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Consideraciones sismorresistentes en el diseño y detallado de conexiones precalificadas tipo Flange Plate de
acuerdo a la guía AISC 358-10 por Bolívar, Ilayali se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Unported.
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
CONSIDERACIONES SISMORRESISTENTES EN EL DISEÑO Y DETALLADO DE CONEXIONES PRECALIFICADAS TIPO FLANGE PLATE DE ACUERDO A LA GUIA AISC 358-10
CARACAS, DICIEMBRE 2012
TUTOR:
Ing. Sigfrido Loges.
C.I. 11.310.481
C.I.V. 112.284
TRABAJO DE GRADO PRESENTADO POR:
Br. Bolívar Díaz, Ilayali Carolina
C.I.: 19.370.210
PARA OPTAR POR EL TITULO DE:
INGENIERO CIVIL
i
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
TRABAJO DE GRADO
CONSIDERACIONES SISMORRESISTENTES EN EL DISEÑO Y DETALLADO DE CONEXIONES PRECALIFICADAS TIPO FLANGE PLATE DE ACUERDO A LA GUIA AISC 358-10
APROBADO
JURADO
Tutor
Sigfrido Loges
C.I. 11.310.481
Firma:
CARACAS, DICIEMBRE 2012
JURADO I
Edgar Bruzual
C.I.: 3.740.907
Firma:
JURADO II
Koldobika Ruíz De A.
C.I.: 2.938.593
Firma:
ii
DEDICATORIA
En primer lugar a mis padres, Carolina Díaz Carvajal y Efraín J. Bolívar
Blanco por su apoyo en todo momento, por cada preocupación y búsqueda de
solución a cualquier tropiezo que tuviera en el camino, gracias a ellos logré llegar a
este escalón de mi vida.
A toda mi familia, principalmente a mis abuelas, Francisca Blanco y Alida
Carvajal pues por ser su primera nieta se que esta meta alcanzada las llenará de
una profunda alegría; mis hermanos Sherandoe Montilla y Leonardo Montilla
quienes con sus destrezas y creatividad me tendieron la mano sin importar las
circunstancias.
A mis primos y sobrinos ya que espero ser un buen ejemplo para ellos y
motivo de inspiración para que no pierdan el norte y se mantengan firmes en el
logros de sus sueños y metas.
A Ninoska Correia por su apoyo incondicional, confianza, dedicación y
admiración, y por ser mi mayor inspiración para seguir adelante.
iii
AGRADECIMIENTOS
A Dios que me dio la vida, una maravillosa familia, dones y destrezas que me
hicieron llegar hasta donde estoy.
A mi padre por hacer el gran sacrificio de pagarme la carrera y cubrir todos
los gastos que ella implicó. A mi madre por brindarme su amor, apoyo y consejos
aplicables en mi vida profesional, personal y laboral.
Al profesor Sigfrido Loges quien fue el cerebro de todo este proyecto, quien
brindo sus conocimientos para el desarrollo de esta Tesis. A la profesora Gladys
Hernández quien siempre estuvo guiando mis pasos en la elaboración de esta
investigación.
A mis profesores, quienes durante todo este tiempo me transmitieron sus
conocimientos y me dieron maravillosos consejos para desarrollarlos en mi vida
profesional.
A mi “bebi” quien vivió junto a mí la elaboración de esta tesis, por esas
madrugadas trabajando junto a mi, mi traductora oficial, compañera y fuente de
inspiración en mi carrera y en mi vida.
A todos muchísimas gracias.
iv
RESUMEN
Debido al efecto de los sismos que se han suscitado en la última década se
ha considerado cada vez más importante crear estructuras de carácter
sismorresistente, para reducir los daños ocasionados por estos movimientos y evitar
el colapso de las edificaciones. Las estructuras pueden ser construidas con distintos
tipos de materiales entre ellos están: la madera, el concreto, el acero; este último de
gran versatilidad para la construcción, puesto que es resistente y de fácil manejo y
se presta para la fabricación mediante muchos métodos; posee muchas ventajas, es
económico, se pueden realizar modificaciones y/o ampliaciones a su diseño inicial,
de alta ductilidad, característica que está ligada a la propiedad de este material
conocida como elongación, la cual debe ser alta y debe ir acompañada de poco
endurecimiento por deformación.
En las edificaciones aporticadas de acero se llevan a cabo conexiones
precalificadas entre sus miembros (vigas y columnas) que están fundamentadas en
criterios y limitaciones específicas, en donde se debe tomar en cuenta la
configuración de la estructura, sus mecanismos de colapso y la forma de los
elementos que conforman dicha conexión. En la presente investigación se estudia el
tipo de conexión precalificada plancha de ala (Flange Plate), la cual es considerada
como precalificada en la guía de diseño AISC 358-10 “Conexiones precalificadas
para pórticos intermedios y especiales a momentos de acero” desde el suplemento
del año 2009 la cual plantea cuáles son los requisitos que deben cumplir cada uno
de los miembros de la conexión para ser considerada como sismorresistente y la
metodología de diseño de la misma; para seguidamente indicar los pasos a seguir
para el correcto análisis y detallado de las conexiones viga-columna de tipo plancha
de ala (Flange Plate).
Para fines de la presente investigación se elaboró una hoja de cálculo de
Microsoft Excel donde se corroboró que la conexión estudiada cumplía con las
condiciones sismorresistentes, siempre y cuando estuviera diseñada bajo los
lineamientos de la Guía AISC 358-10.
v
ABSTRACT
Due to the seismic effect in the last decade, has been considered more
important create earthquake resistant structures in order to reduce the damage
caused by these movements and avoid the collapse of the building. The structures
can be built with different materials, like: Wood, concrete or Steel; The last one,
which is versatile for the building because is resistant, changeable and it lets build
with many methods, has many advantages: is cheap, can get changes and additions
to the original design, and it has high ductility (a feature that is linked to the property
of the material known as elongation, which should be high and should be
accompanied by some hardening strain).
In the steel frames buildings are used prequalified connections between its
members (beams and columns) that are based on specific criterions and limitations,
where it should be taken into consideration the configuration of the structure,
mechanisms of collapse and the form of the elements that take part in this
connection. In this investigation is studied the prequalified connection Flange Plate,
which has been considerate prequalified in the AISC Design Guide 358-10
“Prequalified connections for special and intermediate Steel moments frames for
seismic provisions” since the supplement in 2009, which specify the requirements for
each of the members of the connection to be considered as earthquake resistant, its
design methodology, and then show the step to follow so as to find the correct
analysis and connection beams - columns Flange Plate detail.
For purposes of this investigation was made a worksheet on Microsoft Excel
where was confirmed that the connection studied (Flange Plate) fulfill the condition
earthquake resistant, long as it was designed under the guidelines of the AISC
Guide 358-10.
vi
ÍNDICE
PÁG.HOJA DE JURADOS i
DEDICATORIA. ii
AGRADECIMIENTOS. iii
RESUMEN. iv
ABSTRACT. v
ÍNDICE vi
INTRODUCCIÓN xii
CAPÍTULO I. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN I.1. Planteamiento del Problema 2
I.2. Formulación del Problema 3
I.3. Justificación del Problema 3
I.4. Objetivos 4
I.4.1. Objetivo General 4
I.4.2. Objetivos Específicos 4
I.5. Delimitación de la Investigación 4
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO II.1. Antecedentes de la Investigación 7
II.2. Bases Teóricas 12
II.2.1. Bases de Diseño 15
II.2.2. Conexiones Simples 15
II.2.3. Conexiones de Momento 15
II.2.4. Conexiones Soldadas 15
II.2.5. Conexiones Empernadas 16
II.2.5.1. Pernos de Alta Resistencia 18
II.2.5.2. Tipos de Agujeros para Pernos 22
II.2.5.3. Longitud de Pernos 24
II.2.5.4. Espaciamiento entre Conectores 25
vii
PÁG. II.2.6. Conexiones plancha de ala (Flange Plate) 26
II.2.6.1. Límites de Precalificación 27
II.3. Cuadro de Variables 40
II.4. Terminología Básica 42
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO III.1. Nivel de Investigación 46
III.2. Diseño de la Investigación 46
III.3. Población y Muestra 46
III.4. Técnicas de Recolección de Datos 47
III.5. Instrumentos de Recolección de Datos 47
CAPÍTULO IV. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. IV.1. Análisis y presentación de resultados. 49
IV.1.1. Filosofía del Diseño Estructural Sismo-resistente 49
IV.1.2. Casos y combinaciones de cargas 49
IV.1.3. Acción Sísmica 50
IV.1.4. Acción Sísmica en Combinaciones de Carga 51
IV.1.5. Factor de Amplificación Sísmica 52
IV.1.6. Pórticos Resistentes a Momentos (MRF) 54
IV.1.6.1. Pórticos Especiales de Momento (SMF) 57
IV.2 Diseño por hoja de cálculo Microsoft Excel 95
IV.3 Resultados obtenidos a través de la hoja de cálculo de Microsoft
Excel
97
IV.4 Comprobación de los resultados 98
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. V.1. Conclusiones. 106
V.2. Recomendaciones 108
BIBLIOGRAFÍA
110
viii
ÍNDICE DE TABLAS PÁG.Tabla 1. Pernos estructurales 18
Tabla 2. Apriete final en los pernos 20
Tabla 3. Fuerzas mínimas de tracción Tb en los pernos 20
Tabla 4. Dimensiones nominales de agujeros 23
Tabla 5. Longitudes de los pernos de alta resistencia A 325 y A 490 23
Tabla 6. Método de perforación de los agujeros 24
Tabla 7. Factor de amplificación sísmica 52
Tabla 8. Acero Estructural 53
Tabla 9. Perfiles para 1 o 2 vigas. (eje Mayor) 78
Tabla 10. Perfiles para 1 o 2 vigas. (eje Menor) 79
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Perno de cabeza hexagonal 17
Figura 2. Empleo de roldanas nervadas 20
Figura 3. Longitud de los pernos 24
Figura 4. Espaciamiento entre conectores 25
Figura 5. Conexión de momento empernada Plancha de Ala (Flange
Plate)
27
Figura 6.
Momento en la cara de la columna contra la rotación total de la
conexión para una conexión de momento BFP con una viga
W30x108 (W760x161) y una columna W14x233 (W360x347)
40
Figura 7. Desplazamiento Lateral de la Estructura 52
Figura 8. Desplazamiento Lateral de la Estructura. 54
Figura 9. Diagramas de Corte y Momento 54
Figura 10. Posible Ubicación de Rótulas Plásticas 55
Figura 11. Rótulas Plásticas 56
Figura 12. Zona Plastificada 57
Figura 13. Perfil de viga doble T 58
Figura 14. Pandeo Lateral Torsional 59
Figura 15. Arriostramientos Laterales. 60
ix
PÁG.Figura 16. Arriostramientos Laterales 60
Figura 17. Planchas de Continuidad 61
Figura 18. Relación de Momentos Columna-Viga 62
Figura 19. Relación de Momentos Columna-Viga 62
Figura 20. Momentos de Vigas y Columnas en su punto de intersección. 63
Figura 21. Cálculo de M’pb. 64
Figura 22. Definición de Mpr y Vuv. 65
Figura 23. Definición de Mpr y Vuv. 65
Figura 24. Cálculo de M’pc. 66
Figura 25. Luz libre de columna. 67
Figura 26. Punto de inflexión. 67
Figura 27. Eje - caso 1. 69
Figura 28. Dos vigas conectadas en las alas de una columna con acero
A-36.
70
Figura 29. Eje – caso 2. 70
Figura 30. Viga conectada en el ala de una columna de acero A-36. 71
Figura 31. Eje – caso 3. 71
Figura 32. Dos vigas conectadas en las alas de una columna con acero
A-572 G50.
72
Figura 33. Eje – caso 4. 72
Figura 34. Viga conectada en el ala de una columna con acero A-572 G50. 73
Figura 35. Eje – caso 5. 73
Figura 36. Dos vigas conectadas en el alma de una columna con acero
A-36.
74
Figura 37. Eje – caso 6. 74
Figura 38. Viga conectada en el alma de una columna con acero A-36. 75
Figura 39. Eje – caso 7. 75
Figura 40. Dos vigas conectadas en el alma de una columna con acero
A-572 G50.
76
Figura 41. Eje – caso 8. 76
x
PÁG.Figura 42. Viga conectada en el alma de una columna con acero
A-572 G50.
77
Figura 43. Conexiones con 1 y 2 Vigas 78
Figura 44. Conexiones con 1 y 2 Vigas 79
Figura 45. Ciclo de Histéresis 81
Figura 46. Carga Cíclica 81
Figura 47. Conexiones precalificadas 82
Figura 48. Ejemplos de Conexiones End-Plate 83
Figura 49. Ejemplos de Conexiones End-Plate 83
Figura 50. Conexión con viga de sección reducida 84
Figura 51. Ejemplos de Conexiones con Viga se Sección Reducida (BRS) 84
Figura 52. Conexión Empernada 85
Figura 53. Conexión Soldada 86
Figura 54. Conexión Empernada Keiser 86
Figura 55. Distribución de Fuerzas en la zona del Panel 88
Figura 56. Distribución de Fuerzas en la zona del Panel 89
Figura 57. Cálculo de Mf. 89
Figura 58. Definición de Mpr y Vuv. 90
Figura 59. Definición de Mpr y Vuv. 90
Figura 60. Luz libre de la columna. 91
Figura 61. Punto de inflexión. 91
Figura 62. Parámetros de la Zona del Panel. 93
Figura 63. Planchas de refuerzo en el alma de la columna en la zona del
panel.
94
Figura 64. Espesor total de panchas de refuerzo en el alma de columnas
en la zona del panel.
94
Figura 65. Propiedades y dimensiones de viga y columna. 98
Figura 66 Propiedades y dimensiones de las planchas y pernos de
conexión y propiedades de la soldadura.
98
Figura 67. Cálculo del momento de diseño para la conexión. 99
Figura 68. Espesor de plancha de ala y diseño de los pernos de unión. 99
xi
PÁG.Figura 69. Chequeo de la resistencia a la tracción de la plancha de ala. 100
Figura 70. Chequeo de la resistencia al aplastamiento y desgarramiento. 100
Figura 71. Cheque del desgarramiento en ala de la viga. 101
Figura 72. Chequeo de resistencia por bloque de corte en plancha de ala. 101
Figura 73. Chequeo de resistencia por bloque de corte en el ala de la viga 102
Figura 74. Diseño de plancha de alma y los pernos de unión. 102
Figura 75. Chequeo de la resistencia al aplastamiento y desgarramiento en
plancha de alma.
103
Figura 76. Chequeo de la resistencia al aplastamiento y desgarramiento en
alma de la viga.
103
Figura 77 Diseño de la soldadura. 104
xii
INTRODUCCION En el año 1994 en la ciudad de Los Ángeles tuvo lugar el terremoto de
Northridge el cual generó pérdidas humanas y causó significativos daños en
todas las estructuras de este distrito, lo que desencadenó una serie de
estudios para determinar las consecuencias del sismo en las estructuras.
Las edificaciones aporticadas de acero se componen por miembros
denominados vigas y columnas los cuales deben unirse a través de
elementos estructurales llamados conexiones, estos elementos pueden verse
afectados al recibir cargas en dirección horizontal lo que origina un
debilitamiento de la estructura en general. Por ello, el Instituto Americano de
la Construcción en Acero (AISC) ha desarrollado una serie de conexiones
precalificadas que cumplen con los caracteres sismorresistentes. Para el
desarrollo de esta investigación se toman las conexiones precalificadas
Plancha de Ala (Flange Plate) como objeto de estudio, las cuales utilizan
placas soldadas a las alas de la columna y van empernadas a las alas de la
viga, están precalificadas para usarse en pórticos de momento especial y
pórticos de momento intermedio; siempre y cuando estén dentro de las
limitaciones de la guía de diseño AISC 358-10.
Como objetivo principal se busca analizar el diseño y detallado de
conexiones precalificadas tipo plancha de ala (Flange Plate) en donde se
estudian los diferentes estados limites que aplican en las conexiones de
miembros estructurales y se indica el procedimiento paso a paso para un
correcto análisis y detallado de este tipo de conexiones. Se elaboró una hoja
de cálculo en Excel y mediante ella se da respuesta a todas las interrogantes
que se plantean en el momento de diseñar conexiones sismorresistentes.
xiii
El presente trabajo consta de cinco (05) capítulos, los cuales se
detallan a continuación:
El capítulo I, plantea el problema, su justificación, además los objetivos,
delimitaciones y limitaciones encontradas en su desarrollo;
El capítulo II, titulado Marco Teórico, incluye los antecedentes de la
investigación, bases teóricas en las cuales se enmarca la investigación, las
bases legales indicando las normas y reglamentos referidos al tema, además
de una serie de conceptos básicos.
El capítulo III, se refiere al marco metodológico, todos los aspectos
considerados para el desarrollo del proyecto, tipo de investigación, técnicas e
instrumentos utilizados.
El capítulo IV expone el análisis de los datos obtenidos, contiene la
tabulación de la información generada de la aplicación del instrumento
presentada en cuadros y gráficos.
Posteriormente, en el capítulo V se presentan las conclusiones
obtenidas y recomendaciones indicadas por el autor, finalizando con las
referencias bibliográficas, las cuales muestran los diferentes medios
materiales o digitales que fueron utilizados por el autor para el desarrollo de
esta propuesta.
CAPITULO I
El Problema de Investigación
2
I.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. A lo largo de esta última década se han suscitado varios eventos sísmicos
que han afectado al mundo entero. Estos eventos se producen por choques de
placas tectónicas en la corteza terrestre, debido en su mayoría a fallas geológicas.
Estos choques producen energía y ocasionan movimientos en los suelos,
produciendo fallas en los mismos, debilitando así los cimientos y por ende las
estructuras que se encuentran sobre ellos. Los daños producidos en las estructuras
dependen de muchos factores, estos pueden ser: la zona en la que se encuentre la
edificación, las características del suelo, la intensidad y duración del movimiento
sísmico, la capacidad de disipación de energía que tenga la estructura, el material
con el que estén construidas, entre otros.
Para reducir los daños ocasionados por estos movimientos bien sean de
pequeña o gran magnitud y evitar el colapso de las edificaciones, se han creado
estructuras sismorresistentes. Dichas estructuras deben ser en sus pisos superiores
más livianos que los inferiores, deben tener la calidad y cantidad de materiales
óptimos y necesarios, su rigidez debe ser moderada para permitir el movimiento de
la estructura en conjunto con el sismo, evitando de esta manera el colapso total de
ella.
Las estructuras pueden ser construidas con distintos tipos de materiales
entre ellos están: la madera, el concreto, el acero. Este último de gran versatilidad
para la construcción, puesto que es resistente y de fácil manejo y se presta para la
fabricación mediante muchos métodos; posee numerosas ventajas, se pueden
realizar modificaciones y/o ampliaciones a su diseño inicial, de alta ductilidad,
característica que está ligada a la propiedad de este material conocida como
elongación, la cual debe ser alta y debe ir acompañada de poco endurecimiento por
deformación. La estructuras sismorresistentes deben ser diseñadas para poseer
suficiente ductilidad o capacidad de que la misma haga incursiones en el rango
inelástico sin pérdida apreciable de su resistencia.
En las edificaciones aporticadas de acero se llevan a cabo conexiones
precalificadas entre sus miembros (vigas y columnas) que están fundamentadas en
3
criterios y limitaciones específicas, en donde se debe tomar en cuenta la
configuración de la estructura, sus mecanismos de colapso y la forma de los
elementos que conforman dicha conexión.
Las conexiones precalificadas tipo “Plancha de Ala” (Flange Plate), están
contempladas en la guía de diseño AISC 358 desde el suplemento del año 2009.
Éste tipo de conexiones de momento utiliza placas soldadas a las alas de la
columna y va empernada a las alas de la viga, están precalificadas para usarse en
pórticos de momento especial y pórticos de momento intermedio; siempre y cuando
estén dentro de las limitaciones de dicha guía.
I.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
¿Cuáles son las consideraciones sismorresistentes en el diseño y detallado
de conexiones precalificadas tipo plancha de ala (Flange Plate) de acuerdo a la guía
AISC 358-10?
I.3. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA.
En gran parte de Venezuela se presentan movimientos horizontales de dos
grandes bloques de la corteza terrestre, debido a esto, el país es una zona con
significativa actividad sísmica, es por esta razón que todas las construcciones que
se hagan sobre el territorio nacional deben ser estructuradas bajo un criterio de
diseño y detallado sismorresistente.
Este criterio se caracteriza por la resistencia y ductilidad, que deben tener las
estructuras al movimiento sísmico. De esta forma en las estructura se podrían
minimizar con la utilización de conexiones precalificadas los daños que pueda
ocasionar cualquier evento sísmico, ya que estas conexiones han sido sometidas a
experimentos donde se le aplican cargas similares a las cargas sísmicas para
comprobar su resistencia ante estos eventos. Así mismo se busca la reducción de
4
costos al momento de reparar los daños causados por el sismo a la estructura
diseñada bajo este juicio.
Por lo que en la presente investigación se busca estudiar la guía de diseño
AISC 358-10, y mediante la guía de diseño de conexiones del grupo INESA, indicar
toda la formulación paso a paso para el correcto análisis y detallado de las
conexiones viga-columna de tipo plancha de ala (Flange Plate), para que lo demás
profesionales tengan la disponibilidad de un material que les sirva de guía al
momento de estudiar estas conexiones.
I.4 OBJETIVOS:
I.4.1 OBJETIVO GENERAL. Analizar el diseño y detallado de conexiones precalificadas tipo plancha de
ala (Flange Plate) de acuerdo a la guía AISC 358-10.
I.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 1. Analizar los diferentes estados límites que aplican en la conexión de
miembros empernados de acero estructural.
2. Indicar el procedimiento, paso a paso, para el correcto análisis y
detallado de conexiones tipo plancha de ala (Flange Plate), de acuerdo a
la guía A358.
3. Diseñar una hoja de cálculo en Excel para el análisis y detallado de las
conexiones tipo plancha de ala (Flange Plate) de acuerdo a la guía A358.
I.5 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. Se espera realizar la presente investigación dedicada al análisis y detallado
de las conexiones precalificadas tipo plancha de ala (Flange Plate) de acuerdo a la
guía A358, durante los siguientes 9 meses, en la ciudad de Caracas, zona de
5
actividad sísmica elevada en Venezuela. Del universo de conexiones se ha tomado
la plancha de ala (Flange Plate) por ser una de las más ampliamente utilizadas en la
construcción de edificios de acero estructural.
CAPITULO II
Marco Teórico
7
II.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. Al realizar una investigación se deben tomar en cuenta sus antecedentes los
cuales Fidias Arias (1999) define como “investigaciones realizadas anteriormente y
que guardan alguna vinculación con el problema en estudio” (p.14). Son de gran
utilidad para precisar y delimitar el objeto de la investigación; estos pueden ser tesis
de grado, libros, revistas especializadas, entre otros.
Bakhos, Antonio y Bitonti, Giovanni (2012) Comportamiento sismorresistente de conexiones tipo empalme en vigas de acero como variante de conexión precalificada viga-columna tipo Flange Plate, Universidad Nueva Esparta. La finalidad de este trabajo de grado fue analizar y detallar las conexiones
tipo empalme en vigas de acero en su variante de conexión precalificada viga-
columna tipo plancha de ala (Flange Plate), estableciendo sus consideraciones
sismorresistentes. Para lograr su objetivo principal, desarrollaron una hoja de
cálculo en Microsoft Excel en donde se analizó y diseñó el tipo de conexión antes
nombrada, basándose en la Norma AISC 360 del año 2010 y 341 del año 2005.
Para fines de la presente investigación este trabajo sirvió de referencia como
documentación, ya que trata una variante de la conexión tipo plancha de ala (Flange
Plate).
Salegui, Jon y Urdaneta, Alvaro (2011) Consideraciones sismorresistentes en el análisis y detallado de conexiones precalificadas plancha extrema tipos 4E, 4ES y 8ES según la guía AISC 358-05, Universidad Nueva Esparta. Este trabajo tiene como objetivo principal analizar y desarrollar las
conexiones tipo plancha extrema tomando en cuenta las consideraciones
sismorresistentes, las cuales se encuentran en la Norma AISC 358 del año 2005:
8
“Conexiones precalificadas para pórticos especiales e intermedios de acero para
aplicaciones sísmicas”. Para lo cual los autores desarrollaron una hoja de cálculo en
Microsoft Excel en donde calcularon y diseñaron tres tipos de conexiones del tipo
Plancha Extrema.
Esta investigación sirvió de guía para los procedimientos con los cuales se
desarrolla el objetivo principal del presente trabajo de grado, tomando en cuenta su
metodología de trabajo y enfoque del problema para obtener los resultados
deseados.
Molina Mata, Jesús Enrique (2009) Elaboración de un manual de diseño
sismorresistente de edificaciones en acero bajo los sistemas SMF, SCBF y EBF basado en las Normas ANSI/AISC 360-05 y 341-05, Universidad Central de Venezuela.
Este trabajo de grado busca elaborar un manual de diseño sismorresistente
de edificaciones de acero tomando como referencia lo establecido en los códigos de
la AISC “Instituto Americano de la Construcción de Acero” debido a que estas
contienen los fundamentos de las normas para edificaciones en acero en todo el
continente. El autor justifica su investigación en el hecho de que en Venezuela son
pocas las construcciones de estructuras de acero, siendo lo usual las estructuras de
concreto armado, debido al desconocimiento del diseño sismoresistente en acero, lo
cual es perjudicial ya éste país es zona de gran riesgo sísmico por lo que el diseño
sismorresistente debe ser lo común y el no sismoresistente la excepción.
Se elaboraron flujogramas de resumen, tablas de uso, hojas de cálculo (para
esto se utilizó el programa de cálculo ETABS v9) y ejemplos de aplicación con la
finalidad de que sirvan de ayuda en la elaboración del diseño sismorresistente en
acero.
El autor concluyó tras su ardua investigación que el diseño de conexiones es
muy importante ya que garantiza el comportamiento adecuado de las estructuras,
Se puede tabular las conexiones a fin de obtener rápidamente las dimensiones de
9
las planchas, pernos, ridigizadores, etc. Ya que, la capacidad de los elementos
condicionan a la mayoría de los diseños para garantizar que las conexiones no
fallen antes que el o los elementos conectados. Además, recomendó continuar y
profundizar los estudios sobre el diseño de conexiones y las construcciones en
acero.
Esta investigación suministró conocimientos generales que fueron de gran
ayuda en el direccionamiento del presente anteproyecto de tesis, sirvió como guía y
base conceptual para el mejor desarrollo de los objetivos.
Cheng-Chih CHEN y Nan-jiaoLin (2004) Investigación Experimental de las Conexiones Flange Plate utilizadas entre columnas tubulares de concreto (CFT) y vigas de acero, “13ª conferencia mundial sobre Ingeniería Sísmica”, Canadá. Este estudio se basó en el comportamiento cíclico de la conexión plancha de
ala (Flange Plate) utilizadas entre vigas de acero y columnas rectangulares CFT, en
el cual la conexión se encuentra introducida a través de la columna. Se estudiaron
extensivamente cuatro tipos de conexiones del tipo plancha de ala (Flange Plate),
ya que necesitan ser detalladas y su desempeño sísmico debe ser establecido y
entendido. Para esto se realizaron muestras diseñadas para simular el interior y
exterior de las conexiones viga – columna.
El aporte de esta investigación permitió conocer el alcance del tipo de
conexión plancha de ala (Flange Plate) y a las tensiones a las que puede ser
sometida, siendo esto de gran ayuda en el momento de seleccionarla para una
determinada estructura. Por otro lado, aumentó el campo cognoscitivo sobre las
características de la conexión plancha de ala (Flange Plate).
Machín Ayazo, Liz Fanny (2003) Conexiones sismorresistentes precalificadas para estructuras de acero: conexiones de plancha de cabeza con y sin rigidizadores, Universidad Central de Venezuela.
10
El objetivo de este trabajo de grado fue seleccionar las conexiones
precalificadas más utilizadas en Venezuela y así tener una amplia gama de
conexiones prediseñadas que puedan ser utilizadas en distintos casos. Con esto se
simplifica el proceso de diseño y construcción.
Para cada caso se deben estudiar las situaciones más desfavorables de
carga vertical, aunado a los efectos del sismo, para ser conservador en el momento
del diseño.
La investigadora estudió la conexión de plancha de cabeza con (BSEP) y sin
rigidizadores (BUEP) para lo cual elaboró tablas con el detallado de estas
conexiones.
Incluyó fundamentos teóricos basados en los métodos de colapso plástico
aplicados para la evaluación de los momentos para el diseño de las conexiones.
Finalmente, recomienda realizar nuevas configuraciones de este tipo de
conexión, con mayor número de pernos, teniendo así que realizar ensayos de
certificación de nuevas conexiones; debido a que en ciertas secciones las
conexiones precalificadas BUEP y BESP no son del todo eficientes.
El aporte de esta tesis fue la información que provee sobre las conexiones
más utilizadas en Venezuela, que amplían los conocimientos sobre las distintas
conexiones precalificadas que pueden ser usadas para distintos casos. Ya que, la
autora concluye que las conexiones BUEP y BSEP, las cuales para el año 2003
eran las más utilizadas en Venezuela, no son del todo eficientes exhorta a estudiar
otros tipos de conexiones para ser implementadas en las edificaciones construidas
con fines sismorresistentes.
Van Der Velde, Hector y Oviedo, Edis (2003). Diseño de conexiones viga–columna para estructuras de acero ante efectos sísmicos. Universidad Central de Venezuela.
11
Los autores tomaron tres tipos de conexiones de acero (la Cubre Placa,
Plancha Extrema y Viga de Sección Reducida), para los cuales analizaron los
problemas que existían en las conexiones viga – columna y sus posibles causas,
apoyándose en la FEMA, la AISC con base a las previsiones sísmicas de la AISC
1997-2000 y en la Norma COVENIN 1618-98.
Tras los terremotos de Northridge (1994) y Kobe (1995) se detectaron fallas
en las conexiones viga – columna, empleadas en el sistema de pórticos resistentes
a momentos en acero los cuales para ese entonces eran considerados los más
dúctiles, por lo que se hicieron modificaciones necesarias al manual de diseño
sismorresistente de la AISC; estas modificaciones se encuentran plasmadas en este
documento, además de los procedimientos de diseño de dichas conexiones, que
junto con las tablas de geometría de los perfiles, la tabla de resistencia al corte en la
zona del panel y las tablas de resistencia al pandeo del alma el ala en la columna
pueden ser aplicados.
Este proyecto de grado sirvió de apoyo en los criterios y procedimientos
aplicados para su realización, para tratar otro tipo de conexión, es decir, su aporte
es metodológico y sugirió tipificar las conexiones con los materiales usados en
Venezuela.
Marcoccia M. Carlos F. y Méndez M. Teodoro J. (1991) Diseño de conexiones de momento para estructuras sismorresistentes de acero. Universidad Central de Venezuela.
Este trabajo especial de grado buscaba facilitar a los ingenieros el diseño de
conexiones típicas que se puedan presentar en la elaboración de un proyecto
estructural de acero. Para ello se utilizó un lenguaje de programación denominado
QUICK BASIC que podía reducir y automatizar el proceso de cálculo, consiguiendo
así un desarrollo rápido y eficiente.
12
Se concluyó que el diseño estandarizado de conexiones se dificulta ya que
de cada caso en particular pueden salir distintas combinaciones. Sin embargo, se
recomendó la utilización del lenguaje de programación mencionado previamente, ya
que, facilita los cálculos de diseño.
Este trabajo especial de grado ayudó a conocer lo dificultoso que para la
fecha de su realización era la elaboración de conexiones precalificadas de carácter
sismorresistente, a pesar de que existían programas y se estudiaban lenguajes de
programación que facilitaran el diseño estandarizado de conexiones tal como el
QUICK BASIC. Lo que demostró que se han realizado muchos estudios posteriores
que han perfeccionado el diseño de conexiones precalificadas y en parte justifica el
desarrollo de investigaciones de esta índole.
II.2 BASES TEÓRICAS.
Al momento de fabricar estructuras metálicas, los materiales a utilizar vienen
en perfiles y dimensiones predeterminados, por lo que el ingeniero debe recurrir a
realizar cortes y conexiones para así cumplir con las necesidades de su proyecto.
Esto ocurre con las piezas estructurales de acero, es decir, las vigas y columnas, las
cuales vienen en forma de barras y para ser ensambladas es necesario realizar
conexiones acorde con las características y dimensiones de las mismas, ya que las
barras están sometidas a cargas transversales externas y transportan estas cargas
hacia el apoyo por medio de esfuerzos solicitantes internos. Estos son momento
flector y la fuerza cortante. Se admite que las dos fuerzas que componen el
momento flector solo actúan en las secciones transversales de la viga.
Estas piezas como miembros de una estructura están sometidas a cargas
que las llevan a su estado límite, entendiendo por estado límite el comportamiento a
partir del cual un elemento de la estructura deja de cumplir la función para el cual
fue elaborado. Existen dos tipos de estados límites:
• Estados límite de falla: Es el agotamiento definitivo de la capacidad de carga,
trayendo como consecuencia daños irreversibles que afectan su resistencia ante
nuevas aplicaciones de carga. Éste se divide a su vez en dos tipos, estado límite de
13
falla dúctil (la capacidad de carga del elemento se mantiene a pesar de tener
deformaciones mayores a las ya existentes al alcanzarse el estado límite) y estado
límite de falla frágil (la capacidad del elemento se reduce bruscamente al alcanzar el
estado límite).
• Estados límite de servicio: Es el estado límite que al ser rebasado el
elemento se ve deteriorado, por deformación, figuración o vibraciones, y pierde su
funcionalidad. Sin embargo, estos daños pueden ser reparados o prevenidos con
mantenimiento.
Para la colocación de conexiones se deben tener presente varios aspectos,
entre ellos es importante tomar en cuenta que puede aumentar considerablemente
el costo de la estructura. La selección del tipo de conexión depende del
comportamiento de dicha conexión (si es rígida, flexible, por contacto o por fricción);
las limitaciones que haya para su construcción; la facilidad de fabricación (acceso
para la soldadura, el uso de equipos automáticos, etc.) y su montaje (acceso para
atornillar, simplicidad, soportes provisionales). Estos ensambles se realizan por
medio de soldaduras o atornillados.
Las conexiones rígidas son aquellas en las que no ocurre rotación relativa de
los elementos conectados, es decir, no se permite el movimiento, por el contrario, en
las conexiones flexibles esta rotación si es permisible.
No es cierto que haya una conexión totalmente rígida o totalmente flexible,
solo a través de experimentos se puede determinar el grado de rigidez de cada tipo
de conexión, se evalúa el ángulo de rotación entre las partes conectadas y se
clasifican en conexiones “más rígidas” o “menos rígidas”, es decir rígidas o flexibles
respectivamente.
La conexión rígida se debe proyectar de una forma en la que se mantenga el
ángulo original entre los ejes de los miembros conectados, es decir, esta debe
garantizar la transmisión de las fuerzas en las alas que componen el momento
flector, de un miembro al otro.
14
La Norma COVENIN – MINDUR 1618-98 se refiere a las conexiones rígidas
en este sentido: “El diseño de todas las juntas viga – columna y las conexiones del
sistema resistente a sismos se basará en resultados de ensayos bajo cargas
cíclicas, realizados y calificados”. (pág. 51)
Las conexiones flexibles o semirrígidas solo deben garantizar que las
reacciones de apoyo asociadas a la fuerza cortante y la fuerza normal sean
transmitidas al elemento de apoyo y permitir la rotación de un elemento respecto al
otro.
Para utilizar estas conexiones la CONVENIN – MINDUR 1618-98 autoriza su
uso siempre y cuando se cumpla con los siguientes requisitos:
1. La resistencia minorada de la conexión satisface los requisitos del
Artículo 11.2.
Este señala que “…los miembros, juntas y conexiones de los pórticos de
acero proyectados, detallados, inspeccionados y construidos con el nivel de
diseño ND1 sean capaces de soportar limitadas deformaciones inelásticas
cuando sean sometidos a las fuerzas resultantes de los movimientos
sísmicos de diseño que actúan conjuntamente con otras acciones.” (pág. 51)
2. La resistencia teórica a la flexión de la conexión es igual o mayor que la
mitad del momento plástico de las vigas o columnas conectadas.
3. La conexión ha demostrado en ensayos bajo cargas críticas que tiene
una adecuada capacidad de rotación para la deriva del entrepiso
calculada conforme a los requisitos de la norma COVENIN – MINDUR
1756-98 Edificaciones Sismorresistentes.
4. En el diseño se ha considerado la rigidez y la resistencia de las
conexiones semirrígidas, incluyendo los efectos sobre la estabilidad del
conjunto de la edificación.
La norma AISC en su versión del 2005 nos da ciertos parámetros para el
diseño de conexiones.
15
II.2.1 Bases de Diseño
Para saber la capacidad de resistencia que debe tener una conexión es
necesario realizar un análisis estructural que determine las cargas de diseño
especificadas, debe ser consistente con el tipo de construcción especificada o una
proporción de la resistencia requerida del miembro conectado.
También se deben considerar los efectos de excentricidad cuando los ejes
centroidales de los miembros cargados axialmente no se interceptan en el mismo
punto.
II.2.2 Conexiones simples Estas conexiones deben ser diseñadas como flexibles y es permitido
dimensionarlas solo para reacciones de corte a menos de que se indique lo
contrario en los documentos de diseño. Las conexiones flexibles de las vigas
simples deben ser capaces de soportar las rotaciones en sus extremos. Está
permitido que la conexión desarrolle algo de deformación inelástica pero auto-
limitante para ajustar las conexiones de una viga simple en sus extremos.
II.2.3 Conexiones de momento
Las conexiones en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser
diseñadas para la combinación de fuerzas de momento y de corte que están
incluidos por la rigidez de las conexiones.
II.2.4 Conexiones soldadas
Luis Mattos (2006) define soldadura como “La técnica empleada para la
unión de dos o más componentes de un elemento estructural, conservando la
continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas” (p. 75). El colocar
conexiones soldadas tiene varias ventajas como lo son: mayor rigidez de las
16
conexiones, reduce los costos de la fabricación, se utiliza menor cantidad de acero,
ya que son más compactas que las conexiones empernadas y permite una mejor
limpieza y colocación de la pintura. Las soldaduras se clasifican según sus
posiciones en horizontal, vertical, plana y sobre cabeza.
Hay varios tipos de soldaduras, entre los más comunes están:
• La tipo filete que es la más empleada debido a su sencillez, en esta, el metal
aportado se coloca externamente a los elementos a ser conectados, según
Maria Fratelli (2003) este tipo de soldaduras “toman diferentes
denominaciones según la posición que ocupa el operario con respecto a la
junta durante la ejecución de la soldadura.”(p.154). Estas se conocen de la
siguiente manera:
- Soldadura Plana
- Soldadura Horizontal
- Soldadura Vertical
- Soldadura sobre cabeza
• La de entalladura o de penetración que es mejor en cuanto a la estética. Sin
embargo, McCormac (1991) señala que “…los filetes transversales son un
tercio más resistente que los longitudinales” (p.360), una de las razones por
la cual este corte es más resistente, puede ser que las tensiones están más
uniformemente repartidas en toda la longitud.
2.2.5 Conexiones empernadas Los pernos o tornillos son dispositivos mecánicos de conexión que se
insertan a través de agujeros en placas o piezas a unir, están formados por tres
partes: la cabeza que puede ser cuadrada o hexagonal, el perno en forma cilíndrica
y la rosca en forma de espiral. Estos actúan en resistencia a las cargas axiales son
identificados por su diámetro nominal y depende del diámetro efectivo su resistencia
a la tracción, por lo que el área efectiva es la sección transversal que pasa por la
rosca.
Según sus dimensiones se clasifican en:
17
• Normales
• Pesados
• Semipesados
Figura 1. Perno de cabeza hexagonal
(Fuente: Diseño de estructuras metálicas, 2003, p. 97)
Los pernos más utilizados son los de cabeza hexagonal ya que son más
fáciles de ajustar y se necesita de un espacio menor para el apriete; las tuercas
también pueden ser cuadradas o hexagonales. Se clasifican según sus
características mecánicas en tres grados:
Pernos comunes: estos poseen baja resistencia mecánica, los
más empleados son aquellos que poseen resistencia a la ruptura
a tracción. La colocación de estos tornillos se hace de forma
manual común. No se permite la resistencia por fricción entre las
chapas permitiendo así el movimiento de los elementos que estén
conectados. Los más comunes son los A 307 elaborados con
acero de bajo contenido de carbono, su diámetro oscila entre ¼” y
1 ½”. Se utilizan para miembros secundarios con cargas de
limitada magnitud.
María Fratelli (2003) plantea lo siguiente al respecto:
Agarre
Longitud
db
db: diámetro nominal del perno
P
t1
P/2
P/2
t2
t3
18
Como su apriete no es muy ajustado, se pueden producir
desplazamientos entre las planchas o miembros
estructurales que conectan, por lo cual se exige
calcularlos al aplastamiento, y no se toma en cuenta la
fuerza de tracción en el vástago, resultante del apriete de
las tuercas. (p. 97)
II.2.5.1 Pernos de alta resistencia En las conexiones más importantes con campo de aplicación en juntas o
nodos de pórticos de edificios, galpones, armaduras de techo y puentes se deben
utilizar pernos de alta resistencia; los más comunes y de mayor aceptación son los
que están fabricados según las especificaciones norteamericanas ASTM A 325 y el
A 490; estos son elaborados con aceros de medios de carbono aleados, templados
y revenidos. Estos tornillos son utilizados como pernos de anclaje.
Tabla 1. Pernos estructurales
(Fuente: María Fratelli, Diseño de estructuras metálicas, 2003)
Debido a tener mayor resistencia se requiere un menor número de pernos
por conexión, por ende menos placas de conexión.
Estos pernos se pueden apretar con la ayuda de distintos equipos manuales,
tales como las llaves, la llave de mango largo y la llave neumática o taquímetro; se
debe asegurar que estos pernos estén lo suficientemente apretados, ya que los
A 307
A325
A490
¼” < d ≤ ¾” ¾” < d ≤ 1 ½”
¼” < d ≤ 1” 1” < d ≤ 1 ½”
¼” < d ≤ 1 ½”
5.424 4.250
8.500 7.400
10.600
19
miembros conectados deben quedar bien ajustados entre la cabeza del perno y la
tuerca.
Para el apriete de tuercas se utilizan dos métodos:
• El método de giro de tuerca Este método se aplica con llaves corrientes de tuercas en forma manual.
Primeramente se deben apretar las tuercas hasta media vuelta más allá del
punto donde se desarrolla algo de resistencia; después de ese momento se
hace un giro adicional que depende de la longitud del vástago indicado en la
Tabla 2. Para estar completamente tensados, los pernos A 325 y A 490 deben
apretarse por lo menos 70% de la tracción mínima y ésta se especifica en la
Tabla 3.
El apriete comienza con los pernos que están en el centro de la conexión y
finaliza con los perimetrales.
• El ajuste con llaves calibradas Este método se realiza con llaves calibradas de torque o de impacto,
operadas mecánicamente, dejan de funcionar cuando se llega al punto deseado
de apriete. Los pernos que son ajustados con llaves calibradas, se deben
instalar con arandelas endurecidas bajo la tuerca o la cabeza del perno, esto
depende de cuál de los dos elementos se hace girar durante el ajuste.
Si los pernos A 325 no han sido sobre esforzados, se pueden volver a usar
pero no sucede lo mismo con los pernos A 490 ya que al realizar pruebas de
rehúso se detectó que no pueden usarse de nuevo. Una forma sencilla de
chequear que se han ajustado bien los pernos es usando roldanas nervadas,
como se muestra en la figura 2; estas se aplanan hasta alcanzar el torque
especificado, indicando la distancia mínima “s” entre la cara inferior de la cabeza
o tuerca del perno, y la plancha a conectar.
20
Figura 2. Empleo de roldanas nervadas (Fuente: Diseño de estructuras metálicas, 2003, p. 99)
Las roldanas nervadas se pueden colocar bajo la cabeza o bajo la tuerca,
coincidiendo con el extremo en el cual se aplica la llave de ajuste.
Longitud del vástago
Apriete final
Tabla 2. Apriete final en los pernos
(Fuente: María Fratelli, Diseño de estructuras metálicas, 2003)
Diámetro del perno db Pernos A325 Pernos A 490min pulgadas Tb (kg) Tb (kg) 13 1/2 5.440 6.800 16 5/8 8.620 10.900 19 3/4 12.700 15.900 22 7/8 17.700 22.200 25 1 23.100 29.000 29 1 1/8 25.400 36.300 32 1 1/4 32.200 46.300 35 1 3/8 38.600 54.900 38 1 1/2 46.700 67.100
Tabla 3. Fuerzas mínimas de tracción en los pernos (Fuente: María Fratelli, Diseño de estructuras metálicas, 2003)
4 d 1/3 de vuelta 4 d a 8 d
8 d a 12 d > 12 d
1/2 vuelta 2/3 a 3/4 de vuelta control con llave calibrada
21
Se deben usar arandelas debajo de la cabeza o tuerca del perno que gira
durante el apriete con llave calibrada, estas deberán ser de acero endurecido al
usarse pernos de acero A 490 o A 449.
Indicador directo de tensión: El indicador directo de tensión consiste en
una roldana endurecida con protuberancias en una de sus caras en forma de
pequeños arcos. Los arcos se aplanan conforme se aprieta el perno. La magnitud
de la abertura en cualquier momento es una medida de la tensión en el perno.
Según McCormac (1991).
Dentro de las ventajas que posee el usar pernos de alta resistencia,
McCormac (1991) señala las siguientes:
1. Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar, son menores que
las que se necesitan para remachar. Dos parejas de atornilladores
pueden fácilmente colocar el doble de pernos en un día, que el número
de remaches colocados por una cuadrilla normal de cuatro
remachadores, por ende el montaje de acero estructural es más rápido.
2. En comparación con los remaches, se requiere menor número de pernos
para proporcionar la misma resistencia.
3. No se requieren pernos de montaje que deben removerse después como
en las juntas soldadas.
4. Se requiere un equipo más económico para realizar conexiones
apernadas.
5. No existe riesgo de fuego ni peligro por el lanzamiento de los remaches
calientes
6. Las pruebas hechas en juntas remachadas y en juntas apernadas, bajo
las mismas condiciones, muestran definitivamente que las juntas
apernadas tienen una mayor resistencia a la fatiga.
7. Donde las estructuras se alteran o desensamblan posteriormente, los
cambios en las conexiones son muy sencillos por la facilidad para quitar
los pernos. (p. 355)
22
II.2.5.2 Tipos de agujeros para pernos:
Los agujeros para pernos se obtienen mediante taladrado, punzonado,
sopleteado o escariado, dependiendo de su forma y dimensiones, los agujeros se
clasifican en:
• Normales o Estándar
• Agrandados
• De ranura corta
• De ranura larga
McCormac (1991) señala que los agujeros agrandados pueden ser muy
útiles para acelerar el proceso de montaje; además permiten ajustes en la
plomería de la estructura durante su montaje. Se pueden usar en todas las
placas de una conexión, siempre y cuando no se exceda la carga aplicada a la
resistencia permisible al deslizamiento. Es necesario usar roldanas endurecidas
sobre estos agujeros agrandados en las placas exteriores.
“Los agujeros de ranura corta se pueden usar independientemente de la
dirección que tenga la carga aplicada si la resistencia permisible por
deslizamiento es mayor que la fuerza aplicada” (p. 283).
Los agujeros de ranura larga se pueden usar en cualquiera, pero solo en una
de las partes conectadas y en cualquier superficie de contacto en conexiones
del tipo fricción o aplastamiento. Si se utilizan este tipo de agujeros en capas
exteriores es necesario cubrirlo con roldanas o con una barra continua.
Las dimensiones nominales de los agujeros, dependen del diámetro nominal
del perno que alojan. Los valores serán indicados en la Tabla 4.
23
Dimensiones nominales de los agujeros db (mm)
Tabla 4. Dimensiones nominales de agujeros (Fuente: María Fratelli, Diseño de estructuras metálicas, 2003)
Los tipos de agujeros se grafican en la siguiente tabla:
Tabla 5. Longitudes de los pernos de alta resistencia A 325 y A 490 (Fuente: María Fratelli, Diseño de estructuras metálicas, 2003)
El método para obtener los agujeros, dependientes del espesor de sus
planchas, se muestra en la siguiente tabla.
Diámetro nominal del perno db
17.5 x 22.214.3 x 17.5
(db+2 mm)x(2.5 db)27.0 x 63.523.8 x 55.620.6 x 47.617.5 x 39.714.3 x 31.8
Agrandados (diámetro)
Ranura corta (ancho x largo)
Ranura larga (ancho x largo)
23.820.615.9
db + 2 mm27.0 23.8 20.6 17.5 14.3
20.6 x 25.4
27.0 x 33.3(db+2mm)x(db+9.5mm) db + 8 mm
31.827.0 23.8 x 28.6
16 (5/8) 19 (3/4) 22 (7/8) 25 (1)
29 ( ≥ 1 1/8)
13 (1/2)
Normales (diámetro)
da dh dh1
dh2 dh2
dh1 da dh
Normales Las líneas punteadas indican las dimensiones para el cálculo de las áreas netas de ítem 3.6.6
De ranura largaDe ranura cortaAgrandados
db
mm pulgadas 1
b mínimo
mm pulgadas a mínimo
mm pulgadas
1 3/8 1 1/4 1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2
40 35 32 29 25 22 19 16 13
1 1/2
32 29 25 22 18
40
1 1/8 1 7/8 11/16
2 1/4 2 1/4 2 2
1 3/4 1 1/2 1 3/8 1 1/4
55 55 50 50 45 40 35 32 25
42 45 50 1 7/8
1 3/4 1 5/8 1 1/2 1 1/4
mm plg.
24
Tabla 6. Método de perforación de los agujeros (Fuente: María Fratelli, Diseño de estructuras metálicas, 2003)
II.2.5.3 Longitud de los pernos
La longitud que tenga cada perno, se determina dependiendo del espesor
que tengan las planchas que se van a conectar. De la longitud total de la rosca y la
longitud de apriete depende si la rosca se halla o no incluida en los planos de corte.
Cuando se halla incluida el área de la sección transversal de la barra recalcada del
cuerpo roscado, es menor que el cuerpo sin rosca, y trae como consecuencia que
disminuya la resistencia a corte por aplastamiento. Para diseñar las conexiones ver
la figura 3.
Figura 3. Longitud de los pernos (Fuente: Diseño de estructuras metálicas, 2003, p. 102)
Método de perforación de los agujeros
Espesor de las planchast (mm)
Agujeros
t ≤ d + 3 mm
t > d +3 mm
Punzonado
Taladrados, subpunzonados
Y i d
db diámetro nominal
L longitud total c longitud del cuerpo a longitud de apriete b longitud de rosca T agarre e espesor de arandela
a =
T = ∑ L = T + a + 2e
L b
T
a
c
e
t2
e
db
t1 t3
25
II.2.5.4 Espaciamiento entre conectores:
Todas las conexiones deben ser suficientemente resistentes, dúctiles,
compactas y efectivas. El espaciamiento que debe haber entre los conectores se
rige por las siguientes consideraciones que señala Fratelli (2003):
• Si los conectores están muy juntos; se produce interferencia entre ellos, por
superposición de los esfuerzos debidos a la fricción de apriete.
• Un espaciamiento demasiado cercano trae dificultades al instalar los
conectores, ya que en el caso de los pernos la cabeza de la llave requiere un
espacio mínimo de operación, y en los remaches la pistola remachadora
debe poder usarse sin interferencia entre cabezas
• Una distancia pequeña entre el conector y el borde cargado axialmente,
puede producir desgarramiento en las planchas.
• La excesiva proximidad entre conectores disminuye el área neta de la
sección transversal, al aumentar el número de conectores por hilera. Con
ello se favorece la falla por tracción en el área neta de los miembros.
• Cuando el espaciamiento es muy grande, el peligro reside en que en
miembros comprimidos, se puede producir pandeo local de las planchas
entre conectores o separación por levantamiento de los bordes, cuando la
distancia al borde es excesiva. (p.103)
Figura 4. Espaciamiento entre conectores.
(Fuente: Diseño de estructuras metálicas, 2003, p. 103)
Le
Le
Le Le
Lc Lc Lc Lc
Lc Lc Lc Lc
Le Le
a
b
a
PPg
a a
26
Esta figura nos muestra el espaciamiento entre los conectores. La mínima
distancia a los bordes, para bordes taladrados, perforados, o escareados y
bordes cizallados o bordes sopleteados, que son cortados a la flama. Generalmente
se colocan los conectores a una distancia mínima del borde de la placa mayor o
igual a 1,5 o que sea el doble del diámetro del perno, así se obtiene resistencia al
corte igual al de las conexiones debido al metal.
La nueva Norma de estructuras de acero para edificaciones: “Métodos de los
estados límites”. COVENIN - MINDUR 1618-98. Se basa principalmente en la
consideración de los estados límites de utilidad estructural.
La AISC (2005) define estado limite como “La situación más allá de la cual
una estructura, miembro o componente estructural queda inútil para su uso previsto
o de alcanzar el agotamiento de su capacidad resistente” (p.42).
La AISC 358-10 plantea una conexión con características de conexión
totalmente rígida, ésta es la plancha de ala (Flange Plate).
II.2.6 Conexiones plancha de ala (Flange Plate).
Es una conexión de momento empernada que utiliza placas soldadas a las
alas de la columna usando una soldadura de penetración completa y empernada a
las alas de la viga con pernos de alta resistencia. Las placas superior e inferior
deben ser exactamente iguales.
El alma de la viga debe ser conectada al ala de la columna usando una
plancha empernada en pequeños y agujeros. Los detalles de esta conexión son
mostrados en la figura 5.
Las conexiones plancha de ala (Flange Plate) están precalificadas para
usarse en sistemas de pórticos especiales e intermedios dentro de las limitaciones
de esta norma.
27
En una nota la Guía A 358 señala que estas conexiones solo serán
precalificadas si “la losa de concreto estructural se mantiene por lo menos 25mm en
ambos lados de ambas alas de la columna. Está permitido colocar material
comprensible en el espacio entre las alas de la columna y la losa de concreto
estructural” (p. 9.2-39)
Figura 5. Conexión de momento empernada plancha de ala (Flange
Plate) (Fuente: AISC 358-10 p. 9.2-39)
II.2.6.1 Límites de precalificación
1. Limitaciones de la viga: Las vigas deberán satisfacer las siguientes limitaciones:
1) Las vigas deberán ser laminadas por el ala ancha o soldadas, de forma que
sus miembros construyan una L conforme a lo requerido en la sección 2.3 de
la AISC previsiones sísmicas, la cual plantea que los miembros laminados se
ajustarán a la sección transversal del perfil bajo las limitaciones
28
correspondiente para cada tipo de conexión como lo especifica la AISC 358-
10; los miembros edificados deben reunir los siguiente requisitos:
1.1) las alas y las almas de la viga deberán tener un perfil de anchura,
profundidad y espesor similar a las secciones del ala ancha laminada
y,
1.2) el alma de la viga deberá estar continuamente conectada a las alas
usando una soldadura CJP con un par de soldaduras de filete de
refuerzo, la medida mínima de ésta soldadura de filete deberá ser de
5/16 pulgadas (8mm) y menor al espesor de la viga.
2) La profundidad de la viga está limitada a un máximo de W36 (w920) para las
de perfil laminado y la profundidad de las secciones construidas no deberá
exceder lo permitido para ellas.
3) El peso de la viga está limitada a un máximo de 224 kg/m.
4) El grosor del ala de la viga está limitado a un máximo de 25mm.
5) La relación entre la longitud/altura de la viga es limitada a:
a) Para sistemas SMF (Special Moment Frames), 9 o mayor.
b) Para sistemas IMF (Intermediate Moment Frames), 7 o mayor.
6) La relación ancho-grosor de las alas y la red de la viga deberá ser ajustada
a los requisitos sismorresistentes de la AISC.
7) El soporte lateral de la viga será previsto de acuerdo a lo siguiente:
El soporte lateral de la viga se ajustará a los requisitos sismorresistentes de
la AISC. Debe satisfacer los requerimientos sismorresistentes del capítulo E
de la AISC para soportes laterales en rótulas plásticas, el soporte lateral
suplementario deberá ser proporcionado en las alas superior e inferior de la
viga, y debe ser localizado a una distancia de 1.5mm desde el perno más
alejado a la cara de la columna.
8) La zona protegida consiste en la plancha de ala (Flange Plate) y la parte de
la viga entre la cara de la columna y una distancia igual a la profundidad de
la viga más allá del perno más lejano desde la cara de la columna.
29
2. Limitaciones de la columna:
1) Las columnas serán de perfil laminado o de secciones construidas a través
de soldaduras permitidas en la sección 2.3.
2) La viga debe conectarse al ala de la columna.
3) La profundidad de la columna de perfil laminado será limitada a un máximo
de W920 cuando sea previsto usar losas de concreto estructural. En
ausencia de la losa de concreto estructural, la profundidad de la columna de
perfil laminada será de un máximo de W360. Las columnas cruciformes no
deben tener un ancho o profundidad mayor a la profundidad permitida para
las de perfil laminado. Las columnas cruciformes no deben tener un ancho o
profundidad mayor a la profundidad que excedan los 610mm. Las columnas
de ala ancha en forma de caja no deben tener un ancho o una profundidad
mayor a 610mm si participan en marcos momento ortogonales.
4) No hay límites en el peso por metro de columna.
5) No hay requisitos adicionales para el grueso de las alas.
6) La relación grueso-espesor de las alas y la red de las columnas se ajustarán
a lo establecido en los requisitos sismorresistentes de la AISC.
7) Los soportes laterales de las columnas se ajustarán a lo establecido en los
requisitos sismorresistentes de la AISC.
3. Limitaciones de la relación viga-columna Las conexiones viga-columna deberán ajustarse a las siguientes
limitaciones:
1) Las zonas del panel se ajustarán a los requisitos sismorresistentes de la
AISC.
2) La relación de momento viga-columna se ajustará a lo establecido en los
requisitos simorresistentes de la AISC.
30
4. Detalles de la conexión
1. Especificaciones del material de la plancha.
Todas las planchas de conexión estarán conformes a la siguiente
especificación: ASTM A36/A36M o A572/A572M grado 50 (345).
2. Soldadura de las alas de la viga.
Las alas de la viga se conectarán a las alas de la columna por medio de una
soldadura de ranura de penetración completa (CJP) y deberán considerarse
soldaduras de demanda crítica. Si se usan planchas de respaldo, deben ser
removidas. La soldadura será verificada y si fuera necesario, corregida por la
ejecución de nuevas soldaduras.
3. Placa de una sola soldadura de conexión de corte.
Las conexiones cortantes de plancha simple deberán ser soldadas al ala de
la columna. La instalación de la conexión, consiste en la soldadura de
ranuras CJP, unión de penetración parcial de dos caras, o soldadura de filete
de dos caras.
4. Requerimiento de los pernos
Los pernos deben ser organizados simétricamente a través de los ejes de la
viga y serán limitados a dos tornillos por fila en las conexiones plancha de
ala (FlangePlate). La longitud del grupo de tornillos no debe exceder la
profundidad de la viga. Los agujeros de esta conexión, deben ser de tamaño
estándar o sobredimensionado. Los agujeros de los pernos en las alas de la
viga y en la conexión plancha de ala (Flange Plate) serán hechos por
perforación o sub-taladrado y escariado. No está permitido abrir agujeros
mediante golpes y herramientas punzantes.
Los tornillos en la plancha de ala (Flange Plate) deben ser ASTM
A490 o A490M o ASTM F2280 ensamblados. Los THREADS serán excluidos
del plano de ranuras. El diámetro del perno es limitado a un máximo de
28mm.
5. Cuñas de la plancha de ala (Flange Plate).
31
Las cuñas deben tener un espesor máximo de 6mm, puede ser usada entre
la plancha de ala (Flange Plate) y el ala de la viga como se muestra en la
figura 5.
5. Procedimiento de diseño
Paso 1. Estimar el momento máximo probable en la rótula plástica.
Paso 2. Calcular el diámetro máximo del perno para prevenir la ruptura por
tensión del ala de la viga.
Para agujeros estándar con dos pernos por fila:
1 18 . (E.1.1)
1 3 (E.1.1M)
Se selecciona el diámetro del perno. Se chequea la distancia del borde para
los agujeros del ala de la viga, de manera que satisfaga los requerimientos
especificados en la AISC.
Paso 3. Se asume un espesor de plancha de ala (Flange Plate),tp. Se estima el
ancho de la plancha de ala (Flange Plate),bfp, considerando el calibre del perno,
la distancia requerida desde el borde del perno, y el ancho del ala de la viga. Se
determina la resistencia nominal al corte de control por perno teniendo en cuenta
el corte y el perno de soporte:
1.0
= min 2.4
2.4 (E.1.2)
32
Donde:
= área nominal del cuerpo del perno no roscado,
= fuerza nominal de cizalla del tornillo especificado en las AISC, ksi (MPa)
= fuerza de tensión mínima especificada del material de la viga, ksi (MPa)
= fuerza de tensión mínima especificada del material de la plancha, ksi (MPa)
= diámetro nominal del perno, mm.
= espesor del ala de la viga, mm
= espesor de la plancha de ala (Flange Plate), mm.
Paso 4. Seleccionar un número de prueba de pernos.
Nota: la siguiente ecuación puede ser usada para estimar el número de pernos de
prueba.
1.25
Donde:
= número de pernos redondeado al siguiente número superior.
= profundidad de la viga, mm
Paso 5. Determinar la ubicación de la rótula plástica de la viga , , desde la cara de
la columna.
21
Donde:
= distancia de la cara de la columna a la fila más cercana de pernos, mm.
33
= espaciamiento de las filas de pernos, mm.
El espaciado de pernos entre filas , , y la distancia del borde deberán ser
suficientemente largas para asegurar que Lc, como se define en las
especificaciones de la AISC, es mayor o igual a 2db.
Paso 6. Calcular la fuerza cortante en la ubicación de la rótula plástica de la viga en
cada final de la misma (viga).
La fuerza de cizallamiento en la ubicación de la rótula, Vh, será determinada
mediante un diagrama de cuerpo libre de la porción de la viga entre la ubicación de
la rótula plástica. Este cálculo debe asumir que el momento en la ubicación de la
rótula plástica es Mpr y debe incluir las cargas de gravedad que actúan en la viga
basadas en la combinación de cargas 1.2D + f1L + 0.2S, donde f1 es el factor carga
determinado por el código de construcción aplicable para cargas vivas, y no debe
ser menor a 0.5.
Nota: la combinación de cargas de 1.2D + f1L + 0.2Sestá en conformidad con la
ASCE/SEI 7. Al utilizar el código internacional de construcción, un factor de 0.7 debe
ser usado en lugar del factor de 0.2 cuando la configuración del techo es tal que no
arroja nieve de la estructura.
Paso 7. Calcular el momento esperado en la cara del ala de la columna.
Donde:
: Es el más grande de dos valores de fuerza de cizallamiento en la ubicación de
la rótula de la viga en cada final de la viga, kips (N)
34
La ecuación anterior descuida la carga de gravedad en la porción de la viga
entre la rótula plástica y la cara de la columna. Si se desea, la carga de gravedad
en esta pequeña porción de la viga puede ser incluida.
Paso 8. Calcula , la fuerza en la plancha de ala (Flange Plate) debido a .
Donde:
= la profundidad de la viga, mm.
= espesor dela plancha de ala (Flange Plate). mm.
Paso 9. Confirmar que el número de pernos seleccionado en el paso 4 es el
adecuado.
Paso 10. Chequear que el espesor asumido de la plancha de ala (Flange Plate) en
el paso 3 es el adecuado.
Donde:
= límite de elasticidad especificado de la plancha de ala (Flange Plate), ksi (MPa)
= ancho de la plancha de ala (Flange Plate), mm.
Paso 11. Chequear la plancha de ala (Flange Plate) por ruptura de tensión.
35
Donde:
= está definido en las provisiones de ruptura por tensión del capítulo J de las
especificaciones de la AISC, como la “resistencia nominal de diseño”.
Paso 12. Comprobar el ala de la viga por bloque de corte.
Donde:
= está definido en las provisiones de bloque de corte del capítulo J de la AISC
especificaciones.
Paso 13. Comprobar la plancha de ala (FlangePlate) por compresión de pandeo.
Donde:
= está definido en las provisiones de compresión de pandeo del capítulo J dela
AISC especificaciones.
Nota: Cuando se comprueba la compresión de pandeo de la plancha de ala (Flange
Plate), la longitud efectiva, KL, puede ser tomada como 0.65S1.
Alguna iteración de los pasos del 3 al 13 pueden ser requeridos para
determinar un tamaño aceptable de plancha de ala (Flange Plate).
Paso 14. Determinar la resistencia de corte requerida, Vu, de la viga y la conexión
viga-alma-columna desde:
36
2
Donde:
= distancia entre las ubicaciones de la rótula plástica, mm.
= fuerza de corte de la viga resultante de 1.2D + f1L + 0.2S (donde f1 es
un factor de carga determinado por el código aplicable de construcción para cargas
vivas, pero nomenor a 0.5)
Nota: la combinación de carga de 1.2D + f1L + 0.2S está en conformidad con
ASCE/SEI 7. Al usar el código internacional de construcción, un factor de 0.7 debe
ser usado en lugar del factor de 0.2 cuando la configuración del techo es de tal
manera que no riega nieve en la estructura.
Chequear el diseño de resistencia de corte de la viga de acuerdo a las
especificaciones de la norma AISC.
Paso 15. Diseñar una conexión de corte de plancha individual para la resistencia de
corte requerida, Vu, calculado en el paso 14 localizado en la cara de la columna,
conociendo los requerimientos especificados en la norma AISC.
Paso 16. Chequear la plancha de continuidad.
Paso 17. Comprobar la zona panel de la columna. La resistencia de corte requerida
de la zona panel será determinada por la adición de los momentos de las caras de
la columna determinado por los momentos salientes iguales a en los
puntos de la rótula plástica a las caras de la columna. Para, agregar dos veces el
espesor de la plancha de ala (Flange Plate) a la profundidad de la viga.
La AISC 358-10 expresa en sus comentarios lo siguiente:
Conexiones empernadas de momento tipo plancha de ala (Flange Plate).
37
General:
La conexión empernada de tipo plancha de ala (Flange Plate) es una conexión
de campo empernada. Los comportamientos sísmicos fundamentales esperados
con la conexión de momento empernada plancha de ala (Flange Plate) incluyen:
(1) Rendimiento inicial de la viga en el último perno de distancia desde la cara de la
columna.
(2) Deslizamiento de los pernos de la plancha de ala (Flange Plate), el cual ocurre a
un nivel de resistencia similar al rendimiento inicial en el ala de la viga, pero el
deslizamiento no contribuye extremadamente a la capacidad total de
deformación de la conexión.
(3) El rendimiento secundario en la zona panel de la columna, ocurre como la
capacidad de momento esperada y se producen endurecimientos por
deformación.
(4) Rendimiento limitado de la plancha de ala (Flange Plate), en el cual pueden
ocurrir el máximo de deformaciones. Esta secuencia de rendimientos ha
resultado en una capacidad de deformación inelástica muy grande para las
conexiones de momento tipo plancha de ala (Flange Plate). Pero el
procedimiento de diseño es un poco más complejo que algunas otras
conexiones precalificadas.
Las conexiones tipo plancha de ala (Flange Plate) y la red de placas de corte
están soldadas al ala de la columna y empernadas a las alas de la viga,
respectivamente. Los pernos ASTM A490 o A490M con roscas excluidas del plano
de corte son usados por las conexiones del ala de la viga porque la mayor
resistencia de corte de los pernos A490M, reducen el número de pernos requeridos
y reduce la longitud de la plancha de ala (Flange Plate). Las plancha de ala (Flange
Plate) cortas, reducen la demanda de deformación inelástica sísmica en las
conexiones y simplifica el balance de las resistencias requeridas para los distintos
modos de falla en el procedimiento de diseño.
Las conexiones plancha de ala (Flange Plate) con pernos A325 o A325M
pueden ser posible, pero será más difícil lograr por la reducida fuerza del perno, se
requerirá mayor número de pernos y conexiones plancha de ala (Flange Plate) más
38
largas. Como resultado, la conexión no será precalificada para usarse con pernos
A325.
La precalificación de las conexiones de momento empernadas plancha de ala
(Flange Plate) está basada en 20 pruebas realizadas a estas conexiones sobre el
ciclo de deformación inelástica. (FEMA, 2000e; Schneider and Teeraparbwong,
1999; Sato, Newall and Uang, 2008). La evidencia adicional que apoya la
precalificación es derivada de pruebas a conexiones empernadas de base en forma
de T (T-stub) (FEMA, 2000e; Swanson et al., 2000) desde que las conexiones de
momento plancha de ala (Flange Plate) aportaron algunos mecanismos de
rendimiento, modos de falla, y comportamientos de las conexiones con empernado
de base en forma de T.
Las pruebas fueron realizadas bajo varios protocolos de deformación
controlada, pero la mayoría usó variaciones de la ATC-24 (ATC, 1992) o el protocolo
de acero SAC (Krawinkler et al., 2000) los cuales son muy similares al protocolo de
pruebas de precalificación del capítulo K de la AISC provisiones sísmicas (AISC
2010a).
Las 20 pruebas de BFP (conexiones plancha de ala (Flange Plate)) fueron
realizadas en conexiones con vigas con una profundidad desde W8 (W200) a W36
(W920) secciones, y el promedio total de capacidad de la ductilidad demostrada
excedió 0.057 rad. Por lo tanto, la capacidad de deformación inelástica lograda con
las conexiones de momento BFP está entre las mejores alcanzadas en pruebas
sísmicas de conexiones marco momento. Sin embargo, el diseño de la conexión es
relativamente complejo debido a que los numerosos mecanismos de rendimiento y
los distintos modos de falla deben ser considerados en el proceso de diseño. El
rendimiento inicial y primario en las conexiones de momento BFP es dado por la
flexión de la viga cercana a la última fila de pernos al final de la conexión (Flange
Plate). Sin embargo, muestras de mejor ductilidad alcanzan un rendimiento
secundario a través del rendimiento de corte de la zona panel de la columna y
limitado rendimiento de tensión de la plancha de ala (Flange Plate). Por eso, un
39
diseño balanceado que logre el rendimiento desde múltiples mecanismos es
recomendado.
La mayoría de las pruebas anteriores han sido realizadas sobre muestras con
conexiones de una sola cara y el comportamiento del esfuerzo de deflexión es un
poco apretado tal como lo muestra la figura 6.
Porque la rótula plástica de la plancha de ala (Flange Plate) es el mecanismo de
control del rendimiento, el momento plástico esperado en este lugar domina el
diseño de la conexión.
El pellizco es causado por una combinación del deslizamiento del perno y la
secuencia de rendimiento, y el endurecimiento por deformación encontrado en la
conexión.
Los experimentos han demostrado que la capacidad tope de momento esperada
en la rótula de plástico es típicamente en el orden de 1.15 tiempos a lo esperado Mp
de la viga, como lo definido por los requisitos sismorresistentes de la AISC, y el
momento esperado en la cara de la columna está en el orden de 1.3 a 1.5 tiempos
de lo esperado Mp de la viga dependiendo la longitud del tramo, el número de
pernos y la longitud de la plancha de ala (Flange Plate). La rigidez de esta conexión
suele ser ligeramente mayor que el 90% de lo previsto como realmente rígido,
conexiones completamente restringidas (FR). Esta rigidez reducida se espera que
resulte en deflexión elástica no mayor al 10% más grande que lo computado con
una conexión FR, y cálculos tan elásticos con conexiones rígidas son considerados
adecuados para fines de diseño más prácticos.
40
Figura 6. Momento en la cara de la columna contra la rotación total de la conexión para una conexión de momento BFP con una viga W30x108
(W760x161) y una columna W14x233 (W360x347) (Fuente: Conexiones precalificadas para marcos de momento especiales e intermedios de aplicación
sísmica AISC 358-10 p. 9.2-115)
II.3 CUADRO DE VARIABLES.
Según Fidias Arias (1997) una variable “es una cualidad susceptible de sufrir
cambios” (p.45) De esta forma, una variable es la característica o propiedad que
puede darse en grados o modalidades distintas, y cumple con identificar y clasificar
al objeto de estudio en varias categorías.
Por lo general, para un tema determinado surge una serie de variables que
se definen en función de sus indicadores o sus unidades de medida; como por
ejemplo, variable independiente, cualitativa, interviniente, dependiente, entre otras.
A esta serie de características es lo que denomina Fidias Arias (1997) como un
sistema de variables, el cual puede ser desarrollado mediante un cuadro donde
además de las variables se especifican sus dimensiones e indicadores y su nivel de
medición.
41
Obj. Especificos Variables Dimensiones Indicadores Medición Inst. De
recolección de datos
Analizar los diferentes estados límites que aplican en la conexión de miembros empernados de acero estructural.
Estados Limites
Por corte
viga Bloque de Corte. Cedencia Sección Total. Ruptura en la Sección Neta. Resistencia. Representación
tabular a través de hoja de cálculo.
Columna
Por flexión
Viga Sección Neta. Sección Neta Efectiva. Cedencia. Aplastamiento. Resistencia.
Columna
Indicar el procedimiento para el análisis y detallado de conexiones empernadas Tipo FlangePlate, de acuerdo a la Guía AISC 358-10.
Conexiones tipo
Flange Plate
Dimensiones y
Espaciamiento de Pernos.
Perno
Corte. Aplastamiento. Tracción. Número de Pernos. Representación
tabular a través de hoja de cálculo.
Dimensiones y Espesores de Planchas.
Plancha
Sección Neta. Sección Total. Espaciamiento de Agujeros.
Diseñar una hoja de cálculo en Excel para el
análisis y detallado de las conexiones tipo FlangePlate de
acuerdo a la guía A358.
Conexiones tipo
Flange Plate
Norma AISC 358-10
Forma y dimensiones
del perfil estructural Norma AISC
358-10
Representación tabular a través de
hoja de cálculo. Carga
portante
42
II.4 TERMINOLOGÍA BÁSICA. Placa o losas: Pieza de pequeño espesor comparado con sus otras dimensiones, y
que, por sus especiales condiciones de apoyo, esté sometida a un estado doble de
flexión .
(Fuente: Norma Venezolana Covenin 2004:1998: Terminología de las normas
COVENIN-MINDUR de edificaciones)
Gramil: Espaciamiento transversal medido centro a centro de conectores.
(Fuente: AISC 2005)
Chapas o paredes estructurales: Son planchas sujetas a carga paralela a la cara
formada por las dos dimensiones mayores.
(Fuente: Andrade de Mattos, Luis. (2006) Estructuras de acero: conceptos técnicas
y lenguaje. Sao Paulo: Zigurate.).
Vigas: Miembro estructural en el cual puede considerarse que las tensiones internas
en cualquier sección transversal dan como resultantes una fuerza cortante y un
momento flector
(Fuente: Norma Venezolana Covenin 2004:1998: Terminología de las normas
COVENIN-MINDUR de edificaciones)
Columnas: Elemento estructural utilizado principalmente para soportar la carga
axial de compresión acompañada o no de momentos flectores, y que tiene una
altura de por lo menos 3 veces su menor dimensión lateral. (Fuente: Norma
Venezolana Covenin 2004:1998: Terminología de las normas COVENIN-MINDUR
de edificaciones)
Fluencia: Deformación reológica que depende de la tensión aplicada. No debe
confundirse con el término "cedencia".
(Fuente: Norma Venezolana Covenin 2004:1998: Terminología de las normas
COVENIN-MINDUR de edificaciones)
43
Fuerza cortante total o basal: Fuerza cortante horizontal originada por las
acciones sísmicas en el nivel de base.
(Fuente: Norma Venezolana Covenin 2004:1998: Terminología de las normas
COVENIN-MINDUR de edificaciones)
Fuerza axial: se produce cuando la disposición de las fuerzas externas no es
totalmente perpendicular al eje de la viga, existiendo componentes de ellas a lo
largo del eje. Cuando aparece esta fuerza junto con la flexión, se genera un
esfuerzo combinado de flexión con esfuerzo axial.
(Fuente: http://aquilinorodriguez.blogspot.com/ (Consulta: 10/03/2012))
Articulación móvil: Esta impide el desplazamiento perpendicular a la recta de
vinculación, permitiendo el desplazamiento paralelo a la misma recta y rotación del
elemento en torno al punto de vinculación.
(Fuente: Andrade de Mattos, Luis. (2006) Estructuras de acero: conceptos técnicas
y lenguaje. Sao Paulo: Zigurate.).
Articulación fija o conexión flexible: Esta impide los desplazamientos
perpendicular y paralelo a la recta de vinculación y permite la rotación del elemento
en torno al punto de vinculación.
(Fuente: Andrade de Mattos, Luis. (2006) Estructuras de acero: conceptos técnicas
y lenguaje. Sao Paulo: Zigurate.).
Empotramiento o conexión rígida: Esta impide los desplazamientos perpendicular
y paralelo a la recta de vinculación, como asimismo la rotación del elemento en
torno al punto de vinculación.
(Fuente: Andrade de Mattos, Luis. (2006) Estructuras de acero: conceptos técnicas
y lenguaje. Sao Paulo: Zigurate.).
Vástago: Varilla, barra que transmite el movimiento a algún mecanismo
(Fuente: www.wordreference.com (Consulta: 10/03/2012)).
44
Cedencia: Primera tensión aplicada a un material para la cual ocurre un incremento
en las deformaciones sin un aumento de las tensiones. También se llama tensión
cedente.
(Fuente: Norma Venezolana Covenin 2004:1998: Terminología de las normas
COVENIN-MINDUR de edificaciones)
Hiperestaticidad: Es cuando el número de ecuaciones de equilibrio es menor al
número de incógnitas de las reacciones.
(Fuente: http://civilgeeks.com/2012/02/10/curso-resistencia-de-materiales-ing-jaime-
domingo/ (Consulta: 23/07/2012)
CAPITULO III
Marco Metodológico
46
III.1 NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN.
El nivel de una investigación es el grado de profundidad con el que se
estudia un fenómeno o problema, la presente investigación es de carácter
descriptivo, ya que, tal como lo expresa Fidias Arias (2006) “consiste en la
caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con el fin de establecer
su estructura o comportamiento.”(p. 24).
En otras palabras, la presente es una investigación descriptiva, ya que,
describe el diseño sismorresistente de las conexiones precalificadas tipo plancha de
ala (Flange Plate).
III.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. Se entiende por diseño de la investigación la estrategia que adopta el
investigador para responder al problema planteado.
Según Arias (2006) el diseño experimental de la investigación es: “un
proceso que consiste en someter a un objeto o grupo de individuos a determinadas
condiciones, estímulos o tratamiento (variable independiente), para observar los
efectos o reacciones que se producen (variable dependiente).”, definición por la cual
se consideró como experimental a la investigación, ya que, se propuso realizar una
hoja de cálculo en la cual se estudió la conexión.
III.3 POBLACIÓN Y MUESTRA.
Para efectos de esta investigación, el conjunto de elementos con
características comunes para los cuales son aplicables los resultados obtenidos, es
decir la población, son todas las conexiones precalificadas de carácter
sismorresistente de la Norma AISC y la muestra específicamente las conexiones
tipo plancha de ala (Flange Plate).
47
III.4. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. Para obtener la información necesaria para desarrollar el proyecto de
investigación y obtener resultados, se utilizaron las técnicas de análisis documental,
que consisten en seleccionar las ideas principales de un documento a fin de
expresar su contenido sin ambigüedades, a través de una lectura crítica. (Arias,
2006)
III.5 INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. Los recursos utilizados en el proceso de obtención y almacenaje de
información son los siguientes:
Fuentes documentales impresas y electrónicas, computadora, pen drive, hoja de
cálculo en Microsoft office Excel.
En el presente trabajo de grado usaremos una hoja de cálculo en Microsoft
Office Excel.
CAPITULO IV
Presentación y Análisis de Resultados.
49
IV.1. ANÁLISIS Y PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.
Para desarrollar el análisis de esta investigación se toman como guía ciertos
lineamientos especificados en la Norma AISC 358-10 y mas específicamente de la
guía de “Diseño Sismorresistente en Acero” elaborado por el Ing. Eliud Hernández,
profesor de la UCV. En esta guía él expone lo siguiente:
IV.1.1. Filosofía del Diseño Estructural Sismo-resistente
• Establecer un Diseño por Capacidad: Limitar mecanismos Frágiles y
Propiciar Mecanismos Dúctiles.
• Elegir y establecer el patrón de falla adecuado de los elementos “Fusibles”
que entrarán en cedencia durante un evento sísmico.
• Los elementos “fusibles” deben ser capaces de desarrollar incursiones
inelásticas significativas y de disipar energía durante un evento sísmico.
• Diseñar el resto de los elementos del sistema resistente a sismo con la
condición de que permanezcan en el rango elástico al presentarse las fallas
dúctiles (Rotulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”.
• Las conexiones de los elementos “Fusibles” deben ser diseñadas en función
a la capacidad inelástica esperada de los mismos.
• Las conexiones del resto de los elementos del sistema resistente a sismo
deben ser diseñadas para las fallas dúctiles (Rotulas plásticas) esperadas en
los “Fusibles”.
IV.1.2. Casos y combinaciones de cargas
1. 1.4 CP
2. 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt
3. 1.2 CP + 1.6 CVt + 0.5 CV
4. 1.2 CP + γ CV + 1.0 Eb
5. 0.9 CP + 1.0 Eb
Combinaciones para el Diseño de los Elementos Fusibles.
50
6. 1.2 CP + γ CV + 1.0 Ea
7. 0.9 CP + 1.0 Ea
En donde:
CP: Carga permanente
CV: Carga Variable
CVt: Carga Variable de techo
γ : Factor de Participación
Eb: Acción Sísmica Básica
Ea: Acción Sísmica Amplificada
IV.1.3. Acción Sísmica.
Eb = ρ QE ± 0.2 SDS CP
E
Ea = Ωο QE ± 0.2 SDS CP
En donde:
QE = Carga Sísmica Horizontal
SDS = Aceleración del espectro de diseño hará periodos cortos
CP = Carga Permanente
Ρ = Factor que varia de 1.00 a 1.5 (Depende de de la Redundancia estructural
“Hiperestaticidad”)
Ωο = Factor de Sobre-resistencia Sísmica (Depende del Sistema Estructural)
Combinaciones para el Diseño del Resto de los elementos que conforman el sistema resistente a sismo.
Casos de Carga.
Efecto de Fuerzas Horizontales
Efecto de Fuerzas Verticales
51
IV.1.4. Acción Sísmica en Combinaciones de Carga
Para la Combinación 4.: 1.2 CP + γ CV + 1.0 Eb
Se tiene que: Eb = ρ QE + 0.2 SDS CP
Para la combinación 5.: 0.9 CP + 1.0 Eb
Se tiene que: Eb = ρ QE – 0.2 SDS CP
Para la combinación 6.: 1.2 CP + γCV + 1.0 Ea
Se tiene que: Ea = Ωο QE + 0.2 SDS CP
Para la combinación 7.: 0.9 CP + 1.0 Ea
Se tiene que: Ea = Ωο QE – 0.2 SDS CP
(1.2 + 0.2 SDS) CP + γ CV + 1.0 ρ QE
(0.9 – 0.2 SDS) CP + 1.0 ρ QE
(1.2 + 0.2 SDS) CP + γCV +1.0 Ωο QE
(0.9 - 0.2 SDS) CP +1.0 Ωο QE
52
IV.1.5. Factor de Amplificación Sísmica
Tipos de sistema Ωο Momento Resistente en pórticos (SMF, IMF, OMF) 3
Momento en pórticos de entramados especiales (STMF) 2
Pórticos arriostrados concéntricamente (SCBF, OCBF) 2
Pórticos arriostrados excéntricamente (EBF) 2
Placas especiales de corte (SPSW) 2
Pandeo restringido de pórticos arriostrados (BRBF)
• Conexiones Viga-Columna resistentes a Momentos
• Conexiones Viga-Columna no resistentes a Momentos
2.5
2
Tabla 7. Factor de Amplificación Sísmica. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 9)
Carga Sísmica Amplificada
Figura 7. Desplazamiento Lateral de la Estructura.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 10)
53
La Carga Sísmica Amplificada, ΩοQe, se utiliza para estimar las fuerzas que
ocurren en cada uno de los elementos que conforman el sistema resistente a sismo,
para cuando los fusibles de la estructura incursionan en el rango inelástico.
Acero Estructural Ry Rt
Perfiles laminados y barras calientes:
ASTM A36
ASTM A572 Gr 42
ASTM A992; A572 Gr 50 or Gr 55;
A1011 HSLAS Gr 50
ASTM A529 Gr 50
ASTM A529 Gr 55
1.5
1.1
1.1
1.2
1.1
1.2
1.1
1.1
1.2
1.2
Perfiles tubulares:
ASTM A500 Gr B or Gr C; ASTM A501
1.4
1.3
Tuberías:
ASTM A53
1.6
1.2
Placas:
ASTM A36
ASTM A572 Gr50; ASTM A588
1.3
1.1
1.2
1.2
Tabla 8. Acero Estructural. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 11)
Factores de Sobre-resistencia Ry: Factor Mínimo de Sobre-resistencia Cedente
Rt: Factor Mínimo de Sobre-resistencia Ultima
Tensión Esperada Tensión Cedente Esperada = Ry Fy
Tensión Ultima Esperada = Rt Fu
Las tensiones esperadas (Rt Fu) y (Ry Fy) son utilizadas para establecer las
fuerzas de diseño de las conexiones del sistema resistente a sismos.
54
IV.1.6 Pórticos Resistentes a Momentos (MRF)
1. Características.
• Sistema de Vigas y Columnas con conexiones resistentes a momentos.
• Comportamiento a flexión y corte en Vigas y Columnas.
Figura 8. Desplazamiento Lateral de la Estructura.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 13)
2. Respuesta Estructural ante Sismos.
Figura 9. Diagramas de Corte y Momento. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 14)
M V
55
3. Desempeño Estructural
• Sistemas capaces de desarrollar ductilidad, disipación de energía e
incursiones inelásticas significativas.
• Sistemas con muy poca rigidez.
• Los mecanismos que pueden presentarse son:
- Cedencia por Flexión en las Vigas.
- Cedencia por Corte en la Zona del panel.
- Cedencia por Flexión y Fuerza Axial en Columnas.
Figura 10. Posible Ubicación de Rótulas Plásticas. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 15)
• Para lograr una buena ductilidad y disipación de energía es necesario que se
presente el mecanismo de rótulas plásticas por flexión en Vigas.
• De presentarse rótulas plásticas en columnas podría generarse un entrepiso
débil y con ello provocar el colapso de la estructura.
Zona del Panel (Cedencia por Corte)
Viga (Cedencia por Flexión)
Columna (Cedencia por Flexión y Fuerza Axial)
56
Figura 11. Rótulas Plásticas.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 16)
• La articulación plástica es la plastificación localizada del material. En el caso
de flexión la sección rota libremente respecto a su eje neutro, en el sentido
del momento exterior aplicado. La articulación plástica se comporta como
una rótula perfecta, similar a otra real constructiva, con la diferencia de que
está libre de fricción y de que en ella el momento no es nulo, sino máximo e
igual al momento plástico de la sección.
• La hipótesis simplificada supone que las rótulas plásticas se producen en un
punto, cuando en la realidad la plastificación no se limita a una única
sección, sino que se extiende en una zona de mayor extensión con una
dimensión que depende de la carga actuante y de la forma del perfil.
L
h
Ѳ
Lh
ROTULAS PLASTICAS
57
Figura 12. Zona Plastificada.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 17)
4. Clasificación según su nivel de desempeño sismorresistente.
- Pórticos especiales a Momento (SMF). Special Moment Frames
• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas significativas, de
manera estable.
- 1.4.23 Pórticos Intermedios a Momento (IMF). Intermediate Moment Frames
• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas moderadas, de
manera estable.
- 1.4.3 Pórticos Ordinarios a Momento (OMF). Ordinary Moment Frames.
• Sistemas con una capacidad inelástica muy limitada. Su desempeño está
basado en el rango inelástico.
IV.1.6.1 Pórticos Especiales de Momento (SMF)
a) Limitaciones en vigas. (9.4 AISC Previsiones Sísmicas)
a.1) Relación Ancho-Espesor (Perfiles doble T): Las secciones deben ser
Compactas Sísmicas (λps), a fin de limitar el pandeo local.
58
Alas de Vigas Alma de Vigas
0.30 2.45
a.2) Alas de Vigas (Perfiles doble T): No se permite alterar las alas de las
vigas en la zona de rótulas plásticas, a menos que se demuestre a través de
ensayos calificados que la misma puede lograr en dicha región incursiones
inelásticas estables.
Figura 13. Perfil de viga doble T.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 19)
b) Limitaciones en columnas. (9.4 AISC Previsiones Sísmicas)
b.1) Relación Ancho-Espesor (Perfiles Doble T): Las secciones deben ser
Compactas Sísmicas (λps), a fin de limitar el pandeo local.
Alas de Columnas
20.30
bf
tf
tw
h
59
Alma de Columnas
0.125 3.14 1 1.54
0.125 1.12 2.23 1.49
c) Arriostramiento Lateral en Vigas (9.8 AISC Previsiones Sísmicas)
Las Alas de las Vigas del sistema resistente a sismos deben estar debidamente
arriostradas lateralmente para controlar el pandeo lateral torsional de las mismas.
0.086
Figura 14. Pandeo Lateral Torsional.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 21)
Lb= Distancia entre arriostramientos laterales.
Ry = Radio de Giro Menor
60
Figura 15. Arriostramientos Laterales.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 21)
Figura 16. Arriostramientos Laterales. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 22)
d) Planchas de Continuidad (9.5 AISC Previsiones Sísmicas)
d.1) En las Uniones Viga-Columna deben incorporarse planchas de
continuidad de conformidad a las conexiones precalificadas utilizadas y
siguiendo los parámetros mínimos que se describen a continuación:
Arriostramientos Laterales
Arriostramiento Lateral
Viga del Sistema Resistente a
Sismos (SMF)
Ambas Alas Soportadas Lateralmente
61
Figura 17. Planchas de Continuidad. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 23)
d.2) Podrían Omitirse las Planchas de Continuidad si se presentan las siguientes
condiciones:
- Si al realizar el análisis y diseño de la Conexión Precalificada, no son
requeridas las planchas de continuidad para las fuerzas concentradas en la
Columna debido a los Momentos Máximos probables provenientes de las
Vigas.
- Si se cumple que:
0.4 1.8
En donde:
Tcf = Espesor del Ala de la Columna
Bbf = Ancho del Ala de la Viga
Tbf = Espesor del Ala de la Viga
12
62
Ryb = Factor de sobre-resistencia en Vigas
Ryc = Factor de sobre-resistencia en Columnas
e) Relación de Momentos Columna-Viga (9.6 AISC Previsiones Sísmicas)
e.1) Para establecer un Criterio Columna Fuerte – Viga Débil, debe cumplirse en
cada junta la relación de Momentos presentada, salvo algunas excepciones.
Figura 18. Relación de Momentos Columna-Viga.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 25)
Figura 19. Relación de Momentos Columna-Viga.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 25)
∑ ′′
1.0
De no cumplirse la relación de momentos presentada podría generarse un Mecanismo de colapso de piso al desarrollarse rótulas plásticas en columnas del mismo nivel.
63
e.2) Definición en Momentos Máximos probables en Vigas y Columnas.
∑
∑
e.3) Momentos de Vigas y Columnas en el punto de Intersección de sus ejes
baricéntricos.
∑
∑
Figura 20. Momentos de Vigas y Columnas en su punto de intersección.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 27)
Sumatoria de las resistencias teóricas a flexión plástica de las columnas incluyendo la reducción de la carga axial mayorada, ubicadas en los extremos (superior e inferior) de las conexiones a momentos de las vigas, proyectadas sobre en el punto de intersección de los ejes baricéntricos de vigas y columnas que concurren al nodo.
Sumatoria de las resistencias esperadas a flexión ubicadas en las rótulas plásticas de las vigas, proyectadas sobre el punto de intersección de los ejes baricéntricos de las vigas y las columnas que concurren al nodo.
64
e.4) Calculo de M'pb
Figura 21. Cálculo de M'pb.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 28)
Sh = Distancia donde ocurre la rótula plástica, medida desde la cara de la columna
(Depende de la Conexión Utilizada)
Mpr: Resistencia Esperada a Flexión actuando en la rótula plástica de la viga
Vuv: Resistencia esperada a Corte actuando en la rótula plástica de la viga
.
. .
.
Viga Izq. Rótula Plástica
ShSh
Sh+
Scol
Viga Der.
Sh+
Rótula Plástica
2
65
e.5) Definición de Mpr y Vuv
Figura 22. Definición de Mpr y Vuv.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 29)
Q = (1.2 CP + 0.5 CV)
Figura 23. Definición de Mpr y Vuv. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 29)
Sh
Rotula Plástica Sh
Vuv
Mpr
Mpr
Vuv
1.1 1.1
2 2
66
e.6) Cálculo de M'pc
Figura 24. Cálculo de M'pc. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 30)
Mpc = Resistencia Teórica a Flexión de la Columna Incluyendo la Carga Axial
Mayorada.
Vuc = Resistencia Esperada a Corte de la Columna actuando en la cara de la viga.
Columna Superior
Columna Inferior
.
.
2
67
e.7) Definición de Mpc y Vuc.
Figura 25. Luz libre de columna. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 31)
Figura 26. Punto de inflexión. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 31)
= Luz libre de la Columna
= Luz libre de la Columna
Punto de Inflexión
68
= Carga Axial Mayorada actuando en la Columna.
= Area Gruesa de la columna.
Pre dimensionado de Columnas:
Para Fines Prácticos, se tiene:
⁄
2 1.1
2
∑∑
1.0
⁄2 ⁄
2⁄
Este término se desprecia de forma conservadora para estimar la Columna.
⁄
1.12 1.1
2⁄
1
69
0.035 0.060
1.1 1.702 1.1
0.065
1.1 1 0.22
Caso 1: Dos Vigas Conectadas en las Alas (Eje Mayor) de una Columna con Acero
A-36.
2 0.80 Z F2 1.34 R Z F
1
0.40 ZZ
1
1.34
∑∑
1.0
2.50
Considerando:
Φ = 0.20 ; Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.80 Zxc Fyc)
Suma M’pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb)
x x
y
y
Figura 27. Eje – Caso 1. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero,
2010, p. 34)
70
Z = Módulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor.
Z = Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 28. Dos Vigas Conectadas en las Alas de una Columna con Acero A-36. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 34)
Caso 2: Una viga Conectada en el Ala (Eje Mayor) de una Columna con Acero A-36.
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.20 ; Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.80 Zxc Fyc)
Suma M’pb = 1.34 Ry Zxb Fyb
x x
y
y
Figura 29. Eje – Caso 2. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero,
2010, p. 35)
71
2 0.80 Z F1.34 R Z F
1
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 30. Viga Conectada en el Ala de una Columna con Acero A-36.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 35)
Caso 3: Dos Vigas Conectadas en las Alas (Eje Mayor) de una Columna con Acero
A-572 G50.
1.25
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.15 ; Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.85 Zxc Fyc)
Suma M’pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb)
x x
y
y Figura 31. Eje – Caso 3.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 36)
0.80 ZZ
1
72
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 32. Dos Vigas Conectadas en las Alas de una Columna con Acero A-572
G50. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 34)
Caso 4: Una viga Conectada en el Ala (Eje Mayor) de una Columna con Acero A-
572 G50.
1.74
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.15 ; Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.85 Zxc Fyc)
Suma M’pb = 1.34 Ry Zxb Fyb
Figura 33. Eje – Caso 4. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero,
2010, p. 37)
2 0.85 Z F2 1.34 R Z F
1 0.576 ZZ
1
y
y
x x
73
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 34. Viga Conectada en el Ala de una Columna con Acero A-572 G50.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 37)
Caso 5: Dos vigas Conectadas en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero
A-36.
0.87
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.20 ; Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.80 Zyc Fyc)
Suma M’pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb)
x x
y
y
Figura 35. Eje – Caso 5. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero,
2010, p. 38)
2 0.85 Z F1.34 R Z F
1 1.152 Z
Z1
74
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 36. Dos vigas Conectadas en el Alma de una Columna con Acero A-36. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 38)
Caso 6: Una viga Conectada en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero A-
36.
1.25
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.20 ; Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.80 Zyc Fyc)
Suma M’pb = 1.34 Ry Zxb Fyb
x x
y
y Figura 37. Eje – Caso 6.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 39)
2 0.80 Z F2 1.34 R Z F
1 0.40 ZZ
1
75
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 38. Viga Conectada en el Alma de una Columna con Acero A-36. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 39)
Caso 7: Dos vigas Conectadas en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero
A-572 G50.
1.25
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.15 ; Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.85 Zyc Fyc)
Suma M’pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb)
x x
y
y Figura 39. Eje – Caso 7.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 40)
2 0.80 Z F1.34 R Z F
1 0.80 ZZ
1
76
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 40. Dos vigas Conectadas en el Alma de una Columna con Acero A-572 G50.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 40)
Caso 8: Una viga Conectada en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero A-
572 G50.
1.74
∑∑
1.0
Considerando:
Φ = 0.15 ; Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb
Suma M’pc = 2 (0.85 Zyc Fyc)
Suma M’pb = 1.34 Ry Zxb Fyb
x x
y
y Figura 41. Eje – Caso 8.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 41)
2 0.85 Z F2 1.34 R Z F
1 0.576 Z
Z1
77
Z = Modulo plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor.
Z = Modulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor.
Figura 42. Una viga Conectada en el Alma de una Columna con Acero A-572 G50.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 41)
0.87 2 0.85 Z F1.34 R Z F
1 1.152 ZZ
1
78
Resumen a través de tablas.
Figura 43. Conexiones con 1 y 2 Vigas (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 42)
Zxc / Zxb Relación Mínima de Módulos Plásticos bajo la condición de Vigas
Conectadas en las Alas (Eje Mayor) de la Columna con Perfiles Doble T Numero de
Vigas A36 A36 (plates) A572 G42 A992 A572 G50 A588
Dos 2,50 2,18 1,80 1,74 1,74 1,74
Una 1,25 1,09 0,90 0,87 0,87 0,87
Tabla 9. Perfiles para 1 o 2 vigas. (Eje Mayor)
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 43)
∑∑
1.0
x x
y
y
Conexión con 2 Vigas
Conexión con 1 Vigas
79
Zxc / Zxb Relación Mínima de Módulos Plásticos bajo la condición de Vigas
Conectadas en las Alas (Eje Menor) de la Columna con Perfiles Doble T Numero de
Vigas A36 A36 (plates) A572 G42 A992 A572 G50 A588
Dos 2,50 2,18 1,80 1,74 1,74 1,74
Una 1,25 1,09 0,90 0,87 0,87 0,87
Tabla 10. Perfiles para 1 o 2 vigas. (Eje Menor) (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 42)
f) Conexiones Viga-Columna (9.2 AISC Seismic Provisions)
f.1) Las Conexiones Viga-Columna del sistema resistente a sismo tipo “SMF” deben
satisfacer los siguientes requisitos:
- Deben ser capaces de desarrollar una deriva de piso “Ѳ” (rotación plástica) igual o
mayor a ± 0.04 rad.
- Deben ser diseñadas de acuerdo a la Resistencia Esperada a Flexión de la Viga
Conectada en la cara de la columna. Además, las conexiones deben desarrollar
∑∑
1.0
x x
y
y
Conexión con 2 Vigas
Conexión con 1 Vigas
Figura 44. Conexiones con 1 y 2 Vigas (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 43)
80
como mínimo un Momento Resistente igual a 0.80Mp de la viga conectada, para una
deriva de piso “Ѳ” (rotación plástica) de ±0.04 rad.
- Deben se r diseñadas a corte considerando el desarrollo de rótulas plásticas en los
extremos de la viga conectada:
2 ⁄
Donde:
Mpr = 1.1 Ry Zb Fyb (Momento máximo esperado en la Viga)
Lh = Longitud entre rótulas plásticas
Vg = Corte proveniente de las cargas gravitacionales mayoradas
- Después de completar al menos un ciclo de carga con ± 0.04 radianes, la
resistencia a flexión medida en la cara de la columna, debe ser al menos 0.80 Mp de
la viga conectada. A continuación se presenta el Ciclo de Histéresis Típico
Esperado.
81
Figura 45. Ciclo de Histéresis. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 45)
Figura 46. Carga Cíclica.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 46)
40000
30000
20000
10000
0
‐10000
‐20000
‐30000
‐40000
Deriva de Piso Ѳ (rad)
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
Momento de Viga en la Cara de la Columna (in-kips)
Carga Cíclica
Hcolumna
∆
Ѳ
Ѳ
82
f.2) Conforme a los Lineamientos provistos en la Norma ANSI/AISC 358-05
“Conexiones precalificadas para Marcos momento especial e intermedios de acero
para aplicaciones sísmicas” y ANSI/AISC 341 “Disposiciones sísmicas para edificios
de acero estructural”, se tienen las siguientes conexiones precalificada.
• Conexión empernada de momento plancha extrema extendida (Extended
end-plate) con y sin rigidizadores.
• Conexión de momento sección de viga reducida (RBS)
• Conexión empernada de momento plancha de ala (BFP)
• Conexión de momento soldado no reforzado ala-alma (Welded unreinforced
flange-welded web) (WUF-W)
• Conexión de momento Kaiser soporte empernado (KBB)
• Conexión plancha extrema (End-plate) 6.0 AISC “Conexiones precalificadas
para pórticos de momento especial e intermedios de acero para aplicaciones
sísmicas.
Figura 47. Conexiones precalificadas. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 48)
83
- Ejemplos de conexiones Tipo End-Plate.
Figura 48. Ejemplos de Conexiones End-Plate (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 49)
Figura 49. Ejemplos de Conexiones End-Plate (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 50)
Planchas de Continuidad
Planchas Adosadas al Alma
Rigidizador
End plate 4ES
End plate 4ES
RigidizadorPlanchas de Continuidad
84
• Conexión con Viga de Sección Reducida (RBS). 5.0 AISC “ANSI/AISC 358
Conexiones precalificadas para Marcos momento especial e intermedios de
acero para aplicaciones sísmicas”
Figura 50. Conexión con viga de sección reducida.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 51)
- Ejemplos de Conexiones con Viga se Sección Reducida (BRS).
Figura 51. Ejemplos de Conexiones con Viga se Sección Reducida (BRS) (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 52)
Planchas de Continuidad
Sección Reducida
85
• Conexión empernada Plancha de Ala (Flange Plate) (BFP). 7.0 AISC
“Suplemento n°1 ANSI/AISC 358 Conexiones precalificadas para Pórticos a
momento especiales o intermedios de acero para aplicaciones sísmicas”.
Figura 52. Conexión Empernada.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 53)
• Conexión de momento soldado no reforzado ala-alma (WUF-W): 8.0 AISC
“Suplemento n°1 ANSI/AISC 358 Conexiones precalificadas para Pórticos a
momento especiales o intermedios de acero para aplicaciones sísmicas”.
86
Figura 53. Conexión Soldada.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 54)
• Conexión de momento Kaiser soporte empernado (KBB): 9.0 AISC
“Suplemento n°1 ANSI/AISC 358 Conexiones precalificadas para Pórticos a
momento especiales o intermedios de acero para aplicaciones sísmicas”.
Figura 54. Conexión Empernada Keiser.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 55)
g) Conexiones Viga-Columna con Arriostramienro Lateral (9.7a AISC
Previsiones Sísmicas).
87
g.1) En las conexiones Viga – Columna del sistema resistente a sismo tipo “SMF”,
las alas de la columna se podrán arriostrar lateralmente solo en el nivel de las alas
superiores de las vigas, cuando se demuestre que fuera de la zona del panel, la
columna permanecerá elástica. Se considera que la columna permanece elástica
cuando la relación de Momentos Columna/Viga es mayor que 2.00.
g.2) Si la relación de Momentos Columna/Viga es menor a 2.00, se aplicarán las
siguientes disposiciones:
- Las alas de la columna estarán soportadas lateralmente al nivel de ambas
alas de las vigas.
- El soporte lateral de cada ala de columna se diseñará para una solicitación
mayorada igual a dos por ciento (2%) de la resistencia teórica del ala de la
viga (Fyb bf tf).
- Las alas de la columna se soportarán lateralmente, directa o indirectamente,
por medio del alma de la columna o de las alas de las vigas perpendiculares.
h) Conexiones Viga-Columna sin Arriostramiento Lateral (9.7b AISC
Previsiones Sísmicas).
h.1) Las columnas con conexiones Viga-Columna sin soporte lateral en la dirección
transversal al del pórtico sísmico, se diseñarán utilizando la distancia entre los
soportes laterales adyacentes como la altura de la columna para efectos del pandeo
en dicha dirección. El diseño se realizará de acuerdo con el Capítulo (H) de la
Norma ANSI/AISC 360-05 “Especificaciones para edificaciones de acero
estructural”, excepto que:
h.1.1) La solicitación mayorada sobre la columna se calculará para las
combinaciones de cargas establecidas, siendo la acción sísmica S el menor valor
entre:
∑∑
2.0
88
- La fuerza sísmica amplificada Ωο SH, donde SH representa la componente
horizontal de la fuerza sísmica.
- Ciento veinticinco por ciento (125%) la resistencia minorada del pórtico, calcula
como la resistencia minorada a flexión de la viga o la resistencia minorada a corte
de la zona del panel.
h.1.2) Para estas columnas, la relación de esbeltez L/r no excederá de 60.
h.1.3) En dirección transversal al pórtico sísmico, el momento mayorado en la
columna deberá incluir el momento generado por la fuerza en el ala de la viga, como
se especifica en la sección 9.7a, más el momento de segundo orden que resulta del
desplazamiento del ala de la columna.
i) Zona del Panel (9.3 AISC Previsiones Sísmicas).
i.1) Distribución de Fuerzas en la Zona del Panel (Junta Viga-Columna)
Figura 55. Distribución de Fuerzas en la zona del Panel.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 60)
89
Figura 56. Distribución de Fuerzas en la zona del Panel.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 60)
i.2) Cálculo de Mf.
Figura 57. Cálculo Mf.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 61)
ShSh
dcol
Viga Izq. Rótula
Plástica
.
.
.
. Viga Der.
Rótula Plástica
90
Sh: Distancia donde ocurre la rótula plástica, medida desde la cara de la columna
(depende de la Conexión Utilizada).
Mf: Resistencia Esperada a Flexión actuando en la cara de la Columna.
Mpr: Resistencia Esperada a Flexión actuando en la rótula plástica de la viga.
Vuv: Resistencia Esperada a Corte actuando en la rótula plástica de la viga.
i.3) Definición de Mpr y Vuv.
Figura 58. Definición de Mpr y Vuv.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 62)
Q = (1.2 CP + 0.5 CV)
Figura 59. Definición de Mpr y Vuv. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 62)
Sh
Rotula Plástica Sh
Vuv
Mpr
Mpr
Vuv
1.1 1.1
2 2
91
i.4) Definición de Mpc y Vuc.
Figura 60. Luz libre de la columna. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 63)
Figura 61. Punto de inflexión.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 63)
= Luz libre de la Columna
= Luz libre de la Columna
Punto de Inflexión
92
= Carga Axial Mayorada actuando en la Columna.
= Area Gruesa de la columna.
j) Zona del Panel (Junta Viga-Columna)
j.1) Diseño de la Zona del Panel (Junta Viga-Columna)
Donde v = 1.0
j.2) Definición de Rv (Resistencia a Corte)
Cuando 0.75 en la Columna:
(AISC Spec EQ J10-11)
Cuando 0.75 en la Columna (No Recomendado):
(AISC Spec EQ J10-12)
Pu: Carga Axial Mayorada actuando en la zona del Panel.
2
∑ Resistencia Nominal basada en el
estado límite de cedencia por Corte J10.6 AISC “Especificaciones para edificaciones de acero estructural”
Resistencia Requerida por Corte
0.6 13
0.6 13
1.91.2
93
j.3) Parámetros de la Zona del Panel.
dc: Altura de la columna.
db: Altura de la viga.
bcf: Ancho del Ala de la columna.
tcf: Espesor del Ala de la Columna.
Fy: Resistencia Cedente de la Columna.
Ag: Area Gruesa de la Columna.
tp: Espeor Total del Alma de la Columna, incluyendo las planchas adosadas de
refuerzo.
Figura 62. Parámetros de la Zona del Panel. (Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 66)
tp
Zona del Panel tcf
bcf
94
j.4) Incorporación de planchas de refuerzo en el alma de columnas en la zona del
panel.
Requiere planchas de refuerzo.
Figura 63. Planchas de refuerzo en el alma de la columna en la zona del panel.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 67)
Determinación del Espesor Total de planchas de refuerzo en el alma de columnas
en la zona del panel.
Figura 64. Espesor total de panchas de refuerzo en el alma de columnas en la zona del panel.
(Fuente: Diseño Sismo-Resistente en Acero, 2010, p. 68)
Planchas de refuerzo adosadas al alma
Tipo 1 Tipo 2
0.60
2
95
IV.2. Diseño por hoja de calculo Microsoft Excel
Se realizó una hoja de cálculo en el programa “Microsoft Excel” se desarrolló
paso a paso el cálculo de la conexión tipo Plancha de Ala (Flange Plate):
1. Se colocaron los datos preliminares y el predimensionado, en donde se
define lo siguiente:
a) El tipo de Viga.
b) El tipo de acero de la viga.
c) El tipo de columna.
d) El tipo de acero de la columna.
e) Las propiedades y dimensiones de la Plancha de Ala (Flange Plate).
f) El tipo de acero de la Plancha de Ala (Flange Plate).
g) Las propiedades de los pernos.
h) El tipo de acero de los pernos.
i) Las propiedades de la soldadura.
j) El tipo de electrodo para la soldadura.
2. Se realizó el calculo del momento de diseño para la conexión, donde se tiene
y se pueden modificar ciertos valores, en los cuales se siguieron los
siguientes pasos:
a) Momento plástico probable.
b) Fuerza cortante en la rotula plástica de la viga.
c) Momento máximo probable en la cara de la columna.
d) Momento de cedencia.
3. Se calculó el mínimo espesor requerido para la Plancha de Ala (Flange
Plate), aproximando su resultado a medidas comerciales.
.
.
2
96
4. Se procedió a diseñar los pernos de unión, donde se calculó el diámetro (db)
requerido; en esta sección es posible seleccionar el tipo de perno a estudiar
y el tipo de agujero para los mismos.
5. Se calculó el momento máximo de capacidad a tracción de los pernos.
Donde LTF1:
2 /2 1
6. Se hizo el cálculo de la resistencia a tracción de la Plancha de Ala (Flange
Plate), donde fue chequeada la fluencia y rotura por tracción.
7. Se chequeó la resistencia al aplastamiento y desgarramiento de la Plancha y
el Ala de la Viga.
8. Se realizó el chequeo de la resistencia por bloque de corte en la Plancha en
sus 2 modos de falla y el Ala de la viga.
9. Se realizó el diseño de la Plancha de Ala comprimida.
10. Se realizó el diseño de la Plancha de Alma y los pernos de unión,
chequeando la cortante de diseño, el diseño a corte de los pernos, la fluencia
por corte en la plancha, la rotura por corte en la plancha.
11. Se chequeó la resistencia de aplastamiento y desgarramiento en plancha de
alma y en el alma de la viga.
12. Fue chequeada la falla por bloque de corte en la plancha.
13. Y finalmente se realizó el diseño de la soldadura.
97
IV.3. Resultados obtenidos a través de la hoja de cálculo de Microsoft Excel. Para realizar el diseño y el cálculo de la conexión tipo Plancha de Ala
(Flange Plate) se tomaron como datos los siguientes perfiles:
- Viga: IP3 – 330
- Columna: HEB – 320
Los resultados obtenidos para la conexión Plancha de Ala (Flange Plate) fueron los
siguientes:
1. Momento máximo probable en la cara de la columna (Mf): 45298 Kgf.m.
2. Momento limite para la capacidad a tracción de los pernos (Mnbf) : 46292
Kgf.m.
3. Momento de cedencia (Myf): 35275 Kg.m
4. Diámetro de pernos (db): 19.1mm.
5. Espesor requerido para las Planchas de ala (tpf req): 23mm.
6. Diámetro de los pernos requerido en la plancha de Alma (db req): 17.43mm.
7. Se debe utilizar soldadura de filete a ambos lados de la plancha para resistir
el corte de diseño Vweb con un espesor (D): 5mm.
98
IV.4. Comprobación de los resultados.
Figura 65. Propiedades y dimensiones de viga y columna.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 66. Propiedades y dimensiones de las planchas, pernos de conexión es
y propiedades de la soldadura. (Fuente: Elaboración propia)
99
Figura 67. Cálculo del momento de diseño para la conexión.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 68. Espesor de planchas de ala y diseño de los pernos de unión.
(Fuente: Elaboración propia)
100
Figura 69. Chequeo de la resistencia a la tracción de la plancha de ala.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 70. Chequeo de la resistencia al aplastamiento y desgarramiento.
(Fuente: Elaboración propia)
101
Figura 71. Chequeo del desgarramiento en ala de la viga.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 72. Chequeo de la resistencia por bloque de corte en plancha de ala.
(Fuente: Elaboración propia)
102
Figura 73. Chequeo de la resistencia por bloque de corte en el ala de la viga.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 74. Diseño de plancha de alma y los pernos de unión.
(Fuente: Elaboración propia)
103
Figura 75. Chequeo de la resistencia al aplastamiento y desgarramiento en
plancha de alma. (Fuente: Elaboración propia)
Figura 76. Chequeo de la resistencia al aplastamiento y desgarramiento en el
alma de la viga. (Fuente: Elaboración propia)
104
Figura 77. Diseño de la soldadura.
(Fuente: Elaboración propia)
CAPITULO V
Conclusiones y Recomendaciones
106
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES V.1. Conclusiones Tras la realización de los diferentes estudios en la conexión Plancha de ala
(Flange Plate) y seguir los procedimientos dados por la guía AISC 358-10 se puede
concluir que:
1. Durante el desarrollo de esta investigación se pudo comprobar que las
estructuras sometidas a cargas sísmicas pueden sufrir daños en sus
miembros, es por esta razón que se enfatizó el estudio del fenómeno sísmico
y sus efectos en las estructuras. El Instituto Americano de la Construcción en
Acero (AISC), creó guías de diseño y detallado de conexiones precalificadas.
Dichas conexiones tienen la responsabilidad principal de resistir en gran
medida las solicitaciones debidas a las acciones sísmicas, ya que están
diseñadas para que sus elementos proporcionen rigidez, resistencia y
ductilidad, requisitos que se deben garantizar para que una edificación
soporte los efectos del sismo.
Se entiende como estado límite de falla el agotamiento definitivo de la
capacidad de carga que trae como consecuencia daños irreversibles que
afectan la resistencia de los elementos de una estructura ante nuevas
aplicaciones de carga. Se concluye que las conexiones de miembros
empernados de acero estructural pueden sufrir este tipo de daños bajo los
efectos de un sismo, por lo que se diseñan para que los miembros
conectados tengan capacidad plástica para permitir la redistribución de
momentos a medida que se va generando la plastificación de los extremos
de dichos miembros, especialmente las vigas principales.
2. Para el desarrollo de esta investigación, fue fundamental tomar los
lineamientos de la guía de diseño sismorresistente en acero 358-10 creada
por el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) que contiene
las consideraciones para el diseño y detallado de conexiones precalificadas.
Esta guía fue redactada tras numerosos estudios realizados en las mejores
instituciones del mundo luego de las catástrofes ocurridas en los terremotos
107
de México (1985), Northridge (1994) y Kobe (1995), en vista de los daños
causados a la infraestructura por los movimientos telúricos se le prestó
mayor atención a los estudios destinados al diseño de conexiones de
carácter sismorresistente, ya que, se determinó que son las conexiones las
más afectadas tras el evento sísmico. Partiendo de ello, se considera que la
metodología para la elaboración de conexiones precalificadas más estudiada
y confiable es la especificada en las Normas AISC, y dependerá del
seguimiento de sus lineamientos, y su cumplimiento, la elaboración de
conexiones que se ajusten a los requisitos sismorresistentes, de esta forma
se minimizan los grandes daños que ocasionan los sismos de mediana o
gran magnitud en las estructuras.
3. La hoja de cálculo elaborada en Microsoft Excel fue desarrollada con la
finalidad de que el usuario pueda diseñar y detallar de forma automatizada el
tipo de conexión de momento precalificada Plancha de Ala (Flange Plate)
especificada en la guía AISC 358-10 y comprobar que esta cumpla con los
requisitos sismorresistentes de la AISC Previsiones Sísmicas (Seismic
Provicions). Igualmente en la hoja se colocan consecutivamente los datos
requeridos para realizar los cálculos pertinentes en el diseño de la conexión
que se necesite para una determinada estructura. Lo cual es muy útil por su
eficiencia, exactitud y rapidez, características que busca un Ingeniero al
momento de desarrollar un proyecto.
Al culminar este trabajo se ha podido evidenciar que las conexiones
precalificadas tipo Plancha de Ala (Flange Plate) son de gran utilidad para las
construcciones de carácter sismorresistente, ya que son capaces de resistir grandes
cargas horizontales por sus condiciones de rigidez, resistencia y ductilidad. Éstas
son consideraciones que se deben tomar en cuenta para la construcción de
edificaciones en el país, en virtud de que el aporte de la Norma COVENIN 1618 ha
sido incorporar las estructuras de acero, ausentes en la versión original. En
compañía de la nueva versión de la Norma, actualmente se cuenta con
procedimientos detallados para diseñar estructuras de acero sismorresistentes.
Igualmente se han añadido: especificaciones para adecuar las edificaciones
108
existentes, lo cual ha venido a ser cada vez mas importante en la práctica
constructiva, la estipulación de reglas precisas para tratar las edificaciones
irregulares, más allá de las recomendaciones cualitativas anteriores; la adición o
mejoras de los procedimientos de análisis, entre los que se incluyen métodos no
lineales por primera vez.
V.2 Recomendaciones. Tras el detenido análisis del diseño y detallado de conexiones precalificadas
tipo Plancha de Ala (Flange Plate) de acuerdo a la guía AISC 358-10, se presentan
las recomendaciones procedentes de la investigación.
1. Se exhorta al instituto competente, FUNVISIS a un estudio mucho más
detallado en el tema de los sismos y los daños que ellos producen en las
estructuras para así, evitar en la medida de lo posible los daños materiales y
pérdidas humanas que estos puedan ocasionar en el país.
2. Hacer un llamado al estado para que dirija mayores recursos al área de
experimentación en el campo de la construcción para así realizar los
estudios pertinentes en el país sin tener que esperar que se desarrollen
investigaciones en otros países que en su mayoría no tienen el mismo riesgo
sísmico que Venezuela.
3. Se recomienda la utilización de la conexión plancha de ala (Flage Plate) en
estructuras con fines sismorresistentes, ya que cumple con los requisitos
establecidos en la guía AISC 358-10 y reúne las características teóricas de
resistencia, ductilidad y rigidez. Basada en 20 pruebas aplicadas a este
conexión sobre el ciclo de deformación inelástica se pudo determinar su
precalificación para los fines sismorresistentes, adicionalmente la conexión
Plancha de Ala (Flange Plate) aporta algunos mecanismos de rendimiento,
modos de falla y comportamientos de las conexiones con empernado de
base en forma de T, lo cual apoya la precalificación.
La capacidad de deformación inelástica lograda con las conexiones
de momento BFP está entre las mejores alcanzadas en pruebas sísmicas de
conexiones en pórticos de momento. A pesar de que el diseño de la
109
conexión es relativamente complejo debido a que los numerosos
mecanismos de rendimiento y los distintos modos de falla deben ser
considerados en el proceso de diseño.
4. Se deben respetar cada una de las especificaciones dadas por las guías de
la AISC al momento del diseño de conexiones precalificadas, ya que cuando
no se respetan los lineamientos contenidos en estas guías, en relación a
dimensiones y propiedades de miembros y elementos, la conexión no es
precalificada, y deja de estar avalada por el Instituto Americano de la
Construcción en Acero (AISC). Se obtendrá entonces una buena conexión,
pero cuyo comportamiento es ciertamente dudoso e impredecible. Se deberá
ensayar para comprobar su verdadera capacidad.
110
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