Importancia del uso de las conexiones pre-calificadas en edificios de acero

21 julio 2020

Los marcos resistentes a momento son quizá los sistemas resistentes a cargas laterales más utilizados a nivel mundial, debido a su gran capacidad de deformación, así como a la versatilidad arquitectónica que poseen. Por ello, estos sistemas han sido estudiados ampliamente en las últimas décadas. Su historia se remonta a los años 80 del siglo XIX en las ciudades de Chicago y New York donde el boom de la construcción en gran altura los popularizo. Los primeros criterios de diseño fueron enfocados hacia la resistencia de cargas de tipo gravitacional. A partir del año 1906 se incluyó en el código de construcción de San Francisco (California) requerimientos para cargas de viento. Sin embargo, se tuvo q esperar hasta el año de 1948 para que existan requisitos de diseño sismorresistente en los códigos de construcción. Tradicionalmente se pensaba que los marcos de acero eran dúctiles por naturaleza hasta la ocurrencia de dos eventos sísmicos bien recordados, el sismo de 1994 en Northridge (Los Ángeles, California) y el sismo de 1995 en Hyogo-ken Nanbu (Kobe, Japon). El desempeño de los edificios de acero ante estos sismos no fue el esperado ya que se observaron fallas de tipo frágil en las conexiones.

A partir de entonces se llevaron a cabo varios programas experimentales para comprender la razón de las fallas frágiles en las conexiones y proponer mejoras en las mismas, orientadas a alcanzar un desempeño dúctil.

Estos proyectos de investigación conllevaron al desarrollo de recomendaciones de diseño para edificios de acero como la guía de FEMA-350 (Recomendaciones de Diseño Sísmico para Marcos de Acero en Edificios Nuevos) culminando en los estándares de diseño sismorresistentes en acero conocidos mundialmente AISC 341 (Normas de Diseño Sísmico en Acero) y AISC 358 (Conexiones Pre-Calificadas para Marcos Especiales e Intermedios en Zonas Sísmicas). Debido a su importancia en el desempeño de edificios de acero, en los próximos párrafos de este artículo se detalla la filosofía de diseño sismorresistente y se describe las principales conexiones pre-calificadas usadas ampliamente en la industria de la construcción. Un marco resistente a momento típico consiste en un arreglo de elementos tipo viga y columnas rígidamente conectados entre sí. La resistencia lateral de este sistema proviene principalmente de la acción de marco rígido, es decir, por la capacidad de permitir el desarrollo de momentos flexionantes y fuerzas de corte en los elementos, así como en las conexiones. Lo cual implica que un marco de momento no se puede desplazar lateralmente sin flexión de las vigas y columnas que la conforman. La filosofía de diseño sismorresistente permite la reducción de las fuerzas sísmicas de diseño a cambio de aceptar la incursión inelástica del sistema estructural. Lo que implica que el edificio debe ser capaz de desarrollar importantes niveles de ductilidad aceptando cierto daño en los elementos estructurales. Para alcanzar un comportamiento dúctil, se requiere diseñar el edificio de manera que se concentren la fluencia en rotulas plásticas ubicadas en los extremos de las vigas, evitando plastificación de las columnas (que podría conllevar a un piso blando). De esta manera se puede desarrollar la plasticidad en zonas específicas del edificio de manera estable sin riesgo de colapso estructural. Para cumplir con la filosofía de diseño se debe detallar las conexiones de manera que satisfaga las demandas de ductilidad requeridas. Posterior al sismo de Northridge se estableció que las conexiones deben tener una capacidad de rotación de al menos 0.04 radianes y que ha ese nivel de rotación la capacidad a flexión sea de al menos el 80% del momento plástico de la viga que concurre a la unión. El estándar AISC 358 detalla varias conexiones que han sido probadas experimentalmente que satisfacen los requisitos antes mencionados. En la Figura 1 se ilustran los detalles de estas conexiones. [caption id="attachment_27698" align="aligncenter" width="750"]

Figura 1: Conexiones Precalificadas | A) RBS; B) BUEPP; C) BFP; D) WUF-W; E) KBB[/caption]

La primera conexión es la denominada viga de sección reducida (RBS) que consiste en disminuir una fracción del área de los patines de las vigas con el propósito de concentrar la fluencia en esa zona.
La segunda conexión es empernada con una placa base para la viga (BUEEP).
La tercera consiste en empernar los patines de la conexión a una placa que se suelda al patín de la columna.
La cuarta conexión es la denominada WUF-W conexión a momento, que consiste en soldar el patín (no reforzado) de la viga a la columna.
Y finalmente, AISC 358 detalla el diseño de la conexión empernada denominada Kaiser Bolted Bracket (KBB).

Las conexiones antes descritas garantizan una capacidad de rotación de al menos 0.04 radianes con una resistencia superior al 80% del momento plástico de la viga a ese nivel de rotación. Por tanto, en el diseño de edificios de acero se debe poner especial atención al uso de conexiones precalificadas, especialmente en un país como el Ecuador, que está localizado en una zona de alta amenaza sísmica. En caso de que el diseñador optara por usar una conexión que no sea precalificada por AISC 358, debe demostrar que reúne los mismos requisitos de resistencia y ductilidad que las conexiones precalificadas.