Desempeño sísmico de nudos en pórticos de acero a momento con columnas tubulares considerando efectos bidireccionales

Abstract

El último gran terremoto y tsunami de Tohoku de 2011 reveló que los edificios con estructuras de pórticos de acero resistentes a momento, empleando columnas tubulares y conexiones rígidas con vigas de sección I, no sufrieron daños graves y muchos fueron reconstruidos sobre la estructura original de manera muy rápida. La experiencia japonesa ha mostrado que este sistema estructural posee un adecuado comportamiento sísmico para las dos direcciones horizontales, constituyendo una ventajosa solución para ser importada y adaptada en varios países de América Latina, donde los eventos naturales extremos como los terremotos se presentan con alta periodicidad. La normativa americana AISC, adoptada por muchos países de la región, precalifica solamente dos conexiones rígidas con columnas tubulares para su uso en pórticos especiales e intermedios. Pero que, al estar protegidas por patentes comerciales pueden incrementar los costos finales del edificio. Una innovadora solución propone una conexión, de tipo plancha extrema, que trata de adaptar su uso a la práctica constructiva habitual en nuestros países. La conexión fue estudiada numérica y experimentalmente ante cargas cíclicas, mostrando una distribución de tensiones que favorece la manifestación de mecanismos de falla dúctiles, siendo la viga la responsable de disipar energía. En tal virtud, la presente investigación continua con el desarrollo de la nueva conexión, al estudiar el desempeño sísmico de configuraciones típicas de nudos en pórticos a momento, abordando dos aspectos no considerados previamente: 1) el efecto bidireccional que confieren las vigas que se conectan a la columna por ambos ejes horizontales ortogonales y 2) la influencia del nivel de carga axial sobre la columna. Para alcanzar los objetivos, modelos no-lineales tridimensionales en elementos finitos de los nudos se simularon numéricamente usando el software ANSYS. Cinco configuraciones de nudos, que incluyen: 2D-exterior (1B), 2D-interior (2BI), 3D-esquina (2BC), 3D-exterior (3B) y 3D-interior (4B), fueron sometidas a cargas cíclicas unidireccionales y bidireccionales según el protocolo AISC. Las modelos incluyeron cuatro niveles de carga axial sobre la columna para cada configuración estudiada. Las simulaciones muestran que, para todas las configuraciones de nudos las conexiones fueron capaces de sostener un ángulo de deriva de piso de 0.04 radianes y de alcanzar una resistencia superior al 80% del momento plástico nominal de la viga para el nivel de deformación indicado, cumpliendo los requerimientos de resistencia para pórticos a momento especiales (SMF) según las disposiciones AISC vigentes. Se logró integrar las respuestas individuales de las vigas y expresarlas en términos de la respuesta global del sistema, según el principio de equivalencia de energía. El análisis de los ciclos histeréticos de los sistemas equivalentes llevan a concluir que la capacidad de disipación de energía de los nudos con mayor número de vigas (3B y 4B) es menor en comparación a aquella de los nudos con menor número de vigas (1B y 2B), y que el incremento del nivel de carga axial sobre la columna tiene un impacto directo en la reducción de la capacidad de disipación de energía de los sistemas, en especial para los nudos con mayor número de vigas (3B y 4B). De ello resulta necesario admitir que la acción sísmica bidireccional es un factor importante que puede ocasionar la manifestación del mecanismo de falla por rotulación de las columnas.