Estudio numérico de los modos de falla predominantes en perfiles XL de acero estructural como arriostramientos de marcos estructurales

Abstract

Durante el terremoto del Maule de 2010 en Chile (Mw = 8,8) ocurrieron varias fallas no previstas en diagonales de perfiles XL, originadas principalmente a causa de pandeo local de sus alas, pandeo torsional y fractura en sus conexiones. Los objetivos de esta investigación consisten en identificar los principales modos de falla y estudiar el desempeño de perfiles XL de acero estructural ante un historial de desplazamientos cíclico incremental como parte de diagonales de marcos arriostrados, mediante un análisis no lineal en el software de elementos finitos ANSYS Workbench 2020 R2. Primeramente, se realiza una calibración del esquema de modelación de perfiles XL en el software ANSYS desarrollado por Molina (2014) y Claverie (2016) con los resultados experimentales del estudio de Guerrero (2017), en el que a través de los análisis de sensibilidad del módulo tangente de la curva bilineal de tensión-deformación, nivel de imperfección inicial, mallado de elementos finitos y tipo de formulación entre las regiones de contacto se procede a calibrar estos parámetros en relación con el modo de falla observado en los especímenes y su respuesta histerética. Posteriormente, se llevan a cabo 13 modelos de pórticos arriostrados en X, 4 modelos de pórticos arriostrados tipo V invertida y 4 modelos de pórticos arriostrados tipo Diagonal única, con riostras XL principalmente conformadas de ángulos laminados e incluyendo algunos perfiles XL plegados. Estos modelos permiten estudiar el modo de pandeo global de las diagonales XL, el plano de pandeo, pandeo local, capacidad a tracción y compresión máxima, degradación de la capacidad a compresión a distintos niveles de deriva de entrepiso, fuerzas solicitantes sobre las placas gusset y curva de histéresis de los pórticos arriostrados. En torno a una esbeltez local de 8,0 se produce una transición del drift en que se registra la presencia de pandeo local en la riostra XL. En perfiles XL con una λ_L superior exhiben mayoritariamente un pandeo local a un drift de 0,28% (el mínimo observado fue a 0,20%), en tanto que perfiles XL con una λ_L inferior a 8,0 a un drift de 0,39%. Si bien, se produce una mayor capacidad de deformación, el pandeo local ocurre para un drift bastante menor al drift límite para estructuras de acero (clasificación Otras estructuras ) de la norma NCh2369.Of2003. Por otro lado, al diseñar la conexión de la riostra mediante un diseño por capacidad de las diagonales, se debe considerar una fuerza de diseño respecto a una resistencia axial esperada de las riostras superior a su resistencia nominal.