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CAP. 2: PORTICOS RESISTENTES A MOMENTOS
CAP. 1: ASPECTOS GENERALES
1
DISEÑO ESTRUCTURAL AVANZADO
Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ
domingo, 27 de Febrero de 2022
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO EN INGENIERIA CIVIL
MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL

2
DISEÑO ESTRUCTURAL AVANZADO
Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ
ESCUELA DE POSGRADO

3
Diseño Sismorresistente de
Estructuras de Acero
CAP. 2: PORTICOS RESISTENTES A MOMENTO
ESCUELA DE POSGRADO

4

CONTENIDO
2.1 Comportamiento básico de pórtico resistente momento
2.2 Conexión viga-columna pre-Northridge
2.3 Sismo de Northridge
2.4 Mejoras en las conexiones viga-columna post-Northridge
2.5 Comportamiento de la zona panel
27/02/2022 Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ 5

2.1 COMPORTAMIENTO BASICO DE
PORTICO RESISTENTE A MOMENTO

2.1 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
 Pórticos resistentes a momentos, o pórticos a momentos, o pórticos no
arriostrados
 Formados por elementos que se vinculan para formar estructura
resistente
 Principalmente elementos rectilíneos verticales (columnas) y horizontales
(vigas) conectados formando pórticos
 Pórticos donde la estabilidad lateral depende de la rigidez a flexión de las
vigas y columnas rígidamente conectadas

 Desde el punto de vista estructural se deben considerar los siguientes
componentes:
• Vigas
• Columnas
• Conexión viga-columna
• Zona panel / Panel nodal
• Empalmes
• Base de columnas

Componentes estructurales
de pórtico resistente a
momento

Modelo matemático de
edificación con pórticos
resistentes a momento

 Esquema constructivo típico para edificaciones:
• las columnas son continuas en la zona de nudos
• empalmes ubicados en zona central de columnas
• vigas se conectan a las columnas en el montaje mediante conexiones
 La conexión viga-columna representa uno de los componentes mas
importantes
 Algunas veces el método column-tree, se construye en taller la columna
junto con tramos de la viga. En obra se unen los componentes para formar
los pórticos. Esto para efectos de un mayor trabajo y control en el taller,
por las uniones soldadas

 Las acciones sísmicas sobre los pórticos resistentes a momento producen
esfuerzos en sus elementos
 Controla el diseño los momentos flectores
 Ante las acciones sísmicas los máximos esfuerzos se desarrollan en los
extremos de las vigas y columnas
 En esas zonas se pueden formar rotulas plásticas para permitir la disipación
de energía por fluencia del acero
 Se requiere inducir la falla dúctil en la zona de la viga
 Mecanismo viga débil-columna fuerte

 Se escogen elementos “fusibles” que deben fluir durante un sismo severo:
se escoge la formación de rotulas plásticas en ciertas zonas selectas –
extremos de vigas pero no cerca al nudo
 Se debe detallar adecuadamente las zonas de formación de rotulas
plásticas
 Esas zonas deben ser capaces de sostener grandes rotaciones inelásticas
hasta antes de que se produzca la fractura o colapso de la sección
 Diseñar todos los otros demás elementos del pórtico para que sean más
resistentes que las regiones de rotula plástica

Cargas laterales debido
a sismo

DMFs por carga
sísmica en vigas y
columnas

Esfuerzos importantes
en las zona panel de
cada nudo

 Las rótulas plásticas se pueden formar en:
• extremos de vigas (fluencia por flexión)
• extremos de columnas (fluencia por flexión y carga axial)
• Zona panel (fluencia por corte)

Posible
localización de
rotulas plásticas

 Se persigue que la rótula plástica se forme en los extremo de las vigas
 Las columnas permanecen en el rango elástico
 Solo las bases de las columnas llegan a formar rotula plástica

Formación de rotulas
plásticas en vigas

Mecanismo de
deformación plástica
de un pórtico
resistente a momento

 Las columnas están sometidas a carga axial variable por efecto del sismo
 Se afecta la resistencia y ductilidad de las columnas
 La falla de una columna produce el colapso parcial o total de la edificación
 La falla de una viga no implica tanto riesgo de colapso
 Por ello se protege las columnas del pórtico de la falla, manteniéndolas en
el rango elástico
 Este objetivo se logra a través de un Diseño por Capacidad

Formación de rótula
plástica en zona panel

Formación de rótula
plástica en columna
Colapso potencial por
piso blando

 Las especificaciones AISC 341 definen tres tipos de pórticos resistentes a
momento:
• Pórticos especiales (SMF)
• Pórticos intermedios (IMF)
• Pórticos ordinarios (OMF)

 La calificación para el tipo de pórtico se da en base al grado de
comportamiento dúctil que se espera de acuerdo al diseño
 La diferencia fundamental en la clasificación son los distintos niveles de
capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas

2.2 CONEXIÓN VIGA-COLUMNA
PRE-NORTHRIDGE

2.2 CONEXIÓN VIGA-COLUMNA PRE-NORTHRIDGE
Conexión viga-columna típica
periodo 1970’s a 1994
- Alas soldadas
- Alma empernada

Otros tipos de
conexiones viga-
columna no eran
aceptados
Conexión todo
empernado se
rechazaba por
problema de
deslizamiento de
pernos

Conexión Pre-Northridge

Idealización para ensayo
de conexión viga-columna
de acero

 Se aprecia el ensayo de secciones modestas para viga y columna
 Las uniones viga-columna se diseñaban para transferir momentos
 El costo de esas uniones derivo que los proyectistas limitaran el numero
de vanos de pórtico diseñados como pórtico dúctil para resistir momento
 Se llego a perder redundancia, se tenían vigas mas peraltadas y columnas
con alas mas gruesas

 Las uniones todo soldado desarrollaron mejor ductilidad
 Las uniones ala-soldada alma-empernada desarrollaron menos
ductilidad, sin embargo fueron aun aceptadas
• Eran menos costosas
• A esa época se conocía poco sobre el nivel de ductilidad necesario
para soportar un sismo severo
 Se uso la unión ala-soldada alma-empernada ‘de facto’ como el modelo
estándar

 Las uniones ala-soldada alma-empernada mostraron un comportamiento
muy variado
 Típico modo de falla: fractura en o cerca al canal de soldadura en las alas
 Un gran numero de ensayos de laboratorio de uniones viga-columna no
lograron desarrollar adecuada ductilidad en la viga antes que falle la
conexión

SUMARIO DE ENSAYOS PRE-NORTHRIDGE:
 Las conexiones ala-soldada alma-empernada mostraron gran
variabilidad en su desempeño
 Especímenes idénticos, con diferentes soldadores, daban resultados de
ductilidad muy diferentes
 Muchas conexiones fallaban en el laboratorio con poca o nula ductilidad
 No se lograba entender las razones

2.3 SISMO DE NORTHRIDGE

SISMO DE NORTHRIDGE DE 1994
Fecha = Enero 17, 1994
Magnitud = 6.8
Epicentro = Valle de San Fernando (Área de Los Ángeles)
Fallecidos = 58
Estimado de costo de daños = $20,000 millones de dólares
Daños = estructurales y no estructurales

ACELERACIONES DEL TERRENO
Sylmar: 0.91g H 0.60g V
Sherman Oaks: 0.46g H 0.18g V
Granada Hills: 0.62g H 0.40g V
Santa Monica: 0.93g H 0.25g V
North Hollywood: 0.33g H 0.15g V

Colapso de primer piso de
edificio de apartamentos
con pórticos resistentes de
madera

 Las razones de las fallas no se identificaron inicialmente
 Las causas no eran fácilmente visibles
 Se encontraron posteriormente, por casualidad, durante los trabajos de
reparación de elementos no estructurales, daños en elevadores, etc
 Gran números de modernos edificios de acero (100 de 500) sufrieron
severo daño estructural en las conexiones viga-columna
 Daño primario: Fractura en y alrededor de canal de soldadura en alas de
viga
 Daños no fueron previstos por ingenieros estructuralistas

Colapso de primer
piso de edificio de
apartamentos con
pórticos resistentes
de acero

DAÑOS OBSERVADOS
 Un gran numero de edificios de acero con pórticos resistentes a
momento sufrieron de daños en sus conexiones viga-columna
 No colapsaron los edificios resistente a momento que no fueron de
acero
 Muchas conexiones fallaron por una fractura frágil con poca o nula
ductilidad
 Fracturas frágiles se iniciaron típicamente en los canales de soldadura
de alas de viga

OBSERVACION DE DAÑOS
 Daño típico encontrado:
• fractura de canal de soldadura
• Fractura “divot” dentro del ala de la columna
• fractura a través de ala y alma de columna

RESPUESTA AL DAÑO EN LAS CONEXIONES POR SISMO DE NORTHRIDGE
 Inmediata eliminación de la conexión tipo ala-soldada alma-empernada
de los reglamentos y códigos de diseño de edificaciones de los EEUU
 Exhaustiva investigación y variedad de ensayos y esfuerzos para
entender las causas de los daños producidos
 Desarrollar mejores conexiones viga-columna
 Programa SAC auspiciado por FEMA
S = Structural Engineers Association of California
A = Applied Technology Council
C = California Universities for Research in Earthquake Engineering

CAUSAS DEL DAÑO EN LAS CONEXIONES POR SISMO DE NORTHRIDGE
 Soldadura
 Diseño de conexiones
 Materiales

Causas debido a Soldadura
 Baja tenacidad a fractura del metal de soldadura
 Pobre calidad en las soldaduras
 Efecto de las barras de respaldo y las lengüetas de soldadura
 Muchas fracturas se iniciaron al comienzo de defectos en la soldadura
del ala inferior, en la vecindad del agujero de accesibilidad

 En la mayoría de las soldaduras pre-Northridge se usó el electrodo
E70T-4, el cual tenía muy baja tenacidad a la fractura

 Barras de soporte:
• crean un efecto de muesca
• Incrementan la dificultad para la inspección
 Pestaña de soldadura:
• Zona de Rebaba de soldadura crean numerosas discontinuidades que
son fuente para inicio de la fractura

Se aprecia la evidencia de
desgarro laminar

Barra de
soporte
Pestaña de
soldadura
soldadura
Causas debido a
Soldadura

Causas debido a
Soldadura

Causas debido a diseño de conexión
 Esfuerzos-deformaciones excesivas en la soldadura de ala de viga
 Inadecuada participación de la conexión del alma de viga en la
transferencia de momento y cortante
 Efecto del agujero de acceso a soldadura
 Efecto de flexión en ala de columna
 Otros factores (zona panel, presencia de losa de piso compuesta)

Incremento del esfuerzo en
las alas de viga debido a una
inadecuada transferencia de
momento a través de la
conexión del alma

Incremento en esfuerzo
en el ala debido a
cortante en el ala

Concentración de esfuerzos:
• Abertura de acceso para
soldadura
• Ala en cortante
• Inadecuada participación en
flexión de la conexión del alma

Causas debido al material (acero estructural)
 El esfuerzo de fluencia del acero A36 en vigas es frecuentemente mayor
que el mínimo especificado

Causas debido al material
(acero estructural)

2.4 MEJORAS EN LAS CONEXIONES
VIGA-COLUMNA POST-NORTHRIDGE

2.4 MEJORAS EN LAS CONEXIONES VIGA-COLUMNA POST SISMO
 Mejoras en la soldadura
 Mejora en los materiales
 Mejoras en el diseño de la conexión y el detallado

Mejoras en la soldadura
 Requerimiento para la tenacidad mínima de la soldadura
• Se requiere un CVN (Ensayo Charpy) para toda soldadura en SFRS 20 lb-
ft a 0º F
• Se requiere un CVN para soldadura de Demanda Critica de: 00 lb-ft a
-200º F and 40 lb-ft a 700º F
CVN = Ensayo Charpy V- Notch (ANSI/AISC 341-10 Seccion A3.4)

Mejoras en la soldadura
 Mejores practicas para las platinas de apoyo y aleta de soldadura
• Remover la platina de apoyo del ala inferior
• Sellar con soldadura la platina de apoyo del ala superior
• Remover las aletas de soldadura del ala superior e inferior
 Mayor énfasis en la calidad y el control de calidad
 AISC Seismic Provisions – Chapter J

Mejoras en la
soldadura

Mejoras en la soldadura:
Mejoras en agujero del alma para acceso de la soldadura

Mejoras en la
soldadura

Mejoras en los Materiales (Acero estructural)
 Introducción del “Esfuerzo de fluencia esperado” en los códigos de diseño
Esfuerzo de fluencia esperado = Ry Fy
Fy = mínimo esfuerzo de fluencia especificado
Ry = 1.5 para ASTM A36
= 1.1 para A572 Gr 50 y A992

Mejoras en los Materiales (Acero estructural)
 Introducción del acero ASTM A992 para perfiles de ala ancha
ASTM A992
Mínimo Fy = 50 ksi
Máximo Fy = 65 ksi
Mínimo Fu = 65 ksi
Máximo Fy/Fu = 0.85

Mejoras en el diseño de la conexión
 Mejoras en abertura para acceso de soldadura
 Desarrollo de mejoras en el diseño de la conexión
• Conexión reforzada
• Conexiones patentadas
• Conexión con sección de viga reducida (hueso de perro)
• Otras conexiones investigadas por el consorcio SAC

Mejoras en agujero del alma

Mejoras en el diseño
de la conexión
Mejoras en agujero
del alma

 CONEXIÓN REFORZADA
CONEXIÓN CON PLACA CUBIERTA
• Combinación de alas de viga y placas
de cobertura soldadas a cara de
columna

de la conexión
CONEXIÓN CON
PLACA CUBIERTA

CONEXIÓN CON PLACA CUBIERTA
• 2/3 de especímenes desarrollaron 0.03 rad. de rotación
plástica total sin fractura frágil (zona panel fuerte)
• En otros la respuesta que dominó fue la fluencia en zona
panel
• 2 especímenes con almas empernadas fallaron de
manera frágil (rotación plástica < 0.02 rad.)
• Fractura frágil en espécimen con procedimiento de
soldadura no prescrito
• Falla en espécimen con larga placa de cubierta

 CONEXIÓN REFORZADA
CONEXIÓN ALAS CON CARTELAS
• Hacer la conexión mas fuerte que la
viga
• Forzar la formación de la rotula
plástica lejos de columna

• General buen comportamiento en laboratorio
• Costoso de construir
• No incluida como “precalificada” en FEMA
350

CONEXIÓN SECCION DE VIGA
REDUCIDA
•También llamada “hueso de
perro”
•Menos costosa
•Mas simple que conexión
reforzada
•Rotula forzada a formarse
dentro de sección reducida

de la conexion
CONEXIÓN SECCION
DE VIGA REDUCIDA

Mejoras en el diseño de la conexion
CONEXIONES PATENTADAS

Conexiones patentadas
CONEXIÓN CON PLACA LATERAL
• Alas de viga no directamente soldadas a
columna
• Fuerzas se transfieren por placas
laterales

Conexiones patentadas
CONEXIÓN ALMA RANURADA
• Ranuras reducen concentración de
esfuerzos en alas de vigas y
soldadura

CONEXIONES INVESTIGADAS DENTRO DEL
PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN SAC-FEMA
Conexiones precalificadas

 Con el objeto de evitar fallas en conexiones viga-columna
 Las especificaciones exigen uso de “conexiones precalificadas” en porticos
resistentes a momento
 Conexiones que han sido validadas de forma experimental debidamente
documentadas

 El proceso de precalificación se basa en que:
• Existe suficiente información experimental y analítica que asegura que la
conexión tendrá adecuada capacidad de deformación plástica
• Existen modelos racionales para estimar la resistencia asociada al modo
de falla y estimar su capacidad de deformación, a partir de dimensiones
y propiedades mecánicas de los componentes
• Existen datos que estadísticamente ofrecen confiabilidad en las
conexiones

 El ingeniero estructural cuenta ahora con criterios y pautas para diseñar
las conexiones
 Para cada tipo de conexión se tiene su campo de aplicación, limitaciones
de uso, dimensiones máximas de vigas y columnas, tipos de soldadura,
características del acero estructural, etc.

CONEXIONES INVESTIGADAS DENTRO DEL PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN
SAC-FEMA
1. Sección de viga reducida (RBS)

SAC-FEMA
2. Ala sin reforzar soldada – Alma
empernada (WUF-B)

CONEXIONES INVESTIGADAS
DENTRO DEL PROGRAMA DE
INVESTIGACIÓN SAC-FEMA
3. Ala sin reforzar soldada – Alma
soldada (WUF-W)

4. Conexión de ala libre

5. Conexión placa de
ala soldada

SAC-FEMA
6. Placa de extremo sin
rigidizar empernada

SAC-FEMA
7. Placa de extremo
rigidizada empernada

SAC-FEMA
8. Placa de ala empernada

9. Doble hilada
Es una conexión
semi-rígida

RESULTADOS DEL PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN SAC-FEMA
Criterios de diseño recomendados para Pórticos Resistentes a Momento

RESULTADOS DEL PROGRAMA DE
Nueve “conexiones precalificadas”
detalladas
FEMA 350

RESULTADOS DEL PROGRAMA DE
Posteriormente un nuevo estándar
reemplazó al FEMA 350
ANSI/AISC 358-05

RESULTADOS DEL PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN SAC-FEMA
ANSI/AISC 358-05

Viga de sección reducida (RBS)

Placa de extremo extendida sin rigidizar empernada (BUEEP)
Placa de extremo extendida rigidizada empernada (BSEEP)

Placa de ala empernada (BFP)

Ala sin reforzar soldada – Alma soldada (WUF-W)

Cartela empernada Kaiser (KBB)

Evaluación experimental de una conexión de pórtico resistente a momento
tipo KBB

Conexión para momento ConXtech ConXL

• Sistema de conexión innovador
que permite a las vigas ser
ensambladas a las columnas en
la obra
• Se obtiene un sistema preciso
en dimensiones
http://www.conxtech.com/conx-
videos/introduction-to-
conxtech/

Conexiones en proceso de precalificación
• Double Tee
• Simpson Strong Frame
• SENSE TSC
• Side Plate
• SOM Pin Fuse Joint

Double Tee
http://www.aisc.org
/uploadedcontent/2
012NASCCSessions/
N11/

Simpson Strong Frame (Conector de fluencia)
http://www.aisc.org/uploadedcontent/2012NASCCSessions/N11/

SENSE TSC
http://www.aisc.or
g/uploadedcontent
/2012NASCCSessio
ns/N11/

Side Plate
http://www.aisc.org/uploadedcontent/2012NASCCSessions/N11/

SOM Pin Fuse Joint

SOM Pin Fuse Joint
http://www.som.com/content.cf
m/pin_fuse_joint

2.5 COMPORTAMIENTO DE LA ZONA
PANEL

2.5 COMPORTAMIENTO DE LA ZONA PANEL
 Sometido a fuerza cortante importante
 Posible fluencia por cortante y grandes deformaciones por corte (rotula de
corte se forma)
 Proporciona un mecanismo alternativo de fluencia al pórtico resistente a
momento

 Rotulas plásticas por cortante en zona
panel

 Varios ensayos se han realizado
 Especímenes con zona panel débil

 Ensayo con conexión placa
cubierta donde la zona panel
es el elemento primario para
fluencia

 Zona panel débil
 Pliegues localizados producen
concentración de esfuerzos
 Fractura se induce en la vecindad de
canal de soldadura en ala de viga

 Vista cercana del
ensayo anterior
 Conexión falla para
valor de momento
muy por debajo de
Mp

Pliegues en esquinas de
zona panel

 Es posible una alta ductilidad con la fluencia de la zona panel
 Deformaciones localizadas (pliegues en las esquinas) de zona panel que
induce fractura en la vecindad del canal de soldadura de ala de viga
 Los requisitos de la AISC actualmente permiten limitada fluencia en la
zona panel (J10.6)
 Se necesita mayor investigación para definir un nivel aceptable de
fluencia en la zona panel

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