comportamiento de vigas y columnas de · pdf filecomportamiento de vigas y columnas de...

Andrés Fernando Guzmán GuerreroIngeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Dr. Ing.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL, UNIVERSIDAD

DEL NORTE

[email protected]

COMPORTAMIENTO DE VIGAS Y COLUMNAS DE LÁMINA

DELGADA

Osvaldo Jose Guzmán AvilaIngeniero Civil, Especialista en Análisis y Diseño de estructuras,

Magíster en Ingeniería Civil.

Gerente, P-DELTA INGENIERÍA ESTRUCTURAL S.A.S

[email protected]

Carlos Alberto Arteta TorrentsIngeniero Civil, Master of Engineering, PhD (c)

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL,

UNIVERSIDAD DEL NORTE

[email protected]

Walter Camilo Tovar CoquiesIngeniero Civil, Especialista en Análisis y Diseño de estructuras,

Estudiante de Magíster en Ingeniería Civil

Gerente, P-DELTA INGENIERÍA ESTRUCTURAL S.A.S

[email protected]

Bogotá, 27 de octubre de 2014

Aula Máxima, Sede Calle 100, UMNG

mailto:[email protected]




1. INTRODUCCIÓN

El uso estructural de perfiles tipo cajón

conformado por secciones “C”, esta siendo

adoptado en muchos países debido a su

resistencia, bajo peso y bajo costo.

Se tienen lineamentos para su diseño en normas

vigentes (AISI-S100, 2012; NSR-10, 2010);

regularmente se asume que la capacidad de una

sección tipo cajón es igual al doble de la

capacidad de un perfil “C” sencillo; no se

consideran factores como la separación del cordón

de soldadura y los esfuerzos residuales producto

del formado.

En este trabajo se estudia el comportamiento de

vigas conformadas por secciones “C” sometidas a

flexión y cortante y el comportamiento de

columnas conformadas por secciones “C” sometidas

a compresión axial.

1. INTRODUCCIÓN

Capítulo 1:

ESTUDIOS DE COMPORTAMIENTO A FLEXIÓN Y

CORTANTE DE SECCIONES TIPO CAJÓN CONFORMADOS

POR SECCIONES “C” DE LÁMINA DELGADA CON

DIFERENTES CONFIGURACIONES DE SOLDADURA

2. ANTECEDENTES

Investigaciones hechas por Wei-Wen Yu, Rasmussen y Hancock (1993), Javarone

(1999), Pircher et al. (2002), Cedeño y Gatica (2005), Herrera y Porras (2006),

Cristopher et al. (2008), NSR-10 (2010), Reyes y Guzman (2011) y AISI-S100

(2012).

Resultados NO concluyentes del comportamiento a flexión y cortante de secciones tipo

cajón conformadas con perfiles “C” de lámina delgada.

3. OBJETIVOS

Determinar la resistencia teórica y experimental en función de la separación y

longitud del cordón de soldadura.

Realizar una modelación numérica para el estudio de la distribución de esfuerzos y

deflexiones.

Evaluar los efectos de la separación del cordón de soldadura en el comportamiento y

resistencia de las secciones.

4. IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION

El reglamento de construcción vigente en Colombia no cuenta con directrices de

diseño, que consideren parámetros importantes como:

i. La separación del cordón de soldadura.

ii. Los esfuerzos residuales producto del formado del perfil.

iii. El fenómeno de post-pandeo, producto de la redistribución de las tensiones después

del pandeo local.

iv. El cambio en las propiedades del material, debido al proceso de soldadura en las

sección.

5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RESISTENCIA DE LOS PERFILES

Se evaluaron 4 grupos de especímenes diferentes:

Soldadura corrida (@0 mm).

Soldadura a cada 450mm (@450 mm).



Platinas rigidizadoras de 1/8 pulg.

Electrodo AWS E-6011, Soldadura de arco eléctrico.

Longitud de cada probeta 2.0 m


Vertical DT at

midspan

Support SP

Horizontal DT to

monitor openingLC

Specimen

SP to monitor

opening

Spherical seat

Loading member with

cylindrical bearing

- LC: load cell - SP: string potentiometer

- DT: displacement transducer -SG: strain gauge

SG (top and bottom)

Figura 1: Montaje tipo utilizado en el

desarrollo de la investigación. (1A:

diseño esquemático; 1B: montaje real del

experimento)

A

B

Transductores de desplazamiento tipo TR 100 usados en los ensayos.


Figura 2: Montaje tipo utilizado en el desarrollo de la investigación. Transductores de desplazamiento.

Galgas de deformación, ubicación en las probetas de ensayos.


Galgas fibra extrema en compresiónGalga fibra extrema en tracciónGalga transversal en zona de compresión

Figura 3: Montaje tipo utilizado en el desarrollo

de la investigación. Galgas extensiométricas

Comportamiento típico de las probetas ensayadas en la etapa experimental.


Figura 4: Ensayo a flexión bajo carga monotónica.

Vigas sin rigidizador transversal en el alma.


07-PAG-220-NR 12-PAG-220-NR 14-PAG-220-NR 21-PAG-220-NR

@ 0.00mm @ 450mm @ 600mm @ 900mm

Figura 5: Tipologías de falla para cada tipo de probeta.

Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental.


0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30

CARGA vs DESPLAZAMIENTOPAG-220x80x20x1.5mm - Soldadura Corrida

Desplazamiento (mm)

Car

ga (k

N)

03-PAG-220-NR

04-PAG-220-NR

05-PAG-220-NR

06-PAG-220-NR

07-PAG-220-NR

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30

CARGA vs DESPLAZAMIENTOPAG-220x80x20x1.5mm - Soldadura @450mm.

Desplazamiento (mm)

Car

ga (k

N)

08-PAG-220-NR

09-PAG-220-NR

10-PAG-220-NR

11-PAG-220-NR

12-PAG-220-NR

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30


Desplazamiento (mm)

Car

ga (k

N)

13-PAG-220-NR

14-PAG-220-NR

15-PAG-220-NR

16-PAG-220-NR

17-PAG-220-NR

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30


Desplazamiento (mm)

Car

ga (k

N)

18-PAG-220-NR

19-PAG-220-NR

20-PAG-220-NR

21-PAG-220-NR

22-PAG-220-NR


0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

Desplazamiento (mm)

Ca

rga

(kN

)

0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

Desplazamiento (mm)

Ca

rga

(kN

)

PAG-220x80x1.5mm NR @000mm

PAG-220x80x1.5mm NR-@450mm



PAG-220x80x1.5mm SR-@000mm






Rigidez Teorica Elastica PAG-1.5mm


0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

Desplazamiento (mm)

Ca

rga

(kN

)

PAG-220x80x1.5mm NR @000mm












Evaluación del comportamiento

real de las probetas: medida

de desplazamientos y

deformaciones en diferentes

puntos de las vigas para cada

incremento de carga.

Figura 6: Curvas de carga versus deformación para los

perfiles PAG.

Nota: NS = Perfil de alma sencilla y SR =

Perfil con rigidizador transversal en el alma.


0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

Desplazamiento (mm)

Ca

rga

(kN

)

1.5 mm NR

1.5 mm SR

2.0 mm SR

6. DETERMINACIÓN ANALÍTICA DE LA RESISTENCIA DEL PERFIL

Se determinó la capacidad máxima de

cada sección utilizando las

recomendaciones descritas en las normas

vigentes (AISI-S100, 2012) (NSR-10).

El modelo analítico a usar según la NSR-

10 para estimar la capacidad a flexión,

es calcular la resistencia de uno de los

perfiles y multiplicarlo por dos para

obtener la resistencia del cajón.

Desarrollo de modelos lineales en los

programas SAP2000 y ANSYS.

Figura 7: Esfuerzos Von Mises [MPa], PAG-220x80x20x1.5mm


0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

CARGA vs DESPLAZAMIENTO

ANALISIS NO LINEAL - ESTIMACION EN OPENSEES

Desplazamiento [mm]

Ca

rga

[kN

]

Desarrollo de modelos no lineales en el programa OpenSees.

Figura 8: Curvas de carga versus deformación estimada en

OpenSees (UC Berkeley).

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10-3

0

50

100

150

200

250

300

350

Micro-Deformaciones tension [mm/mm]

Esfu

erz

o [

MP

a]

-3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

x 104

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

Micro-Deformaciones Compresion[mm/mm]

Esfu

erz

o [

MP

a]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10-3

0

50

100

150

200

250

300

350

Micro-Deformaciones tension [mm/mm]

Esfu

erz

o [

MP

a]

-3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

x 104

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

Micro-Deformaciones Compresion[mm/mm]

Esfu

erz

o [

MP

a]

Modelo constitutivo

uniaxial del material

tracción

compresión

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Desempeño de los perfiles según la separación de soldadura

Figura 9. Comportamiento del perfil ACESCO sin rigidizadores transversales en el alma.



Figura 10. Comportamiento del perfil ACESCO con rigidizadores transversales en el alma.


Comparación de los resultados experimentales y teóricos

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Vu/(

Vn )

Mu/(Mn)

SOLICITACION DE FLEXION Y CORTANTE

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Vu/(

Vn )

Mu/(Mn)


Capacidad Almas Sencillas- Eq.C3.3.2-1 AISI

Capacidad Almas con Rigidizador Transversal- Eq.C3.3.2-2 AISI

[email protected]

PAG-1.5mm-NR-@450mm

PAG-1.5mm-NR-@600mm

PAG-1.5mm-NR-@900mm

[email protected]

PAG-1.5mm-SR-@450mm

PAG-1.5mm-SR-@900mm

[email protected]

PAG-2.0mm-SR-@450mm

PAG-2.0mm-SR-@900mm

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Vu/(

Vn )

Mu/(Mn)


Capacidad Almas Sencillas- Eq.C3.3.2-1 AISI

Capacidad Almas con Rigidizador Transversal- Eq.C3.3.2-2 AISI

[email protected]

PAG-1.5mm-NR-@450mm

PAG-1.5mm-NR-@600mm

PAG-1.5mm-NR-@900mm

[email protected]

PAG-1.5mm-SR-@450mm

PAG-1.5mm-SR-@900mm

[email protected]

PAG-2.0mm-SR-@450mm

PAG-2.0mm-SR-@900mm

Figura 11: Interacción de las solicitaciones de flexión y cortante combinado

para el perfil ACESCO PAG-220, con diferente separación de soldadura.


Comparación de los modelos analíticos y experimentales

Figura 12. Comparación de la capacidad máxima del perfil ACESCO PAG.


Comparación de los modelos analíticos y experimentales

Figura 13. Deformación unitaria en la fibra extrema a tensión bajo carga máxima en L/2 del

perfil ACESCO PAG con rigidizador transversal y diferente separación de soldadura.

PAG-220x80x1.5mm PAG-220x80x2.0mm


Predicción de comportamiento carga-desplazamiento de perfiles PAG

0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

120

140

160

180

CARGA vs DESPLAZAMIENTO

Perfiles Con Rigidizadores Transversales

Desplazamiento [mm]

Carg

a [

kN

]

PAG-120x60x1.2mm

PAG-160x60x1.2mm

PAG-305x80x1.5mm

PAG-305x80x2.0mm

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.5

1

1.5

2

2.5

Vu/(

Vn )

Mu/(M

n)

ESTIMACION DE LA SOLICITACION DE FLEXION Y CORTANTE

Almas Sencillas- Eq.C3.3.2-1 AISI

Almas con Rigidizador Transversal- Eq.C3.3.2-2 AISI

PAG-120x60x1.2mm-SR

PAG-160x60x1.2mm-SR

PAG-305x80x1.5mm-SR

PAG-305x80x2.0mm-SR

Figura 14: Curvas predictivas del comportamiento a

flexión de los perfiles PAG con alma con rigidizador

transversal, generadas en OpenSeeS.

Figura 15: Solicitación a flexión y cortante combinado

generada en OpenSees.

8. CONCLUSIONES

La capacidad a flexión y cortante real del perfil PAG de alma sencilla es 25%

menor de la capacidad teórica nominal (con factores de reducción de resistencia

incluidos), mientras que la capacidad del perfil con rigidizadores transversales en el

alma es el 25% mayor que la teórica (AISI).

Entre las probetas ensayadas se encuentra que aquellas cuyo cordón de soldadura

está separado entre 450 mm y 600 mm presentaron el mejor comportamiento a

flexión, ya que aportaron la mayor rigidez y soportaron los mayores niveles de

carga. Esta variable debe seguirse analizando para diferentes posiciones de carga,

rigidizadores y perfiles.

Las probetas con soldadura corrida presentaron un bajo desempeño comparativo.

Causas probables: afectación sufrida por los altos cambios de temperatura

durante la aplicación de la soldadura.

8. CONCLUSIONES

Debido a la presencia de deformaciones iniciales, esfuerzos residuales y pandeo

localizado al inicio de las cargas, los perfiles de alma sencilla (sin rigidizador

transversal) son más flexibles que lo que la teoría de elasticidad predice.

Los resultados de los modelos no lineales en OpenSees demostraron que las curvas

propuestas predicen acertadamente las cargas máximas de los perfiles. Se debe

ahondar en la modelación de la flexibilidad de los perfiles.

A partir de los modelos calibrados de estimación realizados en el programa

OpenSees se puede afirmar que las resistencias reales de los perfiles rigidizados,

son mayores a las obtenidas con la teoría propuesta en la norma AISI.

Se deberán diseñar con mucha precaución los elementos conformados por perfiles

“C” tipo cajón, ya que la teoría existente no tiene en cuenta variados factores que

influyen en la resistencia y rigidez final del perfil.

9. RECOMENDACIONES

Extender los estudios expuestos en esta investigación al análisis del comportamiento

de secciones con diferentes alturas y espesores, lo cual permitirá confirmar las

predicciones expresadas.

Trabajar en mejorar los modelos lineales y no lineales utilizados en esta

investigación para determinar la variación real de las capacidades de los perfiles

para diferentes configuraciones de soldadura.

Analizar con mayor detenimiento las ecuaciones propuestas en las normas, para

determinar qué modificaciones se deben hacer a dichas ecuaciones a fin de

obtener resultados más acorde a los reales, sobre todo en lo concerniente a la

capacidad máxima de carga y rigidez.

Capítulo 2:

ESTUDIOS DE COMPORTAMIENTO A COMPRESIÓN DE

SECCIONES TIPO CAJÓN A PARTIR DE PERFILES DE

ACERO EN “C” DE LÁMINA DELGADA CON DIFERENTES

CONFIGURACIONES DE SOLDADURA

2. OBJETIVOS

Establecer la resistencia teórica y experimental de las columnas tipo cajón de acero

de lámina delgada, teniendo en cuenta la separación de los cordones de soldadura a

lo largo de su longitud.

Construir una modelo computacional de las columnas tipo cajón para la determinación

de los esfuerzos y acortamientos ante carga axial.

Validar el modelo computacional y valorar los efectos que causan las distintas

configuraciones de los cordones de soldadura en el comportamiento y resistencia de

las columnas ante cargas axiales de tipo céntrico.


Se evaluaron 6 grupos de especímenes diferentes*:

Soldadura corrida (@0 mm). Apoyo Articulado – Articulado.

Soldadura corrida (@0 mm). Apoyo Empotrado – Articulado.

Soldadura (@475 mm). Apoyo Articulado – Articulado.

Soldadura (@475 mm). Apoyo Empotrado – Articulado.

Soldadura (@633 mm). Apoyo Articulado – Articulado.

Soldadura (@633 mm). Apoyo Empotrado – Articulado.

* Separación de soldaduras centro a centro.

Electrodo AWS E-6011, Soldadura de arco eléctrico.

Longitud de cada probeta 2000 mm


Figura 1: Tipos de apoyos (1A: empotramiento; 1B: articulado)

A B

ETAPA # 1 PERFIL ACESCO UTILIZACION DE GALGAS

7 Probetas PAG 100x50x15x1.5mm. NO

ETAPA # 2 PERFIL ACESCO UTILIZACION DE GALGAS

18 Probetas PAG 100x50x15x1.5mm. SI


Figura 2: Diseño del montaje experimental. Ubicación de galgas

extensiométricas y transductores de desplazamiento


Figura 3: Esquemas típicos de conexiones y soldaduras en campo

(Fuente: ACESCO)


Figura 3: Esquemas típicos de conexiones y soldaduras en campo

(Fuente: ACESCO).

Figura 4: Detalle de conformación de secciones (Fuente: ACESCO).


El Reglamento colombiano NSR-10 establece los siguientes parámetros para miembros sometidos a

compresión cargados concéntricamente (F.4.4 Miembros armados y sistemas estructurales):

Miembros de compresión en sección

cajón por dos secciones C en contacto


La resistencia nominal para miembros en compresión cargados concéntricamente (NSR-10; F.4.3.4):

Comportamiento típico de las probetas ensayadas en la etapa experimental, donde se

aprecia la ubicación de las galgas y deformímetros.


Figura 5. Pprueba #17; apoyo articulado-articulado con carga máxima de 13.31 kN con un desplazamiento

vertical de 4.411 mm.

Curvas de comportamiento de las probetas ensayadas en la etapa experimental apoyo

empotrado articulado espaciamiento L/4 (@475mm). Ensayos # 8, 9 y 10.


Figura 6: Apoyo empotrado-articulado @475 mm


empotrado-articulado espaciamiento L/3 (@633mm). Ensayos # 11, 12 y 13.




empotrado-articulado espaciamiento Corrido (@ 0 mm). Ensayos # 14, 15 y 16.




articulado-articulado espaciamiento L/4 (@ 475 mm). Ensayos # 19, 22 y 23.


Figura 9: Apoyo articulado-articulado @475 mm


articulado-articulado espaciamiento L/3 (@ 633 mm). Ensayos # 17, 18 y 24.




articulado-articulado espaciamiento Corrido (@ 0 mm). Ensayos # 20, 21 y 25.




Desarrollo de modelos lineales en los programas ANSYS.



# PRUEBA CONDICION DE APOYO SEPARACION ENTRE CODONES DE SOLDADURA (mm) PMAX ( x10^4 kgf) DESPLAZAMIENTO PARA PMAX (mm)

24 ARTICULADO-ARTICULADO 633 1.408 3.516


11 EMPOTRADO-ARTICULADO 633 1.358 4.054

















Figura 12: Comportamiento de los perfiles de acuerdo a la separación del cordón

de soldadura



Figura 13: Comportamiento de los perfiles de acuerdo a la separación del cordón

de soldadura

6. CONCLUSIONES

La capacidad real a compresión por carga axial del perfil PAG es relativamente

menor de la capacidad teórica nominal (5-10%) (AISI).

Entre las probetas ensayadas se encuentra que aquellas cuyo cordón de soldadura

está separado entre 475 mm y 633 mm presentaron el mejor comportamiento a

compresión, ya que aportaron la mayor rigidez y soportaron los mayores niveles de

carga.

La condición de apoyo que mejor resultado arrojó para capacidad de carga fue la

empotrado- articulado presentándose mayores resultados en la configuración L/3

(@ 633 mm). Lo anterior invita a la reevaluación de la restricción del espaciamiento

máximo entre cordones de soldadura de 300 mm; esto podría significar menores

costos en la fabricación de estos elementos estructurales incidiendo decididamente

en su futura reglamentación.

Las probetas con soldadura corrida presentaron un bajo desempeño comparativo.

Causas probables: afectación sufrida por los altos cambios de temperatura

durante la aplicación de la soldadura que debilita de forma considerable su

capacidad de carga aspecto que indicaría que no se debe abusar del número de

cordones de soldadura al reducir las distancia entre ellos.

6. RECOMENDACIONES

Extender los estudios expuestos en esta investigación al análisis del comportamiento

de secciones con diferentes alturas y espesores, lo cual nos permitirá confirmar las

predicciones expresadas.

Trabajar en mejorar los modelos lineales utilizados en esta investigación para

determinar la variación real de las capacidades de los perfiles para diferentes

configuraciones de soldadura.

Analizar con mayor detenimiento las ecuaciones propuestas en la reglamentación

vigente con el fin de determinar qué modificaciones aplicarían para futuras

reglamentaciones a fin de obtener resultados más acordes a los reales, más aún en

lo concerniente a la capacidad máxima de carga y rigidez.

Proponer y desarrollar análisis no lineal para profundizar en el comportamiento de

miembros a compresión.

Andrés Fernando Guzmán GuerreroIngeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Dr. Ing.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL, UNIVERSIDAD DEL NORTE

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DELGADA


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