Conexión viga/columna circular compuesta implementando diafragmas

Actualmente, las investigaciones en el área de ingeniería estructural han proporcionado información relevante sobre el comportamiento y diseño de conexiones en sistemas de pórticos a momento con capacidad especial de disipación de energía, garantizando un alto grado de confiabilidad debido al desarrollo de ductilidad.

Ahora para poder desarrollar ductilidad debemos cumplir una serie de requisitos normativos los cuales están descritos en las provisiones sísmicas AISC341 y para conexiones en AISC358.

Diversos tipos de conexiones se han investigado para columna circular compuesta – viga tipo «I» (ver Figura 1 (a)-(c)). Sin embargo, todas estas configuraciones proponen el uso de pernos perforando la columna, ocasionando complejidad en la etapa de montaje, sí se piensa su aplicación en un proyecto real y se le podría sumar la complejidad en el proceso de manufactura al momento de curvar las planchas extremo para los casos a-b.

Figura 1. Conexiones viga tipo «I» – columna circular compuesta. Conexión (a) placa de extremo curvo, (b) Columna CFT circular con viga de paso, (c) Placa de extremo con costillas.

Fuente: (a), (b) Experimental Investigation of CFT column to Steel beam connections under cyclic loading, Ikhlas S. Sheet, Umarani Gunasekaran, Gregory A. Macrae. (c) Seismic Behavior of exterior connections with Steel beams bolted to CFT columns, X. Li, Y Xiao, Y.T. Wu

No ocurre lo mismo en lo que respecta a conexiones con diafragmas, encontrándose pocas referencias al respecto tanto en el ámbito nacional, como internacional. Sumado a esto, el estándar de conexiones precalificadas AISC 358 no presenta lineamientos para conexiones en columnas tubulares circulares; esto genera la necesidad de investigar más acerca de este tipo de conexión, mediante ensayos experimentales y estudios numéricos que permitan su caracterización.

La conexión mostrada en la Figura 2 es ampliamente utilizada en proyectos de acero, motivo por el cual nuestro equipo de trabajo propuso un procedimiento para su diseño basado en AISC 341- 358, posteriormente se evaluó experimental y numéricamente el comportamiento de esta conexión ante cargas cíclicas.

Figura 2 Conexión Viga – Columna circular compuesta

Evidencia de lo anterior les compartimos una serie de figuras que hacen parte de proyectos en estructuras de acero ubicadas en zonas de amenaza sísmica alta que habían implementado la conexión descrita en la figura 2, sin ningún tipo de respaldo o evidencia experimental que permitiera su uso de acuerdo con el estandar de calificación.

Para resolver el interrogante y saber sí este tipo de conexiones presentaban buen comportamiento ante cargas cíclicas, experimentalmente se encontró que:

• La conexión exhibió un comportamiento histerético dúctil con ciclos estables y amplias zonas de disipación de energía. Se debe resaltar que la inclusión de los diafragmas contribuyó en gran medida al buen comportamiento de la conexión, al transmitir los esfuerzos de compresión y tracción generados por la flexión, permitiendo una distribución adecuada sobre gran parte de la periferia de la columna
• Se observó que en un ángulo de rotación de 0.04 radianes la resistencia a la flexión de la conexión medida a la cara de la columna superó en 1.12 veces el 80% del momento plástico Mp, lo cual satisface el requerimiento de la NSR-10, AISC y FEMA para la calificación de conexiones pertenecientes a pórticos resistentes a momentos con disipación especial de energía.
• El máximo momento resistente logrado por la conexión fue de 48.17 tonnef-m a una rotación de 0.06rad.

Les compartimos evidencia por medio de imágenes y video de lo que fué el ensayo experimental a escala real:

Numéricamente logramos reproducir las condiciones del ensayo en términos de la no linealidad de material, grandes deformaciones, contactos, condiciones de borde, mecanismo de plastificación y curva de histéresis, con el propósito de generar un portafolio de conexiones viga columna usando diafragmas con diferentes tamaños de perfil tanto para la columna como para la viga.

Les compartimos evidencia por medio de imágenes y video de lo que fué el modelamiento numérico:

Estos resultados hacieron parte de mi proyecto de investigación de maestría, espero que de verdad sea de mucha utilidad para toda la comunidad de ingenieros que se dedican al diseño estructural.