facultad de ciencias matemÁticas y fÍsicas …
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Universidad de Guayaquil
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A
LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
ESTRUCTURAS
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LA CONEXIÓN VIGA
COLUMNA PRECALIFICADA DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO
Y ALMA SOLDADA (WUF-W) EN UN EDIFICIO DE
ESTRUCTURA METÁLICA.
AUTORA: STEFANÍA PAOLA BOWEN CRUZATTY
TUTOR: ING. PABLO LINDAO TOMALA, M.Sc.
GUAYAQUIL, ABRIL 2020
ii
Agradecimiento
A mi padre celestial, Dios, por haberme
dado fortaleza, sabiduría y entendimiento
durante mis estudios universitarios.
A todas aquellas personas que cuidaron de
mis hijos mientras yo asistía a recibir
clases.
A mis distinguidos docentes de la facultad,
quienes me impartieron sus conocimientos
a lo largo de la carrera, en especial al Ing.
Pablo Lindao por su ayuda en el desarrollo
de esta tesis.
A mi hijo Víctor Moreira, por atender a su
hermano durante mi ausencia.
A mis compañeros, autoridades y demás
colaboradores de la facultad que siempre
me brindaron su ayuda y amistad.
Stefanía Paola Bowen Cruzatty
iii
Dedicatoria
Después de Dios dedico este trabajo de
titulación a mis hijos: Víctor y Stéfano,
porque fueron los motores principales para
no rendirme a pesar de los obstáculos en
el camino y los que muchas veces sintieron
mi estrés y ausencia.
A mis padres, hermanas, amistades y
demás familia que me ayudaron de
diversas maneras cuando los necesité.
A mis estimados docentes que me
permitieron en varias ocasiones llevar a
mis hijos a clases, los cuales entendieron
mi situación y mis ganas de nutrirme a
diario de sus enseñanzas.
Stefanía Paola Bowen Cruzatty
iv
v
vi
ANEXO XI.- CERTIFICADO DEL TUTOR REVISOR
vii
ANEXO XII.- DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y DE AUTORIZACIÓN de
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO
NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS
Guayaquil, 04 de marzo del 2020
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO
ACADÉMICOS
viii
ÍNDICE GENERAL
CAPÍTULO I
Generalidades
1.1. Introducción............................................................................................. 1
1.2. Planteamiento del Problema ................................................................... 2
1.3. Objetivos de la Investigación................................................................... 3
1.3.1. Objetivo General. .............................................................................. 3
1.3.2. Objetivos Específicos. ....................................................................... 3
1.4. Alcance del Trabajo ................................................................................ 4
1.5. Justificación e Importancia ...................................................................... 4
CAPÍTULO II
Marco Teórico
2.1. Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-2015 ................................. 6
2.1.1. Capítulo de Cargas Gravitacionales No Sísmicas de la NEC-2015 . 7
2.1.2. Capítulo de Diseño Sísmico de la NEC-2015 (NEC-SE-DS). ........... 7
2.1.3. Capítulo de Diseño de Estructuras de Acero de la NEC-2015 . ........ 9
2.2. Tipos de Aceros Estructurales .............................................................. 10
2.2.1. Acero ASTM A992 Grado 50. ......................................................... 12
2.3. Sistemas Sismo resistentes Utilizados en Edificios de Acero ............... 13
2.3.1. Pórticos Especiales Resistentes a Momentos (PEM). .................... 14
2.3.1.1. Criterios de Diseño de Pórticos Especiales Resistentes a . ..... 15
2.4. Provisiones Sismo resistentes según AISC 341 ................................... 16
2.5. Nomenclatura típica de la conexión viga - columna .............................. 17
2.6. Ubicación de Rótulas Plásticas en la viga ............................................. 18
ix
2.6.1. Momento Máximo Probable en la Rótula Plástica. .......................... 19
2.6.2. Máximo Corte en la Rotula Plástica. ............................................... 21
2.7. Resistencia a Corte Requerida de la viga ............................................. 22
2.8. Criterio Columna Fuerte Viga Débil ....................................................... 22
2.9. Zona de Panel ....................................................................................... 24
2.9.1. Espesor de la Zona de Panel. ......................................................... 24
2.9.2. Resistencia de diseño al Cortante en la Zona de Panel. ................ 25
2.10. Diseño de la placa de cortante en la unión del alma de la viga . ........ 26
2.11. Agujeros de acceso a la soldadura según ASW D1.8-2009 ................ 28
2.12. Espesores y soldaduras en las Placas de Continuidad ....................... 28
2.13. Ángulo de Deriva de Piso .................................................................... 30
2.14. Limitaciones de las Columnas y Vigas ................................................ 31
CAPÍTULO III
Modelación y Diseño de la Edificación en el Software ETABS
2016
3.1. Selección de Materiales y Sistema Estructural ..................................... 33
3.2. Predimensionamiento de Losa, Vigas y Columnas ............................... 34
3.2.1. Determinación de Cargas Permanentes. ........................................ 34
3.2.2. Prediseño de Vigas Secundarias. ................................................... 35
3.2.3. Prediseño de Vigas Principales. ..................................................... 37
3.2.4. Prediseño de Columnas. ................................................................. 38
3.3. Selección de Perfiles y Secciones según el Prediseño ......................... 40
3.4. Verificación de la Relación Ancho Espesor según AISC 341 ................ 41
3.5. Modelación en el Software ETABS-2016 .............................................. 44
x
3.5.1. Definición de Unidades, Coordenadas y Pisos. .............................. 45
3.5.2. Creación de Materiales, Secciones y Losa Tipo Deck. ................... 46
3.5.2.1. Definición de Materiales. .......................................................... 46
3.5.2.2. Definición de Secciones. .......................................................... 49
3.5.2.3. Definición de Losa. ................................................................... 51
3.5.3. Definición de Patrones y Casos de Cargas. ................................... 52
3.5.4. Definición del Espectro de Respuesta. ........................................... 53
3.5.5. Creación de la Fuente de Masa. ..................................................... 56
3.5.6. Definición de Modos de Vibración y Combinaciones de Cargas. .... 58
3.5.7. Elección del Efecto P-Delta............................................................. 59
3.5.8. Dibujo de Elementos: Columnas, Vigas Principales, ...................... 59
3.5.9. Cambio de Apoyos en las Columnas de la Planta Baja. ................. 61
3.5.10. Asignación de Cargas de Gravedad: sobrecarga impuesta. ......... 62
3.5.11. Asignación de Diafragmas. ........................................................... 63
3.5.12. Selección de Preferencias de Diseño. .......................................... 64
3.5.13. Chequeo y Análisis del Modelo. .................................................... 64
3.6. Verificación de los Resultados Obtenidos en el Análisis Estructural ..... 66
3.6.1. Chequeo de Períodos y modos de Vibración. ................................. 66
3.6.1.1. Cálculo del Período de la Estructura según la NEC 2015. ....... 68
3.6.2. Cálculo del Cortante Estático Según la NEC 2015 Para la. ............ 69
3.6.2.1. Corrección del Cortante Dinámico. ........................................... 72
3.6.3. Chequeo de Derivas. ...................................................................... 73
3.6.4. Diseño de Miembros: Vigas Principales, Columnas, Vigas. ............ 74
3.6.5. Chequeo de la Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial. ...... 76
3.7. Análisis del Criterio Columna Fuerte – Viga Débil................................. 77
xi
CAPÍTULO IV
Selección y Diseño Teórico de la Conexión Precalificada Viga Columna
4.1 Conexiones Precalificadas Según el Código AISC 358-10 .................... 80
4.2. Conexión de Ala Soldada sin Reforzar y Alma Soldada (WUF-W) ....... 83
4.2.1. Definición. ....................................................................................... 83
4.2.2. Límites de Precalificación. .............................................................. 84
4.2.3. Características de la Conexión WUF – W. ...................................... 85
4.2.4. Procedimiento de Diseño de la Conexión WUF – W Según. .......... 86
CAPÍTULO V
Verificación del Diseño Teórico de la conexión en el
Software RAM Connection.
5.1. Introducción y Definición del Software RAM Connection Versión ....... 105
5.2. Asignación de Secciones de los Elementos ........................................ 106
5.3. Asignación de la Placa de Corte ......................................................... 108
5.4. Elección y Asignación de la Conexión a Momento.............................. 109
5.5. Condiciones y Combinaciones de Cargas .......................................... 111
5.6. Asignación de Cargas a las Conexiones ............................................. 112
5.6.1. Asignación de Fuerzas a las Conexiones ..................................... 115
5.7. Selección de Parámetros de Diseño para la Conexión. ...................... 116
5.8. Resultados del Diseño obtenidos en el software RAM Connection ..... 117
xii
5.8.1. Resultados de la Placa de Cortante. ............................................. 117
5.8.2. Resultados de la Conexión de Momento. ..................................... 118
CAPÍTULO VI
Resumen de Resultados y Discusión
6.1. Comparación de Resultados. .............................................................. 120
6.2. Planos de Diseño de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y. ........... 120
6.2.1. Detalles del Diseño de la Placa de Cortante. ................................ 121
6.2.2. Detalles del Diseño de la Soldadura de Penetración Completa. ... 122
6.3. Planos de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y Alma Sold. ........... 124
6.3.1. Detalles del Diseño Optimizado de la Placa de Cortante .............. 125
6.4. Discusión de los Resultados Obtenidos. ............................................. 126
CAPÍTULO VII
Conclusiones y Recomendaciones
7.1. Conclusiones....................................................................................... 128
7.2. Recomendaciones .............................................................................. 132
xiii
Índice de Ilustraciones
ILUSTRACIÓN 1: ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA NEC – SE – CG ............................................................ 7
ILUSTRACIÓN 2: ESQUEMA DEL DISEÑO BASADO EN FUERZAS (DBF) ....................................................... 8
ILUSTRACIÓN 3: ESQUEMA DEL DISEÑO BASADO EN CARGAS (DBF) ....................................................... 10
ILUSTRACIÓN 4: EDIFICACIÓN EN ACERO ESTRUCTURAL ASTM A992 ................................................... 13
ILUSTRACIÓN 5: ZONAS EN LA QUE SE ESPERAN DEFORMACIONES INELÁSTICAS .................................... 15
ILUSTRACIÓN 6: SISTEMA DE PÓRTICOS ESPECIALES A MOMENTO TIPO 2 Y 1 RESPECTIVAMENTE......... 15
ILUSTRACIÓN 7: SISTEMA DE PÓRTICOS ESPECIALES A MOMENTO TIPO 2 Y 1 RESPECTIVAMENTE......... 17
ILUSTRACIÓN 8: UBICACIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS EN VIGAS CON DISTINTO TIPO DE CONEXIONES .... 19
ILUSTRACIÓN 9: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA VIGA ...................................................................... 21
ILUSTRACIÓN 10: DETERMINACIÓN DE MPV PARA UNA COLUMNA INTERIOR............................................ 23
ILUSTRACIÓN 11: FUERZAS INTERNAS ACTUANDO EN LA ZONA DE PANEL DE UN PEM ........................... 24
ILUSTRACIÓN 12: SOLDADURAS TAPÓN EN LA ZONA DE PANEL ................................................................ 25
ILUSTRACIÓN 13: DETALLE DE LA PLACA DE CORTANTE EN LA UNIÓN ..................................................... 27
ILUSTRACIÓN 14: AGUJEROS DE ACCESO A LA SOLDADURA EN LA UNIÓN. .............................................. 28
ILUSTRACIÓN 15: PLACA DE CONTINUIDAD PARA LAS ALAS DE LA VIGA. .................................................. 29
ILUSTRACIÓN 16: PLACA DE CONTINUIDAD SOLDADAS A LA COLUMNA. ................................................... 30
ILUSTRACIÓN 17: ÁNGULOS DE DISTORSIÓN DE PISO. ............................................................................. 31
ILUSTRACIÓN 18: DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA LOSA TIPO DEL EDIFICIO MULTIFAMILIAR. ................... 33
ILUSTRACIÓN 19: GEOMETRÍA DEL EDIFICIO EN ELEVACIÓN. .................................................................. 34
ILUSTRACIÓN 20: CORTE TÍPICO DE PLACA COLABORANTE TIPO DECK, MEDIDAS EN MILÍMETROS ....... 35
ILUSTRACIÓN 21: PREDISEÑO DE VIGA SECUNDARIA. ............................................................................. 36
ILUSTRACIÓN 22: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE EN EL PREDISEÑO DE LA VIGA SECUNDARIA. ............. 36
ILUSTRACIÓN 23: CÁLCULO DE CORTANTES Y MOMENTOS FLECTORES EN UNA VIGA PRINCIPAL. .......... 38
ILUSTRACIÓN 24: VENTANA DE INICIO PARA UN NUEVO MODELO. ............................................................ 45
ILUSTRACIÓN 25: VENTANA DE COORDENADAS PARA LA UBICACIÓN DE LOS EJES.................................. 45
ILUSTRACIÓN 26: DETERMINACIÓN DE PISO MÁSTER. .............................................................................. 46
ILUSTRACIÓN 27: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO ASTM 992 ........................................ 47
ILUSTRACIÓN 28: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL ACERO ASTM 992. ....................................... 47
ILUSTRACIÓN 29: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL HORMIGÓN. .................................................... 48
ILUSTRACIÓN 30: DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL HORMIGÓN. .................................................... 48
ILUSTRACIÓN 31: DEFINICIÓN DE PERFILES PARA COLUMNAS. ................................................................ 49
ILUSTRACIÓN 32: DEFINICIÓN DE PERFILES PARA VIGAS PRINCIPALES. ................................................... 50
ILUSTRACIÓN 33: DEFINICIÓN DE PERFILES PARA VIGAS SECUNDARIAS. ................................................. 50
ILUSTRACIÓN 34: DEFINICIÓN DE LA LOSA CON LOS DATOS OBTENIDOS. ................................................ 51
xiv
ILUSTRACIÓN 35: DEFINICIÓN DE PATRONES DE CARGAS ........................................................................ 52
ILUSTRACIÓN 36: DEFINICIÓN DE CASOS DE CARGAS. ............................................................................. 52
ILUSTRACIÓN 37: DEFINICIÓN DEL ESPECTRO DE DISEÑO ........................................................................ 56
ILUSTRACIÓN 38: DEFINICIÓN DEL PORCENTAJE DE MASA PARTICIPATIVA. ............................................. 57
ILUSTRACIÓN 39: DEFINICIÓN DE MODOS DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA. ........................................ 58
ILUSTRACIÓN 40: DEFINICIÓN DE LAS COMBINACIONES DE CARGA SEGÚN NEC 2015. .......................... 58
ILUSTRACIÓN 41: DEFINICIÓN DEL EFECTO P-DELTA. .............................................................................. 59
ILUSTRACIÓN 42: ELEVACIÓN TÍPICA DEL EDIFICIO EN LA DIRECCIÓN X . ................................................. 59
ILUSTRACIÓN 43: CONDICIONES DE APOYO DE LAS VIGAS SECUNDARIAS. .............................................. 60
ILUSTRACIÓN 44: PLANTA TÍPICA DEL EDIFICIO. ........................................................................................ 60
ILUSTRACIÓN 45: LOSA TIPO DECK. .......................................................................................................... 61
ILUSTRACIÓN 46: DIBUJO 3D DEL EDIFICIO. ............................................................................................. 61
ILUSTRACIÓN 47: SELECCIÓN DE APOYOS EN LAS BASES DE LAS COLUMNAS. ........................................ 62
ILUSTRACIÓN 48: VALORES DE CARGAS ASIGNADAS A LOS PAÑOS DE LA LOSA. ..................................... 62
ILUSTRACIÓN 49: VALORES DE CARGAS ASIGNADAS A LAS ESCALERAS DEL EDIFICIO ............................ 63
ILUSTRACIÓN 50: COLOCACIÓN DE DIAFRAGMAS RÍGIDOS EN LA LOSA DE CADA PISO. ........................... 63
ILUSTRACIÓN 51: MODIFICACIÓN DE LOS PARÁMETROS SEGÚN EL MODELO ESTRUCTURAL. .................. 64
ILUSTRACIÓN 52: CHEQUEO DEL MODELO ESTRUCTURAL ANTES DE REALIZAR EL ANÁLISIS. ................. 65
ILUSTRACIÓN 53: ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA EN EL PROGRAMA. ........................................................ 65
ILUSTRACIÓN 54: PRIMER MODO DE LA ESTRUCTURA: MOVIMIENTO TRASLACIONAL EN Y. ..................... 66
ILUSTRACIÓN 55: SEGUNDO MODO DE LA ESTRUCTURA: MOVIMIENTO TRASLACIONAL EN X. ................. 67
ILUSTRACIÓN 56: TERCER MODO DE LA ESTRUCTURA: MOVIMIENTO ROTACIONAL EN Z. ........................ 67
ILUSTRACIÓN 57: ESPECTRO SÍSMICO ELÁSTICO DE ACELERACIONES QUE REPRESENTAN . .................. 69
ILUSTRACIÓN 58: MÁXIMO CORTANTE DINÁMICO PRODUCIDO EN EL SISMO EN X. ................................. 71
ILUSTRACIÓN 59: CORRECCIÓN DEL CORTANTE DINÁMICO CON EL FACTOR DE AMPLIFICACIÓN FA. ..... 72
ILUSTRACIÓN 60: MÁXIMO CORTANTE DINÁMICO PRODUCIDO EN EL SISMO EN X CORREGIDO. ............. 72
ILUSTRACIÓN 61: DERIVA DE PISO, SISMO EN X....................................................................................... 73
ILUSTRACIÓN 62: DERIVA DE PISO, SISMO EN Y ....................................................................................... 74
ILUSTRACIÓN 63: OPCIONES PARA DISEÑAR Y CHEQUEAR LOS ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA .......... 75
ILUSTRACIÓN 64: DISEÑO DE VIGAS PRINCIPALES Y SECUNDARIAS DEL PISO 1 ...................................... 75
ILUSTRACIÓN 65: DISEÑO DE COLUMNAS EN EL EJE 2 .............................................................................. 76
ILUSTRACIÓN 66: RELACIÓN DEMANDA / CAPACIDAD EN LAS VIGAS DEL PISO 1 ...................................... 76
ILUSTRACIÓN 67: RELACIÓN DEMANDA / CAPACIDAD EN LAS COLUMNAS DEL EJE 2 ............................... 77
ILUSTRACIÓN 68: DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL COLUMNA PISO 1 .......................................................... 78
ILUSTRACIÓN 69: DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL COLUMNA PISO 2 .......................................................... 78
ILUSTRACIÓN 70: CONEXIÓN RBS ............................................................................................................ 80
ILUSTRACIÓN 71: CONEXIÓN PRECALIFICADA DE PLACA EXTREMA EMPERNADA SIN RIGIDIZAR. ............. 81
ILUSTRACIÓN 72: CONEXIÓN PRECALIFICADA DE PLACA DE ALA EMPERNADA ......................................... 81
xv
ILUSTRACIÓN 73: CONEXIÓN PRECALIFICADA DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO Y ALMA SOLDADA ......... 82
ILUSTRACIÓN 74: CONEXIÓN PRECALIFICADA KAISER CON SOPORTE ATORNILLADO (IZQUIERDA) ......... 82
ILUSTRACIÓN 75: CONEXIÓN DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO Y ALMA SOLDADA WUF - W ................... 84
ILUSTRACIÓN 76: CARACTERÍSTICAS DE LA CONEXIÓN DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO ...................... 85
ILUSTRACIÓN 77: ESQUEMA DE CUERPO LIBRE ENTRE EL CENTRO DE LA VIGA . ..................................... 87
ILUSTRACIÓN 78: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA ................................. 88
ILUSTRACIÓN 79: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA. ................................ 88
ILUSTRACIÓN 80: VISTA LATERAL DE LA PLACA DE CORTANTE. .............................................................. 91
ILUSTRACIÓN 81: SOLDADURA DE FILETE EN PLACA DE CORTANTE. ...................................................... 94
ILUSTRACIÓN 82: CÁLCULO DE LA GARGANTA Y ÁREA EFECTIVA PARA UNA SOLDADURA DE FILETE. ... 94
ILUSTRACIÓN 83: SOLDADURA DE PENETRACIÓN COMPLETA ................................................................. 96
ILUSTRACIÓN 84: CONEXIONES EN T Y EN CRUZ CON PLANCHA TRANSVERSAL . .................................. 98
ILUSTRACIÓN 85: CONEXIONES DE PLANCHA DE TAPADO BAJO CARGA AXIAL. ................................... 100
ILUSTRACIÓN 86: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA. .............................. 101
ILUSTRACIÓN 87: DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA A UNA CARA DE LA COLUMNA. .............................. 101
ILUSTRACIÓN 88: DEFINICIÓN DE UNIDADES DE MEDIDAS. .................................................................... 106
ILUSTRACIÓN 89: SELECCIÓN DE LA CONEXIÓN VIGA – ALMA DE COLUMNA ......................................... 106
ILUSTRACIÓN 90: ASIGNACIÓN DE SECCIONES DE LOS ELEMENTOS. .................................................... 107
ILUSTRACIÓN 91: VIGA CONECTADA AL ALMA Y AL ALA DE LA COLUMNA. ............................................... 107
ILUSTRACIÓN 92: ELECCIÓN DE LA PLACA DE CORTANTE. .................................................................... 108
ILUSTRACIÓN 93: ELECCIÓN Y ASIGNACIÓN DE DATOS GEOMÉTRICOS OBTENIDOS . ............................ 108
ILUSTRACIÓN 94: SELECCIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO....................................................................... 109
ILUSTRACIÓN 95: CONEXIÓN A MOMENTO DIRECTAMENTE SOLDADA ................................................... 109
ILUSTRACIÓN 96: ASIGNACIÓN DE LA CONEXIÓN A MOMENTO. ............................................................. 110
ILUSTRACIÓN 97: CONEXIÓN A MOMENTO Y PLACA DE CORTANTE. ...................................................... 110
ILUSTRACIÓN 98: CASOS Y COMBINACIONES DE CARGAS ..................................................................... 111
ILUSTRACIÓN 99: ASIGNACIÓN DE CORTANTES Y MOMENTOS PRODUCIDOS. ....................................... 112
ILUSTRACIÓN 100: ASIGNACIÓN DE CORTANTES Y MOMENTOS PRODUCIDOS. ..................................... 113
ILUSTRACIÓN 101: ASIGNACIÓN DE FUERZA AXIAL Y MOMENTO FLECTOR PRODUCIDOS. ................... 114
ILUSTRACIÓN 102: DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL Y MOMENTO FLECTOR . ............................................ 114
ILUSTRACIÓN 103: FUERZAS QUE LLEGAN A LA PLACA DE CORTANTE. ................................................. 115
ILUSTRACIÓN 104: FUERZAS QUE LLEGAN A LA CONEXIÓN DE MOMENTO ............................................ 115
ILUSTRACIÓN 105: PERSONALIZACIÓN, COMBINACIONES DE CARGAS. .................................................. 116
ILUSTRACIÓN 106: DISEÑO DE LA CONEXIÓN EN AMBOS LADOS DE LA COLUMNA ................................ 120
ILUSTRACIÓN 107: VISTA SUPERIOR DE LA PLACA ................................................................................. 121
ILUSTRACIÓN 108: VISTA LATERAL DE LA PLACA ................................................................................... 121
ILUSTRACIÓN 109: VISTA FRONTAL DE LA PLACA .................................................................................. 122
ILUSTRACIÓN 110: VISTA FRONTAL DE LA CONEXIÓN A MOMENTO ....................................................... 122
xvi
ILUSTRACIÓN 111: VISTA LATERAL DE LA CONEXIÓN A MOMENTO ....................................................... 123
ILUSTRACIÓN 112: VISTA SUPERIOR DE LA CONEXIÓN A MOMENTO ..................................................... 123
ILUSTRACIÓN 113: DISEÑO OPTIMIZADO DE LA CONEXIÓN EN AMBOS LADOS DE LA COLUMNA ............ 124
ILUSTRACIÓN 114: VISTA SUPERIOR DE LA PLACA OPTIMIZADA ............................................................ 125
ILUSTRACIÓN 115: VISTA LATERAL DE LA PLACA OPTIMIZADA .............................................................. 125
ILUSTRACIÓN 116: VISTA FRONTAL DE LA PLACA OPTIMIZADA ............................................................. 126
ILUSTRACIÓN 117: CONEXIÓN ALA SOLDADA SIN REFORZAR ALMA SOLDADA A ESCALA REAL .......... 127
xvii
Índice de Tablas
TABLA 1: TIPOS DE ACERO SEGÚN SUS USOS .......................................................................................... 10
TABLA 2: ESFUERZOS DE FLUENCIA (FY) Y RESISTENCIA A LA TRACCIÓN ÚLTIMA (FU) DE ACEROS..... 11
TABLA 3: CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS SISMO RESISTENTES SEGÚN AISC 341 ................................... 12
TABLA 4: REQUERIMIENTOS DE DISEÑO ENTRE LOS SISTEMAS PRECALIFICADOS ................................... 16
TABLA 5: FACTORES DE FLUENCIA Y TENSIÓN PROBABLES PARA ACEROS.............................................. 19
TABLA 6: DETERMINACIÓN DE CARGAS GRAVITACIONALES. ................................................................... 33
TABLA 7: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA PLACA COLABORANTE TIPO DECK. ................................ 33
TABLA 8: RELACIÓN DE ESBELTEZ ENTRE LA LONGITUD EFECTIVA DE LA COLUMNA . ............................. 38
TABLA 9: ESFUERZO CRÍTICO DISPONIBLE PARA MIEMBROS EN COMPRESIÓN. .................................... 38
TABLA 10: RELACIÓN ANCHO ESPESOR PARA MIEMBROS A COMPRESIÓN ALTA ..................................... 40
TABLA 11: CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DE LOS PERFILES EN CENTÍMETROS. .............................. 41
TABLA 12: GRUPOS ESTRUCTURALES DE ACUERDO CON R. ................................................................... 51
TABLA 13: VALORES DEL FACTOR Z EN FUNCIÓN DE LA ZONA SÍSMICA ADOPTADA. ............................... 51
TABLA 14: VALORES DE LA RELACIÓN DE LA ACELERACIÓN ESPECTRAL Y EL PGA . .............................. 51
TABLA 15: TIPO DE SUELO Y FACTORES DE SITIO FA. .............................................................................. 52
TABLA 16: TIPO DE SUELO Y FACTORES DE SITIO FD. .............................................................................. 52
TABLA 17: TIPO DE SUELO Y FACTORES DEL COMPORTAMIENTO INELÁSTICO DEL SUBSUELO FS. ......... 53
TABLA 18: TIPO DE USO, DESTINO E IMPORTANCIA DE LA ESTRUCTURA. ................................................ 53
TABLA 19: TRES PRIMEROS MODOS DE VIBRACIÓN. ................................................................................. 66
TABLA 20: VALORES PARA CT Y Α SEGÚN EL TIPO DE SISTEMA ESTRUCTURAL. ...................................... 66
TABLA 21: CÁLCULO DEL PERIODO DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA SEGÚN LA NEC 2015. ............ 67
TABLA 22: DEFINICIÓN DE LA CARGA QUE ACTÚA EN LA ESTRUCTURA. ................................................... 69
TABLA 23: VALORES DE ΔM MÁXIMOS, EXPRESADOS COMO FRACCIÓN DE LA ALTURA DE PISO. ........... 71
TABLA 24: LIMITACIONES Y PARÁMETROS GENERALES DE LA CONEXIÓN WUF - W ............................... 81
TABLA 25: CARACTERÍSTICAS DE LA SOLDADURA EN LA CONEXIÓN WUF - W ....................................... 83
TABLA 26: RESISTENCIA DISPONIBLE DE JUNTAS SOLDADAS ................................................................. 89
TABLA 27: DISPOSICIONES DE LA AWS D1.1 PARA METALES DE APORTE COMPATIBLE CON . .............. 90
TABLA 28: RESISTENCIA DISPONIBLE DE JUNTAS SOLDADAS ................................................................. 93
TABLA 29: RESULTADOS DEL DISEÑO EN EL SOFTWARE ....................................................................... 114
TABLA 30: RESULTADOS DEL DISEÑO DE LA CONEXIÓN EN EL SOFTWARE RAM CONNECTION .......... 115
TABLA 31: TABLA DE COMPARACIÓN DE RESULTADOS. ........................................................................ 116
xviii
RESUMEN
Autor: Stefanía Paola Bowen Cruzatty
Título Del Trabajo De Titulación: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LA CONEXIÓN VIGA COLUMNA PRECALIFICADA DE ALA SOLDADA SIN REFUERZO Y ALMA SOLDADA (WUF-W) EN UN EDIFICIO DE ESTRUCTURA METÁLICA.
Este trabajo de titulación tiene como objetivo el estudio del comportamiento en la conexión viga columna de un edificio de 10 pisos diseñado en acero estructural ASTM A992 de Grado 50 con sistema de pórticos resistentes a momentos. En el diseño se usarán conexiones soldadas precalificadas y posteriormente se comprobará si las mismas cumplen con las disposiciones sísmicas de acuerdo con el capítulo j del código AISC 360-10, AISC 341-10, AISC 358-10 y la norma NEC 2015, las mismas que indican que una conexión que une a miembros que pertenezcan a un sistema resistente a cargas sísmicas debe ser diseñada de tal forma que el estado límite dúctil sea quien controle el diseño ya sea en los miembros o en la conexión. La edificación es una estructura nueva, diseñada para para este proyecto. Se asumió que se encuentra en la ciudad de Guayaquil sobre un suelo tipo D y su importancia será de uso residencial. El predimensionamiento de las columnas y vigas que son los elementos principales es calculado conforme a el plano arquitectónico realizado mediante el Software AutoCAD 2016, para el predimensionamiento y análisis de las vigas principales y secundarias se usó el Software SAP 2000, el análisis dinámico se lo realizó con el Software ETABS 2016, las cargas gravitacionales para el pre diseño y el análisis estático se las calculó mediante los capítulos NEC-SE-CG Y NEC-SE-DS de la NEC-2015, para el análisis sísmico de las secciones escogidas se verificó que cumplan con los requerimientos del código AISC 341-10 según recomienda la norma NEC-2015 en el capítulo de estructuras de acero (provisiones sísmicas), los perfiles escogidos para el diseño de la edificación y que cumplen con los requerimientos fueron el IPE 500 para las vigas principales e IPE 200 para las vigas secundarias, las columnas son rectangulares tipo cajón sin relleno. Realizado el diseño de la edificación, con los resultados obtenidos se analiza y diseña teóricamente la conexión viga columna precalificada para garantizar que cumpla con los requisitos de diseño como son los de capacidad de disipación de energía y ductilidad según AISC 358-10 y posteriormente se realiza el diseño digital en el software RAM Connection 2016 con los datos geométricos para la conexión obtenidos del diseño teórico. Al final, una vez que se desarrolló la investigación, se realizan las recomendaciones y conclusiones.
PALABRAS CLAVES: ESTUDIO, COMPORTAMIENTO, CONEXIÓN, DISEÑO, ESPECIFICACIONES.
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ABSTRACT
Author: Stefania Paola Bowen Cruzatty
Title of the Degree Work: STUDY OF THE BEHAVIOR OF THE PRE- QUALIFIED COLUMN BEAM OF WELDED WING WITHOUT REINFORCEMENT AND WELDED CORE (WUF-W) IN A METAL STRUCTURE BUILDING.
This titration work aims to study the behavior in the column beam connection of a 10-story building designed in ASTM A992 Grade 50 structural steel with moment-resistant gantry system. Pre-qualified welded connections will be used in the design and subsequently it will be checked if they comply with the seismic provisions in accordance with chapter j of the AISC 360-10, AISC 341-10, AISC 358-10 and NEC 2015 standards, the same that indicate that a connection that unites members belonging to a system resistant to seismic loads must be designed in such a way that the ductile limit state is the one who controls the design either in the members or in the connection.The building is a new structure, designed for this project. It was assumed that it is located in the city of Guayaquil on a type D floor and its importance will be for residential use. The pre-sizing of the columns and beams that are the main elements is calculated according to the architectural plan made using the AutoCAD 2016 Software, for the pre-sizing and analysis of the main and secondary beams the SAP 2000 Software was used, the dynamic analysis was performed With the 2016 ETABS Software, gravitational loads for pre-design and static analysis were calculated using NEC-SE-CG and NEC-SE-DS chapters of NEC-2015, for the seismic analysis of the selected sections that meet the requirements of the AISC 341-10 code as recommended by the NEC-2015 standard in the chapter of steel structures (seismic provisions), the profiles chosen for the design of the building and that meet the requirements were the IPE 500 for the main beams and IPE 200 for the secondary beams, the columns are rectangular type drawer without padding.Once the design of the building has been carried out, with the results obtained, the pre-qualified column beam connection is analyzed and theoretically designed to ensure that it meets the design requirements such as energy dissipation capacity and ductility according to AISC 358-10 and subsequently performed the digital design in the RAM Connection 2016 software with the geometric data for the connection obtained from the theoretical design.In the end, once the research was developed, recommendations and conclusions are made. KEYWORDS: STUDY, BEHAVIOR, CONNECTION, DESIGN, SPECIFICATIONS.
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CAPÍTULO I
Generalidades
1.1. Introducción
En las últimas décadas, en el Ecuador ha surgido una gran evolución
relacionada al sector de la construcción, los sismos que han sucedido en el país
han dado lugar a que se modifiquen las normas nacionales y que haya mayor
control al momento de diseñar y construir una edificación, los métodos de diseño
y de construcción también han presentado cambios y han dejado de ser sistemas
tradicionales para convertirse en métodos relativamente nuevos como son los
proyectos realizados con sistemas en acero estructural.
Hace una década para proyectos de edificaciones en el Ecuador se usaba el
acero ASTM A36, luego fue reemplazado por el acero ASTM A572 de Grado 50
y en la actualidad se usa el acero ASTM A992 de Grado 50, este último fue el
escogido para el modelo estructural de esta investigación.
En otros países de Norteamérica, Europa y Asia ubican los pórticos
resistentes a momentos únicamente en el perímetro del edificio, debido a que
con el paso de los años observaron que existía mucha redundancia entre los
pórticos y que las conexiones viga columna resultaban más costosas si se las
diseñaba para que todas puedan resistir cargas sísmicas, pero en Ecuador se
sigue acostumbrando el mismo mecanismo que usaba Estados Unidos en la
década de los 70 al momento de diseñar un edificio en acero estructural, es
decir, que todos los pórticos que conforman la estructura deben ser diseñados
para soportar cargas verticales y laterales al igual que sus conexiones.
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1.2. Planteamiento del Problema
Los requerimientos de la Norma Ecuatoriana de la construcción se
complementan con normas y códigos extranjeros reconocidos, nombrados en el
resumen de esta investigación. Tuvieron que suceder sismos como el de los
Ángeles y el de Northrigde en 1994 para que estos códigos sean modificados
luego de comprobar mediante varios estudios realizados a escala real por la
Agencia Federal de Gestión de Emergencia (FEMA) de los Estados Unidos que
se produjeron fallas aún en edificaciones ubicadas en localidades donde no
existió una aceleración sísmica significativa, de todos los edificios
inspeccionados durante estos sismos observaron que las fallas se produjeron en
las bases de las columnas y en las soldaduras de penetración completa en la
conexión viga columna, impidiendo de esta manera que la estructura tenga un
comportamiento dúctil durante el evento sísmico.
La conexión viga columna es la que debe resistir los esfuerzos de cortes y
momentos flectores que se transfieren de la viga a la columna conjuntamente
con las alas, alma y soldadura de las mismas, por lo tanto, el diseño de la
conexión y el tipo de soldadura que se utilice deben ser los que recomienda la
norma de cada país, muchas edificaciones en el Ecuador han sido construidas
con soldadura de filete y no de penetración completa como recomienda la NEC-
2015, por lo que en el sismo de Abril del 2016 en la provincia de Manabí y
Esmeraldas los daños fueron significativos, llegando a la conclusión que existen
muchas deficiencias y desconocimiento de los códigos y normas por parte de la
ciudadanía al momento de diseñar y construir una edificación.
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1.3. Objetivos de la Investigación
1.3.1. Objetivo General.
Evaluar el comportamiento de la conexión viga columna precalificada de ala
soldada sin refuerzo y alma soldada en un edificio de 10 pisos diseñado en acero
estructural ASTM A992 de Grado 50 con sistema de pórticos resistentes a
momentos.
1.3.2. Objetivos Específicos.
a) Realizar el predimensionamiento de la edificación según los planos
arquitectónicos y basados en la norma Nec-2015, códigos AISC 360-
10, 341-10, Y 358-10.
b) Analizar el comportamiento dinámico de la estructura en el software
ETABS 2016 y revisar el diseño de los elementos de acuerdo con los
requerimientos.
c) Realizar el diseño teórico de la conexión precalificada de ala soldada
sin reforzar y alma soldada según AISC 358-10.
d) Diseñar la Conexión soldada a momento y Placa de Cortante en el
software RAM Connection 2016 aplicando los datos geométricos
obtenidos en el diseño teórico.
e) Aplicar en el software de análisis de la conexión, las fuerzas que
llegan a la misma obtenidas en el ETABS y evaluar su
comportamiento.
f) Comparar los resultados del diseño teórico vs el diseño en el software.
g) Editar las recomendaciones y conclusiones según el análisis de los
resultados obtenidos.
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1.4. Alcance del Trabajo
En el presente trabajo de titulación se realizó el estudio del comportamiento
de la conexión viga columna de una edificación de estructura metálica de 10
pisos con pórticos resistentes a momentos diseñados con columnas tubulares
rectangulares y vigas tipo I en acero laminado en caliente ASTM A992 Grado 50,
los elementos que forman los pórticos cumplen los requisitos sísmicos del código
AISC 341-10 Y las conexiones los del código AISC 358-10 conforme recomienda
la norma NEC-2015.
El análisis dinámico de la superestructura se lo realizó en el software ETABS
2016, con los resultados de los momentos flectores y esfuerzos de cortes
obtenidos se realizó el diseño y posterior análisis de la conexión viga columna.
La configuración geométrica de la edificación es la siguiente:
a) Vigas de 4, 5, y 6 metros de luz en el sentido longitudinal
b) Vigas de 6 y 8 metros de luz en el sentido transversal
c) Columnas entre pisos de 3.2 metros de altura.
d) Losa tipo deck de 10 centímetros de espesor y concreto de 210 kg/cm2
soportada por vigas secundarias sísmicas tipo I.
e) Escalera metálica con escalones fundidos de hormigón y ascensor.
1.5. Justificación e Importancia
Las conexiones viga columna son miembros que transmiten las fuerzas desde
las vigas hacia las columnas, las cuales soportan grandes solicitaciones de
momentos flexionantes y esfuerzos de cortes por lo que su diseño debe ser el
adecuado para que presenten un comportamiento dúctil y resistente ante cargas
accidentales y de gravedad. Para un diseño óptimo se recomienda cumplir con
los requerimientos del código ANSI/AISC 358.
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La FEMA recomienda el uso de conexiones precalificadas según el sistema
estructural de la edificación, la NEC-2015 también proporciona limitaciones y
criterios que se deben cumplir en este tipo de conexiones como son los
requerimientos en la zona de panel, el criterio columna fuerte viga débil, la
soldadura calificada según la AWS que se debe usar en la conexión entre las
alas y el alma de los elementos a unir, además de los ensayos de laboratorio
que se deben realizar a los miembros unidos para garantizar un mecanismo de
plastificación estable, conocer los modos de falla y garantizar el comportamiento
dúctil de la conexión, con el fin de que en esta no se produzcan fallas frágiles y
que las rotulas plásticas se formen en las zonas esperadas de la estructura.
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CAPÍTULO II
Marco Teórico
2.1. Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-2015
En el año 2001, el Código Ecuatoriano de la Construcción fue actualizado y
promovido por la Subsecretaría de Hábitat y Asentamientos Humanos del
MIDUVI (Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda) con el objetivo de regular
los procesos constructivos para que los mismos cumplan con las exigencias de
calidad y seguridad en las estructuras. A partir de esa actualización nace la
norma NEC (Norma Ecuatoriana de la Construcción), la cual basada en
diferentes criterios especifica parámetros, procedimientos y objetivos para el
uso, rehabilitación y mantenimiento de los diferentes proyectos ingenieriles.
La Norma se estructura de varios capítulos que hace referencia especialmente
a la seguridad y comportamiento estructural, adecuada distribución de servicios
básicos, salud y habitabilidad. Esta Norma se complementa con códigos y
especificaciones extranjeras, en especial, las americanas y sus capítulos son
actualizados conforme avance los estándares tecnológicos hacia otros sectores
y en especial el de la construcción.
Las empresas privadas y públicas, así como los profesionales en la
construcción están en la obligación de cumplir con los diferentes requerimientos
establecidos en los capítulos contemplados en la Norma y las regularizaciones
emitidas por el GAD (Gobierno Autónomo Descentralizado) Municipal del
territorio donde se ejecute el proyecto; de la misma forma deben realizar los
diseños según la normativa vigente.
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En esta investigación se realiza una breve introducción de los capítulos
principales considerados para el diseño del edificio
2.1.1. Capítulo de Cargas Gravitacionales No Sísmicas de la
NEC-2015 (NEC-SE-CG).
Entre los factores que se deben considerar para realizar el cálculo y diseño
estructural se encuentran los factores de cargas, este capítulo contempla e indica
diferentes parámetros para las cargas permanentes (cargas muertas, peso
propio de la estructura), cargas variables (cargas vivas, granizo y viento),
combinaciones de cargas y recomienda el capítulo NEC-SE-DS para las cargas
accidentales, en conclusión, solo considera las cargas no sísmicas (cargas
verticales o de gravedad) que soportará la estructura.
Ilustración 1: Esquema Conceptual de la NEC – SE – CG
Fuente: (MIDUVI, 2014)
2.1.2. Capítulo de Diseño Sísmico de la NEC-2015 (NEC-SE-
DS).
Este capítulo considera las cargas accidentales (cargas sísmicas) que puede
soportar la estructura durante su vida útil, en los diseños sismo resistentes de
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edificaciones se emplean metodologías y técnicas fundamentadas en los
requerimientos mínimos y básicos adecuados para el dimensionamiento y
cálculo de la estructura, con el fin de que la misma presente un mecanismo
adecuado de disipación de energía durante un sismo.
En estos diseños es importante determinar la demanda sísmica, las fuerzas
laterales y escoger el método de análisis sísmico. El capítulo contiene dos
métodos: uno basado en fuerzas, el cual es mínimo y obligatorio para todas las
estructuras y el otro basado en desplazamientos, el cual es alternativo; para el
análisis sísmico de la edificación se escogió el primer método esquematizado en
la ilustración 2.
Ilustración 2: Esquema del diseño basado en fuerzas (DBF)
Fuente: (MIDUVI, 2014)
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2.1.3. Capítulo de Diseño de Estructuras de Acero de la NEC-
2015 (NEC-SE-AC).
La filosofía de diseño empleada en este capítulo estudia a los miembros en
dos partes: la parte que soporta las fuerzas verticales como las vigas
secundarias que únicamente soportan el peso muerto y vivo que actúan sobre
ellas directamente y la parte que resiste las fuerzas horizontales como son las
vigas principales y columnas. En este capítulo se emplean las siguientes
disposiciones principales para el diseño, montaje y fabricación de los miembros
que forman el sistema resistente a cargas sísmicas y gravitacionales en acero:
Para el diseño:
a) Especificaciones generales para edificios de acero estructural, AISC 360.
b) Disposiciones sísmicas para edificios de acero estructural, AISC 341.
c) Aplicaciones sísmicas para conexiones precalificadas usadas en pórticos
especiales resistentes a momento y pórticos intermedios, AISC 358.
Para el montaje y fabricación:
a) Especificación para uniones estructurales con pernos de alta resistencia
(RCSC, 2009)
b) Código de soldadura estructural - Acero, AWS D1.1 (AWS, 2015)
c) Código de prácticas estándar para edificios y puentes de acero, AISC 303.
El capítulo no aplica en edificios ensamblados y fabricados con perfiles
laminados en frío y cuando el R que es el coeficiente de reducción de respuesta
sísmica sea menor o igual a 3.
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Ilustración 3: Esquema del diseño basado en cargas (DBF)
Fuente: (MIDUVI, 2014)
La finalidad del capítulo es que la estructura mediante deformaciones
inelásticas disipe la energía provocada por el sismo en el terreno de diseño.
2.2. Tipos de Aceros Estructurales
En el mercado existen aceros de diferentes grados, pero es primordial que el
acero usado en el diseño cumpla con las disposiciones de estados límites de
falla y de servicio, por lo tanto, se debe considerar la resistencia (tensión) y
ductilidad a la fractura (esfuerzo de fluencia), la metalurgia, composición química
y soldabilidad. A la vez, también se debe conocer las aplicaciones de campo y la
fabricación del material antes de hacer la elección.
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Tabla 1: Tipos de acero según sus usos
Fuente: (Carlos Cházaro, 2014)
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Tabla 2: Esfuerzos de Fluencia (Fy) y Resistencia a la Tracción Última (Fu) de aceros.
Fuente: (Carlos Cházaro, 2014)
2.2.1. Acero ASTM A992 Grado 50.
El acero ASTM 992 de grado 50 es el más reciente que se adicionó en 1998
a la nómina de los aceros para la construcción de estructuras, también es
conocido como acero ASTM A 572 modificado, es decir, con controles
adicionados y requerimientos especiales; el valor de 0,85 es el máximo entre la
relación de resistencias fy/fu ya que la característica principal de este acero es
que ofrece un límite máximo de fluencia de 4.600 kg/cm2 (65 Ksi) y un límite
mínimo de 3.515 kg/cm2 (50 Ksi). Químicamente la cantidad de carbono que
contiene equivale a un 0.47% que comparado a otros aceros tiene menor
cantidad de carbono y más control en el contenido de Molibdeno. El Molibdeno
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es un metal que se emplea en aleaciones de grandes resistencias que soportan
altas temperaturas y corrosiones.
Ilustración 4: Edificación en Acero Estructural ASTM A992
Fuente: (Carlos Cházaro, 2014)
2.3. Sistemas Sismo resistentes Utilizados en Edificios de Acero
Estructural
Para la clasificación de estos sistemas el código AISC 341 los divide en dos
grupos como lo muestra la tabla 3, sin embargo, muchos diseñadores combinan
estos sistemas según las solicitudes sísmicas de la estructura.
Tabla 3: Clasificación de Sistemas Sismo resistentes según AISC 341
Fuente: (Lenin, 2014)
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La norma NEC-2015 en su capítulo de diseño de estructuras de acero hace
referencia únicamente a los siguientes pórticos:
a) Pórticos especiales resistentes a momentos (PEM), en inglés “special
moment frame” (SMF).
b) Pórticos arriostrados excéntricamente (PAE), en inglés “eccentrically
braced frame” (EBF).
c) Pórticos especiales arriostrados concéntricamente (PEAC), en inglés
“special concentrically braced frame” (SCBF).
El sistema usado en el diseño de la estructura es el de “Pórticos especiales
resistentes a momentos (PEM).
2.3.1. Pórticos Especiales Resistentes a Momentos (PEM).
También conocidos como pórticos no arriostrados se conforman de columnas
y vigas que se conectan por medio de soldaduras, pernos o la combinación de
ambos. Se diseñan para que resistan esfuerzos de corte y momentos flectores
con el objetivo de que cuando la estructura incursione en el rango inelástico
disipen la energía por medio de sus miembros fusibles cuando haya una
excitación sísmica, las vigas serán los miembros fusibles en este sistema y se
espera que en ellas se formen las articulaciones plásticas donde ocurrirán la
mayoría de las deformaciones a una cierta distancia de la cara de la columna.
En las bases de las columnas también pueden existir deformaciones inelásticas
como se muestra en la ilustración 5.
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Ilustración 5: Zonas en la que se esperan deformaciones inelásticas
Fuente: (MIDUVI, 2014)
2.3.1.1. Criterios de Diseño de Pórticos Especiales
Resistentes a Momentos (PEM) Según la NEC-2015.
El diseñador, según criterios y solicitudes de demanda de cargas, es quien
decide si realizar el diseño de tal forma que todos los pórticos, interiores como
exteriores, sean PEM (tipo 1) o si únicamente los pórticos perimetrales lo sean
(tipo 2); puesto que, por varios estudios realizados en sismos pasados
concluyeron que existía mucha redundancia en el diseño de estos sistemas y
que por economía era factible dividirlo en los 2 tipos.
Ilustración 6: Sistema de pórticos especiales a momento tipo 2 y 1 respectivamente.
Fuente: (MIDUVI, 2016)
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2.4. Provisiones Sismo resistentes según AISC 341
Las disposiciones sísmicas dominarán el diseño, la fabricación y el montaje
de elementos de acero estructural y conexiones en los sistemas de resistencia a
la fuerza sísmica (SRFS), los empalmes y bases de las columnas en sistemas
de pórticos por gravedad en edificios y otras estructuras con pórticos a
momentos, pórticos arriostrados y muros de corte.
Las especificaciones AISC recomiendan que los edificios de acero, en
especial los miembros que conforman los pórticos como vigas, columnas y
conexiones deben cumplir criterios y requerimientos generales como:
a) Criterio de columna fuerte - viga débil
b) Cálculo del cortante máximo y momento plástico probable en la rótula
plástica.
c) Requerimientos de las limitaciones para columnas y vigas
d) Chequeo de la conexión que unirá la viga con la columna
e) Diseño de la zona de panel y de las placas de continuidad si lo requiere
el diseño, entre otros.
En la tabla 4, se puede observar los requerimientos de los dos tipos principales
de diseños precalificados que distinguen estos códigos.
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Tabla 4: Requerimientos de diseño entre los sistemas precalificados
Fuente: (Lenin, 2014)
2.5. Nomenclatura típica de la conexión viga - columna
Ilustración 7: Sistema de pórticos especiales a momento tipo 2 y 1 respectivamente.
Fuente: (Lenin, 2014)
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Donde:
tp: espesor de la zona de panel
dc: altura de la columna
wz: altura de la zona de panel
db: altura de la viga
dz: ancho de la de la zona de panel
tbf: espesor del ala de la viga
bbf: ancho de las alas de la viga
tcf: espesor del ala de la columna
bcf: ancho de las alas de la columna
2.6. Ubicación de Rótulas Plásticas en la viga
Para determinar la posición de las rótulas plásticas es necesario realizar el
cálculo detallado de las cargas gravitacionales y la demanda flexional que
soporta la viga, puesto que, si existe gran cantidad de cargas verticales la
posición de las rótulas plásticas puede variar y que no se realice la deformación
inelástica en las zonas esperadas ni que el tipo de mecanismo de colapso sea
el deseado.
La ilustración 8 muestra dos posiciones de las articulaciones en la viga según
la conexión, en (a) del lado izquierdo la conexión es de sección reducida, es
decir, que a una distancia x del extremo de la viga se reduce la sección de la
misma, por consiguiente la deformación inelástica se producirá en el centro de
la zona reducida y en el lado derecho de la viga se encuentra una conexión
reforzada, es decir, se refuerza la unión con rigidizadores o placas y de esta
forma se aumenta la capacidad de resistencia de la conexión, la deformación
ocurrirá a una distancia entre 1/3 y 1/4 de la altura de la viga que se mide a partir
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del borde de las placas o rigidizadores de refuerzo. La distancia x o también
conocida con la nomenclatura de Sh puede variar según el tipo de conexión viga-
columna utilizada en el diseño, en este análisis por cuestiones de diseño y
recomendaciones del código AISC 358 para conexiones precalificadas Sh será
igual a 0.
Ilustración 8: Ubicación de rótulas plásticas en vigas con distinto tipo de conexiones
Fuente: (Crisafulli, 2012)
2.6.1. Momento Máximo Probable en la Rótula Plástica.
El momento máximo probable en la rótula plástica será:
Mpr = Cpr * Ry * Fy * Ze
Donde:
Mpr Máximo momento probable en la rótula plástica.
Cpr Factor que toma en cuenta la resistencia máxima de la conexión,
incluyendo el endurecimiento por deformación, restricciones locales incluyendo
reforzamiento adicional y otras conexiones de conexión.
Ry Factor de esfuerzo de fluencia probable del acero, valor determinado en
la tabla 5.
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Fy Mínimo esfuerzo de fluencia especificado del tipo de acero usado en el
elemento, valor determinado en la tabla dos.
Ze Modulo plástico efectivo de la sección o conexión en la rótula plástica.
Generalmente el valor de Cpr se calcula con la siguiente ecuación:
Cpr = 𝐹𝑦 + 𝐹𝑢
2 𝐹𝑦≤ 1.20
Donde:
Cpr Factor que toma en cuenta la resistencia máxima de la conexión,
incluyendo el endurecimiento por deformación, restricciones locales incluyendo
reforzamiento adicional y otras conexiones de conexión.
Fy Mínimo esfuerzo de fluencia especificado del tipo de acero usado en el
elemento, valor determinado en la tabla dos.
FU Resistencia mínima a tensión del acero, valor determinado en la tabla
dos.
El valor de Cpr puede variar según los requerimientos de endurecimiento por
deformación.
Tabla 5: Factores de fluencia y tensión probables para aceros.
Fuente: (AISC341, 2010)
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2.6.2. Máximo Corte en la Rotula Plástica.
La máxima fuerza de corte Vh de las rótulas en cada extremo de la viga se
determina con un diagrama de cuerpo libre entre la longitud libre del elemento y
las rótulas plásticas.
Ilustración 9: Diagrama de Cuerpo Libre de la viga
Fuente: (Lenin, 2014)
𝑉ℎ = 2𝑀𝑝𝑟
𝐿ℎ+ 𝑉𝑝
Donde:
Vh Máxima fuerza de corte en cada rótula plástica.
Mpr Momento máximo probable en la rótula plástica.
Lh Longitud libre entre ambas rótulas.
Vp Fuerza de corte calculada en la viga con la combinación de carga
1.2D+f1L+0.2S (ASCE/SEI 7-16).
Nota: el factor f1 de la combinación se lo encuentra en los códigos o normas
de construcción, el mismo no debe ser menor a 0.5, en la NEC-2015, f1 es igual
a 1. Según el Código Internacional de la Construcción al factor 0.2 para S (nieve)
se lo puede reemplazar por 0.7 cuando la configuración de la cubierta es tal que
no arroja nieve sobre la estructura.
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2.7. Resistencia a Corte Requerida de la viga
La resistencia requerida al cortante de la viga Vu será el mayor de los dos
valores de la fuerza de corte Vh calculados en la sección 2.6.2.
2.8. Criterio Columna Fuerte Viga Débil
La finalidad de este criterio es que las columnas sean más fuertes que las
vigas de la estructura, para que al momento de producirse las fuerzas laterales
resultantes debido al sismo de diseño se fuerce el estado límite de fluencia por
flexión en las vigas en cada nivel de los pórticos especiales a momentos con el
fin de que se logre disipar un alto nivel de energía.
En la conexión viga columna debe cumplirse la siguiente condición:
∑𝑀𝑃𝑐∗
∑𝑀𝑃𝑣∗ ≥ 1.0
Donde:
∑𝑀𝑃𝑐∗ Suma de los momentos plásticos nominales de las columnas que llegan
a la conexión.
∑𝑀𝑝𝑣∗
Suma de los momentos plásticos nominales de las vigas que llegan a
la conexión.
Bajo el método adoptado para el análisis que es el de diseño por factores de
resistencia y cargas tenemos que:
∑𝑀𝑃𝑐∗ = ∑𝑧𝐶 (𝐹
𝑦𝑐− 𝑃𝑢𝑐
𝐴𝑔
)
Donde:
∑𝑀𝑃𝑐∗ Suma de los momentos plásticos nominales de las columnas que llegan
a la conexión.
𝑧𝐶 Módulo plástico de la columna.
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Fyc Mínimo esfuerzo de fluencia especificado para el tipo de acero usado
para las columnas.
𝐴𝑔 Área gruesa de la columna.
𝑃𝑢𝑐 Resistencia a carga axial requerida de una columna usando las
combinaciones de carga para las columnas.
∑𝑀𝑃𝑣∗ = ∑(𝑀𝑝𝑟 + 𝑀𝑢𝑣)
Donde:
∑𝑀𝑃𝑣∗ Suma de los momentos plásticos nominales de las vigas que llegan
a la conexión.
∑𝑀𝑝𝑟 Suma de los momentos probables en las rotulas plásticas que llegan a
la conexión, calculados en la sección 2.6.1.
∑𝑀𝑢𝑣 Momento adicional basado en combinaciones de factores por
resistencia y cargas, producidos por la fuerza cortante localizado en la rótula
plástica cuyo brazo es igual a la distancia existente entre la articulación plástica
y la cara de la columna.
Ilustración 10: Determinación de Mpv para una columna interior
Fuente: (MIDUVI, 2014)
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2.9. Zona de Panel
La zona de panel o panel nodal es el segmento cuadrado o rectangular que
se forma en el alma de la columna, entre las placas de continuidad que une las
vigas y las alas de la columna. Esta zona soporta momentos que provienen de
las vigas y columnas además de fuerzas cortantes y axiales como se muestra en
la ilustración 11.
Ilustración 11: Fuerzas internas actuando en la zona de panel de un PEM
Fuente: (MIDUVI, 2014)
2.9.1. Espesor de la Zona de Panel.
El espesor necesario para esta zona se debe determinar según el método
recomendado en el procedimiento de diseño de la conexión precalificada o de la
conexión ensayada.
Según AISC 341-05, si se necesitan dobles placas, el espesor “t” de la misma
y el espesor “t” del alma de la columna deberán cumplir el requerimiento de la
ecuación:
𝑡 ≥ⅆ𝑧 + 𝑤𝑧
90
Donde:
t Espesor del alma de la columna o la placa doble en mm.
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dz Profundidad de la zona del panel entre placas de continuidad en mm.
Wz Ancho de zona del panel entre las alas de la columna en mm.
Alternativamente, cuando se desea evitar el pandeo local del alma de la
columna y la doble placa se lo hace mediante el uso de soldaduras de unión, la
soldadura es de tipo tapón y se puede usar un mínimo de 4; bajo estas
condiciones el espesor total de la zona del panel deberá satisfacer la ecuación
anterior.
Ilustración 12: Soldaduras tapón en la zona de panel
Fuente: (MIDUVI, 2014)
2.9.2. Resistencia de diseño al Cortante en la Zona de Panel.
Si se realiza el diseño por el método de Resistencia y factores de cargas se
debe comprobar que la resistencia de diseño en cualquier segmento de un
elemento sea mayor o igual a la resistencia que se requiere “Vu” según las
combinaciones de carga recomendadas por los códigos.
Luego,
Resistencia de Diseño al cortante = 𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣
Donde:
𝜙𝑣 Factor de reducción de la resistencia que toma el valor de 1 para
miembros dúctiles y el valor de 0.9 para miembros no dúctiles.
26
𝑅𝑛𝑣 Resistencia nominal al corte, de acuerdo con el estado límite de fluencia
al cortante. Se la determina de acuerdo con la sección J10.6 del código AISC
360; la cual especifica que:
𝑅𝑛𝑣 = 0,60𝐹𝑦ⅆ𝑐𝜏𝑤
Donde:
𝐹𝑦 Tensión de fluencia mínima especificada del alma de la columna, kg/cm2.
ⅆ𝑐 Altura de la columna en centímetros.
𝜏𝑤 Espesor del alma de la columna en centímetros.
Finalmente,
𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣 ≥ 𝑉U
Si la resistencia de diseño al corte es mayor o igual a la resistencia requerida
no se necesita colocar doble placa de continuidad en esta zona.
La resistencia requerida VU es la determinada en la sección 2.5.1.2.6. de
esta investigación.
2.10. Diseño de la placa de cortante en la unión del alma de la
viga con el patín de la columna.
Para el diseño de la placa de cortante en la unión del alma de la viga con el
patín de la columna se debe verificar que la altura del alma de la viga pueda
resistir la fuerza cortante requerida Vu, para esto se escoge una placa de
espesor mínimo (9,5 mm) y se chequea con la siguiente expresión:
ⅆ𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑢
𝜙𝑣0.6 𝐹𝑦𝜏𝑝𝑐
27
Donde:
𝜙𝑣 Factor de reducción de la resistencia que toma el valor de 1 para
miembros
dúctiles y el valor de 0.9 para miembros no dúctiles.
𝐹𝑦 Tensión de fluencia mínima especificada del alma de la columna, kg/cm2.
ⅆ𝑚𝑖𝑛 Altura mínima de la placa de cortante.
𝜏𝑝𝑐 Espesor de la placa de cortante en centímetros.
𝑉𝑢 Resistencia de corte requerida por la viga en la unión viga columna.
La ilustración 13 muestra un esquema de la placa de cortante que esta
soldada a la columna y la viga, la placa tiene orificios que permiten empernar la
placa a la viga al momento del montaje para así facilitar la soldadura en campo,
por lo tanto, el AISC 358 recomienda que no se debe tomar en cuentan estos
orificios al momento de calcular la fuerza cortante y por ser conexiones
precalificadas recomienda valores máximos y mínimos para la soldadura que es
la que controlará el diseño.
Ilustración 13: Detalle de la placa de cortante en la unión
Fuente: (Pillajo, 2017)
28
Donde:
a = 1/4 pulgadas (6 mm) mínimo, 1/2 pulgada (12 mm) máximo.
b = 1 pulgada (25 mm) mínimo
c = 30 ° (± 10 °)
d = 2 pulgada (50 mm) mínimo
e = Distancia mínima de 1/ 2 pulgada (12 mm), 25 mm distancia máxima desde
el final de la soldadura de filete hasta el borde de agujero de acceso.
2.11. Agujeros de acceso a la soldadura según ASW D1.8-2009
“En perfiles laminados, el borde del alma deberá estar curvado desde la
superficie del ala hasta la superficie reentrante del agujero de acceso” (Pillajo,
2017).
Ilustración 14: Agujeros de acceso a la soldadura en la unión.
Fuente: (Pillajo, 2017)
2.12. Espesores y soldaduras en las Placas de Continuidad
Según (Pillajo, 2017), las placas de continuidad “son rigidizadores ubicados
entre las alas de la columna, a nivel de las alas de las vigas que llegan a la
conexión, el objetivo es transferir las cargas de tensión y compresión que se
producen sobre la columna”; es necesario colocar placas de continuidad para las
alas de la viga excepto en los casos donde el espesor de la columna de sección
29
I de ala ancha o encajonada satisfagan las ecuaciones dadas por el código AISC
358.
Ilustración 15: Placa de continuidad para las alas de la viga.
Fuente: (Pillajo, 2017)
En conexiones interiores, el espesor mínimo de la placa será el mayor espesor
de las alas de las vigas que llegan a la columna.
En conexiones exteriores, la placa deberá tener un espesor de por lo menos
la mitad del espesor del ala de la viga.
Generalmente los diseñadores igualan el ancho de la placa de continuidad
con el ancho del ala de la viga sobre el alma de la columna. Pero, el ancho
mínimo de la placa se lo puede deducir de la siguiente manera:
𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑖𝑛 ≥𝑏𝑣𝑓
3+
𝑡𝑐
2
Donde:
𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑖𝑛 Ancho mínimo de la placa de continuidad en mm.
𝑏𝑣𝑓 Ancho del ala de la viga en mm.
𝑡𝑐 Espesor del alma de la columna en mm.
Según la sección 9.2 de la NEC-SE-AC que refiere a la soldadura de
penetración completa para esta placa de continuidad, menciona que la
30
resistencia requerida de las juntas soldadas de las placas de continuidad al alma
de la columna deberá ser la menor de los siguientes valores:
a) La suma de las resistencias de diseño a tensión de las áreas en
contacto de las placas de continuidad con las alas de la columna que
estén conectadas a las alas de las vigas.
b) La resistencia de diseño a cortante del área de contacto de la placa con
el alma de la columna.
c) La resistencia de diseño a cortante de la zona de panel de la columna.
d) La suma de los esfuerzos de fluencia probable de las alas de las vigas
transmitiendo fuerzas a las placas de continuidad, (MIDUVI, 2016)
Ilustración 16: Placa de continuidad soldadas a la columna.
Fuente: (Crisafulli, 2012)
2.13. Ángulo de Deriva de Piso
“La conexión debe ser capaz de soportar las rotaciones plásticas
correspondiente a un nivel de distorsión de piso total de 0.04 radianes (ver figura
15), este nivel de distorsión es equivalente a una rotación plástica en las rotulas
de 0.03 radianes (considerando que la distorsión elástica de piso es 0.01
radianes)”, (Lenin, 2014)
31
Ilustración 17: Ángulos de distorsión de piso.
Fuente: (Lenin, 2014)
Donde:
ϴ = 0.04 radianes
Ɣ = 0.03 radianes
2.14. Limitaciones de las Columnas y Vigas
Limitaciones para la Viga según ANSI/AISC 358-10
a) TIPO: Vigas I fabricadas a partir de planchas soldadas, permitida por las
limitaciones.
b) Peralte: máximo permitido W920 mm
c) Peso: máximo permitido 223 kg/m
d) Espesor del ala de la viga: máximo permitido 25,4 mm
e) Relación luz/peralte: > 7 mínimo permitido para SMF
f) Relación ancho / espesor: según AISC 341 - 05
Limitaciones para la Columna según ANSI/AISC 358-10
a) TIPO: Columnas tipo cajón fabricadas a partir de planchas soldadas,
permitida por las limitaciones.
32
b) Conexión a la viga: la viga deberá conectarse al ala de la Columna
c) Peralte: máximo permitido 610 mm
d) Peso: sin limitaciones
e) Espesor del ala de la Columna: sin limitaciones
f) Relación ancha/ espesor: según AISC 341 - 05
Donde:
λhd Relación ancho espesor de la sección de cada miembro.
E Modulo de Elasticidad del acero.
Fy Definido en secciones anteriores.
33
CAPÍTULO III
Modelación y Diseño de la Edificación en el Software ETABS
2016
3.1. Selección de Materiales y Sistema Estructural
La obra consiste en el desarrollo de un edificio multifamiliar de 10 pisos,
constituido con pórticos resistentes a momentos formados con perfiles de acero
estructural ASTM A992. Las columnas son perfiles tubulares sin relleno y las
vigas son perfiles tipo I; ambos elementos mantienen la misma sección para
todos los pisos. En la fig. 16 se muestra el diseño estructural de la losa tipo del
edificio y en la ilustración 18 se muestra la geometría del edificio en elevación.
Ilustración 18: Diseño Estructural de la Losa Tipo del Edificio Multifamiliar.
Fuente: (Software AutoCAD, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
34
Ilustración 19: Geometría del Edificio en Elevación.
Fuente: AutoCAD 2016 Elaborado por: Stefanía Bowen
3.2. Predimensionamiento de Losa, Vigas y Columnas
3.2.1. Determinación de Cargas Permanentes.
Tabla 6: Determinación de Cargas Gravitacionales.
Fuente: (Excel, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
35
.
Ilustración 20: Corte Típico de Placa Colaborante Tipo Deck, medidas en milímetros
Fuente: (Pillajo, 2017)
Tabla 7: Características técnicas de la Placa Colaborante Tipo Deck.
Fuente: (Pillajo, 2017)
3.2.2. Prediseño de Vigas Secundarias.
Las conexiones entre vigas principales y vigas secundarias pueden
considerarse simplemente apoyadas o flexibles.
Se analizará el tramo más desfavorable en planta para el eje X, esta sección
será usada para todos los pisos.
En el tramo E-F consta con una longitud de 5 m y un ancho tributario de 1,50
m. Se despreciará el peso de la viga y se determina con la combinación:
𝑈 = 1,2 𝐷 + 1,6 𝐿
𝑈 = 1,2 (650,85 𝑘𝑔𝑓/𝑚²) + 1,6 (200 + 500
2) 𝑘𝑔𝑓/𝑚²) = 1341,02 𝑘𝑔𝑓/𝑚²
Luego se multiplica por el ancho tributario (1.50 m), para obtener la carga por
unidad de longitud y así poder distribuirla uniformemente a lo largo de la viga.
𝑤 = 1341,02𝑘𝑔𝑓
𝑚2∗ 1,50 𝑚 = 2011,53
𝑘𝑔𝑓
𝑚= 2,01153
𝑡𝑜𝑛𝑓
𝑚
36
Ilustración 21: Prediseño de Viga Secundaria.
Fuente: (Software SAP200 v20.2.0, 2020) Elaborado por: Stefanía Bowen
Posteriormente se calcula el momento máximo positivo producido en la viga
simplemente apoyada.
𝑀𝑢 =𝑤 ∗ 𝐿2
8
𝑀𝑢 =2,01153
𝑡𝑜𝑛𝑓𝑚
∗ (5 𝑚)2
8= 6,286 𝑡𝑜𝑛𝑓 − 𝑚
Ilustración 22: Diagrama de Cuerpo Libre en el Prediseño de la Viga Secundaria.
Fuente: (Software SAP200 v20.2.0, 2020)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Se estima el valor del módulo plástico requerido con la siguiente fórmula:
𝑍𝑥 𝑟𝑒𝑞 =𝑀𝑢
∅𝑏 ∗ 𝐹𝑦
37
𝑍𝑥 𝑟𝑒𝑞 =6,286 ∗ 105 𝑘𝑔𝑓 − 𝑐𝑚
0,90 ∗ 3515𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2
= 198,70 𝑐𝑚3
Se escoge un perfil que tenga un módulo plástico igual o mayor que el valor
calculado (IPE 200; Zx=221 cm3).
3.2.3. Prediseño de Vigas Principales.
Para el predimensionamiento analicé la viga ubicada en el eje B, entre los ejes
2-3 con luz de 8 metros.
Se calcula las reacciones en los apoyos de las vigas secundarias, las mismas
que se transmiten a la viga principal.
𝑤 = 1341,02𝑘𝑔𝑓
𝑚2∗ 1,33 𝑚 = 1783,56
𝑘𝑔𝑓
𝑚= 1,784
𝑡𝑜𝑛𝑓
𝑚
𝑅1 =1,784
𝑡𝑜𝑛𝑓𝑚 ∗ 5 𝑚
2= 4,46 𝑡𝑜𝑛𝑓
𝑅2 =1,784
𝑡𝑜𝑛𝑓𝑚 ∗ 4 𝑚
2= 3,57 𝑡𝑜𝑛𝑓
Se escogió el perfil IPE 200 para las vigas secundarias cuyo peso según
catálogo es 22,40 Kg/ml que convirtiéndolo en toneladas y multiplicándolo por el
tramo de cada viga secundaria que soporta la viga principal, el peso es de 0.1
toneladas.
Entonces,
RT= R1+ R2 + Peso propio de viga secundaria= 4,46 T+3,57 T+0,1 T= 8,13 toneladas
En la ilustración 23 se aprecia las reacciones totales de las vigas secundarias
actuando como cargas puntuales sobre la viga principal.
38
Ilustración 23: Cálculo de cortantes y momentos flectores en una viga principal.
Fuente: (Software SAP200 v20.2.0, 2020) Elaborado por: Stefanía Bowen
Se estima el valor del módulo plástico requerido.
𝑍𝑥 𝑟𝑒𝑞 =48,78 ∗ 105 𝑘𝑔𝑓 − 𝑐𝑚
0,90 ∗ 3515𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2
= 1541,96 𝑐𝑚3
Se escoge un perfil que tenga un módulo plástico igual o mayor que el valor
calculado (IPE 500; Zx=2194 cm3).
3.2.4. Prediseño de Columnas.
Las columnas trabajan a compresión y soportan cargas puntuales,
emplearemos el método de cargas concéntricas para el predimensionamiento.
Peso propio de la losa + Cargas permanentes
650,85𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Peso de vigas principales = 90,70 kg/m 8,24 𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Peso de vigas secundarias = 22,40 kg/m 28 𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Peso de columnas = 324,70 kg/m 10,15 𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Carga Muerta total 697,24 𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Carga Viva 200 𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Se mayoriza las cargas
39
𝑈 = 1,2 𝐷 + 1,6 𝐿
𝑈 = 1,2 (697,24𝑘𝑔𝑓
𝑚2) + 1,6 (200
𝑘𝑔𝑓
𝑚2) = 1156,69
𝑘𝑔𝑓
𝑚2
Se analiza la columna ubicada en los ejes B-2 de la planta baja, la cual tiene
un área tributaria de:
𝐴𝑇 = 4,50 ∗ 7 = 31,15 m2
El peso puntual que soportará la columna será de:
Pu = 1156,69𝑘𝑔𝑓
𝑚2 ∗ 31,15 m2 * 10 pisos= 360308,31 Kg=360,31 t
Como no se conoce la sección se asume un valor KL/r de la tabla 8 según la
altura de la columna.
La altura de la columna es de 3,2 m = 10,5’. Se asume la relación KL/r = 50
Tabla 8: Relación de Esbeltez entre la longitud efectiva de la columna y su radio de giro menor.
Le KL/r
10’ - 15’ 40-60
15’ - 30’ 60-80
>30’ 80-120
Fuente: (Pillajo, 2017)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Luego,
𝐿𝑒 = 10,5′ =>𝐾𝐿
𝑟= 50 con Fy =50 Ksi
Con los datos obtenidos se acude a la tabla 4-22 editada en el 2011 bajo
licencia del AISC y se determina el valor del esfuerzo crítico.
40
Tabla 9: Esfuerzo Crítico Disponible Para Miembros en Compresión.
Fuente: (Pillajo, 2017)
Para una relación de esbeltez de 50 el valor del esfuerzo crítico es de
2635 𝑘𝑔𝑓
𝑐𝑚2
Por conceptos básicos de resistencia de materiales se sabe que:
𝐴𝑟𝑒𝑞 =𝑃𝑢
∅𝐶 ∗ 𝐹𝑐𝑟
Donde:
Areq : Área requerida
Pu: Carga axial última
Øc Fcr: Esfuerzo crítico a compresión
𝐴𝑟𝑒𝑞 =360,31 ∗ 1000𝑘𝑔𝑓
2635𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2
= 136,74 𝑐𝑚2
Se escoge un perfil tubular rectangular 450*300*30 para las columnas de
todos los pisos.
3.3. Selección de Perfiles y Secciones según el Prediseño
El predimensionamiento es un procedimiento que se realiza para conocer un
aproximado de las secciones de los perfiles a utilizar, mediante el módulo
plástico calculado para las vigas o según el área requerida para las columnas y
con el software se puede analizar el comportamiento de los elementos partiendo
de una sección inicial obtenida en el predimensionamiento, con esto se realiza
41
el modelo del edificio y luego se analiza si esas secciones cumplen con los
requerimientos, caso contrario se aumenta las secciones hasta llegar al diseño
óptimo.
En las secciones 3.2.1, 3.2.2 y 3.2.3 se obtuvieron valores mínimos para las
secciones de los elementos, escogiendo un perfil IPE 200 para las vigas
secundarias, IPE 450 para las vigas principales y un tubo cuadrado de 30 * 30
cm2 para las columnas; pero modelando en el software ETABS y analizando la
estructura no cumplía con los niveles de derivas y se obtenía un comportamiento
muy dúctil del edificio, además de que las vigas principales fallaban a tracción.
Por lo expuesto, se cambió las secciones de los perfiles quedando de la
siguiente manera:
Perfil IPE 200 para vigas secundarias
Perfil IPE 500 para vigas principales
Perfil tubo rectangular de 450*300*30 en mm para columnas.
3.4. Verificación de la Relación Ancho Espesor según AISC 341
La relación ancho espesor o alto espesor de los elementos deberán ser
menores a los requerimientos del código AISC 341 para que estos sean de alta
ductilidad.
42
Tabla 10: Relación ancho espesor para miembros a compresión alta y moderadamente
dúctiles.
Fuente: (AISC341, 2010)
43
Tabla 11: Características Geométricas de los Perfiles en centímetros.
Fuente: (Excel, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Verificación
Columnas
PERFIL TUBULAR RECTANGULAR 450*300*30 mm
Alma
λhd 0,55√𝐸
𝐹𝑦
λhd 0,55√2100000𝑘𝑔/𝑐𝑚2
3515𝑘𝑔/𝑐𝑚2 =13,44
𝑏
𝑡=
45 𝑐𝑚−(2∗3𝑐𝑚)
3 𝑐𝑚= 13 < 13,44 → Ala Sísmica
Vigas Principales
PERFIL IPE 500
Alas
44
Alma
Vigas Secundarias
PERFIL IPE 200
Alas
Alma
3.5. Modelación en el Software ETABS-2016
A continuación, se realizó el modelo de la estructura de forma rápida ya que
el tema principal de esta investigación es profundizar en la conexión viga
columna escogida.
45
3.5.1. Definición de Unidades, Coordenadas y Pisos.
.
Ilustración 24: Ventana de inicio para un nuevo modelo.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 25: Ventana de coordenadas para la ubicación de los ejes.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
46
Ilustración 26: Determinación de piso máster.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.2. Creación de Materiales, Secciones y Losa Tipo Deck.
3.5.2.1. Definición de Materiales.
Se define los materiales escogidos para el modelo mediante la opción Define-
Material Properties.
Acero ASTM 992 Gr 50 para
Hormigón de f´c = 210 Kg/ cm2
47
.
Ilustración 27: Definición de las propiedades del Acero ASTM 992
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
.
Ilustración 28: Definición de las propiedades del Acero ASTM 992.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
48
.
Ilustración 29: Definición de las propiedades del Hormigón.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
.
Ilustración 30: Definición de las propiedades del Hormigón.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
49
3.5.2.2. Definición de Secciones.
Seleccionamos los perfiles escogidos en el diseño para los elementos:
columnas, vigas principales y secundarias mediante la opción Define – Section
Properties – Frame Sections.
Ilustración 31: Definición de perfiles para columnas.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
50
.
Ilustración 32: Definición de perfiles para vigas principales.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
.
Ilustración 33: Definición de perfiles para vigas secundarias.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
51
3.5.2.3. Definición de Losa.
La losa escogida para la estructura es de tipo Deck y en el ETABS se la define
con las opciones: Define – Section Porperties – Deck Sections.
Ilustración 34: Definición de la losa con los datos obtenidos de las especificaciones
técnicas del catálogo.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
52
3.5.3. Definición de Patrones y Casos de Cargas.
.
Ilustración 35: Definición de patrones de cargas
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Donde:
PP: peso propio de los elementos del edificio
CV: carga viva en la estructura según la NEC 2015
SCP: sobrecarga impuesta a la estructura (paredes, acabados,
ductos).
CVT: carga viva de techo según NEC 2015
Ilustración 36: Definición de casos de cargas.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
53
3.5.4. Definición del Espectro de Respuesta.
Para definir el espectro de diseño se asumió que el edificio se encontrará en
la ciudad de Guayaquil en un suelo tipo D y por ser una estructura nueva de
acero estructural con pórticos resistentes a momentos, sin muros, se escogió el
factor de reducción R = 8 como indica la NEC 2015 para las estructuras con
estas características.
Tabla 12: Grupos Estructurales de acuerdo con R.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
Guayaquil se encuentra en la zona sísmica V, por lo tanto, el valor del factor
de zona Z será de 0,4.
Tabla 13: Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
El edificio estará ubicado en la región costa, por lo que, la relación entre la
aceleración espectral y el PGA “n” será de 1,8.
Tabla 14: Valores de la relación de la aceleración espectral y el PGA según las regiones.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
54
Los coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd, Fs, se definen por la tabla de valores
que brinda la NEC, según la zona sísmica y el tipo de suelo donde está ubicada
la estructura.
Donde:
Fa: Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de período corto.
Tabla 15: Tipo de suelo y factores de sitio Fa.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
Fd: Amplificación de las ordenadas del espectro elástico de respuesta de
desplazamientos para diseño en roca.
Tabla 16: Tipo de suelo y factores de sitio Fd.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
55
Fs: Comportamiento no lineal de los suelos.
Tabla 17: Tipo de suelo y factores del comportamiento inelástico del subsuelo Fs.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
El edificio está destinado para vivienda multifamiliar, así que su factor de
importancia “I” según la NEC será de 1.
El propósito de este factor es incrementar la demanda sísmica de diseño para
la estructura, que según la importancia o uso que se le de deben sufrir menores
daños o permanecer operativas durante y después del sismo de diseño.
Tabla 18: Tipo de uso, destino e importancia de la estructura.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
56
.
Ilustración 37: Definición del espectro de diseño
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.5. Creación de la Fuente de Masa.
La norma NEC indica que para el análisis de la estructura se debe considerar
únicamente la carga muerta como masa participativa, sin embargo, para hacer
el diseño mas conservador y basándome en las normas NSR 10 (norma
colombiana de la construcción ) y la norma peruana RNE, en donde si se
considera un porcentaje de la masa viva según la importancia que se le dé al
57
edificio, consideré el 25% de la masa viva para que el programa incluya ese
porcentaje al realizar el cálculo del cortante dinámico.
. Ilustración 38: Definición del porcentaje de masa participativa.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Estos porcentajes de las masas serán los mismos para realizar el cálculo del
peso de la estructura “W” y posteriormente definir el cortante basal según la NEC.
Una vez calculado el cortante estático hay que compararlo con el cortante
dinámico que da el ETABS y debe cumplir la siguiente condición:
0.8 * cortante estático < cortante dinámico, si la estructura se la considera
regular.
0.85*cortante estático<cortante dinámico, si la estructura se la considera
irregular.
Si no cumple la condición hay que corregir la aceleración en los casos de
cargas del sismo en el ETABS, mediante un factor de corrección que se lo
determina así:
0.8 * cortante estático / cortante dinámico, si la estructura se la considera
regular.
58
0.85*cortante estático / cortante dinámico, si la estructura se la considera
irregular.
3.5.6. Definición de Modos de Vibración y Combinaciones de
Cargas.
.
Ilustración 39: Definición de modos de vibración de la estructura.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 40: Definición de las combinaciones de carga según NEC 2015.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
59
3.5.7. Elección del Efecto P-Delta.
El análisis P-Delta es el efecto de una sobre carga axial sobre el
comportamiento de la flexión transversal de los elementos en estructuras
reticulares. La compresión axial reduce la rigidez de flexión de los elementos y
la tracción axial rigidiza estos elementos.
Ilustración 41: Definición del efecto P-Delta.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.8. Dibujo de Elementos: Columnas, Vigas Principales,
Vigas Secundarias, Losa, Escaleras.
Una vez que se define los materiales y secciones se dibuja la estructura con
las diferentes herramientas que brinda el ETABS.
Ilustración 42: Elevación típica del edificio en la dirección X (columnas y vigas principales).
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
60
Al dibujar las vigas secundarias se cambió las condiciones de apoyo por lo
que se consideran que están simplemente apoyadas.
Ilustración 43: Condiciones de apoyo de las vigas secundarias.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 44: Planta típica del edificio.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Al dibujar la losa en sentido de esta debe ser perpendicular a las vigas
secundarias como se muestra en la ilustración 43.
61
.
Ilustración 45: Losa tipo Deck.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 46: Dibujo 3D del edificio.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.9. Cambio de Apoyos en las Columnas de la Planta Baja.
Se cambia los apoyos en la planta base por apoyos empotrados.
62
Ilustración 47: Selección de apoyos en las bases de las columnas.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.10. Asignación de Cargas de Gravedad: sobrecarga
impuesta calculada y carga viva según la NEC 2015.
.
Ilustración 48: Valores de cargas asignadas a los paños de la losa.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
63
Ilustración 49: Valores de cargas asignadas a las escaleras del edificio
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.11. Asignación de Diafragmas.
En el análisis estructural se asume el diafragma rígido para que todos los
puntos o nodos de un entrepiso tengan los mismos grados de libertad
(traslacionales y rotacional), así se reduce el tiempo del cálculo y se asume la
rigidez de la losa como infinita.
Ilustración 50: Colocación de diafragmas rígidos en la losa de cada piso.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
64
3.5.12. Selección de Preferencias de Diseño.
En esta sección se asigna el modelo estructural escogido, en este caso es un
sistema SMF (Special Moment Frame) o pórticos especiales a momentos y se
modifica los valores de los diferentes parámetros definidos en los códigos o
normas según el modelo estructural.
Ilustración 51: Modificación de los parámetros según el modelo estructural.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
3.5.13. Chequeo y Análisis del Modelo.
El ETABS realiza el chequeo de la edificación antes de realizar el análisis, el
cual sirve para verificar que no haya un elemento montado en otro o cualquier
otro tipo de error después de dibujar los elementos.
En caso de existir algún error, el programa te indica un mensaje en una nueva
ventana y te muestra los elementos donde se presenta el error, caso contrario te
muestra el mensaje de la ilustración 50.
65
Ilustración 52: Chequeo del modelo estructural antes de realizar el análisis.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016)
Elaborado por: Stefanía Bowen
Antes de correr el programa para que analice la estructura se selecciona la
casilla para que el mismo calcule el centro de rigidez de los diafragmas.
Ilustración 53: Análisis de la estructura en el programa.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
66
3.6. Verificación de los Resultados Obtenidos en el Análisis
Estructural
Una vez que se corre el programa se verifica los modos de vibración, períodos,
derivas y cortantes para comparar con los requerimientos y así conocer si el
edificio se comportará adecuadamente.
3.6.1. Chequeo de Períodos y modos de Vibración.
Modo 1 T = 1,261 seg.
Ilustración 54: Primer modo de la estructura: movimiento traslacional en Y.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
67
Modo 2 T = 1,105 seg.
Ilustración 55: Segundo modo de la estructura: movimiento traslacional en X.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Modo 3 T = 0,981 seg.
Ilustración 56: Tercer modo de la estructura: movimiento rotacional en Z.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
68
Tabla 19: Tres primeros modos de vibración.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
3.6.1.1. Cálculo del Período de la Estructura según la NEC
2015.
La NEC 2015 establece el siguiente modelo matemático para el cálculo del
periodo de vibración de la estructura.
(MIDUVI, 2014)
Además, la NEC nos da la siguiente tabla de valores para Ct y α que se definen
según el sistema estructural del edificio.
Tabla 20: Valores para Ct y α según el tipo de sistema estructural.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
TABLE: Modal Direction Factors
Case Mode Period UX UY RZ
sec
Modal 1 1,261 0,001 0,999 0
Modal 2 1,105 0,962 0,001 0,037
Modal 3 0,981 0,037 0 0,963
69
Tabla 21: Cálculo del Periodo de Vibración de la Estructura según la NEC 2015.
Fuente: (Excel, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
El periodo fundamental que nos da el ETABS fue de 1,261 segundos, el cual
es un período aproximado al que se obtuvo con la fórmula que da la NEC.
3.6.2. Cálculo del Cortante Estático Según la NEC 2015 Para la
Ciudad de Guayaquil.
Ilustración 57: Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representan el sismo de
diseño.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
70
Fuente: (MIDUVI, 2014)
𝑇𝑐 = 0,55 ∗ 1,28 ∗1,19
1,20= 0,6981
Para T = 1.15 segundos
𝑆𝑎 = 𝜂 ∗ 𝑍 ∗ 𝐹𝑎(𝑇𝑐
𝑇)^𝑟
𝑆𝑎 = 1,8 ∗ 0,4 ∗ 1,20 (0,6981
1,152)
1
= 0,524
El edificio es regular en altura y en planta, por lo tanto, φe y φp serán igual a 1.
71
El peso W de la estructura se lo define en la siguiente tabla:
Tabla 22: Definición de la carga que actúa en la estructura.
Fuente: (Excel, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
El cortante estático será:
vesτ =1 ∗ 0,524
8 ∗ 1 ∗ 1∗ 2006,035 = 131,34 Toneladas
Según la NEC: V dinámico > 80% V estático para estructuras regulares, por
lo tanto: 0,8 * 131,34 = 105,12 Toneladas.
El máximo cortante dinámico en el ETABS es de 93,95 Toneladas como se
observa en la figura 56 y es menor a 105,12 Toneladas, por lo tanto, no cumple
con la condición de la NEC.
Hay que realizar el ajuste en el ETABS mediante el factor de amplificación:
𝐹𝐴 = 0,80 ∗𝑉𝑒𝑠𝑡
𝑉𝑑𝑖𝑛
Ilustración 58: Máximo Cortante Dinámico producido en el sismo en X.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Coeficiente de Mass Source
PESO PROPIO 1015,0744 Ton 1 1015,0744 Ton
CARGA VIVA 641,7 Ton 0,25 160,425 Ton
SCP 822,1545 Ton 1 822,1545 Ton
CVT 33,6 Ton 0,25 8,4 Ton
Carga Reactiva Total (W) = 2006,0539 Ton
Base Reaction Carga Reactiva por sismo
72
3.6.2.1. Corrección del Cortante Dinámico.
𝐹𝐴 = 0,80 ∗131,34
93,95= 1,118382
Con este valor se corrige las aceleraciones en los casos de cargas de los
sismos en el ETABS.
Ilustración 59: Corrección del cortante dinámico con el factor de amplificación FA.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 60: Máximo Cortante Dinámico producido en el sismo en X corregido.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
73
3.6.3. Chequeo de Derivas.
Se debe chequear las máximas derivas de piso en todas las combinaciones
del sismo en el ETABS y escoger el mayor valor en las direcciones de X y Y para
luego amplificarlas con la siguiente fórmula de la NEC:
𝛥𝑀 = 0,75 ∗ 𝑅 ∗ 𝛥𝐸
Donde:
𝛥𝑀 : Deriva máxima por piso amplificada.
R: Factor de reducción de respuesta sísmica.
𝛥𝐸: Máxima deriva por piso obtenida del ETABS.
Se debe verificar que las derivas máximas 𝛥𝑀no excedan los límites
permisibles de derivas por piso establecidos por la NEC 2015, los cuales se
definen en la siguiente tabla.
Tabla 23: Valores de 𝛥𝑀 máximos, expresados como fracción de la altura de piso.
Fuente: (MIDUVI, 2014)
Ilustración 61: Deriva de piso, Sismo en X.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
74
𝛥𝑀 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001298 = 0,0078 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 2. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
Ilustración 62: Deriva de piso, Sismo en Y
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
𝛥𝑀 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001491 = 0,0089 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 3. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
3.6.4. Diseño de Miembros: Vigas Principales, Columnas,
Vigas Secundarias.
Los miembros de la estructura deben comportarse de forma dúctil siguiendo
los requerimientos del AISC 341, esta verificación ya se comprobó en la sección
3.4 de esta investigación.
Para realizar el diseño de los miembros se usó las herramientas del ETBAS
que se muestran en la ilustración 63.
75
Ilustración 63: Opciones para diseñar y chequear los elementos de la estructura
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 64: Diseño de vigas principales y secundarias del piso 1
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
76
Ilustración 65: Diseño de columnas en el eje 2
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
3.6.5. Chequeo de la Relación Demanda/Capacidad a Fuerza
Axial y Flexión de los Miembros.
Ilustración 66: Relación demanda / capacidad en las vigas del piso 1
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
77
Ilustración 67: Relación demanda / capacidad en las columnas del eje 2
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
3.7. Análisis del Criterio Columna Fuerte – Viga Débil
Momento plástico probable de la columna.
Columna 450*300*30 inferior a la viga principal IPE 500 piso 1
Pu= 303,81 ton
78
Ilustración 68: Diagrama de Fuerza Axial Columna piso 1
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Columna 450*300*30 superior a la viga principal IPE 500 piso 2
Pu= 273,23 ton
Ilustración 69: Diagrama de Fuerza Axial Columna piso 2
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
M*pc = ∑Zxc (𝐹𝑦𝑐 − 𝑃𝑢𝑐
𝐴𝑔𝑐) =
79
4509 cm3 (3515𝑘𝑔
𝑐𝑚2 ∗1
1000−
303,81𝑡
414𝑐𝑚2)1
100+ 4509 cm3 (
3515𝑘𝑔
𝑐𝑚2 ∗1
1000−
273,23𝑡
414𝑐𝑚2)
1
100= Mpc = 125,40 𝑡 𝑚 + 128,73 𝑡 𝑚
M*pc =254,13 t m
Momento plástico probable de la viga
∑𝑀𝑃𝑣∗ = ∑(𝑀𝑝𝑟 + 𝑀𝑢𝑣)
Cpr = 𝐹𝑦 + 𝐹𝑢
2 𝐹𝑦≤ 1.20
Cpr = 3515 + 4570
2 ∗ 3515= 1,15 ≤ 1,20
Momento máximo probable en la zona de articulación plástica
Mpr = Cpr * Ry * Fy * Zx
M*pr = 1.15*1.1*3515 𝑘𝑔/𝑐𝑚2*2194 𝑐𝑚3 = 97,56 t m
Momento producido en la zona de corte a una cara de la columna
Muv1= 3,91 𝑡 𝑚
Muv2= 3,16 𝑡 𝑚
Mpv = (97,56 t m + 3,91) +(97,56+3.16) t m = 202,19 t m
∑𝑀𝑃𝑐∗
∑𝑀𝑃𝑣∗ ≥ 1.0
254,13 𝑡 𝑚
202,19 𝑡 𝑚= 1,26 > 1 𝑂𝐾
80
CAPÍTULO IV
Selección y Diseño Teórico de la Conexión Precalificada Viga Columna
4.1 Conexiones Precalificadas Según el Código AISC 358-10
En el año 2010, se publicó el código americano AISC 358, en el cual se
encuentra cinco tipos de conexiones viga columna precalificadas resistentes a
momentos para estructuras metálicas y sus respectivos procedimientos de
cálculos para el diseño de estas. A continuación, se observa los nombres de las
conexiones que se las puede encontrar desde el capítulo 5 hasta el capítulo 9
del código.
a) Conexión Viga de Sección Reducida / Reduced Beam Section (RBS).
Ilustración 70: Conexión RBS
Fuente: (Lenin, 2014)
b) Conexión de Placa Extrema Empernada / Bolted Extended end Plate
(BEEP).
81
Ilustración 71: Conexión precalificada de placa extrema empernada sin rigidizar (izquierda)
y rigidizada (derecha).
Fuente: (Lenin, 2014)
c) Conexión de Placa de Ala Empernada / Bolted Flange Plate (BFP).
Ilustración 72: Conexión precalificada de placa de ala empernada
Fuente: (Lenin, 2014)
82
d) Ala Soldada sin Reforzar y Alma Soldada / Welded Unreinforced Flange
– Welded Web (WUF – W).
Ilustración 73: Conexión precalificada de ala soldada sin refuerzo y alma soldada
Fuente: (Lenin, 2014)
e) Soporte Kaiser Empernado / Kaiser Bolted Bracket (KBB).
Ilustración 74: Conexión precalificada Kaiser con soporte atornillado (izquierda) y soldado
(derecha)
Fuente: (Lenin, 2014)
83
Las conexiones mencionadas en el código son para sistemas de pórticos
intermedio y especiales a momentos, IMF y SMF.
Estas conexiones tienen como objetivo garantizar que el desarrollo de la rótula
plástica sea en la viga para que no falle la conexión, por lo que, la elección de
esta queda a criterio del diseñador según los requerimientos del proyecto.
Para el diseño y análisis de la conexión en esta investigación, se ha escogido
la conexión de ala soldada sin reforzar y alma soldada (WUF – W).
4.2. Conexión de Ala Soldada sin Reforzar y Alma Soldada (WUF-
W)
4.2.1. Definición.
En la conexión de momento de alas soldadas sin reforzar y alma soldada
(WUF-W), la rotación inelástica se desarrolla principalmente al ceder la viga en
la región adyacente a la cara de la columna. La ruptura de la conexión se controla
mediante soldaduras con requisitos especiales que deben detallarse para unir
las alas de la viga a la columna y el alma de la viga a el alma de la columna.
Dentro de estos detalles también debe definirse la forma y el acabado de los
agujeros por donde tendrá acceso la soldadura.
Debido a que el diseño de la conexión será controlado por la soldadura, no se
debe considerar a los pernos que conectan la unión con el alma de la viga en el
cálculo de la capacidad a cortante de la conexión, estos únicamente servirán
para el montaje de los elementos en campo.
84
Ilustración 75: Conexión de ala soldada sin refuerzo y alma soldada WUF - W
Fuente: (AISC358, 2010)
4.2.2. Límites de Precalificación.
Tabla 24: Limitaciones y parámetros generales de la conexión WUF - W
Fuente: (AISC358, 2010)
85
4.2.3. Características de la Conexión WUF – W.
Ilustración 76: Características de la Conexión de ala soldada sin refuerzo y alma soldada
WUF - W
Fuente: (FEMA350, 2000)
86
Donde:
Tabla 25: Características de la soldadura en la conexión WUF - W
Fuente: (Lenin, 2014)
4.2.4. Procedimiento de Diseño de la Conexión WUF – W
Según AISC 358.
Conexión soldada al alma de la columna (lado más largo de la sección
transversal de la columna).
Paso 1. Se calcula el máximo momento probable en la rótula plástica “Mpr”,
de acuerdo con la sección el valor del módulo plástico efectivo de la conexión
“Ze” será igual al módulo plástico de la sección de la viga “Zx” y según los datos
experimentales que muestran un alto grado de endurecimiento por deformación,
el valor de Cpr será de 1,4.
87
Mpr = Cpr * Ry * Fy * Zx
Mpr = 1.4*1.1*3515 𝑘𝑔/𝑐𝑚2*2194 𝑐𝑚3 = 118,76 Ton - m
Paso 2. En otros tipos de conexiones, la ubicación de las rótulas plásticas se
la considera a cierta distancia “Sh” de la cara de la columna como se aprecia en
la figura 74, por lo tanto, al realizar el cálculo del máximo momento probable en
la cara de la columna, se realizará una sumatoria de momentos (momento
máximo probable en la rótula plástica + el momento producido por la fuerza
cortante y el brazo de palanca en el centro de la sección reducida de la viga). En
la conexión WUF-W el valor de Sh será cero porque se asume que las rótulas
plásticas se formarán en la cara de la columna. Entonces, el momento máximo
probable en la cara de la columna será el mismo que el de la rótula plástica.
Mf = Mpr
Ilustración 77: Esquema de cuerpo libre entre el centro de la viga de sección reducida y la
cara de la columna.
Fuente: (Pillajo, 2017)
88
Paso 3. Calcule la fuerza de corte, Vh, en la ubicación de la rótula plástica en
cada extremo de la viga.
𝑉ℎ = 2𝑀𝑝𝑟
𝐿ℎ+ 𝑉𝑝
Se analiza la viga ubicada en el eje 2 entre los ejes B y C del primer piso.
Ilustración 78: Diagrama de Corte de la Viga a una cara de la columna
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
En el diagrama se observa que el Vp1= - 2,54 Ton.
Ilustración 79: Diagrama de Corte de la Viga a una cara de la columna.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
En el diagrama se observa que el Vp2= 3 Ton.
89
Entonces,
𝑉ℎ1 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚
4,70 𝑚− 2,54 𝑇𝑜𝑛 = 48 𝑇𝑜𝑛
𝑉ℎ2 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚
4,70 𝑚+ 3 𝑇𝑜𝑛 = 53,54 𝑇𝑜𝑛
Paso 4. Verifique la resistencia requerida al corte en la viga.
La resistencia a corte requerida “Vu”, será igual a la mayor de los dos valores
de Vh calculados en cada extremo de la viga en el Paso 3.
Vu= 53,54 Ton.
Paso 5. Calcule la resistencia de diseño de cortante de la viga.
𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣 ≥ 𝑉u
𝜙𝑣 = 1 para miembros dúctiles
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60𝐹𝑦ℎ𝑣𝜏𝑤𝑣
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60 ∗ 3515𝑘𝑔
𝑐𝑚2 ∗ 50 𝑐𝑚 ∗ 1,02 𝑐𝑚 = 107,56 𝑇𝑜𝑛 > 53,54 𝑇𝑜𝑛 √
Esto quiere decir que la sección transversal de la viga satisface la
solicitación de resistencia requerida de cortante Vu.
90
Paso 6. Verifique las limitaciones de la relación columna-viga.
Limitaciones para la Viga según ANSI/AISC 358
a) TIPO: Vigas I fabricadas a partir de planchas soldadas, permitida por las
limitaciones.
b) Peralte: 500 mm < máximo permitido W920 mm √
c) Peso: 90,70 kg/m < máximo permitido 223 kg/m √
d) Espesor del ala de la viga:16 mm < máximo permitido 25,4 mm √
e) Relación luz/peralte: 5/0,50 = 10 > 7 mínimo permitido para SMF √
Limitaciones para la Columna según ANSI/AISC 358
a) TIPO: Columnas tipo cajón fabricadas a partir de planchas soldadas,
permitida por las limitaciones.
b) Conexión a la viga: la viga deberá conectarse al ala de la Columna
c) Peralte: 450 mm < máximo permitido 610 mm √
d) Peso: sin limitaciones
e) Espesor del ala de la Columna: sin limitaciones
Paso 7. Diseñar la placa de cortante en la unión del alma de la viga con el
alma de la columna.
Se calcula la altura mínima del alma de la viga y se verifica que sea menor a
la altura real de esta.
ⅆ𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑢
𝜙𝑣0.6 𝐹𝑦𝜏𝑤𝑣
91
ⅆ𝑚𝑖𝑛 =53540 𝑘𝑔
1∗0.6∗ 3515𝑘𝑔
𝑐𝑚2∗1,02 𝑐𝑚= 24,89 𝑐𝑚 < 46,8 cm √
Por lo tanto, la altura del alma de la viga es suficiente para resistir la
resistencia requerida Vu.
Según el código de soldadura AWS sección D1.1-15, la altura mínima para los
agujeros de acceso de la soldadura es de 20 mm con un ancho mínimo de 1,5
tw. Entonces, para cumplir los requisitos geométricos de diseño del AISC 358
restamos 4,8 cm de los agujeros superior e inferior (2,4 cm por agujero), por lo
que tendremos que la altura de la placa cortante será de 42 cm con un ancho de
12 cm que es mayor al ancho mínimo de los requerimientos y un espesor de 1,2
cm mayor al espesor del alma de la viga, puesto que el código recomienda que:”
el espesor mínimo de la placa de cortante debe ser al menos el espesor del alma
de la viga”.
En resumen, la placa será PL120X420X12mm en acero ASTM A992.
Ilustración 80: Vista Lateral de la Placa de Cortante.
Fuente: (Crisafulli, 2012)
Paso 8. Calcular la resistencia de diseño a corte de la soldadura que conecta
al alma de la columna con la placa de corte, la cual debe ser menor o igual a la
92
resistencia de diseño de corte de la placa cortante y a la resistencia requerida a
corte por la viga.
Con respecto a los detalles de la soldadura el AISC 358 indica que deben
cumplir lo que estipula la sección J2 del código AISC 360, y esta a su vez nos
dice que se debe considerar el área efectiva de la soldadura como la longitud de
la soldadura por el espesor de la garganta efectiva.
El espesor de la soldadura de filete debe ser el espesor de la parte más
delgada conectada; en este caso el espesor de la columna es de 3 cm y el de la
placa de 1,2 cm, lo cual indica que el espesor de la soldadura será de 1,2 cm y
la longitud de la soldadura de 42 cm, que es la longitud de la placa de cortante.
La resistencia de diseño a corte de la soldadura según el AISC 360 se
determina con la siguiente expresión:
Ø Rn = Ø Fnw * Awe
Donde,
Ø Rn resistencia de diseño a corte de la soldadura
Fnw tensión nominal del metal de soldadura, kg/cm2
Awe Área efectiva de la soldadura, cm2
Para obtener el valor de Fnw vamos a la tabla J2.5 del AISC 360.
Tabla 26: Resistencia Disponible de Juntas Soldadas
Fuente: (AISC360, 2010)
93
En la primera columna de tipo de carga buscamos la casilla que dice corte y
en la tercera columna se obtiene los siguientes datos para el cálculo de la
resistencia.
Ø = 0.75 Factor para corte por el método de LRFD
0,60 FEXX que es Fnw en la fórmula, la expresión FEXX es la resistencia del
electrodo que se va a usar como material de aporte compatible para soldar las
piezas.
El tipo de electrodo se lo determina en la tabla siguiente:
Tabla 27: Disposiciones de la AWS D1.1 para metales de aporte compatible con el metal
base.
Fuente: (AISC360, 2010)
Se escoge el electrodo E70, la letra E significa electrodo y el número 70 es la
resistencia de tracción mínima del material de aporte en KSI que en kg/cm2 será
4921,4. Las otras nomenclaturas indican la posición para soldar y el
recubrimiento.
Obtenido todos los datos, se calcula la resistencia de diseño a corte de la
soldadura.
Ø Rn = Fnw * Awe
94
Ilustración 81: Soldadura de Filete en Placa de Cortante.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016)
Ilustración 82: Cálculo de la Garganta y Área efectiva para una Soldadura de Filete.
Fuente: (Jack Mccormac, 2012)
Rn = 0,6 * 4921,46 kg/cm2 * 1,2cm *0.707* 42cm = 105,24 Ton (Resistencia de
la soldadura).
Ø Rn = 0,75 * 105.24 Ton = 78,93 Ton (Resistencia de diseño a corte de la
soldadura).
95
Resistencia de diseño a corte por fluencia y ruptura de la placa de cortante
𝜙𝑅𝑛𝑃𝐿
Resistencia por corte a fluencia :
𝜙𝑣 = 1 para miembros dúctiles
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 𝜙𝑣 ∗ 0,6 ∗ 𝐹𝑦 ∗ 𝐴𝑔
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 1 ∗ 0,6 ∗3515𝐾𝑔
𝑐𝑚2∗ (42𝑐𝑚 ∗ 1,2𝑐𝑚)
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 106,3 𝑇𝑜𝑛
Resistencia por corte a ruptura:
Ø = 0,75
Ø Rn= Ø* 0,6* Fu * Ae
Ae= Ag * U por ser piezas soldadas y para hacerlo conservador U=1
Ae= 42 cm * 1,2 cm * 1 = 50,4 cm2
Ø Rn= 0,75 * 0,6 ∗4570𝐾𝑔
𝑐𝑚2 *50,4 cm2 =103,65 Ton.
Paso 9. Verifique los requisitos de la placa de continuidad de la columna.
Paso 10. Diseño de la zona de panel
El paso 9 y 10 no se aplica para perfiles tubulares rectangulares, puesto que
no es recomendable obstruir la continuidad de la columna, el uso de rigidizadores
se lo puede hacer únicamente si la columna es demasiado esbelta y no permite
la colocación de placas simples, si no se desea colocar placas atravesadas en
la zona de panel o placas de continuidad en las alas, se debe aumentar las
sección transversal de la columna así como el espesor de la misma o rellenar la
columna de concreto.
Paso 11. Soldadura de penetración Completa en la unión del ala de la viga
con el alma de la columna (Conexión de Momento).
96
Tabla 28: Resistencia Disponible de Juntas Soldadas
Fuente: (AISC360, 2010)
De acuerdo con la especificación AISC J2 (Tabla J2.5), la resistencia de
soldadura de penetración completa es igual a la del metal base en todo sentido.
Por esta razón no se requieren verificaciones especiales de resistencia para este
tipo de soldadura.
Ilustración 83: Soldadura de Penetración Completa entre las Alas de la Viga y el Alma de la
Columna Tubular.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016)
97
Paso 12. De acuerdo con el capítulo K del AISC 360 sección K1-3 para
miembros de secciones tubulares rectangulares que soportan cargas
concentradas, se deben realizar los siguientes chequeos en la conexión.
a) Ancho Efectivo de Contacto.
b) Pandeo de las Paredes (Conexión Opuesta).
c) Fluencia en la Cara de la Columna.
Fluencia Local Debida a Distribución Desigual de Carga en la Placa Cargada
(Ancho Efectivo de Contacto).
Es la capacidad por fluencia en los extremos de un elemento transversal al
eje de la columna sobre la pared del soporte. Puede ser expresada como la
menor de las dos resistencias de diseño de la siguiente ecuación:
(Ec. K1-7 de la Tabla K1.2)
Φ = 0.95 (LRFD)
Donde:
Bp = Ancho del ala de la viga.
B= ancho de la sección tubular rectangular, medida 90 grados hacia el plano
de la conexión.
t = espesor de pared de la sección tubular rectangular.
Fy = esfuerzo de fluencia del material del miembro de sección tubular
rectangular.
Fyp = esfuerzo de fluencia del material de la viga.
98
tp = espesor del ala de la viga.
Ilustración 84: Conexiones en T y en Cruz con Plancha Transversal Solicitadas por Carga
Axial a través de la Plancha.
Fuente: (AISC360, 2010)
𝑅𝑛 = [10 ∗ 3515
𝐾𝑔𝑐𝑚2 ∗ 3 𝑐𝑚
(45 𝑐𝑚3 𝑐𝑚 )
] ∗ 20 𝑐𝑚 ≤ 3515 𝐾𝑔
𝑐𝑚2∗ 1,6 𝑐𝑚 ∗ 20 𝑐𝑚
Ø𝑅𝑛 = 0,95 ∗ 140,6 𝑇𝑜𝑛 ≤ 0,95 ∗ 112,5 𝑇𝑜𝑛
Ø𝑅𝑛 = 133,57 𝑇𝑜𝑛 ≤ 106,88 𝑇𝑜𝑛
Ø𝑅𝑛 = 106,88 𝑇𝑜𝑛
Pandeo Local de las Paredes de la Sección Tubular Rectangular.
Se refiere a la capacidad de las paredes de la columna cuando sobre ambos
lados de la columna actúan fuerzas de compresión:
(AISC 360-10 Ec. K1-11)
Ø = 0.90 (LRFD) W = 1.67 (ASD)
Donde:
t = espesor de la pared de la sección tubular rectangular.
99
H = altura del miembro de sección tubular rectangular, medida en el plano de
la conexión.
E = Módulo de elasticidad del acero
Fy = tensión de fluencia del material del miembro de sección tubular
rectangular.
Qf = factor de reducción tomado igual a 1.0 para superficies conectada en
tracción para tubos.
Ø𝑅𝑛 = 0,90 ∗ [48 ∗ (3𝑐𝑚)3
(45 𝑐𝑚 − 3 ∗ 3𝑐𝑚)] (
2100000𝐾𝑔
𝑐𝑚2∗
3515𝐾𝑔
𝑐𝑚2)
0,5
∗ 1
Ø𝑅𝑛 = 2783 𝑇𝑜𝑛
Fluencia de la Cara o Pared de la Sección Tubular
Es la capacidad (límite inferior) de la pared de la columna cuando se ha
formado un mecanismo de líneas de falla por un elemento transversal al eje de
la columna. El método de cálculo es el recomendado por las especificaciones
AISC, Sección K1.3, que proporciona la siguiente ecuación:
(Ec. K1-4)
Ø = 1.0 (LRFD)
Donde:
t = espesor de pared de la sección tubular rectangular.
N = longitud de apoyo o contacto de la carga, medida paralela al eje del
miembro Tubular, en este caso N = espesor del ala de la viga.
100
k = radio exterior de la esquina de la sección tubular rectangular, que se
permite sea tomado igual a 1.5t cuando su valor se desconoce.
Fy = esfuerzo de fluencia del material del miembro de sección tubular
rectangular.
Ilustración 85: Conexiones de Plancha de Tapado Bajo Carga Axial.
Fuente: (AISC360, 2010)
Ø𝑅𝑛 = 1 ∗ 2 ∗ 3515𝐾𝑔
𝑐𝑚2∗ 3 𝑐𝑚 (5 ∗ 1.5 ∗ 3𝑐𝑚 + 1.6 𝑐𝑚) = 508,269 𝑇𝑜𝑛
Conexión soldada al ala de la columna (lado más corto de la sección
transversal de la columna).
El paso 1 y 2 es el mismo realizado en el lado mas largo de la columna puesto
que el perfil de la viga es el mismo.
Paso 3. Calcule la fuerza de corte, Vh, en la ubicación de la rótula plástica en
cada extremo de la viga.
𝑉ℎ = 2𝑀𝑝𝑟
𝐿ℎ+ 𝑉𝑝
Se analiza la viga ubicada en el eje B entre los ejes 2 y 3 del primer piso.
101
Ilustración 86: Diagrama de Corte de la Viga a una cara de la columna.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
En el diagrama se observa que el Vp1= - 11,91 Ton.
Ilustración 87: Diagrama de Corte de la Viga a una cara de la columna.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
En el diagrama se observa que el Vp2= 12,15 Ton.
Entonces,
𝑉ℎ1 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚
4,70 𝑚− 11,91 𝑇𝑜𝑛 = 19,55 𝑇𝑜𝑛
𝑉ℎ2 = 2 ∗ 118,76 𝑇𝑜𝑛 𝑚
4,70 𝑚+ 12,15 𝑇𝑜𝑛 = 43,61 𝑇𝑜𝑛
102
Paso 4. Verifique la resistencia requerida al corte en la viga.
La resistencia a corte requerida “Vu”, será igual a la mayor de los dos valores
de Vh calculados en cada extremo de la viga en el Paso 3.
Vu= 43,61 Ton.
Paso 5. Calcule la resistencia de diseño de cortante de la viga.
𝜙𝑣 ∗ 𝑅𝑛𝑣 ≥ 𝑉u
𝜙𝑣 = 1 para miembros dúctiles
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60𝐹𝑦ℎ𝑣𝜏𝑤𝑣
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑣 = 0,60 ∗ 3515𝑘𝑔
𝑐𝑚2 ∗ 50 𝑐𝑚 ∗ 1,02 𝑐𝑚 = 107,56 𝑇𝑜𝑛 > 43,61 𝑇𝑜𝑛 √
Esto quiere decir que la sección transversal de la viga satisface la
solicitación
de resistencia requerida de cortante Vu.
103
Paso 6. Verifique las limitaciones de la relación columna-viga.
Limitaciones para la Viga según ANSI/AISC 358
a) TIPO: Vigas I fabricadas a partir de planchas soldadas, permitida por las
limitaciones.
b) Peralte: 500 mm < máximo permitido W920 mm √
c) Peso: 90,70 kg/m < máximo permitido 223 kg/m √
d) Espesor del ala de la viga:16 mm < máximo permitido 25,4 mm √
e) Relación luz/peralte: 8/0,50 = 16 > 7 mínimo permitido para SMF √
Limitaciones para la Columna según ANSI/AISC 358
a) TIPO: Columnas tipo cajón fabricadas a partir de planchas soldadas,
permitida por las limitaciones.
b) Conexión a la viga: la viga deberá conectarse al ala de la Columna
c) Peralte: 450 mm < máximo permitido 610 mm √
d) Peso: sin limitaciones
e) Espesor del ala de la Columna: sin limitaciones
Paso 7. Diseñar la placa de cortante en la unión del alma de la viga con el
alma de la columna.
Se calcula la altura mínima del alma de la viga y se verifica que sea menor a
la altura real de esta.
ⅆ𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑢
𝜙𝑣0.6 𝐹𝑦𝜏𝑤𝑣
104
ⅆ𝑚𝑖𝑛 =43610 𝑘𝑔
1∗0.6∗ 3515𝑘𝑔
𝑐𝑚2∗1,02 𝑐𝑚= 20,27 𝑐𝑚 < 46,8 cm √
Por lo tanto, la altura del alma de la viga es suficiente para resistir la
resistencia requerida Vu.
En resumen, la placa será PL120X420X12mm en acero ASTM A992.
Los demás cálculos no se realizan porque son los mismos que se realizaron
en el lado más largo de la columna a excepción del cálculo de pandeo local de
las paredes de la sección tubular rectangular.
Pandeo Local de las Paredes de la Sección Tubular Rectangular.
Se refiere a la capacidad de las paredes de la columna cuando sobre ambos
lados de la columna actúan fuerzas de compresión:
(AISC 360-10 Ec. K1-11)
Ø𝑅𝑛 = 0,90 ∗ [48 ∗ (3𝑐𝑚)3
(30 𝑐𝑚 − 3 ∗ 3𝑐𝑚)] (
2100000𝐾𝑔
𝑐𝑚2∗
3515𝐾𝑔
𝑐𝑚2)
0,5
∗ 1
Ø𝑅 = 4772 𝑇𝑜𝑛
105
CAPÍTULO V
Verificación del Diseño Teórico de la conexión en el
Software RAM Connection.
5.1. Introducción y Definición del Software RAM Connection
Versión 11.0.1
RAM Connection es un programa para ingenieros estructurales o fabricantes
de estructuras metálicas que sirve para el análisis y diseño de conexiones para
estructuras de acero, trabaja de manera autónoma pero también lo puede hacer
de manera integrada con los softwares de análisis de estructuras metálicas RAM
Estructural System, STAAD Pro y RAM Elements.
El diseño de conexiones con el Software puede hacerse en un período corto
de tiempo debido a su poder y simplicidad, estas conexiones se pueden diseñar
con normas americanas, europeas, británicas o Chinas y en cada lanzamiento
los creadores del programa agregan más códigos de diseño, por lo general
hacen dos lanzamientos del software al año y la interfaz gráfica, tutoriales, así
como manuales están disponible en los idiomas inglés, Español y Chino.
El programa realiza cálculos con los códigos de diseño americano AISC 360,
358, 341 en versiones del año 2005 y 2010, en los dos métodos LRFD y ASD,
otros códigos que incluye son: el euro código, el código chino y británico; de esta
manera se puede diseñar un sin número de conexiones internacionales y
también cuenta con la opción para diseñar y optimizar anclas para placas bases
en las normas americanas y europeas.
Se pueden diseñar conexiones a cortante, momento, ménsula, contraviento,
empalme o placas base, en los informes incluye los resultados, fórmulas y
106
valores reemplazados, así como el detalle de todas las conexiones en formato
DXF para poder exportarlo al programa CAD de nuestra preferencia.
5.2. Asignación de Secciones de los Elementos
Antes de comenzar a dibujar la conexión se define las unidades de medidas
con las que se va a trabajar.
Ilustración 88: Definición de Unidades de Medidas.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 89: Selección de la Conexión Viga – alma de Columna
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
107
En esta opción se puede definir la ubicación de la viga con respecto a la
columna, ya sea en el ala o en el alma, en este caso la viga se encuentra en el
alma de la columna.
Ilustración 90: Asignación de Secciones de los Elementos.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Si la sección no está definida en el menú del programa se puede crear de
forma Manuel con las dimensiones requeridas.
Ilustración 91: Viga conectada al alma y al ala de la columna.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
108
5.3. Asignación de la Placa de Corte
Los requisitos de diseño del AISC 358 solicita que la placa de corte sea una
placa simple ya que la conexión precalificada de Ala Soldada sin Reforzar y Alma
Soldada escogida para el análisis es una conexión de momento y es la soldadura
la que debe controlar el diseño, esta placa en el software se la encuentra como
conexión básica.
Ilustración 92: Elección de la Placa de Cortante.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 93: Elección y Asignación de datos geométricos obtenidos en el diseño teórico en el Capítulo IV de la Placa de Cortante.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
109
Ilustración 94: Selección de Criterios de Diseño
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
5.4. Elección y Asignación de la Conexión a Momento
Al estar soldadas las alas de la viga con el alma de la columna sin placa de
refuerzo y con soldadura de penetración completa se escoge la opción de
conexión directamente soldada.
Ilustración 95: Conexión a Momento Directamente Soldada
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
110
Ilustración 96: Asignación de la Conexión a Momento.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 97: Conexión a Momento y Placa de Cortante.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
111
5.5. Condiciones y Combinaciones de Cargas
Ilustración 98: Casos y Combinaciones de Cargas
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
112
5.6. Asignación de Cargas a las Conexiones
Los patrones y casos de carga se los puede exportar directamente desde el
programa de análisis estructural o de forma manual, en este modelo se
ingresaron los datos manualmente, el software da una guía mediante gráficos y
explica cómo se debe ingresar los diferentes patrones de carga.
Ilustración 99: Asignación de Cortantes y Momentos producidos por las vigas a una cara
de la columna.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
113
Ilustración 100: Asignación de Cortantes y Momentos producidos por las vigas a una cara
de la columna.
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
114
Ilustración 101: Asignación de Fuerza Axial y Momento Flector producidos en la columna.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 102: Diagrama de Fuerza Axial y Momento Flector a 3.2 metros de la base de la
Columna (sismo en X).
Fuente: (Software ETABS v16.0.0, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
115
5.6.1. Asignación de Fuerzas a las Conexiones
Ilustración 103: Fuerzas que llegan a la Placa de Cortante.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 104: Fuerzas que llegan a la Conexión de Momento
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
116
5.7. Selección de Parámetros de Diseño para la Conexión.
Ilustración 105: Personalización, combinaciones de cargas y consideraciones sísmicas.
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
117
5.8. Resultados del Diseño obtenidos en el software RAM
Connection
5.8.1. Resultados de la Placa de Cortante.
Tabla 29: Resultados del Diseño en el Software
118
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
5.8.2. Resultados de la Conexión de Momento.
Tabla 30: Resultados del Diseño de la Conexión en el Software RAM Connection
119
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
El mismo procedimiento se realiza para la conexión viga – ala de la columna,
cuyo diseño se detalla en los planos de diseño de la conexión.
120
CAPÍTULO VI
Resumen de Resultados y Discusión
6.1. Comparación de Resultados.
Tabla 31: Tabla de Comparación de Resultados entre el diseño teórico y el diseño en el software de análisis.
NOMBRE DEL ANALISIS DISEÑO TEORICO
DISEÑO SOTFWARE RAM CONNECTION
DEMANDA REQUERIDA A CORTE
PLACA DE CORTE
Resistencia de diseño de cortante de la viga
107,56 TON 107,57 TON
>53,54 TON Resistencia de la soldadura 105,24 TON 104,41 TON
Resistencia de diseño a corte por fluencia de la placa
106,3 TON 106,3 TON
CONEXIÓN A MOMENTO
Fluencia local por cargas 106,87 TON 106,87 TON
Fluencia local paredes lat 508,32 TON 508,32 TON
Pandeo local de las paredes laterales
2783 TON 2743 TON
Elaboración: Stefanía Bowen
6.2. Planos de Diseño de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y
Alma Soldada.
Ilustración 106: Diseño de la Conexión en ambos lados de la Columna
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
121
6.2.1. Detalles del Diseño de la Placa de Cortante.
Ilustración 107: Vista Superior de la Placa
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 108: Vista Lateral de la Placa
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Colu
mna
Viga
Pla
ca d
e
122
Ilustración 109: Vista Frontal de la Placa
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
6.2.2. Detalles del Diseño de la Soldadura de Penetración
Completa.
Ilustración 110: Vista Frontal de la Conexión a Momento
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Soldadura de
Penetración Completa
Soldadura de
Penetración Completa
Columna
123
Ilustración 111: Vista Lateral de la Conexión a Momento
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 112: Vista Superior de la Conexión a Momento
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
124
Se aplicará el mismo diseño de conexión viga columna precalificada tanto en
el alma de la columna, así como en el ala ya que en ambos lados el diseño de la
conexión tiene un buen comportamiento.
Sin embargo, el programa de diseño cuenta con opciones para optimizar la
conexión sin que esta incumpla los parámetros de diseño y límites de servicio
permisibles y de esta forma bajar los costos de producción de las placas de
cortante y soldaduras.
6.3. Planos de la Conexión Ala Soldada sin Reforzar y Alma
Soldada, Diseño Optimizado.
Ilustración 113: Diseño optimizado de la Conexión en ambos lados de la Columna
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
La conexión será la misma para ambos lados de la columna, los resultados
del modelo optimizado dados por el programa de diseño RAM Connection se
mostrarán en los ANEXOS de esta investigación.
125
6.3.1. Detalles del Diseño Optimizado de la Placa de Cortante
para Ambos Lados de la Columna.
Ilustración 114: Vista Superior de la Placa optimizada
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Ilustración 115: Vista Lateral de la Placa Optimizada
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
Viga
126
Ilustración 116: Vista Frontal de la Placa Optimizada
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016) Elaborado por: Stefanía Bowen
6.4. Discusión de los Resultados Obtenidos.
En el diseño teórico se obtuvo una placa de cortante con las siguientes
características geométricas:
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016)
Mientras que en el diseño optimizado en el software de análisis de la placa
de cortante se obtuvieron las siguientes medidas geométricas:
127
Fuente: (Software RAM Connection v11.0.1, 2016)
La soldadura de penetración completa seguirá siendo la misma, mientras que
en el diseño optimizado de la placa de cortante comparado con el diseño teórico
se observa que hay una reducción en las dimensiones de la placa, también se
reducen el número de pernos y la longitud de la soldadura de filete, sin que la
conexión deje de tener un comportamiento dúctil.
En el diseño optimizado la resistencia por corte a fluencia de la placa cambia,
debido al cambio de la sección de esta, pero sigue siendo mayor a la demanda
requerida por la conexión, lo mismo pasa con la resistencia de la soldadura de
filete, sin embargo, ambas resistencias son mayores a la demanda producida por
la fuerza cortante en las caras en ambos lados de la columna.
Ilustración 117: Conexión Ala Soldada sin Reforzar Alma Soldada a Escala Real
(Lenin, 2014)
128
CAPÍTULO VII
Conclusiones y Recomendaciones
7.1. Conclusiones
a) Aplicando la norma de construcción local y códigos correspondientes de
diseño, se obtuvo el predimensionamiento adecuado en los elementos
que conforman los pórticos resistentes a momentos en la edificación, las
secciones obtenidas tanto en vigas como columnas cumplieron con los
requerimientos sísmicos según el código AISC 341 para miembros
altamente dúctiles y se conservó el diseño arquitectónico de la estructura.
b) En el análisis dinámico, la estructura obtuvo los modos de vibraciones
esperados, los dos primeros traslacionales y el tercer modo rotacional.
La masa participativa fue del 100%, los límites de derivas no excedieron
el 2%, por lo que se concluye que la estructura cumple con estos
parámetros de riesgo sísmicos contemplados en la NEC 2015.
Los elementos diseñados tienen la suficiente capacidad para soportar la
demanda de las fuerzas de servicio mayoradas y de las fuerzas sísmicas.
𝛥𝑀𝑋 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001298 = 0,0078 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 2. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
𝛥𝑀𝑌 = 0,75 ∗ 8 ∗ 0,001491 = 0,0089 < 0,02 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜 3. 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
129
𝜙𝑣𝑅𝑛𝑃𝐿 = 106,3 𝑇𝑜𝑛
c) Siguiendo el procedimiento de diseño del AISC 358 para la conexión se
obtuvo la demanda de la fuerza cortante que soportará la conexión y se
diseñó la placa de cortante, de tal forma que esta tiene una resistencia
superior a la demanda al igual que la soldadura de filete.
Demanda V u=53,54 𝑇𝑜𝑛
La soldadura de penetración completa tiene la misma resistencia de
diseño que los elementos a unir. En este diseño se obtuvo el espesor y
altura de la placa de cortante para luego aplicarlo al software de diseño
especializado.
d) En el Software especializado para el análisis de conexiones precalificadas
se dibujaron los elementos y la conexión a momento de alas directamente
soldadas junto con la placa de cortante con las dimensiones obtenidas en
el diseño teórico, obteniendo un buen comportamiento del diseño
geométrico de la conexión en el software.
Soldadura de
Penetración Completa
130
e) Las cargas que soporta la conexión obtenidas en el ETABS se
introdujeron al software de diseño especializado de forma manual ya que
también se las puede importar directamente desde el ETABS, controlando
el diseño la carga por sismo en X para el lado mas largo de la columna y
por cargas de servicio para el lado más corto.
Cargas que soporta la conexión en el lado mas largo de la columna.
Cargas que soporta la conexión en el lado más corto de la columna.
131
f) Los resultados del diseño teórico, así como los del software son muy
parecidos.
Con la diferencia que en el software se puede optimizar la conexión sin
que la misma deje de comportarse de una manera dúctil y adecuada en
la edificación y de esta forma reduciendo costos en los materiales
empleados en la conexión.
Conexión optimizada mediante el software de diseño.
Conexión sin optimizar en el software de diseño con las medidas del
diseño teórico.
132
7.2. Recomendaciones
a) Ecuador es un país ubicado en una zona altamente sísmica, por lo que el
diseñador debe tener conocimientos estructurales actualizados y aplicar
todos los códigos y normas locales correspondientes al momento de
diseñar una estructura.
b) Para el análisis del edificio en el ETABS hay que tener ciertos criterios al
momento de dibujar los elementos, principalmente al ubicar las secciones
de las columnas, se las debe colocar de tal forma que ayuden a mejorar
el periodo de vibración de la estructura, si la diferencia entre el periodo de
vibración dado por el ETABS y el obtenido mediante la NEC 2015 es
mucha, se debe hacer un nuevo predimensionamiento de las secciones,
bien sea aumentarlas o reducirlas según sea el caso o cambiar la posición
de los elementos y nuevamente chequear el periodo, derivas, cortantes
etc.
c) Se recomienda colocar placas de continuidad en las alas de la viga y
placas dobles en la zona de panel si la columna es de tipo I si así lo
requieran. En columnas tubulares como en el caso de la investigación no
es recomendable colocar este tipo de placas para no interferir en la
continuidad de la columna ni reducir su resistencia, en este caso se puede
133
aumentar el espesor de la columna o rellenarla de concreto para un mejor
comportamiento del elemento.
d) La elección de la conexión precalificada por el AISC 358 es a criterio del
diseñador según los requerimientos del proyecto y de la seguridad e
importancia que se le dé al mismo, se recomienda hacer un análisis de
costos de las conexiones antes de seleccionar un modelo estándar, ya
que, según la conexión, el costo en la fabricación y montaje de estas
varían.
e) El software de análisis para la conexión usado en esta investigación es
muy sencillo de usar y te brinda resultados confiables iguales o parecidos
a los obtenidos manualmente, es muy amigable con el usuario y ahorra
tiempo, ya que en él se puede modelar cualquier tipo de conexión sea a
cortante o a momento, conexiones precalificadas empernadas o soldadas.
El análisis se lo puede realizar mediante los métodos por estados limites
LRFD o por esfuerzos permisibles ASD, la conexión puede ser OMF, IMF,
SMF o una conexión simple. Pero se recomienda aprender bien el uso de
este para poder interpretar los resultados que nos brinda, aunque
internamente también tiene menús en donde detalla el significado de cada
opción a elegir y cuenta con formularios y referencias de las ecuaciones
y métodos de análisis utilizados.
Bibliografía
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Software ETABS v16.0.0. (2016). CSi, Computers & Structures. España.
Software RAM Connection v11.0.1. (2016). Bentley Communities.
Software SAP200 v20.2.0. (2020). CSi,Computers & Structures. España.
Anexo 1: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para
conexiones, de la placa de cortante en el lado más corto de la columna y
considerando las perforaciones para pernos en la placa.
Anexo 2: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para
conexiones, de la conexión a momento en el lado más corto de la columna.
Anexo 3: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para
conexiones, de la placa de cortante optimizada en el lado más largo de la
columna, considerando las perforaciones para pernos en la placa.
Anexo 4: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para
conexiones, de la conexión a momento optimizada en el lado más largo de la
columna.
Anexo 5: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para
conexiones, de la placa de cortante optimizada en el lado más corto de la
columna y considerando las perforaciones para pernos en la placa.
Anexo 6: Resultados obtenidos en el software de análisis estructural para
conexiones, de la conexión a momento optimizada en el lado más corto de la
columna.
Anexo 7: Conexiones calificadas FEMA 350
Anexo 8: Significado de abreviaciones más usadas en la investigación.
AISC: American Institute of Steel Construction - Instituto Americano de
Construcción de Acero.
FEMA: Federal Emergency Management Agency – Agencia Federal para el
Manejo de Emergemcias.
AWS: American Welding Society – Sociedad Americana de Soldadura
WUF-W: Welded Unreinforced Flange, Welded Web – Alas Soldadas no
Reforzadas, Almas Soldadas.
Anexo 9: Relación ancho espesor para miembros a compresión alta y
moderadamente dúctiles según AISC 341
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FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: Estudio del comportamiento de la conexión viga columna precalificada de ala soldada sin refuerzo y alma soldada (WUF-W) en un edificio de estructura metálica.
AUTOR(ES) Bowen Cruzatty Stefanía Paola
REVISOR(ES)/TUTOR(ES) Ing. Pablo Lindao Tomalá, MSc
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ciencias Matemáticas y Física
MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO:
FECHA DE PUBLICACIÓN: Abril, 2020 No. DE PÁGINAS: 133
ÁREAS TEMÁTICAS: Estudio del comportamiento de la conexión soldada viga columna.
PALABRAS CLAVES/
KEYWORDS: < ESTUDIO-COMPORTAMIENTO-CONEXIÓN-DISEÑO-
ESPECIFICACIONES>
RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras): Este trabajo de titulación tiene como objetivo el estudio del comportamiento en la conexión viga columna de un edificio de 10 pisos diseñado en acero estructural ASTM A992 de Grado 50 con sistema de pórticos resistentes a momentos. En el diseño se usarán conexiones soldadas precalificadas y posteriormente se comprobará si las mismas cumplen con las disposiciones sísmicas de acuerdo con el capítulo j del código AISC 360-10, AISC 341-10, AISC 358-10 y la norma NEC 2015, las mismas que indican que una conexión que une a miembros que pertenezcan a un sistema resistente a cargas sísmicas debe ser diseñada de tal forma que el estado límite dúctil sea quien controle el diseño ya sea en los miembros o en la conexión. La edificación es una estructura nueva, diseñada para para este proyecto. Se asumió que se encuentra en la ciudad de Guayaquil sobre un suelo tipo D y su importancia será de uso residencial. ADJUNTO PDF: x SI NO
CONTACTO CON
AUTOR/ES: Teléfono: 0992380028 E-mail: pa.olitab@hotmail.com
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÓN:
Nombre: FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
Teléfono: 2-283348
E-mail: fmatematicas@ug.edu.ec
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