Oscar Patricio Jaramillo de León a; Wilson Cando b; Jorge Bucheli c; Paúl Sebastián

 

Enderica Guambana d

 

 

 

Análisis de una conexión metálica soldada entre una viga “I” y una columna tubular a escala reducida

 

 

Revista Científica Mundo de la Investigación y el Conocimiento. Vol. 2 núm., 1, febrero, ISSN: 2588-073X, 2018, pp. 302-324

 

 

DOI:  10.26820/recimundo/2.1.2018.302-324

 

 

 

Editorial Saberes del Conocimiento

 

 

 

Recibido: 05/12/2017             Aceptado: 10/02/2018

 

 

 

 

 

 

 

a.     Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ingeniería, Quito Ecuador  ojaramillo602@puce.edu.ec b.        Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ingeniería, Quito Ecuador  wocando@puce.edu.ec

c.     Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ingeniería, Quito Ecuador  jabucheli@puce.edu.ec

 

d.     Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ingeniería, Quito Ecuador  penderica167@puce.edu.ec

 

RESUMEN

 

 

El creciente uso de estructuras de acero en la construcción de edificios en el Ecuador hace necesario realizar la evaluación del estado del arte del tipo conexiones que se diseñan y construyen, la cual habitualmente corresponde a la junta soldada de una columna tubular y una viga “I”. La falta de infraestructura con la que cuentan los laboratorios a nivel nacional imposibilita realizar el ensayo dinámico a escala real que demandan las normas internacionales AISC Y FEMA como parámetro de evaluación del desempeño de estas conexiones. Por tal motivo el objetivo de esta investigación es realizar la evaluación analítica, a través de la modelación de las conexiones con el software ASNSYS v.16 y experimental mediante modelos a escala reducida ensayados en el Laboratorio de Materiales de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador.

 

Palabras clave: Modelos estructurales, calificación de conexiones.

 

ABSTRACT

 

 

The adequate performance of a steel frame depend on the connection between beam and column to develop a ductile behavior. The connection between an “I” shaped beam and a box column is the most usual connection in the Ecuadorian construction, but it´s not listed as a prequalified connection  by  the  American  Institute  of  Steel  Construction,  that’s  the  reason  why  its performance under seismic effects is unknown. Unfortunately, Ecuadorian laboratories doesn´t haves the enough capacity to perform dynamics studies over this kind of connections to qualify its performance. That’s the main reason to perform the analysis of this connection using small scale models, which could be test in the laboratory of materials of the Pontificia Universidad Catolica del Ecuador.

 

Keywords: Connection qualification, structural modeling, dynamics effects.

 

Introducción.

 

 

 

El creciente desarrollo de la industria de la construcción ecuatoriana a derivado en la implementación  de  prácticas  constructivas  distintas  a  las  tradicionales,  como  por  ejemplo sistemas aporticados compuestos por miembros estructurales de acero, estos sistemas presentan grandes ventajas sobre los sistemas convencionales, como por ejemplo ser mar rápidos y livianos en su proceso de construcción, además de que se aprovechan las propiedades mecánicas de ductilidad y gran tenacidad del acero como factores que aseguran un adecuado comportamiento estructural ante un evento sísmico.

 

Normas nacionales e internacionales establecen parámetros y recomendaciones que en conjunto logran que estos sistemas se comporten de manera segura y que desarrollen el mismo comportamiento para el cual fueron diseñados, entre estos parámetros se destacan la recomendación de utilizar conexiones precalificadas las cuales gracias a la gran cantidad de información analítica y experimental, se ha determinado que son capaces de desarrollar un comportamiento dúctil que no comprometa la integridad de todo el sistema estructural durante un evento sísmico. Sin embargo, en la construcción de edificios en el Ecuador su utilización no es muy común, esto produce incertidumbre en el comportamiento que las conexiones no precalificadas que se usan comúnmente.

 

La determinación de la respuesta de una conexión metálica no precalificada sujeta a solicitaciones sísmicas se realiza a través ensayos de las conexiones a escala real, bajo un protocolo de carga dinámica. En el Ecuador no se cuenta con la capacidad suficiente para realizar este  tipo  de  ensayos,  eso  sumado  a  la  falta  de  control  de  los  organismos  que  regulan  la construcción a nivel nacional incrementa la vulnerabilidad de los edificios construidos en acero, ante estas limitantes esta investigación tratará de calificar el comportamiento de la conexión metálica soldada entre una viga “I” y una columna tubular a través de ensayos de modelos a escala reducida, en la máquina de compresión de simple del laboratorio de materiales de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador.

Los modelos estructurales a escala reducida, apropiadamente analizados puede entregar la información suficiente que permita determinar si el mecanismo de plastificación y modo de falla de este tipo de conexiones está relacionado con un comportamiento dúctil. Los datos obtenidos en los ensayos de los modelos a escala reducida serán extrapolados hacia la escala real de la conexión, a través de factores de escala determinados a partir del análisis dimensional  que además deben cumplir las leyes de similitud entre modelos.

 

 

Metodología.

 

 

 

El objetivo de esta investigación es el de realizar ensayo de conexiones metálicas a escala reducida que sean capaces de representar en comportamiento de conexiones a escala real, para cumplir  este  objetivo  se  conducirá  la  investigación  a  través  de  dos  etapas,  la  primera comprenderá  los  ensayos  de  las  conexiones  a  escala  reducida,  cuyos  resultados  serán extrapolados hacia conexiones de mayor tamaño a través de sus correspondientes factores de escala. La segunda etapa de análisis, se realizará para comprobar los datos obtenidos en los análisis de los modelos a escala, esto se logra ensayando conexiones de mayor tamaño las cuales denominaremos como prototipo, y cuya escala geométrica tenga similitud completa con las dimensiones seleccionadas para los modelos a escala reducida.

 

En ambos casos las conexiones deberán cumplir con las leyes de similitud determinadas a través  del  análisis  dimensional,  las  cuales  son el  fundamento  de los modelos  estructurales. Dichas leyes de similitud establecen el nivel de semejanza con la cual el modelo es capaz de representar al prototipo, esta similitud se relaciona en tres aspectos, el primero es la similitud geométrica la cual se define como “un modelo y un prototipo son geométricamente similares únicamente si todas las dimensiones en los tres ejes coordenados están afectadas por el mismo factor de escala” (White, 2011) esta será la condición base a partir de la cual se definirá la geometría de los modelos estructurales. La segunda condición de similitud es la cinemática la cual establece que “Los movimientos de dos sistemas son cinemáticamente similares si partículas homologas se encuentran en posiciones homologas en tiempos homólogos” (White, 2011) esta será la condición que relacione los parámetros bajo los cuales se realizara los ensayos de las conexiones, la tercera conexión tiene que ver con la similitud dinámica, la cual es una consecuencia de las condiciones anteriores además que requiere que la escala de fuerzas también sea la misma.

 

Para la conformación de los modelos físicos de las conexiones analizadas los miembros estructurales viga y columna se construyeron a partir de placas cortadas de planchas de acero A-36, cuyas dimensiones en los tres ejes coordenados cumplan con la condición de similitud geométrica. En este caso el factor de escala que relacione los dimensiones del modelo y prototipo se ha definido igual a 2, es decir que S_L=2 ,y las dimensiones se han seleccionado en función de las limitaciones geométricas de la máquina de compresión simple, así como de su capacidad total que en este caso corresponde a 90 toneladas, dichas dimensiones se presentan en la tabla 1.

Además de este caso se construirá otro modelo (MVC-002) y prototipo (PVC-002), con la variación de que el espesor de las alas y alma de la columna aumentará a 6 y 12 mm respectivamente, el resto dimensiones no sufrirá ninguna variación como se presenta en la tabla 2.

 

Además de esta variación se modificará la forma de la columna tipo cajón tanto para el modelo como para el prototipo, en función de modificar la transferencia de esfuerzos desde la viga hacia la columna, de tal manera que la falla de la conexión este controlada por la plastificación de la viga en ambos casos. Con esta variante, durante el ensayo las deformaciones inelásticas aumentaran, lo cual nos permitirá determinar si el modelo se comporta de manera semejante al prototipo cuando su falla está controlada por la plastificación de la viga.

 

 

Modelos Analíticos

 

 

 

El análisis preliminar de los resultados, se realizará a través de la modelación de las conexiones por el método de elementos finitos con la ayuda del software ANSYS v.16, modelos los cuales permiten predecir los resultados esperados. Para la modelación matemática del comportamiento  mecánico  del  acero,  se  utilizaron  los  valores  promedio  de  resistencia presentados en los certificados de calidad facilitados por la empresa NOVACERO. Dichos datos se presentan en la tabla 3.

Tabla 4.Características mecánicas del acero A-36

 

 

Una vez determinados estos datos, se realizó la modelación geométrica de las conexiones, en la cual se utilizó elementos tridimensionales tipo SOLID 182, los cuales son elementos hexaédricos con 8 nodos, y 3 grados de libertad por nodo.

 

 

Las condiciones de borde y el protocolo de carga aplicada sobre la conexión, siguen los lineamientos establecidos en las normas americanas AISC 341-10 y FEMA 350.

 

Metodología Experimental

 

 

 

Para poder ensayar la conexión se construyó un marco de carga el cual permita insertar las conexiones en máquina, además de que este debe ser los suficientemente rígido para no que no falle o distorsione los resultados durante la realización de los ensayos.

 

 

 

 

La calificación del desempeño de las conexiones se realiza a través de la aplicación de una carga dinámica en el extremo libre de la viga, en este caso debido a que la máquina de compresión simple solo esta calibrada para ejercer fuerza en una sola dirección, el método de calificación se reemplazara por la aplicación de una carga monotónica al extremo libre de la viga. Si bien este cambio no nos permitirá determinar los efectos que la carga dinámica produce sobre  la  conexión  durante  un  evento  sísmico,  si  nos  permitirá  evaluar  el  mecanismo  de plastificación y modo de falla en flexión que presenta este tipo de conexiones, además los ensayos monotónicos permitirán evaluar si este tipo de conexiones cumple con el requisito de columna fuerte-viga débil la cual asegura la prevención al colapso luego de un evento sísmico.

 

Una vez obtenidos los datos de carga y deformación para la respuesta del modelo, los datos serán extrapolados utilizando los factores de escala presentados en la tabla 4, valores los cuales fueron determinados por los autores (Harris & Sabnis, 2000), y que relacionan los datos obtenidos de modelos ensayados bajo carga sísmica.

 

 

 

 

De la misma manera serán ensayados los prototipos los cuyas dimensiones corresponden al doble de las dimensiones geométricas de los modelos, estos datos serán comparados con los obtenidos  para  los  modelos  estructurales  multiplicados  por  los  factores  de  escala,  para comprobar si los representan de manera adecuada la respuesta elástica y plástica de la conexión.

 

Resultados.

 

 

 

Los ensayos monotónicos de los modelos y prototipos estructurales, se realizaron sujetando la conexión a la máquina de compresión simple, de tal manera los apoyos en la base y cabeza de la columna sean rígidos, y el extremo libre de la viga donde se aplica la carga se sujete al módulo de reacción de la máquina a través de un apoyo el cual solo controle el desplazamiento vertical de la viga, sin restringir los demás grados de libertad.

 

El ensayo del modelo MVC-001 se realizó bajo las condiciones antes descritas, en el cual se llevó la deformación al extremo de la viga hasta los 88,13 mm, a una velocidad constante de

15 mm/seg.

 

 

 

 

 

Para  mantener  la  condición  de  similitud  cinemática  y  dinámica  entre  el  modelo  y prototipo el ensayo del prototipo PVC-001 se realizó siguiendo los mismos parámetros del ensayo del modelo MVC-001, sus resultados se presentan en la figura 2.

 

 

En la realización de estos ensayos se pudo observar que la plastificación de la conexión en ambos casos estuvo controlada por la plastificación del ala conectada con la viga, lo cual limita el desarrollo de la capacidad plástica de la conexión. Con las modificaciones realizadas para el modelo MVC-002 y prototipo PVC-002 el comportamiento esperado es la plastificación de la viga, lo cual se representa en una disminución la pendiente de la recta cuando la conexión incursiona en el rango inelástico como se puede observar en la figura 3.

 

 

Como era esperado el modelo MVC-002 muestra un mayor desarrollo de deformaciones inelásticas cuando momento aplicado al extremo de la viga supera su resistencia elástica. Debido a que la aplicación de la carga sobre le viga tiene una sola dirección durante todo el ensayo, el mecanismo de plastificación del modelo está controlado por el pandeo local del ala inferior de la viga.

 

 

Similares resultados se pudieron observar en el ensayo del prototipo PVC-002, igual que en  su  modelo  replica,  la  capacidad  inelástica  de  la  conexión  se  desarrolló  a  través  de acumulación de esfuerzos y deformaciones inelásticas en al ala inferior de la viga. Los resultados

se presentan en la figura 4.

 

 

 

.

 

Comparación Analítica

 

 

 

Los datos obtenidos mediante la modelación con ANSYS v.16, entregaron una acertada correlación con los datos obtenidos experimentalmente. El análisis se realizó aplicando las mismas deformaciones al extremo de la viga obtenidas durante los ensayos de cada modelo y prototipo, la determinación de la carga se obtuvo a través de las reacciones de los apoyos en ambos extremos de la columna.

 

Además de la comparación entre los datos obtenidos, la modelación matemática de la conexión  demostró  que  efectivamente  que  la  concentración  de  esfuerzos  en  la  zona  de transferencia de esfuerzos entre viga y columna.

 

El efecto combinado de tracción ejercido por el ala superior de la viga y de compresión por el ala inferior produce la plastificación del ala de la columna, conforme la deformación al extremo de la viga se incrementa durante el ensayo.

 

 

 

 

Similar comportamiento se puede observar en la comparación entre las curvas carga versus deformación del modelo MVC-002 y prototipo PVC-002, con la diferenciación de que la concentración de esfuerzos y deformaciones inelásticas ocurren en un área cercana a la soldadura entre el ala inferior de la viga y la columna.

 

 

 

 

Comparación de modelos físicos

 

 

 

Una vez presentado los resultados obtenidos de los ensayos monotónicos, la comparación de los resultados se realiza contrastando los valores obtenidos en el ensayo del modelo multiplicado los valores de deformación y carga por los factores de escala correspondiente, con la respuesta del prototipo.

 

El factores de escala correspondiente a la carga aplicada sobre el modelo corresponde a S_E S_(L^2 ), con lo cual se puede determinar que debido a que los modelos están construidos con el mismo material el factor de escala para módulos de elasticidad S_E=1, por lo tanto el factor de escala correspondiente a la carga aplicada sobre el modelo corresponde a la escala geométrica entre modelo y prototipo elevada al cuadrado. Bajo el mismo criterio, el factor de escala con el cual podremos reproducir las deformaciones esperadas en el prototipo será igual al valor de escala geométrica. Los datos para la primera pareja de modelo y prototipo se presentan en la figura 8.

 

 

 

 

Los resultados del modelo MVC-002 y prototipo PVC-002, se presentan en la gráfica, multiplicando los valores de carga por la escala geométrica al cuadrado, y los valores de deformación multiplicados por el valor de escala geométrica.

El nivel de precisión obtenido en ambos casos se considera aceptable, en ambos casos los modelos a escala reducida fueron capaces de representar de manera adecuada el comportamiento de la conexión., mostrando en mismo mecanismo de plastificación en ambos casos.

 

Conclusiones.

 

 

 

Si bien debido a que mediante ensayos monotónicos no se puede comparar la respuesta de la conexión con los valores de resistencia especificados en las normas americanas AISC-341 y FEMA 350, los resultados de estos ensayos permiten evaluar la respuesta general y calidad de la conexión.

 

El mecanismo de plastificación y falla de este tipo de conexiones no se desarrolla de una manera  segura,  ya  que,  en  función  de  las  dimensiones  seleccionadas  para  sus  elementos estructurales, siempre estarán limitadas a la capacidad inelástica que le pueda otorgar la fluencia de las alas de la columna conectada con la viga.

 

La poca capacidad inelástica que son capaces de desarrollar este tipo de conexiones, debe considerarse como un limitante a la respuesta de todo el sistema estructural, si su diseño subestima la gran ductilidad del acero.

 

Para utilizar los resultados de los modelos estructurales a escala reducida como parámetro de calificación del desempeño de una conexión, se debe prestar especial atención en respetar cada una de las condiciones se similitud entre los modelos a escala y el prototipo a escala real, especialmente aquellas que tienen que ver con los efectos dinámicos de la carga.

 

Los modelos estructurales a escala reducida constituyen una herramienta que permite obtener resultados de ensayos que debido a su complejidad o costo no pueden ser ensayados a escala real.

 

Además del nivel de precisión que pueda llegar a tener los modelos estructurales, estos son capaces de entregar información adicional, como por ejemplo los errores en la fabricación y soldadura de las conexiones. Factores los cuales también limitan y tienen un gran impacto en su resistencia.

 

 

Bibliografía.

 

 

 

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American Institute of Steel Construction. (2016). AISC 360 - 16 Specification for Structural Steel Buidings. Chicago.

 

 

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Journal of Structural Engineering, Vol 115, No 8. White, F. (2011). Fluid Mechanics. New York: McGraw-Hill.