.

    Ecuacin 8. Fluencia del ala en traccin

    = = 1,60

    (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs.

    16.1-54)

    Pandeo local de ala - Para secciones con alas compactas,

    no plica el estado lmite de pandeo local.

    - Para secciones con alas no compac-tas se aplica la Ecuacin 9

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

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    Ecuacin 9. Pandeo local del ala, para secciones con

    alas no compactas

    = [ ( 0,7 ) (

    )]

    (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs.

    16.1-55)

    - 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

    =0,69

    (

    2 )2

    = 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 Cortante

    Comprende 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 nominal

    La 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

    = 0,6

    (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:

    1,10

    Ecuacin 13. Coeficiente de resistencia al corte del alma

    - caso 1

    = 1,0

    (American Institute of Steel Construction, 2010, pgs.

    16.1-65).

    Caso 2: 1,10

    1,37

    Ecuacin 15. Coeficiente de resistencia al corte del alma

    - caso 3

    =1,51

    (

    )2

    donde:

    = Altura total multiplicada por el es-pesor del alma.

    El coeficiente de pandeo de placa del alma,

    , se determina bajo las siguientes condi-ciones:

    - Para almas no atiesadas con

    260:

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

    16.1-65).

  • Giordany Gonzlez Serna

    9

    Resistencia de corte respecto al eje dbil en per-

    files con simetra simple y doble

    Para 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 = = 1,2 (American Institute of Steel Construction, 2010,

    pgs. 16.1-68)

    Arriostramiento Lateral de Vigas

    Ambas alas de las vigas sern arriostradas lateral-

    mente, con una separacin mxima de:

    Ecuacin 16. Separacin mxima de arriostramiento lateral

    = 0.086 /

    (American Institute of Steel Construction, 2005, pgs. 6.1-35)

    Conexiones Viga-Columna

    De 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 deforma-cin angular de entrepiso de al menos 0,04

    radianes.

    La resistencia a Flexin medida de la co-

    nexin 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 co-

    nexin se determinar mediante la siguien-

    te cantidad para el efecto de carga terremo-

    to E: Ecuacin 17. Cortante plstico

    =2[1,1 ]

    = Relacin de la tensin de fluencia especificada por material

    = resistencia a la flexin plstica no-minal.

    = distancia entre las localizaciones de articulacin plstica. (American Institute of Steel Construction, 2005, pgs.

    6.1-30)

    Relacin de Momento Viga-Columna

    La 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 plsti-

    cos en vigas se permite usar la siguiente expresin:

    Ecuacin 20. Sumatoria de momentos plsticos en vigas

    = (1,1 + )

    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 exter-nas.

    = 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 Momento

    Las conexiones a momento completamente restrin-

    gidas deben ser tan fuertes y rgidas como sus ele-

    mentos 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 continuidad

    De acuerdo con la literatura y a la vez en afinidad

    con los cdigos AISC se establece:

    En nudos exteriores el espesor debe ser co-mo mnimo la mitad del espesor del ala de la

    viga. (Crisafulli, 2013, pg. 54)

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

    10

    En nudos interiores el espesor de las placas deben ser como mnimo igual al espesor ma-

    yor de las alas de las vigas que llegan al nu-

    do. (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 ra-

    nura o de filete. (Crisafulli, 2013, pg. 54)

    Zona de panel

    Las 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 usual-

    mente 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 solicitacio-

    nes 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 Soldaduras

    Existen 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 don-de su soldadura es de tipo filete [Ilustracin 7(b)].

    Esto se debe a que las uniones viga columna nun-ca se conectan entre s de manera paralela a su eje

    longitudinal, siempre va a existir un ngulo de des-

    viacin entre viga y columna, el cual en la mayora

    de los casos es de 90.

    Ilustracin 7. Junta - T y Soldadura de Filete

    Fuente: 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 file-

    te.

    Ilustracin 8. Componentes de Esfuerzos Sobre el Plano de la

    soldadura.

    Fuente: (Ministerio de Obras Pblicas, Transportes y Medio

    Ambiente, 1995)

    CATETO

    a=GARGANTA TEO-RICA

    (b)

  • Giordany Gonzlez Serna

    11

    donde:

    = Garganta terica. = Componente de esfuerzo cortante paralelo a la longitud del cordn.

    = Componente de esfuerzo cortante perpendicu-lar a la longitud del cordn.

    = Componente de traccin normal al plano de garganta terica.

    Las acciones ponderadas de una soldadura en ngu-

    lo dan como resultado la tensin de comparacin.

    Ecuacin 21. Tensin de Comparacin

    = 2 + 1,8 (2 + 2) (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 espec-

    ficos y como resultado final obtener conexiones

    estandarizadas tan fuertes y rgidas como sus sec-

    ciones adyacentes, se ejecuto una secuencia ordena-

    da y lgica consecuente con cada objetivo.

    Para la recoleccin de informacin se utili-zo catlogos de productos pertenecientes a

    Agofer S.A.S., la cual es una de las ms

    prestigiosas comercializadoras de acero es-

    tructural del pas.

    La compatibilidad de elementos viga-columna, se realizo por medio del clculo

    de la capacidad mecnica de todos los per-

    files estructurales, y as se determino cada

    una de las posibles parejas de viga colum-

    na que cumplan con las condiciones de co-

    lumna fuerte-viga dbil.

    Se realizo un chequeo en la relacin de momentos para ajustar las parejas viga co-

    lumna 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 sol-

    dadas con almas paralelas, almas perpen-

    diculares y viga a tope con columna, por lo

    tanto, fue importante discriminar estos po-

    sibles 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 res-

    petar los cdigos y normas aplicables en la

    regin y en el pas; por lo tanto, se tuvo en

    cuenta que la normativa colombiana de es-

    tructuras metlicas est basada en su tota-

    lidad 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 especifica-

    ciones de la AWS para uniones soldadas

    tal y como lo remite el cdigo anterior-

    mente mencionado.

    Las uniones soldadas, de acuerdo a la complejidad del empalme, requieren oca-

    sionalmente no solo el diseo de la junta

    sino tambin del diseo del procedimiento

    de soldadura; aunque no est dentro del al-

    cance del presente documento, se estudia-

    ron y se establecieron protocolos de ejecu-

    cin y control de calidad de las uniones

    soldadas

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

    12

    V. ANLISIS Y DISCUSIN DE RE-SULTADOS

    CONEXIONES DE BORDE EJE M YOR Como 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 ma-yor

    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 me-nor

    Ilustracin 11. Esquema General Elementos de Borde

    "Eje Menor"

    Fuente: El Autor

    CA

    (mm)

    CB

    (mm)

    CC

    (mm)

    SB

    (mm)

    EA - EB

    (mm)

    EC

    (mm)

    HEA-300 HEA-200 200 65 58 136 8 9

    HEA-300 IPE-240 120 38 114 82 9 5

    HEA-300 HEA-180 180 58 52 122 7 9

    HEA-280 HEA-200 200 65 58 136 8 9

    HEA-280 IPE-240 120 38 114 82 9 5

    HEA-280 HEA-180 180 58 52 122 7 9

    HEA-260 IPE-240 120 38 114 82 9 5

    HEA-260 HEA-180 180 58 52 122 7 9

    HEA-260 IPE-220 110 35 102 75 8 3

    HEA-240 IPE-220 110 35 102 75 8 3

    HEA-240 HEA-160 160 51 44 109 7 9

    HEA-240 IPE-200 100 31 83 69 8 3

    HEA-220 IPE-200 100 31 83 69 8 3

    HEA-220 HEA-140 140 45 36 95 7 9

    HEA-220 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-200 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-200 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-200 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    IPE-240 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    IPE-240 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    IPE-240 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-180 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-180 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    HEA-180 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    IPE-220 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    IPE-220 HEA-100 100 32 56 68 6 4

    IPE-220 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-160 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-160 HEA-100 100 32 56 68 6 4

    HEA-160 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    IPE-200 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    IPE-200 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-140 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-140 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    IPE-180 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    IPE-180 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    IPE-160 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-120 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    COLUMNA VIGA

    SOLDADURAS

  • Giordany Gonzlez Serna

    13

    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

    CA

    (mm)

    CB

    (mm)

    CC

    (mm)

    SB

    (mm)

    EA - EB

    (mm)

    EC

    (mm)

    HEA-300 IPE-200 100 31 83 69 8 3

    HEA-300 HEA-140 140 45 36 95 7 9

    HEA-300 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-280 HEA-140 140 45 36 95 7 9

    HEA-280 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-280 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-260 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-260 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-260 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    HEA-240 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-240 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    HEA-240 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-220 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-220 HEA-100 100 32 56 68 6 4

    HEA-220 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-200 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-200 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-180 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-160 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    COLUMNA VIGA

    SOLDADURAS

    CA

    (mm)

    CB

    (mm)

    CC

    (mm)

    SB

    (mm)

    EA - EB

    (mm)

    EC

    (mm)

    HEA-300 HEA-200 200 65 58 136 8 9

    HEA-300 IPE-240 120 38 114 82 9 5

    HEA-300 HEA-180 180 58 52 122 7 9

    HEA-280 HEA-200 200 65 58 136 8 9

    HEA-280 IPE-240 120 38 114 82 9 5

    HEA-280 HEA-180 180 58 52 122 7 9

    HEA-260 IPE-240 120 38 114 82 9 5

    HEA-260 HEA-180 180 58 52 122 7 9

    HEA-260 IPE-220 110 35 102 75 8 3

    HEA-240 IPE-220 110 35 102 75 8 3

    HEA-240 HEA-160 160 51 44 109 7 9

    HEA-240 IPE-200 100 31 83 69 8 3

    HEA-220 IPE-200 100 31 83 69 8 3

    HEA-220 HEA-140 140 45 36 95 7 9

    HEA-220 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-200 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-200 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-200 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    IPE-240 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    IPE-240 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    IPE-240 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-180 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-180 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    HEA-180 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    IPE-220 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    IPE-220 HEA-100 100 32 56 68 6 4

    IPE-220 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-160 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-160 HEA-100 100 32 56 68 6 4

    HEA-160 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    IPE-200 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    IPE-200 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-140 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-140 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    IPE-180 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    IPE-180 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    IPE-160 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-120 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    COLUMNA VIGA

    SOLDADURAS

  • Facultad de Ingeniera. Programa de Ingeniera Civil

    14

    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 Autor

    Bajo esta metodologa es aceptable afirmar que los

    tamaos de las soldadruas siempre estarn directa-

    mente 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 objeti-

    vos de la ingeniera civil.

    La relacin de momento en una unin viga co-

    lumna 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 teri-

    camente 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

    CA

    (mm)

    CB

    (mm)

    CC

    (mm)

    SB

    (mm)

    EA - EB

    (mm)

    EC

    (mm)

    HEA-300 IPE-200 100 31 83 69 8 3

    HEA-300 HEA-140 140 45 36 95 7 9

    HEA-300 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-280 HEA-140 140 45 36 95 7 9

    HEA-280 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-280 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-260 IPE-180 91 29 70 62 7 3

    HEA-260 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-260 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    HEA-240 IPE-160 82 26 51 56 7 4

    HEA-240 HEA-120 120 38 74 82 6 3

    HEA-240 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-220 IPE-140 73 23 36 50 6 4

    HEA-220 HEA-100 100 32 56 68 6 4

    HEA-220 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-200 IPE-120 64 20 17 44 6 7

    HEA-200 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-180 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    HEA-160 IPE-100 55 17 75 38 5 3

    COLUMNA VIGA

    SOLDADURAS

  • Giordany Gonzlez Serna

    15

    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 recomen-

    dados son netamente tericos y pueden ser mejora-

    dos 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 pro-

    ceso 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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