Comparacin de secciones obtenidas para conexin viga-columna de acero mediante diseo convencional y por software

 

Fragility fracture and its relationship with Vitamin D deficiency

 

Comparao de sees obtidas para ligao viga-pilar de ao por dimensionamento convencional e por software

 

Flor Mara Barcia-Vera I
fbarcia9014@utm.edu.ec
https://orcid.org/0009-0003-6378-6426

,Jhon Jairo Vivero-Quinde II
jvivero3465@utm.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-7255-7741
Marcos Geovanny Zevallos-Loor III
marcos.zevallos@utm.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-7979-8363
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: fbarcia9014@utm.edu.ec

Ciencias de la Educacin

Artculo de Investigacin

 

 

* Recibido: 30 de noviembre de 2023 *Aceptado: 14 de diciembre de 2023 * Publicado: 31 de enero de 2024

 

        I.            Universidad Tcnica de Manab, UTM, Portoviejo, Ecuador.

      II.            Universidad Tcnica de Manab, UTM, Portoviejo, Ecuador.

   III.            Magister en Ciencias Mencin Energa, Magister en Ciencias de la Ingeniera Mencin Estructuras, Ingeniero Civil, Instituto de Posgrado, Docente de la Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.

 


Resumen

Dentro del diseo estructural hay diversos factores a tener en cuenta, aunque hay dos que resaltan y, es importante considerar, seguridad y economa, es por esto que surge la duda de cul es el mtodo ptimo para el diseo de una conexin viga-columna, el mtodo convencional de clculo, haciendo un trabajo manual, en el que los datos, procesos y resultados son propuestos y realizados por el diseador; o el diseo por software, en que al ingresar los datos necesarios, el programa desarrolla un solo proceso para arrojar un resultado grfico y en el que es posible modificar la seccin de acuerdo a nuestros requerimientos, todo esto cumpliendo con los requisitos de la AISC 358-16. Los resultados obtenidos permitieron determinar el mtodo de diseo ms favorable, y recomendar el uso de ambos mtodos de la mano.

Palabras Clave: Diseo; Optimizacin; Estructuras; Modelacin.

 

Abstract

Within the structural design there are various factors to take into account, although there are two that stand out and, it is important to consider, safety and economy, which is why the question arises as to what is the optimal method for the design of a beam-column connection, the conventional calculation method, doing manual work, in which the data, processes and results are proposed and carried out by the designer; or software design, in which when entering the necessary data, the program develops a single process to produce a graphic result and in which it is possible to modify the section according to our requirements, all of this complying with the requirements of AISC 358. -16. The results obtained allowed us to determine the most favorable design method, and recommend the use of both methods hand in hand.

Keywords: Design; Optimization; Structures; Modeling.

 

Resumo

Dentro do dimensionamento estrutural existem vrios factores a ter em conta, embora existam dois que se destacam e, importante considerar, a segurana e a economia, por isso surge a questo de saber qual o mtodo ptimo para o dimensionamento de um ligao viga-coluna, mtodo de clculo convencional, com trabalho manual, em que os dados, processos e resultados so propostos e executados pelo projetista; ou desenho de software, em que ao inserir os dados necessrios, o programa desenvolve um nico processo para produzir um resultado grfico e no qual possvel modificar a seo de acordo com nossas necessidades, tudo isso atendendo aos requisitos da AISC 358. - 16. Os resultados obtidos permitiram-nos determinar o mtodo de dimensionamento mais favorvel e recomendar a utilizao de ambos os mtodos em conjunto.

Palavras-chave: Design; Otimizao; Estruturas; Modelagem.

 

Introduccin

En el mundo globalizado y en constante desarrollo de hoy, la escasez de materias primas y la creciente demanda de estos materiales estn empujando a los ingenieros a reducir la cantidad de material utilizado en las estructuras. Esto ayuda a conservar los recursos naturales y a reducir la cantidad de material utilizado en la construccin, lo mismo que conlleva a la reduccin de gastos innecesarios; de la misma forma, esto afecta indirectamente a otros aspectos, como el transporte y el ensamblaje, y el consumo de combustibles y energa no renovables. (ESCOBAR, 2019). Debido a esto surge la necesidad de que, durante un diseo estructural, se puedan optimizar las dimensiones de los elementos, y aprovechar los avances tecnolgicos que tenemos hoy en da.

Por otra parte, dentro de la industria de la construccin, el acero ha ido tomando cada vez ms relevancia frente a otros mtodos constructivos ms tradicionales, y no es de extraar puesto que las propiedades que este presenta como su facilidad de montaje, su resistencia, su ductilidad, entre otras, lo convierten en un material idneo para su implementacin en sistemas estructurales (Criollo, 2020).

Ahora bien, para la elaboracin del diseo de un sistema estructural, en la mayora de zonas del Ecuador es necesario cumplir con los requisitos ssmicos mnimos que se encuentran en la Norma Ecuatoriana de la Construccin (NEC), con el fin de poder resistir las altas demandas ssmicas de la zona en la que se encuentra el Ecuador (QUINAPALLO, 2021). Estos sistemas estructurales resistentes a demandas ssmicas, son mejor conocidos como sistemas conformados por prticos resistentes a momentos (SMF o Special Moment Frame por sus siglas en ingls). Una de las caractersticas de los SMF es su alta ductilidad, caracterstica deseada para que durante un evento ssmico la deformacin inelstica de la conexin viga-columna, sea controlada por la fluencia de la viga, precisamente en forma de rtulas plsticas cercanas a la conexin. (SANCHEZ, 2022).

Es importante aadir que, dentro de ingeniera en diseo y construccin, una conexin viga-columna, hace referencia al punto de unin entre dos elementos estructurales, siendo estos una columna y una viga, esta es de vital importancia puesto que proporciona estabilidad y resistencia a toda la estructura, y es la encargada de garantizar que la carga transferida entre estos elementos sea distribuida de la manera adecuada para que la estructura pueda resistir las fueras a las que se ve sometida.

Por consecuente, las estructuras de acero, son diseadas con conexiones que han sido previamente evaluadas y certificadas de acuerdo a estndares y validadas por las normativas con un rendimiento adecuado, asegurando resistir las cargas aplicadas, y comportarse de manera predecible bajo la accin de determinados eventos, estas conexiones son conocidas como Conexiones Pre-Calificadas; las mismas estn diseadas para cumplir los criterios de calidad propuestos por las Provisiones Ssmicas para Edificaciones de Acero Estructural del AISC, misma que, rigen el diseo, fabricacin y montaje de conexiones, estructuras y otros elementos de acero estructural, aplicada, para el diseo de estructuras de acero estructural resistentes a fuerzas ssmicas. Estas nacen luego del sismo de Northridge de 1994, en el que varios edificios de acero con prticos especiales experimentaron fracturas frgiles, algunas de las cuales se iniciaron en las juntas soldadas de las alas de las vigas a las alas de las columnas de las conexiones a momento. Estas fracturas frgiles mostraron una diferencia respecto al comportamiento de fluencia dctil que se esperaba en las zonas de articulaciones plsticas de las vigas, e impidieron la formacin de zonas de articulaciones plsticas dctiles, resultando en un desempeo ssmico muy diferente a los requerimientos de diseo en los que se basaban estos sistemas (ANSI/AISC 358-05). Debido a esto la Agencia Federal para el Manejo de Emergencia de los Estados Unidos de Norteamrica (FEMA), proporcion fondos a una agrupacin de universidades y asociaciones denominada Junta Empresarial SAC, que bajo el auspicio del Grupo Empresarial SAC, la AISC, AISI, AWS y otros grupos industriales condujeron una amplia investigacin durante seis aos para determinar las causas de los daos ocurridos en el Sismo, y las medidas que se necesitan para reducir la probabilidad de este tipo de daos en eventos de tal magnitud en el futuro (NEC, 2015).

Cmo se mencion, para el diseo de estas conexiones se toma en cuenta la normativa AISC 358-16, en la que se menciona las caractersticas que debe tener una estructura para seleccionar el tipo de conexin adecuada, as como el proceso de diseo s a seguir; por otra parte actualmente existen muchos softwares de diseo estructural que con un manejo adecuado generan soluciones para el diseo de todo tipo de elementos, pudiendo mediante simulacin conocer el comportamiento mecnico del elemento y consecuentemente optimizar la geometra del mismo.

Debido a esto, dentro del presente trabajo, se realiz la comparacin entre las secciones obtenidas entre la modelacin y el clculo manual, para as, determinar el mtodo ms eficiente para el diseo estructural, que cumpla con el obtener secciones ptimas tanto en capacidad como en economa, adecuados para el usuario y de acuerdo a lo establecido en la normativa.

 

Mtodo

La presente investigacin se llev a cabo mediante un enfoque cuantitativo con un alcance descriptivo y correlacional. El objetivo principal fue analizar la variacin en la cantidad de acero requerido para la conexin interna viga-columna de acero, utilizando dos mtodos de diseo diferentes: el diseo convencional y el diseo asistido por software. Se utiliz un enfoque de diseo estructural, aplicando la tcnica de modelacin de elementos. Esta tcnica permiti representar de manera precisa el comportamiento estructural de la conexin viga-columna. Se emple el software IDEA StatiCa como herramienta de trabajo para llevar a cabo la modelacin y anlisis estructural.

La metodologa propuesta const de los siguientes pasos:

Recopilacin de informacin

Se realiz una revisin completa de la literatura tcnica y normativa relacionada con el diseo de conexiones de viga-columna de acero. Esto incluy revisar los cdigos de diseo, las normas de construccin y los estudios previos pertinentes.

Definicin de parmetros

Las cargas de diseo, las caractersticas de los materiales y las caractersticas geomtricas de los perfiles son parmetros importantes que afectaron el diseo de la conexin de viga-columna. Tanto en el diseo convencional como en el diseo asistido por software, se emplearon estos parmetros.

Diseo convencional

Para el diseo de la conexin interna se sigue el procedimiento de la AISC 358-16 mediante una hoja de clculo. El diseo de la placa de conexin, comprende:

Clculo del momento mximo probable de la viga en la rtula plstica:

(1)

(2)

 

Donde: , es el esfuerzo de fluencia del acero de la viga; , es el esfuerzo ltimo del acero de la viga; , es la relacin de esfuerzos cedentes de la viga; , es el mdulo plstico de la seccin.

Clculo del dimetro del perno:

(3)

Donde: , es el ancho del ala de la viga; , es la relacin de esfuerzos a traccin del acero en la viga.

Luego se escoge un dimetro nominal que satisfaga la condicin.

Determinacin de las dimensiones de la placa:

Se asume un valor para el grosor de la placa, , y se toma un valor para el ancho de placa , para esto se debe tener en cuenta, el ancho del ala de la viga, el dimetro de los pernos y la distancia mnima a los bordes [Tabla 1]. De la misma forma, en este punto se determina el cortante nominal por perno, .

 

(4,5,6)

 

 

Tabla 1: Distancia Mnima al Borde, desde el Centro del Agujero Estndar hasta el Borde de la Parte Conectada, mm.

Dimetro Perno (mm)

Distancia Mnima al Borde

16

20

22

24

27

30

36

Ms de 36

22

26

28

30

34

38

46

1.25d

Fuente: AISC 358-16.

Donde: , es la resistencia nominal al cortante del perno; , es el rea nominal del perno; , es el espesor del ala de la viga.

Seleccin del nmero de pernos:

(7)

Donde: , es el factor de resistencia segn la norma ANSI / AISC 358, que se define como 0.90 para estados lmites no dctiles [8]; , es la altura de la viga.

Clculo de la localizacin de la articulacin plstica:

(8)

Donde: , es la distancia del primer perno al borde del ala de la columna; , es la distancia entre filas de pernos.

Determinacin de la fuerza cortante en la articulacin plstica:

(9)

(10)

(11)

Donde: , Distancia entre rtulas plsticas; , longitud de la viga entre ejes de columnas; , peralte de columna; , es el corte por capacidad en la rtula plstica; , Carga gravitacional mayorada sobre la viga.

Clculo del momento esperado en la cara de la columna:

(12)

Clculo de la fuerza en la plancha del ala debido al momento en la cara de la columna:

(13)

ix) Confirmacin del nmero de pernos:

(14)

Chequeo de la placa por cedencia a traccin:

(15)

Donde: , es el factor de resistencia segn la norma ANSI / AISC 358, que se define como 1,00 para estados lmites dctiles [9]; , es la altura de la viga.

Chequeo de la placa por ruptura a traccin:

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

Donde: , es el rea gruesa de la plancha de ala; ,corresponde al dimetro del agujero, mismo que se considera como el dimetro del perno, , ms un dieciseisavo de pulgada para perforaciones estndar; , rea neta de la plancha de ala; , rea efectiva de la plancha de ala; , es el factor por Rezago de Cortante; , es la resistencia nominal a la ruptura de la plancha de ala; , es el esfuerzo ltimo del acero de la placa; , es el factor de resistencia para estados lmites no dctiles.

 

Verificacin por bloque cortante de la plancha de ala y ala de la viga

a)      Verificacin por bloque cortante de la plancha de ala.

 


Figura 1: Casos posibles de mecanismos de falla por bloque cortante de la placa del ala

 

 

La resistencia de la plancha del ala se determina como el menor valor obtenido de los siguientes tres mecanismos de falla posibles:

Caso 1: Falla en el rea interna de la plancha de ala:

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Donde: , es el rea gruesa a corte; , es la distancia desde el centroide de la primera fila de pernos hasta el borde de la placa; , es el rea neta a corte; , es el rea gruesa a traccin; , es la distancia entre los centroides de dos pernos de una misma fila; , es el rea neta a traccin; , es un factor, que representa 1 para el esfuerzo de tensin uniforme, y 0.5 para esfuerzo de tensin no uniforme.

Caso 2: Falla en los bordes externos de la plancha de ala:

 

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

Donde: , es la distancia desde el centroide de un perno hacia el borde lateral prximo de la placa.

Caso 3: Falla en un rea extendida hasta uno de los bordes externos de la plancha de ala:

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

Donde: , es la distancia desde el centroide de un perno hacia el borde lateral lejano de la placa.

b)     Verificacin por bloque cortante del ala de la viga:

 

Figura 2: Mecanismo de falla posible por bloque cortante del ala de la viga

 

La resistencia para el estado lmite de ruptura por bloque cortante en el ala de la viga se determina en funcin al siguiente mecanismo de falla:

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

Donde: , es la distancia desde el borde del ala de la viga que est en contacto con la columna hasta el centroide de la ltima fila de agujeros para pernos; , es la distancia desde el centroide de un agujero para perno hacia el borde lateral prximo del ala de la viga.

Revisin de la plancha de ala por compresin:

(42)

(43)

(44)

(45)

Donde: , es la esbeltez de la plancha; , es el lmite de esbeltez de la plancha; , es el factor de longitud efectiva, que segn los requerimientos de la norma ANSI/AISC 358-16 al chequear el pandeo a compresin de la plancha del ala de la viga, se puede tomar este factor como 0.65; , corresponde a la longitud efectiva que se determina como la longitud libre desde la columna hasta el centro de la primera perforacin; , el radio de giro de la plancha; , inercia de la plancha; , rea de la plancha.

Al cumplirse la relacin de la ecuacin 38, se determina que se produce un pandeo inelstico, tambin se puede determinar con la ecuacin 41.

(46)

(47)

(48)

(49)

Donde: , parmetro de esbeltez que incluye las propiedades del material y las dimensiones del miembro; , tensin crtica de pandeo; , resistencia nominal a compresin; , factor cuyo valor es 0.9.

Determinacin del cortante resistente esperado en la rtula plstica:

El cortante resistente esperado se asume como la sumatoria del cortante gravitacional y el corte por capacidad generados en la rtula plstica, es decir:

(50)

Diseo de una placa de conexin a corte para el cortante resistente esperado:

Se propone un espesor para la conexin a corte, , que se chequea por los siguientes modos de falla:

Caso 1: Chequeo por cedencia en el rea gruesa de la plancha:

(51)

(52)

(53)

1.                  Caso 2.- Chequeo de la ruptura en el rea neta de la placa:

(54)

(55)

(56)

Caso 3: Chequeo por bloque cortante de la plancha:

 


Figura 3: Mecanismo de falla posible por bloque cortante de la plancha del alma de la viga

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

Donde: , rea gruesa a corte; , rea neta a corte; , rea gruesa a traccin; , rea neta a traccin; , es la distancia desde el centroide del perno superior hasta el borde inferior de la placa; , es la distancia desde el centroide de la fila de pernos hasta el borde lateral de la placa.

Revisin de necesidad de placa de continuidad:

Las placas de continuidad son necesarias al cumplirse la siguiente relacin:

(63)

En caso de ser necesarias, se procede con el diseo de las mismas.

Chequeo de la zona de panel:

La resistencia necesaria en la zona del panel se calcula mediante la adicin de las fuerzas generadas por los momentos mximos probables de las vigas, localizados en la cara de la columna. Esta suma se realiza restando el corte mximo esperado que afecta a la columna.


Figura 4: Fuerzas pertinentes que intervienen en el nudo para la revisin de la zona del panel.

 

a) Demanda en la zona del panel:

(64)

(65)

(66)

(67)

(68)

(69)

 

Donde: , momento esperado en la cara de la columna; , fuerza en la cara de la columna (en el centroide de la plancha del ala); , longitud libre de la columna; , corte esperado en la columna debido a la capacidad de las vigas; , sumatoria de momentos mximos probables de columnas; , momento resistente en la columna; , corte ltimo mnimo esperado en las columnas; , demanda por corte en la zona del panel.

b) Resistencia de la zona del panel:

(70)

si se cumple que,

(71)

Entonces,

(72)

Caso contrario,

(73)

Donde: , resistencia por corte en la zona del panel; , fuerza axial en la columna; , rea de la seccin transversal de la columna; , resistencia axial en fluencia de la columna; , resistencia a fluencia especificada de la columna; , espesor del alma de la columna.

c) Diseo de la plancha adosada al alma:

El refuerzo es necesario al cumplirse la siguiente relacin de demanda/capacidad:

(74)

(75)

si se cumple la relacin de la ecuacin (65) se tiene que,

(76)

caso contrario se tiene que,

(77)

Se propone un espesor para la plancha de refuerzo, la cual va soldada al alma de la columna,

(78)

(79)

Donde , es un factor de resistencia y es igual a 1; , demanda requerida para la plancha adosada al alma; , espesor requerido de cada plancha de refuerzo soldada en el alma; , espesor total del alma de la columna ms la plancha; , espesor mnimo requerido para el alma ms la plancha.

 

Diseo asistido por software

La modelacin de la conexin viga-columna se realiz con el software IDEA StatiCa. Se realiz un anlisis estructural completo y se introdujeron los parmetros previamente definidos. Segn los hallazgos, se determin la cantidad de acero necesaria para la conexin.

El diseo por software considera un mayor nmero de factores que el diseo convencional, como la resistencia del material, la rigidez de la conexin y la ductilidad. Estos factores son importantes para garantizar la seguridad y la eficiencia de la conexin.

IDEA StatiCa es un software de ingeniera estructural especializado que facilita el diseo y anlisis de conexiones metlicas en una variedad de aplicaciones de construccin. El proceso de trabajo de IDEA StatiCa comienza con el modelado de la conexin, donde los ingenieros definen las placas de brida, los pernos, las soldaduras y otros componentes. Luego, se aplican cargas a la conexin, como cargas axiales, momentos y fuerzas ssmicas, para evaluar su comportamiento bajo diversas condiciones de carga. El software realiza clculos avanzados utilizando el mtodo de elementos finitos para determinar cmo se comportar la conexin y verifica si cumple con los cdigos y estndares de diseo aplicables.

Lo que hace muy especial a este programa es que a diferencia de los programas estructurales clsicos este tiene implementada una metodologa de elementos finitos que viene de la industria aeroespacial, en donde, lo que se intenta hacer es mallados no tan finos y cada placa se malla por separado, permitiendo obtener resultados muy exactos y con una velocidad de clculo muy elevada haciendo que este programa sea prctico [8].

 

 

 

Comparacin de resultados

Los resultados del diseo convencional y del diseo asistido por software se compararon. La cantidad de acero necesaria para una conexin entre una viga y una columna vari segn el mtodo de diseo utilizado. Para evaluar la relacin entre los dos mtodos, se realizaron anlisis estadsticos y correlacionales.

 

Resultados y discusin

La estructura analizada [Figura 4], es un edificio de 3 plantas altas, al que se propuso realizar el diseo de una conexin interna a la que llegan dos vigas y dos columnas; de la misma forma para comparar de manera eficaz los cambios realizados en la modelacin, se dise una conexin externa a la que llegan una viga y dos columnas.


Figura 4: Estructura efecto de anlisis modelada en el software ETABS.

Las caractersticas propias del edificio, tales como materiales y dems se resumen en la Tabla 2.

 

 

 

Tabla2: Datos y caractersticas de la conexin diseada.

Caractersticas

Valores

Tipo de acero de las vigas y columnas

A572Gr50

Esfuerzo de fluencia del acero de las vigas (

345

Esfuerzo ltimo del acero de las vigas (

450

Perfil de la viga

IPE270O

Peralte de la viga

274

Ancho del ala de la viga

136

Espesor del ala de la viga

12.2

Espesor del alma de la viga

7.5

Curvatura entre el ala y el alma de la viga

Esfuerzo de fluencia del acero de las columnas (

345

Esfuerzo ltimo del acero de las columnas (

450

Perfil de la columna

HE260M

Peralte de la columna

290

Ancho del ala de la columna

268

Espesor del ala de la columna

32.5

Espesor del alma de la columna

18

Curvatura entre el ala y el alma de la columna

24

Longitud de la viga entre ejes de columna

4

Carga gravitacional mayorada sobre la viga

66.584

Relacin de esfuerzos cedentes de la viga [-

1.1

Relacin de esfuerzos a traccin del acero en la viga [-

1.1

Relacin de esfuerzos cedentes de la columna [-

1.1

Tipo de acero a utilizar en las planchas de la conexin

A36

Esfuerzo de fluencia del acero de las placas de la conexin (

250

Esfuerzo ltimo del acero de las placas de la conexin (

400

 

Al analizar estos datos y las restricciones para escoger una conexin precalificada [8], se resolvi utilizar una conexin BFP (Bolted Flange Plate) [Figura 5], estas conexiones estn conformadas por una placa en la parte superior y otra en la parte inferior de la viga que se conectan a esta ltima mediante la utilizacin de pernos de alta resistencia, mientras que la unin de estas placas a la cara de la columna se realiza con soldadura en el eje fuerte de la columna o bien en el eje dbil de la misma [9]; este tipo de conexiones se han utilizado convencionalmente en estructuras de acero para transferir tensin axial y momento flector. (Chen et al., 2022b)

 

 

Figura 5: Conexin Precalificada Bolted Flang Plate

FUENTE: idea statica

 

Luego de Al escoger el tipo de conexin, se procedi a realizar el diseo de la misma, los resultados de los clculos manuales, siguiendo el procedimiento de la AISC 358-16 [Tabla 3 y 4].

 

Tabla 3: Datos obtenidos en el diseo de la conexin interna.

 

Valor

Momento mximo probable

251.419

Espesor de la plancha de ala

28

Ancho de la plancha de ala

180

Longitud plancha de ala (mm)

-

Dimetro del perno

5/8

Nmero de pernos colocados en la placa del ala de viga

12

Resistencia nominal al corte del perno en la placa del ala de la viga ASTM A490 (MPA)

579

Localizacin de la articulacin plstica (mm)

305

Fuerza cortante en la articulacin plstica

265.411

Momento esperado en la cara de la columna

332.369

Fuerza en la plancha de ala, debido a momento

1100.56

Espesor de la plancha de la conexin a corte en el alma de la viga

10

Ancho de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga

100

Longitud de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga

210

Nmero de pernos colocados en la conexin a corte del alma de viga

4

Resistencia nominal al corte del perno en la conexin a corte en el alma de la viga ASTM A490 (MPA)

469

Requiere placa de continuidad

NO

Relacin Demanda/Capacidad en la zona de panel

1.54

Requiere planchas adosadas al alma de la columna

S

Espesor de la plancha adosada al alma

10

Longitud de la plancha adosada al alma

-

 

Tabla 4: Datos obtenidos en el diseo de la conexin externa.

 

Valor

Momento mximo probable

251.419

Espesor de la plancha de ala

25

Ancho de la plancha de ala

180

Longitud plancha de ala (mm)

-

Dimetro del perno

5/8

Nmero de pernos colocados en la placa del ala de viga

12

Resistencia nominal al corte del perno en la placa del ala de la viga ASTM A490 (MPA)

579

Localizacin de la articulacin plstica (mm)

305

Fuerza cortante en la articulacin plstica

258.25

Momento esperado en la cara de la columna

330.185

Fuerza en la plancha de ala, debido a momento

1104.298

Espesor de la plancha de la conexin a corte en el alma de la viga

10

Ancho de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga

100

Longitud de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga

210

Nmero de pernos colocados en la conexin a corte del alma de viga

4

Resistencia nominal al corte del perno en la conexin a corte en el alma de la viga ASTM A490 (MPA)

469

Requiere placa de continuidad

NO

Relacin Demanda/Capacidad en la zona de panel

0.704

Requiere planchas adosadas al alma de la columna

NO

 

Con los datos obtenidos de los clculos manuales, se realiz la modelacin de las conexiones interna [Figura 6] y externa [Figura 7], en este paso se ingresan las caractersticas de los materiales, los perfiles de vigas y columnas, las dimensiones de las placas de la conexin, as como la distribucin y dimensiones de los pernos, las fuerzas actuantes en la conexin, esto es, fuerza cortante en la articulacin plstica y momento esperado en la cara de la columna, con esta tarea completada, se realiza el anlisis de la conexin modelada. Luego del anlisis de las conexiones diseadas por el clculo manual, y tomando las mismas secciones, se revis los elementos que podan disminuir sus secciones o cantidades, y modificando los mismos se realiz un nuevo anlisis para las secciones modificadas.

 


Figura 6: Conexin interna obtenida por el mtodo de clculo tradicional modelada en el software IdeaStatica.

Figura 7: Conexin externa obtenida por el mtodo de clculo tradicional modelada en el software IdeaStatica.

Las [tablas 5 y 6] muestra las dimensiones de los elementos de conexin obtenidos mediante el diseo convencional y por software. En general, se observa que algunas de las secciones obtenidas mediante el diseo por software son ms pequeas que las obtenidas mediante el diseo convencional.

 

Tabla 5: Comparacin de secciones obtenidas por medio de ambos mtodos para la conexin interna.

 

Diseo Convencional

Diseo Modificado

Espesor de la plancha de ala (mm)

28

25

Ancho de la plancha de ala (mm)

180

170

Longitud plancha de ala (mm)

350

290

Dimetro del perno (in)

5⁄8

5/8

Nmero de pernos colocados en la placa del ala de viga

48

40

Resistencia nominal al corte del perno en la placa del ala de la viga ASTM A490 (MPA)

579

579

Espesor de la plancha de la conexin a corte en el alma de la viga (mm)

10

10

Ancho de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga (mm)

70

42

Longitud de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga (mm)

234

102

Nmero de pernos colocados en la conexin a corte del alma de viga

8

6

Resistencia nominal al corte del perno en la conexin a corte en el alma de la viga ASTM A490 (MPA)

469

469

Requiere placa de continuidad

NO

NO

Requiere planchas adosadas al alma de la columna

S

S

Espesor de la plancha adosada al alma (mm)

10

10

Ancho de la plancha adosada al alma (mm)

224

224

Longitud de la plancha adosada al alma (mm)

580

580

 

Tabla 6: Comparacin de secciones obtenidas por medio de ambos mtodos para la conexin externa.

 

Diseo Convencional

Diseo Modificado

 

Espesor de la plancha de ala (mm)

25

28

 

Ancho de la plancha de ala (mm)

136

136

 

Longitud plancha de ala (mm)

350

240

 

Dimetro del perno (in)

5/8

5/8

 

Nmero de pernos colocados en la placa del ala de viga

24

16

 

Resistencia nominal al corte del perno en la placa del ala de la viga ASTM A490 (MPA)

579

579

 

Espesor de la plancha de la conexin a corte en el alma de la viga (mm)

10

10

 

Ancho de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga (mm)

70

42

 

Longitud de la plancha de conexin a corte en el alma de la viga (mm)

234

104

 

Nmero de pernos colocados en la conexin a corte del alma de viga

4

3

 

Resistencia nominal al corte del perno en la conexin a corte en el alma de la viga ASTM A490 (MPA)

469

469

 

Requiere placa de continuidad

NO

NO

 

Requiere planchas adosadas al alma de la columna

SI

SI

 

Espesor de la plancha adosada al alma (mm)

10

10

 

Ancho de la plancha adosada al alma (mm)

224

224

 

Longitud de la plancha adosada al alma (mm)

580

580

 

 


Figura 8: Conexin interna obtenida modificando la conexin modelada en el software IdeaStatica.

 


 

Figura 9: Conexin externa obtenida modificando la conexin modelada en el software IdeaStatica.

Las diferencias ms significativas se observan en las dimensiones de las placas de las alas de las vigas y de las placas de las almas de las columnas. Las placas de alas obtenidas mediante el diseo por software son 10 mm ms estrechas que las obtenidas mediante el diseo convencional. Las placas del alma de la columna obtenidas mediante el diseo por software son 31 mm ms estrechas y 146 mm ms cortas que las obtenidas mediante el diseo convencional.

Con estas modificaciones realizadas, se procede a hacer el anlisis de la conexin modificada, los resultados de ambos mtodos se resumen en las [Tablas 7 y 8], en las que se puede evidenciar el aumento del porcentaje de trabajo en los componentes para las secciones modificadas, en donde el mayor aumento se observa en la conexin externa.

 

Tabla 7: Comparacin de porcentajes al que trabajan los componentes, obtenidos mediante el software para la conexin interna mediante ambos mtodos.

 

DISEO CONVENCIONAL

DISEO MODIFICADO

 

Placas (%) (<5)

4.4

3.9

 

Tornillos (%)

91.9

96.4

 

Soldaduras (%) (<100)

0

0

 

Lmites de precalificacin

CUMPLE

CUMPLE

 

Tabla 8: Comparacin de porcentajes al que trabajan los componentes, obtenidos mediante el software para la conexin externa mediante ambos mtodos.

 

DISEO CONVENCIONAL

DISEO MODIFICADO

Placas (%) (<5)

1.0

0.9

Tornillos (%) (<100)

87.7

93.2

Soldaduras (%) (<100)

0

0

Lmites de precalificacin

CUMPLE

CUMPLE

 

Las tablas 9 y 10 detallan los precios de los materiales utilizados en las conexiones internas viga-columna de acero obtenidas mediante el diseo convencional y por software. En general, se observa que los precios de los materiales utilizados en las conexiones obtenidas mediante el diseo por software son menores que los precios de los materiales utilizados en las conexiones obtenidas mediante el diseo convencional.

Estas diferencias se deben a que las secciones obtenidas mediante el diseo por software son ms pequeas que las obtenidas mediante el diseo convencional. Las secciones ms pequeas requieren menos material, lo que resulta en un menor costo.

 

Tabla 9: Comparacin de los precios para las secciones obtenidas por medio de ambos mtodos para la conexin externa.

ELEMENTO

DISEO CONVENCIONAL

DISEO MODIFICADO

Acero A572 Gr. 50

6.68

1.90

Acero A36

181.90

141.84

Pernos 5/8 "

202.08

168.40

Pernos 1/2 "

18.72

14.04

Soldaduras

19.76

16.99

Perforacin de agujeros

66.24

54.73

COSTO TOTAL ESTIMADO (USD)

495.38

397.90

 

Tabla 10:Comparacin de los precios para las secciones obtenidas por medio de ambos mtodos para la conexin externa.

ELEMENTO

DISEO CONVENCIONAL

DISEO MODIFICADO

Acero A572 Gr. 50

3.35

0.88

Acero A36

74.21

63.82

Pernos 5/8 "

101.04

67.36

Pernos 1/2 "

9.36

7.02

Soldaduras

6.66

7.16

Perforacin de agujeros

33.12

22.31

COSTO TOTAL ESTIMADO (USD)

227.74

168.56

 

Conclusiones

En base al anlisis realizado, se pueden concluir los siguientes puntos:

         Las secciones de conexin obtenidas mediante el diseo por software son ms pequeas que las obtenidas mediante el diseo convencional.

         Las secciones de conexin obtenidas mediante el diseo por software son ms eficientes e igual de seguras.

         El diseo por software es una herramienta til para el diseo de conexiones internas viga-columna de acero.

         El uso de esta herramienta permite obtener secciones ms pequeas, seguras y eficientes, lo que puede traducirse en ahorros en los costos de construccin.

         Se recomienda utilizar el diseo por software para el diseo de conexiones internas viga-columna de acero.

 

Referencias

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

      3.            AISC. (2016b). ANSI/AISC 358-16: Prequalified connections for special and intermediate steel moment frames for seismic applications. Chicago, IL: American Institute of Steel Construction.

      4.            Camacho, G. A. (2022). Estudio paramtrico del diseo de las conexiones precalificadas a momento viga-columna en edificaciones de acero: una revisin del estado del arte. Recuperado de: http://hdl.handle.net/10654/43782.

      5.            Chazaro Rosario, C. (2019). DISEO DE CONEXIONES. GERDAU CORSA, Mxico.

      6.            Chen, J., Liu, J., Hu, P., Sun, H., & Hu, X. (2022). Experimental and numerical investigation on seismic behavior of detachable precast concrete column joints with bolted flange plate. Journal of Building Engineering, 49, 104077. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104077

      7.            Criollo Machuca, M. A. (2020). Anlisis comparativo tcnico-econmico de tres tipos de conexiones precalificadas en edificios residenciales de acero (Bachelor's thesis, Riobamba: Universidad Nacional de Chimborazo).

      8.            Escobar Curasma, K. (2019). OPTIMIZACIN DEL DISEO DE ESTRUCTURAS DE ACERO EN COBERTURA MEDIANTE EL MTODO DE ALGORITMOS GENTICOS. [Tesis de Grado, Universidad Nacional de Huancavelica]. https://doi.org/10.17265/2162-5298/2019.05.002

      9.            Guerrero, D. (2019). Anlisis tcnico y econmico del diseo por desempeo de edificios con estructura de acero utilizando arriostramientos concntricos. Gaceta Tcnica, 20(1), 41-59.

  10.            NEC-SE-AC, Norma Ecuatoriana de la Construccin, Estructuras de Acero. 2015.

  11.            Oscar, G. A. (2020). Aplicacin de mtodos de clculo, convencional y CBFEM mediante software IDEA STATICA CONNECTION para el diseo de uniones estructurales de acero. http://repobib.ubiobio.cl/jspui/handle/123456789/3533

  12.            Quinapallo Jami, O. D. (2021). Estudio de alternativas de diseo sismo-resistente para edificios de acero con prticos resistentes a momentos usando conexiones precalificadas y prticos arriostrados concntricamente (Master's thesis, Quito).

  13.            Snchez Guevara, N. H. (2022). Estudio de conexiones precalificadas y su incidencia en el diseo sismo resistente de edificaciones irregulares (Master's thesis, Universidad Tcnica de Ambato. Facultad de Ingeniera Civil y Mecnica. Maestra en Ingeniera Civil con Mencin en Estructuras Metlicas).

  14.            Yılmaz, O., Bekiroğlu, S., Alemdar, F., Arslan, G., Sevim, B., & Ayvaz, Y.. (2019). Experimental investigation of bolted stiffened end-plate and bolted flange-plate connections. Latin American Journal of Solids and Structures, 16(3), e170. https://doi.org/10.1590/1679-78255089

 

 

 

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