CONEXIONES EN EDIFICIOS DE ACERO Y SU AUTOMATIZACIÓN PARA EL DISEÑO ESTRUCTU ESTR UCTURAL RAL ** ** Luis Luis F. Zapata Baglietto * Karina Carbajal Valdivia RESUMEN RESU MEN Este estudio estudio presenta presenta el conocimient conocimiento o actual actual que se tiene del diseño diseño de conexiones conexiones típicas típicas en edificios de acero. Cuando se diseña una edificación para resistir las fuerzas, uno de los factores facto res más important importantes es que tiene que tomarse tomarse en cuenta, cuenta, ya que afecta el costo y la seguridad, seguri dad, es el diseño de sus conexiones conexiones Se definen los los tipos de conexiones para los nudos nudos de los pórticos. Se clasifican las las conexiones para determinar sus características y las condiciones de su diseño, según las Especificacio Especi ficaciones nes AISC AISC 1999 1999 y las Provisione Provisioness AISC AISC 2002 2002 para para condi condiciones ciones de sismos. sismos. Se determinan las formas formas y los materiales que deben emplearse para generar disipación disipación de energía contra las acciones dinámicas de los sismos. s ismos. El tratamien tratamiento to por el diseña diseñador dor de las conexione conexioness conduce conduce a una sistemat sistematizació ización n del cálculo cálculo de las conexiones lo que permite hacer uso de hojas de cálculo para el diseño automatizado de las mismas.
CONEXIONES EN EDIFICIOS
Un edificación de acero convencional consta de elementos como columnas, trabes (vigas principales, o de pórticos), vigas de piso y arrostramientos; también se integran elementos como las losas de pisos, las cimentaciones y sistemas de protección contra los incendios (no tratado en este estudio). En la Fig. 1 se presenta la estructura de una edificio de cuatro pisos con el objeto de definir los tipos de conexiones más comunes comunes y que deberán deberán siempre estar a cargo del ingeniero diseñador y que, como veremos, están de acuerdo al tipo de estructura que integran. En las direcciones principales vemos pórticos ortogonales conformados por vigas y columnas. En una dirección existe un sistema de arrostramiento vertical (arrostramientos denominados tipo Chevron) conformando los llamados pórticos arrostrados, (pórticos 1 y 4), los cuales por su rigidez toman la mayor mayor parte del del cortante cortante que que se genera ya ya sea por viento o sismo en su dirección; en esa misma dirección hay pórticos sin arriostres (pórticos 2 y 3), paralelos, que se denominan pórticos soportados, porque ceden su participación para las l as acciones a cciones horizontales horizontale s a los pórticos arrostrados En la otra dirección, los pórticos A, B, C y D, por la falta de de arrostramientos verticales, deben tomar las acciones horizontales confiando en la rigidez de sus conexiones para absorber los momentos que se generan alrededor de sus nudos. Es por ello que estos pórticos se denominan pórticos de momentos. Para los pisos, se usan planchas colaborantes con losa de concreto formando un diafragma rígido, concepto aceptado para edificios de no mas 10 pisos, otros refuerzos se requerirán para edificios de mayores alturas y cargas al desconfiar en la capacidad de estos pisos para trasmitir las cargas a las crujías arrostradas. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------** Profesor Emérito, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima-Perú.
[email protected] * Ing. Civil URP, Escuela de Graduados UNI
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Edificio de acero Fig. 1
Las conexiones entre vigas y columnas se definen como Completamente Restringidas (FR, Fully Restrained), Conexiones Conexiones Parcialmente Restringidas (PR, Partially Restrained) Restrained) y Conexiones Simples o “articuladas”.
Fig. 2
Comportamiento de las conexiones M vs Θ Fig. 2
Para determinar el comportamiento de las conexiones, en la Fig.2, especimenes como el mostrado se someten a la acción de las cargas P y se miden los ángulos de rotación Θ. Los resultados se grafican en las curvas M vs Θ y se observan tres tipos de comportamiento: FR , conexión rígida; PR , parcialmente restringida y PR ”articulada”. Se traza una recta que une el valor de momento de empotramiento de una viga Mfa = (wl2/12), y la rotación del extremo de una viga simplemente apoyada Θ = (wL3/24EI) y las intersecciones de esta recta con las curvas sirven para definir los momentos momentos que que se pueden aplicar en las conexiones en condiciones condiciones de servicio; otra recta trazada a una distancia de 1.7 veces la carga de servicio indica indica la máxima resistencia que se puede esperar en la práctica cuando se usa el método de diseño LRFD. Las conexiones rígidas tienen una capacidad de momento que se acerca a la máxima que se puede aplicar al caso de una viga, en cambio la rotación es casi libre para las conexiones “articuladas” con poca capacidad de momento. En la Fig. 3 se presentan tres conexiones típicas que se usan frecuentemente en la práctica aplicables a nudos formados trabes y columnas en edificios de acero.
Conexión Simple “articulada”
Conexión Semi-rígida PR
Conexión Rígida FR
Fig. 3
Ciertamente en el caso de pórticos de momentos la conexión restringida o Rígida FR es la adecuada para asegurar un comportamiento del pórtico capaz de asimilar los momentos que imponen, en especial, las acciones horizontales. Las conexiones PR “articuladas” se emplean generalmente en los pórticos soportados y en los pórticos pórtic os arrostrados aunque en este caso ca so se debe contemplar también los arriostres inclinados como se muestra en la Fig. 4
Conexión Viga-columna con arriostre diagonal Fig. 4
El concepto con que se diseñan los conectores, pernos o soldaduras así como los elementos conectantes se basa en aceptar que la transmisión del cortante V se realiza en el alma de la viga y que las fuerzas provenientes de la flexión: F = M/d se transmiten a través de las alas de las trabes. Como la conexión “articulada” está destinada a trasmitir el corte los elementos conectantes y los conectores se escogen para soportar el corte, corte, se espera que la ductilidad de la misma permita una rotación adecuada para que se pueda considerar como una especie de rótula. En el caso de las conexiones rígidas, adicionalmente a la transmisión del corte indicada anteriormente, se deberá deberá considerar que las fuerzas generadas po porr el momento flector sean adecuadamente llevadas de la alas de las vigas a las alas de las columnas, ello se consigue uniendo las alas de vigas y columnas; por otro lado, para evitar que se dañe el alma de la columna por estas fuerzas se colocan frecuentemente planchas opuestas a las alas de las vigas, denominadas “atiesadores opuestos a las alas”; finalmente, el alma de la columna deberá ser capaz también de soportar los esfuerzos cortantes radiales que se generan por el momento y, en muchos casos, se deberá reforzar mediante “planchas dobladoras” o “atiesadores diagonales”. Las conexiones semi-rígidas son intermedias entre ambos de tipos ya tratados y que por los elementos conectantes usados no se puede asegurar una rotación simultánea al requerimiento de la flexión entre viga y columna. Para su diseño se requiere un conocimiento especial de la cantidad de flexión a transmitir y las curvas M vs Θ del caso. Las conexiones en pórticos arrostrados como la que se muestra en la Fig. 4 generalmente se hacen del tipo “articulada” pero para tomar las acciones axiales de los arriostres diagonales es necesario colocar planchas denominadas cartelas de nudo. Todas estasdeconexiones han sido ya sometidas a sismos siendo su comportamiento comportamient excepto en el caso las conexiones rígidas viga- columna que reales tuvieron muchos problemas enoelbueno, terremoto de Northridge, California, USA, 1994. Este tipo de falla ya había sido debidamente detectada en ensayos de de los daños encontrados y Laboratorios (Ref. 2) A continuación, se presenta un breve resumen de
adicionalmente el resultado de un programa de ensayos llevado a cabo en la Universidad de Texas, Austin, en 1994 1994 y 1995, 1995, para evitar futuras fallas en este tipo en estructuras sometidas a sismos. Observación de daños: En la Fig.5 se observa una conexión rígida tal como se acostumbraba a diseñar. Se ve, asimismo, las fallas encontradas, las que se pueden pueden resumir en las siguientes: 1. Rajadura en las soldaduras de unión de las alas de las vigas a las alas de la columna. Esto ocurrió especialmente en el ala inferior de las vigas por inversión de momentos, se debe a falla frágil en las soldaduras.
2. En otros casos, se produjeron rajaduras en las alas de las columnas, penetrando éstas también en las almas de las columnas; esta falla se denomina falla lamelar. án gulo a lo largo de la línea de los pernos. 3. También se produjeron rajaduras en el ángulo
3 1 2
Conexión Viga-Columna en Pórticos de momentos Fig. 5
Programa de ensayos y propuestas para futuras conexiones rígidas en pórticos pórticos dúctiles: El programa urgente de ensayos demostró que las conexiones rígidas que se conocían eran insuficientes para un buen comportamiento a cargas dinámicas con inversión de momentos. La razón es la formación de rótulas plásticas en la zona de unión de la viga a la columna, donde la soldadura es un elemento frágil, por lo cual la solución que se impone es tratar de alejar la rótula a una zona cercana al nudo, lo que que se consigue con las dos alternativas que se muestran muestran en las Fig. 6 y 7.
Conexión Viga-Columna con cartelas verticales Fig. 6
Conexión Viga-Columna con cartelas horizontales Fig. 7
En la Fig. 6 al colocar las cartelas verticales se disminuyen los esfuerzos en la soldadura que conecta el ala de la viga al ala de la columna, que parece ser la zona frágil, y mas bien los mayores esfuerzos se concentran en el perfil donde la ductilidad es mayor y es posible desarrollar una rótula plástica. Lo mismo ocurre en la solución mostrada en la Fig. 7 al aumentarse el área de las alas y el tamaño de la soldadura, los esfuerzos mayores se concentran concentran en el perfil. Hay otras soluciones, como por ejemplo, la disminución de las alas en las cercanías del nudo, llamada “hueso de perro” propuesto por el Prof. Engelhardt como se muestra en la Fig. 8.
Fig. 8.
Luego de una serie de ensayos y muchas discusiones sobre los sismos y la seguridad de las estructuras, en las que el material acero es el más importante, pero especialmente debido a la influencia del FEMA (Federal Emergency Management Agency), AISC ha venido, desde 1986, dando recomendaciones para el diseño y construcción de las estructuras de acero para edificios. Están en vigencia las Provisiones Sísmicas AISC de 2002. Para el diseño de edificios de acero se han establecido varias categorías de acuerdo a los cuidados que se tomen para el diseño de sus elementos: Para construcciones con pórticos de momentos: • Pórticos ordinarios de momentos ( OMF, siglas en inglés): construcción en zonas no sísmicas, R = 3.5 • Pórticos especiales de momentos (SMF): construcción en zonas sísmicas donde se procura obtener la mejor ductilidad posible mediante cuidados en las conexiones, R = 8 • Pórticos intermedios de momentos ( IMF): construcción en zonas sísmicas donde donde se procura solamente cumplir con algunos requisitos del buen diseño de de elementos, R = 4.5 Para construcciones arrostradas verticalmente: • Pórticos ordinarios arrostrados con conexiones concéntricas (OCBF): construcciones en zonas no sísmicas, R = 5 • Pórticos especiales arrostrados con conexiones concéntricas (SCBF): construcciones en zonas sísmicas, R = 6 También figura el caso de pórticos con arrostramientos excéntricos, idea del Prof. Popov, para zonas símicas, R = 7 u 8 El tratamiento de que se da a estas categorías en el diseño está reflejado en el valor que se considera al tratar las fuerzas sísmicas y sus factores de reducción R , siendo mayores para los pórticos especiales pero al mismo tiempo se incluyen cuidados en la selección de elementos
(relación ancho-espesor mas bajas por ejemplo) y consideraciones especiales en sus conexiones mediante un factor denominado de sobre-resistencia Ωο aplicable a las fuerzas sísmicas. Asimismo, según ASCE-2002, ASCE-2002, las combinaciones de cargas que que incluyen sismo y las cargas sísmicas a considerar en un diseño estructural se dan en la Tabla C-I-4.1 según el extracto siguiente: Por efectos aditivos a la gravedad: Combinación de cargas
Definición de E
1. 2D + 1.0E +0.5L +0.2S
E = ρQE + 0.2SDSD
Definición de E con respecto a Ωο E = ΩοQE +0.2SDSD
Para efectos contrarios a la gravedad: Combinación de cargas
Definición de E
0.9D +1.0E +1.6H
E = ρQE - 0.2SDSD
Definición de E con respecto a Ωο E =ΩοQE - 0.2SDSD
D: carga muerta, L: carga viva, E: carga de sismo, S: carga de nieve, si la hay, H: presión lateral de agua u otro material, si la hay, hay, SDS: aceleración de respuesta espectral del terremoto de diseño en períodos cortos, QE: efecto de la fuerza horizontal del sismo, ρ: coeficiente de confiabilidad, Ωο : factor de sobre-resistencia. Se concluye entonces que ahora el diseño estructural de edificios de acero es tratado en forma muy especial conforme se muestra en el resumen dado anteriormente. Diseño de conexiones en edificios de acero : Encuentros: Volviendo a la Fig. 1 donde se presentó la estructura de un edificio de acero, el encuentro de todos sus elementos origina conexiones que el diseñador debe tomar en e n consideración.
Encuentros que originan conexiones en edificios de acero Fig. 9
Como conectores se usan pernos o soldaduras. En edificios se prefieren que las conexiones empernadas sean del tipo de uniones sin deslizamientos. Una descripción breve breve de las conexiones se detalla a continuación. continuación. Columna-trabe-arriostre : Son uniones típicas en pórticos arrostrados, se deberá considerar elementos y conectores preparados para corte y acciones axiales, si los ejes concurren a un solo punto se denominan conexiones concéntricas, en otro caso se denominan excéntricas y se deberá considerar también el momento que se produce por la excentricidad. Trabe-columna: pueden ser preparadas para trasmitir solo corte en uniones simples o para corte y flexión como unión rígida o semi-rígida. Arriostre-trabe-arriostre: Los arriostres transmiten acciones axiales y los elementos de la conexión serán preparados para tracción o compresión. Según AISC se deberá asimismo suponer que uno se los arriostres ha fallado y el otro deberá tomar todo el efecto del sismo, en ese caso la viga deberá soportar los efectos de la falta de un arriostre. Viga-trabe: Llamada también “conexión de piso” y se preparan para soportar solamente corte, con el ala superior “copada”. Columna-plancha de apoyo: Destinada a trasmitir las acciones de la estructura a la cimentación, debe estar preparada también para efectos de sismo en especial en las crujías arrostradas, se prefieren “llaves de corte” para las acciones horizontales de viento o sismo; puede haber efectos de levantamiento que serán tomados t omados por pernos de anclaje. Metodología del diseño: Todas las conexiones que se emplean en la práctica han sido ensayadas para acciones estáticas
y/o dinámicas y de acuerdo a sus resultados se ha establecido la forma de verificar sus diversos elementos para que cumplan su función . Se presenta, a manera de ejemplo, los pasos a seguir para la verificación de dos tipos de conexiones: Viga-trabe: Conexión por corte
Detalle de conexión Fig.10 Pasos: 1. Definir los elementos: Perfiles, pernos, soldaduras y ángulos clip, y dimensiones del copado. 2. Plantear una solución, número de pernos, tamaño de ángulo clip, tipo de soldadura, y verificar distancias libres entre pernos y bordes. 3. Teniendo el corte V aplicado (definir si es corte de servicio, ASD o corte último, LRFD), proceder entonces de acuerdo al método de diseño correspondiente. Verificar la
4. 5. 6.
capacidad de los pernos al corte y aplastamiento; soldaduras, tamaños máximos y mínimos, seleccionar el tamaño y encontrar encontrar su capacidad. Chequear la capacidad de la viga al corte, resistencia del alma de la viga al pandeo por copado y verificar su resistencia resis tencia a la flexión por haber sido copada. Verificar la capacidad al corte de los ángulos clip. Dibujar el esquema respectivo.
Trabe-columna: Diseño por Corte y Flexión
Detalle de conexión Fig.11 Pasos: 1. Definir los elementos: perfiles, perfiles, pernos, soldaduras, p planchas lanchas de alas y ángulos clip. 2. Plantear una solución, número de pernos, tamaño de ángulos clip, tipo de soldadura, y planchas de alas, verificar distancias libres entre pernos p ernos y bordes. 3. Teniendo los cortes V y momentos momentos M aplicados (definir (definir si son de servicio, ASD, o acciones últimas, LRFD), proceder entonces de acuerdo al método de diseño correspondiente. En zonas sísmicas aplicar los factores de sobre-resistencia 4. Diseño por corte: a.-Verificar la capacidad de los pernos al corte y aplastamiento; soldaduras, tamaños máximos y mínimos, seleccionar el tamaño y encontrar su capacidad.
b.- Chequear la capacidad de la viga al corte. c.-Verificar la capacidad al corte de los ángulos clip.
5. Conexión de Momentos usando planchas de alas: a.- Determinación de fuerzas en las alas por momentos, F = M/d b.- Ala superior: en tracción, determinar tamaño de ala y soldaduras acanaladas y de filete c.- Ala inferior: en compresión, determinar tamaño, verificar pandeo, soldaduras acanaladas, de filete. 6. Alma de la columna: a- Selección de planchas para los atiesadores opuestos a las alas, ala en tracción, ala en compresión. b- Determinación de refuerzo del alma dentro de los linderos de la conexión, plancha dobladora o atiesador diagonal c- Diseño de soldaduras de filete para unir los atiesadores al alma d- Diseño de soldaduras de la plancha dobladora a atiesadores at iesadores y alas 7. Dibujar el esquema respectivo Automatización de los cálculos en el diseño de las conexiones para edificios:
Se ha visto que en los pasos que se siguen para el diseño de todos los elementos de una conexión, como se muestra en los ejemplos presentados, hay una serie de cálculos que pueden ser automatizados mediante programas aliviando así la tarea de efectuarlos. Es parte entonces de este estudio la presentación de hojas de cálculo para este procedimiento automatizado aplicables a algunos tipos tipos de conexiones. Se adjunta adjunta hojas de cálculos donde donde se muestra la aplicación de la automatización. Conclusiones:
Se ha presentado en forma breve el conocimiento que se tiene de las conexiones que se emplean en estructuras de acero para edificios haciendo notar aspectos del diseño sísmico y procedimientos, basado en las Especificaciones AISC, FEMA y ASCE últimas, para que las conexiones presenten un buen comportamiento y sean confiables. Se han mostrado los diversos y más comunes tipos de de conexiones y se ha establecido una metodología metodología para su diseño. También se plantea la automatización de los cálculos para aliviar el trabajo del diseñador. Agradecimiento: Al Ing. Edgardo Tong por su colaboración co laboración Referencias:
1- Diseño Estructural en Acero, 1977. Luis F. Zapata 2- An Investigation of Steel Welded Pipe Connections, L. Zapata 3- Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment Frames Buildings, FEMA- 350 4- ASCE 2002. Minimum Loads for Buildings and other Structures. Str uctures. 5- AISC 2002, Seismic Provisions 6- Design of Reduced Beam Sections (RBS) Moment Frame Connections, Kevin S. S. Moore, James O. Malley, Michael D. Engelhardt
