Juntas precalificadas para aplicaciones sísmicas

12.1 Proyecto EQUALJOINTS

El proyecto de investigación europeo EQUALJOINTS proporciona criterios de precalificación de juntas de acero para la próxima versión de EN 1998-1. La actividad de investigación abarcó la estandarización de los procedimientos de diseño y fabricación para un conjunto de tipos de juntas atornilladas y una sección de viga reducida soldada con perfiles pesados diseñados para cumplir diferentes niveles de prestaciones. También se desarrolló un nuevo protocolo de carga para la precalificación europea, representativo de la demanda sísmica europea. La campaña experimental dedicada a la caracterización cíclica tanto del acero al carbono dulce europeo como de los tornillos de alta resistencia logró el comportamiento requerido para cuatro tipos de juntas precalificadas: juntas atornilladas con cartela, juntas atornilladas con placa de testa extendida sin rigidizar, juntas atornilladas con placa de testa extendida rigidizada y juntas de sección de viga reducida soldada; véase la Fig. 12.1.1. Los resultados obtenidos experimentalmente en el proyecto EQUALJOINJTS se resumen en (Stratan et al. 2017) y (Tartaglia y D'Aniello, 2017).

Fig. 12.1.1 Juntas estructurales precalificadas en el proyecto EQUALJOINTS

12.2 Juntas con placa de testa

Las uniones atornilladas con placa de testa extendida rigidizada son las más comunes en las industrias europeas de fabricación de acero y están ampliamente utilizadas en la práctica europea como juntas resistentes a momento en pórticos de acero de baja y media altura, gracias a la simplicidad y economía de fabricación y montaje. Los criterios de diseño y los requisitos relacionados para las juntas viga-columna atornilladas con placa de testa extendida rigidizada se investigan en profundidad y se discuten críticamente, y actualmente están codificados en EN 1998-1:2005 basándose en un estudio paramétrico basado en análisis de elementos finitos. Desafortunadamente, el procedimiento de diseño por capacidad se desarrolló únicamente en el marco del método de los componentes. También tiene en cuenta la presencia de nervios y es capaz de controlar la respuesta de la junta para diferentes niveles de prestaciones.

Las juntas con placa de testa extendida sin rigidizar se utilizan habitualmente en la construcción de acero para conectar vigas de acero en I o H a columnas de acero en I o H en los casos en que deben transferirse momentos flectores significativos. Esta configuración permite un montaje sencillo mediante atornillado, mientras que la soldadura de la placa de testa a la viga se automatiza en taller. La resistencia a flexión de la unión es generalmente inferior a la resistencia a flexión de los elementos conectados. Por lo tanto, dichas juntas se consideran de resistencia parcial. Alcanzar una situación de resistencia igual, en la que la resistencia plástica de la junta es aproximadamente igual a la resistencia plástica de la sección de la viga, puede lograrse mediante un diseño apropiado. Su ductilidad a flexión depende en gran medida de los detalles de las juntas, que influyen en el modo de fallo (Jaspart, 1997). Si el componente de la junta que gobierna el fallo es dúctil, y si la resistencia de los componentes activos frágiles es significativamente mayor, puede alcanzarse una respuesta dúctil de la junta. En el caso contrario, no debe confiarse en la capacidad de la junta para formar rótulas plásticas y redistribuir fuerzas internas para absorber energía en una zona sísmica.

Para las uniones resistentes a momento de sección de viga reducida soldada, también denominadas dog-bone, se adoptaron dos estrategias principales: reforzar la unión o debilitar la viga. Entre estas dos opciones para el perfil de reducción de sección, el corte en radio tiende a exhibir un comportamiento relativamente más dúctil, retrasando la fractura última (Jones et al. 2002). Sin embargo, el trabajo demostró que los elementos de sección de viga reducida son más propensos al pandeo lateral torsional debido a la reducción del área de sus alas. Investigaciones experimentales y analíticas adicionales centradas en la aplicación de columnas de gran canto (Zhang y Ricles, 2006) indicaron que la presencia de un forjado colaborante puede reducir considerablemente la cantidad de torsión que se desarrolla en la columna, ya que proporciona arriostramiento a la viga y reduce el desplazamiento lateral del ala inferior.

De acuerdo con el procedimiento de diseño desarrollado en el proyecto EQUALJOINTS, la junta comprende tres macro-componentes: el panel del alma de la columna, la zona de unión y la zona de la viga; véase la Fig. 12.2.1. Cada macro-componente se diseña individualmente según hipótesis específicas, y a continuación se aplican criterios de diseño por capacidad para obtener tres objetivos de diseño diferentes definidos para evaluar la junta: juntas de resistencia total, resistencia igual y resistencia parcial. Las juntas de resistencia total se diseñan para garantizar la formación de todas las deformaciones plásticas en la viga, lo que es coherente con las reglas de diseño por capacidad de columna fuerte – viga débil de EN 1998-1:2005. Las juntas de resistencia igual se caracterizan teóricamente por la plastificación simultánea de todos los macro-componentes, es decir, la unión, el panel del alma y la viga. Las juntas de resistencia parcial se diseñan para desarrollar la deformación plástica únicamente en la unión o en el panel del alma de la columna. De acuerdo con la resistencia de los macro-componentes de unión y panel del alma de la columna, tanto para juntas de resistencia igual como parcial, puede introducirse una clasificación adicional. Para un panel del alma fuerte, la demanda plástica se concentra en la unión para la junta de resistencia parcial, o en la unión y en la viga para la junta de resistencia igual. Para un panel del alma equilibrado, la demanda plástica se distribuye entre la unión y el panel del alma de la columna para la junta de resistencia parcial, y entre la unión, el panel del alma y la viga para la junta de resistencia igual. Para un panel del alma débil, la demanda plástica se concentra en el panel del alma de la columna para la junta de resistencia parcial, o en el panel del alma y en la viga para la junta de resistencia igual.

Fig. 12.2.1 División de la junta en macro-componentes

La ductilidad de la junta depende del tipo de modo de fallo y de la capacidad de deformación plástica correspondiente del componente activado. La capacidad de deformación puede predecirse de forma aproximada satisfaciendo los criterios desarrollados para el MC o calcularse con mayor precisión mediante CBFEM. A continuación se presentan los ejemplos de diseño de dos configuraciones de juntas precalificadas descritas en los materiales del proyecto EQUALJOINJTS y en la norma ANSI/AISC358-16, considerando el comportamiento de los macro-componentes por separado.

12.2.1 Validación

Los modelos CBFEM de rigidez, capacidad resistente y capacidad de deformación de juntas precalificadas fueron validados por Montenegro (2017) sobre un conjunto de experimentos disponibles del proyecto EQUALJOINT. Los ejemplos de soluciones estructurales se muestran en la Fig. 12.2.2. Los resultados de la validación del modo de fallo se muestran en la Fig. 12.2.3. El resumen de la validación de la resistencia y la capacidad de deformación para una deformación del 15 % se muestra en las Figs. 12.2.4 y 12.2.5.

Fig 12.2.2 Juntas utilizadas para validación y verificación a) EH2-TS-35-M y EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M y ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M y E2-TS-E-M

Fig. 12.2.3 Validación del modo de fallo del CBFEM en las juntas con placa de testa extendida con cartela E1-TS-F-C2 (Tartaglia y D'Aniello, 2017)

Fig.12.2.4 Validación de la resistencia del CBFEM sobre experimentos del proyecto EQUALJOINTS

Fig. 12.2.5 Validación de la capacidad de rotación del CBFEM sobre experimentos del proyecto EQUALJOINTS

12.2.2 Verificación

El modelo CBFEM fue verificado frente al MC según el Cap. 6 de EN 1993-1-8:2006. La selección de resultados se presenta en la Tab.12.2.1 y la Fig. 12.2.6. Los resultados muestran la pérdida de precisión del MC para juntas de mayor tamaño, donde la hipótesis aproximada del brazo de palanca condiciona la precisión.

Tab. 12.2.1 Verificación del CBFEM frente al MC

Fig. 12.2.6 Verificación de la resistencia del CBFEM frente al MC

Tres juntas con cartela unilateral se describen con más detalle en (Landolfo et al. 2017) y (aplicación Equaljoints). Las juntas están cargadas tanto por momentos flectores positivos como negativos y la carga cortante correspondiente. Las almas de las columnas están reforzadas con chapas de doblado, por lo que los componentes determinantes son los perfiles en T, ya sea de la placa de testa o del ala de la columna. Los ejes de rotación se suponen en el centro del ala superior de la viga para el momento flector positivo y en el centro de la cartela para el momento flector negativo. La posición de la rótula plástica se supone en la cara de la placa de rigidización en el extremo de la cartela. El momento flector en la cara de la columna utilizado para la verificación de la unión se incrementa por la carga cortante correspondiente; véase la Fig. 12.2.7.

Fig. 12.2.7 Posición de la rótula plástica, diagrama del momento flector en la junta con cartela

Tab. 12.2.2 Resistencia de los componentes por MC para juntas con cartela

El factor de endurecimiento por deformación se eligió como 1,2 según lo sugerido por EN 1993-1-8:2006 y el informe final del proyecto Equaljoints (EN 1998-1:2005 sugiere el valor 1,1). El factor de sobrerresistencia se asumió como 1,25 (Landolfo et al. 2017). Todo el acero era de grado S355. Las resistencias de los componentes individuales se resumen en la Tab. 12.2.2. Las verificaciones en negrita son las que no se cumplen. Nótese que la resistencia de la cartela es la resistencia plástica de la sección de la viga con la cartela en la placa de testa. Se supone que la resistencia de la viga se incrementa por el factor de sobrerresistencia en la ubicación de la rótula plástica, pero no en la placa de testa. Si el factor de sobrerresistencia se aplicara también en la placa de testa, esta resistencia sería mayor. Por lo tanto, se asumió que la siguiente resistencia más baja, el perfil en T – placa de testa, gobierna la resistencia de la junta nº 267. Ninguna de las juntas investigadas cumple el requisito de junta de resistencia total. Sin embargo, la resistencia es muy próxima y las juntas son de resistencia igual. El panel del alma de la columna es fuerte en todos los casos.

El modo de fallo determinante según CBFEM es el fallo de los tornillos con plastificación de las chapas, principalmente la placa de testa, el ala de la columna y la cartela. Según CBFEM, las juntas nº 4.2 y nº 264 son de resistencia total y la junta nº 267 es de resistencia igual. Los paneles del alma de la columna son fuertes en todos los casos.

Fig. 12.2.8 Las deformaciones en la resistencia para a) la junta completa, b) solo el macro-componente unión atornillada con placa de testa, c) solo el macro-componente panel del alma de la columna a cortante con chapas de doblado, d) solo el macro-componente viga

12.2.3 Juntas con placa de testa extendida sin rigidizar

Para el estudio de sensibilidad, se seleccionó una junta con placa de testa extendida sin rigidizar precalificada. La viga IPE 450 se conecta a la columna HEB 300 mediante una placa de testa extendida de 25 mm de espesor con doce tornillos M30 10.9, con y sin chapa de doblado de 10 mm de espesor. Se utilizó acero de grado S 355 para todas las chapas. Para determinar la contribución de cada macro-componente por separado, el diagrama de material del macro-componente seleccionado era elastoplástico, mientras que el resto de la junta tenía únicamente diagrama de material elástico. Las deformaciones en la resistencia de la junta completa, el panel del alma de la columna a cortante solo con chapas de doblado y la unión atornillada con placa de testa se comparan con el macro-componente viga únicamente en la Fig. 12.2.8. La influencia de cada macro-componente en el comportamiento de la junta se presenta en la Fig. 12.2.9, donde se muestra el panel del alma de la columna con y sin chapas de doblado. El comportamiento de la junta muestra una mayor resistencia del macro-componente de unión.

Fig. 12.2.9 Influencia de los macro-componentes, el panel del alma de la columna con chapas de doblado a cortante,
la unión atornillada con placa de testa y la viga en el comportamiento de la junta completa

12.2.4 Posición del centro de compresión

Para las juntas con placa de testa, EN 1993-1-8:2006 especifica que el centro de compresión se sitúa en el centro del espesor del ala de la viga, o en el extremo de la cartela en el caso de juntas con cartela. Los resultados experimentales y numéricos mostraron que la posición del centro de compresión depende tanto del tipo de junta como de la demanda de rotación, debido a la formación de modos plásticos con diferente participación de cada componente de la junta (Landolfo et al. 2017). Según el procedimiento de diseño por MC propuesto y basándose tanto en resultados experimentales como numéricos, se espera un contacto aproximadamente en el centroide de la sección formada por el ala de la viga y los rigidizadores de nervio, para las juntas con placa de testa rigidizada, o aproximadamente a 0,5 de la altura de la cartela en el caso de juntas con cartela. Esta hipótesis aproximada se precisa mediante el procedimiento CBFEM, que proporciona valores correctos durante la carga y la plastificación inicial de las partes de una junta.

Los resultados presentados muestran la buena precisión del CBFEM verificado frente a ROFEM y validado con los experimentos de EQUALIJOINTS y el MC. Aporta la posibilidad de considerar el comportamiento de los macro-componentes por separado y la posición de los ejes neutros con precisión según la carga/plastificación.

12.3 Junta de sección de viga reducida soldada

Se seleccionó para este estudio una junta de sección de viga reducida soldada precalificada según ANSI/AISC 358-16. La viga IPE 450 se conecta a la columna HEB 300 mediante soldaduras a tope en las alas y una placa de aleta de 12 mm de espesor con tres tornillos pretensados M30 10.9, con y sin chapa de doblado de 10 mm de espesor; véase la Fig. 12.3.1. Todo el acero utilizado es de grado S355.

Las deformaciones en la resistencia última de la junta completa y el macro-componente panel del alma de la columna a cortante solo con chapas de doblado se muestran en la Fig. 12.3.2. La influencia de cada macro-componente en el comportamiento de la junta se presenta en la Fig. 12.3.3, donde se muestra el panel del alma de la columna con y sin chapas de doblado. La junta muestra que las resistencias de los macro-componentes de la junta están bien optimizadas.

Fig. 12.3.1 Junta de sección de viga reducida, a) viga con sección reducida, b) el panel del alma de la columna con chapas de doblado a cortante, la unión atornillada con placa de testa,

Fig. 12.3.2 Las deformaciones en la resistencia para a) la junta completa y b) solo el macro-componente panel del alma de la columna con chapas de doblado a cortante 

Fig. 12.3.3 Influencia de los macro-componentes en el comportamiento de la junta completa en el diagrama M-φ

Referencias

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.