II Conexiones Precalificadas

7/27/2019 II Conexiones Precalificadas

http://slidepdf.com/reader/full/ii-conexiones-precalificadas 1/18

CAPÍTULO II

II. CONEXIONES PRE-NORTHRIDGE

II.1. Terremoto de Northridge (1994)

El sismo de Northridge (California – U.S.A.), con una magnitud de 6,7 en la escala de Richter sacudel área de Los Ángeles el 17 de enero de 1994 a las 04:30:55 a.m., con epicentro en Latitud N: 34.21Longitud W: 118.54; profundidad focal estimada entre 14.5-19.3Km (Procella, 1994), duración d59.98s, y aceleración horizontal máxima registrada de 0.39g a los 5.59s.Este, ha sido considerado como la tragedia natural más costosa, en términos económicos, en la historde los Estados Unidos. Después de este sismo, se identificaron más de 100 edificios de pórticos dacero resistentes a momento que habían sufrido fracturas en las conexiones viga-columna. Muchos estos edificios parecían no haber sufrido ningún daño estructural, pero después de remover loacabados arquitectónicos y elementos de protección contra fuego, se descubrió que habían presentalos mismos problemas en las conexiones, que algunos edificios que estaban siendo apenas construidoEste hecho generó aún más incógnitas a los ingenieros estructurales, quienes después dinvestigaciones adelantadas en varios edificios, confirmaron que sismos anteriores como el de LomPrieta en 1989 habían causado daños similares que no habían sido descubiertos.

Figura II-1 Terremoto de Northridge, 1994 (Los Ángeles, California – U.S.A.)

CONEXIONES PRE-NORTHRIDGE

8

Epicentro TerremotoNorthridge

Epicentro TerremotoNorthridge





CAPÍTULO II

La Segunda Fase del proyecto, financiado por el FEMA , tiene un número de investigacionescorrelacionadas, enfocadas a varios aspectos del problema de los pórticos de acero resistentes momento. Éstas quedan enmarcadas, en los seis campos fundamentales siguientes:

Estudio de los Materiales, para evaluar las características de la materia prima de los acerosusados en la construcción de edificios, en las regiones sísmicas de los Estados Unidos.

Análisis del ensamblaje, e inspección, por medio de la dirección de ediciones, relacionadas con lasoldadura, empernado, e inspección durante el proceso y después del terremoto.

Evaluación del Funcionamiento de la Conexión;a través del modelado y ensayo de conexionesviga-columna.

Evaluación del Funcionamiento del Sistema,a través de estudios analíticos paramétricos de los bastidores de acero, con movimientos de tierra que varían, modelando asunciones, el etc.

Predicción y Evaluación,mediante el desarrollo de los procedimientos de diseño, basados en elfuncionamiento racional y confiable de los pórticos de acero resistentes a momento.

Evaluación de los aspectos económicos, sociales, y políticos,identificando las oportunidades ylos impedimentos, para contraponer los criterios sísmicos mejorados del diseño en ejecución.

En cada uno de estos entornos, los resultados de los estudios de la Fase I se resumen, se contornean linvestigaciones de la Fase II, y se proporcionan nuevas publicaciones.

II.4. Descripción de la Conexión Tipo Pre-NorthridgeEl detalle mostrado en la Figura II-2, ilustra el tipo de conexión usado en el área afectada antes dsismo de Northridge. La mayoría de los pórticos de acero resistentes a momento en los Estados Unidse construyen usando miembros laminados para las vigas y columnas.

Figura II-2 Detalle de Conexión típica Pre-Northridge

En este tipo de conexión, las alas de la viga se unen al ala de la columna mediante soldadura d penetración completa realizada en campo, la cual se ejecuta usando un procedimiento precalificadmientras que el alma de la viga, se une a la columna usando angulares o planchas dobladas de cort


10

ALA DE LA COLUMNAAGUJERO PARA EL ACCESODE LA SOLDADURA

ALA INFERIOR DE LA COLUMNA

PLANCHADE RESPALDO

RIGIDIZADOR

PANEL



CAPÍTULO II

que se sueldan en el taller a la columna y se empernan al alma de la viga en campo. Este detalle erecomendado por la mayoría de los códigos de construcción de Estados Unidos (Uniform Building Code, NEHRP , AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, SEAC Recommended Lateral

Force Requirements and Commentary ) y se había adoptado como una conexión estándar en zonas deriesgo sísmico intermedio y alto.Algunas variaciones de este detalle eran comunes, como la soldadura de filete adicional entre la planchas dobladas de corte y el alma de la viga, en cuyos casos se usaba un menor número de pernoLa mayoría de las veces, resultaba necesario agregar rigidizadores (también llamados planchas dcontinuidad) en la zona del panel, para reforzar las alas de la columna cuando éstas no tenían el espesrequerido para resistir las fuerzas de compresión (inducidas por flexión) impuestas por las alas de viga.En las conexiones Pre-Northridge, el metal de aporte para las soldaduras se escogía de manera qutuviera una resistencia superior a la del metal base, mas no existían requerimientos de tenacidad paraselección del mismo.

II.5. Ensayos Realizados

Después del Terremoto de Northridge, los daños encontrados en los edificios de acero de pórticoresistentes a momento incluían fluencia, pandeo y fracturas excesivas de los elementos de pórtico acomo en sus conexiones, además de ciertos casos de estructuras con inclinación lateral permanentAlgunos de los daños reportados, como pandeos locales y fluencia de los elementos, son consistentcon el comportamiento esperado de estas estructuras, sin embargo las fracturas frágiles que ocurrierno hacían parte de los mecanismos de disipación de energía diseñados.A continuación se muestra, una serie de doce de treinta ensayos, realizados por varios investigadores patrocinados por el FEMA/SAC – en su Fase I -, para comprender los mecanismos de estas fallobservadas en campo, luego del mencionado terremoto.


11



CAPÍTULO II


12





CAPÍTULO II


14



CAPÍTULO II


15





CAPÍTULO II

después del ensayo. Un desconchamiento indicó claramente la cedencia de la zona de panel. Lrotación plástica máxima, previa a la falla, fue de 0.79% radianes apróx.: 0.60% en la zona de panel0.39% en la viga; lo que indica que la zona de panel disipó substancialmente más energía que la vig( Test-Summary Nº 4-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.5 Espécimen 5: UCSD-2Este espécimen falló repentinamente durante la segunda mitad del primer ciclo de carga, con undeformación de 3δ y. Se comportó elásticamente durante los primeros seis ciclos, y entró en cedenciaen los siguientes tres ciclos, con desplazamientos de amplitud 1δ y. Durante la tercera incursión positiva de 2δ y en el tercer ciclo, el extremo inferior de la plancha de corte se fracturó verticalmentealrededor de ½”. Una fractura similar se desarrollo en el extremo superior de la plancha de cortdurante la siguiente incursión negativa. Una grieta transversal también se desarrollo en el medio del asuperior de la viga, en la interfaz del ala con la soldadura de penetración. Algún pandeo local del asuperior, ocurrió en la primera incursión positiva de 3δ y. La falla ocurrió repentinamente en lasiguiente incursión negativa de 4.2”. Una fractura se desarrolló a través del ancho del ala superior de

viga, en la zona de fusión afectada, entre el ala y la soldadura de penetración. La rotación plástimáxima, previa a la falla, fue de 2.0% radianes apróx.: 0.97% en la zona de panel, y 1.4% en la vig( Test-Summary Nº 5-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.6 Espécimen 6: UCSD-3Este espécimen falló durante la segunda mitad del primer ciclo de carga, con una deformación de 3δ y.Se comportó elásticamente durante los primeros seis ciclos, y entró en cedencia en los siguientes trciclos, con desplazamientos de amplitud 1δ y. Durante el primer ciclo, con incursión positiva en 2δ y, sefracturó horizontalmente el borde de la soldadura, en del agujero de acceso inferior de la viga. Duran

la incursión negativa en 2”, se formó una fina grieta en el ala superior de la viga, en la interfaz consoldadura. Adicionalmente una el extremo superior de la plancha de corte, se fracturó verticalmenapróx. ¼”. Durante la siguiente incursión positiva, una fractura similar se observó en el extreminferior de la plancha de corte. Otra fractura ocurrió en el extremo superior del alma donde está agujero de acceso de soldadura, durante la tercera incursión negativa. Durante el primer ciclo positiv3δ y, se fracturó el ala inferior de la viga, en 2”, en una zona alejada de la soldadura, ocurrió u pequeño pandeo del ala superior, y cedió la plancha de respaldo. Ninguna de las fallas u otras formde daño, generaron una substancial pérdida de la capacidad resistente. La rotación plástica máxim previa a la falla, fue de 2.0% radianes apróx.: 1.20% en la zona de panel, y 1.2% en la viga.( Test-Summary Nº 6-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.7 Espécimen 7: UTA-1Este espécimen falló repentinamente durante la primera mitad del segundo ciclo de carga, con undeformación de 1δ y (+1”), desarrollándose fractura de la soldadura entre el ala inferior de la viga y eala de la columna. Sobre uno de los lados del alma de la viga, una fractura recorrió toda la línea interfaz soldadura-columna, mientras que en el lado opuesto del alma, esta se extendió desde el inicde la soldadura en la cara del ala de la columna, abriendo paso por el medio del ala. Una pequeñfractura también se desarrolló en la porción más baja de la plancha de corte, que se extendió hasta primera abertura de perno.


17



CAPÍTULO II

Después que esta falla inicial ocurrió, el espécimen fue devuelto a su posición inicial, y fue desplaza+2.5”. Ese medio ciclo de carga, causó la falla por punzonado de la grieta generada en la cara del ade la columna, dejando al descubierto una fractura de apróx. 1”. La porción vertical de la soldadusuplementaria de filete, entre la plancha de corte y el alma de la viga, también se fracturó durante esmedio ciclo.El espécimen no experimentó deformaciones y rotaciones plásticas significativas durante este ensayy la viga experimentó sólo una pequeña cedencia. (Test-Summary Nº 8-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.8 Espécimen 8: UTA-2Este espécimen falló en la primera mitad del segundo ciclo de carga, con una deformación de 2δ y.Previo a la falla, las alas de la viga entraron en cedencia a los 0.75δ y y 1.0δ y. Durante el cicloδ y, lazona de panel también cedió, y una pequeña grieta apareció entre la plancha de respaldo del ala inferde la viga y el ala de la columna. Durante el primer ciclo, 2dy, pequeñas fisuras fueron descubiertas las soldaduras suplementarias del alma, inferior y superior, y algunos pernos se desprendieron de l planchas de corte. En suma, una grieta se observó directamente sobre el alma de la viga, en soldadura del ala superior. Una imprevista fractura, ocurrió en la conexión del ala inferior de la vigFracturas de laminación (o punzonamiento), aparecieron en el ala de la columna a ambos lados dalma de la viga. La fractura se extendió desde el inicio de la soldadura, a través del ala de la soldaduy aflorando en la cara del ala, unos 0.5”, sobre el ala inferior de la viga. La fractura del lado derechdel alma se formó y extendió desde el inicio de la soldadura y terminó dentro del ala de la columnObservadas estas fallas, el espécimen fue cargado hasta alcanzar desplazamiento de 2.75”. Duranestos ciclos, tres de los pernos de corte, fallaron.El espécimen experimentó deformaciones y rotaciones. La máxima rotación plástica fuaproximadamente de 0.60% rad, y la contribución de la viga, fue de apróx. 2/3 partes de éste.( Test-Summary Nº 7-

“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.9 Espécimen 9: UTA-3Este espécimen falló en la primera mitad del primer ciclo de carga, a las 2δ y, con desplazamiento de laviga de 1.81”. Previo a la falla, las alas de la viga entraron en cedencia a los 0.75δ y, y 1.0δ y. Las fallasocurrieron cuando se desarrollo una fractura en la conexión soldada, entre el ala inferior de la viga yala de la columna, a los 1.81”. En la mitad izquierda del ala inferior de la viga, la fractura se propagólo largo de la interfaz soldadura-columna; en la mitad derecha, la fractura se propagó dentro del ala la columna. La fractura por punzonamiento se extendió desde la base de la soldadura y terminó dentdel ala de la columna. Esta apareció, alcanzando 1”. La plancha de corte también se fracturó, desde

borde inferior del primer perno.El espécimen experimentó una cedencia despreciable, y la máxima rotación plástica de la junta, fue aproximadamente de 0.30% rad. (Test-Summary Nº 9-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.10 Espécimen 10: UCB-PN1


18



CAPÍTULO II

Este espécimen se comportó elásticamente por encima, e inclusive, del ciclo con 1δ y. Desarrollócedencia en ambas ala de la viga, y en la pletina de continuidad, durante la primera incursión en 2δ y.Una ligera cedencia fue también observada en la zona de panel. Adicionalmente, se observó u pequeño movimiento en la plancha de corte, debido al movimiento de los pernos. El espécimen faldurante la segunda incursión positiva en 3δ y. El modo de falla fue, fractura en el ala de la columna a lolargo de su ancho total, adyacente al ala inferior de la viga. Las grietas comenzaron debajo de plancha de respaldo del ala inferior soldada; se extendió diagonalmente a través del ala, para entrar la zona de panel. En esta zona, las grietas se bifurcaron en dos direcciones. Una de ellas, se extendiapróx. 8”, a lo largo de la plancha de continuidad; y la otra, en 10”, a lo largo del ala de la columnFue observada una significativa cedencia en las alas de la columna, y la parte baja de las pletinas dcontinuidad. La máxima rotación plástica fue de aproximadamente de 0.88% rad, con 0.55% para zona de panel, y 0.33% para la viga. (Test-Summary Nº 10-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.11 Espécimen 11: UCB-PN2

Este espécimen mostró cedencia de la zona de panel durante la primera incursión en 2δ y. Hubo una pequeña evidencia visual de cedencia en las alas de la viga. Adicionalmente, fue observado un pequemovimiento en la plancha de corte, debido a la falla de pernos. El espécimen falló bruscamente duranla segunda incursión positiva 2δ y, en 1.57”. El modo de falla involucró: fractura a través del ala de lacolumna, atravesando completamente su ancho, en el ala inferior de la viga. La grieta comenzó en soldadura del ala inferior, se extendió diagonalmente por el ala de la columna, y ascendió a lo largo dala de la columna en la zona de panel. La longitud de la grieta fue de 10” aproximadamente. Lmáxima rotación plástica fue de aproximadamente de 0.34% rad. Después de la falla, el ensayo fucontinuado completando los ciclo a 2dy. Durante la incursión negativa, la capacidad de carga se decaer por sólo 4%, en comparación con el ciclo registrado previo a la falla, indicando que la griecontinuaba hasta sostener la fuerza de compresión aplicada. En la incursiones positivas, la resistencfue de sólo 30% de la máxima capacidad poseída antes de la falla. Una fractura adicional, de 4” apróse abrió a lo largo de la plancha de continuidad inferior, y una cedencia significativa de la plancha continuidad inferior, también fue observada. El modo de falla de este espécimen es muy similar al dUCB-PN1. (Test-Summary Nº 11-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.12 Espécimen 12: UCB-PN3Este espécimen mostró cedencia de la zona de panel y las alas de la viga, durante el primer ciclo c2δ y. Durante éste se observó, que la zona en cedencia de las alas se extendió apróx. 10”, de la cara dla columna. Adicionalmente, la plancha de corte cedió en las esquinas superior e inferior, y un ligemovimiento en esta plancha se debió a la falla de los pernos. La muestra falló repentinamente duranla segunda incursión positiva de 3dy. La soldadura del ala inferior de la viga, se fracturó a lo largo dancho total del ala. La grieta coincide con la superficie del ala de la columna. No hubo penetración ésta dentro del ala de la columna. Luego de la falla de la soldadura, la plancha de corte se dobló y sdesgarró a lo largo de la línea de pernos, fallando por corte tres pernos inferiores. La falla por cedencdel ala de la viga, se extendió apróx. 18” de la cara de la columna. El ensayo fue continuado hasta qciclos con 3dy fueron completados. Durante la incursión negativa, la soldadura del ala superior de viga comenzó a figurarse, comenzando por el borde del ala y extendiéndose 9”. Así mismo, lcapacidad del espécimen fue de 65% de su máximo, previo a la falla. La falla en la soldadura del asuperior, tanbién indujo una grieta en el tope de la plancha de corte. Previo a la falla, la máxim


19



CAPÍTULO II

rotación plástica de la junta fue de aproximadamente 1.07% rad. (Test-Summary Nº 12-“ Experimental Investigations of Beam-Column Subassemblages ”, Report Nº SAC 96-01, March 1996 )

II.6.13 Resumen de los Resultados ObtenidosLos daños más comunes en las conexiones de los elementos consisten en una variedad de fracturas, qvan desde pequeñas fisuras imperceptibles, mediante simple observación, hasta fracturas que afectcompletamente la columna, y en la mayoría de los casos se iniciaron en la soldadura de penetraciócompleta entre el ala inferior de la viga y el ala de la columna o en la vecindad de la misma soldadurUna vez que la fractura se había iniciado, ésta se propagaba de diferentes maneras. La Figura II-muestra esquemáticamente algunas de las fracturas más comúnmente observadas.


20



CAPÍTULO II

Figura II-3 Fracturas Típicas de las Conexiones Pre-NorthridgeLas figuras II-3(a) y II-3(b) corresponden a fracturas ocurridas en la soldadura en las cercanías de cara del ala de la columna. La fractura mostrada en la Figura II-3(a) es posible detectarla visualmendespués de retirar la plancha de respaldo o mediante ultrasonido. Se cree que en muchos de los casoesta fractura ya existía antes del sismo de Northridge. Estas fracturas son las más comúnmentobservadas.Otro tipo de daño es el que se muestra en las Figura II-3(c) y II-3(d), que se inician en la soldaduracerca de ella subiendo a través del ala de la columna. En algunos casos, la fractura se detiene en el a(Figura II-3(c)), mientras que en otros, la fractura se sale del ala a una distancia considerable de parte superior de la soldadura (Figura II-3(d)). Las figura II-3(e) y II-3(f) muestran fracturas qatraviesan el ala de la columna y en algunos casos continúan hacia el alma de ésta (Figura II-3(f)). Emuy pocos casos se reportó que la falla se extendiera a lo ancho de la columna pasando por ambas alaOtros tipos de falla se presentaron en la plancha a corte y en los pernos. Estos daños se produjerodebido a la transferencia de momento a la conexión por cortante, después de fallar el ala de la viga. L


21



CAPÍTULO II

conexiones eran diseñadas suponiendo que todo el momento se transmitía a través de las alas; y cortante por medio de la plancha que conecta el alma de la viga con el ala de la columna, lo quevidentemente no es del todo cierto.

II.7. Causas de los Daños ObservadosSegún los tipos de daños observados después del sismo de Northridge, los ingenieros encargados drealizar las investigaciones, en su afán de buscar los motivos por los cuales se presentó el inesperadcomportamiento frágil de las conexiones resistentes a momento, sugirieron 3 factores principales: lrelacionados con la soldadura, los relacionados con el diseño, y los relacionados con el material.

II.7.1 Factores Relacionados con la SoldaduraII.7.1.1 Inspección y Calidad de la Soldadura

La primera causa considerada fue la soldadura de mala calidad, así como la falta de inspección de misma. Sin embargo, ensayos realizados antes y después del sismo, demostraron que ésta no era causa principal, ya que algunas conexiones en especimenes de prueba, elaborados con soldadura dexcelente calidad y siguiendo estrictamente los procedimientos precalificados, también fallaroEmpero, este factor influyó en el daño de muchas conexiones.Otras causas relacionadas con la soldadura que juegan un papel importante en los daños presentadson: la dificultad de soldar en forma continua el ala inferior de la viga a través del agujero de acceso“hueco de ratón”, la interrupción de la soldadura que une el ala inferior de la viga con el ala de columna en la región del agujero de acceso, la dificultad de realizar ensayos de ultrasonido en lcercanías de la soldadura adyacente al alma de la viga debida a la interferencia de ésta, y la realizacide soldaduras sin seguir los procedimientos indicados en las normas, entre otras.

II.7.1.2 Planchas de Respaldo y Pletinas de Extensión

Una de las causas importantes por las cuales se presentaron los daños fue el dejar presente la pletina respaldo después de terminada la soldadura, puesto que existe una discontinuidad entre ésta y la cade la columna que puede generar concentración de esfuerzos, degenerando en posibles fracturas.


22



CAPÍTULO II

Figura II-4 Planchas de Respaldo y Extensión

II.7.1.3 Tenacidad de la soldaduraEn la práctica usual, antes del sismo de Northridge, no se especificaba una tenacidad mínima para soldadura. Actualmente, los ensayos han demostrado que la baja tenacidad de la soldadura, combinacon las discontinuidades producidas por la presencia de la plancha de respaldo, hacían que la soldadufuera susceptible a fracturarse.

para diferentes electrodos


23

PLANCHASDE RESPALDO

PLETINASDE EXTENSIÓN

Figura II-5 Comparación de pruebas Charpy V-Notch



CAPÍTULO II

II.7.2 Factores Relacionados con el Diseño

II.7.2.1 Alas de la Viga con Tensiones AltasSe ha demostrado que el uso de conexiones de alas soldadas y alma empernada, no proporciona ucomportamiento adecuado por el hecho de no transferir momento a través del alma, produciéndotensiones mayores a las consideradas en las alas de la viga, en las cercanías de la conexión; pudienésto dar origen, a la fractura de las alas, antes de desarrollarse el comportamiento dúctil esperado.

II.7.2.2 Otros Factores Relacionados con el DiseñoOtro factor relacionado con el diseño que puede contribuir con la falla de la conexión, es lconcentración de tensiones en la soldadura adyacente al alma de la columna, que se genera aún con presencia de rigidizadores. También debe tenerse en cuenta que en condiciones de tensión triaxial, acero puede presentar un comportamiento frágil.

II.7.3 Factores Relacionados con el MaterialMuchos de los pórticos de acero resistentes a momento diseñados en los últimos 10 años en EstadoUnidos usaban acero ASTM A36 (Fy=2500 Kg/cm2) para las vigas y acero ASTM A572 grado 50(Fy=3515 Kg/cm2) para las columnas. Esta era una manera económica de diseñar estructuras cumpliendcon el criterio de viga débil columna fuerte. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que acero producido bajo la especificación A36 presenta una amplia variación en sus propiedades dresistencia, exhibiendo resistencias a la fluencia que generalmente exceden los 345 MPa (50 ksi =3515Kg/cm2). Estas variaciones hacen que la conexión se vuelva débil, en ocasiones más débil que la viggenerando la falla de la conexión antes de desarrollar fluencia.

II.7.4 Otros factores que se han identificado y que contribuyeron en el daño de las conexionesson:

· Prácticas de diseño que favorecían el uso relativo de pocos pórticos para resistir las demandsísmicas, resultando en tamaños de miembros muy grandes y geometrías de conexión que no habíasido ensayadas previamente.· Niveles bajos de control y aseguramiento de la calidad durante los procesos de construccióresultando juntas que no cumplían con los estándares de calidad especificados.· Zonas de panel excesivamente débiles y flexibles, que generaban grandes tensiones secundarias las juntas soldadas entre las alas de vigas y columnas.· Una inhabilidad inherente del material a fluir bajo condiciones de restricción triaxial, tales como lexistentes en el centro de las juntas entre las alas de columna y viga.


24



CAPÍTULO II


25

Documents

II Conexiones Precalificadas