Uniones de Acero Precalificadas (AISC) - Resumen, Conclusiones y Recomendaciones

La serie de ejemplos de verificación fue preparada en un proyecto conjunto entre Ohio State University e IDEA StatiCa. Los autores se enumeran a continuación:

• Baris Kasapoglu, estudiante de doctorado
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Unión de momento con sección de viga reducida (RBS)

Se eligió una unión de momento RBS ensayada de un estudio experimental (Uang et al., 2000) y se crearon cinco variaciones adicionales. Las capacidades de resistencia a momento de seis especímenes con modos de fallo fueron estimadas siguiendo el procedimiento AISC y usando IDEA StatiCa. Las diferencias entre las capacidades calculadas (1 - capacidad de momento por IDEA StatiCa/capacidad de momento calculada por el procedimiento AISC) varían de -3% a +7%, mientras que la diferencia promedio es aproximadamente del 4% (Tabla 6.1). Además, la relación momento-rotación calculada por IDEA StatiCa mediante análisis de rigidez fue comparada con la proporcionada en el informe de ensayo (Figura 6.1). Se puede observar que IDEA StatiCa es capaz de identificar el modo de fallo, calcular la capacidad de resistencia a momento y la curva momento-rotación de las uniones de momento RBS.

Tabla 6.1: Resistencia a momento flector de las uniones de momento RBS calculada por IDEA StatiCa y el procedimiento AISC (respecto a la cara del pilar)

Figura 6.1: Comparación de la rotación plástica de momento (respecto al eje del pilar) de la unión de momento RBS (modelo base)

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Unión de momento con placa de testa (EPM)

Seis uniones EPM ensayadas fueron evaluadas siguiendo el procedimiento de diseño AISC y usando IDEA StatiCa. Sus capacidades de momento y modos de fallo fueron calculados y comparados con las observaciones del experimento (Sumner et al., 2000). Las diferencias entre los resultados varían de -7% a +11%, mientras que la diferencia promedio es aproximadamente del 2% (Tabla 6.2). Cabe señalar que la fluencia de la placa de testa es el estado límite determinante para la variación 3, donde se calcula una diferencia del 11%, mientras que la resistencia insuficiente de la soldadura entre la placa de testa y el alma de la viga es el modo de fallo observado en el análisis de IDEA StatiCa. Cuando la soldadura alcanza su límite de resistencia, se calcula un 1,9% de deformación plástica en la placa de testa, que es inferior al límite del 5% de deformación plástica para placas. A partir de este ejemplo, se puede interpretar que el procedimiento descrito en AISC 358 para el estado límite de fluencia de la placa de testa proporciona un resultado más conservador que IDEA StatiCa. Para el modelo base, la curva momento-rotación obtenida con IDEA StatiCa fue comparada con la medida experimentalmente. IDEA StatiCa demuestra su capacidad para estimar la capacidad de rotura de los pernos, incluyendo los efectos de la fuerza de palanca sobre la capacidad resistente de los pernos y la contribución del rigidizador de la placa de testa en la resistencia a flexión de los especímenes EPM. La diferencia entre las pendientes tras la fluencia y la brecha entre los valores de momento pico alcanzados pueden atribuirse, respectivamente, a la degradación de rigidez que experimentó el espécimen de ensayo y al modelo de material bilineal utilizado por IDEA StatiCa.

Figura 6.2: Comparación de la rotación plástica de momento (respecto al eje del pilar) de la unión EPM (modelo base)

Tabla 6.2: Resistencia a momento flector de las uniones EPM calculada por IDEA StatiCa y el procedimiento AISC (respecto a la cara del pilar)

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Unión de momento con ala soldada no reforzada y alma soldada (WUF-W) 

Las capacidades de momento y los modos de fallo de seis especímenes WUF-W ensayados fueron calculados usando IDEA StatiCa y siguiendo el procedimiento de diseño AISC, y las observaciones fueron comparadas con los resultados de los ensayos realizados por Ricles et al. (2000). Los modos de fallo obtenidos de tres fuentes son similares en todas las uniones, mientras que las capacidades de momento calculadas con IDEA StatiCa son aproximadamente un 8% mayores que las obtenidas del procedimiento de diseño AISC, excepto para el modelo base (Tabla 6.3). La razón por la que IDEA StatiCa calcula mayores capacidades de momento que el procedimiento AISC para las variaciones puede estar asociada con la suposición de la ubicación de la rótula plástica. Se recomienda tomarla en la cara del pilar según AISC 358 para las uniones de momento WUF-W, lo que conduce a un momento adicional menor debido a la fuerza cortante en la ubicación de la rótula plástica en comparación con el caso en que ocurre a una distancia de la cara del pilar. Para el modelo base, el análisis de IDEA StatiCa muestra que el espécimen alcanza su capacidad cuando falla la soldadura entre la cara del pilar y la placa de alma. De manera similar, los cálculos manuales realizados siguiendo el procedimiento de diseño AISC indican que la soldadura no satisface el límite de resistencia requerido. Sin embargo, no existe ningún procedimiento descrito por AISC para calcular la capacidad de momento de este tipo de uniones controladas por la soldadura entre el pilar y la viga o la placa de alma. Cabe señalar que la capacidad de momento calculada siguiendo el procedimiento AISC se basa en la resistencia a momento plástico de la viga, aunque AISC no permite diseñar esta unión ya que no se satisface el requisito de resistencia de la soldadura. En general, la diferencia promedio entre las capacidades de momento calculadas por IDEA StatiCa y el procedimiento AISC es aproximadamente del 5%. Además, se realizó un análisis de rotación de momento usando IDEA StatiCa y ABAQUS para el modelo base y se compararon los resultados. La curva de rotación plástica de momento calculada por IDEA StatiCa fue comparada con la medida proporcionada por los investigadores del ensayo (Figura 6.3). La diferencia entre las pendientes de las curvas puede atribuirse a la degradación de rigidez que experimentó el espécimen ensayado durante la carga cíclica. Otro comentario que puede hacerse es que, dado que IDEA StatiCa emplea un modelo de material bilineal, el comportamiento de endurecimiento por deformación no pudo capturarse completamente.

Tabla 6.3: Resistencia a momento flector de las uniones de momento WUF-W calculada por IDEA StatiCa y el procedimiento AISC (respecto a la cara del pilar)

Figura 6.3: Comparación de la rotación plástica de momento (respecto al eje del pilar) de la unión de momento WUF-W (modelo base)

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Unión de momento con ala soldada no reforzada y alma atornillada (WUF-B)

El comportamiento a flexión de cinco especímenes WUF-B ensayados (Lee et al., 1999) fue investigado con un total de ocho modelos usando dos tipos diferentes de pernos: 1) fricción, 2) aplastamiento. Las capacidades de momento flector de los especímenes fueron calculadas usando IDEA StatiCa y siguiendo el procedimiento de diseño AISC y comparadas (Tabla 6.4). Dado que los pernos de deslizamiento crítico pueden diseñarse como pernos de aplastamiento pretensados si el coeficiente de deslizamiento de la superficie de contacto es mayor o igual a 0,30 según AISC 341 (2016), los especímenes que contienen pernos de deslizamiento crítico (p. ej., baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) pueden ignorarse en la comparación de resistencia a momento de IDEA StatiCa y el procedimiento AISC. Para el resto de las uniones, las diferencias entre las capacidades de momento calculadas por IDEA StatiCa y AISC varían de -18% a -6%, mientras que la diferencia promedio es aproximadamente del 13%. La razón por la que IDEA StatiCa calcula una resistencia a momento más conservadora que el procedimiento AISC puede estar asociada con la débil adherencia entre el alma de la viga y el ala del pilar. Se puede realizar un examen adicional reemplazando la placa de alma por una soldadura a tope a lo largo del alma de la viga y obtener una mejora significativa en la capacidad de momento siguiendo el mismo procedimiento en IDEA StatiCa.

Para el modelo base, la rotación plástica de momento fue obtenida del análisis de IDEA StatiCa y comparada con la medida experimentalmente (Figura 6.4). Cabe señalar que los pernos de fricción (deslizamiento crítico) se utilizan para el análisis de rotación de momento, mientras que los pernos de aplastamiento se utilizan para el análisis de capacidad de momento. La diferencia entre las curvas puede estar asociada con el proceso de extracción de datos. Dado que la curva momento-rotación medida fue extraída de la figura proporcionada en el informe de ensayo, son inevitables pequeños errores. La diferencia en el comportamiento post-fluencia puede explicarse con el modelo de material bilineal utilizado por el software.

Figura 6.4: Comparación de la rotación plástica de momento (respecto al eje del pilar) de la unión de momento WUF-B (modelo base)

Tabla 6.4: Resistencia a momento flector de las uniones de momento WUF-B calculada por IDEA StatiCa y el procedimiento AISC (respecto a la cara del pilar)

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Unión de momento de doble T

Seis uniones de doble T ensayadas fueron examinadas siguiendo el procedimiento de diseño AISC y usando IDEA StatiCa. Sus capacidades de momento fueron calculadas y los resultados fueron comparados.

Las diferencias entre los resultados varían de -9% a +7%, mientras que la diferencia promedio es aproximadamente del 3% (Tabla 6.5). Además, los modos de fallo fueron estimados de manera razonablemente precisa. El análisis de rotación de momento fue realizado mediante IDEA StatiCa y ABAQUS usando dos tipos diferentes de pernos (p. ej., aplastamiento, fricción), ya que el tipo de perno de control por tracción no está disponible en IDEA StatiCa. Las curvas fueron comparadas con la obtenida experimentalmente por Leon (1999) para el modelo base (Figura 6.5). Se observa que la curva de rotación plástica de momento del espécimen de ensayo cae entre las calculadas a partir de los análisis de IDEA StatiCa para pernos de fricción y aplastamiento, como era de esperar. Adicionalmente, se realizaron las verificaciones de precalificación descritas en AISC 358 para los especímenes. Para el modelo base, se realizó un análisis de diseño por capacidad en IDEA StatiCa y se comparó con el obtenido siguiendo el procedimiento AISC. Se puede concluir que IDEA StatiCa es muy capaz de calcular la capacidad de momento y determinar el modo de fallo de las uniones de momento de doble T. Además, se puede añadir que el análisis de capacidad (p. ej., CD) es capaz de determinar si la unión tiene suficiente capacidad resistente cuando se produce una rótula plástica en ambas vigas, según lo requerido por AISC 358 para uniones sísmicas.

Tabla 6.5: Resistencia a momento flector de las uniones de momento de doble T calculada por IDEA StatiCa y el procedimiento AISC (respecto a la cara del pilar)

Figura 6.5: Comparación de la rotación plástica de momento (respecto al eje del pilar) de la unión de momento de doble T (modelo base)

En general, existe una buena concordancia entre las capacidades de momento y los modos de fallo obtenidos de los ensayos, el análisis de IDEA StatiCa y el procedimiento de diseño AISC. Las recomendaciones para mejorar aún más el software se enumeran a continuación:

• Se puede desarrollar un nuevo tipo de perno para pernos controlados por tracción/pretensados y proporcionarlo a los usuarios, además de los tipos de pernos de aplastamiento y fricción.
• Las fuerzas a aplicar con las opciones "las cargas están en equilibrio" pueden calcularse desde IDEA StatiCa para diferentes longitudes de elemento y condiciones de contorno según las preferencias del usuario. De esta manera, se puede realizar un análisis para la condición deseada sin otro software o cálculo manual adicional. Con la versión actual de IDEA StatiCa (es decir, v22), para calcular la capacidad de momento de los especímenes de ensayo, las fuerzas en la unión fueron calculadas usando SAP2000 representando las condiciones de configuración del ensayo (p. ej., longitudes de elemento, condiciones de contorno), y luego esas fuerzas calculadas fueron aplicadas en IDEA StatiCa usando la opción "las cargas están en equilibrio".
• La carga incremental puede ser aplicada automática y sistemáticamente por IDEA StatiCa y la capacidad de momento puede proporcionarse sin necesidad de ajustar las cargas y volver a ejecutar
• Las verificaciones de precalificación pueden ser realizadas por IDEA StatiCa
• Se puede adaptar al software una herramienta de mallado mejorada
• La representación de la curva momento-rotación puede mejorarse/enriquecerse proporcionando a los usuarios herramientas para ajustar la fuente, el color y el tamaño del gráfico.
• Algunos símbolos deben corregirse/ajustarse para los usuarios americanos (p. ej., θ en lugar de ϕ para la rotación según AISC)

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