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Capítulo 4
Pórticos no arriostrados
4.1 INTRODUCCIÓN
Los pórticos no arriostrados, o pórticos a momentos, es- tán formados por distintos componentes que se vinculan entre sí para formar una estructura resistente; usual- mente los componentes principales son rectilíneos y se disponen en posición vertical (columnas) y horizontal (vigas). Desde el punto de vista estructural, y a los efec- tos del diseño, se deben considerar los siguientes com- ponentes (ver Figura 4-1): vigas columnas conexiones viga-columnas panel nodal (o zona panel) empalmes base de columnas (a) (b) Fig. 4-1. Componentes estructurales de un pórtico no arriostrado, (a) vista general y (b) detalle de una cone- xión viga- columna (http://ceephotos.karcor.com). La Figura 4-1 muestra el esquema constructivo más usual para edificios, en el cual las columnas son conti- nuas en la zona de los nudos, con empalmes ubicados en la zona central de las mismas. Las vigas se vinculan a las columnas en la etapa de montaje mediante las cone- xiones correspondientes, que representan uno de los componentes más importantes del sistema para asegurar una respuesta dúctil y estable. También se ha desarro- llado e implementado un esquema constructivo, deno- minado pórticos con columna-árbol (column-tree fra- mes, en inglés) en el que las columnas se fabrican en ta- ller con tramos de vigas ya vinculados, y luego en obra se conectan los componentes entre sí para formar el pór- tico con empalmes en vigas y columnas (zonas donde las solicitaciones por sismo son mínimas). De esta forma se logra que el nudo viga-columna se construya entera- mente en taller bajo condiciones óptimas de trabajo, lo que es muy importante para el caso de uniones soldadas. 4.1.1 Comportamiento estructural Las distintas cargas que actúan sobre los pórticos no arriostrados inducen esfuerzos internos, controlando el diseño los momentos flectores. Para el caso particular de la acción sísmica (ver Figura 4-2) los momentos flecto- res desarrollan sus valores máximos en los extremos de vigas y columnas, donde pueden formarse rótulas plás- ticas para permitir la disipación de energía por fluencia del acero. (a) (b) Fig. 4-2. Diagramas típicos de (a) momentos flectores y (b) esfuerzos de corte en un pórtico sometido a la ac- ción sísmica. Consideraciones analíticas y experimentales indican que se puede lograr una excelente respuesta estructural Viga Columna Conexión viga- columna Panel nodal Base columna Empalme
si se induce, a través del diseño, la formación de un me- canismo de viga débil-columna fuerte. En este meca- nismo, las rótulas plásticas se forman en los extremos de las vigas, mientras las columnas permanecen en rango elástico (con excepción de la base de las columnas), como se ilustra en la Figura 4-3(a). Las columnas están sometidas a carga axial variable por el efecto del sismo, lo que afecta la resistencia y ductilidad de las mismas; además, la falla de una columna puede originar colapso parcial o total del edificio, mientras que la misma falla en un viga presenta efectos menos significativos. Estas son las razones principales por las que se protegen las columnas del pórtico, mediante la condición de que las mismas se mantengan en rango elástico. Para lograr este objetivo es de fundamental importancia aplicar los con- ceptos del diseño por capacidad de modo de obtener una respuesta dúctil, donde la plastificación de las vigas se produce en forma progresiva y el sistema es capaz de desarrollar una respuesta dúctil, ver Figura 4-3(b). Fig. 4-3.Comportamiento estructural, (a) mecanismo de deformación plástica y (b) respuesta corte basal- desplazamiento lateral. Las especificaciones ANSI/AISC 341-16 definen tres tipos de pórticos no arriostrados: especiales (SMF), intermedios (IMF) y ordinarios (OMF), de acuerdo al grado de comportamiento dúctil que se considera en el diseño. La diferencia fundamental entre ellos es que se diseñan con distintos niveles de capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas. En las secciones si- guientes se presentan los principales aspectos vincula- dos al diseño de las tres categorías de pórticos no arrios- trados. No se incluyen los pórticos no arriostrados con vigas reticuladas (ver Sección 3.1.2) por tratarse de un tipo estructural muy particular, con aplicación limitada a casos especiales. 4.1.2 Conexiones viga-columna. Conexiones preca- lificadas Las conexiones de los pórticos no arriostrados influyen significativamente en el comportamiento estructural de los mismos. Estas conexiones, en general pueden clasi- ficarse en tres grupos, según su rigidez flexional: Conexión totalmente restringida (FR, siglas por la denominación en inglés fully restrained) Conexión parcialmente restringida (PR, partially restrained) Articulaciones El primer grupo está constituido por las conexiones totalmente restringidas, que son aquellas capaces de transferir momento flector con una rotación relativa des- preciable. Usualmente se considera que esta situación requiere que la rigidez flexional de la conexión sea igual o mayor que 20 veces la rigidez de la viga, EI/L. Las conexiones parcialmente restringidas son capaces de transferir momento, pero en este caso la rotación no es despreciable. Esta condición se presenta con conexiones cuya rigidez flexional está comprendida entre 20 y 2 ve- ces la rigidez EI/L de la viga. Si la rigidez de la conexión es menor se asume que la misma es equivalente a una articulación, de modo que su capacidad de transferir mo- mentos es despreciable. Estos conceptos se ilustran en la Figura 4-4 mediante diagramas momento-rotación. En esta figura, las dos líneas de punto representa los límites (definidos por la la rigidez relativa entre la conexión y la viga). Los pórticos no arriostrados sismorresistentes deben construirse con conexiones parcial o totalmente restringidas. En los modelos para análisis estructural las conexio- nes totalmente restringidas se representas asumiendo que la conexión es rígida, esto es que el nudo puede girar y desplazarse, pero el ángulo relativo entre las barras que concurren al mismo se mantiene constante. Para el caso de las articulaciones, estas se representan liberando el extremo de la viga (usualmente en los programas se de- nomina release). Finalmente, las conexiones parcial- mente restringidas puede modelarse a partir de definir la rigidez rotacional de la conexión mediante un resorte equivalente que se introduce entre el extremo de la viga y la columna a la cual se conecta. (a) (b)
Las rótulas plásticas deben exhibir una capacidad de ro- tación inelástica de 0.03 radianes, como mínimo, para lo cual se requiere el uso de conexiones precalificadas. La resistencia requerida a carga axial en las colum- nas debe determinarse según el criterio indicado en la Sección 4.1.3. 4.2.2 Conexiones viga-columna Las conexiones viga-columna de pórticos no arriostra- dos especiales que forman parte del sistema sismorresis- tente de una construcción deben cumplir con las siguien- tes condiciones: La conexión debe ser capaz de soportar las rotacio- nes plásticas correspondientes a un nivel de distor- sión de piso total de 0.04 radianes. Este nivel de dis- torsión es equivalente a una rotación plástica en las rótulas de 0.03 radianes (considerando que la distor- sión elástica de piso es 0.01 radianes). 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 (Mp es el momento de plastificación de la viga calculado con la tensión de fluencia para el acero especificado). La resistencia a corte requerida de la conexión debe determinarse a partir de las combinaciones de cargas sísmicas limitadas por capacidad, considerando: Ecl = 2 Mpr / Lh (4-1a) Mpr = Cpr Ry Fy Ze (4.1b)
F
F F
C
y y u pr (4.1c) donde Mpr es el momento máximo probable en la ró- tula plástica, Lh es la distancia entre rótulas plásticas en la viga, Ry es la relación entre la tensión de fluen- cia esperada y la tensión mínima de fluencia (ver Sección 1.5.1) y Cpr un factor que tiene en cuenta el endurecimiento por deformación. La Ecuación 4-1a se deduce a partir de consideraciones de equilibrio, tomando en cuenta la sobrerresistencia flexional (ver Figura 4-5). En las conexiones de pórticos especiales deben con- siderarse como soldaduras de demanda crítica las si- guientes: Las soldaduras de ranura o penetración en empalmes de columna Los cordones de soldadura en conexiones del ex- tremo inferior de la columna a la base. Los cordones de penetración completa en soldaduras que conectan las alas y alma de la viga a la columna. Fig. 4-5. Mecanismo de deformación plástica con rotu- lación en vigas. La Figura 4-6 muestra el detalle de una conexión viga-columna típica, donde la alas de la viga se sueldan al ala de la columna. Se indica en esa figura la zona las placas de continuidad que usualmente deben colocarse (según se explica en el próxima sección) y la zona panel. Fig. 4-6. Detalle de una conexión viga-columna Las recomendaciones FEMA 350 (FEMA, 2000a) indican la importancia de que las conexiones viga-co- lumna incluyan agujeros de acceso a soldadura, según el detalle de la Figura 4-7, para los cordones de soldadura de ranura que conectan el ala de la viga con el ala de la columna. Los ensayos de laboratorio indican que ésta es una solución adecuada para facilitar el acceso a la solda- dora y minimizar el efecto de concentración de tensiones y deformaciones. Panel nodal Placa de continuidad Viga Columna 2 Mpr / Lh Mpr Mpr
1- Bisel. 2- Mayor que tbf o 13mm. 3- 3/4tbf a tbf (mínimo 19mm). 4- Radio mínimo 10mm.
5- 3 tbf.
Fig. 4-7. Detalle de agujero para acceso de soldadura (FEMA, 2000a). 4.2.3 Placas de continuidad Las placas de continuidad son rigidizadores que se dis- ponen entre las alas de la columna, en niveles correspon- dientes a las alas de las vigas que llegan al nudo, con el objeto de asegurar una adecuada transferencia de las car- gas de tracción y compresión que generan sobre la co- lumna, rigidizar la zona panel de la columna y de mini- mizar la concentración de tensiones generada por la di- ferencia de rigidez entre los elementos de la junta, ver Figuras 4-1(b) y 4-6. Además, las placas de continuidad sirven como límites para definir la zona del panel nodal, donde se pueden desarrollar tensiones y deformaciones elevadas. Las placas de continuidad deben colocarse en las co- nexiones viga-columnas en los siguientes casos Cuando la resistencia requerida en la cara de la co- lumna exceda la resistencia de diseño para los esta- dos límites por carga concentrada en alas y almas, según se define en ANSI/AISC 360-16, Sección J10. Cuando el espesor del ala de la columna es menor que el valor límite indicado a continuación: o Si el ala de la viga se suelda al ala de una co- lumna, formada por un perfil W o a un perfil I: lim 6 t b^ bf (4-2a) donde bbf es la anchura del ala de la viga. o Si la el ala de la viga se suelda al ala de una co- lumna formada por perfil I en sección cajón (per- fil I con dos placas laterales, en inglés se deno- mina boxed wide-flange): lim 12 t b^ bf (4-2b) No es necesario colocar las placas de continuidad si así se indica explícitamente en una conexión precalificada. El ancho de las placas debe determinarse según el siguiente criterio: En columnas formadas por perfiles tipo W, las placas deben extenderse, como mínimo, desde el alma de la columna hasta el extremo del ala de la viga más an- cha que llega al nudo. En columnas cuya sección está formada por un perfil I en sección cajón, las placas deben extenderse desde el alma de la columna hasta las placas laterales. El espesor de las placas de continuidad debe deter- minarse según el siguiente criterio: En nudos exteriores (one-sided connections) el espe- sor debe ser como mínimo la mitad del espesor del ala de la viga. En nudos interiores (two-sided connections) el espe- sor de las placas deben ser como mínimo igual al 75% del espesor mayor de las alas de las vigas que llegan al nudo. Las placas deben cumplir con los criterios indicados en la Sección J10 de las especificaciones ANSI/AISC 360-16, donde se definen las condiciones de rigidizado- res adicionales para cargas concentradas. Las placas de continuidad deben unirse a las alas de la columna mediante soldadura de penetración completa (CJP groove welds) y a las alas de la columna con sol- dadura de ranura o de filete. La resistencia requerida para estas soldaduras está indicada en la Sección E3.6f de ANSI/AISC 341-16. 4.2.4 Panel nodal La zona nodal de las conexiones viga-columna se define, geométricamente, como la región comprendida entre las alas de vigas y columnas. Este panel es un componente de los pórticos no arriostrados, que se caracteriza por su flexibilidad y por estar sometido a elevadas solicitacio- nes que puede ocasionar deformaciones excesivas sino se diseñan adecuadamente, como se muestra en la Figura 4-8. Las especificaciones sísmicas vigentes requieren de la consideración de las deformaciones del panel nodal y plantean verificaciones de la resistencia del mismo, sin embargo los modelos de análisis usualmente no incluyen una representación explícita de dicha zona. Los modelos de barra que se emplean normalmente en el análisis de pórticos no arriostrados (ver Figura 4-9) permiten deter- minar las solicitaciones en vigas y columnas pero no de- finen las solicitaciones en el panel nodal.
Fig. 4-11. Esfuerzos en el panel nodal, (a) M, N y V, y (b) esfuerzos donde los momentos han sido reemplaza- dos por cuplas equivalentes. Fig. 4-12. Geometría de la conexión viga-columna, con indicación de las dimensiones y espesores. Desde el punto de vista práctico, la Ecuación 4- puede simplificarse ignorando el corte Vc debido a que disminuye la fuerza requerida en el panel y es desprecia- ble frente a los otros términos. Además, en los casos usuales ambas vigas son iguales, de modo que: ( ) ( b f ) c b f p d t M V d t M V (4-4) donde M = M 1 +M 2 es el momento total en los extremos de las vigas. Hasta la década de 1990 los nudos se diseñaban para permanecer en rango elástico de modo que se adoptaba M 1 = M 2 = Mp, con el objeto de obtener paneles fuer- tes y concentrar las deformaciones plásticas en las ró- tulas de vigas. Estudios experimentales posteriores mos- traron que la fluencia controlada en el panel nodal puede disipar energía en forma adecuada. Sin embargo, se ha comprobado que la fluencia del panel disminuye el fac- tor de sobrerresistencia (^) o en comparación con pórticos que presentan nudos con paneles fuertes. Además, la ri- gidez lateral se reduce significativamente por la defor- mabilidad del panel nodal y no puede calcularse en forma precisa si se emplean modelos basados en ele- mentos de barras con nudos rígidos. Actualmente, las especificaciones AISC indican que la resistencia a corte requerida en el panel, como mí- nimo, debe determinarse a partir de la suma de los mo- mentos en las caras de la columna, considerando la pro- yección de los momentos máximo probables respecto de las caras de las columnas. Es decir, que al aplicar la Ecuación 4.4 debe considerarse M = Mpr. Mediante la aplicación de este criterio se busca controlar los pro- blemas de inestabilidad y otro efectos negativos por de- formación plástica excesiva del panel nodal (ver Figura 4.13). Fig. 4-13. Deformación del panel nodal y los efectos por deformación excesiva (INPRES-CIRSOC, 2000). La resistencia de diseño, (^) v Vn, donde (^) v =1.0, debe ser mayor que la resistencia requerida, para el caso del método LRFD. Es importante notar que en este caso se asume que el factor de resistencia es igual a 1.0 debido (a) (b) V 1 M 1 V 2 M 2 V 3 = Vc M 3 P 3 V 4 M 4 P 4 V (^1) V 2 M 3 / 0.95 dc P 3 V 4 P 4 M 3 / 0.95 dc M 1 / 0.95 dc M 1 / 0.95 dc M 2 / 0.95 dc M 2 / 0.95 dc M 4 / 0.95 dc4 M 4 / 0.95 dc V 3 = Vc Vista lateral Corte A-A
A
A
a que la resistencia requerida se determina a partir de conceptos del diseño por capacidad. La resistencia no- minal del panel nodal sometido a corte, Vn, puede deter- minarse a partir de las siguientes expresiones (AISC 2016b): a. Cuando el efecto de la deformación del panel no es considerado en el análisis de la estabilidad del pórtico: Si Pr 0.4 Pc : V (^) n 0. 60 Fydct p (4-5a) Si Pr > 0.4 Pc: c r
P
P
Vn 0. 60 Fydctp 1. 4 (4-5b)
b. Cuando la estabilidad del pórtico y el efecto de la deformación plástica del panel nodal son consi- derados en el análisis (Krawinkler et al., 1975): Si Pr 0.75 Pc: b c p cf cf n y c p
d d t
b t
V F d t
2 (4-5c) Si Pr > 0.75 Pc: c r 2
P
1.2 P
b c p cf cf n y c p
d d t
b t
V F d t
(4-5d) donde 0.6Fy representa la tensión de fluencia por corte, Pr es la carga axial requerida, Pc = 0.6 Py =0.6 Fy Ag, tp es el espesor total del panel nodal, incluyendo placas de refuerzo, (si no hay placas de refuerzo tp=tw) y los res- tantes parámetros geométricos se definen en la Figura 4-
- Las Ecuaciones 4-5 representan la resistencia nomi- nal a corte, mediante la consideración de la fluencia del alma (representada por el área dc tp) más la contribución de las alas de las columnas, asumiendo comportamiento elástico. Para incrementar la resistencia a corte se pueden dis- poner placas de refuerzo (doubler plates) con lo que se incrementa el espesor tota del panel nodal, tp, y por ende la resistencia nominal, como se indica en la Figura 4- (donde se muestran cortes de la columna en la zona del panel nodal). El espesor de las placas de refuerzo no debe ser inferior a 6mm. Las placas se unen mediante soldadura de ranura con penetración parcial (PJP) o de filete, en el caso que las placas estén en contacto con el alma de la columna; si están separadas se emplea solda- dura de penetración completa (CJP) o de filetes. Es im- portante destacar que el detalle de la Figura 4-14(c) evita realizar soldaduras en las áreas-k, con las ventajas que ello implica (ver Sección 3.5.3). Finalmente, es necesario verificar que el espesor mí- nimo de las placas que componen el panel nodal, t, cum- pla con la condición indicada por la Ecuación 4.6 para prevenir el pandeo local:
t dz^ w^ z (4-6)
En esta ecuación empírica dz y wz representan las dimen- siones del panel nodal, como se ilustra en la Figura 4-
Fig. 4-14. Placas nodales de refuerzo con soldadura de ranura o soldadura de filete. La Ecuación 4-6 verifica en forma individual el es- pesor del alma de la columna o de las placas nodales de refuerzo, el que sea menor, para controlar efectos de pandeo local. En los casos en que se usan placas nodales de refuerzo y la condición definida por la Ecuación 4- no se verifica, se puede usar soldadura de tapón para co- nectar las placas entre sí, como se muestra en la Figura 4-15. De esta forma se puede considerar el espesor total (t = tp) para verificar la condición de espesor límite. Se recomienda colocar las soldaduras de tapón de modo de dividir la placa en paneles rectangulares. Otra alterna- tiva sería el uso de rigidizadores diagonales como una solución válida para reforzar y restringir las deformacio- nes en el panel nodal. Sin embargo, esta alternativa no ha sido completamente validada en forma experimental, de modo que no se incluye en las especificaciones AISC. En los casos en que no es necesario colocar placas de continuidad (según se indicó en la anterior), pero si se requieren placas nodales de refuerzo, las mismas deben extenderse 150 mm como mínimo, por encima y por
del momento el módulo plástico correspondiente a la sección reducida. Fig. 4-17. Criterio para la determinación del momento adicional Muv originado por el corte actuando en el centro de la rótula plástica. La condición de resistencia definida por la Ecuación 4-7 no es aplicable para en los siguientes casos: Columnas con Pu > 0.3Py en edificios de 1 piso, o en el piso superior de edificios de varios niveles. Columnas con Pu > 0.3Py que además cumplen re- quisitos especiales de resistencia a corte según se de- talla en la Sección E3.4a de ANSI/AISC 341-16. Columnas de cualquier piso del edificio donde se ve- rifica que la relación entre la resistencia a corte dis- ponible y la resistencia a corte requerida es 50% ma- yor que en el piso ubicado por encima. 4.2.7 Restricción lateral en conexiones Las columnas deben contar con arriostramientos desti- nados a restringir la rotación fuera del plano del pórtico, particularmente cuando se espera que se desarrollen de- formaciones plásticas en el panel nodal o en sus adya- cencias. Se distinguen dos casos: a. Conexiones arriostradas: los nudos viga-columna usualmente están restringidos lateralmente por la pre- sencia de losas, techos o diafragmas horizontales. Las alas de la columna en los nudos requieren soporte la- teral sólo a nivel del ala superior de las vigas en los casos en que las almas de vigas y columna son copla- nares y que las columnas permanecen elásticas fuera del panel nodal. Se considera que se cumple esta úl- tima condición cuando la relación de resistencia entre columnas y vigas definida por la Ecuación 4-7 es ma- yor que 2.0. Recomendaciones previas indicaban un valor de 1.25 para este límite. Sin embargo, resulta- dos de análisis nolineales indican que, bajo terremo- tos severos, se pueden formar rótulas plásticas en las columnas con valores de la relación de resistencia superiores a 1.25, razón por lo que se aumentó ese límite. Cuando no puede asegurarse que las columnas permanecerán elásticas fuera del panel nodal, deben restringirse lateralmente las alas de la columna a nivel del ala superior e inferior de las vigas. La restricción lateral se logra mediante la losa de piso, diafragmas horizontales, riostras o indirectamente con rigidiza- dores. Los elementos usados para restringir lateral- mente las columnas deben diseñarse para resistir una fuerza igual al 2% de la resistencia del ala de la viga, esto es 0.02 Fy bf tbf. b. Conexiones no arriostradas: este es un caso poco frecuente en estructuras de edificios, para el cual se requieren condiciones especiales a verificar. Los detalles de la verificación y requisitos para asegurar la estabilidad de la conexión viga-columna se presentan en la Sección E3.4c de ANSI/AISC 341-16. 4.2.8 Restricción lateral en vigas Los elementos de arriostramiento lateral deben dise- ñarse para cumplir con los requerimientos de miembros de alta ductilidad. De modo que deben aplicarse las con- diciones de resistencia y rigidez definidas en el Apén- dice 6 de las especificaciones ANSI/AISC 360-16, cu- yos aspectos principales se presentan en la Sección 3.5.4. Adicionalmente deben disponerse arriostramien- tos laterales en zonas de concentración de esfuerzos, cambios de sección y zonas donde el análisis indique que se pueden localizar rótulas plásticas. 4.3 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS INTER- MEDIOS 4.3.1 Aspectos generales Los pórticos no arriostrados intermedios son los que pre- sentan capacidad de disipación de energía moderada (ductilidad limitada) , a partir de la formación de rótulas plásticas y de la fluencia de la zona panel en las colum- nas. Acorde a ello, se diseñan con un factor de modifi- cación de respuesta menor que los pórticos especiales (R=4.5 en los reglamentos norteamericanos). Las especificaciones sísmicas AISC vigentes indican los requisitos propios que deben cumplir los pórticos in- termedios, que en este caso son menos estrictos que para los pórticos especiales. Se requiere también del uso de conexiones precalificadas y los extremos de las vigas se consideran como zonas protegidas. 4.3.2 Conexiones viga-columna Las conexiones viga-columna de pórticos no arriostra- dos intermedios que forman parte del sistema Rótula plástica dc Lp Vu
sismorresistente de una construcción deben cumplir con las siguientes condiciones: La conexión debe ser capaz de soportar las rotacio- nes plásticas correspondiente a un nivel de distorsión de piso total de 0.02 radianes. 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 0.02 radianes. La resistencia a corte requerida de la conexión, por efecto sísmico, debe determinarse a partir de la ac- ción sísmica limitada por capacidad: Ecl = 2 (1.1 Ry Mp) / Lh (4-10) En las conexiones de pórticos intermedios deben considerarse como soldaduras de demanda crítica los mismos casos que los indicados para los pórticos espe- ciales. 4.3.3 Placas de continuidad Las placas de continuidad en pórticos no arriostrados in- termedios deben cumplir con las mismas condiciones que en el caso de pórticos especiales (ver Sección 4.2.3). 4.3.4 Panel nodal No se requieren verificaciones o criterios adicionales para los paneles nodales de pórticos intermedios, salvo lo indicado como en las especificaciones ANSI/AISC 360-16 para edificios comunes. 4.3.5 Relación anchura-espesor para vigas y co- lumnas Las vigas y columnas de pórticos intermedios deben di- señarse con las condiciones establecidas para miembros de ductilidad moderada. De modo que las secciones de- ben cumplir con las relaciones anchura-espesor límite indicadas en la Tabla D1.1 de ANSI/AISCE 341-16. 4.3.6 Restricción lateral en vigas Los elementos de arriostramiento lateral deben dise- ñarse para cumplir con los requerimientos de miembros de ductilidad moderada. De modo que deben aplicarse las condiciones de resistencia y rigidez definidas en el Apéndice 6 de las especificaciones ANSI/AISC 360-16, cuyos aspectos principales se presentan en la Sección 3.5.4. Adicionalmente deben disponerse arriostramien- tos laterales en zonas de concentración de esfuerzos, cambios de sección y zonas donde el análisis indique que se pueden localizar rótulas plásticas. 4.4 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS ORDI- NARIOS 4.4.1 Aspectos generales Los pórticos no arriostrados ordinarios o convencionales se diseñan con una mínima capacidad de deformación inelástica, menores que las esperadas en pórticos espe- ciales o intermedios. Por esta razón, muchas de las res- tricciones y condiciones descriptas previamente no se aplican a los pórticos ordinarios. El factor de modifica- ción de respuesta es reducido debido a la menor capaci- dad de disipar energía que presenta este tipo de pórticos. Los reglamentos norteamericanos adoptan R=3.5. No se designan zonas protegidas en este tipo de pórticos no arriostrados. 4.4.2 Conexiones viga-columna Las conexiones viga-columna deben realizarse con sol- dadura o pernos de alta resistencia. Estas conexiones pueden ser completamente restringidas (fully restrained, FR) o parcialmente restringidas (partially restrained, PR). Su diseño se basa en la verificación de resistencia mediante procedimientos analíticos y detalles construc- tivos indicados en las especificaciones, de modo que no es necesaria la validación experimental. Las conexiones totalmente restringidas son aquellas que pueden transferir el momento flector con una rota- ción despreciable entre los componentes conectados. Cuando estas conexiones forman parte del sistema sis- morresistente, la resistencia requerida se puede determi- nar por alguno de los siguientes criterios: La resistencia requerida a flexión se determina a par- tir de la resistencia esperada como 1.1 Ry Mp. La re- sistencia a corte requerida de la conexión, por efecto sísmico, debe determinarse a partir de la acción sís- mica limitada por capacidad: Ecl = 2 (1.1 Ry Mp) / Lcf (4-10) donde Lcf es la luz libre de la viga. La conexión se diseña para resistir el momento y corte máximo que el sistema puede transferir a la co- nexión, considerando los efectos de la sobrerresis- tencia del material y el endurecimiento por deforma- ción. Existen distintos casos donde la resistencia de las columnas o la resistencia de las fundaciones para resistir el momento de vuelco pueden limitar el mo- mento máximo en las vigas y, consecuentemente, no puede desarrollarse su resistencia real a flexión. La conexión se diseña de acuerdo a criterios requeri- dos para pórticos no arriostrados especiales o inter- medios, o bien se satisfacen criterios adicionales in- dicados en la Sección E1.6b(c) de ANSI/AISC 341-
Las conexiones parcialmente restringidas son aque- llas que presentan capacidad para transferir momento flector, pero se produce una rotación no despreciable
alas, por ejemplo) y por ende el momento plástico de la misma. En las conexiones reforzadas la rótula plástica se produce a una distancia s (ver Figura 4-18) medida a par- tir del borde de las placas o cartelas de refuerzo; resulta- dos experimentales indican que s varía entre 1/3 y 1/4 de la altura total de la viga db (Bruneau et al, 1998). En el caso de conexiones con sección de viga reducida la ró- tula plástica se ubica en correspondencia con el centro de la zona reducida. En distintas verificaciones, como por ejemplo al determinar la relación entre la resistencia flexional de columnas y vigas, se requiere calcular el momento flector en la cara de la columna, Mf = Mp + x V, de acuerdo con el diagrama de cuerpo libre indicado en la Figura 4-18 (b). Es importante aclarar que la configuración de rótulas plásticas ilustrada en la Figura 4-18 es válida en pórticos donde el efecto de la carga gravitatoria sobre las vigas es reducido. Puede considerarse, aproximadamente, que esta situación se cumple cuando la demanda flexional en la viga debida a la carga gravitatoria es menor que el 30% del momento plástico. (FEMA 2000a). Caso con- trario, la presencia de cargas gravitatorias elevadas puede modificar la posición de las rótulas plásticas y en casos extremos podría cambiar el mecanismo de defor- mación plástica o mecanismo de colapso. Es por ello que resulta necesario realizar un análisis detallado para de- terminar la posición de las rótulas y el tipo de meca- nismo esperado. Se han desarrollado numerosos detalles para cone- xiones reforzadas mediante placas triangulares o rectan- gulares dispuestas en las alas de la viga, rigidizadores o cartelas de distintas formas, usando como medios de unión pernos, cordones de soldadura o una combinación de ambos. Algunas de las conexiones propuestas se en- cuentran protegidas por patentes comerciales, según se detalla más adelante. Luego del terremoto de Northridge, USA, 19994, se propusieron numerosas alternativas, algunas de las cua- les se muestran en las Figuras 4-19 y 4-20, en las que se usaron juntas apernadas y soldadas, con distintos tipos de placas de refuerzo (cover plates), cartelas o rigidiza- dores para reforzar la conexión viga-columna y se des- plazar la rótula plástica desde el extremo hacia el interior de la viga. En el caso particular de la Figura 4-19 (a) la placa de refuerzo inferior es de forma rectangular para servir de apoyo a la viga durante el montaje y facilitar la soldadura desde arriba hacia abajo, mientras que la placa superior es de forma trapezoidal. Este tipo de conexión puede construirse con la unión de alma soldada (en lugar de usar pernos) con lo que puede reducirse el espesor de las placas de refuerzo en las alas. Fig. 4-19. Ejemplos conexiones con placas de refuerzo propuestas inicialmente (Bruneau et al., 1998). Las conexiones con rigidizadores y cartelas triangu- lares, como la mostrada en la Figura 4-20 (a) y (b) fueron propuestas no solo para construcciones nuevas sino tam- bién para la rehabilitación de pórticos existentes. En las situaciones usuales el uso de la cartela o rigidizadores en el ala superior representa una complicación que dificulta la construcción de los entrepisos. Se han desarrollado también conexiones similares a las indicadas en la Fi- gura 4-20, pero usando pernos como único medio de unión en obra, con lo cual se tiene la ventaja de agilizar el proceso de montaje y evitar las soldaduras en esa etapa de la construcción. (a) Conexión con placas de refuerzo (b) Conexión con placas la- terales Columna Chapa de refuerzo superior Zona de rótula plástica Viga Chapa de refuerzo infe- rior (rectangular) Columna Placa lateral Viga Placa lateral
Fig. 4-20. Ejemplos de conexiones con cartelas pro- puestas inicialmente (Bruneau et al., 1998) Muchas de las soluciones propuestas inicialmente no se aplican en la actualidad por diversas razones, como por ejemplo, no se realizaron suficientes ensayos cícli- cos para su calificación, no mostraron un adecuado com- portamiento, presentaron dificultades constructivas (au- mentado su costo), etc. Es por ello hoy se requiere el uso de las conexiones precalificadas que se describen en la próxima sección. 4.6.2 Conexiones precalificadas ANSI/AISC 358 El reglamento ANSI/AISC 358-16, Prequalified Connec- tions for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (AISC, 2016c), indica los crite- rios de diseño, detallado y fabricación para conexiones precalificadas. Los miembros a conectar deben cumplir con estrictos requerimientos para asegurar que se pue- den desarrollar las deformaciones inelásticas necesarias. Este reglamento, en su última versión del año 2016, incluye diez conexiones precalificadas diferentes, las que pueden usarse en pórticos especiales e intermedios: Conexión viga reducida (RBS, Reduced Beam Sec- tion). Conexión con placa de extremo extendida apernada no rigidizada (BUEEP, Bolted Unstiffened Extended End Plate). Conexión con placa extrema extendida apernada ri- gidizada (BSEEP, Bolted Stiffened Extended End Plate) Conexión con placa apernada al ala (BFP, Bolted Flange Plate). Conexión con ala soldada no reforzada-alma soldada (WUF-W, Welded Unreinforced Flange-Welded web). Conexión Kaiser apernada (KBB, Kaiser Bolted Bracket), sistema patentado. Conexión ConXtech ConXL, sistema patentado. Conexión a momento con placas laterales Side- Plate, sistema patentado. Conexión Simpson-Tie Strong Frame, sistema pa- tentado. Conexión a momento Doble T (Double-tee momento connection). Todas las conexiones se consideran que son total- mente restringidas, con excepción de la conexión Sim- pson-Tie Strong Frame que es del tipo parcialmente restringida. En este último caso, se debe considerar en el modelo para el análisis estructural la relación fuerza-de- formación característica de la conexión. Los miembros que se vinculan mediante conexiones precalificadas pueden estar formados por perfiles lami- nados tipo W (secciones de ala ancha), o por secciones armadas, cuyas dimensiones y forma deben ser similares a la de una sección tipo W. En el caso particular de vigas de sección armada se requiere que las almas y las alas se conecten con juntas soldadas de penetración completa y que se agregue un par de cordones de refuerzo desde el extremo de la viga hasta una distancia no menor que la altura de la viga más allá de la zona de rótula plástica. Para las columnas ar- madas se contemplan cuatro casos, según se ilustra en la Figura 4-21, y se especifican requerimientos particulares para cada uno de ellos. El uso de secciones tubulares (hollow structural sec- tion, HSS) solo está permitido si se emplean conexiones ConXtech ConXL o SidePlate. Para una descripción más detallada y procedimientos de diseño el lector puede consultar las recomendaciones FEMA 350 (FEMA, 2000a), FEMA 355D (FEMA, 2000f) y AISC 358 (AISC, 2016c). En particular, en el documento FEMA 350 las conexiones precalificadas se agrupan en: (i) conexiones soldadas totalmente (a) Conexión con rigidiza- dores verticales (b) Conexión con cartelas Columna Detalle alternativo Rigidizador superior Viga Rigidizador inferior Columna Cartela superior (op- cional) Viga Cartela inferior
La principal ventaja de esta conexión es la rapidez del montaje y el hecho de evitar totalmente la soldadura en obra. Como desventaja puede mencionarse la posibi- lidad de alabeo de la placa de extremo por la soldadura, la baja tolerancia a errores en la longitud de la viga y el eventual desarrollo del efecto de palanca (prying forces) debido a los esfuerzos de tensión en los pernos. (a) (b) (c) Fig. 4-24. Conexiones con placa de extremo extendida, (a) con rigidizadores y 8 pernos, (b) con rigidizadores y 16 pernos, y (c) sin rigidizadores y 8 pernos (AISC 2016c). 4.6.5 Conexión con placa apernada al ala (BFP) Esta conexión utiliza placas de acero soldadas al ala de la columna y apernadas a la viga. Las placas superior e inferior deben ser iguales y se sueldan mediante solda- dura de ranura con penetración completa (CPJ) y la junta apernada se realiza con pernos de alta resistencia. La Fi- gura 4-25 muestra un esquema y una fotografía de esta conexión. Fig. 4-25. Conexiones con placa apernada al ala. 4.6.6 Conexión con ala soldada no reforzada-alma soldada (WUF-W Previo al terremoto de Northridge, el tipo de conexión viga-columna más frecuente consistía en soldar las alas de la viga directamente a la columna, mediante cordones de penetración completa, mientras que el alma de la viga se conecta con pernos usando una planchuela adicional soldada al ala de la columna. Este tipo de conexión, co- nocida como pre-Northridge, demostró un inadecuado comportamiento, debido fundamentalmente a la ocu- rrencia de fracturas frágiles, las que se produjeron a ni- veles bajos de demanda plástica y, en algunos casos, aún en rango elástico. En la mayoría de los casos, las fractu- ras se iniciaron en los cordones de penetración completa que conectaban el ala de la viga con la columna. Una vez iniciadas, las fracturas se propagaban en formas diver- sas, afectando distintas partes de la conexión. Actualmente es posible utilizar una conexión simi- lar, pero con ciertos detalles especiales que mejoran su comportamiento, denominada conexión con ala soldada no reforzada-alma soldada (welded unreinforced flangewelded web moment connection, WUF-W), Fi- gura 4-26. Es importante notar que se requiere el uso del detalle indicado en la Figura 4-7 para los agujeros de ac- ceso de soldadura. Los pernos sirven como elementos auxiliares para el montaje, mientras se realizan en obra
las soldaduras en las alas y alma de la viga. Esta cone- xión ha sido verificada experimentalmente, por lo cual la recomendación FEMA 350 (2000a) la incluye como conexión apta para pórticos no arriostrados. Posterior- mente, el documento ANSI/AISC 358-16 también in- cluyó esta conexión como precalificada para pórticos in- termedios y especiales. La principal ventaja de esta co- nexión es su sencillez constructiva y el costo reducido frente a otro tipo de conexiones, particularmente las re- forzadas. Fig. 4-26. Conexión con ala soldada no reforzada- alma soldada. La recomendación FEMA 350 (2000a) incluye una conexión similar a la descripta en la Figura 4-26, con la diferencia que la unión del alma es apernada, denomi- nada conexión ala soldada no reforzada-alma apernada (welded unreinforced flangebolted web moment con- nection, WUF-B). Esta conexión está precalificada para pórticos ordinarios y no se incluye en el reglamento ANSI/AISC 358-16. 4.6.7 Conexión Kaiser apernada (KBB) Debido al requerimiento reglamentario de usar conexio- nes precalificadas, se han desarrollado en EEUU varios sistemas protegidos por patentes comerciales, los que se han aplicado en forma creciente en la última década. Una de estas conexiones es la denominada Kaiser, la cual utiliza pernos como medio principal de unión (ver Figura 4-27). La conexión entre las alas de la viga y el ala de la columna se realiza mediante dos piezas espe- ciales de acero de alta resistencia. El sistema de cone- xión está precalificado para ser usado en pórticos espe- ciales (con limitaciones cuando se usan losas de hormi- gón) e intermedios. Fig. 4-27.Conexión Kaiser con soportes de alta re- sistencia apernados (a) esquema (AISC, 2010c) e ima- gen de una conexión real ( Cordova y Hamburger, 2011 ). 4.6.8 Conexión ConXtech ConXL Finalmente, en la Figura 4-28 se presenta la conexión patentada por la empresa ConXtech para el caso de co- lumnas formadas por tubos cuadrados o secciones cajón, rellenos de hormigón. Sobre la columna, se monta en obra una anilla de alta resistencia que permite la cone- xión con las vigas que llegan al nudo (las que deben te- ner todas la misma altura nominal). El sistema puede usarse con vigas de sección reducida (como se indica en las Figuras 4-22 y 4-23), o bien con vigas sin reducción, según los requerimientos del caso. Una ventaja del sis- tema es que las partes integrantes de la anilla de sujeción se sueldan totalmente en taller a los extremos de cada viga y en las esquinas de la columna y luego en obra se completa la conexión usando solamente pernos. Pletina simple para soldadura de alma Soldadura de penetración completa Bulones de montaje Agujero para acceso de soldadura
horizontal como vertical. Estos estudios muestran tam- bién que un porcentaje significativo (de hasta el 50%) del esfuerzo de corte vertical en la viga se trasmite por las soldaduras de alma. Por lo tanto, las ranuras del alma permiten modificar significativamente el complejo es- tado tensional en esa zona, aliviando la concentración de tensiones en el extremo. Las alas resisten el momento flector, casi en su totalidad, mientras que el esfuerzo de corte es transferido a través del alma. Además, se redu- cen las tensiones residuales por soldadura, debido que las alas de la viga no están restringidas por el alma. La conexión con ranuras en el alma está protegida por una patente comercial. Fig. 4-30. Conexión Tubo-Viga Reforzada precalifi- cada en Colombia (Delgado Rojas et al. 2017) Fig. 4-31. Conexión con ranuras en el alma (FEMA, 2000a). Otro ejemplo es la conexión articulación-fusible (pin-fuse joint), sistema patentado que se muestra en la Figura 4-32, la que cuenta con dos placas curvas (una vinculada al extremo de la viga y la otra al ala de la co- lumna) que se vinculan entre sí mediante pernos por des- lizamiento crítico. Entre las placas curvas se dispone una delgada placa de bronce. La conexión se comporta como totalmente restringida ante acciones de viento y sismo de mediana intensidad. Sin embargo, ante un sismo se- vero las superficies curvas pueden deslizar, permitiendo el giro de la articulación y, de esa forma, la disipación de energía por fricción. Fig. 4-32. Conexión articulación-fusible (Cordova y Hamburger, 2011). La mayoría de los tipos de conexiones descriptas previamente son aplicables para las situaciones más usuales, en las que las vigas y columnas del pórtico están formadas por secciones I. En los casos en los que se usan otros tipos de secciones, por ejemplos columnas tu- bulares o con sección cajón, deben aplicarse los criterios generales para el diseño de conexiones y seguir el pro- cedimiento de precalificación requerido por las especi- ficaciones (Chen et al., 2006). Al respecto, resulta in- teresante describir algunas conexiones usadas en Japón para estos casos. La Figura 4-33 muestra tres conexiones diferentes para el caso de columnas tubulares y sección cajón. En el caso (a), la columna se corta en la zona de la conexión para soldar en taller dos placas horizontales, que luego se conectarán con las vigas. En el caso (b), las placas se disponen en el interior de columnas, las que necesariamente están formadas por una sección cajón ar- mada, mientas que en el caso (c) las placas rodean la co- lumna y se sueldan a la misma en taller. En los casos (a) y (c) la columna puede ser un tubo de sección cuadrada o rectangular.
Fig. 4-33. Conexiones usadas en Japón para columnas tubulares o de sección cajón, (a) con placa a través de la columna, (b) con placa interior, y (c) con placa alre- dedor del nudo (Bruneau et al., 2011). (a) (b) (c)
