Conexión empernada de arriostramiento a la junta viga-columna utilizando planchas y plancha nodo (Gusset Plate) en sistema SCBF

Los pórticos de acero con arriostramientos concéntricos representan una solución estructural conveniente para suministrar resistencia y rigidez lateral en edificios de baja y mediana altura. Se caracterizan porque los ejes centroidales de los miembros componentes se intersecan en un punto, formando así una estructura reticular, por lo que las acciones de viento y sismo inducen principalmente cargas axiales sobre los elementos del pórtico arriostrado. El sistema se destaca por su elevada rigidez lateral, la cual permite controlar adecuadamente los desplazamientos a fín de cumplir con los límites de deriva máximos establecidos por los códigos de diseño.

Ante un evento sísmico, unos arriostramientos estarán en compresión y otros en tracción, bajo una acción cíclica que conduce a una degradación de rigidez y resistencia debido al efecto de pandeo que deber ser controlado limitando la esbeltez de los arriostramientos, con el propósito de alcanzar la cedencia en muchos ciclos de carga. Al tener una resistencia en tracción diferente a compresión en los arriostramientos, se generan fuerzas internas en vigas y columnas que deben ser consideradas en la etapa de diseño, esta condición se denomina mecanismo por capacidad.

Para el desarrollo de su respuesta por capacidad se debe considerar la máxima respuesta esperada en tensión del arriostramiento, la resistencia esperada a compresión y la resistencia de pos-pandeo. Esta información se valida de acuerdo con ensayos experimentales donde por medio de ciclos de histéresis se identifica este comportamiento.

La norma AISC 341 recomienda que para determinar el efecto de la acción sísmica, se deben considerar los efectos más desfavorables que resulten de los siguientes dos análisis:

i. Un análisis en el cual se supone que los arriostramientos desarrollan su resistencia esperada a tracción y compresión.

ii. Un análisis en el cual se supone que los arriostramientos traccionados desarrollan su resistencia esperada, mientras que los comprimidos desarrollan su resistencia esperada de pos-pandeo.

Muy importante que se debe tener presente la inversión de la hipótesis de carga por sismo (Dirección de sismo de izquierda a derecha y de derecha a izquierda).

Disposición de la plancha nodo.

Con el objetivo de permitir que los arriostramientos tengan suficiente capacidad de rotación en sus extremos considerando uniones articuladas, se debe establecer una plancha nodo (Gusset Plate) donde el punto de contacto de dicha plancha con la viga o la columna tenga una distancia igual a dos veces el espesor de la plancha nodo, en una línea paralela medida desde el final del arriostramiento, la cual será perpendicular al eje del mismo. El valor de t se define como el espesor de la plancha nodo.

La idea conceptual es permitir que el arriostramiento pueda pandear fuera del plano, para ello es importante detallar la plancha nodo de tal forma que permita suficiente capacidad de rotación, aproximándose a una conexión articulada.

Imágenes de ensayos experimentales de arriostramientos concéntricos. Fuente: Concentrically Braced Frames, Michael D. Engelhardt University of Texas at Austin.

Imágenes de ensayos experimentales de arriostramientos concéntricos. Fuente: SCBF GUSSET PLATE CONNECTION DESIGN. Chaniealrles W. Roeder, Et al.

En nuestro Tools shop presentamos un ejemplo de Diseño de conexión empernada de arriostramiento a la junta viga-columna utilizando planchas y gusset plate para sistemas SCBF, el diseño se verificó mediante una herramienta computacional. La conexión desarrollada es ampliamente utilizada por los ingenieros estructurales, prueba de ello se ilustra en la figura 1, la cual corresponde con arriostramientros tubulares cuadrados conformados a partir de cuatro planchas unidas por medio de soldadura implementada en un proyecto real edificación de parqueaderos.