7/23/2019 Comportamiento Sismico Conexiones Curso CICQ
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Héctor Soto Rodríguez
www.ahmsa.com
www.mejor conacero.com
Querétaro, Qro. 26 de julio de 2013
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PENSAMIENTO 1
“El diseño de las conexiones
estructurales de acero es, al mismotiempo, un arte y una ciencia”
Ing. Oscar de Buen López de Heredia”
Profesor Emérito de la UNAM, Director General deColinas de Buen y Premio Nacional de Ingeniería Civil
por el Colegio de Ingenieros Civiles de México
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
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INTRODUCCIÓN
“Las conexiones rígidas trabe columnade edificios de acero deben diseñarse,
detallarse, fabricarse y supervisarsecon especial cuidado, particularmenteen zonas de alta sismicidad, paragarantizar el comportamientosatisfactorio de éstas y de la estructuradurante sismos moderados y fuertes”
HSR
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“El árbol de las conexiones, escultura didáctica”
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Presentar los aspectosfundamentales del comportamientoy diseño sísmico de conexiones
rígidas trabe-columna, de acuerdocon la experiencia académica yprofesional del autor.
¿ Que hemos aprendido acerca del diseño estructuraly sísmico de las conexiones rígidas trabe columnatras los sismos de Northridge, Cal y Kobe , Japón,1994 y 1995?
OBJETIVO GENERAL
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
Columnas –Conexiones rí idas trabe-columna ti o árbol
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1. Comentar los factores quedeterminan las diferencias enel diseño sísmico deconexiones rígidas trabe-
columna, en México, EstadosUnidos y Japón.
OBJETIVOS
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PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS ENMÉXICO
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2. Ilustrar las conexiones rígidas
típicas trabe-columna comúnmenteutilizadas en estos tres países,antes y después de los sismos de
Northridge, Cal y Kobe, Japón.
OBJETIVOS
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TENDENCIAS ACTUALES EN CONEXIONESTRABE COLUMNA EN MÉXICO
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3. Mostrar los puntos débiles
y daños típicos en las conexionestrabe-columna tras sismos fuertesen Northridge, Cal y Japón, del 17de enero de 1994 y 1995,respectivamente.
OBJETIVOS
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CONEXIÓN TIPO ÁRBOL
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4. Presentar el uso de nuevasconexiones trabe-columna en
países de alta sismicidad, traslos sismos de Northridge, Cal,
1994 y Kobe, Japón, 1995.
OBJETIVOS
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INTRODUCCIÓN
Se hará énfasis en los requisitos quedeben cumplirse en el diseño sísmico
de conexiones rígidas trabe columna,de acuerdo con AISC 2010 (LRFD-ASD) FEMA y las AISC SEISMIC
PROVISIONS FOR STRUCTURALSTEEL BUILDINGS .
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CONEXIONES TRABE COLUMNAATORNILLADAS
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El diseño de conexiones trabecolumna cambia significativamentede un país a otro, debido
principalmente a diferencias en:
1. Disponibilidad y costo del acero
estructural (materia prima).2. Disponibilidad y costo de la mano
de obra calificada.
INTRODUCCIÓN
MATERIA PRIMA
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MATERIA PRIMA
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SECCIONES ESTRUCTURALES PESADAS (TIPO JUMBO)
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MANO DE OBRA ESPECIALIZADA ENESTRUCTURAS DE ACERO
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
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5. Existencia de talleres certificados de
estructuras de acero.
6. criterios de diseño del estructurista.
7. ubicación sísmica de la estructura
INTRODUCCIÓN
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LA FABRICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACEROEN LA ACTUALIDAD
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LA FABRICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO SEHA REINVENTADO EN LOS ÚLTIMOS AÑOS”
LA ESTRUCTURA DE ACEROYA NO SE FABRICAN A MANO
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
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CRITERIOS ESTRUCTURISTA
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CRITERIOS ESTRUCTURISTA
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Edificios modernos de acero ubicados en zonas de
alta sismicidad
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IMPORTANCIA DE LAS CONEXIONES
Es evidente que la seguridad deuna estructura depende, entreotros factores, de que el diseñode las conexiones sea correcto.
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Nulo contacto entre la trabe columna
Nulo contacto entre la trabe columna y faltade elementos de unión en la conexión
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Trabe totalmente desligada de la columna, apoyadaen un muro de mampostería de pobre calidad
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
Excentricidad excesiva de la trabe yconsecuentemente falta de apoyo del patín
inferior de la trabe
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¿ Donde están las soldaduras de filete en
la unión tipo peine?
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SISTEMAS ESTRUCTURALES EN
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SISTEMAS ESTRUCTURALES ENCALIFORNIA
SISTEMAS ESTRUCTURALES EN
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SISTEMAS ESTRUCTURALES ENCALIFORNIA
SISTEMAS ESTRUCTURALES EN
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SISTEMAS ESTRUCTURALES ENCALIFORNIA
SISTEMAS ESTRUCTURALES
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SISTEMAS ESTRUCTURALES
MÉXICO Y JAPÓN
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL
17 DE ENERO DE 1994
Ocasionó la muerte de 65 personasDerrumbe de 9 puentes carreteros
Daños severos en más de 200 edificiosestructurados a base de marcosrígidos con conexiones rígidas trabe
columna soldadas.
Costo estimado de daños: $20
billones de dólares
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Colapso de un nivel de un edificio de
madera destinado a habitación
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Daño severo en un edificio antiguo no dúctil deconcreto reforzado. Nótese que un nivel completo
sufrió colapso total.
Daño severo en un edificio moderno de
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Daño severo en un edificio moderno deestacionamiento
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DAÑOS EN EDIFICIOS DE ACERO DURANTEEL SISMO DE NORTHRIDGE DE 1994
Un buen número de edificios modernos deacero tuvieron daños severos en lasconexiones rígidas soldadas trabe-columna
Los daños principales fueron en, yalrededor de las soldaduras depenetración completa del patín inferior de
la trabe.
Los daños fueron totalmente inesperados
por los ingenieros de la profesión.
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MARCOS RÍGIDOS
Un marco de acero resistente amomento es un conjunto de vigas
y columnas conectadasrígidamente para resistir fuerzasverticales y accidentales (sismo,
principalmente)
Montaje de un edificio de acero con marcos
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Montaje de un edificio de acero con marcosresistentes a momento, en los que los extremosde las vigas se unen rígidamente a las columnas
con soldaduras de penetración completa.
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MARCO RÍGIDO TÍPICO NORTHRIDGE
Hasta antes del sismo de Northridge, se consideraba que los marcos rígidosde acero constituían el sistema estructural más conveniente para soportaracciones sísmicas intensas, pues tomando las medidas adecuadas para evitarfallas por inestabilidad, o de tipo frágil, se obtenían estructuras querespondían dúctilmente hasta el colapso.
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MARCOS RÍGIDOS
En este tipo de estructura, laestabilidad lateral dependeexclusivamente de la rigidez a laflexión de las trabes y columnas.
La preocupación principal al diseñarun marco que debe ser capaz de
responder inelásticamente es evitarfracturas frágiles y pandeo severoen las zonas inelásticas.
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MARCOS RÍGIDOS
En Estados Unidos los requisitos dediseño, en marcos rígidos en los quese pretende obtener una ductilidadalta, son ahora muy estrictos yexigentes:
Marcos rígidos especiales (SMF)
Marcos rígidos Intermedios (IMF)
Marcos rígidos Ordinarios (OMF)
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CONEXIONES
En las Especificaciones AISC 2010(LRFD-ASD) se han aumentado los
requisitos que han de cumplirse enmarcos rígidos, sobre todo cuandodisminuye la hiperestaticidad de la
estructura.
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CONEXIÓN TÍPICA TRABE COLUMNASOLDADA NORTHRIDGE
Se reitera que , uno de losrequisitos de detallado dúctilen marcos resistentes amomento es evitar la falla
frágil de las conexiones rígidastrabe-columna.
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CONEXIÓN TRABE COLUMNA RÍGIDA PREVIA AL SISMO
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CONEXIÓN TRABE COLUMNA RÍGIDA PREVIA AL SISMODE NORTHRIDGE, CAL. PATINES SOLDADOS – UNIÓNATORNILLADA EN EL ALMA DE LA VIGA
Características de la conexión rígida trabe columna, Northridge,1994
Esta conexión fue diseñada conforme a las normas vigentes del AISC
DETALLADO DE LA CONEXIÓN RÍGIDA TRABE
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10
30 o
T & B FLAN GES E70T-4 Backing Bar and Weld Tabs To R emain In Place
8
8
BOLTS: 10 - 22mm A325-SC
HOLES: 24 mm
P 16 x 127 x 760 L
8 100
T & B of P L
8 T & B of P L
75
W36x150 (A36)
W14x257 (A572 Gr. 50)
P 12 x 150 L (Both Sides)
CJP - 3 Sides TYP
COLUMNA SOLDADA PREVIA SISMO NORTHRIDGE
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DAÑOS CONEXIONES TRABECOLUMNA SOLDADAS
Las conexiones rígidas trabe-columna soldadas debieron
haber sido capaces de desarrollarla capacidad en flexión de las
trabes con importante rotación ycon ciclos de histéresis estables.
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Los daños del temblor de Northridge pusieron en duda laconfiabilidad de este tipo de unión.
DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE
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DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABECOLUMNA ANTES DEL SISMO DE
NORTHDRIGE, CAL
Unión muy popular en California desde 1970-1994
La placa de cortante se suelda en taller al patín
de la columna; la trabe se atornilla en campopor el alma y sus patines se unen rígidamente alos de la columna con soldaduras depenetración completa con bisel sencillo (CJP:Complete Joint Penetration) .
Los atiesadores o placas de continuidad sesueldan en taller en ambos lados del alma de la
columna.
DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE
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DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABECOLUMNA ANTES DEL SISMO DE
NORTHDRIGE, CAL
En taller se hacen agujeros de acceso en el alma de latrabe para depositar las soldaduras de penetracióncompleta.
En el patín superior de la viga, el agujero de accesofacilita la colocación de la placa de respaldo y en el patíninferior, el agujero permite depositar y contener lasoldadura de penetración completa (CJP).
Las placas de respaldo, y las soldaduras de puntosnormalmente se dejaban en la conexión soldada. No setomaban precauciones especiales para reducir el dañoen el metal base y de aportación.
DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN
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DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓNTRABE COLUMNA ANTES DEL SISMO
DE NORTHDRIGE, CAL
Los agujeros de acceso paralas soldaduras tienen unageometría adecuada; susbordes deben ser lisos, y
libres de muescas.
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Geometría de los
agujeros de acceso parasoldar.
“Puntos finos de lasconexiones trabe
columna”
Ver Figura 11-1 in the 2010 AISCSeismic Prov is ions paradimensiones y requisitos deacabado
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DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA
La mayoría de los daños de lasconexiones rígidas trabe-columnasoldadas durante los temblores deNorthdrige, Cal., 1994 y Kobe,Japón, 1995, ocurrieron por unmecanismo de fractura frágil que seinició en la raíz de la soldadura depenetración completa del patíninferior de la trabe.
DESCRIPCIÓN DE LA CONEXIÓN TRABE
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COLUMNA ANTES DEL SISMO DENORTHDRIGE, CAL
Uno de los electrodos comunes, utilizadopara depositar soldaduras en estaconexión trabe columna, era el E70T- 4.
La baja tenacidad a la fractura del metal desoldadura depositado con este electrodoha sido identificada como uno de los
factores que contribuyeron a las fallasobservadas en esta conexión durante elsismo referido.
DAÑO SEVERO EN SOLDADURAS DE
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DAÑO SEVERO EN SOLDADURAS DEPENETRACIÓN COMPLETA DEL PATÍN INFERIOR
La fractura frágil es un problema de la mecánica de materiales altamente nociva
para estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad.
DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA
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DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA
Las soldaduras de las conexiones se
fracturaron, mientras que las vigaspermanecían todavía en el intervaloelástico, sin desarrollar ninguna
ductilidad, confirmando elcomportamiento frágil de las juntassoldadas.
Esto confirma el muy pobrecomportamiento que fue frecuentemente
exhibido durante el sismo de Northridge.
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DAÑOS CONEXIONES TRABE COLUMNA
En aquella época, había pocainformación disponible sobre elnivel de ductilidad realmentenecesario que debía tener unaconexión rígida trabe columna pararesistir un temblor moderado ofuerte.
5000
B ittl F t t B tt
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-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03
Plastic Rotation (rad)
B e n d i n g
M o m e n t ( k N - m )
X
Brittle Fracture at Bottom
Flange Weld
Mp
Mp
Gráfica Momento-Rotación plástica obtenida de ensayes de laboratorio
de la conexión rígida trabe columna
El desarrollo de la rotación plástica fue de tan solo 0.005 radianes
DAÑO SEVEROS EN CONEXIONES RÍGIDAS
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Las fracturas se iniciaron en la soldadura de penetración completa del patíninferior de la trabe y se propagaron hacia el patín de la columna.
TRABE COLUMNA
DAÑOS GENERALES
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DAÑOS GENERALES
1. Fracturas en las conexiones rígidas soldadas
trabe-columna.2. Fractura en el patín de la trabe en la zona
próxima a la soldadura
3. Ruptura en la parte media del patín de lacolumna
4.Fractura del patín de la columna en la parte
inferior5. Fractura del patín de la columna en la parte
superior de la soldadura
6. Fractura en la soldadura
DAÑOS GENERALES
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DAÑOS GENERALES
7. Fractura vertical en el patín de la
columna8. Ruptura del tablero de la columna
9. Fractura de la placa de cortante
10. Pandeo fuera del plano decontraventeos concéntricos HSS
11. Pandeo y fractura de contraventeos
fabricados con secciones HSS cuadrados
12. Fractura en las placas base de columnas
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Fractura de la soldadura cerca de la carade la columna. Obsérvese la orientaciónincorrecta de los puntos de soldadura.
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Fractura a tráves del ancho total de la columna
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Fractura que se inicia en el borde exterior del patín de
la viga, cerca de la soldaduras de puntos
DAÑOS GENERALES
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DAÑOS GENERALES
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DAÑOS GENERALES
La foto muestra fractura en el patín superior deun espécimen de una conexión rígida trabe-columna.
Para este espécimen, las soldaduras del patínse depositaron con electrodos que producenmetal de soldadura susceptibles a la fracturapor su baja tenacidad.
Además, la placa de respaldo y las soldaduraspor puntos se removieron déspues de completarlas soldaduras, para reducir los defectos deestas piezas.
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Se muestra la soldadura del patín inferior en la conexióntrabe columna rígida previa al sismo de Northridge. Lasoldadura se depositaba con electrodos de baja tenacidad,y la placa de respaldo y los puntos de soldadura sedejaban en el lugar.
DAÑOS GENERALES
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DAÑOS GENERALES
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FRACTURA DE LA SOLDADURA DEL PATÍN DE LATRABE Y DE LA PLACA DE CORTANTE
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Las fracturas de las soldaduras de penetración completa del patín superiorde la trabe y de la placa de cortante propiciaron un mecanismo potencialde colapso.
TRABE Y DE LA PLACA DE CORTANTE
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Fractura de la soldadura cerca de la cara de la
columna. Nótese que la tarjeta se coloca através de lafractura de la soldadura. La columna es de sección encajón. Se observa una superficie áspera del acerodebido a la remoción del material de protección contra
fuego.
FRACTURA SOLDADURA
Í
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PATÍN INFERIOR TRABE
La evaluación de las causas reales de la fracturafrágil es un problema complejo debido a numerososfactores que intervienen en la producción de lamateria prima (acero), diseño , fabricación ymontaje de las estructuras de acero.
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RUPTURA DEL ALMA DE LA
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COLUMNA
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Ejemplo de fractura parcial através del patín yalma de la columna.
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Fractura de la soldadura y del alma de la columna
DA OS CONEXIONES TRABECOLUMNA
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COLUMNA
DAÑOS CONEXIONES TRABE
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DAÑOS CONEXIONES TRABECOLUMNA
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Foto de un ensamble típico de una conexióntrabe columna ensayada en laboratorio. Seaplica una carga en el extremo derecho delsegmento de viga con un gato hidráulico.
Se coloca contraventeo lateral cerca delextremo de la viga, para restringir el pandeo
por flexotorsión de dicho miembro.
RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGASCICLICAS
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Comportamiento histerético de la conexión
CICLICAS
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RESULTADOS DE ENSAYES
BAJO CARGAS CICLICAS
Respuesta a carga cíclica de unaconexión totalmente soldada, viga W24x76.
La conexión permite que la viga
desarrolle su resistencia plástica total,y que la mantenga a través de grandesciclos con deformaciones inelásticas.
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RESULTADOS DE ENSAYES BAJO CARGASCICLICAS
Cuando se terminó el ensaye no hubo falla de laconexión. Esta prueba demostró uncomportamiento excelente de la conexión
totalmente soldada. Es decir, la conexión permiteque la viga desarrolle gran ductilidad sin que falleésta.
Nótese que el medio ciclo amplio final de cargaindica cierto deterioro de la resistencia de la viga.Esto se debe al desarrollo del pandeo local de laviga.
RESULTADOS DE ENSAYES BAJO
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RESULTADOS DE ENSAYES BAJOCARGAS CICLICAS
RESULTADOS DE ENSAYES BAJOC G S C C C S
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CARGAS CICLICAS
RESULTADOS DE ENSAYES
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RESULTADOS DE ENSAYES
BAJO CARGAS CICLICAS
Respuesta de una conexión rígida totalmentesoldada con una viga W 24x76 sujeta a cargascíclicas,. Los patines están soldados y el almaatornillada.
Esta conexión permite la fluencia de la viga y quedesarrolle también niveles moderados de
ductilidad.Sin embargo, en el espécimen, la falla de laconexión (fractura) ocurríó después de varios
ciclos de carga
RESULTADOS DE ENSAYES BAJOCARGAS CÍCLICAS
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CARGAS CÍCLICAS
RESULTADOS DE ENSAYES BAJOCARGAS CÍCLICAS
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CARGAS CÍCLICAS
RESPUESTA A CARCA CÍCLICA DE UNACONEXIÓN SOLDADA
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La foto muestra una conexión concubreplacas que fue ensayada en laboratorio.Nótese la formación de una articulaciónplástica en la trabe, en la región cercana alos extremos de las cubreplacas. Esteespécimen, al igual que muchos otros quetienen cubreplacas, permitió que la viga
desarrollara grandes niveles de ductilidad sindaño de la conexión.
CONEXIÓN SOLDADA
RESPUESTA A CARCA CÍCLICA DE UNACONEXIÓN SOLDADA
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Las conexiones con cubreplacas exhiben unmejor comportamiento que la conexiónprevia al sismo de Northridge.
Sin embargo, esta conexión resulta más caraal constructor, pero es mucho mas confiableque la conexión previa al sismo de
Northridge.
CONEXIÓN SOLDADA
FALLAS EN CONTRAVENTEOSCONCÉNTRICOS
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CONCÉNTRICOS
FALLAS CONTRAVENTEOSCONCÉNTRICOS
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CONCÉNTRICOS
FRACTURAS EN PLACAS BASE DECOLUMNAS
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COLUMNAS
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE ELSISMO DE NORTHDRIDGE CAL 1994
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SISMO DE NORTHDRIDGE, CAL. 1994
Algunos factores importantes que contribuyeron a
los graves daños en las conexiones rígidas trabecolumna durante el sismo de Northridge de 1994pueden agruparse:
1. Factores relacionados con la soldadura2. Factores asociados al diseño de las conexiones
rígidas trabe columna
3. Factores relacionados con las propiedadesmecánicas de los materiales (Fy y Fu)
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE ELSISMO DE NORTHDRIDGE, CAL. 1994
1. Ejecución incorrecta de lassoldaduras de penetración completaen los patines de la trabe contra elpatín de la columna.
2. Grietas preexistentes en las
soldaduras o en el metal baseadyacente
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE ELSISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
3.Esfuerzos residuales en las juntas,generados durante la fabricación de laestructura, incluyendo la ejecución de lassoldaduras. Los esfuerzos residuales en lassoldaduras provocan que las zonasadyacentes a las soldaduras sean las más
sensibles a la fractura del acero.4.Falla del patín de la columna, ocasionadapor tensiones en la dirección del grueso.
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
En la conexión trabe columna, lassoldaduras de los patines de la trabe son
mucho más rígidas que la conexión delalma atornillada.
Consecuentemente, muchos esfuerzos deflexión en el alma de la trabe fluyen a lazona de unión de los patines de la viga.El efecto se ilustra cualitativamente enesta imagen.
r e s s
Fu
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Mp
Incremento de los esfuerzos en los patines de la trabe debido a unatransmisión inadecuada de momento a través de la conexión del alma
F l a n g e
S t r
Fy
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
De esta manera, el uso deconexiones atornilladas en el alma
de la viga, incrementa los esfuerzosen el patín de la trabe en la vecindadde las soldaduras de penetración
completa.
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
Estos niveles de esfuerzos incrementanprobablemente la falla de la soldadura(especialmente en la presencia dedefectos de soldadura y baja tenacidaddel metal de soldadura). A pesar de laalta calidad, gran tenacidad de la
soldaduras, estos elevados esfuerzospueden ocasionar la fractura del metalbase del patín de la viga.
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Vflange
Incremento de los esfuerzos en el patín de la trabedebido a los esfuerzos cortantes en los patines
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL SISMO DENORTHRIDGE CAL 1994
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NORTHRIDGE, CAL., 1994
Consecuentemente, el esfuerzo en laraíz de la soldadura del patín
superior es mucho menor que el dela raíz de la soldadura depenetración completa del patín
inferior.
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StressConcentratio
ns:
• Agujero deacceso en el almade la trabe para
soldar
• Cortante en elpatín
• Inadecuadaparticipacion deflexión por laconexión del alma
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
La presencia de los agujeros de acceso en elalma de la trabe, de dimensiones adecuadaspara soldar también introduce una
concentración de esfuerzos.Dicha concentración depende del tamaño yforma del agujero de acceso, así como del
acabado del corte ( cortes lisos o asperos) Deberá cuidarse que los agujeros de accesono sean mayores que lo necesario.
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
En resumen, mucho de los diseñosy detallado de las conexionesrígidas patines soldados y almaatornilladas ocasionaron niveles deesfuerzos elevados en los patinesde la viga y en las soldaduras depenetración completa.
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
Estos esfuerzos elevados,combinados con la presencia dedefectos de soldadura
(particularmente en la soldadura delpatín inferior cerca del agujero deacceso), combinado con metal de
soldadura de baja tenacidad,ocasionan una probable fracturafrágil..
CAUSAS DE LOS DAÑOS DURANTE EL
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SISMO DE NORTHRIDGE, CAL., 1994
5. Incremento de los esfuerzos de tensiónen el patín inferior, debido a la presenciade la losa en el patín superior, que
levanta la posición del eje neutro
6. Presencia de estados triaxiales deesfuerzos que propician uncomportamiento frágil
CAUSA DE DAÑOS DURANTE LOS
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SISMOS DE NORTHRIDGE, CAL, 1994
7. Concentración en pocos lugares de lasconexiones rígidas para soportar lasacciones sísmicas.
Otros:Reducción de la tenacidad de la zona debido al efectode muesca creado por la colocación y permanencia
de las placas de respaldo para depositar lassoldaduras de penetración completa.
Uso de metal de aportación en soldadura de bajatenacidad.
REFUERZO CONEXIONES TRABE
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REFUERZO CONEXIONES TRABECOLUMNA
En algunos casos resultó másapropiado remover las
soldaduras defectuosas ycambiarlas por soldaduras
sanas depositadas con mano deobra calificada y electrodosapropiados.
REFUERZO DE CONEXIONESRÍGIDAS TRABE COLUMNA
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RÍGIDAS TRABE COLUMNA
REFUERZO DE CONEXIONES RÍGIDAS
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La foto muestra otro método utilizado para elrefuerzo de conexiones rígidas.
En esta esta conexión, se sueldan placas en lospatines de la viga y en el patín de la columna.
Igual que las cubreplacas, las nervaduras sirven
para hacer más resistente la conexión que latrabe, y para obligar la formación de lasarticulaciones plásticas fuera de la cara de lacolumna.
TRABE COLUMNA
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Una prueba de laboratorio de una conexiónregida con nervaduras en patines de la viga. Lamuestra desarrollo gran ductilidad sin falla en la
conexión
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RESISTENCIA AL
CORTANTE EN ELTABLERO DEL ALMA
RESISTENCIA AL CORTANTE EN EL TABLERO DEL ALMASe obtiene del equilibrio de la porción de la viga comprendida entre
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M pr-2
M pr1
V Trabe-2
V Viga-1
Trabe 1 Trabe 2
Articulación plástica
Articulación plástica
sh sh
M f1 M f2
M pr = momento esperado en la articulación plástica = 1.1 R y M p
V beam = cortante en la trabe
sh = distancia de la cara de la columna a la articulación plástica en la
trabe
q p g plas articulaciones plásticas
RESISTENCIA AL CORTANTE EN ELTABLERO DEL ALMA
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Las siguientes imágenes muestran como sedetermina la resistencia requerida alcortante de un tablero de alma de columna.
El primer paso es suponer que el momentoen la trabe es el momento plástico esperado,
y que se desarrolla en la ubicación de laarticulación plástica.
Trabe 1 Trabe 2
RESISTENCIA AL CORTANTE DEL TABLERO DEL ALMA
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M pr-2 M pr1
V beam-2
V Trabe
-1
Trabe 1 Trabe 2
Plastic Hinge Location
Articulación plástica
sh sh
M f1 M f2
M f = momento en la cara de la columna
M f = M pr + V v iga s h
El momento esperado en la articulación se proyecta en la cara de la columna, conbase en el gradiente de momento (es decir, cortante) en la trabe.
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PLACAS DE
CONTIMUIDAD
PLACAS DE CONTINUIDAD
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Placas de continuidad(atiesadores
horizontales en lacolumna)
Las placas de continuidad son atiesadoresh i t l t l l d l
PLACAS DE CONTINUIDAD
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horizontales transversales, colocados en elalma de la columna. Se denominan “placas decontinuidad”, debido, a que en efecto,continuan los patines de las trabes a tráves dela junta.
Cuando el diseño queda regido por unacombinación de carga que incluye sismo,deben colocarse atiesadores horizontales enlos dos lados del alma de la columna quecumplan con los requisItos que se mencionanen las Especificaciones AISC 2010 (LRFD-ASD).
TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNAZona de la columna comprendida entre los patines de la trabe o trabes
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Tablero del alma de la columna:
Las almas de vigas y columnas están en elmismo planoSujeto a cortantes elevados
Fluencia por cortante y grandesdeformaciones (se forman articulacionesplásticas por cortante)Proporciona un mecanismo de fluencia alternoen un marco rígido
TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA
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El tablero del alma (la parte de la columna dentro dela junta viga-columna) está sometido a cortantes
muy elevados cuando el marco está sometido acargas laterales.
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TABLERO DEL ALMA DE LA COLUMNA
Esto permite la fluencia por cortante del tablero delalma, y el desarrollo de “ articulaciones por
cortante”. También permite un mecanismo plásticoalternativo de marcos de acero, es decir, uno en elque las articulaciones plásticas se forman en eltablero y no en los extremos de las trabes.
La imagen muestra los requisitos del d ti id d AISC 358 l
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placas de continuidad en AISC 358 para el
caso de trabes unidas a columnas Hcolumns.
Cuando en una conexión rígida el grueso
de los patines es menor que el máspequeño de los valores dados por lassiguientes ecuaciones, se colocanatiesadores transversales (placas decontinuidad) en los dos lados del alma dela columna, frente a los patines superiorese inferiores de las trabes.
REQUISITOS PLACAS DE CONTINUIDAD
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t cp
t bf t cp ≥ 1/2 t bf
Requisitos de espesor para las placas decontinuidad (atiesadores) en conexiones trabe-
columna de un solo lado
REQUISITOS DE PLACAS DE CONTINUIDAD
Pl d ti id dPara columnas H:
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Placas de continuidad
Se requieren atiesadores en ambos lados delalma, a no ser que:
yc yc
ybybbf bf c f
F R
F R t b8 .14.0 t
6 bt bf
cf
Y
t cf = grueso patín d ela columna
bbf = ancho patín de la viga
t bf = grueso patín de la trabe
REQUISITOS DE PLACAS DECONTINUIDAD
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REQUISITOS DE PLACASDE CONTINUIDAD
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Los patines de las trabes desarrollan una fuerza
concentrada que se transmite a la columna, enla conexión trabe columna.
Esto ocasiona fallas locales en la columna enesta zona, debido a la flexión local de lospatines, fluencia local del alma y arrugamientodel alma.
Estas fallas locales pueden evitarse con lacolocación de atiesadores.
PLACAS DE CONTINUIDAD
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El patín de la trabe transmite una fuerzaconcentrada en la columna, en laconexión trabe columna.
Esta fuerza puede ocasionar una fallalocal en la columna, debido a la flexión
local del patín, fluencia local del alma, yarrugamiento del alma. La falla localpuede evitarse colocando atiesadoresen la columna.
PLACAS DE CONTINUIDAD
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Si la resistencia del tablero de la columna es inadecuada:
- Se selecciona una columna con mayor area en elalma
- Soldar placas dobles en la columna
Alternativas para colocar placas en el
alma de la columna
PLACAS DE CONTINUIDAD
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Para satisfacer los requisitos deresistencia a cortante en la zona del
tablero del alma de acuerdo con lasdisposiciones AISC Seismic Provisions,en ocasiones es necesario soldar placas
dobles en el alma de la columna.
PLACAS DE CONTINUIDAD
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Las placas se colocan dentro del la junta, e
incrementan el área del alma efectiva de lacolumna. (Nótese que en la ecuación J10-11,tp es el el grueso combinado del alma de la
columna y las placas dobles).La figura muestra varias alternativas paracolocar las placas dobles a las columnas. El
detalle de la izquierda se usa comúnmente enla práctica, aunque requiere soldadura defilete en la dimensión K de la columna.
PLACAS DE CONTINUIDAD
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Los atiesadores tienen una función adicional muyimportante en las conexiones rígidas trabe columna. En elcaso de uniones sin placas atiesadoras , la flexión local delos patines en la columna desarrolla un estado deesfuerzos no uniforme en el patín de la trabe, y en las
soldaduras de penetración del patín de la viga, lo queocasiona elevados esfuerzos en la parte central del patínde la trabe.
Esto puede contribuir a la fractura del patín de la viga o de
las soldaduras de penetración del patín La colocación deplacas atiesadoras sirve para reducir los esfuerzosmáximos en la parte central del patín de la trabe.
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“Lo que ocurrió hace poco más
de 19 años en Northridge, Cal.,no debe olvidarse”
HSR
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
DAÑOS CONEXIONES SISMO DENORTHRIDGE
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NORTHRIDGE
“Reforzar las conexiones trabecolumna de un edificio de acerodañadas severamente por sismos demagnitud moderada es corregir, tardey a mayor costo, lo que debió hacerseantes y durante de cada una de lasetapas de diseño y ejecución dedichas uniones”
HSR
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NUEVAS CONEXIONES TRAS EL
SISMO DE NORTHRIDGE, CAL.17 DE ENERO DE 1994
FEMA 350
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FEMA 350
FEMA 267 A
SAC Joint Ventura fue creado por miembros de la
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SAC Joint Ventura fue creado por miembros de laStructural Enginnering Associations de California
(SEAC), ATC y CUREE con objeto de coordinar lostrabajos de investigación sobre comportamientosísmico de estructuras formadas a base de marcos
resistentes a momento. El programa SAC-FEMA sepuso en marcha desde 1994 hasta 2001.
Como consecuencia de los graves daños ocurridosen Kobe, Japón, en 1995 se realizaroninvestigaciones extensas en muchos otros paisesubicados en zonas de alta sismicidad.
NUEVAS CONEXIONES
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La tercera versión, del AISC 1997,incluye modificacionesimportantes, debidas al mal
comportamiento, no esperado, demuchas conexiones soldadas demarcos rígidos, durante el temblor
de Northridge de 1994, e incorporalos resultados de los estudios paraentender, y mejorar, ese
t i t
NUEVAS CONEXIONES
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NUEVAS CONEXIONES
EL AISC ha Publicado, desde 1999recomendaciones especiales para
el diseño de estructuras de aceroen zonas sísmicas, que seemplean como un complemento
de sus especificacionesgenerales.
FEMA 350 "R d d S i i D i
NUEVAS CONEXIONES
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FEMA 350: "Recommended Seismic Design
Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings,"fue uno de los resultados más importantes delPrograma SAC-FEMA.
Este documento, publicado en el 2000,constituye una guía práctica de los aspectosrelacionados con el diseño de estructuras a basede marcos resistentes a momento. Se incluyen
en FEMA 350 las descripciones de las nueveconexiones rígidas, con sus detalles respectivos(RBS, WUF-B, WUF-W, patines libres, etc).
NUEVAS CONEXIONES
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Se incluyen procedimientos de diseño,
limitaciones de su uso, etc. Estas unionesrígidas, juntos con sus detalles, en el FEMA350 se denominan “Conexiones
Precalificadas“.
El objetivo de estas conexiones, con sus
límites especificados, es que puedenutilizarse sin necesidad de efectuar ensayesde laboratorio.
En el 2005, el AISC propuso un nuevo tema:“C i P lifi d M d
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“Conexiones Precalificadas para Marcos de
Acero Especiales Resistentes a Momentointermedios. Para aplicaciones sísmicas,"Norma ANSI/AISC 358-05. El AISC 358, in
efecto, remplaza FEMA 350 por “ Conexiones Precalificadas a momento".
Sin embargo, FEMA 350 contiene una gran
cantidad de información útil para marcos amomento, y que sirven todavía como unaimportante referencia.
Conexión conl
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ranuras en el
alma de la trabe
La conexión trabe columna con alma ranurada
NUEVAS CONEXIONES
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tiene como fin separar los patines del alma de la
trabe en la zona de la conexión.
Las ranuras sirven para reducir
significativamente las concentraciones deesfuerzos en los patines de la viga y en lassoldaduras de penetración completadepositadas en los patines de la trabe.
Para mayor información, consultarhttp://www.slottedweb.com/
Conexión trabecolumna:
P ti ld d
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Patines soldados
sin refuerzo-Alma soldada
NUEVAS CONEXIONES
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La conexión con patines soldados sinrefuerzo- Alma soldada (WUF-W) fué
investigada en la Universidad Lehigh bajo elprograma SAC-FEMA. Se trata de unaconexión totalmente soldada. Los dos patinesde la viga y el alma se sueldan a la cara de lacolumna.
El alma de la viga se suelda al patín de la
NUEVAS CONEXIONES
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El alma de la viga se suelda al patín de la
columna utilizando soldadura de penetracióncompleta CJP, pero también se colocansoldaduras de filete complementarias en laplaca de cortante.
Al igual que las otras conexiones rígidas, laWUF-W emplea prácticas de soldaduramejoradas (alta tenacidad del metal de
soldadura, prácticas mejoradas para placasde respaldo, puntos de soldadura) y usos deagujeros de acceso para soldar.
NUEVAS CONEXIONES
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Ensayes en la Universidad de LehighUniversity, y subsecuentes ensayos enla Universidad de Minnesota
mostraron que la WUF-W proporcionaexcelente comportamiento sísmico, loque permite que las vigas desarrollen
los niveles de ductilidad deseablespara utilizarse en Marcos RígidosEspeciales (SMF).
Conexión con“ ti lib ”
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“patines libres”
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NUEVAS CONEXIONES
La conexión de patines libres se desarrolló yse ensayó en la Universidad de Michigan bajoel programa SAC-FEMA.
En esta conexión, el alma de la viga se cortamás allá de la región adyacente a la columna.
Los patines de la viga sonporconsiguiente “libres” en la región de la
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porconsiguiente libres en la región de la
conexión. La conexión también secaracteriza por tener una placa decortante soldada pesada.
Esta conexión mostró un excelentecomportamiento durante un número
limitado de ensayos.En estos ensayos, las vigas desarrollaronniveles de ductilidad deseables para suuso en Marcos a Momentos Especiales.
Conexión rígidatrabe columna conplacas soldadas a
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placas soldadas a
patines
NUEVAS CONEXIONES
La conexión con placas soldadas a los patines fue
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La conexión con placas soldadas a los patines fue
investigada en la Universidad de California enBerkeley, bajo el programa SAC-FEMA. Estaconexión es similar a la unión con cubreplacasdescrita anteriormente, con una significativa
diferencia.
En la conexión con cubreplacas utilizadaimmediatamente después del sismo de Northridge,tanto los patines de la viga y las cubreplacas eranunidas con soldadura de penetración completa a lacara de la columna.
NUEVAS CONEXIONES
En la cone ión con placas soldadas a los
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En la conexión con placas soldadas a los
patines SAC, únicamente las cubreplacasse sueldan a la cara de la columna.
Esto resulta en la necesidad de colocar
cubreplacas más pesadas, pero impidealgunos problemas asociadas consoldadura el patín de la viga combinada y
cubreplacas en la columna. La placasoldada al patín también mostró un buencomportamiento en un número limitado deensayes de laboratorio.
Conexión trabecolumna con placaextrema atornillada no
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extrema atornillada noatiesada
NUEVAS CONEXIONES
En la Universidad de Virginia bajo el
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En la Universidad de Virginia, bajo el
programa SAC-FEMA, se ensayaron dostipos de conexiones con placas extremas.
Estas son la placa extrema atornillada no
atiesada y la placa extrema atiesada.
Los dos tipos mostraron buen
comportamiento durante los ensayes, yposteriormente se desarrollaronprocedimientos de detallado y diseño.
Conexión trabecolumna rígida conplaca extrema
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placa extrema
atornillada atiesada
NUEVAS CONEXIONES
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Las conexiones con placa extrema seusan comúnmente en edificios deacero ordinarios y algunas veces enestructuras industriales (refinerías,centrales de energía, estaciones, etc.).Nótese que las conexiones extremas
no requieren soldaduras de filete.
Conexión conplacas atornilladasa patines
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p
NUEVAS CONEXIONES
La conexión con placas atornilladas a
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La conexión con placas atornilladas a
los patines de la viga fue investigadaen la Universidad de Illinois bajo elprograma SAC-FEMA.
Esta conexión, similar a la de placaextrema, no requiere soldadura defilete. La conexión que se ilustraexhibió un comportamiento adecuadoen un número limitado de ensayes.
Conexión rígidaatornillada con dos
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atornillada con dos
Tes unidas a lospatines de la trabey a la columna
NUEVAS CONEXIONES Esta conexión se investigó en la Universidad deGeorgia, de acuerdo con el Programa SAC-FEMA.
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g g
La conexión es totalmente atornillada en campo ymostró un comportamiento satisfactorio durante unlimitado número de ensayes, y se desarrollaron
secuelas de diseño.
Esta unión se trata típicamente como una conexión
semirrígida, para la cual el efecto de la flexibilidadde la conexión debe incluirse en el análisis generalde la estructura.
CONNEXIÓN CON 0.03 RADIANES
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Resultado del ensaye de la conexión después decompletar ciclos de carga de 0.03 radianes. Se ilustra la
articulación plástica"
En la foto se aprecia el pandeo local del alma en la zonade la reducción de los patines.
Conceptos fundamentales:
CONEXIÓN HUESO DE PERRO (DOG BONE)
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p
Se reducen intencionalmente los patinesde la trabe cerca de la conexión. Elextremo de la viga se mantiene dentro deun comportamiento nominalmente elásticoy se relocaliza la demanda de ductilidad
por medio de una articulación plástica enuna zona de la viga alejada de la conexióntrabe columna.
Se reduce el momento en la conexión
Se obliga que la articulación plástica seforme fuera de la cara de la columna.
CONEXIÓN HUESO DE PERRO“DOG BONE”
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CONEXIÓN HUESO DE PERRO (“DOG BONE”) REQUISITOS GEOMETRÍCOS
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a (0.50 -0.75 ) bf
b (0.65 - 0.85) d
c 0.25 bf
4C2 + B2
8 C
A B
C
R =
bf
CONEXIÓN HUESODE PERRO (DOG BONE)
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DE PERRO (DOG BONE)
CONEXIONES
La conexión “Hueso de Perro” o de
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La conexión Hueso de Perro o de
Sección de Viga Reducida (“Reduced Beam Section”) es una unión precalificadaque se usa ampliamente en Estados
Unidos tras el sismo de Northridge, Cal., .Se basa en extensas pruebas delaboratorio a escala natural y en
numerosos estudios analíticos que handemostrado que tienen uncomportamiento satisfactorio ante cargascíclicas.
CONEXIÓN HUESODE PERRO (DOG BONE)
10
B.U . Bar to R em ai n
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30 o
L
45 o
30 o
G r ind Par allel to F lang e G r ind Smooth
10
6
6 5 8
Bol ts : 25 mm A325 225 mm c-c H ol es : 27mm D IA . P 9.5 x 152 x 762
10
8
8
8
1015 mm R adius
230 685
60
60
190
Wel d B.U . Bar to C ol um n
A fte r R oot is C leaned and Inspected
R em ove B.U . Bar
W 36x194 (A36)
W14x426
A572 G r . 50
L P 25 x 125
G roove welds : E71T -8 R em ove Wel d T abs
RESPUESTA EXPERIMENTAL CONEXIÓN HUESODE PERRO (DOG BONE)
5000
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-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04
Plastic Rotation (rad)
B e n d i n g M o m e n t ( k N - m ) Mp
Mp
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CONEXIÓN HUESO DE PERRO
Zonas protegidas
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Zonas protegidas
CONEXIONES POST SISMONORTHRIDGE
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CONEXIONES POST SISMONORTHRIDGE
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CONEXIONES POST SISMONORTHRIDGE
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CONEXIONES POST SISMONORTRIDGE
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CONEXIONES TRABE COLUMNA
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ENSAYE DE NUEVAS CONEXIONESTRABE COLUMNA EN LABORATORIO
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NUEVAS CONEXIONES
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Conviene que la configuración delas conexiones haga que las
articulaciones plásticas aparezcanlejos de la cara de la columna,donde la respuesta depende
menos del material y de la manode obra.
NUEVAS CONEXIONES
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Para ello, la relación entre demanday resistencia debe ser máxima enuna sección interior de la trabe, lo
que se logra reforzando localmentela conexión y el extremo de la viga,o reduciendo localmente su sección
transversal.
NUEVAS CONEXIONES
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Como la longitud en la que seconcentran las deformaciones
inelásticas es del orden, a cadalado del punto teórico, de la mitaddel peralte de las vigas, las
articulaciones deben moversecuando menos a esa distancia dela cara de la columna.
NUEVAS CONEXIONES
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En caso contrario, aparecen a unadistancia de la cara de la columna,
igual, aproximadamente, a uncuarto del peralte de la trabe, y seextienden hasta la columna.
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
CONEXIÓN TRABE COLUMNA CONPLACA EXTREMA
Esta conexión fue desarrollada por el
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Esta conexión fue desarrollada por el
Prof. Thomas M. Murray después delsismo de 17 de enero de 1994 deNorthridge, Cal. y ha sidoampliamente utilizada en los EstadosUnidos, especialmente en zonassísmicas.
La conexión también se usa enempalmes de tramos de trabes.
CONEXIÓN CON PLACA EXTREMA
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CONEXIÓN CON PLACA DE EXTREMOEXTENDIDA
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.La trabe se conecta a la columna conmucha precisión con una placa soldada
que viene de taller, y con un número detornillos adecuados que trabajan atensión. La placa extremo puededisponer de placas rigidizadoras quereducen la flexión y el grueso de la placaextrema.
CONEXIÓN PLACA EXTREMA
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Aprovecha las ventajas desencillez para hacerla más
competitiva respecto a otrostipos de conexiones trabecolumna de estructuras
localizadas en zonas de altasismicidad.
RESPUESTA DE CONEXIONES PLACA EXTREMAPLACAS DELGADAS
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CONEXIONES CON PLACA EXTREMA
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El problema es complejo debidoa que este tipo de conexión esaltamente indeterminada y se
requiere hacer estudiosempleando el método deelemento finito para determinarla distribución de esfuerzosinternos.
CONEXIÓN PLACA EXTREMA
Conexión a):
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cuatro tornillos sin atiesadores (4E)
Conexión b):
Cuatro tornillos atiesada (4ES)
Conexión c):Ocho tornillos atiesada (8ES)
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RESISTENCIA REQUERIDA ENCONEXIONES
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La resistencia requerida de unaconexión se determina utilizando el
esfuerzo de fluencia esperado, Fye
,del miembro conectado:
Fye = Ry Fy
Ry se toma de la siguiente tabla
RESISTENCIA REQUERIDA ENCONEXIONES
Ry = factor que tiene en cuenta que
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Ry factor que tiene en cuenta quelas resistencias de fluencia de losperfiles laminados reales suelen ser
mayores que las especificadas.Es igual al cociente del esfuerzo defluencia esperado Fye entre el
mínimo especificado, Fy
En la tabla siguiente se indican losvalores de Ry
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CARACTERÍSTICAS ACEROLos aceros que deben utilizarse tienen lascaracterísticas siguientes:
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Relación entre las resistencias deiniciación del flujo plástico y de ruptura entensión no mayor de 0.85
Diagrama esfuerzo alargamiento con unameseta pronunciada en el nivel de fluencia.
Gran capacidad de deformación inelástica
(por ejemplo, una elongación a la rupturaen tensión no menor de 20 por ciento, enuna longitud de 50 mm).
CARACTERÍSTICAS ACERO
Los aceros que deben utilizarse
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tienen las características siguientes:Relación entre las resistencias deiniciación del flujo plástico y de
ruptura en tensión no mayor de 0.85Diagrama esfuerzo alargamiento conuna meseta pronunciada en el nivelde fluencia.
CARACTERÍSTICAS ACERO
Gran capacidad de deformación
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inelástica (por ejemplo, unaelongación a la ruptura en tensión nomenor de 20 por ciento, en una
longitud de 50 mm.
Buena ductilidad
DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES
Cuando el diseño de una estructura de
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Cuando el diseño de una estructura deacero queda regido por una condiciónde carga que incluye sismo, la
resistencia de la conexión de cadaviga será suficiente para transmitir elmenor de los momentos siguientes:
DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES
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Mu ≥ 1.1RyMpv ≥ 1.1Ry ZxFy
Donde:MPv = momento plástico nominal de latrabe
Ry corresponde al acero de la trabe
DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES
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Se exigen requisitos semejantes alas de las Especificaciones AISC-
LRFD-99, incluyendo el uso delesfuerzo de fluencia esperado
Fye = Ry Fy
DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES
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Muc = Mpe + Vu Lp
Mpe = momento máximo probable en la
articulación plásticaVu = fuerza cortante de diseño en el
extremo de la trabe
L = distancia de la cara de la columna a lasección donde se forma la articulación
plástica.
DISEÑO SÍSMICO CONEXIONES
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Muc = Mpe + Vu Lp
Mpe = 1.1 RyFyZx
L pmín = Menor valor de d/2 o 3bf
d = peralte de la trabebf = ancho del patín de la trabe
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CONEXIÓN RÍGIDA CON PLACA EXTREMA
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CONEXIÓN PLACA EXTREMA
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CONEXIONES PLACA EXTREMA
ESTADOS LÍMITE PERTINENTES:
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1.Revisión de la resistencia a la ruptura porcortante de los tornillos de alta resistencia
2. Falla por aplastamiento-desgarramiento de
los tornillos, en la placa extrema y en la
columna.
3. Resistencia del patín de la columna al flujo
plástico en flexión.
4. Resistencia al flujo plástico local del alma
no atiesada de la columna.
CONEXIONES PLACA EXTREMA
Estados límite pertinentes:
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5. Resistencia al pandeo del alma de la
columna no atiesada frente al patín
comprimido de la trabe.
6. Resistencia al aplastamiento del alma
no atiesada de la columna frente alpatín comprimido de la trabe.
CONEXIÓN TIPO “ÁRBOL” (JAPÓN)
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CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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Se basa en el concepto de columnatipo árbol, que ha sido ampliamente
usada en Japón, en la que un tramocorto de la trabe que se denomina“muñón o brazo”, se fabrica y se
suelda en taller directamente a lospatines de la columna HSS o en cajón.
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CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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Los muñones o brazos de la trabese fabrican en taller con patines deancho variables para obligar que
las articulaciones plásticas seformen fuera de la cara de lacolumna.
CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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CONEXIÓN TIPICA JAPÓN
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CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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Las columna se envían de taller en tramosde uno o dos niveles con muñones.
la conexión se termina en campo, 100 porciento atornillada con tornillos de alta
resistencia, de características similares alos ASTM A 325(NOM-H-124).
CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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Esta conexión requiere ochoplacas para el empalme de campo
del muñón con la trabe: seis y dosmás, adosadas al alma de la trabepara resistir la fuerza cortante.
CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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Como el diseño de la conexión quedaregido por una condición de carga que
incluye sismo, la columna en cajónrequiere atiesadores horizontales oplacas de continuidad en su interior, a
nivel de los patines del muñón.
CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
Se proveen atiesadores en la zona
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donde se forma las articulacionesplásticas, el primero colocado auna distancia igual al peralte de la
trabe medida del paño de lacolumna y dos más, separados auna distancia igual al ancho delpatín de la trabe o a la mitad de superalte.
CONEXIÓN TIPO ÁRBOL
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CONEXIÓN TÍPICA JAPÓN
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Los atiesadores tienen variospropósitos:
1. Retardar el pandeo local de lospatines de la trabe.
2. Evitar el pandeo del alma de la viga.
CONEXIÓN TIPO ÁRBOL
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REQUISITOS DE CONEXIONES
TRABE COLUMNA EN ZONASDE ALTA SISIMICIDAD
REQUISITOS CONEXIONES ZONASSÍSMICAS
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Se recomienda elegir conexionescuyo diseño se basa en los
resultados de ensayes delaboratorio bajo cargas cíclicas,como es el caso de la unión trabe
columna con placa extremo.
REQUISITOS CONEXIONES ZONASSÍSMICAS
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Las conexiones trabe columnaque se propongan en zonas
sísmicas deben demostrar unacapacidad de rotación adecuadano menor de 0.03 radianes al ser
sometidas a varios ciclos decargas reversibles.
2000
3000
4000
5000
- m
Mp
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-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Drift Angle (radian)
B e n d
i n g M o m e n t ( k N
RBS Connection
Mp
Respuesta experimental conexión Hueso de Perro
Se muestra la respuesta de una conexiónhueso de perro.
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El eje vertical representa el momento en latrabe, en la cara de la columna.
Nótese que aún con los cortes en lospatines, la viga todavía desarrolla ( y excede
significativamente) su momento plástico totalen la cara de la columna.
La degradación de resistencia para ciclos de
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cargas de aproximadamente 0.03 radianesse debe al pandeo local y pandeo porflexotorsión de la trabe.
Como la sección de la viga se clasifica comosísmicamente compacta, y debido a que laviga está adecuadamente soportada
lateralmente, la degradación de laresistencia se retarda hasta que ocurrengrandes deformaciones inelásticas.
REQUISITOS CONEXIONES ZONASSÍSMICAS
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Pueden utilizarse también
conexiones documentadas en laliteratura, que hayan demostradoposeer la capacidad de rotaciónmencionada anteriormente.
REQUISITOS CONEXIONES ZONASSÍSMICAS
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Deben ser capaz de desarrollar la
resistencia a flexión de la trabe,sin que se presente ningún modode pandeo.
REQUISITOS FUNDAMENTALES
DISEÑO SÍSMICO
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Los requisitos fundamentales que debencumplirse en el diseño sísmico de lasconexiones trabe columna tienen por
objeto que las articulaciones plásticasque puedan desarrollarse en ellas durantela respuesta a sismos intensos no tendránlugar en la cara de la columna, sino enalguna de las dos zonas adyacentes, laviga o la junta.
Articulaciones
lá ti l
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plásticas en lastrabes:
Fluencia porflexión en los
extremos de lasvigas
COLUMNA FUERTE-TRABE DÉBIL
Las columnas soportan el peso
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del edificio; un daño severo enellas puede conducirdirectamente al colapso del
edificio o de una parte de él; porlo tanto, se pretende que seeviten las articulacionesplásticas, de ahí el concepto devigas débiles-columnas fuertes.
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COLUMNA FUERTE TRABE DÉBIL
S
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Si los daños se presentan en lastrabes no se atenta contra la
estabilidad general de laestructura, ya que este tipo dedaños son generalmente locales.
RECOMENDACIONES
N i l ti l i
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No convienen las articulacionesplásticas en las columnas porquepueden formarse mecanismos de
entrepiso, con pocasarticulaciones, y fallas con muypoca disipación de energía, esto
ocurre en los llamados entrepisosdébiles.
UBICACIÓN DE FORMACIÓN DEARTICULACIONES PLÁSTICAS
Tablero del alma de lacolumna
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Trabe(Fluencia por
flexión)
columna(Fluencia por cortante)
Columna(Flexión y
compresiónFluencia)
RECOMENDACIONES
En resumen, en las conexiones
t b l í i
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trabe columna en zonas sísmicas,deben poder formarsearticulaciones plásticas donde
sean necesarias, preferentementeen las trabes, y mantener suresistencia durante rotacionesplásticas importantes.
RECOMENDACIONES
Para ello, se detallanid d t tili
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cuidadosamente, y se utilizanperfiles con patines y almas
con relaciones ancho/gruesoque aseguren que eviten elpandeo local prematuro.
RECOMENDACIONES
Cuando el diseño queda regido por
bi ió d i l
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una combinación de carga que incluyesismo, deben colocarse placas decontinuidad (atiesadores horizontalesen los dos lados del alma de lacolumna) que satisfagan los requisitosque se mencionan en lasEspecificaciones 2010 (LRFD-ASD).
COLUMNA FUERTE TRABE DÉBILRELACIÓN ENTRE LOS MOEMNTOS EN VIGAS YCOLUMNAS
Los códigos y reglamentos de
t ió i t i l i i
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construcción internacionales propicianlograr una columna fuerte y una trabedébil mediante la siguiente ecuación. Ver
the AISC Seismic Provisions for SpecialMoment Frames. Cuando en el diseñointervienen las acciones sísmicas, en las
juntas debe satisfacerse la relaciónsiguiente:
0 .1M
M *
pb
*
pc
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C ColumnaL
M*pc-Sup M*pb-Derecha
0 .1M M *
pb
*
pc
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C Viga
M pc-Sup.
M* pc-Inferior M* pb-Izq.
M pb Derecha
Nota:
M* pc se basa en el esfuerzo de fluenciamínimo especificado d ela columna
M* pb se basa en el esfuerzo d efluenciaesperado de la viga e incluye un margen parael endurecimiento por deformación
M
V Viga-Derecha
Viga izquierda Viga derecha
Plastic Hinge Location
M*
CALCULO DEL M* pb
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M pr-
Derecha
M pr-Izq.
V Viga-Izq.Ubicación de la
articulación plásticash+d col /2
M pr = momento esperado en la articulación plástica = 1.1 R y M p
V beam = cortante en la viga
sh = distancia de la cara de la columna a la ubicación de la articulación plástica en
la trabe
M* pb-Izq. M* pb-Der.
sh+d col /2
M* pb = M pr + V beam (sh + d col /2 )
Columnasuperior
M pc-Sup.
M* pc- t Sup.
d
V col-Sup.
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Columna inferior
M pc = momento plástico nominal de la columna, reducido por la presencia
de fuerza axial, puede tomarse M pc = Z c (F yc - P uc / Ag )
V col = cortante en la columna , basado en la posición del punto de inflexiónen la columna (generalmente a media altura de la columna)
M* pc-Inferior
M* pc = M pc + V col (d Viga /2 )
M pc-Inferior
d Viga
V col-Inferior
¿COLUMNA FUERTE -TRABE DÉBIL?
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M.I. HECTOR SOTO RODRIGUEZ
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SISMO DE KOBE, JAPÓNOcurrió el 17 de enero de 1995, a las 5:46 am (hora local),tuvo una magnitud de 6.8 en la escala de Ritchter y unaduración de 20 seg.
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• Gran lección para los japoneses y el mundo, porconsiderarse Japón uno de los países mejor preparadospara enfrentar sismos
• La Ciudad de Kobe es el segundo puerto comercial deJapón y el sexto más grande del mundo
• Causó la muerte de más de 5500 personas
• 26 000 heridos• 300 000 personas quedaron sin hogar• 106 000 edificios sufrieron daños severos
SISMO DE KOBE, JAPÓN
• Las pérdidas económicas se
estimaron en 200 000 millones dedólares
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estimaron en 200 000 millones dedólares
• Causó daños en obras deinfraestructura, principalmente altransporte carretero e instalacionesportuarias
SISMO DE KOBE, JAPÓNDurante el sismo de Kobe, Japón, sedañaron severamente muchosedificios de acero estructurados con
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edificios de acero estructurados conmarcos rígidos.
Los daños ocurridos fueron similaresa los del temblor de Northridge, Cal,1994.
Muchos edificios presentaroncolapsos parciales.
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SISMO DE KOBE, JAPÓN
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Colapso típico de casa habitación con estructura demadera. Falta de elementos estructurales resistentes a laacción sísmica en planta baja.
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Colapso lateral de un tramo del Viaducto Hanshin, Kobe, Japón
Estructuración poco redundante a base de péndulo invertido deconcreto reforzado
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Pandeo local y fractura de diagonales decontraventeos en X
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Reparación local de columnas mediante placas de 25mm de grueso. Condominio de Ashiya
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Falla de la cimentación de las grúas carril
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Daño en las vías del sistema de transporte ferroviariode Kobe. Línea Hanshin.
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COMPORTAMIENTO DEEDIFICIOS DE ACERO
El comportamiento de edificios de
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El comportamiento de edificios deacero durante sismos reales hasido satisfactorio en general,desde el punto de vista de suresistencia.
Ciudad de México: 1957, 1979 y 1985
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Sismos fuertes ocurridos en la Ciudad de México
DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE ACEROSISMOS DE 1985
El comportamiento de las conexiones
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El comportamiento de las conexionestrabe-columna fue satisfactorio.
No hubo evidencias de fallas frágiles.
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Fractura en contraventeos
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Pandeo local en placas de columnas en cajón
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Daño en conexión soldada armaduras
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PUNTOS DÉBILES CONEXIONES
TRABE COLUMNA
PUNTOS CRÍTICOSCONEXIÓN TIPO ÁRBOL
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PUNTOS CRÍTICOS CONEXIONESTRABE COLUMNA
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CONEXIONES TRABE COLUMNA
Las conexiones reales seconstruirán utilizando materiales
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Las conexiones reales seconstruirán utilizando materiales,configuraciones, procesos y
métodos de control de calidad quese acerquen, tanto como seaposible, a los empleados en las juntas ensayadas.
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CONEXIONES TRABE COLUMNA
Si se construye
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Si se construyeinadecuadamente, sin un
estricto control de calidad enlas soldaduras, puede haberpuntos débiles en una
estructura de acero.
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CONEXIONES TRABE COLUMNA
El FEMA 350 recomienda
especial control de calidad en
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especial control de calidad enlos materiales, mano de obra,
procesos para efectuar lassoldaduras y ensayes paraverificar que las soldadurassean adecuadas.
CONTROL DE CALIDADSOLDADURAS DE CAMPO
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FALLA FRÁGIL En los casos pocos frecuentes, en que lascondiciones de trabajo puedan provocar
fallas de tipo frágil, deben evitarse todas lascondiciones que puedan propiciarla:
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p g ,condiciones que puedan propiciarla:
1.Uso de aceros con altos contenidos de
carbono2.Operación de la estructura a muy bajas
temperaturas
3. Aplicación de cargas que produzcanimpacto importante
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FALLA FRÁGIL
4.Presencia excesiva de discontinuidades
en forma de muescas en la estructura.
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5. Condiciones de carga que produzcan un
estado triaxial de esfuerzos en el que larelación entre el cortante máximo y la
tensión máxima sea muy pequeña
Especialmente deberá evitarse la presencia simultáneade varias de estas condiciones. (Sismo del 17 de enerode 1994, Northridge, Cal.).
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RESUMEN DE LAS
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RESUMEN DE LASCONEXIONES TRABE
COLUMNA
Conexión Descripción Comentario Desventajas de diseño yfabricación
CTC-1
Placas de conexión soldadas apatines de la trabe y placa decortante soldada al patín de lacolumna en taller y soldada encampo al alma de la trabe.
En México, a diferenciade otros paísesindustrializados, escomún y muy frecuentediseñar conexionessoldadas de este tipo.
Presenta varios puntos críticosde falla, correspondientes a lassoldaduras de penetracióncompleta y de filete que debendepositarse en campo en laplaca de conexión superior yen la de cortante.
Placas de conexión atornilladas a Conexión común, de usof Mé i
Conexión rápida de hacer en
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CTC-2
los patines de la trabe y placa decortante soldada al patín de lacolumna y atornillada al alma de latrabe
frecuente en México campo y que requiere de unaprecisión geométrica muyrigurosa para garantizar lacoincidencia de los agujeros enpatines y placas para colocarlos tornillos de alta resistenciaASTM A325(NOM-H-124)..
CTC-3
Conexión tipo árbol, típica deJapón, cien por ciento atornilladaen campo
De uso moderado enMéxico, ha sidoremplazada por laconexión con placaextrema.
Muy eficiente, ya que sereducen los puntos críticos dela conexión, que son lassoldaduras que se depositanen taller.
Requiere el uso de muchasplacas, por lo que lafabricación resulta cara.
Los muñones o brazos reducenla capacidad de transporte delas columnas
CTC-4
Conexión con placa extrema, unión
precalificada por el AISC
Muy popular en EstadosUnidos y de uso normal y
cada vez más frecuenteen México.
Los tornillos trabajan atensión, lo que ocasionala acción de palanca(“prying actions”) quedeben tomarse en cuenta
en el diseño.
Conexión sencilla y económica,ya que no requiere de muchos
elementos de unión y por lotanto se reducen los puntoscríticos de falla. Toda la soldadura se depositaen taller, por lo que se elimina lasoldadura de campo querequiere mayor supervisión ycontrol de calidad.
La fabricación debe ser muyprecisa para asegurar sualineado y plomeado en obra
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alineado y plomeado en obra.
CTC-5
Hueso de perro(“dog bone”) De uso escaso enMéxico. Los patines de la trabe sereducen intencionalmentepara obligar que en estas
zonas se formen lasarticulaciones plásticasasociadas al mecanismode falla.
Unión sencilla y económica, quecarece de elementos de uniónya que los patines se sueldandirectamente a los patines de lacolumna con soldadura de
penetración completa. La placade cortante se atornilla encampo.
CONEXIÓN TRABE COLUMNA
SOLDADA CT-1
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CONEXIÓN SOLDADA CT-1
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CONEXIÓN SOLDADA ATORNILLADA
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CONEXIÓN SOLDADA CON REFUERZOEXTERIOR
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CONEXIÓN TOTALMENTE SOLDADA
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CONEXIÓN TRABE COLUMNASOLDADA
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CONEXIÓN TRABE COLUMNAATORNILLADA CT-2
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CONEXIÓN ATORNILLADA CT-2
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CONEXIÓN ATORNILLADA
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CONEXIÓN ATORNILLADA
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CONEXIÓN ATORNILLADA
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CONEXIÓN ATORNILLADA
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CONEXIÓN TIPO ÁRBOL CT-3
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CONEXIÓN HUESO DE PERRODOG BONE
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CONEXION ATORNILLADA COLUMNAOC CON PLACAS EXTREMAS
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CONEXIÓN PLACA EXTREMA
La conexión se realiza en la zona de
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La conexión se realiza en la zona demomento máximo, que corresponde
al paño de la columna. Sin embargo,se recomienda desplazar laconexión a una zona donde el
momento flexionante es menor.
CONEXIÓN PLACA EXTREMA
La placa extrema se suelda en taller
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La placa extrema se suelda en tallera la trabe con todas las
precauciones que se requieren, conuna precisión geométrica rigurosapara garantizar el montaje de las
vigas.
CONEXIÓN PLACA EXTREMA
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CONEXIÓN PLACA EXTREMA
La conexión se realiza en la zona demomento máximo, que corresponde
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, q pal paño de la columna. Sin embargo,
se recomienda desplazar laconexión a una zona donde elmomento flexionante es menor.
CONEXIÓN TRABE COLUMNA TIPO
ÁRBOL CON PLACAS EXTREMAS
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CONEXIÓN PLACA EXTREMA
El muñón se suelda a la columna en taller,conexión tipo árbol”, a pesar de que éstos
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p , p qcomplican un poco el transporte a la obra.
Si la conexión se hace fuera de la cara de lacolumna, se requieren un número menor de
tornillos y la placa de extremo resulta menosgruesa, a cambio de tener el problema parael transporte de las columnas tipo árbol.
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