Conexiones Precalificadas

PRECALIFICACION DE CONEXIONES DE ACERO PARA SISTEMAS RESISTENTES A CARGAS SISMICAS

28 de Junio 2019

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

•

Sistema resistente a fuerzas sísmicas.- Esa parte del sistema estructural que se ha considerado en el diseño para proporcionar la resistencia requerida a las fuerzas sísmicas prescritas en este documento.

•

Pórtico a momento.- Un pórtico en el que los miembros y las conexiones

resisten las fuerzas laterales por flexión y a lo largo del eje de los miembros. Se clasifican como: Pórticos intermedios a momento (IMF),

Pórticos ordinarios a momento (OMF) y Pórticos especiales a momento (SMF). (ASCE 7-16)

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Pórtico resistente a momento: Vigas y columnas con conexiones resistentes a momento; Resiste fuerzas laterales mediante flexión y corte en vigas y columnas.

Desarrollar ductilidad por: -

Flexión de fluencia de vigas Fluencia por corte en zonas de panel de columna Flexión de fluencia de columnas

Ventajas • Versatilidad Arquitectónica

• Alta Ductilidad y Seguridad ?

Desventajas • Baja rigidez elástica

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Posibles ubicaciones de “Plastic Hinge” Zona de Panel (Fluencia por corte) Columna (Flexión & Axial de fluencia)

Viga (Flexión de fluencia)

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Área de detallamiento crítico para pórticos resistentes a momentos:

.- Conexión Viga-Columna

Requisito de Diseño: El pórtico debe desarrollar una gran ductilidad sin que falle la conexión viga-columna.

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1994 Northridge Earthquake

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Northridge – Aceleraciones de Suelo • • • • •

Sylmar: Granada Hills: Santa Monica: North Hollywood: L.A. Hospital Sepulveda:

0.91g H 0.62g H 0.93g H 0.33g H 0.94g H

0.60g V 0.40g V 0.25g V 0.15g V 0.48g V

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Daños a Edificios de Acero en el Sismo de Northridge • • • •

Conexión a momento predominante Pre-Northridge: Patín soldado – Alma pernada Un gran número de edificios de acero modernos sufrieron severos daños en las conexiones viga-columna. Principales Daños: Fractura en y alrededor de las soldaduras de ranura de patín de viga. El daño fue en gran medida inesperado por los profesionales de ingeniería.

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Observación de daños:

Modos de falla típicos: fractura en o cerca de las soldaduras de ranura en patín de vigas.

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Observación de daños:

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Observación de daños:

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Observación de daños:

• • •

Gran número de edificios de pórticos a momento de acero sufrieron daños de conexión Ningun edificio de pórticos a momento de acero colapso ! Daño típico: – Fractura de soldadura de ranura – Fractura tipo “divot” dentro de patín de columna – Fractura a través de patín y alma de columna

Observaciones en estudios de conexiones fracturadas

• •

Muchas conexiones fallaron por fractura frágil con poca o ninguna ductilidad Fracturas frágiles iniciadas típicamente en las soldaduras de ranura de patín de viga

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Respuesta al daño de conexión a momento de Northridge

• •

Eliminación casi inmediata de la conexión patín soldado – alma pernada de los códigos de construcción y la práctica de diseño de Estados Unidos Intensivos esfuerzos de investigación y pruebas para comprender las causas de los daños y desarrollar conexiones mejoradas. – AISC, NIST, NSF, etc. – SAC Program (FEMA)

Causas de daño en conexión a momento en Northridge

• • •

Soldadura Diseño de Conexión Materiales

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Causas de daño en conexión a momento en Northridge Factores de soldadura:

• • • •

Baja tenacidad a la fractura del metal de soldadura

Efecto de las barras de respaldo y platinas de respaldo lateral y de tope Muchas conexiones fallidas con evidencia de mala calidad de soldadura

Varias fracturas iniciadas en defectos de raíz en soldadura de patín inferior, cerca del orificio de acceso de soldadura

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Causas de daño en conexión a momento en Northridge Barras de respaldo y platinas de respaldo lateral y de tope de soldadura • Barras de respaldo (Backing Bars ): • Puede crear un efecto de corte o muesca • Aumenta la dificultad de inspección • Platinas de respaldo lateral y de tope (Weld Tabs): • Las regiones de escurrimiento de soldadura en las platinas de respaldo contienen numerosas discontinuidades que pueden potencialmente iniciar una fractura

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Causas de daño en conexión a momento en Northridge Factores de Diseño: Esfuerzo/Deformación demasiado alto en la soldadura de ranura en patín de viga:

• • • •

Participación inadecuada de conexión de alma de viga en la transferencia de momento y corte. Efecto de orificio de acceso de soldadura Efecto de doblado o curvado de patín de columna Otros factores

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Causas de daño en conexión a momento en Northridge Factores por el material (acero estructural):

•

Esfuerzo de fluencia real de vigas tipo A36 a menudo resultó significativamente mayor que el mínimo especificado

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

• • • Soldadura:

•

Soldadura Materiales Diseño de Conexión y detallamiento

Tenacidad mínima requerida para metal de soldadura: SLRS

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

Soldadura:

•

•

Practicas mejoradas en lo referente a “Backing Bars” y “Weld Tabs” :

– – –

Remover la barra de respaldo del patín inferior Soldadura de sello en barra de respaldo de patín superior

Remover platinas de respaldo de tope en las soldaduras de patín superior e inferior

Énfasis en el control de calidad. (AISC Provisiones Sísmicas – Cap. J)

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

Material (Acero Estructural):

•

Introducción del “esfuerzo de fluencia probable” en los códigos de diseño

Expected Yield Stress = Ry Fy Ry

= 1.3 a 1.5 for ASTM A36

Ry

= 1.1 for A572 Gr. 50 and A992 (Ver AISC 341 – Comentarios del Capitulo C, valores de Ry)

•

Introducción del acero ASTM A992 para secciones de ala ancha

ASTM A992

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

Diseño de conexión:

•

Geometría de orificio de acceso de soldadura mejorada

Weld Access Hole

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

Diseño de conexión:

•

Desarrollo de mejores procedimientos de diseño de conexión.

– – – –

Conexiones reforzadas

Conexiones Patentadas. (Precalificadas) Conexiones de Viga de Sección Reducida - (Dogbone)

Conexiones estudiadas por el programa SAC-FEMA.

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

Conexiones Precalificadas: ANSI/AISC 358 - 16

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones Patentadas: SIDEPLATE MOMENT CONNECTION

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones Patentadas: Kaiser Bolted Bracket (KBB) Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones Patentadas: Conxtech Conxl Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones Patentadas: Simpson Strong- Tie Strong Frame Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones estudiadas por el programa de investigación SAC-FEMA: Reduced Beam Section Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones estudiadas por el programa de investigación SAC-FEMA:

Welded Unreinforced Flange - Welded Web (WUF-W) Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones estudiadas por el programa de investigación SAC-FEMA:

Bolted Unstiffened End Plate

Bolted Stiffened End Plate

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones estudiadas por el programa de investigación SAC-FEMA: Bolted Flange Plate (BFP) Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento Conexiones estudiadas por el programa de investigación SAC-FEMA: Double – Tee Moment Connection

ANSI/AISC 358

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Estrategias para mejorar desempeño de conexiones a momento

Resultados del programa de investigación SAC-FEMA: Criterios de diseño sísmico recomendados para pórticos de acero a momento

• • • •

FEMA 350 - Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings FEMA 351 - Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings FEMA 352 - Recommended Post-earthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings FEMA 353 - Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications

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ANSI/AISC 341 - 16

Seismic Provisions for Structural Steel Buildings A. GENERAL REQUIREMENTS B. GENERAL DESIGN REQUIREMENTS C. ANALYSIS D. GENERAL MEMBER AND CONNECTION DESIGN REQUIREMENTS

E. F. G. H. I. J. K.

MOMENT-FRAME SYSTEMS BRACED- FRAME AND SHEAR- WALL SYSTEMS COMPOSITE MOMENT-FRAME SYSTEMS COMPOSITE BRACED-FRAME AND SHEAR-WALL SYSTEMS FABRICATION AND ERECTION QUALITY CONTROL AND QUALITY ASSURANCE PREQUALIFICATION AND CYCLIC QUALIFICATION TESTING PROVISIONS

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Provisiones sísmicas para Edificios de Acero Estructural ANSI/AISC 341

K. Provisiones para precalificación y pruebas de calificación cíclica

K1. Precalificación de conexión viga-columna y conexión vínculocolumna K2. Pruebas Cíclicas para Calificación de conexión viga-columna y conexión vínculo-columna K3. Pruebas Cíclicas para Calificación Arriostramientos Restringidos al Pandeo

de

Pórticos

con

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Provisiones sísmicas para Edificios de Acero Estructural ANSI/AISC 341

K. Provisiones para precalificación y pruebas de calificación cíclica Las especificaciones ANSI/AISC 341-16 consideran tres niveles de desempeño, esto es: Pórticos especiales a momentos, intermedios u ordinarios.

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Provisiones sísmicas para Edificios de Acero Estructural ANSI/AISC 341

Resumen de requerimientos de diseño a los efectos de una comparación entre los distintos tipos de pórticos

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AISC Provisiones sísmicas –SMF– Conexión Viga-Columna ANSI/AISC 341

Las conexiones viga-columna usadas en sistemas resistentes a fuerzas sismicas – SRFS, deben satisfacer los siguientes requerimientos: 1. La conexión debe ser capaz de acomodar un angulo de deriva de piso de al menos 0.04 radianes. 2. La capacidad a flexión de la conexión, medida en la cara de la columna, debe ser como mínimo 0.8 Mp de la viga conectada para un nivel de distorsión de piso de 0.04 radianes.

3. La resistencia a corte requerida de la conexión debe determinarse a partir de las combinaciones de cargas sísmicas limitadas por capacidad, considerando:

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AISC Provisiones sísmicas –SMF– Conexión Viga-Columna ANSI/AISC 341

Demostración de Conformidad.- Las conexiones viga-columna usadas en SRFS deben satisfacer los requerimientos previos mediante: a) Usar conexiones diseñadas (precalificadas) para SMF en corcondancia con ANSI/AISC 358 - Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications. b) Usar conexiones precalificadas por un “Panel de Revisión” que es aprobado por la autoridad que tenga jurisdicción (Sección K1 – AISC 341)

c) Proveer resultados de pruebas cíclicas de calificación de acuerdo con la sección K2 – AISC 341. Se proporcionarán los resultados de al menos dos ensayos y se basarán en uno de los siguientes casos: 1.- Pruebas de otros proyectos reportadas en la literatura que sean representativas de las condiciones del proyecto requerido.

2.- Pruebas realizadas específicamente para el proyecto, con muestras de prueba que simbolicen las características del proyecto de interés.

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AISC Provisiones sísmicas –SMF– Conexión Viga-Columna ANSI/AISC 341

K2. Pruebas Cíclicas para Calificación de conexión viga-columna y conexión vínculo-columna

Requisitos del Ensamblaje de Prueba: El ensamblaje de prueba replicará, tan cerca como sea en la practica, las condiciones que ocurrirán en el prototipo durante la carga sísmica: a) El espécimen de prueba consistirá de al menos una columna con vigas unidas a uno o ambos lados de la columna

b) Los puntos de inflexión en el ensamblaje de prueba coincidirán con los puntos de inflexión anticipados en el prototipo bajo carga sísmica. c) Se permite el refuerzo lateral del ensamblaje de prueba cerca de la aplicación de carga o puntos de reacción según sea necesario para proporcionar estabilidad lateral. No se permite el refuerzo lateral adicional del ensamblaje, a menos que se replique el refuerzo lateral para ser utilizado en el prototipo.

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

AISC Provisiones sísmicas –SMF– Conexión Viga-Columna ANSI/AISC 341

K2. Pruebas Cíclicas para Calificación de conexión viga-columna y conexión vínculo-columna

Ensamblajes típicos de prueba:

Ensamblaje Exterior

Ensamblaje Interior

Refuerzo lateral ?

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AISC Provisiones sísmicas –SMF– Conexión Viga-Columna ANSI/AISC 341

K2. Pruebas Cíclicas para Calificación de conexión viga-columna y conexión vínculo-columna El espécimen de prueba replicara, el diseño pertinente, detalles, características de construcción y propiedades del material del prototipo: a)

Fuentes de deformación Inelástica (viga, zona de panel, placas de conexión, etc.) en el espécimen de prueba serán similares al prototipo.

b)

Tamaño de los elementos usados en el espécimen de prueba:

.- El peralte de viga no será menor que el 90% de la viga del prototipo. .- El peso por unidad de longitud de viga de prueba no será menor que el 75% del correspondiente al prototipo de viga.

.- El peralte de la columna no será menor que el 90% de la columna del prototipo. .- La relación ancho-espesor de elementos a compresión debe satisfacer las limitaciones ancho-espesor según lo especificado en AISC 341.

Ensamblaje exterior de Prueba:



Δ

Lbeam Interstory Drift Angle



=

Δ Lbeam

Ensamblaje exterior de Prueba:

Ensamblaje interior de Prueba:

Δ

Hcolumn

 Interstory Drift Angle



=

Δ Hcolumn

Ensamblaje interior de Prueba:

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Secuencia de carga para conexiones viga-columna a momento: 6 ciclos de

 =  0.00375 rad.

6 ciclos de

 =  0.005 rad.

Criterio de Aceptación:

6 ciclos de

 =  0.0075 rad.

4 ciclos de

 =  0.01 rad.

2 ciclos de

 =  0.015 rad.

2 ciclos de

 =  0.02 rad.

2 ciclos de

 =  0.03 rad.

Después de completar al menos un ciclo de carga  ≥ 0.04 radianes, la resistencia a la flexión de la conexión, medida en la cara de la columna, debe ser al menos 0.80 Mp de la viga conectada.

2 ciclos de

 =  0.04 rad.

Continúe cargando con incrementos de θ = 0.01 rad, con dos ciclos de carga en cada paso.

Ejemplo de prueba exitosa según la sección K2 – AISC 341.

Beam Moment at Face of Column (in-kips)

40000

M

M 0.04 0.8 M p 30000 0.8 Mp

20000 10000 0 -10000 -20000 - 0.8 Mp

-30000 -40000 -0.08

M 0.04 0.8 M p

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02



Interstory Drift Angle (rad)

0.04

0.06

0.08

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Ejemplo de desempeño en laboratorio de una conexión RBS :

  0.00 rad.

  0.03 rad.

  0.02 rad.

  0.04 rad.

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Ejemplo de desempeño en laboratorio de una conexión SidePlate:

  0.02 rad.

  0.06 rad.

  0.04 rad.

  0.08 rad.

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Ejemplo de desempeño en laboratorio de conexión RBS con CFT:

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Caracterización Sísmica de 15 Est. Metálicas en Quito:

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Caracterización Sísmica de 15 Est. Metálicas en Quito:

Bolted Flange Plate (BFP)

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Caracterización Sísmica de Estructuras Metálicas en Machala

?

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Ejemplo de conexión vigacolumna por ensayar: Viga Acartelada

Columna CFT

Precalificación de conexiones de acero para sistemas resistentes a cargas sísmicas

Ejemplo de conexión viga-columna por ensayar: Viga Acartelada - Columna CFT

?

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Gracias por su atención, hasta la próxima…