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Hernn M. Acero* , Patricia Guerrero*
* Escuela de Ingeniera Civil y Geomtica, Universidad del Valle,
Cali, Colombia
e-mail: [email protected]
(Recibido: Octubre 4 de 2005 - Aceptado: Agosto 18 de 2006)
Resumen
La precalificacin de la conexin a momento viga-columna est
basada en las consideraciones de la
norma Provisiones ssmicas para edificios metlicos de acero
AISC-2002. En esta norma se propone
el procedimiento estndar para la realizacin de pruebas cclicas a
las conexiones, con el fin de
comprobar su comportamiento ante solicitaciones dinmicas. Este
ensayo de precalificacin se
realiz experimentalmente en el marco de pruebas del laboratorio
de estructuras de la Universidad
del Valle y se evalu matemticamente mediante un modelo de
elementos finitos. En este modelo se
consider el comportamiento elasto-plstico del acero con
endurecimiento cinemtico. Los
resultados del modelo se compararon con los resultados
experimentales. El procedimiento de diseo
y el detallado de la conexin fueron exitosamente validados tanto
por el ensayo experimental de
precalificacin como por la simulacin en elementos finitos.
Palabras clave: Ensayo cclico de precalificacin, Provisiones
ssmicas, ngulo de deriva de
entrepiso, Esfuerzo de fluencia, Momento plstico, Rtula plstica,
Elementos finitos.
Abstract
The prequalification of the beam-to-column moment connection is
based on the AISC-2002 standard
Seismic provisions for structural steel buildings. In this norm,
a standard procedure is proposed for
undertaking cyclic tests of connections, with the aim of
checking their behavior under dynamic
solicitations. This prequalification test was carried out in the
test-frame of the structure laboratory at
Universidad del Valle, and it was mathematically evaluated by
use of a finite element model that
considered the elastic-plastic behavior of
kinematically-hardened steel. The results from the
mathematical model were compared with experimental data. The
design procedure and the details of
the connection were successfully validated by means of an
experimental prequalification test and a
finite element simulation.
Keywords: Prequalification cyclic tests, Seismic provisions,
Inter-story drift angle, Yield stress,
Plastic moment, Plastic hinge, Finite elements.
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
Prequalification of a beam-to-column moment connection
for steel building applications
INGENIERA CIVIL
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1. Introduccin
En investigaciones recientes de conexiones a
momento viga-columna, se ha encontrado una
diferencia entre el esfuerzo de fluencia real F y el y
esfuerzo de fluencia especificado F para el acero ye
de mayor utilizacin: ASTM A36. La fluencia real
del material puede alcanzar a ser un 50 % mayor
que la especificada (FEMA-355E, 2000). Esta
diferencia es la causa principal de las fallas en el
comportamiento de las conexiones. Por esta razn,
se debe garantizar la permanencia elstica en los
elementos conectados. Para lograr esto, es
necesario disear las conexiones de modo que se
tenga una resistencia superior al momento plstico
de las vigas que se conectan.
En muchos pases, el diseo de las conexiones se
est realizando de acuerdo a parmetros que han
s i d o p r e v i a m e n t e e s t a n d a r i z a d o s ,
precalificndolas por su buen comportamiento
durante ensayos. Por lo tanto, es importante que en
el pas se desarrolle y adopte una tecnologa propia
para el diseo de las conexiones, ya que las normas
internacionales presentan cambios, entre los
cuales est que todas las conexiones del sistema de
resistencia ssmico de estructuras de acero que no
hayan sido precalificadas, deben ser probadas en
el laboratorio. De ah la importancia de
precalificar las conexiones.
Los requisitos para precalificar una conexin, para
uso en prticos resistentes a momento (con
capacidad especial de disipacin de energa), son
las siguientes: deber ser capaz de soportar un
ngulo de deriva de entrepiso de no menos de
0.04 rad y la resistencia a flexin de la conexin
efectuada en la cara de la columna debe ser como
mnimo el 80% del momento plstico nominal de
la viga (AISC, 2002).
Los criterios para diseo de las conexiones viga-
columna en Colombia, si se usan las
especificaciones de la Norma Colombiana de
Diseo y Construcciones Sismo-resistentes
(NSR-98), presentan un detallado similar al
mostrado en la Figura 1 (FEMA-355D, 2000). La
aleta de la viga se une a la aleta de la columna con
soldadura de penetracin. La placa de cortante se
une a la aleta de columna con soldadura y
transfiere los esfuerzos al alma de la viga por
medio de pernos. Las placas de continuidad se
sueldan a la columna, ayudando a prevenir daos
en la aleta y en el alma de la columna. Este
detallado mostr fallas frgiles durante los sismos
de Northridge en 1994 y Kobe en 1995. Surge la
necesidad de proponer tipos de conexiones viga-
columna que, respaldadas con ensayos
experimentales, garanticen un comportamiento
dctil de la estructura durante un evento ssmico.
2. Metodologa
2.1 Diseo del espcimen
En las Figuras 2 y 3 se muestra el prototipo de
conexin escogida para este proyecto. Esta es de
tipo cubre placas, para edificios con altura entre 8
y 10 pisos.
La conexin tiene una ranura en la cubre placa
superior (Garza et al., 2004) de 60 mm de ancho
(b / 3), la cual se us para aplicar soldadura plana fb
horizontal en filete, conectando la aleta de la viga
con la cubre placa y evitando as la soldadura
sobre cabeza. Se sabe que este tipo de soldadura
requiere de soldadores muy calificados, dada la
dificultad en la aplicacin. Adems es un proceso
lento y costoso por lo que se debe evitar esta
posicin siempre que sea posible (McCormac,
1996).
Figura 1. Conexin soldada resistente a momento utilizada
antes de 1994 (Fema-355D, 2000).
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
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Para facilitar el montaje, la conexin tiene dos
pernos de 5/8 grado 5 (Figuras 2 y 3) que unen
la placa de cortante y el alma de la viga y que se
pueden remover despus de aplicada la soldadura
definitiva. Estas condiciones hacen que la
conexin sea segura y econmica.
Adems, la conexin tiene platinas dobles
igualmente espaciadas y platinas de continuidad
en la zona del panel. Con estos elementos se
evitan las deformaciones causadas por las
concentraciones de esfuerzos en este sitio.
Las propiedades geomtricas del espcimen se
presentan en la Tabla 1. La Tabla 2, muestra las
propiedades de los materiales y la Tabla 3, las
propiedades mecnicas de la soldadura.
Figura 2. Vista superior del prototipo ensayado.
Figura 3. Vista inferior del prototipo ensayado.
Tabla 1. Dimensiones de los perfiles y placas.
Descripcin Viga IPE400 Columna HEA300
Ancho de la aleta, mm bfb =180 bfc =300
Espesor de la aleta, mm tfb = 13.5 tfc = 14
Espesor del alma, mm twb = 8.6 twc = 8.5
Profundidad, mm db = 400 dc = 290
3
Mdulo plstico de seccin, mm Zbx
6
= 1.307 x 10 Zcx6
= 1.383 x 10
Zby5
= 2.29 x 10 Zcy5
= 6.41 x 10
rea, mm Ab = 8450 Ac = 11300
4
Momento de inercia, mm Ibx
8
= 2.313 x 10 Icx8
= 1.826 x 10
Iby
7
= 1.318 x 10 Icy7
= 6.310 x 10
Longitud, mm Lb = 3800 Lc = 3000
Placa a cortante, mm hst = 314 tst = 12
Lst = 230
Cubre placa superior e Lp = 550 tp = 25
inferior, mm bp = 300
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
(2006)
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A continuacin se presentan algunos criterios que
se tienen en cuenta en el diseo de la conexin:
Momento plstico de la viga:
M = Z F (1)
p xb yb
donde M es el momento plstico de la viga, p
Z es el mdulo plstico de la seccin de la viga en xb
el que se encuentra localizada la rotula plstica y
F es la mnima tensin de fluencia de la viga.yb
Momento plstico esperado de la viga:
M = C R M (2)
pr pr y p
donde M es el momento plstico esperado de la pr
viga, C es el factor que tiene en cuenta la pr
resistencia mxima de la conexin, incluyendo el
endurecimiento por tensin, restricciones locales,
refuerzo adicional y otras condiciones de la
conexin y R es el coeficiente obtenido de la y
norma Provisiones Ssmicas del AISC-2002, y
que relaciona la tensin de fluencia esperada con la
mnima tensin de fluencia especificada de la viga.
Se us un valor de 1.2 para C (FEMA-350, 2000). pr
Para acero A36, R = 1.5.y
La conexin debe cumplir la condicin de
columna fuerte-viga dbil y una manera de probar
esto es mediante la siguiente condicin
(Ec. 9.3 de AISC, 2002):
donde M* es la sumatoria de los momentos en pc
la columna por encima y por debajo del nudo de la
interseccin de las lneas centrales de las vigas y
columnas y M* es la sumatoria de momento(s) pb
Descripcin Tensin de fluencia Tensin ultima Elongacin
Fy (MPa) Fu (MPa) (%)
Acero
Valores nominales 250 400 21 A36
Columna HEA300
Alma 296 447 28 A36
Aleta 271 433 33 A36
Viga IPE400
Alma 345 468 26 A36
Aleta 294 440 27 A36
Cubre placa
Platina 25 mm
320
414
34
A36
Tabla 2. Propiedades mecnicas de los materiales.
(3)
Soldadura E 7018
Resistencia a la traccin (M Pa )
510 -590
Lmite de fluencia (M Pa )
430 -510
Elongacin (%) 24-36
Reduccin del rea (%) 50-75
Resistencia al impacto Charpy en V a - 29 C (J)
70
Tabla 3. Propiedades mecnicas de la soldadura.
(
.
Laboratorio ASTIM-SENA, Regional Valle, Ensayo a traccin ASTM
370, Informes No. EM 020104,
EM 024804)
M* pc
M*pb
> 1
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
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en la(s) viga(s) en la interseccin de las lneas
centrales de vigas y columnas.
Se deben usar platinas de continuidad de las
aletas de la viga a travs del alma de la columna,
cuando el espesor de la aleta de la columna es
menor que el dado por las siguientes condiciones
(Ec. 3-5 y Ec. 3-6, FEMA-350, 2000):
donde t es el mnimo espesor requerido de la fc
aleta de columna cuando las platinas de
continuidad no son provistas, b es el ancho del fb
aleta de la viga (para nuestro caso, es el ancho de la
cubre placa b ), t es el espesor de la aleta de la p fb
viga (para nuestro caso, es el espesor de la cubre
placa t ), F (F ) es la mnima tensin de fluencia p yb yc
de la aleta de la viga (columna) y R (R ) es el yb yc
coeficiente que relaciona la tensin de fluencia
esperada con la mnima tensin de fluencia
especificada de la viga (columna).
En la Figura 4 se muestra la disposicin de las
platinas dobles en la zona del panel y debe
cumplirse con la condicin siguiente (Ec. 9.2 de
AISC 2002):
donde d es la altura de la zona del panel entre las z
platinas de continuidad y w es el ancho de la zona z
del panel entre las aletas de la columna.
La resistencia de diseo a corte R de la zona v v
del panel se determina con la siguiente ecuacin
(Ec. 9.1 de AISC 2002), usando un valor = 1:v
sujeta a la condicin:
donde R es la resistencia de diseo a corte de la v v
zona del panel, d es la altura total de la columna, c
t es el espesor total de la zona del panel que
incluye las platinas dobles, b es el ancho de la fc
aleta de la columna, t es el espesor de la aleta de fc
la columna, d es la altura total de la viga y M es b f
el momento plstico en la cara de la columna.
2.2 Historia de carga
El prototipo del modelo matemtico en elementos
finitos y el del espcimen en el marco de pruebas
para la evaluacin experimental, se ensayaron con
una historia de carga, como se muestra en la Figura
5 y en la Tabla 4.
Esta historia se basa en los requerimientos del
Apndice S de la norma Provisiones Ssmicas del
AISC-2002. La historia de carga consiste en
incrementos moderados de ciclos de deformacin,
controlando el ngulo de deriva de entrepiso.
t < 0.4fc 1.8 b t fb fb
F Ryc yc
(4)
(5)
(6) t
d + w z z
90
R = 0.6 F d tv v y c (7)
Figura 4. Platinas dobles en zona del panel.
F Ryb yb
b fb
6 < tfc
3 b t fc fc
d d t b c
Mf
db
1 + (8)
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
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para colocar la instrumentacin y el mecanismo de
falla esperado del prototipo. Para la simulacin del
prototipo definitivo en elementos finitos, se
consider un modelo elasto-plstico del material
con endurecimiento cinemtico. Se usaron 74516
elementos en total, donde 71569 fueron elementos
brick y 2947 fueron elementos shell.
Paso de carga # Deformacin pico, (rad)
Nmero de ciclos, n (mm)
1 0.00375 6 14.25
2 0.005 6 19.00
3
0.0075 6
28.50
4 0.01 4 38.00
5 0.015 2 57.00
6 0.02 2 76.00
7 0.03 2 114.00
8 0.04 2 152.00
Tabla 4. Historia de carga.
Figura 5. Grafica estndar de la historia de carga (Apndice S,
Provisiones Ssmicas de AISC-2002).
Figura 6. Curva esfuerzo-deformacin de aleta viga IPE 400.
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-0.05A
ng
ulo
de
de
riva
(ra
d)
Nmero de ciclos
6 ciclos
6 ciclos
6 ciclos
4 ciclos
2 c
iclo
s
2 c
iclo
s
2 c
iclo
s
2 c
iclo
s 2 c
iclo
s
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
2.3 Anlisis por elementos finitos
Con este mtodo se evalu el comportamiento de
la conexin. Se determinaron las zonas donde se
presentaran altas concentraciones de tensiones y
deformaciones durante el ensayo cclico. Con esta
informacin se identificaron los sitios ptimos
-
70
En la Figura 6 se muestra la curva esfuerzo vs.
deformacin de la aleta de la viga, obtenida en
ensayo experimental a traccin con la norma
ASTM 370. Se realizaron dos ensayos para aleta,
alma y cubre placa. Los valores que definen la
curva se usaron como datos de entrada de las
propiedades del material durante el proceso de
cmputo del software usado (Algor).
En la Figura 7 se observa el modelo de elementos
finitos del prototipo de la conexin mostrando la
rtula plstica, la cual se gener en la viga.
En la Tabla 5 se muestra el desempeo de la viga
de la conexin en los ltimos ciclos de la
simulacin. Se observa que la viga tiene un
comportamiento elstico hasta el ciclo 22
(0.01 rad).
Despus, el comportamiento en la aleta pasa a ser
plstico, continuando con el alma hasta el ciclo 30
(0.04 rad) y finalmente falla.
2.4 Fabricacin del espcimen
Una vez realizado el anlisis del prototipo por
elementos finitos, se procedi a fabricar el
espcimen que posteriormente fue ensayado en el
marco de pruebas con una instrumentacin acorde
a los resultados tericos. En esta seccin se
describe este ensayo y se comparan los resultados
con los obtenidos mediante elementos finitos.
El espcimen de prueba fue fabricado en la planta
de la empresa B & S Engineering, siguiendo la
prctica convencional.
Rotacin Tiempo Ciclo Esfuerzos Fy
(MPa) Fu
(MPa) Elstico Plstico Falla
(rad) (seg) Von Mises (MPa) Viga IPE400 Viga IPE400
elemento finito
aleta alma aleta alma
0.01 21.25 22 287.22 294 345 440 468 X
0.01 21.75 22 287.30 294 345 440 468 X
0.015 22.25 23 341.75 294 345 440 468 X
0.015 22.75 23 341.43 294 345 440 468 X
0.03 27.75 28 358.84 294 345 440 468 X
0.04 28.25 29 452.22 294 345 440 468 X
0.04 28.75 29 438.98 294 345 440 468 X
0.04 29.25 30 646.55 294 345 440 468 X
0.04 29.75 30 968.32 294 345 440 468 X
Eje neutro 30 ----- 443.78 294 345 440 468 X
Tabla 5. Comportamiento de la viga en la zona de la rotula
plstica.
Figura 7. Prototipo de la conexin en elementos finitos.
Time: 28.25 s
Time step: 642 of 749
2
Maximum Value: 451.223 N / (mm )
2
Minimum Value: 2.79454 N / (mm )
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
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Las cubre placas, placa de cortante y los elementos
que hacen parte de la zona del panel fueron
soldadas en el taller. Para formar la unin de la
conexin viga-columna, la soldadura fue tambin
hecha en la planta en condiciones parecidas a las
condiciones reales de montaje de una estructura
en el campo : el espcimen fue soldado en posicin
vertical, simulando todas las posiciones de
soldadura y obstculos encontrados en la prctica
estndar.
La soldadura fue realizada por personal calificado,
y fueron examinadas por un inspector capacitado
en forma visual y usando la prueba de tintas. Se
us soldadura de penetracin (unin de las cubre
placas y columna, platinas de continuidad y
platinas dobles en zona del panel) y soldadura en
filete (para el resto de la conexin), la soldadura se
aplic de acuerdo a la norma D1.1 / D1.1M de
American Welding Society (AWS, 2004).
Figura 8. Instrumentacin del espcimen de prueba.
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
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Figura 9. Detalle del montaje del ensayo.
Figura 8. (continuacin)
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
(2006)
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73
2.5 Instrumentacin del ensayo
En la Figura 8 se muestra la disposicin de la
i n s t r u m e n t a c i n d e l e s p c i m e n . L o s
extensmetros (LVDT), se usaron para medir los
desplazamientos (), y con esta informacin se
determinaron las rotaciones. Las galgas (S ) y las g
rosetas (RSG) extensomtricas se usaron para
medir las deformaciones unitarias y se obtuvieron
las tensiones generadas durante la prueba.
2.6 Montaje del ensayo
En la Figura 9 se muestra el montaje del
espcimen de prueba. Este, en forma de T, es
considerado como una viga en voladizo conectada
a la aleta de la columna por medio de cubre placas.
El espcimen fue rotado 90 con respecto a su
posicin en una construccin y colocado entre el
marco de pruebas. La columna es pernada en sus
partes finales al prtico de carga y el extremo libre
de la viga fue conectado mediante un pasador al
actuador hidrulico, con el que se aplic la carga
cclica.
Figura 10. Rtula plstica en la viga.
Elementos finitos
Experimental
Time: 30 s
Time step: 749 of 749
2
Maximum Value: 443.779 N / (mm )
2
Minimum Value: 1.45446 N / (mm )
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
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74
Esta posicin horizontal de la columna en la parte
del marco, paralela al piso del laboratorio, es
ptima, porque permite libre acceso a ambas caras
de la viga. Adems, la cercana al piso del
laboratorio hace que la instrumentacin y las
medidas de seguridad sean fciles de implementar.
Las dimensiones y las condiciones de soporte del
espcimen fueron escogidas para representar los
puntos de inflexin tericas de la viga y columna
en una tpica construccin de un prtico.
3. Resultados y discusin
3.1 Rtula plstica
En la Figura 10 se aprecia la rtula plstica en la
fotografa superior y su simulacin por elementos
finitos en el grfico inferior. Se observa que la
energa fue disipada por la fluencia cclica de la
viga, producindose la falla de la viga por pandeo
local de las aletas y alma en la formacin de la
rtula plstica. No se present distorsin de la
zona de panel.
Experimentalmente, la rtula se localiz a 815 mm
del eje de la columna, con una longitud en zona de
la rtula de 240 mm. Para la simulacin por
elementos finitos, los valores son de 812 mm y
234 mm, respectivamente. Estos valores son
cercanos a lo estipulado en el captulo 7.4 de la
norma AISC-2002, en el cual la longitud de la zona
de la rtula plstica se define como la mitad de la
profundidad de la viga (200 mm).
En la Tabla 6 se muestra la secuencia de falla de la
conexin. Esta secuencia se determina por
comparacin entre el valor del lmite de fluencia
Los valores entre corchetes son tericos (Beer et al., 2003).
Tabla 6. Secuencia de falla de la conexin.
Resultados en simulacin
Elementos Finitos
Resultados en ensayo
Ensayo de
Secuencia
experimental
materiales
de falla
Punto
Descripcin
Ciclo
Esfuerzo
Ciclo
Esfuerzo
Fy
Fu
evaluado
(rad)
(MPa)
(rad)
(MPa)
(MPa)
(MPa)
Sg1
Aleta viga
23
0.015
296
25
0.020
294
294
440
2
IPE400
Sg2
Aleta viga
23
0.015
300
24
0.015
302
294
440
2
IPE400
Sg3
Aleta viga
19
0.010
312
20
0.010
336
294
440
1
IPE400
Sg4
Aleta viga
19
0.010
294
20
0.010
315
294
440
1
IPE400
Sg5
Placa
27
0.030
68
32
0.050
85
290
421
4
continuidad
Sg6
Cubre placa
27
0.030
165
29
0.040
182
320
414
4
superior
Sg7
Cubre placa
27
0.030
200
30
0.040
44
320
414
4
superior
Sg8
Placa
30
0.040
7
30
0.040
44
[250]
[400]
4
cortante
Sg9
Atiesador
30
0.040
7
32
0.050
9
[250]
[400]
4
en viga
Sg10 Aleta columna 25 0.020 265 29 0.040 285 271 433 4
HEA300
Sg11 Aleta columna 25 0.020 180 27 0.030 178 271 433 4
HEA300
RSG1 Alma viga 30 0.040 340 32 0.050 362 345 468 3
IPE400
RSG2 Platina doble 26 0.020 97 32 0.050 202 [250] [400] 4
zona panel
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
(2006)
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75
del material con los registros experimentales y con
los de la simulacin por elementos finitos. Por lo
tanto, se define la falla como el punto donde el
material empieza a fluir.
De acuerdo con la ubicacin de las galgas (vase la
Figura 8), la conexin falla inicialmente en la aleta
de la viga donde se gener la rtula plstica (ver en
la columna de secuencia de falla los nmeros
1 y 2). Luego se propaga al alma de la viga
(nmero 3). Tambin se observa cmo los dems
elementos de la conexin permanecieron en el
rango elstico (nmero 4), indicando que no
fallan.
Figura 11. Rotacin de la columna vs. rotacin de la viga.
Elementos finitosExperimental
Experimental Elementos finitos
Figura 12. Rigidez en la zona del panel.
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
-
76
3.2 Comportamiento de la conexin en zona del
panel
De acuerdo con la distribucin de la Figura 11
(una pendiente constante) la conexin es rgida, ya
que la deformacin en la columna es similar a la de
la viga en la zona del panel de la conexin. La
rotacin de la viga se calcula a partir de los
desplazamientos y de la columna a partir de 2 3
y .5 6
En la parte experimental y en la simulacin en
elementos finitos, se capturaron 14800 y 749
registros en cada sitio evaluado, respectivamente,
presentndose una mayor densidad de puntos en el
grfico experimental.
Las grficas de la Figura 12 muestran la rigidez de
la zona de panel con valores muy pequeos,
indicando que su distorsin angular es
prcticamente nula.
Figura 13. Grfica histertica carga vs. rotacin.
Figura 14. Grfica histertica momento M vs. rotacin. f
Experimental Elementos finitos
Experimental Elementos finitos
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
(2006)
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Lo anterior demuestra que el panel no contribuye a
la deformacin de la conexin y que toda la
deformacin plstica se produce en la viga. La
rigidez en esta zona se determina a partir de la
comparacin de las rotaciones calculadas con los
desplazamientos y con aquellas calculadas 5 6
con y .3 4
3.3 Comportamiento histertico de la conexin
Comparando las graficas histerticas de las
Figuras 13 y 14, se observa que la conexin es
capaz de soportar un ngulo de deriva de entrepiso
de no menos de 0.04 rad y experimentalmente
alcanz una rotacin de 0.05 rad.
Figura 15. Comparacin de carga vs. rotacin entre elementos
finitos y medicin experimental.
Figura 16. Comparacin de momento M vs. rotacin entre elementos
finitos y medicin experimental. f
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
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En la Figura 14, se observa que la resistencia a
flexin de la conexin en la cara de la columna
(M = 492 kN-m, experimental; M = 415 kN-m, f f
elementos finitos) fue mayor que el 80 % del
momento plstico nominal de la viga
(0.8 M = 259 kN-m).p
Se observa en el grfico experimental de las
Figuras 13 y 14 que el actuador del marco de
pruebas gener problemas al regreso con carga
(sentido norte); sin embargo, esto no incidi para
que la conexin fallara de acuerdo a lo previsto en
el anlisis de elementos finito ya que el
comportamiento de la conexin tanto en carga
como en descarga fue simtrico. Tambin se
observa en las Figuras 13 a 16 que el rango elstico
se desarroll hasta una rotacin de 0.10 rad.
En las Figuras 15 y 16 se observa que hasta el ciclo
de 0.025 rad, el comportamiento observado con el
modelo de elementos finitos se parece al
comportamiento medido experimentalmente, y
para deformaciones mayores existe un desfase
entre ellos.
4. Conclusiones
El procedimiento de diseo y el detallado de la
conexin fueron exitosamente validados por el
ensayo experimental de precalificacin cclica a
escala real y mediante la simulacin del ensayo en
elementos finitos, siguiendo los lineamientos del
AISC-2002.
El comportamiento de la conexin fue el esperado
y logr una mxima rotacin plstica en la viga de
0.05 rad para el ensayo cclico experimental, y de
0.04 rad en la simulacin de la prueba, sin
contribucin de la zona del panel de la columna a
la rotacin.
Los dems elementos que componen la conexin
tuvieron un comportamiento elstico; no
presentaron alguna concentracin peligrosa de
esfuerzos. El momento plstico en la cara de la
columna (M ) supera notablemente el 80 % del f
momento plstico nominal de la viga (M ).p
La rtula plstica se present en la luz de la viga,
despus de la conexin a continuacin de la cubre
placa (como estaba calculado en el diseo) con
gran fluencia y pandeo local del alma y las aletas.
Lo anterior indica que la conexin cumpli con la
condicin de columna fuerte-viga dbil,
comportamiento adecuado para prticos
resistentes a momento.
El mecanismo de falla fue dctil, comenzando por
una deformacin plstica en las aletas de la viga,
que se propag con el incremento de los ciclos al
alma de la viga.
El detallado de la conexin precalificada se puede
usar para prticos a momento con capacidad de
disipacin de energa especial (DES), en regiones
de alta sismicidad.
Para la conexin detallada se recomienda hacer
ensayos con diferentes dimensiones de vigas y
columnas, y verificar que cumple con el sistema de
diseo planteado.
El uso de elementos finitos fue til para predecir el
comportamiento de la conexin, con resultados
cercanos a las mediciones experimentales. Se
recomienda promover el uso de esta herramienta
para precalificar conexiones y as reducir los
costos en materiales y laboratorio.
La aproximacin del trabajo realizado proviene de
un planteamiento simple y prctico, para el diseo
de conexiones a momento soldadas viga-columna,
planteados en publicaciones de FEMA y AISC,
derivado de las observaciones realizadas en
diferentes eventos ssmicos.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen la asesora permanente del
profesor Jos Jaime Garca de la Universidad del
Valle para la modelacin matemtica del
prototipo, y la asesora del profesor Luis Garza, de
la Universidad Nacional, Medelln. Igualmente,
agradecen al ingeniero Csar Freddy Gil por la
donacin de materiales y construccin del
prototipo experimental, y por el continuo apoyo
para la realizacin exitosa del ensayo
experimental. Tambin agradecen al personal
tcnico y de apoyo del laboratorio de estructuras
de la Escuela de Ingeniera Civil y Geomtica de la
Universidad del Valle.
Ingeniera y Competitividad, Volumen 8, No. 2, p. 64 - 79
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6. Referencias bibliogrficas
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AWS (American Welding Society). (2004). AWS
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Beer, P. F., Johnston, E. R., & Dewolf, J. T.
(2003). Mecnica de materiales. Tercera edicin.
McGraw Hill.
FEMA (Federal Emergency Management
Agency). (2000). FEMA 350. Recommended
seismic design criteria for new steel moment-
frame building.
Precalificacin de una conexin soldada a momento
viga-columna para aplicaciones en edificios metlicos
FEMA (Federal Emergency Management
Agency). (2000). FEMA 355 D. State of the art
report on connection performance.
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Garza, L., Posada, J. C., & Pavn, C. (2004).
Precalificacin de una conexin soldada a
momento viga-columna. Tesis de grado,
Universidad Nacional de Medelln.
McCormac, J. C. (1996). Diseo de estructuras de
acero. Mtodo LRFD. Mxico: Alfaomega
Grupo Editorial.
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