Análisis de las conexiones entre arriostres horizontales y verticales de barras de acero (página 2)
Enviado por Andrés Reyes Bonilla
La bodega tiene un total de 8 arriostres verticales en barra #5 que trabajan en tensión contra una fuerza lateral. Los arriostres de barras de acero solamente trabajan en tensión:
En un sistema lineal la deformación resultante (u) es definido por la relación entre K y Fi:
Se utiliza la ecuación 7-3 para recalcular el periodo del primer modo de vibración: Los valores se calculan en la tabla #6:
Con estos valores se recalculaT:
Esta vez el periodo sísmico es el mismo de la revisión anterior así el valor de FED se mantiene igual.
El último paso del análisis sísmico en la dirección este – oeste es la revisión del cumplimiento de las derivas con la relación del desplazamiento inelástico ?i/Hi. El valor de
?i se calcula según la ecuación 7-8 del CSCR 2010:
La relación del desplazamiento inelástico ?i/Hi es 9.96/1000cm = 0.00996 < 0.01 la cual cumple con el valor de 0.01 de la tabla 7.2 del CSCR 2010 para una estructura tipo muro con limitaciones normales. Así la fuerza sísmica en la dirección de este – oeste es 24608.67kg.
El análisis de la dirección este – oeste demostró la importancia de los arriostres verticales a la estructura. En este dirección la fuerza sísmica es aplicada a los ejes débiles de las columnas, la rigidez de las columnas en sus ejes débil es bastante bajo, y entonces la rigidez de la estructura en esta dirección proviene de los arriostres verticales. Eso demostró que los arriostres verticales son elementos críticos a la estabilidad de la estructura en el evento de un sismo y así la importancia de tener conexiones entre ellos que permitan los arriostres desarrollar el desempaño necesario de diseño.
: Análisis estructural de los arriostres horizontales:
Los arriostres horizontales en el techo generan una condición de un diafragma semirrígido el cual es posible diseñar como una cercha plana con apoyos laterales de resortes, de las cuales se asigna la rigidez de las columnas o arriostres verticales de la estructura por debajo del techo. Se aplica las fuerzas laterales a la cercha y se debe diseñara los arriostres
según las necesidades del Código Sísmico de Costa Rica 2010 para cumplir con los desplazamientos máximos permitidos del dicho código.
En la dirección norte – sur las fuerzas laterales críticas son provocadas por las fuerzas de viento. A continuación se presenta el análisis por viento de la estructura del sistema de marcos de acero arriostrados con barras de acero en el sentido norte- sur. Con este análisis es posible revisar la diferencia en los desplazamientos laterales de la estructura por colocar arriostres horizontales en el techo.
En la dirección norte – sur la bodega tiene un área transversal de 480m², así la carga por viento en este sentido es:
pz empuje = (105kg/m²) (1) (0.8) (480m²) = 40320kg pz succión = (105kg/m²) (1) (0.4) (480m²) = 20160kg
Para determinar el efecto en colocar arriostres horizontales, se utilizó un modelo en SAP 2000 aplicando las fuerzas de viento a la estructura sin los arriostres horizontales en el sentido norte – sur para determinar los desplazamientos laterales de la estructura. Como se puede observar en las imágenes #10 y #11, el desplazamiento de la estructura por las fuerzas de vientos en la dirección norte – sur sin los arriostres horizontales es 23,41cm en el punto más crítico.
Imagen #10: Estructura de marcos arrostrados sin arriostres horizontales
Fuente: SAP 2000 V16, tomado el 12/09/15
Imagen #11: Deformaciones en estructura de marcos arrostrados sin arriostres horizontales
Fuente: SAP 2000 V16, tomado el 12/09/15
A continuación se analizó el modelo de nuevo, esta vez después de colocar un sistema de arriostres horizontales en el techo de la estructura, como se muestra en las imágenes #12 y #13. Esta vez los desplazamientos de la estructura en el mismo punto es 17,37cm, la cual es una reducción en los desplazamientos de la estructura de un poco más del 25% únicamente por la adición de los arriostres horizontales.
Imagen #12: Estructura de marcos arrostrados con sistema de arriostres horizontales en el techo
Fuente: SAP 2000 V16, tomado el 12/09/15
Imagen #13: Desplazamientos de estructura de marcos arrostrados con sistema de arriostres horizontales en el techo
Fuente: SAP 2000 V16, tomado el 12/09/15
Este análisis sobre los desplazamientos de la estructura demuestra la forma en los arriostres horizontales restringe los desplazamientos laterales de la estructura. Eso es una condición importante ya que es aceptado que los desplazamientos de un diafragma de techo o entrepiso no deben ser mayores que su longitud dividida entre 360. Para que los arriostres horizontales puedan desarrollar su capacidad máxima, es necesario tener conexiones entre ellos que permitan que las barras de acero llegen a su resistencia máxima y si fuera el caso en un sismo fuerte permitir fallas dúctiles en los arriostres.
: Diseño de conexiones en arriostres de barras de acero
Las conexiones para los arriostres verticales y horizontales serán diseñadas para los efectos de esta investigación en barra #5. Para analizar las diferencias entre las barras ASTM A706 y ASTM A615 se diseñarán las conexiones con soldadura 2 veces, una con barra ASTM A706 corrugada grado 60 y otra con ASTM A615 lisa grado 40. En la investigación
se pondrá cuarto tipos de conexión a prueba, tres conexiones con soldadura y una conexión con rosca, la cual será únicamente en barra ASTM A615 lisa grado 40.
: Procedimiento de diseño:
En la especificación del AISC 360-10, capitulo J se define la resistencia de una soldadura longitudinal en tensión por la ecuación J2-3:
Ecuación 4.2.1
Fuente: AISC 360-10, Comité de especificaciones AISC
El valor de ? es 0.80 según la tabla J2.5 del AISC 360-10 para soldadura biselada, Fnwes 60% del límite elástico mínimo de la soldadura utilizada y Awe es el área efectiva de la soldadura. El área efectiva de una soldadura es la longitud efectiva por la garganta efectiva. Para conexiones de soldadura entre barras de acero de construcción se debe utilizar el código AWS D1.4-2011.
La soldadura en la conexión debe tener la mínima resistencia o si no mayor que la resistencia de ruptura de las barras de acero. En el capítulo D del AISC 360-10, la resistencia contra la ruptura en tensión es:
Ecuación 4.2.2
Fuente: AISC 360-10, Comité de especificaciones AISC
La conexión tipo 1 es una conexión a tope con bisel, el AWS D1.4 2011 solo permite estos tipos de conexiones con penetración completa con bisel, como se muestra en la figura
#6. Además se debe respetar el refuerzo máximo sobre la conexión de 3mm.
Figura #5: Conexión a tope con bisel entre barras de acero de construcción Fuente: AWS D1.4 2011
Esta conexión no tiene un procedimiento específico de diseño ya que solamente se debe
cumplir con los ángulos del bisel y el refuerzo máximo sobre la conexión. La conexión tipo 2 es de traslape entre las barras, el tipo de soldadura para esta conexión está definido por la especificación AWS D1.4 2011, como una soldadura abocinada biselada en forma V, como se muestra en la figura #7.
Figura #6: Conexión de traslape entre barras de acero de construcción Fuente: AWS D1.4 2011
En la tabla 2.1 de la especificación AWS D1.1 2010 se define la garganta de una
soldadura abocinada biselada en forma V como 5/8R (ver figura #8), cuando se utiliza el procedimiento de soldadura SMAW, donde R es el radio de la barra.
Figura #7: Garganta de soldadura abocinada biselada en forma V en barras de acero de construcción Fuente: AWS D1.4 2011
La conexión tipo 3 es una conexión de tope entre las barras con un refuerzo de un
elemento angular, como se muestra en la figura #9. El tipo de soldadura para esta conexión está definido por la especificación AWS D1.4 2011, como una soldadura surco biselado.
Figura #8: Conexión a tope con refuerzo de elemento angular entre barras de acero de construcción Fuente: AWS D1.4 2011
En la tabla 2.1 del AWS D1.1 2010 se define la garganta de una soldadura surco
biselado como 5/16R (ver figura #10), cuando se utiliza el procedimiento de soldadura SMAW, donde R es el radio de la barra.
Figura #9: Soldadura surco biselado en barras de acero de construcción Fuente: AWS D1.4 2011
La conexión tipo 4 es una conexión que utiliza una rosca en ambas barras y una tuerca de unión para realizar la conexión. La falla de esta conexión es distinta a las otras conexiones ya que se esperaría la falla en la conexión y no en la barra. La razón de eso es que al realizar la rosca en la barra, se reduce el área transversal, como se muestra en la figura #11, y el área de la rosca se convierte en el área crítica de la barra. El objetivo de la falla es para probar si la conexión llega a la resistencia esperada del área de rosca, así se pueda diseñar la rosca para resistir la carga de diseño del arriostre.
Figura #10: Esquema de rosca en barra de acero Fuente: https://www.fastenal.com
Para calcular el área transversal efectiva de la rosca el ANSI/ASME B.1 se lo define como:
Ecuación 4.2.3
Fuente: Guía de diseño de acero #1, AISC
Donde D es el diámetro de la barra y n es el número de roscas por pulgada.
: Diseño de conexiones con barra ASTM A706
Conexión tipo 1
Solo debe cumplir con las condiciones especificadas.
Conexión tipo 2 Garganta efectiva de soldadura:
5/8 (7.9mm) = 4.94mm
Resistencia de la soldadura por unidad de medida:
0.8((0.6) (4200kg/cm²)(0.494cm)) = 995.9kg/cm Resistencia contra la ruptura de barra #5, grado 60:
(5600kg/cm²) (2cm²) = 11200kg Longitud de soldadura requerida:
11200kg / 995.9kg/cm = 11.25cm, o 5.62cm si se suelda las barras por ambos lados Para conexiones entre barras el valor de U es 1 si la longitud de la soldadura es 2 veces el
ancho del material soldado. En este caso la longitud de la soldadura es 5.62cm la cual es 3.55
veces el ancho de las varillas, así el área efectiva de la conexión no es afectado por retraso de cortante.
Conexión tipo 3
Garganta efectiva de soldadura:
5/16 (7.9mm) = 2.48mm
Resistencia de la soldadura por unidad de medida:
0.8((0.6) (4200kg/cm²)(0.248cm)) = 499.97kg/cm Resistencia contra la ruptura de barra #5, grado 60:
(5600kg/cm²) (2cm²) = 11200kg
de soldadura requerida:
11200kg / 499.97kg/cm = 22.4cm, o 11.2cm si se suelda las barras por ambos lados. Elemento angular:
Aang = 11200kg / 4060kg/cm² = 2.75cm², angular de 5cm x 5cm x 0.32cm
: Diseño de conexiones con barra ASTM A615
Conexión tipo 1
Solo debe cumplir con las condiciones especificadas.
Conexión tipo 2 Garganta efectiva de soldadura:
5/8 (7.9mm) = 4.94mm
Resistencia de la soldadura por unidad de medida:
0.8((0.6) (4200kg/cm²)(0.494cm)) = 995.9kg/cm Resistencia contra la ruptura de barra #5, grado 40:
(4200kg/cm²) (2cm²) = 8400kg Longitud de soldadura requerida:
8400kg / 995.9kg/cm = 8.43cm, o 4.22cm si se suelda las barras por ambos lados.
Para conexiones entre barras el valor de U es 1 si la longitud de la soldadura es 2 veces el ancho del material soldada. En este caso la longitud de la soldadura es 4.22cm la cual es 2.66 veces el ancho de las varillas, así el área efectiva de la conexión no es afectado por retraso de cortante.
Conexión tipo 3
Garganta efectiva de soldadura:
5/16 (7.9mm) = 2.48mm
Resistencia de la soldadura por unidad de medida:
0.8((0.6) (4200kg/cm²)(0.248cm)) = 499.97kg/cm Resistencia contra la ruptura de barra #5, grado 40:
(4200kg/cm²) (2cm²) = 8400kg Longitud de soldadura requerida:
8400kg / 499.97kg/cm = 16.8cm, o 8.4cm si se suelda las barras por ambos lados Elemento angular:
Aang = 8400kg / 4060kg/cm² = 2.06cm², angular de 5cm x 5cm x 0.32cm
Conexión tipo 4
Área efectiva de rosca:
0.785 (1.58cm –0.974 )² = 1.44cm²
4.33
Resistencia mínima contra la ruptura:
(4200kg/cm²) (1.44cm²) = 6048kg
: Fabricación de conexiones:
La fabricación de las conexiones soldadas se realizó con soldadura E6013 con electrodo de 1/8 de espesor en Santiago de Puriscal en Costa Rica. Todas las conexiones fueron soldadas por la misma persona, utilizando el mínimo proceso de soldadura y el mínimo equipo para cada conexión con soldadura. Es importante mencionar que el soldador no es un operador calificado ya que la investigación quiere simular las condiciones comunes en los sitios de construcción en Costa Rica y también evaluar las conexiones en su estado más crítico. Por esta razón las longitudes de soldadura en las conexiones son las medidas mínimas
necesarias según la memoria de cálculo para resistir la capacidad de ruptura de las barras de acero.
Conexiones tipo 1:
Las conexiones #1 se realizaron con bisel para obtener penetración total en el acero de base para la conexión, como se muestra en las imágenes #14, #15 y #16.
Imagen #14: Bisel en barras lisas ASTM A615
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Imagen #15: Bisel en barras corrugadas ASTM A706
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Imagen #16: Conexiones soldadas a tope en barras lisas ASTM A615
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Conexiones tipo 2:
Para las conexiones #2 era necesario realizar un traslape como se demuestra en la imagen
#17, ya que la máquina universal en el laboratorio de metales en el INA tiene las prensas sobre el mismo eje y no es posible ajustarlos afuera de línea.
Imagen #17: Conexión de traslape en barras corrugadas ASTM A706
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Conexiones tipo 3:
Las conexiones tipo 3 se fabricaron con la longitud de soldadura necesaria según el diseño de las conexiones para ambos tipos de acero, como se muestra en las imágenes #18, #19 y
#20. Todos fueron soldados con electrodos E6013.
Imagen #18: Conexión a tope con refuerzo de angular barra lisa ASTM A615
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Imagen #19: Conexión soldada a tope con refuerzo angular en barra lisa ASTM A615
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Imagen #20: Conexión a tope con refuerzo angular en barra corrugada ASTM A706
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/15
Conexión tipo 4:
Las roscas para las conexiones tipo 4 en la imagen #21 fueron realizadas en el taller de Metal Solutions en el barrio de San José en Curridabat.
Imagen #21: Conexión con rosca y tuerca de unión en barra lisa ASTM A615
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 16/09/2015
CAPÍTULO 5
Análisis y resultados de la investigación
Para obtener el comportamiento real de las barras de acero ASTM A706 y ASTM A615, el primer ensayo en el laboratorio fue fallar en tensión tres especímenes de cada tipo de barra, así la investigación pueda comparar estos resultados contra los resultados de las conexiones y revisar cuál conexión tiene el comportamiento más cercano de una barra sin una descontinuación.
: Análisis cuantitativo de los resultados
Las pruebas de tensión se realizó en el laboratorio de metales en la Cuidad de Tecnología del INA en Alajuela.
Resultados con barra ASTM A706
Barra de acero #5 corrugado ASTM A706, grado 60
En la siguiente gráfica #1 y tabla #8 se presenta los resultados de las fallas de las barras de acero ASTM A706 grado 60, #5.
Tabla #8: Resultados de barra de acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de barra de, acero ASTM A706.
Tomado el 05/10/2015
Grafica #1: Resultados de barra de acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de barra de, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Los resultados de las fallas de las barras de acero ASTM A706 grado 60, #5 son muy constantes en los valores medidos, la cual se da un buen plataforma para la investigación para comparar estos resultados con los resultados de las fallas de las conexiones en barra de acero ASTM A706, #5.
En la tabla #9 se presenta los promedios de las valores medidos durante las fallas, estos valores son los que en la investigación se utiliza como punto de referencia para verificar si las conexiones pueden llegar a este mínimo desempeño.
Tabla #9: Resumen de resultados con barra ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de barra de, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Conexión tipo 1 en barra #5 corrugado ASTM A706 grado 60
En la gráfica #2 y tabla #10 se demuestra los resultados de las fallas de los tres especímenes de la conexión tipo 1 en barra #5 corrugado ASTM A706
Tabla #10: Resultados de conexión tipo 1 en acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 1, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Grafica #2: Resultados de conexión tipo 1 en ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 1, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
La conexión tipo 1 es la conexión soldada a tope con bisel en las barras, esta conexión es riesgosa por la razón de que cualquier imperfección en la soldadura pueda generar un plano de falla en la conexión y causar dicha falla antes de la resistencia esperada. Revisando los resultados de las fallas se demuestra claramente la incertidumbre con este tipo de conexión, el primer espécimen (color café) llegó al límite elástico del material con un valor muy cercano del promedio de referencia, sin embargo el espécimen falló en la conexión antes de llegar al promedio de referencia del esfuerzo último.
El segundo espécimen también llegó al límite elástico del material, sin embargo con un valor menor del primer espécimen y falló por completo mucho antes de, el valor esperado, el tercer espécimen ni siquiera llegó al límite elástico. Las fallas en la soldadura de las conexiones permite ver los tipos de imperfecciones que genero los problemas en los
especímenes y las razones de porque las conexiones no llegaron a las volares de referencia para una conexión con barra de acero ASTM A706 grado 60, #5.
Imagen #22: Plano de falla en soldadura en conexión tipo 1 en acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 20/10/2015
Es posible ver en la imagen #16 los poros en la soldadura de la conexión, las cuales son los que debilitan la soldadura y hace que la conexión falle antes de lo esperado. Estos tipos de imperfecciones no son posibles de ver con una inspección visual de la soldadura ya que existen por dentro de la soldadura. Por esta razón son peligrosos ya que son difíciles de detectar pero tienen un efecto bastante grave sobre la capacidad de esta conexión.
Conexión tipo 2 en barra #5 corrugado ASTM A706 grado 60
En la gráfica #3 y tabla #11 se presenta los resultados de las fallas de la conexión tipo 2 en barras ASTM A706 grado, #5.
Tabla #11: Resultados de conexión tipo 2 en acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 2, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Grafica #3: Resultados de conexión tipo 2 en ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 2, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
La conexión tipo 2 es una conexión de traslape entre las barras de acero. Como se mencionó anteriormente, este tipo de conexión es bastante peligroso ya que por tener los centriodes de las barras desplazados se genera torsión en la conexión, la cual reduce considerablemente la capacidad. Los resultados del laboratorio de estas fallas reflejan esta condición ya que ningún espécimen llegó al límite elástico del material.
Imagen #23: Espécimen de conexión tipo 2 en acero ASTM A706 grado 60, #5 después de falla
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 20/10/2015
En la imagen #23 es posible ver el efecto de la torsión sobre la conexión. La soldadura y barra de traslape fueron cortados en dos prácticamente como si fueron cortados por una guillotina. La capacidad de la conexión en la falla es bastante débil cuando se compara contra los valores de referencia, con eso la conexión tipo dos queda descardada.
Conexión tipo 3 en barra #5 corrugado ASTM A706 grado 60
La conexión tipo 3 es la conexión a tope con refuerzo de un elemento angular. Se muestra los resultados del laboratorio en la tabla #12 y gráfica #4.
Tabla #12: Resultados de conexión tipo 3 en acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Grafica #4: Resultados de conexión tipo 3 en ASTM A706 grado 60, #5
Grafica #5: Resultados de conexión tipo 3 en ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Los resultados del laboratorio para la conexión tipo 3 son bastante constantes y es la única conexión de las tres conexiones de prueba con barra ASTM A706 que tuvo la capacidad esperada. Cada espécimen llegó al límite elástico e inclusive el promedio para el esfuerzo último es mayor del promedio del propio acero.
Imagen #24: Espécimen de conexión tipo 3 en acero ASTM A706 grado 60, #5
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 20/10/2015
Como se muestra en la imagen #24, la falla ocurrió en la barra de acero lejos de la conexión, la cual ayuda a respaldar la resistencia que esta conexión tiene en cuanto a la capacidad necesaria para soportar las fuerzas de demanda.
Resultados con barra ASTM A615
Barra de acero liza ASTM A615, grado 40
En la tabla #13 y gráfica #5 se presenta los resultados del laboratorio para las fallas para las barras de acero ASTM A615, grado 40.
Tabla #13: Resultados de barra de acero ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de barra de acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Grafica #6: Resultados de barra de acero ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de barra de acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Los resultados por lo general son constantes, sin embargo sí hay una variación en los resultados del esfuerzo de fluencia y esfuerzo último del primer y segundo especímenes. Estas variaciones indican inconstancias en el acero de la barra que vienen de la fabricación del acero. Sin embargo en la investigación se utiliza estos valores como punta de referencia para la capacidad de las conexiones en las barras.
Conexión tipo 1 en barra #5 liza ASTM A615 grado 40
A continuación se presenta la tabla #14 y grafica #6 con los resultados del laboratorio para la conexión tipo 1 con barra ASTM A615 grado 40, #5.
Tabla #14: Resultados de conexión tipo 1 en acero ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 1, acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Grafica #7: Resultados de conexión tipo 1 en ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 1, acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Los resultados del laboratorio para la conexión tipo 1 con barra ASTM A615 son constantes con los resultados de la conexión tipo 1 con la barra ASTM A706. La incertidumbre de la soldadura en la conexión es reflejada en la variación de los resultados.
Imagen #25: Plano de falla en espécimen de conexión tipo 1 en acero ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 20/10/2015
En la imagen #25 se demuestra el plano de falla en la soldadura en la conexión. Claramente es posible observar la escorrentía dentro de la conexión la cual debilita la resistencia de la soldadura y así genera la falla. Este problema es un asunto de limpieza de la escorrentía antes de aplicar la siguiente capa de soldadura que en este caso no se limpió bien. Igualmente es una imperfección que no es posible ver con una inspección visual de la soldadura, pero que debilita bastante la capacidad de la soldadura.
Conexión tipo 3 en barra #5 liza ASTM A615 grado 40
La conexión tipo 3 es la conexión a tope con un refuerzo de un elemento angular. Se presenta los resultados del laboratorio en la tabla #15 y gráfica #7.
Tabla #15: Resultados de conexión tipo 3 en acero ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3, acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Grafica #8: Resultados de conexión tipo 3 en ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3, acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Los resultados del laboratorio para la conexión tipo 3 son bastante constantes. La gráfica es muy simular a la gráfica de las barras de acero y los valores de capacidad de las conexiones son inclusive más estables que las barras de acero.
Imagen 26: Espécimen de conexión tipo 3 en acero ASTM A615 grado 40, #5 después de falla
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 20/10/2015
Como se muestra en la imagen #26, la falla ocurrió en la barra de acero lejos de la conexión, esta conexión es con barra de acero ASTM A615, la cual es presumida de no tener compatibilidad con la soldadura por su composición química. Sin embargo, como se demuestra en este caso, no había ningún problema con la compatibilidad entre la soldadura y el acero.
Conexión tipo 4 en barra #5 liza ASTM A615 grado 40
Los resultados de las fallas de los especímenes de la conexión tipo 4 en barra ASTM A615 grado 40, #5 se demuestra en la tabla #16 y gráfica #8.
Tabla #16: Resultados de conexión tipo 4 en acero ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3, acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Grafica #9: Resultados de conexión tipo 4 en ASTM A615 grado 40, #5
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 4. Tomado el 05/10/2015
Los resultados del laboratorio demuestran valores bastantes constantes en el comportamiento de la conexión. No se espera que esta conexión obtiene un valor cercano de los valores de referencia para este acero ya que con la rosca se reduce el área transversal de la barra, la cual reduce la capacidad del elemento y la falla ocurre en la rosca como se muestra en la imagen #27, pero es de esperar que la conexión llega al valor de diseño en el capítulo
4.2.3 de este investigación.
Imagen #27: Espécimen de conexión tipo 4 en acero ASTM A615 grado 40, #5 después de falla
Fuente: Propio, tomado en Santiago de Puriscal el 20/10/2015
A continuación se presenta la tabla #17 con un resume de los promedios de los resultados de todas las pruebas.
Tabla #17: Tabla de resumen de resultados
: Interpretación de los resultados
Los resultados de las fallas en tensión de los especímenes de las conexiones 1, 2, 3 y 4 en las barras de acero ASTM A706 y ASTM A615 son bastante relativas en los valores de resistencia y se demuestran claramente el comportamiento de las diferentes tipos de conexión.
: Diferencias en comportamiento entre los aceros ASTM A706 y ASTM A615
La mayor diferencia entre los aceros ASTM A706 y ASTM A615 es la composición química de los mismos aceros, el ASTM A706 tiene ciertas restricciones sobre la cantidad de carbono para mejorar su compatibilidad con la soldadura. En cambio el ASTM A615 no tiene ninguna restricción y es un acero con una alta cantidad de carbono, la cual afecta su compatibilidad con la soldadura. Parte de esta investigación es revisar y analizar la diferencia en el comportamiento de estos dos aceros cuando son utilizadas en conexiones soldadas.
Con la conexión tipo 1, las diferencias del comportamiento entre los dos tipos de acero se puedan notar en las gráficas de los resultados, se presenta un comportamiento diferente en la curva. En las conexiones hechas con acero ASTM A706 la transición entre el rango elástico y rango plástico de las muestras 1 y 2 son bastante regulares, como se muestra en las imágenes #28 y #30, la muestra 3 falló antes de llegar al límite elástico. Sin embargo en la misma zona de transición para el acero ASTM A615 en las tres especímenes es bastante irregular, como se muestra en las imágenes #29 y #31.
Imagen #28: Área de transición entre rango elástico y rango plástico de especímenes de la conexión tipo 1, acero ASTM A706
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 1 en acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Imagen #29: Área de transición entre rango elástico y rango plástico de especímenes de la conexión tipo 1, acero ASTM A615
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 1 en acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
En las conexiones con el acero ASTM A615 se presenta un comportamiento de un posible deslizamiento entre las barras y las prensas de la máquina universal, eso pueda ser provocado por la superficie lisa de las barras ASTM A615.
Imagen 30: Área de transición entre rango elástico y rango plástico de especímenes de la conexión tipo 3, acero ASTM A706
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3 en acero ASTM A706. Tomado el 05/10/2015
Imagen #31: Área de transición entre rango elástico y rango plástico de especímenes de la conexión tipo 3, acero ASTM A615
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 3 en acero ASTM A615. Tomado el 05/10/2015
Es importante notar que en ninguno de las conexiones soldadas con el acero ASTM A615 se tuvo falla alguna entre el acero y la soldadura. Las conexiones tipo 1 fallaron en la propia soldadura por imperfecciones en la misma soldadura y las conexiones tipo 3 no fallaron. La falla ocurrió en la barra de acero, sin embargo con las observaciones en los resultados de esta investigación se hace importante una continuación de estudio sobre este tema ya que el uso de barras lisas en acero ASTM A615 es muy común en arriostres horizontales en Costa Rica y en las cuales se utilizan conexiones soldadas.
: Conexión tipo 1
Con esta investigación se determinó que la conexión tipo 1 no funcionó de manera satisfactoria por las imperfecciones en la soldadura, lo genera incertidumbre muy grande sobre la seguridad de este tipo de conexión.
En teoría y buena práctica es una conexión que debe funcionar ya que al remover un material de grado 40 o grado 60 y remplazarlo con un material de relleno grado 60 o grado 70, la conexión debe tener un comportamiento muy simular que la barra de acero. Sin embargo cualquier imperfección en el material de relleno va a reducir la capacidad de la conexión.
De las seis pruebas realizadas con este tipo de conexión, ninguna llegó al valor promedio de las barras de acero. Estos resultados demuestran que no se pueda tener confianza en este tipo de conexión en arriostres verticales u horizontales. Si la conexión falla antes en la barra de acero, en este caso los arriostres no pueden desarrollar su capacidad completa y así el sistema estructural como tal no va responder como el diseñador requiere y la estructura no va a obtener el desempeño de diseño.
: Conexión tipo 2
Los especímenes de la conexión tipo 2 demuestra el riesgo de utilizar una conexión con elementos que traslape entre ellos, ya que la torsión generada en la conexión por el brazo de palanca entre los centriodes reduce considerablemente la capacidad de la conexión. En los
resultados de la conexión tipo 2 se puede observar muy claramente la reducción de la capacidad de la conexión por la torsión y demuestra el alto riesgo de utilizar este tipo de conexiones.
La forma de la conexión utilizada en la investigación no es exactamente igual que las conexiones vistas en sitios de construcción en Costa Rica tal como la conexión en la imagen
#2 de esta investigación por la razón de que las prensas del equipo utilizado para las fallas en el laboratorio del INA están sobre un eje. Sin embargo, la geometría de la conexión utilizada para la investigación genera la mínima condición de traslape que las conexiones vistas en Costa Rica y es razonable decir que una conexión tipo que se demuestra en el imagen #2 va a tener un comportamiento muy simular a la conexión tipo 2.
: Conexión tipo 3
La conexión tipo 3 es la conexión con el mejor comportamiento de las conexiones soldadas e inclusivo es la única conexión soldada que llegó a las valores de diseño del capítulo 4.2.3 de esta investigación. La conexión es muy estable, según los resultados en las gráficas #4 y #7, las cuales demuestran fallas dúctiles en todos los casos. En realidad la conexión es mucho más rígida que la barra de acero y tiene la capacidad de transmitir fuerzas de tensión mayores que la barra, la cual permite que la barra de acero desarrolle su comportamiento como un elemento dúctil. Este comportamiento es muy importante ya que el diseñador puede tener confianza de que los arriostres verticales u horizontales en su estructura pueden desarrollar su desempeño completo y no hay riesgo que el arriostre va fallar en la conexión. Con esta condición se abre la puerta a una posible propuesta interesante por utilizar arriostres horizontales en sistemas de techos o entrepisos como mecanismos para la dispersión de la energía sísmica.
: Conexión tipo 4
La conexión tipo 4 solo se realizó con la barra lisa en acero ASTM A615 con el propósito de revisar la posibilidad de utilizar la conexión como una propuesta en vez de una conexión soldada con la barra ASTM A615. Por la razón que hay una gran incertidumbre
sobre la compatibilidad entre este acero y la soldadura. La rosca en las barras disminuye el área transversal de la barra y así su capacidad contra fuerzas de tensión. Por esta razón la conexión tipo 4 no se puede comparar contra los valores de las barras de acero ASTM A615. La capacidad del área transversal de la rosca se diseñó con la ecuación ANSI/ASME B.1. En las pruebas en el laboratorio el promedio del esfuerzo último del área de la rosca fue 588,12N/mm² la cual es aproximadamente 5997kg/cm².
Este valor es un 30% mayor del esfuerzo último esperado del acero y de la conexión la cual confirma que esta conexión es confiable para utilizar y tiene el beneficio que es 100% compatible con el material del arriostre. La gráfica #7 también demuestra que las fallas de la conexión tiene un comportamiento dúctil, la cual presenta la posibilidad de utilizar la conexión en una forma similar que la conexión tipo 3 en mecanismos de dispersión de energía sísmica.
En la gráfica de los resultados es posible ver una irregularidad en la curva después de la transición del rango elástico al rango plástico, como se muestra en la imagen #32, la cual pueda ser un deslizamiento entre las roscas en las barras y la turca de unión. Sin embargo, con la inspección de los especímenes después de las fallas, el área de la rosca que estaba en contacto con la tuerca de unión no presenta ningún daño o evidencia de un deslizamiento.
Imagen #32: Área de transición entre rango elástico y rango plástico de especímenes de la conexión tipo 4
Fuente: Informe de Laboratorio de Metales del INA, sobre fallas en tensión de la conexión tipo 4. Tomado el 05/10/2015
CAPÍTULO 6
Conclusiones y recomendaciones
: Conclusiones
El primer objetivo específico de esta investigación era investigar la importancia de los arriostres verticales y horizontales en un sistema estructural de marcos arriostradas con arriostres de barras de acero. En el capítulo 4 de esta investigación se presentó un análisis estructural por fuerzas sísmicas y de viento de una bodega industrial hecha de marcos de acero, donde se demuestra la importancia de los arriostres en el desempeño y estabilidad de la estructura. Los arriostres verticales en el sentido débil de las columnas son los elementos que proporciona la rigidez contra las fuerzas laterales sísmicas o de viento y los arriostres horizontales restringen los desplazamientos de la estructura y transmiten las fuerzas laterales a las columnas y arriostres verticales de la estructura. Este análisis define la importancia de estos elementos a la estabilidad de la estructura y así la importancia de las conexiones entre los arriostres verticales y horizontales.
Las conexiones soldadas se diseñaron según el código del AWS 1.4 2011 para obtener las longitudes mínimas para resistir las fuerzas de tensión aplicadas a las barras de acero. En el caso de las conexiones tipo 3, con el refuerzo angular, las cuales tuvieron el mejor comportamiento de las conexiones soldadas, se utilizó dos líneas de soldadura con una longitud de 8,4cm para la barra grado 40 y dos líneas de 11cm para la barra grado 60. En ambos casos la conexión fue exitoso y la falla ocurrió en la barra de acero y no en la conexión. Esto demuestra que con los valores mínimos de soldadura en las conexiones, tienen la capacidad de resistir las fuerzas de demanda, esto es importante ya que en la experiencia del autor, la longitud de estas conexiones en las construcciones en Costa Rica se realizan hasta 3 veces mayor que el necesario. Esto provoca un desperdicio de material y mano de obra en la fabricación de estas conexiones, la cual no es necesario, basado en los resultados de esta investigación.
En las pruebas de la conexión tipo 1 se demostró el riesgo de utilizar una unión a tope sin ningún refuerzo. Aunque se utilizó bisel en las puntas de las barras para mejorar la penetración de la soldadura, los resultados entre los diferentes especímenes de esta conexión variaron mucho por la razón de la incertidumbre sobre la calidad de la soldadura en la conexión. Algunas conexiones tienen poros en la soldadura u otras tienen escorrentía de la soldadura dentro la conexión, estos son factores que disminuyen la capacidad de la soldadura en fuerzas de tensión y así reduce el desempaño de la conexión. Basado en estos resultados, se concluye que la conexión tipo 1 no tiene la capacidad necesaria para utilizar en conexiones entre arriostres verticales u horizontales en barra de acero.
La conexión tipo 2 es de traslape, los resultados de esta conexión demuestran el peligro de utilizar este tipo de conexión por el momento torsional que se produjo en la conexión. Al aplicar fuerzas de tensión en sentidos opuestos en las barras de la conexión, la distancia entre los centriodes de la barras actúa como un brazo de palanca, la cual se genera en el momento. Esta combinación de fuerzas de tensión y torsión en la conexión debilita bastante la capacidad de la conexión, la cual es reflejada en los resultados del capítulo 5 de esta investigación. Tomando en cuenta estas condiciones de combinación de fuerzas a los resultados de esta investigación, la conexión tipo 2 en un traslape sencillo, no se debe utilizar en conexiones entre arriostres verticales u horizontales en barras de acero.
La conexión tipo 3 es la de mejor comportamiento de las conexiones soldadas. Es la única conexión soldada que obtuvo la resistencia esperada. Si se observan los resultados en el capítulo 5 de esta investigación, la conexión demuestra un comportamiento más estable que la propia barra de acero. Basado en los resultados de esta investigación, la conexión tipo 3 es la más segura en conexiones soldadas entre arriostres verticales y horizontales de barra de acero. La conexión permite una falla dúctil en la barra de acero, la cual es el comportamiento necesario en elementos
de acero en un sistema sismo resistente para permitir el desarrollo de la estructura y el desempeño necesario de diseño.
La única conexión no soldada de la investigación es la conexión tipo 4. El propósito de esta conexión era revisar la posibilidad de proponer un tipo de conexión para las barras ASTM A615 lisa, sin la necesidad de utilizar soldadura. La conexión propuesta fue una conexión con rosca en ambas barras conectadas con una tuerca de unión, la cual tiene un comportamiento muy favorable basado en los resultados del capítulo 5 de esta investigación.
La conexión tiene un comportamiento dúctil y además, los resultados de la resistencia de la rosca están muy por arriba de los valores de diseño del capítulo 4.2.3 de esta investigación. Basado en los resultados de este estudio, esta conexión tiene la capacidad de ser utilizado en conexiones entre arriostres verticales y horizontales de barras de acero, inclusive es una conexión más limpia y atractiva que la conexión tipo 3.
Las conexiones tipos 1 y 3, se fabricaron en barra ASTM A615 liza para revisar el comportamiento de este tipo de acero en una conexión soldada. La razón de eso es porque en la ficha técnica de este acero se hace la aclaración de que se debe tener cuidado a la hora de soldar, ya que por su alta contenido de carbono es posible que no haya compatibilidad entre el acero y la soldadura. En la conexión tipo 1, la falla ocurrió en la soldadura pero por imperfecciones de la propia soldadura, en ningún de los especímenes se presentó un problema de compatibilidad entre la soldadura y el acero.
En la conexión tipo 3, la falla ocurrió en las barras de acero y no en la conexión. Con una inspección visual tampoco no habría ningún problema con la compatibilidad entre el acero y la soldadura. Aunque según los resultados de esta investigación, en términos de resistencia, no había un problema con la compatibilidad, en las gráficas sí se presentó un efecto de un posible deslizamiento en el área de transición entre el rango elástico y el rango plástico. Además, es difícil concluir basándose en estos
resultados que no hay problema en utilizar barra ASTM A615 en conexiones soldadas, es muy posible que la cantidad de carbono en las barras ASTM A615 varía entre líneas de acero a la hora de fabricación.
– Las barras utilizadas en este investigación no presentaron problemas con la soldadura, sin embargo no hay ninguna forma de estar seguro, que esto siempre va hacer el caso, es posible que en otra línea de acero ASTM A615 se pueda tener una cantidad de carbono más alto y así no tener compatibilidad con la soldadura.
: Recomendaciones:
Con los resultados obtenidos de esta investigación, se demuestra que algunos de los tipos de conexiones que se utilizan en Costa Rica entre los arriostres verticales y horizontales en barras de acero, no tienen la capacidad necesaria para resistir las fuerzas de demanda.
Como parte de las recomendaciones de esta investigación se aclara la importancia de diseñar bien estas conexiones y revisar la forma constructiva en el sitio para asegurar el rendimiento de los arriostres verticales y horizontales de barras de acero a la hora de un evento sísmico.
No es recomendable utilizar la conexión tipo 1, la única forma de estar 100% seguro de que la conexión va a funcionar es utilizar pruebas de ultrasonido o rayos X para asegurar que no hay imperfecciones en la soldadura después de la fabricación de la conexión. Sin embargo, económicamente eso no es posible para un tipo de conexión pequeña y en aquellas conexión que se repite muchas veces en una sola estructura, es recomendado utilizar un tipo de conexión que no tienen esta incertidumbre sobre su capacidad.
Revisando los resultados de la conexión tipo 2, es posible decir que no se debe utilizar este tipo de conexión en ninguna situación. Si por alguna razón se debe emplear una conexión con una forma de traslape, es recomendable diseñar la conexión con la combinación de fuerzas para que se obtenga la capacidad necesaria. Sin embargo, muy posiblemente va producir una conexión grande y económicamente más cuantiosa que las otras opciones.
Si es necesario utilizar una conexión soldada entre arriostres verticales y horizontales de barras de acero, conforme con los resultados de esta investigación es recomendable emplear la conexión tipo 3. La cual tuvo el mejor comportamiento de las tres conexiones soldadas. Esta permite que los arriostres verticales y horizontales en barras de acero tengan un comportamiento dúctil.
En esta investigación no hubo problema entre el acero ASTM A615 y la soldadura, sin embargo no se puede asegurar que esto siempre va a suceder. Por esta razón esta investigación propuso un tipo de conexión, la cual no se necesita soldadura y lo demostró, que tiene la capacidad de resistir las fuerzas que demanda.
Por estas razones se hace la recomendación de utilizar la conexión tipo 4 en conexiones entre arriostres horizontales y verticales de barras de acero ASTM A615, sea barra lisa o corrugada.
En el capítulo 7 de esta investigación se presenta una propuesta de utilizar arriostres horizontales en techos o entrepisos como mecanismos para dispersar energía sísmica. En esta investigación se demostró que las conexiones tipo 3 y 4 permiten fallas dúctiles en los arriostres, lo cual es el comportamiento necesario para los elementos que pueden ser considerados como mecanismos para la dispersión de energía sísmica. En el capítulo 7 se presenta la idea teórica, basado en los resultados de esta investigación. Sin embargo, para que los arriostres horizontales lleguen a ser utilizados para este fin, es recomendado una investigación más profunda sobre esta propuesta.
CAPÍTULO 7
Como se ha mencionado en los capítulos anteriores, la función de los arriostres horizontales en sistemas de techos o entrepisos son para generar una condición de diafragma semirrígido para cumplir con las condiciones del Código Sísmico de Costa Rica 2010. Esto con respecto de los desplazamientos laterales en el momento de un sismo. Es decir que los arriostres son pasivos en condiciones normales y solo se activan cuando haya fuerzas laterales aplicadas a la estructura durante un sismo. La estabilidad total de la estructura en sí no depende de los arriostres y si durante un sismo los arriostres sufren deformaciones permanentes, la estabilidad de la estructura no está en riesgo después del evento sísmico.
Con este concepto claro y utilizando los resultados de las fallas en tensión de las conexiones tipo 3 y 4 de esta investigación, las cuales demuestran que las conexiones permiten fallas dúctiles en los arriostres horizontales, se abre la posibilidad de utilizar arriostres horizontales en sistemas de techos o entrepisos como mecanismos para la dispersión de energía sísmica durante un evento de esta naturaleza.
En un evento sísmico, la energía de las ondas sísmicas se transmite a las estructuras de los edificios, puentes, casas, otros. La estructura debe resistir en una determinada forma la energía sísmica, transmitiendo a ella o dispersar la energía sísmica, la cual es posible en tres formas, por calor, sonido o movimiento. En el diseño sísmico de estructuras, el diseño de mecanismos para la dispersión de energía sísmica por medio del movimiento es una práctica común.
El bandeo en arriostres verticales por fuerzas de compresión o el desarrollo de rotulas plásticas en vigas son dos ejemplos de sistemas de planes de falla en estructuras donde el diseñador permite deformaciones plásticas en ciertos elementos de la estructura, con el fin de liberar la energía sísmica por el medio de movimiento. Eso reduce la fuerza sísmica aplicada a la estructura, el movimiento genera deformaciones plásticas en elementos secundarias que por sufrir deformaciones permanentes no se pone en riesgo la estabilidad total de la estructura. En este momento, los arriostres horizontales en sistemas de techos o
entrepisos no se utilizan para este fin, aunque es posible con las condiciones correctas que los arriostres horizontales pueden jugar un papel importante en diseños de dispersión de energía sísmica.
El concepto de diseño de mecanismos de dispersión de energía sísmica se encuentra principalmente bajo los principios de la metodología de diseño sísmica por desplazamientos o en su nombre original en inglés "Displacement Based Seismic Design". La cual es una metodología de diseño desarrollado en Nueva los años 90 y que han recibido mucho enfoque de investigación en los últimos años.
Unos de los conceptos de este método de diseño sísmico es tomar en cuenta los desplazamientos plásticos en los primeros módulos de oscilación para determinar la repuesta máxima de la estructura. Los desplazamientos plásticos son los desplazamientos que liberaran energía sísmica. Si se controlan estos desplazamientos en una forma segura es posible reducir la cantidad de energía sísmica transferida a la estructura principal, y es posible cambiar el periodo sísmico de la estructura.
Uno de los procesos claves de esta metodología es determinar el amortiguamiento viscoso equivalente del sistema, el cual es el sumatorio del amortiguamiento elástico y el amortiguamiento histerética. Para el efecto de esta propuesta es posible asumir el amortiguamiento elástico como un 5% y el amortiguamiento histerética está definido por la siguiente ecuación:
Ecuación 1:Amortiguamiento histerética de un elemento
Fuente: Diseño Sísmico de Estructuras por Desplazamiento, Priestley M.J.N
Donde c3 es un valor entre 0,1 y 0,7 por la razón de asumir el amortiguamiento elástico como un 5% y &µ es el valor de la ductilidad del elemento.
Con este proceso y el método de diseño de desplazamientos es posible determinar el porcentaje de aporte de los arriostres horizontales en una estructura con respecto a la dispersión de energía sísmica por el medio de desplazamientos plásticos, el cual será un proceso nuevo. Es necesario realizar una investigación completa sobre esta posibilidad pero
ya con los resultados de esta investigación se abre las puertas a posibles nuevos usos de estos elementos y nuevas áreas de investigación con las estructuras de acero y metodología del diseño sísmico.
Libros:
Chopra A.K.
(2011) Dinámica de las Estructuras (4a. ed.)
Estados Unidos, New Jersey, Prentice Hall International
Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica (2010) Código Sísmico de Costa Rica 2010
Costa Rica, San José, Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica,
Comité de Soldadura Estructural Sociedad Americano de Soldadura
(2011) Código de Soldadura Estructural – Acero de Refuerzo (AWS D1.4)
Estados Unidos, Miami, Sociedad Americano de Soldadura (AWS)
Comité de Soldadura Estructural Sociedad Americano de Soldadura (2010) Código de Soldadura Estructural – Acero (AWS D1.1) Estados Unidos, Miami, Sociedad Americano de Soldadura (AWS)
Comité de Especificaciones Instituto American de la Construcción de Acero (2010) Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360.10)
Estados Unidos, Chicago, Instituto American de la Construcción de Acero (AISC)
Comité Técnica Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (2011) ASTM A706
Estados Unidos, West Conshohocken, Sociedad Americana para Pruebas y Materiales
Comité Técnica Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (2011) ASTM A615
Estados Unidos, West Conshohocken, Sociedad Americana para Pruebas y Materiales
McCormac J.C. y Csernak S.F.
(2012) Diseño Estructural del acero (5t. ed.)
Estados Unidos, New Jersey, Pearson Education Inc.
Priestley M.J.N., Calvi G.M., Kowalsky M.J.
(2007) Diseño Sísmico de Estructuras por Desplazamiento
Italia, Pavia, IUSS Press
Documentos en Línea
Crisafulli J.F. (s.f.) Diseño Sismorresostente de Construcciones de Acero
Recuperado de
http://www.construccionenacero.com/Documents/Dise%C3%B1o%20sismorresistente%20 de%20construcciones%20de%20acero.pdf
Dowswell B., Brice A., y Blain B. (2010) Arrostramiento Horizontal
Recuperado de http://msc.aisc.org/globalassets/modernsteel/steelwise/072010_july10_steelwise_web.pdf
Gutiérrez J. (s.f.) Evaluación de Código de Viento
Recuperado de http://www.disaster-info.net/PED-
Sudamerica/leyes/leyes/centroamerica/costarica/otranorm/Evaluacion_Codigo_por_Viento. pdf
Unidad TécnicaArelorMittal (s.f.) Catálogo de Productos de ArelorMittal
Recuperado de http://www.arseniosoto.com/web/images/pdf/ARCELOR.pdf
Amortiguamiento. El amortiguamiento se define como la capacidad de un sistema o cuerpo para disipar energía cinética en otro tipo de energía.
Brazo de palanca. El brazo de palanca es la distancia perpendicular desde el eje de rotación a la línea de acción de la fuerza.
Coeficiente sísmico, C.Es un coeficiente utilizado para la determinación de las fuerzas sísmicas.
Cortante basal. Para efectos de diseño sismorresistente, es la fuerza lateral acumulada en la base de la estructura.
Desempeño estructural. Es la función de los objetivos de diseño, definidos en base al uso e importancia de la estructura, y las características de los movimientos sísmicos esperados.
Desplazamientos elásticos. Un desplazamiento reversible o no permanente, el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación
Desplazamientos plásticos. Un desplazamiento irreversible o permanente. Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada.
Deriva. Desplazamiento relativo entre pisos adyacentes
Diafragma. Es un sistema estructural ubicado en un plano horizontal, capaz de transmitir fuerzas gravitacionales y sísmicas.
Diafragma flexible. Diafragma que en el proceso de transmisión de las fuerzas laterales, experimenta deformaciones laterales máximas en su propio plano mayores dos veces el promedio de las derivas máxima y mínima del diafragma.
Ductilidad. Capacidad de los materiales para deformarse afuera del rango elástico sin pérdida sustancial de la resistencia.
Energía sísmica. Es la energía que se libera o genera cuando ocurre un sismo o terremoto, esta energía es liberada en forma de calor una parte y el resto es irradiado en forma de ondas sísmicas.
Fuerzas laterales. Carga que actúa horizontalmente sobre un elemento estructural o una estructura.
Fuerzas sísmicas. Fuerzas estáticas externas utilizadas para el diseño sísmico para reproducir las acciones internas causadas por el movimiento sísmico en la base de la estructura.
Garganta efectiva de soldadura. Espesor teórica de la soldadura para efectos de diseño
Marco. Es un sistema estructural formado por elementos donde su altura es pequeño comparado con su longitud.
Marco arriostrado. Es un marco con riostras diagonales entre las columnas del marco.
Oscilación. Se denomina oscilación a una variación, perturbación o fluctuación en el tiempo de un medio o sistema.
Rango elástico. Esta zona se corresponde a las deformaciones elásticas del material hasta un punto donde la función cambia de régimen y empieza a curvarse.
Rango plástico. Esta zona se corresponde a las deformaciones plásticas del material hasta el punto donde el material se rompe.
Rótula Plástica. Es una región de un elemento estructural en flexión o flexocompresión, donde es posible alcanzar rotaciones plásticas sin pérdida sustancial de la capacidad de la sección.
Sismorresistente. Todos los elementos y componentes del sistema estructural que contribuyen a la resistencia de la estructura ante cargas sísmicas.
Sistema estructural. En una estructura es el sistema conformado por todos los elementos y componentes responsables de asegurar la estabilidad de la estructura contra las demandas externas.
Soldadura biselada. El biselado o corte en bisel, generalmente es un proceso preparatorio de la superficie del material que será soldada para aumentar la penetración de la soldadura en el material de base.
aef= aceleración pico efectiva de diseño
Ae = área efectiva de sección
Ats= área efectiva de rosca
Awe= área efectiva de la soldadura
CS = coeficiente sísmico
C= fuerza de empuje de viento
D= diámetro de barra
E= módulo de elasticidad de material
FED= factor espectral dinámico
Fi = fuerza sísmica aplicada al nivel i
Fnw= limite elástica mínimo del material de soladura
Fu = esfuerzo mínimo de ruptura de material
g= aceleración de gravedad
h =altura de nivel i sobre el nivel de base
I = factor de importancia
I = coeficiente de presión de viento Ix= inercia de sección sobre el eje X K = rigidez de elemento
L= longitud
n= cantidad de roscas en una pulgada Pu= resistencia en tensión de elemento pz= presión de viento
q = presión de viento contra una estructura Rn= capacidad de soldadura longitudinal SR = sobrerresistencia
T= periodo sísmico
u= deformación resultante
? = ductilidad global de sistema estructural
V = fuerza de cortante
V= velocidad de viento
W = peso sísmico de estructura
?i = derivas de desplazamientos inelásticos
? = factor de seguridad phi
rr= factor de pi
UNIVERSIDAD LATINA DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
LICENCIATURA EN INGENIERÍA CIVIL
Quiero agradecer a mi familia, por todo su apoyo durante estos años de estudio. Particularmente a mi suegra, Cecilia Salazar, sin su ayuda y apoyo no habría sido posible estudiar en la universidad. A mi esposa Johanna Trejos y a mis hijos Joshua y Naomi, por darme el tiempo para concentrarme en mis estudios y entenderme por qué tuve que faltar tanto tiempo al lado de ustedes. Además, a mis padres quienes me dieron toda la ayuda posible desde Inglaterra.
"Outrun the people who quit when they fell discomfort, outrun the people who stop because of despair, outrun the people who are delayed because of prejudice, outrun the people who surrender to failure, and outrun the opponent who loses sight of the goal. Because if you want to win, the will can never retire, the race can never stop, and the faith can never weaken"
Muhammad Ali, The Soul of a Butterfly
La cita anterior significa mucho para mí, cuando entré en la universidad, no sabía escribir o leer español, trabajaba tiempo completo, atendía a mi esposa e hijos, sin embargo donde hay ganas de llegar a una meta, siempre hay forma de encontrar un camino.
TUTOR: Ing. ANDRÉS REYES BONILLA M.sc.
LECTOR: Ing. DANILO HERNÁNDEZ GUERRERO M.sc.
HEREDIA, COSTA RICA
III CUATRIMESTRE 2015
Autor:
Simon Robert King King.
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