El diseño de la conexión base según AISC 360 [1] y ACI 318 [2] puede ejecutarse con el complemento Steel Joints. El artículo anterior de la base de conocimientos proporcionado a continuación ofrece el flujo de trabajo de modelado, una lista de verificaciones de diseño aplicables y un ejemplo de diseño de una conexión de placa base sujeta a “compresión y momento”.

• Cálculo de placas base según AISC en RFEM 6

En este artículo, se presenta un diseño de conexión base sujeto a “tensión y cortante”. Se utiliza el Ejemplo 4.7-7 de la Guía de Diseño 1 de AISC [3] para verificar los resultados del modelo RFEM.

Transferencia de Cortante

Para una conexión base expuesta, ¿cómo se transfiere la carga cortante de la columna al concreto? Según la Guía de Diseño 1 de AISC [3], hay tres maneras de transferir el cortante de la columna y/o la placa de refuerzo al concreto:

1) A través de la fricción cuando hay compresión presente, como se muestra en el Ejemplo 4.7-8 del DG 1.

• La carga de compresión genera fricción entre la placa base y la superficie del mortero/concreto que puede utilizarse para transferir cortante al concreto. Esta compresión se considera una fuerza de sujeción que genera una resistencia cortante en dirección perpendicular. La resistencia cortante debida a la fricción puede calcularse conforme a la Ecuación 4-30 de AISC DG 1.
• En RFEM, el bloque de concreto se representa con un apoyo superficial que puede visualizarse en el submodelo. Activar la opción “Considerar fricción” activa la fricción dentro del apoyo superficial, permitiendo transferir una porción de la fuerza cortante (Imagen 1). La fuerza cortante restante es soportada por varillas de anclaje o pasadores de cortante. No se realiza una verificación de diseño para limitar la resistencia cortante de diseño según la Ecuación 4-30 en RFEM.

2) Utilizando pasadores de cortante, como se muestra en los Ejemplos 4.7-4 y 4.7-5 del DG 1.

3) A través del cortante en las varillas de anclaje. Están disponibles los siguientes métodos constructivos:

• Varillas de anclaje solas con agujeros sobredimensionados (distribución de cortante desigual).
• Láminas de arandela con agujeros estándar soldadas en la parte superior de la placa base para asegurar una transferencia de cortante igual, como se muestra en el Ejemplo 4.7-6 del DG 1. Esta configuración permite una flexión significativa en las varillas de anclaje, lo cual actualmente no se considera en RFEM. Las actualizaciones futuras incluirán verificaciones para la flexión de las varillas de anclaje.
• Una placa de ajuste con agujeros estándar soldada en el campo al fondo de la placa base para una distribución igual de cortante a todas las varillas de anclaje. Una placa de ajuste previene la flexión en las varillas de anclaje, que es la condición asumida en RFEM.

Ejemplo

El Ejemplo 4.7-7 de la Guía de Diseño 1 de AISC se utiliza para validar los resultados del modelo RFEM. En este ejemplo se diseña una conexión de placa base para una columna W21x83 sujeta a tensión y cortante. La columna está unida a una fundación de concreto con una resistencia a la compresión especificada, ƒ’_c = 5,000 psi. Las dimensiones reales del concreto no se dan, y se asume que la placa base no está ubicada cerca de bordes de concreto. Para reflejar esto, se modela un bloque de concreto grande que mide 175 in × 175 in × 100 in.

Se asume en el ejemplo que la transferencia de cortante ocurre mediante una placa de ajuste soldada (no modelada), lo cual previene la flexión en las varillas de anclaje. El miembro de soporte y la conexión se incluyen en el modelo para representar mejor el comportamiento realista de las uniones. La placa base tiene un espesor de 1.75 in con un espesor de mortero asumido de 1.0 in. La longitud efectiva de empotramiento, h_ef, es igual a 24.0 in. Las cargas y propiedades del material se muestran en la Imagen 3.

Resultados

Después de ejecutar el cálculo de Steel Joints, el resultado para cada componente se presenta en la pestaña “Proporciones de Diseño por Componente”. Se describen las verificaciones relevantes. A continuación, seleccione Anclaje 1.2 para ver los detalles de la verificación de diseño (Imagen 4).

Los detalles de la verificación de diseño proporcionan todas las fórmulas y referencias a las normas AISC 360 y ACI 318 (Imagen 5). También se ofrece una nota sobre las verificaciones de diseño excluidas para aclaración.

Los resultados de AISC y Steel Joints se resumen a continuación, incluyendo las razones de las discrepancias.

Anclajes

Placa Base

En este ejemplo, el diseño del espesor de la placa base está gobernado por la tensión en las varillas de anclaje. Según los cálculos de AISC, la resistencia a la flexión disponible (207 kip-in) es mucho mayor que la resistencia a la flexión requerida (51.9 kip-in). Esto sugiere que el espesor de la placa base de 1.75-in puede reducirse.

En Steel Joints, el diseño de la placa 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 1.75-in de espesor tiene una deformación plástica equivalente del 0.00%, lo que indica que se podría utilizar una placa más delgada. Sin embargo, reducir el espesor de la placa puede aumentar las fuerzas de tensión en los anclajes.

Conclusión

En el complemento Steel Joints, se asume que la transferencia de cortante a través de las varillas de anclaje está distribuida equitativamente mediante el uso de una placa de ajuste, lo cual elimina la flexión en las varillas de anclaje. Mientras que la flexión de las varillas de anclaje actualmente no se considera, está planificado para una actualización futura.

Este artículo confirma que los resultados del complemento Steel Joints son consistentes con los del ejemplo de la Guía de Diseño 1 de AISC, validando la precisión del modelo RFEM para el diseño de conexiones base bajo tensión y cortante.

Autor

Cisca Tjoa, PE. Ingeniera de soporte sénior