Rigidizadores de apoyo (AISC)

Este ejemplo de verificación fue preparado por Mark D. Denavit, Rick Mulholland y Javad Esmaeelpour en un proyecto conjunto de The University of Tennessee e IDEA StatiCa.

Descripción

En este estudio se presenta una comparación entre los resultados del método de elementos finitos basado en componentes (CBFEM) y los métodos de cálculo tradicionales utilizados en la práctica estadounidense para rigidizadores de apoyo. El estudio se centra en los estados límite específicamente asociados con los rigidizadores de apoyo. El primer caso investigado es el de rigidizadores de apoyo en vigas de transferencia, donde un pilar apoya sobre el ala superior, induciendo una fuerza compresiva concentrada única. El segundo caso investigado es el de rigidizadores de apoyo en uniones a momento viga-pilar. Estos rigidizadores se denominan frecuentemente placas de continuidad. El momento en la viga genera fuerzas de tracción y compresión (es decir, fuerzas dobles concentradas) en el ala del pilar. También se realizan comparaciones con resultados experimentales.

Los cálculos tradicionales se realizan de acuerdo con las disposiciones para el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) de la Especificación AISC (2022). Los resultados del CBFEM se obtuvieron de IDEA StatiCa versión 24.0. Las cargas máximas permitidas se determinaron de forma iterativa ajustando la carga aplicada a un valor que el programa considera seguro, pero que si se incrementa en una pequeña cantidad (1 kip) el programa consideraría inseguro al superar el límite de deformación plástica del 5%, superar el 100% de utilización de tornillos o soldaduras, o con una relación de pandeo inferior a 3,0. Los análisis de tipo DR pueden ayudar a identificar las cargas máximas permitidas. Sin embargo, se realiza cierta aproximación en la evaluación de la resistencia de cálculo de la junta, por lo que todos los resultados de este informe se basan en el análisis de tipo EPS.

Requisitos para rigidizadores de apoyo en la Especificación AISC

La Sección J10 de la Especificación AISC describe cinco posibles estados límite para elementos en forma de I con cargas concentradas únicas en el ala.

1. Flexión local del ala
2. Plastificación local del alma
3. Abolladura local del alma
4. Pandeo lateral del alma
5. Pandeo del alma a compresión

Se requiere un rigidizador si la resistencia requerida supera la resistencia disponible para cualquiera de estos estados límite. La resistencia disponible de estos estados límite también se utiliza para determinar la resistencia requerida de los rigidizadores.

Una vez establecida la necesidad de rigidizadores, el rigidizador se diseña de acuerdo con los requisitos de la Sección J10.8 de la Especificación AISC.

Los rigidizadores interiores (es decir, los alejados del extremo del elemento) sometidos a fuerzas de compresión se diseñan como elementos comprimidos axialmente de acuerdo con las Secciones E6.2 y J4.4 de la Especificación AISC, con una sección transversal, mostrada en la Figura 1, compuesta por los rigidizadores y una franja del alma con un ancho de 25t_w, y una longitud efectiva de L_c = 0,75h, donde t_w es el espesor del alma y h es la altura del rigidizador. Los estados límite asociados con esta sección de pilar efectivo son la plastificación y el pandeo por flexión. Según la Sección J4.4 de la Especificación AISC, la plastificación se aplica cuando L_c/r ≤ 25 y el pandeo por flexión se aplica en caso contrario. Además, el estado límite de aplastamiento entre el rigidizador y el ala del elemento se verifica según la Sección J7 de la Especificación AISC.

Figura 1 Sección transversal efectiva definida en la Sección J10.8 de la Especificación AISC para rigidizadores interiores.

Los rigidizadores sometidos a fuerzas concentradas de tracción se diseñan según la Sección J4.1 de la Especificación AISC con una resistencia requerida igual a la diferencia entre la carga aplicada y la resistencia disponible para el estado límite de carga concentrada determinante en la sección sin rigidizar.

La Sección J10.8 de la Especificación AISC tiene requisitos dimensionales adicionales para rigidizadores transversales, como se indica a continuación:

• El ancho de cada rigidizador más la mitad del espesor del alma del pilar no será inferior a un tercio del ancho del ala o de la placa de unión a momento que transmite la fuerza concentrada.
• El espesor de un rigidizador no será inferior a la mitad del espesor del ala o de la placa de unión a momento que transmite la carga concentrada, ni inferior al ancho dividido entre 16.
• Los rigidizadores transversales se extenderán un mínimo de la mitad del canto del elemento, excepto cuando se requiera en las Secciones J10.3, J10.5 y J10.7.

La Sección J10.3 de la Especificación AISC requiere que los rigidizadores se extiendan un mínimo de tres cuartas partes del canto del alma cuando se requieren rigidizadores porque el elemento sin rigidizar tiene resistencia insuficiente para el estado límite de abolladura local del alma. La Sección J10.5 requiere que los rigidizadores se extiendan a toda la profundidad del alma cuando se requieren rigidizadores porque el elemento sin rigidizar tiene resistencia insuficiente para el estado límite de pandeo del alma a compresión. La Sección J10.7 se refiere a los extremos no arriostrados de vigas y no aplica a este estudio.

Rigidizadores de apoyo en vigas de transferencia

Cuando un pilar es soportado por una viga de transferencia, la fuerza concentrada sobre la viga frecuentemente supera la resistencia local de la viga, siendo necesario instalar rigidizadores de apoyo transversales. La resistencia de los rigidizadores de apoyo en vigas de transferencia se evalúa en esta sección con respecto a variaciones en los siguientes parámetros:

1. Espesor del rigidizador
2. Ancho del rigidizador
3. Longitud de soldadura a lo largo del alma de la viga
4. Momento aplicado

Para estas comparaciones, la viga es una W40x149. Para aislar los estados límite determinantes a los asociados con el alma de la viga y el rigidizador, el pilar que acomete al ala superior se seleccionó como un elemento en forma de I robusto con un canto total de 12 in., ancho de ala de 8 in. y espesor de ala y alma de 2 in. Tanto la viga como el pilar cumplen con ASTM A992 (F_y = 50 ksi y F_u = 65 ksi). El pilar se asienta sobre una placa base de 9 in. x 13,5 in. x 1 in. que cumple con ASTM A572 Gr 50 (F_y = 50 ksi y F_u = 65 ksi). La placa base está soldada al ala superior de la viga de transferencia (también se definió una operación de contacto entre la placa base y el ala superior en IDEA StatiCa). La viga está rigidizada con un rigidizador doble (es decir, un rigidizador a cada lado del alma de la viga) posicionado concéntricamente bajo la placa base del pilar. Para evitar modos de pandeo por cortante del alma, se añadieron rigidizadores transversales de 3/4 in. de espesor a 24 in. del eje del pilar y la longitud predeterminada del elemento estándar se estableció en 0,5 en la configuración del código. En la Figura 2 se presenta una vista tridimensional de la unión.

Figura 2 Vista tridimensional de la unión de la viga de transferencia

Efecto del espesor del rigidizador

Para evaluar el efecto del espesor del rigidizador, se investigaron uniones con rigidizadores de espesor variable. Los rigidizadores tenían 5 in. de ancho, abarcaban toda la profundidad del alma de la viga y tenían chaflanes de 1,0 in. en la parte superior e inferior. Los rigidizadores se soldaron al alma de la viga mediante soldaduras en ángulo dobles de 1/4 in., de 5 in. de longitud separadas 2 in., y al ala superior e inferior mediante soldaduras en ángulo dobles continuas de 5/8 in. (también se definió una operación de contacto entre los rigidizadores y las alas en IDEA StatiCa).

Para los cálculos tradicionales, se evaluaron los estados límite de plastificación y pandeo por flexión para el pilar efectivo, se evaluó el aplastamiento en la superficie de contacto rigidizador-ala, y se evaluó la rotura en las soldaduras entre los rigidizadores y el alma de la viga. La resistencia requerida para las soldaduras rigidizador-alma se tomó como la diferencia entre la fuerza aplicada y el menor valor de la resistencia disponible para los estados límite de plastificación local del alma y abolladura local del alma en la viga sin rigidizar.  

Se realizaron cálculos para 9 espesores de rigidizador que van desde 1/2 in. hasta 1 in. en incrementos de 1/16 in. La fuerza de compresión máxima mayorada que puede aplicarse al pilar según IDEA StatiCa y los cálculos tradicionales se presenta en la Figura 3. Los resultados de IDEA StatiCa se muestran para la configuración de malla predeterminada (tamaño máximo de elemento = 1,969 in.) y una malla refinada donde el tamaño máximo de elemento se establece en 0,75 in.

Figura 3 Resistencia frente al espesor del rigidizador para la unión de viga de transferencia (rigidizador de apoyo sometido a fuerza compresiva concentrada única)

Para los cálculos tradicionales, la plastificación de la sección cruciforme efectiva fue determinante para todos los espesores ensayados. Como resultado, la resistencia aumenta linealmente con el espesor del rigidizador. La resistencia de IDEA StatiCa, controlada por el límite de deformación plástica, es mayor que la obtenida de los cálculos tradicionales. Las distribuciones de tensión equivalente y deformación plástica para la unión con el rigidizador de 3/4 in. de espesor se presentan en la Figura 4. Los cálculos tradicionales utilizan una sección transversal cruciforme efectiva donde solo se considera un ancho de 25t_w del alma (Figura 1). Para la viga W40x149 utilizada en este ejemplo, t_w = 0,630 in. y 25t_w = 15,75 in.  La Sección J10.2 de la Especificación AISC asume para el estado límite de plastificación local del alma que la carga se distribuye a lo largo de una longitud del alma igual a la longitud de apoyo más 5 veces la distancia desde la cara exterior del ala hasta el pie del filete del alma. Siguiendo esta hipótesis con una longitud de apoyo igual a la longitud de la placa base (13,5 in.) y las propiedades de la W40x149 (k = 2,01 in.), la longitud del alma que se activa para el estado límite de plastificación local del alma es igual a 23,55 in. o 37,4t_w. La Figura 3 muestra los resultados de un cálculo tradicional alternativo de la plastificación en una sección transversal cruciforme efectiva con un ancho de alma de 37,4t_w en lugar de 25t_w. La resistencia obtenida de los cálculos tradicionales alternativos es similar a la de IDEA StatiCa con la malla refinada.

Figura 4 Distribuciones de tensión equivalente y deformación plástica para la unión de viga de transferencia con rigidizadores de 3/4 in. de espesor. Carga aplicada = 1091,0 kips (malla predeterminada); 982,1 kips (malla refinada)

Efecto del ancho del rigidizador

Para evaluar el efecto del ancho del rigidizador, se eligió un rigidizador doble de 3/4 in. de espesor y se ensayaron 15 anchos diferentes de rigidizador que van desde 2 in. hasta 5,5 in., en incrementos de 1/4 in. Nótese que algunos de los anchos de rigidizador más pequeños no satisfacen los requisitos dimensionales de la Sección J10.8(a) de la Especificación AISC. En la Figura 5 se presenta una comparación de la resistencia frente al ancho del rigidizador.

Como era de esperar, la resistencia de la unión aumenta con el incremento del ancho del rigidizador tanto para los cálculos tradicionales como para el análisis de IDEA StatiCa. La resistencia de IDEA StatiCa es mayor que la resistencia obtenida por los cálculos tradicionales. Como antes, el uso de una sección transversal efectiva en los cálculos tradicionales que solo incluye un ancho de 25t_w del alma es parte de la razón de la diferencia. También se espera que el uso de una malla más refinada en IDEA StatiCa reduzca la diferencia de resistencia.

Figura 5 Resistencia frente al ancho del rigidizador para la unión de viga de transferencia (rigidizador de apoyo sometido a fuerza compresiva concentrada única)

Efecto de la longitud de soldadura

En los cálculos tradicionales, la soldadura entre el rigidizador y el alma de la viga se dimensiona para una resistencia requerida igual a la diferencia entre la carga aplicada y el menor de los valores de resistencia disponible para los estados límite de plastificación local del alma y abolladura local del alma (calculados asumiendo que el rigidizador no está presente).

Para evaluar el efecto de la longitud de soldadura a lo largo del alma de la viga, se sueldan rigidizadores de 5-1/2 in. de ancho y 3/4 in. de espesor a las alas superior e inferior mediante soldaduras en ángulo dobles de 1/4 in. Los rigidizadores se sueldan al alma mediante soldaduras en ángulo dobles intermitentes de 1/4 in. La longitud total de soldadura es la longitud de soldadura combinada entre el alma y los rigidizadores para cada lado de cada rigidizador (es decir, 4 veces la longitud de la soldadura en un lado de un rigidizador). Una soldadura continua tendría una longitud total de 138 in. Las uniones descritas anteriormente para evaluar el efecto del espesor y el ancho del rigidizador tenían una longitud total de 100 in.

Se ensayaron once longitudes totales de soldadura que van desde 20 in. hasta 100 in., con incrementos de 8 in. Se utilizaron soldaduras intermitentes con 4 longitudes de soldadura igualmente espaciadas en cada lado de cada rigidizador. La soldadura comenzaba y terminaba a 2 in. de las esquinas achaflanadas del rigidizador. En la Figura 6 se presenta una comparación de la resistencia frente a la longitud de soldadura.

La resistencia de IDEA StatiCa es mayor que la de los cálculos tradicionales, como se observó anteriormente en las Figuras 3 y 5. A medida que la longitud total de soldadura disminuye y la resistencia de la soldadura es determinante tanto para IDEA StatiCa como para los cálculos tradicionales, los resultados de resistencia se aproximan. Se esperan algunas diferencias en la resistencia ya que, en los cálculos tradicionales, la resistencia requerida para la soldadura es igual a la diferencia entre la fuerza aplicada y el menor de los valores de resistencia disponible para los estados límite de plastificación local del alma y abolladura local del alma. Investigaciones previas han demostrado que la resistencia de IDEA StatiCa para la plastificación local del alma y la abolladura local del alma puede ser mayor que la de los cálculos tradicionales, pero generalmente consistente con resultados de simulaciones avanzadas por elementos finitos.

Figura 6 Resistencia frente a la longitud de soldadura para la unión de viga de transferencia (rigidizador de apoyo sometido a fuerza compresiva concentrada única)

Efecto del momento aplicado

Las uniones en todos los análisis anteriores se cargaron en IDEA StatiCa de manera que no había momento en la viga en el eje del pilar. La magnitud del momento en la ubicación de una carga puntual en una viga de transferencia dependerá de factores como el vano de la viga y las condiciones de apoyo. La magnitud del momento en la viga no afecta a los cálculos tradicionales, pero puede afectar a los resultados de IDEA StatiCa. Para investigar el efecto del momento aplicado sobre la resistencia, se realizaron análisis con momento aplicado. La magnitud del momento, normalizada como M/ϕM_p, (donde ϕ = 0,9 y M_p es el momento plástico, ϕM_p = 2.242 kip-ft para la viga W40x149) se varió entre 0,0 y 1,0 en incrementos de 0,1. Solo se aplicó momento flector positivo (es decir, momento que induce compresión longitudinal en el ala superior). Se investigaron uniones con rigidizadores a toda la profundidad con un ancho de 5 in. y espesores de 0,5 in. y 0,75 in., y los resultados se presentan en la Figura 7.

La resistencia de IDEA StatiCa es prácticamente constante para momentos aplicados de hasta aproximadamente el 70% de ϕM_p, por encima del cual se observó una disminución gradual de la resistencia. Aunque el momento aplicado tiene poco impacto en la resistencia para este caso, otras uniones y configuraciones de carga pueden comportarse de manera diferente. En general, todas las cargas aplicadas a una unión deben considerarse en el modelo de IDEA StatiCa.

Figura 7 Resistencia frente al momento aplicado para la unión de viga de transferencia (rigidizador de apoyo sometido a fuerza compresiva concentrada única,  ϕM_p = 2.242 kip-ft)

Rigidizadores de apoyo en uniones a momento viga-pilar

Las fuerzas dobles concentradas surgen en las uniones viga-pilar donde el momento en la viga aplica un par de fuerzas al ala del pilar. Los pilares sometidos a una fuerza doble concentrada frecuentemente requieren rigidizadores que también se denominan placas de continuidad. Este estudio investiga el caso de una unión a momento viga-pilar de un solo lado y específicamente la variación de la resistencia con el espesor de la placa rigidizadora.

La configuración de la unión en esta comparación coincide con la de los Ejemplos 6-1 a 6-3 de la Guía de Diseño 13 de AISC (Carter 1999). La viga es una W18x50 y el pilar es un W14x53, ambos conformes con ASTM A992 (F_y = 50 ksi y F_u = 65 ksi). En las uniones a momento, frecuentemente se necesita una placa de doblado del alma para lograr una resistencia suficiente al cortante en la zona del panel del alma. Sin embargo, en este ejemplo, para eliminar la necesidad de una placa de doblado y centrar la investigación en la placa rigidizadora (de continuidad), el espesor del alma del pilar W14x53 se modificó a 9/16 in. Además, se empleó una unión simplificada entre la viga y el pilar, en la que las alas de la viga se sueldan al ala del pilar mediante soldaduras de penetración completa, y el alma de la viga se conecta al ala del pilar mediante una placa de un solo lado (ASTM A572 Gr 50) soldada al alma de la viga y al ala del pilar mediante soldaduras en ángulo de 1/2 in.

Los rigidizadores son placas de 3 in. x 10,5 in. con chaflanes de 3/4 in. en las esquinas y cumplen con ASTM A36 (F_y = 36 ksi y F_u = 58 ksi). Los rigidizadores se sueldan al alma del pilar y al ala del lado de la viga mediante soldaduras en ángulo dobles de tamaño 1/4 in. y 1/2 in., respectivamente. En la Figura 8 se presenta una vista tridimensional de la unión.

Figura 8 Vista tridimensional de la unión a momento de un solo lado

En este ejemplo, se examinan 14 espesores de rigidizador que van desde 3/16 in. hasta 1 in. Los rigidizadores con espesores de 3/16 in. y 1/4 in. no cumplen los requisitos dimensionales de la Sección J10.8 de la Especificación AISC, específicamente que el espesor del rigidizador no será inferior a la mitad del espesor del ala de la viga, pero se incluyeron en las investigaciones para comparación. Se aplicó una carga axial de compresión de 300 kips al pilar (P/A_gF_y = 0,48), y se determinó el momento aplicado máximo permitido. En la Figura 9 se presenta un gráfico del momento aplicado máximo permitido (es decir, la resistencia) frente al espesor del rigidizador. Las anotaciones en la Figura 9 identifican el límite determinante para cada caso. En los cálculos tradicionales, se utilizaron las ecuaciones de resistencia de la zona del panel para "cuando el efecto de la deformación inelástica de la zona del panel sobre la estabilidad del pórtico no se tiene en cuenta en el análisis".

Donde la resistencia al cortante de la zona del panel es determinante, las resistencias de los cálculos tradicionales y las de IDEA StatiCa son similares. Para los rigidizadores más delgados, donde la plastificación de los rigidizadores es determinante, la resistencia de IDEA StatiCa es mayor que la de los cálculos tradicionales, mostrando IDEA StatiCa solo reducciones menores de resistencia y los cálculos tradicionales mostrando mayores reducciones de resistencia a medida que disminuye el espesor del rigidizador.

Figura 9 Resistencia frente al espesor del rigidizador para la unión a momento de un solo lado

Comparación con resultados experimentales

Las comparaciones presentadas en este estudio han demostrado que la resistencia de las uniones con rigidizadores de apoyo según IDEA StatiCa frecuentemente supera la de los cálculos tradicionales. Las diferencias pueden explicarse, en parte, por el conservadurismo de las disposiciones de la Especificación AISC (por ejemplo, el uso de una sección transversal efectiva con solo un ancho de 25t_w del alma incluido). Para ampliar la investigación, esta sección incluye comparaciones con resultados experimentales publicados anteriormente.

Para estas comparaciones, las dimensiones y la tensión de fluencia del material se tomaron tal como fueron medidas y reportadas por los experimentadores, y no se aplicaron factores de resistencia. Para IDEA StatiCa, los factores de resistencia para el material y las soldaduras se establecieron en 1,0 en la configuración del código.

Rigidizadores en compresión – Bougoffa et al. 2021 y 2022

Bougoffa et al. (2021) investigaron la resistencia de los rigidizadores en la zona de compresión de las uniones viga-pilar. Se ensayaron ocho especímenes sin rigidizadores y dieciséis con rigidizadores transversales bajo carga de parche aplicada mediante placas en ambos lados que abarcaban todo el ancho de las alas. En la Figura 10 se presenta un esquema de la configuración de ensayo.

Figura 10 Panel de alma bajo carga de parche opuesta (Bougoffa et al. 2021)

De los dieciséis especímenes rigidizados ensayados, cuatro no estaban rigidizados (denominados grupo US), cuatro eran de doble cara a toda la profundidad (DFS), dos eran de una cara a toda la profundidad (SFS), dos eran de profundidad parcial de una cara (PTSE), dos eran de una cara parcialmente rigidizados en la parte central del alma (PTSC), y dos eran de una cara parcialmente rigidizados con un rigidizador de menos de media profundidad en cada ala. Los especímenes de tipo DFS, SFS y PTSE fueron seleccionados para la comparación con el análisis de IDEA StatiCa, ya que estas disposiciones tienen rigidizadores de apoyo representativos de los utilizados habitualmente en la práctica. Los resultados de la comparación se presentan en la Tabla 1 y la Figura 11.

Tabla 1 Comparación con la investigación experimental de Bougoffa et al. (2021)

Figura 11 Comparación con la investigación experimental de Bougoffa et al. (2021)

El análisis de IDEA StatiCa es conservador en comparación con los resultados experimentales. La deformación plástica en el alma de la viga fue determinante para la mayoría de los especímenes. El límite de la relación de pandeo fue determinante para los especímenes DFS.2 y DFS.4. Se observó pandeo del rigidizador en la investigación experimental para los especímenes de tipo DFS. En la Figura 12 se presenta una comparación entre la forma pandeada de IDEA StatiCa para DFS.1 y la del espécimen físico.

Figura 12 Formas pandeadas del espécimen DFS.1 (Bougoffa et al., 2021)

Bougoffa et al. (2022) realizaron experimentos adicionales sobre secciones en forma de I sin rigidizar y rigidizadas bajo doble compresión. Se realizaron ensayos sobre paneles de una sección en forma de I soldada con 3 configuraciones de rigidización: panel sin rigidizar (P0S 508 y P0S 370), panel con rigidizador intermedio (PMS 508 y PMS 370), y panel con rigidizador de borde (PES 508 y PES 370). Los especímenes con 508 en su nombre tenían una altura de alma de 488 mm. Los especímenes con 370 en su nombre tenían una altura de alma de 349 mm. Para todos los especímenes, el espesor del alma era de 6 mm, el ancho del ala era de 200 mm y el espesor del ala era de 10 mm. Las dimensiones adicionales y las configuraciones de carga de los especímenes se presentan en la Figura 13.

Figura 13 Configuración de carga, dimensiones en mm (Bougoffa et al., 2022)

Se reportó la carga máxima media para 4 ensayos de cada configuración. Los valores medios se compararon con los análisis en IDEA StatiCa. Las propiedades del material medidas no se reportaron en el artículo original, sino que se obtuvieron del autor correspondiente (Bouchair 2023). Las alas de la viga y los rigidizadores tenían una tensión de fluencia de 51,9 ksi, y las almas tenían una tensión de fluencia de 52,2 ksi. Para el modelo de IDEA StatiCa, se utilizó la tensión de fluencia del alma de 52,2 ksi tanto para el alma como para el ala de la sección en I. Los resultados de la comparación se presentan en la Tabla 2 y la Figura 14.

El límite de deformación plástica del 5% fue determinante para el espécimen PMS 370, y el límite de relación de pandeo de 3,0 fue determinante para todos los demás especímenes. La resistencia de IDEA StatiCa es mayor que la de la Especificación AISC para 4 de los 6 especímenes, pero menor que la del experimento en los 6 casos.

Tabla 2 Comparación con la investigación experimental de Bougoffa et al. (2022)

Figura 14 Comparación con la investigación experimental de Bougoffa et al. (2022)

Rigidizadores de profundidad parcial – Salkar et al. 2015

Salkar et al. (2015) realizaron ensayos sobre 27 especímenes divididos en 3 grupos; sin embargo, las propiedades del material medidas (por ejemplo, la tensión de fluencia) solo se reportaron para los 17 especímenes del grupo 3. De los especímenes del grupo 3, 5 se cargaron mediante una placa de parche, 11 se cargaron mediante un rodillo, y 1 se cargó con una sección en I apoyada sobre el ala superior. Los experimentos también son descritos por Salkar (1992).

La viga para todos los especímenes era una W16x26 cargada en flexión en tres puntos. Se aplicaron cortante y momento a la viga en IDEA StatiCa para replicar el diagrama de momentos del experimento. El rodillo se modeló en IDEA StatiCa como una placa rectangular de 1/2 in. de ancho. Los rigidizadores en el centro del vano, que se extienden la mitad o tres cuartas partes del canto de la viga, se soldaron al alma de la viga y al ala superior mediante soldaduras de 1/4 in. En IDEA StatiCa, además de la soldadura, se definió una operación de contacto entre el rigidizador y el ala superior de la viga. La configuración de ensayo con placa de parche y los detalles de los ensayos del grupo 3, tal como los presentan Salkar et al. (2015), se reproducen en la Figura 15 y la Tabla 3, respectivamente. Los rigidizadores en los apoyos se modelaron con un espesor supuesto de 1/4 in.

Figura 15 Configuraciones de carga con rodillo y placa de parche, Salkar et al. (2015)

Tabla 3 Detalles de los ensayos del grupo 3, Salkar et al. (2015)

Las configuraciones de los especímenes de ensayo y las tensiones de fluencia correspondientes mostradas en la Tabla 3 se modelaron en IDEA StatiCa. Los resultados de la comparación se presentan en la Tabla 4 y la Figura 16. El límite de la relación de pandeo fue determinante para los especímenes cargados con la placa de parche o la sección en I (en la Figura 17 se presenta una comparación de las formas pandeadas para el espécimen 9), mientras que la deformación plástica en el alma de la viga fue determinante para todos menos uno de los especímenes cargados con un rodillo. En promedio, la resistencia de los resultados de IDEA StatiCa es un 5% inferior a la resistencia experimental.

Tabla 4 Comparación con la investigación experimental de Salkar et al. (2015)

Figura 16 Comparación con la investigación experimental de Salkar et al. (2015)

Figura 17 Formas pandeadas del espécimen 9 (Salkar et al., 2015)

Rigidizadores excéntricos – Graham et al. 1959

Graham et al. (1959) investigaron el efecto de la excentricidad del rigidizador. Se realizaron ensayos sobre muñones de pilares 12WF40 y 14WF61, con los especímenes comprimidos transversalmente al eje longitudinal entre barras hasta el fallo. Se evaluó el efecto de rigidizadores con excentricidades de 0, 2, 4 y 6 in. El estudio mostró una disminución en la eficacia del rigidizador para excentricidades superiores a 2 in. y concluye: "Para fines de diseño, probablemente sería aconsejable ignorar la resistencia de los rigidizadores con excentricidades superiores a 2 in.". Esta recomendación fue incorporada en la Guía de Diseño 13 de AISC (Carter 1999).   

Los especímenes de ensayo del estudio, mostrados en la Tabla 5, se modelaron en IDEA StatiCa y los resultados se compararon con los del estudio. El modelo de IDEA StatiCa reproduce la configuración de ensayo, con un elemento de ala ancha comprimido entre dos barras de 3/4 in. x 7/16 in. x 7 in. El elemento de ala ancha cumple con ASTM A36, pero las propiedades del material medidas no se reportaron, por lo que se utilizaron los valores nominales de F_y = 36 ksi y F_u = 58 ksi en el análisis. Las barras se modelaron con F_y = 100 ksi y F_u = 110 ksi para aislar los estados límite determinantes a los asociados con el espécimen de ensayo. El rigidizador abarca toda la profundidad del alma, tiene dimensiones de 1/4 in. x 3-3/4 in. y cumple con ASTM A36. El rigidizador se soldó a las alas y al alma mediante soldaduras de penetración completa en IDEA StatiCa para eliminar cualquier modo de fallo asociado con las soldaduras. En la Figura 18 se presenta una vista tridimensional del espécimen 12WF40 con una excentricidad del rigidizador de 2 in.

Tabla 5 Programa de ensayos con rigidizadores excéntricos, Graham et al., 1959

Figura 18 Vista tridimensional del espécimen 12WF40 modelado en IDEA StatiCa (excentricidad del rigidizador = 2 in.)

La relación entre la resistencia y la excentricidad del rigidizador se presenta para los especímenes 12WF40 y 14WF61 en las Figuras 19 y 20, respectivamente. Dado que no se reportaron las propiedades del material medidas, no es posible una comparación directa de valores entre los resultados experimentales y los resultados de IDEA StatiCa. Sin embargo, las tendencias de los análisis de IDEA StatiCa son similares a las de los resultados experimentales. Como era de esperar, la unión es más resistente con un rigidizador concéntrico y la resistencia disminuye con el aumento de la excentricidad.

Figura 19 Resistencia frente a la excentricidad del rigidizador (12WF40)

Figura 20 Resistencia frente a la excentricidad del rigidizador (14WF61)

Rigidizadores excéntricos – Alvarez Rodilla y Kowalkowski 2021

Alvarez Rodilla y Kowalkowski (2021) también investigaron el efecto de la excentricidad del rigidizador. Realizaron ensayos sobre segmentos de pilares con fuerzas en el ala. Los ensayos se realizaron bajo tres condiciones de carga: compresión simple (con pilares W16x31, W12x26, W10x39 y W10x19), doble compresión (con pilares W16x31, W12x26 y W10x19) y tracción simple. Para cada condición de carga y tamaño de pilar, se ensayaron cuatro especímenes: 1) sin rigidizadores, 2) con rigidizadores concéntricos (sin excentricidad), 3) con rigidizadores a una excentricidad menor (2 in. o 3 in.), y 4) con rigidizadores a una excentricidad mayor (4 in. o 6 in.). Los especímenes de tracción simple no se investigan en este estudio dado que el enfoque del estudio es sobre fuerzas de compresión y que la resistencia de muchos de los especímenes de tracción simple no se alcanzó debido a las limitaciones del equipo de ensayo. El espécimen W12×26 DC-E0 también fue excluido de este estudio ya que su resistencia experimental no se alcanzó debido a las limitaciones del equipo de ensayo.

Los especímenes de pilar tenían 6 ft de longitud y fueron fabricados con acero ASTM A992 (la tensión de fluencia medida se indica en la Tabla 6).

Tabla 6 Tensión de fluencia medida de perfiles de ala ancha, Alvarez Rodilla y Kowalkowski (2021)

Para los especímenes de pilar W10×39, W12×26 y W16×31, los rigidizadores tenían 3/8 in. de espesor y se soldaron con soldaduras en ángulo de 1/4 in. Para los especímenes de pilar W10×19, los rigidizadores tenían 1/4 in. de espesor y se soldaron con soldaduras en ángulo de 3/16 in. Para la mayoría de los especímenes, los rigidizadores se instalaron en ambos lados del alma; sin embargo, para los ensayos de doble compresión con un pilar W16X31, los rigidizadores se instalaron en un solo lado del alma. Las placas rigidizadoras se fabricaron con acero A36 o acero de doble certificación A36 y A572 Gr. 50. No se reportaron propiedades del material medidas específicas de la placa, se utilizó F_y = 50 ksi para los cálculos y análisis de este estudio. Los rigidizadores eran de profundidad completa, se extendían hasta los extremos del ala y tenían chaflanes de 1/2 in. en las esquinas.

Los especímenes de compresión simple estaban simplemente apoyados con un vano de 5 ft. Se aplicaron cortante y momento a la viga en IDEA StatiCa para replicar el diagrama de momentos del experimento. En la Figura 18 se presenta una vista tridimensional del espécimen W12×26 SC-E4.

Figura 21 Vista tridimensional del espécimen W12×26 SC-E4 modelado en IDEA StatiCa.

Los especímenes de doble compresión se ensayaron en el mismo bastidor de carga que los especímenes de compresión simple, pero con la adición de una placa de reacción en la parte inferior para producir la fuerza de doble compresión. Sin embargo, los apoyos en los extremos del espécimen seguían en su lugar y resistían una porción no cuantificada de la carga aplicada. Para este estudio se asumió que los apoyos en los extremos no estaban en su lugar.

En las Tablas 7 y 8 se muestra una comparación entre las resistencias experimentales, las de la Especificación AISC y las de IDEA StatiCa para los especímenes de compresión simple y doble, respectivamente. La Especificación AISC no proporciona ecuaciones de resistencia para rigidizadores excéntricos, por lo que la resistencia según la Especificación AISC para los especímenes con rigidizadores excéntricos se indica como "N/A". Los resultados de resistencia también se presentan en las Figuras 22 y 23.

En general, la resistencia de la unión es mayor con un rigidizador concéntrico y disminuye a medida que aumenta la excentricidad. Esta tendencia se observa experimentalmente y con los resultados de IDEA StatiCa. La resistencia de IDEA StatiCa es inferior a la resistencia experimental para todos los especímenes. Estos resultados indican que, si bien el beneficio de resistencia de los rigidizadores excéntricos es pequeño en comparación con el de los rigidizadores concéntricos, IDEA StatiCa proporciona un medio para considerar de forma segura la contribución de los rigidizadores excéntricos en el diseño.

Tabla 7 Capacidades teóricas de compresión simple y resultados de ensayos, Alvarez Rodilla y Kowalkowski., 2021.

Tabla 8 Capacidades teóricas de doble compresión y resultados de ensayos, Alvarez Rodilla y Kowalkowski., 2021.

 Figura 22 Comparación con la investigación experimental de compresión simple de Alvarez Rodilla y Kowalkowski (2021)

Figura 23 Comparación con la investigación experimental de doble compresión de Alvarez Rodilla y Kowalkowski (2021)

Resumen

Este estudio comparó el diseño y la evaluación de rigidizadores de apoyo en uniones de acero estructural mediante los métodos de cálculo tradicionales utilizados en la práctica estadounidense e IDEA StatiCa. Las observaciones clave del estudio incluyen:

• Se encontró en varios casos que la resistencia de las uniones con rigidizadores de apoyo en IDEA StatiCa era mayor que la resistencia obtenida por los cálculos tradicionales.
• Las diferencias se deben, en parte, al conservadurismo de las disposiciones de la Especificación AISC, especialmente en las dimensiones de la sección cruciforme efectiva.
• En comparación con una serie de experimentos físicos, se encontró que las resistencias de IDEA StatiCa eran generalmente conservadoras con respecto a las resistencias medidas, con solo 5 de los 58 especímenes examinados en los que la resistencia de IDEA StatiCa superó la resistencia experimental y en un máximo del 13%.
• Los resultados en IDEA StatiCa son sensibles al refinamiento de la malla, con mallas más refinadas que producen resistencias menores.
• IDEA StatiCa permite la consideración explícita de casos como rigidizadores de profundidad parcial y rigidizadores excéntricos, para los cuales la Especificación AISC proporciona poca orientación.

Referencias

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Alvarez Rodilla, J., and Kowalkowski, K. (2021). "Determination of Capacities of Eccentric Stiffeners Part 1: Experimental Studies." Engineering Journal, AISC, Second Quarter, 58, 79–98.

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