Estudio numérico de conexiones a momento tipo "column-tree" en sistemas estructurales de marcos a momento de acero

Abstract

Este trabajo de título estudia de forma numérica el comportamiento de viga y columna de una conexión para marcos a momento en acero. El tipo de conexión utilizada para materializar dicha unión es la llamada \textit{Conexión Árbol} o en inglés \textit{Column-Tree}, que a pesar de no estar precalificada en la normativa vigente es de amplia utilización en el país, como por ejemplo en Metro de Santiago o el Aeropuerto Arturo Merino Benitez. La conexión \textit{Column-tree} consiste en un segmento de viga ( Stub Beam ) soldado en maestranza a la cara de la columna, a la cual se conecta el resto de la viga mediante placas de empalme en las alas y alma, las cuales pueden estar soldadas o apernadas, lo que genera ventajas constructivas respecto a otros tipos de conexión. El estudio numérico consiste en la aplicación de desplazamientos controlados, mediante un protocolo de carga a un sub-ensamblaje del marco a momento. Para ello se definió una estructura tipo, modelada en el software de diseño sísmico ETABS, obteniendo dimensiones de los perfiles viga y columna luego de la completa verificación según la norma de diseño sísmico NCh 433. Simultáneamente, se elaboró una guía de diseño para la conexión, cumpliendo con todas las especificaciones de las normas vigentes (AISC 2016) verificando los modos de falla pertinentes y utilizando una filosofía de diseño por capacidad mediante la cual se establece la formación de rótula plástica en la viga Stub Beam , con el objetivo de evitar fallas frágiles. Posteriormente se modela el sub-ensamblaje del marco a momento en el software de elementos finitos ANSYS, donde finalmente se realiza el estudio numérico. Finalizado el análisis se obtiene una curva histerética momento-rotación que tiene un cambio de pendiente al inicio del protocolo de carga, lo que refleja una disminución en la rigidez de la conexión pero no así de su resistencia, lo cual es producto de deformaciones plásticas tempranas en la zona de la viga que está en contacto con el borde de los extremos de empalmes de ala. Este efecto se debe a la restricción geométrica que imponen los empalmes al ser de un espesor y largo considerables. La conexión es analizada hasta 0.04 [rad] de rotación, donde se alcanzan las principales deformaciones plásticas en las alas de la viga \textit{Stub-Beam}. Los resultados permiten concluir que para la estructura diseñada se obtienen perfiles y empalmes de grandes dimensiones los que restringen en exceso a la viga, fenómeno que no se pudo prever en el cálculo, lo cual lleva a dejar propuesto el análisis del comportamiento de la conexión en diversas estructuras.