Simulación de conexión viga columna con secciones tubulares de ac

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Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 
2020 
Simulación de conexión viga columna con secciones tubulares de Simulación de conexión viga columna con secciones tubulares de 
acero en lámina delgada con nudo relleno de mortero acero en lámina delgada con nudo relleno de mortero 
Ingrid Daniela Garavito Caballero 
Universidad de La Salle, Bogotá 
Nicolás Fernando León Tarazona 
Universidad de La Salle, Bogotá 
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secciones tubulares de acero en lámina delgada con nudo relleno de mortero. Retrieved from 
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SIMULACIÓN DE CONEXIÓN VIGA-COLUMNA CON SECCIONES TUBULARES DE 
ACERO EN LÁMINA DELGADA CON NUDO RELLENO DE MORTERO. 
 
 
 
 
Ingrid Daniela Garavito Caballero, Código. 40141016 
Nicolás Fernando León Tarazona, Código.40141067 
 
 
 
 
 
 
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Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil 
Bogotá D.C. 
2020 
Ingeniería Civil. 
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SIMULACIÓN DE CONEXIÓN VIGA-COLUMNA CON SECCIONES TUBULARES DE 
ACERO EN LÁMINA DELGADA CON NUDO RELLENO DE MORTERO. 
 
Ingrid Daniela Garavito Caballero, Código. 40141016 
Nicolás Fernando León Tarazona, Código.40141067 
 
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de: 
Ingeniero Civil. 
 
Director temático: 
Ing. Xavier Fernando Hurtado Amézquita. 
 
 
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Agradecimientos 
La vida se encuentra llena de retos y uno de ellos es la universidad, y es por esto, estamos 
agradecidos con la Universidad de La Salle, ya que, al darnos la oportunidad de ser parte de su 
familia, aprendimos que más que un reto, significó la base para nuestro entendimiento acerca del 
campo en el cual nos veremos inmersos como profesionales, así como el desarrollo de todo un 
proceso de aprendizaje. 
De igual manera agradecemos todos los conocimientos aportados por cada uno de los 
ingenieros presentes a lo largo de nuestros estudios universitarios, en especial, al Ing. Xavier 
Fernando Hurtado Amézquita, nuestro director de tesis, por guiarnos, acompañarnos, dedicarnos 
su tiempo y aportarnos su conocimiento para el desarrollo de este proyecto y así poder culminar el 
proceso de formación profesional exitosamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Dedicatoria 
Soy una persona feliz, sí, finalmente logró uno de los sueños que tanto anhelaba y es el 
poder convertirme en una profesional llena de valores. En primer lugar, agradezco infinitamente a 
Dios por sus bendiciones en todos los aspectos de mi vida, por estar conmigo en cada paso que 
doy, ser la luz que ilumina mi camino y darme, por supuesto, la oportunidad de culminar 
exitosamente esta etapa de mi vida. 
A mi madre, Nancy Stella Caballero Moreno, por ser quien me dio la vida, la persona que 
más amo en el mundo y además por ser mi apoyo incondicional cada día, porque su amor y su 
lealtad hacia mí, me dieron la fortaleza necesaria para seguir adelante en todo momento, 
impulsándome a cumplir cada uno de mis objetivos. 
A mi padre, Dagoberto Garavito Cruz, por ser el mejor maestro de vida, tanto como persona 
como profesional, por ser un hombre al que admiro y amo profundamente, ya que, con su lucha y 
esfuerzo continuo cada día, ha podido ayudarme a dar cada paso y cumplir cada objetivo que trazo 
en mi vida. 
A mis hermanos, Jonathan Garavito Caballero y Dagoberto Garavito Caballero, quienes en 
todo momento han estado pendientes de mí y me han brindado apoyo tanto moral como económico 
para continuar adelante. 
Finalmente, a mi compañero Nicolás León, porque siempre compartimos un mismo sueño 
de convertirnos en ingenieros, en donde hemos trabajado, aprendido y nos hemos formado no solo 
como profesionales, sino también como personas de bien. 
Ingrid Daniela Garavito Caballero 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Dedicatoria 
En este punto de mi vida, quiero dedicar nuestra investigación a mi madre Ana Inés 
Tarazona, porque fue ella la persona que lo dio todo para que yo lograra conseguir todo lo que 
tengo y lo que soy hasta el día de hoy. Fui consiente de todo el esfuerzo que realizó, cada lagrima 
y cada gota de sudor derramada en sus diferentes trabajos para verme poder cumplir mis sueños y 
por todo lo anterior, ella es la persona a la cual le dedicare todos mis sueños cumplidos y triunfos. 
 A mi tía Julia Tarazona, por aguantarme todos los días y regalarme parte de sus 
conocimientos de la vida para que jamás me rindiera. 
 A mis tres hermanitos, Juan Sebastián, Andrés Felipe y Francia Camila porque ellos son la 
otra mitad de mi vida. 
 A todos mis amigos, porque han estado pendientes de todo este proceso y me han apoyado a 
pesar de todos los inconvenientes que se me han presentado. 
 Y en especial a Daniela Garavito, por todo el apoyo brindado, por todo su tiempo y amor y 
por encima de todas las cosas, por su hermosa compañía en estos últimos años. 
Nicolás Fernando León Tarazona 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Tabla de contenido 
Lista de figuras ................................................................................................................................. 8 
Lista de tablas ................................................................................................................................. 10 
Introducción ................................................................................................................................... 12 
Objetivos ........................................................................................................................................ 14 
Capítulo I: Generalidades ............................................................................................................... 15 
1.1 Marco teórico ...................................................................................................................... 15 
1.1.1 Método de los elementos finitos (MEF): .................................................................15 
1.1.2 Diseño Sismo Resistente: ......................................................................................... 16 
1.1.3 Conexiones de momento: ......................................................................................... 16 
1.1.4 Cargas cíclicas o dinámicas: .................................................................................... 17 
1.1.5 Ductilidad ................................................................................................................. 18 
1.1.6 Conexiones precalificadas: ....................................................................................... 18 
1.1.7 Histéresis .................................................................................................................. 21 
1.1.8 Estructuras de acero con perfiles de lámina formada en frio ................................... 22 
1.2 Antecedentes ....................................................................................................................... 24 
Capítulo II: Modelo computacional ............................................................................................... 35 
2.1 Información Modelo Experimental ..................................................................................... 35 
2.2 Características modelo computacional ................................................................................ 38 
2.2.1 Geometría modelo computacional ........................................................................... 39 
2.2.2 Condiciones de borde ............................................................................................... 40 
2.2.3 Discretización del modelo ........................................................................................ 40 
2.2.4 Condiciones de contacto .......................................................................................... 43 
2.2.5 Protocolo de carga .................................................................................................... 44 
Capítulo III: Calibración según modelo computacional ................................................................ 46 
3.1 Curvas envolventes .................................................................................................................. 46 
3.2 Esfuerzos de la conexión ..................................................................................................... 49 
3.2.1 Esfuerzos de la columna ........................................................................................... 50 
3.2.2 Esfuerzos en el núcleo .............................................................................................. 50 
3.2.3 Esfuerzos en las platinas .......................................................................................... 51 
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3.2.4 Esfuerzos en las vigas .............................................................................................. 51 
Capítulo IV: Modelo optimizado .................................................................................................. 53 
4.1 Modificación diseño configuración en ANSYS. ...................................................................... 53 
4.2 Modelos de la nueva configuración con altura de relleno variable. ......................................... 55 
Capítulo V: Análisis de resultados ................................................................................................. 62 
5.1 Calibración modelos computacionales ................................................................................ 62 
5.2 Modelo optimizado ............................................................................................................. 66 
Conclusiones .................................................................................................................................. 70 
Bibliografía .................................................................................................................................... 72 
Anexo A: Registro completo de resultados de modelo computacional. ........................................ 75 
Anexo B: Registro de datos experimentales filtrados para calibración Pineda & Hurtado, 2020. 80 
Anexo C: Resultados de los diseños experimentales planteados. .................................................. 84 
Anexo D: Resultado muestras pareadas para comparación de curvas de calibración. ................... 98 
Anexo E: Datos experimentales completos de la investigación Pineda & Hurtado, 2020. ......... 102 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Lista de figuras 
Figura 1. Tipo de conexiones de momento .................................................................................................................. 17 
Figura 2.Condiciones de ductilidad para diferentes materiales. .................................................................................. 18 
Figura 3. Ciclos de histéresis en estructuras de acero. a) Dúctil, b) Frágil con degradación de rigidez. ..................... 21 
Figura 4. a) Comportamiento histerético del conjunto de miembros, b) Pandeo local posterior a carga. ................... 22 
Figura 5. a) Falla en conexión viga columna de lámina delgada, b) Pandeo local. ..................................................... 23 
Figura 6. Modelo del nodo inicial (a) y propuesto (b) en software de elementos finitos. ........................................... 25 
Figura 7. Diafragma, viga y columna (a) y falla en la soldadura entre viga y diafragma (b). ..................................... 26 
Figura 8. (a) Diagrama (b) Montaje de ensayo en el laboratorio. ................................................................................ 27 
Figura 9. Detalle de la conexión camisa o tubo de acero a la columna de concreto. ................................................... 28 
Figura 10. Alternativas para la conexión de la viga a la camisa de acero. .................................................................. 28 
Figura 11. Esquema general para conexión CS-2, CP-1 y malla en ANSYS v.14. ..................................................... 30 
Figura 12. Enmallado en la zona de la conexión. Elementos tetraédricos y hexaédricos. ........................................... 31 
Figura 13. Curvas de histéresis. ................................................................................................................................... 32 
Figura 14. Esquema de conexiones estudiadas en la presente investigación ............................................................... 33 
Figura 15. Montaje para ensayos experimentales (a) y elementos de la conexión (b). ................................................ 36 
Figura 16. (a) Vista general de la configuración geométrica (b) Corte vista al interior de la columna con núcleo 
relleno. ................................................................................................................................................................ 36 
Figura 17. (a) Características geométricas de elementos de conexión. (b) Tipología y cantidades de pernos y tornillos 
por cada platina................................................................................................................................................... 37 
Figura 18. Características geométricas de las platinas de confinamiento del núcleo de mortero. ............................... 37 
Figura 19. Diagrama comportamiento bilineal sin endurecimiento del acero Grado 50. ............................................ 38 
Figura 20. Diagrama comportamiento bilineal sin endurecimiento del acero A36. .................................................... 38 
Figura 21. Diagrama esfuerzo deformación mortero................................................................................................... 39 
Figura 22. Condiciones de borde del modelo computacional. ..................................................................................... 40 
Figura 23. Geometría elemento SOLID187 ................................................................................................................ 41 
Figura 24. Malla de elementos finitos para conexión soldada, elaborada con elementos hexaédricos. ....................... 41 
Figura 25. Configuración geométrica para los modelos desarrollados por elementos finitos. .................................... 42 
Figura 26. Variación para el segundo modelo de calibración con relleno en ANSYS. ............................................... 42 
Figura 27. Ejemplo de Tipo de conexión BONDED (contacto entre ángulos y tornillos autoperforantes). ................ 43 
Figura 28. Ejemplo de Tipo de conexión FRICTIONAL (contacto entre pernos y columna). .................................... 44 
Figura 29. Protocolo de desplazamientos utilizado en las simulaciones en ANSYS V.19. ......................................... 45 
Figura 30. Envolventes de Modelos Superpuestos sin relleno tanto experimental como computacional. ................... 46 
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Figura 31. (a) Deformaciones en ANSYS para modelo sin relleno, (b) Deformación en la conexión en ANSYS sin 
relleno, (c) Deformación en la conexión laboratorio sin relleno. ....................................................................... 47 
Figura 32. Envolventes de Modelos Superpuestos con relleno tanto experimental como computacional................... 48 
Figura 33. Envolventes de Modelos Superpuestos sin relleno y con relleno tanto experimental como computacional.
 ............................................................................................................................................................................ 49 
Figura 34. Estados de esfuerzos en la columna (a) Sin relleno (b) Con relleno. ......................................................... 50 
Figura 35. Esfuerzos en el núcleo relleno de mortero de altura 220 mm en el modelo de calibración. ....................... 51 
Figura 36. Esfuerzos en las platinas para modelos de calibración. (a) Sin relleno, (b) Con relleno. ........................... 51 
Figura 37. Esfuerzos en la viga para modelos de calibración. (a) Sin relleno, (b) Con relleno. .................................. 52 
Figura 38. Ajuste en la configuración de calibración. ................................................................................................. 53 
Figura 39. (a) Columna modelo original con platinas de 3mm (b) Columna configuración espesor 6.35mm. ........... 53 
Figura 40. (a) Viga modelo original con platinas de 3mm (b) Viga configuración con platinas de 6.35mm. ............. 54 
Figura 41. Comparación modelos sin relleno experimental, ANSYS calibración y ANSYS optimizada. .................. 54 
Figura 42. Envolventes de los modelos optimizados para diferentes alturas de relleno de núcleo.............................. 55 
Figura 43. Zona de valores cuadrante I para sentido ascendente de las envolventes. .................................................. 56 
Figura 44. (a) Modelo Garavito & León, 2020, de 290mm, (b) Modelo Garavito & León, 2020, de 400mm. ........... 56 
Figura 45. (a) Modelo Garavito & León, 2020, de 450mm, (b) Modelo Garavito & León, 2020, de 530mm. ........... 57 
Figura 46. (a) Modelo Garavito & León, 2020, de 570mm, (b) Modelo Garavito & León, 2020, de 800mm. ........... 57 
Figura 47. Estado de esfuerzos para modelo reconfigurado ........................................................................................ 58 
Figura 48. Gráficas de contorno para las alturas de relleno de mortero. ..................................................................... 59 
Figura 49. Gráficas de superficie 3D para datos sentido ascendente y descendente. .................................................. 59 
Figura 50. Esquema básico curva envolvente momento vs. rotación. ......................................................................... 61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ingeniería Civil. 
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Lista de tablas 
Tabla 1. Conexiones precalificadas AISC 358-10. ...................................................................................................... 19 
Tabla 2. Conexiones precalificadas según FEMA 350. ............................................................................................... 19 
Tabla 3. Conexiones precalificadas en Colombia. ....................................................................................................... 20 
Tabla 4. Tipos de uniones Titulo F.4 de estructuras metálicas de la NSR10. .............................................................. 24 
Tabla 5. Geometría de los especímenes. ...................................................................................................................... 26 
Tabla 6. Propiedades de los materiales de acero. ......................................................................................................... 26 
Tabla 7. Perfiles de las conexiones. ............................................................................................................................. 29 
Tabla 8. Tipo de especímenes y programa experimental. ............................................................................................ 31 
Tabla 9. Resumen de modelos reales. .......................................................................................................................... 33 
Tabla 10. Protocolo de cargas cíclicas. ........................................................................................................................ 34 
Tabla 11. Características de los especímenes de ensayo experimental. ....................................................................... 35 
Tabla 12. Propiedades de los materiales utilizados en la simulación computacional por medio de ANSYS. ............. 39 
Tabla 13. Condiciones de borde de la conexión. ......................................................................................................... 40 
Tabla 14. Método de contacto para los elementos de la conexión en ANSYS. ........................................................... 43 
Tabla 15. Protocolo de carga. ...................................................................................................................................... 44 
Tabla 16. Momentos para desplazamiento máximo. .................................................................................................... 49 
Tabla 17. Alturas de relleno para nueva configuración. .............................................................................................. 55 
Tabla 18. Esfuerzos columna modelos reconfigurados para desplazamiento de 56mm. ............................................. 57 
Tabla 19. Esfuerzos viga modelos reconfigurados para desplazamiento de 56mm. .................................................... 58 
Tabla 20. Resultados experimentos comparativos. ...................................................................................................... 63 
Tabla 21. ANOVA para CR1, CR2 y CR3 experimentales. ........................................................................................ 65 
Tabla 22. ANOVA para SR1, SR2 y SR3 experimentales........................................................................................... 65 
Tabla 23. Caracterización de experimentos. ................................................................................................................ 66 
Tabla 24. Resultadosde los diseños de experimentos. ................................................................................................ 68 
Tabla 25. Resultados diferencia mínima significativa LSD. ........................................................................................ 69 
Tabla 26. Resistencia promedio encontrada en los ANOVA para cada escenario. ...................................................... 69 
Tabla 27. Datos obtenidos en ANSYS para el modelo de calibración sin relleno. ...................................................... 75 
Tabla 28. Datos obtenidos en ANSYS para el modelo de calibración con relleno de 220mm. ................................... 75 
Tabla 29. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto sin relleno. ...................................... 75 
Tabla 30. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto con relleno 290mm. ........................ 76 
Tabla 31. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto con relleno 400mm. ........................ 76 
Tabla 32. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto con relleno 450mm. ........................ 76 
Tabla 33. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto con relleno 530mm. ........................ 77 
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Tabla 34. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto con relleno 570mm. ........................ 77 
Tabla 35. Datos obtenidos en ANSYS por la simulación del modelo propuesto con relleno 800mm. ........................ 78 
Tabla 36. Datos experimentales seleccionados para modelo experimental con relleno. .............................................. 80 
Tabla 37. Datos experimentales seleccionados para modelo experimental sin relleno. ............................................... 81 
Tabla 38. Promedio SR1, SR2 y SR3 para calibración ................................................................................................ 82 
Tabla 39. Promedio CR1, CR2 y CR3 para calibración............................................................................................... 82 
Tabla 40. Cálculos para solución ANOVA del DCA................................................................................................... 84 
Tabla 41. Resultados del ANOVA del DCA. .............................................................................................................. 85 
Tabla 42. Método LSD de Fisher escenario 01 (Diferencia mínima significativa). ..................................................... 85 
Tabla 43. Cálculos previos para análisis de tratamientos escenario 2. ......................................................................... 86 
Tabla 44. Cálculos previos para análisis de bloques escenario 2. ................................................................................ 86 
Tabla 45. Valores para Yij2 escenario 2. ...................................................................................................................... 87 
Tabla 46. Resultados del ANOVA del escenario 2. ..................................................................................................... 88 
Tabla 47. Método LSD de Fisher para tratamientos escenario 02 (Diferencia mínima significativa). ........................ 89 
Tabla 48. Cálculos previos para análisis de tratamientos escenario 3. ......................................................................... 89 
Tabla 49. Cálculos previos para análisis de bloques escenario 3. ................................................................................ 90 
Tabla 50. Valores para Yij2 escenario 3. ...................................................................................................................... 90 
Tabla 51. Resultados ANOVA del escenario 3. ........................................................................................................... 91 
Tabla 52. Método LSD de Fisher para tratamientos escenario 03 (Diferencia mínima significativa). ........................ 92 
Tabla 53. Cálculos previos para análisis de bloques escenario 4. ................................................................................ 93 
Tabla 54. Cálculos previos para análisis de tratamientos escenario 4. ......................................................................... 93 
Tabla 55. Valores para Yij2 escenario 4. ...................................................................................................................... 93 
Tabla 56. Resultados ANOVA del escenario 4. ........................................................................................................... 95 
Tabla 57. Método LSD de Fisher para tratamientos escenario 04 (Diferencia mínima significativa). ........................ 95 
Tabla 58. Cálculos para experimento comparativo de muestras pareadas modelo sin relleno. .................................... 98 
Tabla 59. Cálculos para experimento comparativo de muestras pareadas modelo con relleno. .................................. 99 
Tabla 60. Datos experimentales completos ensayos sin relleno. ............................................................................... 102 
Tabla 61. Datos experimentales completos ensayos con relleno. .............................................................................. 103 
 
 
 
 
 
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Introducción 
El uso del acero en la construcción ha ido creciendo de manera acelerada en los últimos 
años, debido a que presenta características superiores tanto de resistencia como de rigidez con 
respecto al concreto en miembros sometidos a esfuerzos de tensión, lo cual ha permitido su uso en 
la fabricación de elementos estructurales primarios y secundarios, cumpliendo con diferentes 
normativas internacionales, y en particular con el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo 
Resistente NSR 10. 
En Colombia, el acero laminado en frio es usado básicamente para elementos estructurales 
secundarios, como es el caso de las viguetas en sistemas de entrepiso, dada su susceptibilidad al 
pandeo local y carencia de rigidez en las conexiones, ya que, su capacidad de carga es limitada, 
debido a las grandes relaciones de ancho-espesor de las láminas. Sin embargo, dicha relación 
influye en la resistencia y rigidez de la sección, dependiendo tanto del material como de su 
configuración geométrica. Por lo tanto, caracterizar un tipo de conexión en lámina delgada con una 
geometría adecuada podría convertirse en una alternativa que garantice un adecuado 
comportamiento ante condiciones sísmicas, optimizando el peso total de la estructura con un 
material de gran resistencia y ductilidad, además de permitir rapidez en el montaje y una 
construcción más limpia, trabajabilidad de mayores luces con respecto a las empleadas 
comúnmente en estructuras de concreto e incluso disminución en los costos de cimentación, ya que 
siendo configuraciones más livianas, se obtienen reducciones en el peso por metro cuadrado de la 
estructura (Salazar & Martínez, 2006). Estas ventajas se han convertido en un tema relevante, 
dentro de la estabilidad y optimización estructural. 
Rojas, 2017 realizó el siguiente comentario con respecto a los miembros formados en frio: 
“Las estructuras metálicas tienen unas ventajas estructurales en cuanto a su resistencia, 
uniformidad y ductilidad. Sin embargo, al momento de plantear estas estructuras se dificulta el 
diseño de sus conexiones. Con frecuencia se ha encontrado que una de las causas de daños 
estructurales parciales o incluso de colapso en estructuras de acero es debido a la falla de alguna 
conexión” (Rojas, 2017). 
Se han logrado desarrollar dos conexiones precalificadas en acero formado en frio enColombia para pórticos con capacidad mínima de disipación de energía (DMI) y pórtico con 
capacidad moderada de disipación de energía (DMO), en los años 2006 y 2007 respectivamente 
dentro de las investigaciones académicas de los ingenieros Enrique López y Sergio Villar, en la 
Universidad Nacional de Colombia. Del mismo modo, Uribe (2009) caracterizó un sistema de 
conexión compuesto por una columna tubular con relleno de mortero y una viga en I en perfiles 
laminados en caliente. 
Dentro de este tipo de investigaciones, la evaluación de los sistemas aporticados se 
encuentra relacionada a factores como costos para adquisición de material y ensayos de laboratorio 
Ingeniería Civil. 
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para la ejecución de las prácticas experimentales, en donde se requieren prototipos físicos, ante lo 
cual, ha surgido la simulación computacional como una metodología alterna, con el fin de reducir 
la inversión, obtener resultados aproximados con base en una adecuada calibración y poder analizar 
en detalle el proceso de incremento de esfuerzos y deformaciones en el sistema. 
Uribe & Valencia, 2009 contemplaron el desarrollo de modelos teórico-matemáticos 
empleando el método de los elementos finitos, con el fin de efectuar un análisis comparativo de los 
resultados teóricos con los obtenidos experimentalmente, al realizar los ensayos cíclicos de carga 
para cada espécimen. 
De acuerdo con este panorama, para el desarrollo de esta investigación se propone simular 
uno de los lugares más críticos de una estructura metálica, como lo son las conexiones ante 
situaciones de cargas cíclicas, implementando un nudo de mortero con altura variable y perfiles 
tubulares laminados en frio para los elementos estructurales de columnas y vigas. Con los 
resultados obtenidos se pretende evaluar si la modificación al nudo genera mejora en el 
comportamiento estructural. 
Este documento contempla el desarrollo de cinco capítulos orientados a la simulación de 
modelos de conexión empleando también el método de los elementos finitos mediante la aplicación 
del software comercial ANSYS Workbench, presentando en el primer capítulo el marco teórico y 
referencial de antecedentes, destacando avances relevantes sobre conexiones en acero en lámina 
delgada. Con base en estas referencias, en el capítulo II se definen las características mecánicas de 
los materiales incorporadas en el programa, así como la geometría de la configuración, tenidas en 
cuenta en los modelos con y sin relleno. En el tercer capítulo, se ajustan los parámetros de 
simulación conforme a los resultados experimentales de Pineda & Hurtado (2020). 
Posteriormente, se plantea una serie de configuraciones que representan el comportamiento 
de la conexión con los parámetros ya ajustados según la calibración, las cuales son evaluadas en el 
capítulo IV, teniendo como principal variable de estudio la altura de relleno del mortero y 
presentando el análisis de los resultados en el quinto capítulo, soportándose por medio de técnicas 
estadísticas. 
Finalmente, se concluye para la configuración compuesta por una columna y viga tubular 
en acero formado en frío y en sección cajón, a partir de la unión de dos perfiles tipo PHR C 
220mmx80mmx20mm de 3mm de espesor, que puede llegar a obtener una optimización en el 
comportamiento estructural por medio de la inclusión del núcleo relleno de mortero, proponiendo 
una altura de relleno del doble de altura de la viga. 
 
 
 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
P á g i n a 14 | 104 
 
Objetivos 
General 
Describir el comportamiento de la configuración de conexión planteada, para unión viga – 
columna, que incluye un nudo de mortero con determinada altura y secciones laminadas en frio 
para elementos estructurales, en case a resultados obtenidos de las simulaciones realizadas en 
ANSYS v 19, teniendo en cuenta los fenómenos de pandeo local y falla en las conexiones. 
Específicos: 
Efectuar un análisis comparativo de los resultados de las simulaciones en ANSYS v. 19 con 
los obtenidos experimentalmente por la investigación aliada, al realizar ensayos cíclicos de carga 
para cada espécimen, teniendo en cuenta tres modelaciones con características iguales a los 
prototipos del estudio experimental y otros tres con altura de relleno de mortero variable elegidas 
por los investigadores. 
Valorar el desempeño de las configuraciones propuestas por medio de la evaluación de 
criterios de diseño y modelos teórico – matemáticos para el análisis de los resultados que arroje 
cada una de las simulaciones en el programa ANSYS v. 19. 
Realizar conclusiones con el fin de validar el análisis por elementos finitos de estructuras 
con este tipo de conexión y la influencia de la variación en la relación ancho – espesor (b/t) de las 
columnas y vigas, respecto al pandeo local y falla en las conexiones 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ingeniería Civil. 
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P á g i n a 15 | 104 
 
Capítulo I: Generalidades 
1.1 Marco teórico 
1.1.1 Método de los elementos finitos (MEF): 
El método de los elementos finitos (MEF) es un procedimiento numérico que aproxima 
soluciones exactas en puntos discretos llamados nudos (Moaveni, 1999), cuando las ecuaciones 
diferenciales que describen un modelo matemático son de alta complejidad. 
En general, la dificultad del método se basa en el tipo de geometría, material y demás 
condiciones que se estén evaluando. El MEF usa formulaciones integrales en lugar de 
ecuaciones diferenciales y de esta manera crea un sistema algebraico que asume funciones de 
continuidad o forma para representar la solución del elemento discretizado, generando la 
solución completa a partir de la conexión o ensamblaje de las soluciones individuales obtenidas 
en cada elemento, permitiendo continuidad en los límites inter elementales. 
Algunos programas computacionales tienen como base para su funcionamiento este 
método, permitiendo ir más allá que los sistemas lineales que presentan menor grado de 
complejidad y normalmente no tienen en cuenta deformaciones plásticas, mientras que los 
sistemas no lineales permiten llegar a obtener condiciones de falla en el material, utilizando la 
preparación de una malla y ejecución de piezas sometidas a fenómenos físicos, en este caso 
cargas cíclicas que simulan cargas sísmicas, que pueden exponer a la conexión al fenómeno de 
pandeo local, falla en la unión y colapso de la estructura. 
Teniendo en cuenta que los principales elementos para tener en cuenta en el MEF son 
aspectos como la función de forma (N) y las deformaciones, se establece la primera para permitir 
obtener una relación de dependencia total de los desplazamientos generalizados conteniendo 
todas las posibilidades de desplazamiento y giro en cualquier punto de la estructura, a partir de 
los desplazamientos nodales, que son producto de la discretización de un elemento continuo, 
por lo que las funciones de forma se emplean como un método de interpolación del sistema 
continuo al discreto. 
Por otro lado, las deformaciones se pueden obtener a partir de su relación con los 
desplazamientos y los esfuerzos aplicando el principio del trabajo virtual y considerando una 
estructura en equilibrio que es sometida a un sistema de desplazamientos virtuales compatibles 
con el estado de deformación, obteniendo finalmente la matriz de carga por vector de 
desplazamientos mostrada en la Ecuación 1, a partir de las siguientes variables: 
[K]: Matriz de rigidez que contempla las propiedades geométricas del elemento y 
mecánicas del material. 
{q}: Vector de desplazamientos nodales. 
Ingeniería Civil. 
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P á g i n a 16 | 104{Pb}: Vector de influencia de cargas másicas. 
{P}: Vector de cargas en los nudos 
 [𝐾]{𝑞} = {𝑃𝑏} + {𝑃} (1) 
 
1.1.2 Diseño Sismo Resistente: 
Es una metodología de diseño en la que se contemplan ciertos criterios que tienen como 
función clasificar el grado de daño en que se verá afectada una estructura, buscando garantizar 
su estabilidad bajo la acción de cargas sísmicas. Cuando se habla de una edificación sismo 
resistente, se hace referencia a aquella que está en capacidad de mantenerse en pie después de 
un evento sísmico, por lo que en la etapa de diseño se debe garantizar que el sistema pueda 
llegar a soportar cierto grado de deformaciones sin llegar al colapso. 
Teniendo en cuenta tales eventos, las normativas se han direccionado hacia el diseño de 
estructuras que sean capaces de resistir además de las fuerzas gravitacionales usuales, sismos 
de baja intensidad sin daño, sismos moderados sin daño estructural pero posiblemente con algún 
grado de afectación en los elementos no estructurales y sismos de mayor intensidad con daño a 
elementos estructurales y no estructurales, pero sin colapso. 
Esta capacidad de deformación que presentan los elementos de la estructura dentro del 
rango inelástico es conocido como ductilidad, la cual es una de las características fundamentales 
del diseño sismo – resistente, cubriendo la necesidad de protección del patrimonio, preservando 
la vida e integridad de las personas. 
 
1.1.3 Conexiones de momento: 
De acuerdo con la especificación ANSI/AISC 360-10, para construcciones de acero se 
permiten dos tipos de conexiones de momento, completamente restringidas (Fully Restraint, 
FR), y parcialmente restringida (Partially restraint, PR), representadas en la Figura 1. 
1.1.3.1 Conexiones de momento completamente restringidas (FR): 
Este tipo de conexión considera una diferencia de rotación despreciable entre los 
miembros conectados. En el análisis de la estructura se puede suponer que la conexión no 
permite la rotación relativa. Una conexión FR, deberá tener suficiente resistencia y rigidez 
para mantener el ángulo entre los miembros conectados en los estados límites de resistentes. 
1.1.3.2 Conexiones de momentos parcialmente restringidas (PR): 
Para esta tipología de conexiones, se considera un valor mínimo finito de rotación 
entre los miembros conectados. En el análisis estructural, la relación fuerza deformación 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
P á g i n a 17 | 104 
 
de la conexión debe ser incluida. Las curvas características de las conexiones PR que se 
usen, deberán encontrarse documentadas en la literatura técnica o en su defecto ser 
determinadas mediante métodos analíticos o experimentales. Los miembros componentes 
de una conexión PR deberán tener suficiente resistencia rigidez y capacidad de 
deformación en los estados límites resistentes. 
 
Conexiones momento completamente 
restringidas (FR) 
Conexiones momento parcialmente restringidas 
(PR) 
𝜃 = 0 𝜃 ≠ 0 
Totalmente restringido Parcialmente rígido 
 
Figura 1. Tipo de conexiones de momento 
Fuente: (ALACERO, 2020). Recuperado el 26 de Julio de 2018, http:// www.arquitecturaenacero.org/uso-
y aplicaciones-del-acero/soluciones-constructivas/conexiones-en-aceroapernadas-o-soldadas. 
 
1.1.4 Cargas cíclicas o dinámicas: 
Son cargas repetidas periódicamente, que a diferencia de cargas estáticas pueden llegar 
a inducir la falla de los materiales rápidamente, originando la afectación tanto en la magnitud 
de los esfuerzos como en las deformaciones. Al aplicar estos ciclos de carga generalmente se 
supera el límite elástico del material y se modifica la trayectoria en la descarga y recarga, cuyo 
comportamiento puede ser interpretado en un diagrama de histéresis. 
Estas cargas dinámicas producidas por el impacto de un cuerpo en movimiento pueden 
originar en la estructura o en parte de ella efectos vibratorios. Si la carga cíclica se repite en 
forma periódica, y su frecuencia coincide con el periodo de vibración del elemento, este puede 
entrar en resonancia, originando deformaciones tan grandes que conducen al colapso de la 
estructura (Fliess, 1998). De igual manera, como consecuencia de una repetición de cargas 
cíclicas de tensión inferior a la resistencia última, se puede llegar a presentar el estado límite de 
fatiga del material, induciendo a la aparición de fisuras en los estructurales. 
Dada la importancia de esta tipología de cargas, las disposiciones sísmicas que 
AISC,2010 incluyen en el Apéndice S: Pruebas cíclicas de calificación de conexiones entre 
columna y viga, para la caracterización de conexiones que no están precalificadas, utilizando el 
protocolo de carga incluido en FEMA en la tabla 3-14, y presentada en Tabla 15. Protocolo de 
carga. 
Sin rotación relativa Rotación Parcial 
Viga Principal 
Viga Principal 
C
o
lu
m
n
a 
es
tr
u
ct
u
ra
l 
C
o
lu
m
n
a 
es
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C
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lu
m
n
a 
es
tr
u
ct
u
ra
l 
C
o
lu
m
n
a 
es
tr
u
ct
u
ra
l 
http://www.arquitecturaenacero/
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
P á g i n a 18 | 104 
 
1.1.5 Ductilidad 
 En términos de materiales estructurales y diseño sísmico, el término ductilidad se usa 
para evaluar el comportamiento de las estructuras, indicando la cantidad de energía que puede 
ser disipada a través de deformaciones dentro del rango inelástico. Este concepto permite definir 
la resistencia última, la cual es uno de los criterios más relevantes en el diseño de estructuras 
(García, 2015). 
En la Figura 2, se presentan condiciones de ductilidad para diferentes materiales, 
teniendo en cuenta, que la ausencia en la capacidad de ductilidad se conoce como fragilidad del 
material, y se presenta principalmente en materiales de naturaleza pétrea y cerámica. 
 
 
Figura 2.Condiciones de ductilidad para diferentes materiales. 
Fuente: (Cascales Fernández et al., 2017). Criterios de diseño sísmico en viaductos en la zona de levante. 
 
1.1.6 Conexiones precalificadas: 
Crisafulli, 2018 define a las conexiones precalificadas como aquellas que han sido 
validadas en forma experimental, ya sea como parte del desarrollo de algún proyecto o bien en 
ensayos previos que se encuentran debidamente documentados. 
 
En la Tabla 1, se presentan los diferentes tipos de conexiones precalificadas según el 
American Institute of Steel Construction (AISC 358-10), para sistemas SMF (SPECIAL 
MOMENT FRAMES “DES”) y IMF (INTERMEDIATE MOMENT FRAMES “DMO”). 
 
 
Material elástico ideal (esencialmente elástico) 
 
Curva de comportamiento de material Frágil 
 
Curva de comportamiento de material con 
ductilidad limitada 
Curva de comportamiento de material dúctil 
 Desplazamiento 
Ingeniería Civil. 
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P á g i n a 19 | 104 
 
Tabla 1. Conexiones precalificadas AISC 358-10. 
Conexiones precalificadas 
Tipo de Conexión Referencia AISC Sistema 
Vigas de sección reducida (Reduced beam section, RBS) Capítulo 5 SMF, IMF 
Placa de extremo no atiesada (Bolted unstiffened extended 
end plate BSEEP) 
Capítulo 6 SMF, IMF 
Placa de extremo atiesada (Bolted stiffened extended end 
plate BSEEP) 
Capítulo 6 SMF, IMF 
Cubreplacas pernado (Bolted flange plate BFP) Capítulo 7 SMF, IMF 
Aletas y alma soldada sin refuerzo (Welded unreinforced 
flange- welded web WUF-w) 
Capítulo 8 SMF, IMF 
Ménsula Kaiser pernada (Kaiser bolted bracket KBB) Capítulo 9 SMF, IMF 
Conexión ConXtech (ConXtech ConXL moment 
connection ConXL) 
Capítulo 10 SMF, IMF 
Fuente: (AISC, 2010). Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for 
Seismic Applications for Steel Buildings. 
En la Tabla 2 se presentan las conexiones precalificadas que son recomendadas y 
adecuadaspara sistemas resistentes a momentos por la Federal Emergency Management Agency 
(FEMA 350): 
Tabla 2. Conexiones precalificadas según FEMA 350. 
Categoría Descripción de la conexión Abreviatura Sistema permitido 
Soldada y 
totalmente 
restringida 
Welded Unreinforced 
Flanges, Bolted Web. 
(Aletas Soldadas No 
Reforzadas-Alma 
Apernada). 
WUF-B 
OMF (Pórtico ordinario 
resistente 
a momento). 
Welded Unreinforced 
Flanges, Welded Web. 
(Aletas Soldadas No 
Reforzadas-Alma Soldada). 
WUF-W 
OMF, SMF (Pórtico 
ordinario resistente a 
momento; Pórtico 
sísmico resistente momento). 
Free Flange 
(Aleta Libre). 
FF OMF, SMF 
Welded Flange Plate 
(Placa Soldada a la Aleta) 
WFP OMF, SMF 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
P á g i n a 20 | 104 
 
Reduced Beam Section 
(Viga de Seccion Reducida) 
RBS OMF, SMF 
Apernada 
totalmente 
restringida 
Bolted, Unstiffened End 
Plate 
(Placa Extrema-Apernada 
No-Atiesada) 
BUEP OMF, SMF 
Bolted, Stifferned End Plate 
(Placa Extrema Apernada 
Atiesada) 
BSEP OMF, SMF 
Bolted Flange Plates 
(Placas Apernadas a las 
Aletas) 
BFP OMF, SMF 
Apernado 
parcialmente 
restringida 
Double Split Tee 
(Doble T Cortada) 
DST OMF, SMF 
Fuente: (Hamburger & J.Hall, 2000). Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-
Frame Buildings. 
 
En la Tabla 3 se incluyen, algunas de las conexiones precalificadas en Colombia desde 
el año 2004 hasta el 2017, teniendo en cuenta diferentes configuraciones que involucran tanto 
acero laminado en caliente como acero laminado en frio, cuyas propuestas contemplan secciones 
y uniones de diversos tipos. 
Dentro de estos proyectos, se encuentran autores como López (2006) y Villar (2007), 
quienes han manejado exclusivamente perfiles de acero de lámina delgada y cuya propuesta 
logró pertenecer a las precalificaciones colombianas para sistemas de pórtico con capacidad 
mínima de disipación de energía. 
Tabla 3. Conexiones precalificadas en Colombia. 
Conexiones precalificadas en Colombia 
Conexión Sistema Año Autores 
Uniones a momento en perfiles de lámina 
delgada doblados en frío 
DMI, DMO 2004 A. Gallo, J. Narváez 
Conexión tubo-viga reforzada DES 2004 J. Posada, C. Pabón 
Conexión a columna laminada soldada con 
cubre placas 
DES 2005 H. Acero 
Conexión para pórticos de lámina delgada DMI 2006 E. López 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
P á g i n a 21 | 104 
 
Conexiones para pórticos de lámina delgada 
segunda parte 
DMI, DMO 2007 S. Villar 
Conexión rígida de una viga I y una columna 
tubular rellena de concreto 
DES 2008 M. Uribe 
Conexión a columna laminada soldada con 
cubre placas y sección reducida 
DES 2011 C. Cerón 
Conexión a momento empleando vigas de alma 
expandida 
DMO 2011 E. Ramírez 
Conexión metálica rígida viga I- columna 
compuesta embebida. 
DES 2012 C. Torres 
Conexiones de perfiles I de acero-viga 
conectada al eje débil de la columna 
DES 2015 C. Andrade 
Fuente: (Rojas et al., 2017). Conexiones precalificadas en Colombia. Universidad Industrial de Santander. 
1.1.7 Histéresis 
La histéresis hace referencia al comportamiento de los materiales estructurales cuando 
se ven sometidos a deformaciones o esfuerzos cíclicos, los cuales exceden el rango de respuesta 
lineal o elástica. Una gran parte de la energía que es capaz de disipar el elemento estructural en 
el rango inelástico de respuesta, se asocia con el área comprendida dentro de la curva de los 
ciclos de histéresis (García, 2015), ya que, al comparar dos tipos de materiales, es evidente 
gráficamente la importante degradación de rigidez al avanzar los ciclos teniendo una estructura 
tipo dúctil y una poco dúctil, tal como se ve en la Figura 3, destacando una característica del 
acero estructural denominada endurecimiento por deformación, la cual, permite alcanzar 
tensiones últimas superiores a la tensión cedente o punto del comienzo del rango plástico. 
 
Figura 3. Ciclos de histéresis en estructuras de acero. a) Dúctil, b) Frágil con degradación de rigidez. 
Fuente: (Loges, 2017). Importancia de las conexiones en el comportamiento sismoresistente de 
edificaciones aporticadas de acero estructural. Universidad Central de Venezuela. 
 
(a) (b) 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
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Este comportamiento histerético en conexiones de acero estructural ha permitido 
determinar, para cada tipo de conexión, el desempeño que tendría durante un sismo y evaluar, 
entre otras cosas, su resistencia hasta alcanzar su capacidad máxima, para así poder constatar si 
resulta superior a la de los miembros que une, y verificar, asimismo, que la disipación de energía 
tendrá lugar en las zonas destinadas a ello (Loges, 2017). 
 
En la Figura 4 se muestra la curva de histéresis para una viga en voladizo bajo la acción 
de cargas cíclicas, en donde se puede evidenciar que los ciclos formados se van desplazando 
hacia la derecha, debido a que una vez se le aplique cierta magnitud de carga al material y 
sobrepasar el límite elástico, este queda con una deformación no reversible y por eso cuando se 
hace la descarga de fuerza, el nuevo ciclo empieza a partir de cierto desplazamiento remanente. 
Se resalta en rojo, cómo sucede la caída de resistencia y rigidez producto del deterioro de la viga 
en la zona de disipación de energía debido a las cargas alternantes y dibujando dos rectas 
uniendo los extremos de ciclos de histéresis, se puede visualizar la degradación de rigidez 
mediante la variación en la pendiente de las curvas (Loges, 2017). 
 
 
Figura 4. a) Comportamiento histerético del conjunto de miembros, b) Pandeo local posterior a carga. 
Fuente: (Loges, 2017). Importancia de las conexiones en el comportamiento sismoresistente de 
edificaciones aporticadas de acero estructural. Universidad Central de Venezuela. 
 
1.1.8 Estructuras de acero con perfiles de lámina formada en frio 
La American Iron and Steel Institute (AISI) en 2010 define a los miembros estructurales 
de acero conformado en frio de la siguiente manera: 
“Los miembros estructurales de acero conformado en frío son perfiles que se fabrican 
plegando o laminando placas metálicas, provenientes de rollos, bobinas o planchas, siendo ambas 
operaciones realizadas a temperatura ambiente, es decir, sin agregar calor del modo que sería 
necesario para un conformado en caliente. Este proceso se utiliza para alcanzar dimensiones más 
exactas, con mejores calidades de superficie y para aplicaciones técnicamente más precisas, o 
donde la estética es importante” (AISC, 2010). 
 
(a) 
(b) 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
P á g i n a 23 | 104 
 
En términos de características físicas, los aceros laminados en frío son típicamente más 
duros y fuertes que los aceros estándar laminados en caliente. A medida que se le da forma al 
metal a las menores temperaturas, el acero se endurece, la resistencia contra la tensión de rotura 
y contra la deformación se incrementan debido al endurecimiento mecánico dado por las 
curvaturas. Estos tratamientos adicionales, sin embargo, pueden también crear incremento de 
esfuerzos internos dentro del material, lo cual puede causar deformación impredecible si al acero 
no se le alivia la presión antes de cortar, moler o soldar (Crisafulli, 2018). 
 
Los lineamientos, parámetros y ecuaciones de diseño para este tipo de elementos se 
encuentran en el capítulo F.4 de la NSR-10, provenientes del AISI S-100, estableciendo los 
límites y consideraciones dimensionales de los elementos, deflexiones, resistencias y anchos 
efectivos en donde se distribuye la carga, y cuyo concepto fue desarrollado por Karman en 1932, 
el cual consisteen suponer que la carga total es resistida por una sección de ancho ficticio 
efectivo, sometido a un esfuerzo uniformemente distribuido igual al esfuerzo de los bordes 
(Flórez & Yamin, 2000). 
 
A su vez, según las especificaciones del F.4 de la NSR-10, la resistencia al pandeo lateral 
torsional, pandeo distorsional y pandeo local de miembros de acero con perfiles de lámina 
formada en frio, bajó la acción de fuerzas de flexión, compresión, corte y aplastamiento, se 
determinan por las posibles deformaciones localizadas en las zonas más débiles del elemento 
esbelto, los cuales presentan relaciones ancho - espesor altas, evidenciando que la capacidad de 
un perfil se ve reducida por el potencial pandeo local que se puede presentar, razón por la cual 
en el diseño se castiga fuertemente la resistencia con un coeficiente de reducción del 0.50, como 
factor de reducción de resistencia. 
 
En la Figura 5, se presentan diferentes conexiones con deformación y falla en los 
elementos de lámina delgada. 
 
Figura 5. a) Falla en conexión viga columna de lámina delgada, b) Pandeo local. 
Fuente: (Uribe & Valencia, 2009). Calificación de una conexión rígida de una viga I y una columna tubular 
rellena de concreto bajo la acción de cargas dinámicas. Ingeniería e Investigación, Vol 29, No 1. 
https://revistas.unal.edu.co/index.php/ingeinv/rt/printerFriendly/15139/34416 
(a) (b) 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
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La norma también estipula diferentes tipos de uniones, que pueden ser utilizadas para 
estructuras de acero con perfiles formados en frio, y presentados en la Tabla 4. 
 
Tabla 4. Tipos de uniones Titulo F.4 de estructuras metálicas de la NSR10. 
Soladura Perno Tornillos 
Soldadura acanalada Pernos de alta resistencia 
Platinas de relleno atornilladas 
Soldadura Filete Pernos especiales 
Soldadura de tapó y de ranura Pernos tensión 
Combinación de soldaduras 
Pernos de Anclaje 
Platinas de relleno soldadas 
 
Fuente: (Título F, Estructuras Metálicas, 2010) Titulo F NSR10, estructuras metálicas, Reglamento 
Colombiano de construcción sismo resistente, Ministerio de Ambiente, vivienda y Desarrollo territorial. 
 
1.2 Antecedentes 
Numerical study on the performance of beam to concrete filled steel tube column joint with 
adapter bracket, Shiming Chen, Junming Jiang and Liangjiu Jia, Advances in Structural 
Engineering (2017)1. 
Una conexión viga-columna compuesta por un soporte adaptado fue propuesta e investigada 
por medio de un análisis en el software de elementos finitos ABAQUS. En esta, una platina fue 
soldada a la viga con sección en I y pernada a la columna tubular cuadrada rellena de concreto. 
Cada prototipo constó de una columna, una viga, dos platinas y ocho pernos. Las longitudes de la 
columna y la viga fueron de 1625mm y 1700 mm respectivamente, así como las secciones del tubo 
cuadrado de la columna fueron de 200mm x 200mm x10mm y el de la viga de 300mm x 150mm 
x10mm. A su vez la platina usada tenía 540mm de altura y 200 mm de ancho con espesores de 12 
y 18mm. Se utilizaron 8 pernos M20 de grado 10.9 para unir la platina. 
 
Con respecto a las propiedades de los materiales para los miembros de acero, se utilizó un 
módulo de elasticidad y un coeficiente de Poisson 210GPa y 0,3 respectivamente. El esfuerzo de 
fluencia donde el elemento inició su comportamiento plástico fue 235 MPa y llegando a la falla a 
los 380 MPa, y 900MPa para tornillos de alta resistencia. 
 
Posteriormente, se realizan otros dos modelos numéricos teniendo en cuenta los resultados 
obtenidos inicialmente, modificando la conexión con el fin de mejorar su comportamiento en 
términos de rigidez, capacidad de rotación y modo de falla, teniendo en cuenta que las variables en 
los modelos fueron el espesor de las platinas y el tamaño de los pernos. En la Figura 6 se puede 
observar el modelo inicial y propuesto trabajado en la investigación. 
 
1 Estudio numérico sobre el rendimiento de una viga y una columna tubular rellana de concreto unidas con un soporte 
adaptado, Shiming Chen, Junming Jiang and Liangjiu Jia, Avances de ingeniería estructural (2017). 
Ingeniería Civil. 
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Figura 6. Modelo del nodo inicial (a) y propuesto (b) en software de elementos finitos. 
Fuente: Shiming Chen, (2017).Numerical study on the performance of beam to concrete filled steel tube 
column joint with adapter bracket. Advances in Structural Engineering. 
Se encontró finalmente que las fallas presentadas en el nodo incluyeron fractura de pernos, 
fractura de la platina perforada y pandeo local. Por otro lado, las articulaciones del sistema de 
soporte se clasificaron como la articulación semirrígida y de fuerza completa, en donde los modelos 
en ABAQUS se validaron de manera eficiente respecto a los experimentales. 
 
Panel zone behavior of diaphragm through connection between concrete filled steel tubular 
columns and steel beams, Liao Wu, Zhihua Chen, Bin Rong and Song Luo, Advances in 
Structural Engineering (2016)2. 
Esta investigación se basa en el estudio del comportamiento de la conexión entre un tubo 
de acero relleno de concreto y vigas de acero, en donde la conexión cumple con el principio de 
jerarquía estructural “columnas fuertes y viga débil”, a través de un diafragma localizado en el 
nodo. 
Las columnas y vigas utilizadas fueron tubos de acero cuadrados formados en frio de 
material Q235B soldados con los diafragmas en taller mientras las conexiones viga-columna se 
realizaron teniendo en cuenta el código para el diseño de estructuras (GB 50017-2003, 2003 
NATIONAL STANDARD OF THE PEOPLE´S REPUBLIC OF CHINA), utilizando el electrodo 
E43 y una calidad del perno de S10.9 con diámetro de 16mm. 
 Las resistencias especificadas del concreto empleado para el relleno fueron C30 (30MPa) 
y C40 (40MPa). En la Figura 7 se muestra el montaje de la conexión junto al diafragma y la falla 
presentada en la soldadura. 
 
2 Comportamiento sobre el diafragma a través de la conexión entre columnas tubulares de acero rellenas de concreto 
y vigas en acero, Liao Wu, Zhihua Chen, Bin Rong and Song Luo, Avances de ingeniería estructural (2016). 
(a) (b) 
Ingeniería Civil. 
_____________________________________________________________________________ 
 
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Figura 7. Diafragma, viga y columna (a) y falla en la soldadura entre viga y diafragma (b). 
Fuente: (Wu et al., 2016). Panel zone behavior of diaphragm through connection between concrete filled 
steel tubular columns and steels beams. Advances in structural engineering. 
En las Tabla 5 y Tabla 6 se presenta la información de la geometría y propiedades de los 
materiales, de acuerdo con ensayados de caracterización. 
 
Tabla 5. Geometría de los especímenes. 
Nombre 
Tubo de acero 
(mm) 
Zona de Panel 
(mm) 
Viga acero (mm) 
Espesor 
Diafragma 
(mm) 
Concreto 
Sj-1 250 x 250 x 12 250 x 250 x 6 
250 x 250 x 8 x 14 
14 No aplica 
Sj-2 250 x 250 x 12 250 x 250 x 6 14 C30 
Sj-3 250 x 250 x 12 250 x 250 x 6 14 C40 
Sj-4 250 x 250 x 12 250 x 250 x 8 14 C40 
Sj-5 250 x 250 x 12 250 x 250 x 8 16 C40 
Fuente: (Wu et al., 2016). Panel zone behavior of diaphragm through connection between concrete filled 
steel tubular columns and steels beams. Advances in structural engineering. (Original en inglés) 
Tabla 6. Propiedades de los materiales de acero. 
Espesores (mm) 
Esfuerzo de fluencia 
Fy (MPa) 
Esfuerzo último Fu 
(MPa) 
Módulo de elasticidad Es 
(MPa) 
6 307.9 443.9 1.96 
8 (Alma Viga) 335.2 507.9 1.98 
8 (Columna) 336.5 471.2 1.98 
12 372.9 485.3 2.01 
14 (Aletas Viga) 262.1 437.3 2.03 
14 (Diafragma) 263.3 429.9 2.04 
16 259.8 425.7 2.04 
Fuente: (Wu et al., 2016). Panel zone behavior of diaphragm through connection betweenconcrete filled 
steel tubular columns and steels beams. Advances in structural engineering. 
Se evidencia que la capacidad cortante en el nodo es principalmente soportada por el acero 
de la columna y el núcleo de concreto, por medio de un diafragma que es soldado a la columna y 
(a) (b) 
Ingeniería Civil. 
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es pernada a la viga adicionando una platina. Esta conexión fue sometida de acuerdo con la 
especificación de métodos de prueba para edificios sismorresistentes, aplicando una fuerza gradual 
al extremo de la viga como se aprecia en la Figura 8 y teniendo en cuenta que cada espécimen fue 
precargado dos veces para verificar la reacción de la configuración de prueba y los dispositivos de 
medición. 
 
Figura 8. (a) Diagrama (b) Montaje de ensayo en el laboratorio. 
Fuente: (Wu et al., 2016). Panel zone behavior of diaphragm through connection between concrete filled 
steel tubular columns and steels beams. Advances in structural engineering 
Se logró concluir que el relleno permitió disminuir el pandeo de las secciones de acero, ya 
que, solo la conexión sin hormigón lo produjo, mejorando la capacidad de resistencia al corte. A 
su vez, se presentó aplastamiento en el núcleo y grietas inclinadas paralelas que indican, que en tal 
punto solo se puede soportar la compresión. 
La configuración de la conexión mejoró la capacidad de deformación plástica, sin embargo, 
la capacidad de carga no se fortaleció apreciablemente con el aumento de la resistencia del núcleo, 
existiendo una diferencia apreciable entre los datos probados y los calculados cuando las 
conexiones se llenan con concreto, lo que indica que los modelos teóricos que se utilizan para 
predecir la capacidad de corte del concreto deben mejorarse. 
The new proposed details for moment resisting connections of steel beam to continuous 
concrete column, H Zibasokhan, F Behnamfar y K Behfarnia, Advances in Structural 
Engineering, Vol. 19(1) 156-169 (2016)3. 
Es una investigación en donde se propusieron seis configuraciones de detallado para 
conexiones compuestas de concreto y acero, para el caso específico de una columna conformada 
en su totalidad de concreto de 30 MPa con sección de 450mm x 275mm, unida a una viga de acero 
IPE270, en donde una camisa de acero con espesores de 5.1mm, 10.2mm y 15.3mm y alturas de 
405mm, 540mm y 675mm es usada para hacer la conexión entre elementos y lograr la transferencia 
de las cargas entre ellos. Se realizaron ensayos experimentales y numéricos por el método de 
elementos finitos usando el software ABAQUS versión 6.8. 
 
3 Nuevos detalles propuestos para las conexiones resistentes a momento con viga en acero y columna continua de 
concreto, H.Zibasokhan, F Behnamfar y K Behfarnia, Avances en ingeniería estructural, Vol. 19(1)156-169 (2016). 
Ingeniería Civil. 
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Inicialmente, para poder unir la camisa de acero a la columna se emplearon clavos de acero 
como conectores a cortante de diámetro 19mm y longitud de 100mm. En otra configuración se 
emplearon canales con sección en U (U80mm L=275mm), como se puede ver en la Figura 9. 
 
Figura 9. Detalle de la conexión camisa o tubo de acero a la columna de concreto. 
Fuente: (Zibasokhan et al., 2016). The new proposed details for moment resisting connections of steel beam 
to continuous concrete column. Advances in Structural Engineering, Vol 19, No 1. 
Para el modelo en ABAQUS, se utilizó un coeficiente de fricción de 0.3 en el área de 
contacto entre la camisa y la columna. Por otro lado, para lograr la conexión de la viga a la camisa 
de acero se emplearon tres metodologías distintas, incluyendo soldadura directa, platinas en las 
aletas del perfil y platinas unidas a las aletas de la viga que rodean por completo la columna, como 
se puede ver en la Figura 10. 
 
 
Figura 10. Alternativas para la conexión de la viga a la camisa de acero. 
Fuente: (Zibasokhan et al., 2016). The new proposed details for moment resisting connections of steel 
beam to continuous concrete column. Advances in Structural Engineering, Vol 19, No 1. 
Las conexiones realizadas hacen parte de un sistema resistente a momento bajo cargas 
gravitacionales y cargas laterales. Las primeras se aplican como 0.1 de la resistencia a la 
compresión final de la columna y las segundas son aplicadas al mismo elemento lateralmente como 
cargas estáticas. 
Los perfiles y las placas de acero fueron de calidad St37, con esfuerzo de fluencia de 240 
MPa y esfuerzo último (Fu) de 370 MPa. El material de soldadura es de electrodo E60 con esfuerzo 
máximo (Fu) de 420 MPa. El módulo de elasticidad considerado es de 200 GPa para todos los 
elementos. 
Ingeniería Civil. 
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Por otro lado, espesores inferiores de la camisa de acero con respecto a la aleta de la viga 
se inducirá a la deformación plástica en la camisa, que a su vez disminuye la rigidez elástica y la 
resistencia máxima de la conexión. Las conexiones propuestas fueron comparadas con los nudos 
convencionales de acuerdo con su rigidez, resistencia y ductilidad hasta llegar a la conclusión que 
la altura óptima de la camisa fue de aproximadamente de 1.5 a 2 veces la profundidad de la viga. 
Calificación de conexiones de perfiles I de acero-viga conectada al eje débil de la columna, 
Carolina Andrade García, Universidad Nacional de Colombia, Tesis de investigación 
presentada como requisito para Magister en Ingeniería (2015). 
El propósito de esta investigación fue analizar el comportamiento de una conexión viga 
fuerte-Columna débil ante cargas cíclicas, a partir de la comparación de resultados experimentales 
y los obtenidos del análisis por elementos finitos mediante el software ANSYS v.14, dado que las 
conexiones viga-columna para perfiles I precalificadas por el AISC o por el FEMA, están definidas 
solamente para el caso de las almas de viga y columna contenidas en el mismo plano, obligando a 
buscar una configuración de construcción en edificaciones de difícil cumplimiento, haciéndose 
necesario en algunos casos una conexión viga-columna, con las almas perpendiculares entre sí 
(Conexión al Eje Débil de la Columna o CEDC), lo cual no está contemplada en el AISC ni en el 
Reglamento Sismo-Resistente Colombiano NSR-10. 
Se realizaron dos configuraciones entre las que se encuentra la unión solada y empernada, 
ensayando para cada una de estas tres uniones con las características que se muestran en la Tabla 
7, teniendo en cuenta que Tpcs, Tcpci y Tpa corresponde respectivamente a los espesores de las 
placas de continuidad que conectan los patines de las vigas con columna, la placa de conecta el 
alma con la columna y los pernos de ensamble con los cuales se soldaron al alma. 
Tabla 7. Perfiles de las conexiones. 
Nombre Columna Viga Tipo 
H 
(mm) 
Pernos 
Tpcs 
(mm) 
Tpci 
(mm) 
Tpa 
(mm) 
CS-1 W 14 X 82 IPE 270 S 270 NA 16 19 19 
CS-2 W 14 X 82 IPE 300 S 300 NA 16 19 19 
CS-3 W 14 X 82 IPE 330 S 330 NA 19 19 19 
CP-1 W 14 X 82 IPE 270 E 270 10 ɸ 3/4” 15 22 15 
CP-2 W 14 X 82 IPE 300 E 300 10 ɸ 7/8” 15 22 15 
CP-3 W 14 X 82 IPE 330 E 330 10 ɸ 7/8” 22 22 15 
Fuente: (García, 2015). Calificación de conexiones de perfiles I de acero - viga conectada al eje débil de 
la columna, Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. 
Para poder trabajar con los valores reales de resistencia del material, a los diferentes perfiles 
se les hicieron ensayos de tensión, los cuales son exigidos para la calificación de la conexión, y a 
partir de ellos se puede establecer si el diseño previo es congruente y si la jerarquía evaluada cumple 
con lo necesario para un PRM. El material empleado para la viga, columna y platinascorresponde 
Ingeniería Civil. 
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al ASTM A572 Grado 50, con un esfuerzo de fluencia nominal (Fy) de 350 MPa y un esfuerzo 
último (Fu) de 450 MPa. Se realizaron pruebas de laboratorio a escala real, evaluando el 
comportamiento de las conexiones cuando están sujetas a cargas cíclicas, donde se tomó como base 
el protocolo de carga propuesto por el SAC-FEMA, el cual fue establecido después de los eventos 
de Northridge y Kobe. 
Como resultado de los ensayos de laboratorio y de los análisis por elementos finitos de las 
conexiones, se encontró que los seis especímenes cumplieron con los requisitos de rotación 
exigidos en el NSR-10 y en el AISC de 0.04 radianes, así como con los de resistencia necesarios 
para una conexión rígida de un edificio sismo resistente, aunque se encontró que en la conexión 
soldada presentó una importante concentración de esfuerzos en la soldadura de la aleta inferior. 
En la Figura 11 se pueden observar una conexión solada y otra empernada correspondiente 
a la investigación y la malla del modelo en ANSYS v.14. 
 
Figura 11. Esquema general para conexión CS-2, CP-1 y malla en ANSYS v.14. 
Fuente: (García, 2015). Calificación de conexiones de perfiles I de acero - viga conectada al eje débil de 
la columna, Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. 
Finalmente, se pudo concluir a partir de este estudio que las conexiones evaluadas pueden 
ser utilizadas en edificaciones sismo resistentes de acero, ya que cumplen con los requisitos 
necesarios dentro del reglamento NSR-10. 
Calificación de una conexión rígida de una viga I y una columna tubular rellena de concreto 
bajo la acción de cargas dinámicas, Maritza Uribe Vallejo y Gabriel F. Valencia Clement, 
Universidad Nacional de Colombia, Ingeniería e Investigación, Vol. 29, No 1 (2009). 
En este proyecto de investigación se describe el comportamiento de una conexión rígida de 
una viga I (IPE360) de acero ASTM A-36 y una columna tubular armada con láminas del mismo 
acero, rellena de concreto de resistencia especificada a la compresión (f’c) de 31MPa, por medio 
de una placa extendida y pernos pasantes de varilla roscada ASTM A-193 Gr B7, con diámetro de 
1 ¼”, representados experimentalmente en seis modelos físicos con la relación ancho-espesor de 
las columnas variable en cada uno de los prototipos, sometidos a la acción de cargas cíclicas 
controladas de 1 ciclo cada 10 segundos. 
(CS-2) (CP-1) 
ANSYS 
Ingeniería Civil. 
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Adicionalmente, para estimar los niveles de esfuerzo, deformaciones y deflexiones en el 
punto de aplicación de la carga, se realizan modelos teórico-matemáticos empleando el método de 
los elementos finitos mediante la implementación de ANSYS v.10, manejando elementos 
tridimensionales (MET) tipo solid45 y otros con elementos unidimensionales (MEU) tipo BEAM3; 
Con el fin de efectuar un comparativo entre los resultados teóricos y los obtenidos 
experimentalmente de los análisis estático-elástico y estático-inelástico, logrando la precalificación 
de una conexión pernada a momento viga-columna para sistemas estructurales con capacidad 
especial de disipación de energía en el rango inelásticos (DES), considerando los criterios de diseño 
de las especificaciones de AISC 2005 y FEMA 350. 
En la Tabla 8 se pueden apreciar las características para los tipos de especímenes utilizados 
en la investigación de Uribe y Valencia. 
Tabla 8. Tipo de especímenes y programa experimental. 
Espécimen 
Sección columna 
(bxhxc) 
Espesor 
(mm) 
Relación 
(b\t) 
Rellena de 
concreto 
Viga 
Tipo de 
conexión 
Ensayos 
cíclicos 
E-1 250 x 300 x 3/16 “ 4.76 52 
Si IPE360 
Conexión 
con placa 
extendida 
y 8 pernos 
pasantes 
1 
E-2 250 x 300 x 1/4 “ 6.35 39 1 
E-3 250 x 300 x 5/16 “ 7.94 31 1 
E-4 200 x 300 x 1/4 “ 6.35 31 1 
E-5 300 x 300 x 1/4 “ 6.35 47 1 
E-6 310 x 300 x 5/16 “ 7.94 39 1 
Fuente: (Uribe & Valencia, 2009). Calificación de una conexión rígida de una viga I y una columna tubular 
rellena de concreto bajo la acción de cargas dinámicas. Ingeniería e Investigación, Vol 29, No 1. 
https://revistas.unal.edu.co/index.php/ingeinv/rt/printerFriendly/15139/34416 
En la Figura 12 se puede observar los elementos tetraédricos y hexaédricos tipo Solid45, 
empleados en el modelo computacional. 
 
Figura 12. Enmallado en la zona de la conexión. Elementos tetraédricos y hexaédricos. 
Fuente: (Uribe & Valencia, 2009). Calificación de una conexión rígida de una viga I y una columna tubular 
rellena de concreto bajo la acción de cargas dinámicas. Ingeniería e Investigación, Vol 29, No 1. 
https://revistas.unal.edu.co/index.php/ingeinv/rt/printerFriendly/15139/34416 
La precalificación se logró ya que la conexión estudiada no presentó degradación apreciable 
de la resistencia con respecto al momento teórico nominal plástico, considerándose como una unión 
Ingeniería Civil. 
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rígida totalmente restringida de acuerdo con la AISC 2005, ya que obtuvo un comportamiento 
histérico dúctil satisfactorio como se ve en la Figura 13, con zonas estables y amplias zonas de 
disipación de energía. La viga no mostró deformaciones inelásticas significativas, pero la columna 
presentó afectación por pandeo local de baja cuantía en especímenes donde la variable de ancho-
espesor no tuvo relevancia en cuanto a resistencia, pero sí respecto a las deformaciones, llegando 
a concluir que el haber rellenado de concreto las columnas contribuyó en gran medida al buen 
comportamiento de la nueva conexión. 
 
Figura 13. Curvas de histéresis. 
Fuente: (Uribe & Valencia, 2009). Calificación de una conexión rígida de una viga I y una columna tubular 
rellena de concreto bajo la acción de cargas dinámicas. Ingeniería e Investigación, Vol 29, No 1. 
https://revistas.unal.edu.co/index.php/ingeinv/rt/printerFriendly/15139/34416 
Calificación de conexiones para pórticos de lámina delgada, Gabriel Valencia Clement, 
Sergio Villar Salinas, Revista Colombiana de Ingeniería N° 68, ISSN 0121-5131, p.7-15, 
Bogotá, Colombia (2007). 
 
Este artículo describe un programa de calificación de conexiones para pórticos de lámina 
delgada, llevado a cabo en la Universidad Nacional de Colombia. 
Se realiza la modelación numérica de los modelos por el método de elementos finitos 
(MEF), con la ayuda del software ANSYS v.10.0 y SAP 2000 v. 9.03, para estimar las deflexiones 
máximas en el punto de aplicación de la carga, asociados a la fluencia de las fibras extremas de la 
viga, y los esfuerzos en la zona de conexión, con el fin de desarrollar un estudio de capacidad 
sísmica de dos diferentes tipos de conexiones, donde una involucra platinas laterales y una segunda 
alternativa usando placas de continuidad prolongadas. Las dos anteriores unidas a las secciones 
(viga y columna) por medio de soldadura con electrodo E60. 
 
En la Tabla 9, se presenta el resumen de las características de los modelos de ensayo 
experimental llevados a cabo en la investigación, en donde los perfiles y tipos de secciones 
utilizados (cajón), se eligieron de modo que tuvieran relaciones ancho-espesor y factores de 
reducción por esbeltez similares a otras investigaciones ya desarrolladas, como las de (Gallo Palma 
& Narváez Cano, 2004). 
Ingeniería Civil. 
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Tabla 9. Resumen de modelos reales. 
Tipo de ensayos 
Nombre del 
modelo 
Columna (Cajón) 
Perfil (PHR-C) 
Viga (Cajón) 
Perfil (PHR-C) 
Conexión 
Monotónicos 
T1-1 305 x 80 x 2.5 305 x 80 x 2.0 Tipo1 
T1-2 220 x 80 x 3.0 220 x 80 x 2.5 Tipo1 
T2-1 305 x 80 x 2.5 305 x 80 x