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Palabras claves: web crippling, web buckling, conexión, acero, resistencia, deformación, alma de perfil, Estado Límite.
Preliminar
El Web Crippling y el Web Buckling, son dos de los modos de fallas menos conocidos en el diseño de acero estructural, al ser los procesos de diseño de un software tan automáticos y también por ser un tema poco abordado en la bibliografía de Estructuras de Acero, donde se prioriza el diseño de pórticos. Ambos tipos de falla están asociadas a la acción de Fuerzas Concentradas en una viga o columna, siendo estas también un tema poco mencionado en las capacitaciones profesionales. Representan modos de fallas peligrosos para la columna o viga y han sido objeto de estudio en muchos trabajos de alta complejidad, quizás esta sea la razón más importante de su desconocimiento. En este artículo para Prontubeam, hablaremos sobre estos dos tipos de fallas para su mejor compresión. ¡Continuemos!
Diseño de conexión End Plate
El diseño de conexiones de plancha extrema o End Plate, es uno de los más extensos a realizar debido a la gran cantidad de Estados Límites que deben verificarse. Las fases de diseño involucra inicialmente, asegurarse que la conexión cumpla con el criterio de Placa Gruesa bajo Provisiones Sísmicas, verificando que la resistencia a la flexión de la Placa o Plancha sea al menos 1.11 veces mayor que la resistencia a la flexión de los Pernos. Una vez diseñada la Plancha y los Pernos bajo esa condición, se verifica el área de la columna involucrada en la conexión y dentro de la proyección del nodo, siendo esta la segunda fase del diseño. La columna involucra una gran cantidad de modos de fallas:
· Flange Yielding: cedencia del ala de columna.
· Web Yielding: cedencia del alma de la columna.
· Web Buckling: pandeo del alma de la columna.
· Web Crippling: pandeo localizado del alma de la columna.
· Shear Web Panel: falla a corte en la zona de panel.
· Fallas por cedencia / ruptura a corte o tensión y falla a compresión de atiesadores en la columna.
De estos modos de fallas, el Web Buckling y el Web Crippling se asocian a fuerzas concentradas transmitidas a través de la conexión y también se esperan en otros tipos de conexión a momento aparte de una End Plate. Pero de donde provienen estas fuerzas?
Fuerzas Concentradas en la Columna
En toda conexión a momento, la transmisión del momento flector hacia la columna a través de los pernos y plancha, ocurre por equilibrio estático del Par de Fuerzas en Tracción y Compresión; de estas dos fuerzas, la fuerza de compresión es la que hace daño como Fuerza Concentrada en el alma de la columna, porque esta busca comprimirla pudiendo ocasionar cualquiera de las fallas especificadas anteriormente, entre ellas el Web Crippling y el Web Buckling.
Figura 1.Fuerzas aplicadas en una conexión End Plate – Fuente [1]
Web Crippling & Web Buckling
El Web Crippling es una deformación característica del alma de un perfil de acero, producto de la compresión sobre la misma por una fuerza concentrada, que pandea de forma LOCALIZADA el alma del perfil. Se diferencia del Web Buckling precisamente por esa localización en una zona parcial del alma, mientras que este último se extiende en toda el alma.
Figura 2.Web Crippling & Web Buckling – Fuente [2]
El Web Crippling al igual que el Web Buckling, puede ocurrir a lo largo de todo el perfil de acero, siendo más crítico en los extremos. Existen resultados experimentales capturados mediante elementos finitos, donde se observa esta falla en diferentes escenarios para relaciones de aspecto h/b de la viga (peralte / ancho de ala), Longitud de Aplicación “b” ó “N” de la carga concentrada y ubicación de la carga.
Figura 3.Modelo Teórico en Ensayos – Fuente [3]
Podemos observar en la siguiente figura, como la carga aplicada en el extremo (End bearing) de la viga genera mayores deformaciones respecto a la carga aplicada en el centro (Interior bearing); además en ambos casos, si se varía la longitud de apoyo “b” ó “N” de la carga desde una puntual hasta una distribuida, había más daño por la carga distribuida que la carga puntual.
Figura 4.Resultados FEA (Buckling) perfil W21x44 – Fuente [3]
De esos escenarios, los ingenieros observaron que la ubicación y longitud de apoyo de la carga, influían directamente en el Web Crippling y concluyeron que esos dos (02) parámetros afectan la resistencia del perfil frente a esas fallas, por lo que debían considerarse para el diseño:
Figura 5.Posicionamiento de carga concentrada en viga – Fuente [4]
En el caso del Web Buckling, se considera la separación “h” entre alas desde la línea de soldaduras.
Diseño por Web Crippling
La AISC establece una verificación por Web Crippling donde se chequea si el alma de la columna falla o no bajo este Estado Límite. Las fórmulas de diseño están en función de la ubicación de la carga y su longitud de apoyo proyectada; para comprender mejor esto, veamos el siguiente modelo teórico de análisis en una End Plate:
Figura 6.Modelo Teórico de Análisis Web Crippling – Fuente [1]
Es muy importante diferenciar, recordando la influencia del Web Crippling en función de la posición de la carga concentrada (Fsu), la distancia a la cual se aplica respecto a la mitad de la altura de viga contra la mitad del peralte de la columna (dc); dependiendo de cuál sea mayor, varía la fórmula de diseño. Podemos ver en la figura 3, como las deformaciones varían en función de la ubicación de la carga en los análisis EF y ensayos; por esa precisa razón, se deben emplear varias fórmulas de diseño para el Web Crippling.
La AISC establece una verificación donde se chequea si el alma de la columna fallará o no por Web Crippling, en función de la aplicación de la carga; las fórmulas siguientes corresponden a las establecidas por AISC358-10: Conexiones Precalificadas.
· Cuando Fsu es aplicada a una distancia mayor o igual que dc/2 desde el extremo de la columna
· Cuando Fsu es aplicada a una distancia menor que dc/2 desde el extremo de la columna:
Donde:
dc: peralte de columna.
tcw: espesor del alma de columna.
tcf: espesor del ala de columna.
E: módulo de Young.
Fyc: esfuerzo de fluencia de columna.
N: longitud de aplicación de la fuerza. Depende del tamaño “W” de soldadura y el espesor del ala de la viga “tbf”; abajo dejamos las fórmulas para calcular N en una conexión de Ala Apernada y una End Plate.
Figura 7.Fórmulas para el Cálculo de N – Fuente [5]
Diseño por Web Buckling
Las fórmulas de diseño por AISC son más sencillas:
· Cuando Fsu es aplicada a una distancia mayor o igual que dc/2 desde el extremo de la columna
· Cuando Fsu es aplicada a una distancia menor que dc/2 desde el extremo de la columna:
Donde h: distancia libre entre alas, filete o radio de giro de las formas apernadas; distancia libre entre alas cuando las soldaduras sin usadas como formas construidas.
El factor de minoración a usar es f = 0.75 (LRFD) en ambos tipos de fallas.
Esperamos que este artículo haya ofrecido una mejor compresión sobre estos tipos de fallas para el diseño de conexiones de acero.
Hasta una próxima oportunidad.
Derek A. Quinto C.
Ingeniero Civil - MSc. Ingeniería Estructural
Spectre Ingeniería
Referencias
[1] Curso de Conexiones Precalificadas. Spectre Ingeniería. Derek Quinto.
[2] Curso de Diseño y Detallado de Conexiones Metálicas. PAG. Arnaldo Gutierrez.
Fatmir Menkulasi, Nahid Farzana, Cristopher D. Moen, Matthew R. Eatherton.
[4] Structural Design Steel – Dr. Mu’zat K.M. PDF.
[5] Google Imágenes. Web.
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