Modelado de la Conexión de Placa Base
1) En la pestaña Principal, asigne la nueva unión de acero al nodo correspondiente. Revise la 'Configuración de resistencia' para confirmar que los ajustes predeterminados sean apropiados, realizando los ajustes necesarios (Imagen 01).
2) En la pestaña Componentes, seleccione ‘Insertar componente al inicio’ y elija ‘Placa Base’ (Imagen 02).
3) Bajo ‘Configuración del Componente’, especifique los materiales, dimensiones y ubicaciones para la placa base, el bloque de concreto, el mortero, los anclajes y las soldaduras (Imagen 03).
El mortero se modela usando enlaces rígidos en el submodelo, lo que modifica la geometría de la unión y afecta posteriormente las fuerzas internas (Imagen 04).
También se da la opción de considerar el concreto fisurado. Por defecto, la ACI asume la existencia de fisuras. Si se puede demostrar que el concreto no se fisura, al desmarcar esta opción se obtienen mayores resistencias al arrancamiento por tracción, al arrancamiento por tensión y al arrancamiento por corte para los anclajes.
La opción 'Refuerzo para controlar fisuración', de acuerdo con la Sección 17.3.5 de ACI, puede activarse cuando se proporciona refuerzo adicional para controlar la falla por fisuración causada por las fuerzas de instalación y/o el posterior ajuste. Cuando esta opción está desactivada, el programa muestra la siguiente nota: “No se proporciona refuerzo para controlar la fisuración. Verifique el espaciado mínimo, las distancias al borde y el espesor mínimo del concreto.”
También están disponibles la transferencia de corte a través de anclajes, lengüetas de corte y fricción. Se proporciona información adicional en el siguiente artículo.
Hay disponibles cuatro tipos de anclajes: 1 instalado posteriormente y 3 embebidos (cabeza hexagonal, perno en L, perno en J). Se selecciona el anclaje embebido de cabeza hexagonal para este ejemplo. También está disponible la opción de añadir una arandela. La forma (circular o cuadrada), diámetro y espesor de la arandela son los parámetros requeridos. Estos parámetros se utilizan para calcular el área neta de apoyo del anclaje para calcular la resistencia al arrancamiento y la resistencia al arrancamiento lateral.
Comprobaciones de Diseño Según AISC 360 y ACI 318
Las fuerzas en las varillas de anclaje se basan en el análisis de elementos finitos (FEA), que cuenta con las rigideces de los elementos conectores (varillas de anclaje, placas base, bloque de concreto, etc.). La acción de palanca puede ocurrir cuando la flexibilidad de la placa base causa deformación que incrementa la tensión en las varillas de anclaje. Estas fuerzas de palanca también se consideran en el cálculo de FEA.
Se proporcionan las siguientes comprobaciones de diseño para las varillas de anclaje embebidas:
- Resistencia al apoyo de la placa base en los agujeros de los pernos, ϕbRnb
- Resistencia a la tracción del acero del anclaje, ϕatNsa
- Resistencia al arrancamiento por tracción del concreto, ϕcbtNcbg
- Resistencia al arrancamiento del anclaje, ϕpnNpn
- Resistencia al arrancamiento lateral del concreto, ϕcbtNsbg
- Resistencia al corte del acero del anclaje, ϕavVsa
- Resistencia al arrancamiento por corte del concreto, ϕcbvVcbg
- Resistencia al arrancamiento por corte del concreto, ϕcpvVcpg
También se proporcionan otras comprobaciones de diseño, incluyendo la resistencia a la compresión por apoyo del concreto, la resistencia de las soldaduras y la deformación plástica de las placas base y los miembros.
Ejemplo
Se presenta el Ejemplo 4.7-11 de la Guía de Diseño 1 de AISC para verificar los resultados del modelo RFEM. En este ejemplo se diseña una conexión de placa base para una columna W12x96 sometida a compresión y momento. La columna está unida a una fundación de concreto con una resistencia a la compresión especificada, ƒ'c = 4,000 psi. La placa base tiene un grosor de 2.0 in con un grosor de mortero asumido de 1.0 in. La longitud efectiva de empotramiento, hef, es igual a 18.0 in. Las cargas y propiedades del material se muestran en la Imagen 05.
En el ejemplo, no se dan las dimensiones reales del concreto, y se asume que hay suficiente área para que se formen conos de arrancamiento por tensión de las varillas de anclaje respecto a la distancia al borde. Para satisfacer esta suposición, se usan dimensiones de bloque de concreto iguales a 1.5hef + espaciado de varillas +1.5hef (66.0 in x 72.5 in). La entrada completa para la Unión de Acero se muestra arriba en la Imagen 03.
Resultados
Tras ejecutar el cálculo de la Unión de Acero, el resultado para cada componente se presenta en la pestaña de Razones de Diseño por Componente. A continuación, seleccione el Anclaje 1,1 para ver los detalles de la comprobación de diseño (Imagen 06).
Los detalles de la comprobación de diseño proporcionan todas las fórmulas y referencias a los estándares de AISC 360 y ACI 318 (Imagen 07). También se proporciona una nota sobre las comprobaciones de diseño excluidas para aclaraciones. A continuación, seleccione ‘Resultados en Unión de Acero’ para ver gráficamente las fuerzas internas de los anclajes (Imagen 08).
Los resultados de AISC y de Uniones de Acero se resumen a continuación, incluyendo las razones de las discrepancias.
Anclajes
Concreto (Resistencia al Apoyo)
La tensión de apoyo de 2.21 ksi se toma del Ejemplo 4.7-10 con la suposición A1 = A2, proporcionando la resistencia más baja posible. El área de la placa base se calcula como 22 in × 24 in = 528 in2, proporcionando una resistencia a la compresión por apoyo del concreto, ϕPp =2.2 ksi × 528 in2 = 1166.9 kips, asumiendo que toda el área de la placa base resiste la compresión.
En el complemento de Uniones de Acero, se asume A2 ≫ A1 para satisfacer la resistencia al arrancamiento por tracción. El área efectiva de compresión de la placa base, Aeff, se puede determinar usando ya sea un análisis FEM o la Guía de Diseño 1 de AISC, Apéndice B.3, donde Aeff se extiende una distancia c = 1.5*espesor de la placa base fuera de las almas y las alas. El valor reportado ϕPp =1242.3 kips se basa en Aeff calculado según la Guía de Diseño 1. Alternativamente, cuando se usa el análisis FEM, Aeff depende del umbral de esfuerzo de contacto especificado en la Configuración de Resistencia; reducir este umbral (hasta un 1%) incrementa el área efectiva de compresión.
Placa Base
El diseño del espesor de la placa base está gobernado por la interfaz de apoyo o la tensión. Según los cálculos de AISC, el espesor requerido basado en el apoyo es 1.92 in (redondeado a 2.0 in), lo que controla el diseño, mientras que el espesor por tensión se calcula como 0.755 in.
En el complemento de Uniones de Acero, el diseño de placas se realiza utilizando un análisis plástico comparando la deformación plástica real con el límite permisible del 5% especificado en la Configuración de Resistencia. La placa base de 2.0 in de grosor tiene una deformación plástica máxima equivalente de 0.09%, indicando que una placa más delgada puede ser suficiente. Sin embargo, reducir el espesor de la placa puede incrementar las fuerzas de tensión en los anclajes.
En la mayoría de los casos, el complemento de Uniones de Acero resulta en una placa base significativamente más delgada porque tiene en cuenta la flexibilidad de la placa base, a diferencia del enfoque en la Guía de Diseño 1 de AISC, Capítulo 4.3.1, que asume una placa base rígida.
El Apéndice B.3 [3] de la Guía de Diseño 1 de AISC explica cómo tener en cuenta la flexibilidad de la placa base puede reducir significativamente el espesor requerido. El estado límite de fluencia de la placa corresponde a la flexión hacia arriba de la placa base en las ubicaciones asumidas de las líneas de fluencia bajo la presión de apoyo ascendente. Esta presión, a su vez, se asume constante, lo que implícitamente sugiere que la placa base es rígida. Sin embargo, para grandes placas base con una gran huella, esta suposición puede conducir a momentos excesivamente grandes en las líneas de fluencia, resultando en placas base demasiado gruesas. Esta es una suposición conservadora porque una placa base grande también es flexible, de manera que los esfuerzos de apoyo se concentran bajo las alas y almas de la columna. En realidad, este tipo de distribución de estrés resulta en momentos significativamente menores en la placa base, reduciendo el espesor necesario.
Conclusión
El complemento de Uniones de Acero en RFEM 6 ofrece un enfoque avanzado para el diseño de placas base al considerar la flexibilidad de la placa base y las acciones de palanca que puedan ocurrir. En comparación con los métodos tradicionales descritos en la Guía de Diseño 1 de AISC, este enfoque a menudo resulta en diseños optimizados con placas base más delgadas. Al comparar los resultados con el ejemplo de AISC, el complemento demuestra su capacidad para proporcionar soluciones precisas y económicas para conexiones de placas base.