Análisis de las conexiones entre arriostres horizontales y verticales de barras de acero

This investigation is based on the need to examine the types of connections that are being used in vertical and horizontal rod bracing systems in Costa Rica, in this moment in time there is very little experimental information about these types of connections and whether they have the structural capacity to resist the lateral forces produced by seismic movements or high wind pressure. In the design of structural steel elements it is desirable to obtain a ductile response in the event of critical lateral deformations of the structure, to be sure of this response it is important that the connections in between the structural elements have the level of resistance to permit the structure to develop the way it was designed.

BRACING SYSTEMS CONNECTIONS LATERAL FORCES DEFORMATIONS DUCTILE REPONSE

A partir del problema de los tipos de conexiones que se realizan en el país, también existe el problema de la compatibilidad entre los aceros disponibles y el tipo de soldadura utilizado en las conexiones. La mayoría de las conexiones en los sistemas de arrostramiento con barras de acero son conexiones soldadas. Sin embargo, uno de los tipos de acero más utilizados en estos sistemas no es el más seguro de utilizar con soldadura. Lo anterior por cuanto su composición química tiene una alta cantidad de carbono, la cual hace que el acero no sea compatible con la soldadura normal del proceso SMAW, que es el más común en las construcciones de Costa Rica.

SOLDADURA COMPATIBILIDAD CONEXIONES SOLDADAS COMPOSICION QUÍMICA CARBONO

To put to a test these different connections and the materials that are available in Costa Rica this investigation will design, fabricate and test the different connections using the two main types of steel rods which are widely available in the country. These tests will be based on the ASTM E8 process of testing materials against tension forces with a universal testing machine, the idea is that the results can be published to help inform the designing and construction community in Costa Rica about the possible dangers of using certain types of connections and materials for rod based bracing systems.

DESIGN FABRICATE TEST RESULTS DANGERS

CAPÍTULO 1

Problema y propósito

Estado actual del área temática por investigar:

En estructuras de acero con marcos arriostrados existen varias formas geométricas de arrostramiento y varios tipos diferentes de elementos estructurales que se pueden utilizar. En una estructura arriostrada hay dos tipos de arrostramiento, arriostres verticales y arriostres horizontales. Los arriostres verticales van por dentro de los marcos de columnas en el sentido débil de la estructura, distribuyen las fuerzas laterales hacia los cimientos. Los arriostres horizontales se colocan en los sistemas de entrepisos y en techos para distribuir fuerzas laterales hacia las columnas.

Dentro de las diferentes formas de arriostrar una estructura están los "rod braced systems" (sistema de arrostramiento con barras de acero) como se muestra en la figura #1. Estos sistemas son comunes en naves industriales o bodegas pequeñas donde las fuerzas de sismos o de viento son relativamente bajas. Los arriostres verticales y horizontales son barras de acero que trabajan solamente en tensión para resistir y distribuir cargas laterales. A veces es necesario realizar conexiones entre las barras de acero para completar la longitud necesaria para el arriostre, estas conexiones se puede ver entre los arriostres verticales en la imagen #1. Esta investigación va analizar estructuralmente la estabilidad de las diferentes formas que se realizan en Costa Rica de estas conexiones.

Figura #1: Estructura con sistema estructural de arriostres verticales y horizontales

Fuente: http://www.steelconstruction.info

Para realizar esta investigación es necesario aplicar varias áreas de la ingeniería civil, los conceptos generales sobre el funcionamiento de los sistemas de marcos de acero arriostrados. Para ello se requiere conocimiento sobre las bases estructurales de las estructuras de acero y los conceptos básicos de la ingeniera sismo resistente. El diseño de las conexiones entre las barras de acero requiere conocimiento de la mecánica estática junto con los conceptos estructurales sobre el diseño de soldadura y las conexiones con roscas.

Los requisitos para la estabilidad de arriostres aparecieron por primera vez en el inicio del siglo 20 por Waddell (1916) en el diseño de puentes de ferrocarril en los Estados Unidos. Aunque los códigos de diseño en los Estados Unidos no contienen requisitos para arriostres hasta el año 1999. En su libro, Teoría de Estabilidad Elástica, Timoshenko (1936) presentó soluciones para las columnas con soportes flexibles, se demostró que si los soportes flexibles tenían una cierta rigidez mínima la columna se va a comportar como si el soporte fuera completamente rígido.

Winter (1960) amplió el trabajo de Timoshenko para incluir la condición real de la perversidad inicial en columnas. Durante las últimas décadas el tema de la estabilidad de arrostramiento en marcos de acero se ha discutido varias veces. Trahair y Nethercot (1984), Chen y Tong (1994) y Yura (1995) presentaron trabajos sobre el tema, y desde el cambio de siglo los códigos de diseño de la AISC, IBC y los Euro Códigos incluyen requisitos especiales para la estabilidad de arriostres en los marcos de acero en zonas sísmicas y para las fuerzas del viento.

Imagen #1: Edificio con sistema de arriostres verticales de barras de acero en forma X

Fuente: Diseño sismo resistente de estructuras de acero

Dowsell y Brice (2010) explican el uso del arrostramiento horizontal a los sistemas de entrepisos y techos para generar condiciones de diafragmas semirrígidos. En los ejemplos que se presentan utilizan elementos angulares de acero y secciones pequeñas en W para los arriostres horizontales. Las conexiones entre los arriostres son conexiones empernadas con placas de refuerzo.

Esta investigación a diferencia de los trabajos anteriores se enfoca en arriostres horizontales y verticales de barras de acero con conexiones soldadas, adicionalmente se utiliza únicamente los materiales disponibles en Costa Rica y los procesos de soldadura locales.

Planteamiento de la situación problemática y formulación del problema general y sub-problemas:

Esta investigación se enfocará en el análisis estructural de las conexiones entre arriostres de barras de acero para analizar la estabilidad de estos tipos de conexiones con soldadura y los materiales que están disponibles en el país.

El problema de utilizar barras de acero como arriostres consiste en que la medida normal de fabricación de las barras es de 6 metros, aunque sí hay disponibles barras de 12 metros contra pedido especial. Cuando el arriostre debe cruzar una distancia más larga que la barra, es necesario tener una conexión entre las dos barras. Este problema ocurre normalmente en arriostres horizontales en techos cuando se debe conectar los nodos de la cumbrera del techo con los nodos de viga-columna.

Los arriostres verticales son un sistema de marcos arrostrados cuyos elementos estructurales resisten las fuerzas laterales en el sentido débil de la estructura de un sismo o de viento. Eso significa que son elementos críticos al comportamiento del sistema estructural. Igualmente los arriostres horizontales son elementos importantes en sistemas estructurales, ya que son los elementos que distribuyen las fuerzas laterales entre los elementos sismo resistentes como muros, columnas o arriostres verticales.

Los arriostres deben tener un comportamiento dúctil, sin embargo si el arriostre tiene una conexión en el centro, ésta debe tener la capacidad de permitir este comportamiento dúctil en el arriostre. En el momento de un evento sísmico o de un frente de vientos fuertes, los arriostres de barras de acero trabajan bajo fuerzas de tensión y en el caso de un sismo, estas fuerzas sufren una forma cíclica. El problema ocurre cuando es necesario realizar una conexión, momento que abre la posibilidad de un plano de falla en el arriostre si la conexión no tiene la misma capacidad de la barra, si eso ocurre es posible tener una falla frágil en la conexión y así en el arriostre.

El problema principal de la investigación es que en este momento existe poca información sobre el comportamiento de las conexiones que están realizando en Costa Rica entre arriostres de barras de acero.

A partir del problema principal existe varios sub-problemas con las conexiones entre arriostres de barras de acero. En Costa Rica las conexiones por lo general se realizan con soldadura, las barras de acero más comunes en Costa Rica son las barras de construcción ASTM A706 y ASTM A615, según la ficha técnica del acero ASTM A615 se debe tener cuidado a la hora de soldarlas, ya que en la formulación de sus propiedades químicas no es considerada la cantidad de carbono para ser compatible con la soldadura. La "Soldadura del material en esta especificación debe de hacerse con cautela ya que no hay disposiciones específicas para mejorar su soldabilidad."(Comité Técnica Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, ASTM A615, 2011, p. 1).

Existe gran incertidumbre sobre la calidad de la soldadura en las conexiones que se realizan en el sitio, donde la calidad, de la soldadura está más débil. Conexiones de soldadura se debe diseñar según las normas del Instituto Americano de la Construcción de Acero (AISC) y los códigos del Sociedad Americano de Soldadura (AWS). Los procedimientos del AWS D1.1 no solo incluyen los procedimientos de diseño sino también los procedimientos prácticos para realizar las soldaduras. Sin embargo, las condiciones en sitio son muy difíciles de controlar las cuales generan la posibilidad de tener imperfecciones en la soldadura y llegan a debilitar las conexiones entre los arriostres.

Justificación del estudio de investigación:

La investigación pueda tener un beneficio para el diseño y fabricación de arriostres en sistemas arrostrados con barras de acero en Costa Rica. Lo anterior por cuanto hay poca información acerca del comportamiento de las diferentes formas de conexiones entre barras de acero con soldadura y los materiales que están disponibles en el país.

En Costa Rica las conexiones entre los arriostres de barras de acero se realizan por lo general en tres formas: a) conexión a tope con bisel en las barras, b) conexión con un traslape entre las barras y c) conexión a tope con refuerzo de un elemento angular. Unas de estas conexiones en teoría deben funcionar si la soldadura cumple y si los materiales utilizados son compatibles, otras como la de traslape debe realizarse basado en un diseño especifico. Sin embargo, es difícil asegurar estas condiciones, lo cual genera la duda si las conexiones que están realizando en los sitios de construcción en Costa Rica realmente tienen la capacidad de diseño.

Por ejemplo en la conexión a tope con bisel, si remueve un material de grado 40 o grado 60 y se remplazan con un material de soldadura de grado 60 o grado 70, en teoría la conexión debe tener la mínima resistencia o sino mayor resistencia de las barras de acero. Sin embargo, si la soldadura tiene imperfecciones por dentro, las cuales solo se pueden detectar con un ensayo de rayos X o un ultrasonido, como poros o grietas, la conexión va a fallar antes del esfuerzo de diseño. Igualmente con las conexiones de traslape se debe utilizar con mucho cuidado ya que por la forma geométrica de la conexión, se genera un momento torsional por el desplazamiento entre los centroides de las barras. Este momento produce una condición de fuerzas combinadas en la conexión la cual reduce bastante su capacidad.

Además de las formas de conectar los arriostres, existe el problema de la compatibilidad del acero en las barras disponibles en el país y la soldadura utilizada. Por ejemplo muchas veces los arriostres de barras de acero se realizan con barra lisa ya que arquitectónicamente son más atractivas. Sin embargo las barras lisas disponibles en Costa Rica se fabrican bajo la norma ASTM A615, "varilla redonda lisa, se fabrican de acuerdo con la norma ISO 1035/4 y en propiedades mecánicas de la norma ASTM A615" (Unidad Tecnica AcelorMittal Costa Rica, s.f., p. 26), la cual se recomienda que no sea soldada.

Por estas razones es importante una investigación para poner a prueba las diferentes formas de conectar los arriostres de barras acero y analizar si estas barras que están disponibles en el país son compatibles para usarse en conexiones soldadas.

Objetivo General:

Diseñar y fallar tres tipos de conexión soldadas y una conexión roscada entre barras de acero corrugadas ASTM A706 grado 60 y barras de acero lisas ASTM A615 grado 40 bajo fuerzas de tracción, para analizar su comportamiento para el uso en conexiones entre arriostres verticales y horizontales para un sistema de arrostramiento con barras de acero.

Objetivo Específicos:

• Investigarlas fuerzas laterales aplicado en un evento sísmico y de vientos altos a una bodega industrial con un sistema estructural de marcos de acero con arriostres de barras de acero, con el objetivo de demostrar la importancia de los arriostres verticales y horizontales y así sus conexiones en el sistema estructural.

• Diseñar y fallar cuatro tipos de conexión utilizados en las conexiones entre los arriostres verticales y horizontales de barras de acero utilizando barras ASTM A615 grado 40 y ASTM A706 grado 60.

• Analizar el comportamiento de los cuatro tipos de conexión propuestas entre los arriostres verticales y horizontales en barras de acero para definir cuál o cuáles conexiones tienen el mejor desempeño para el sistema estructural.

• Revisar el comportamiento de la compatibilidad del acero ASTM A615 y la soldadura SMAW para definir si es seguro utilizar este tipo de acero en conexiones soldadas entre arriostres verticales y horizontales de barras de acero.

Alcances:

Las pruebas experimentales se limitan a barras de acero corrugadas ASTM A706 grado 60 y varillas de acero lisas ASTM A615 grado 40, con diámetro de 15,8mm, la soldadura en las conexiones se utiliza el método de SMAW con electrodo E6013 y los angulares serán en acero ASTM A36.

En la investigación se realizara pruebas en cuarto tipos de conexión:

• Conexión soldado de tope con bisel

• Conexión soldado de tope reforzado con angular

• Conexión soldado de traslape

• Conexión con rosca y tuerca

El primer alcance de la investigación es realizar el diseño estructural para cada tipo de conexión entre las barras de acero. Para las conexiones soldadas se utilizará los códigos de diseño AWS D1.1-2010, AWS D1.4-2011 y AISC 360-2010.

El segundo alcance de la investigación es fallar las conexiones en un laboratorio bajo fuerzas de tensión. El procedimiento de las fallas en tensión se basará en la norma ASTM E8.

Limitaciones:

No es posible seguir el procedimiento exacto de la norma ASTM E8 para las pruebas en tensión. La norma requiere que se reduzca el área transversal del espécimen en el centro de la barra para medir con exactitud las deformaciones de la barra, como se muestra en la figura #2.

Figura #2: Espécimen de barra para fallar en tensión según norma ASTM E8

Fuente: Norma ASTM E8-E8M-09

Sin embargo como el enfoque de la investigación es la conexión entre las barras y no solamente la barra, esta reducción no es posible ni necesaria.

La cantidad de especímenes es limitado por la capacidad del laboratorio de metales del INA en el área de tecnología en Alajuela. El laboratorio es público y por esta razón tiene un límite en la cantidad de pedido de fallas por entidad.

Las barras de acero no son exactamente redondas, lo cual significa que los resultados del esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo de las pruebas van a tener una pequeña incertidumbre por la variación en el área de la barra.

No era posible medir las deformaciones en un punto exacto de las conexiones, ya que la máquina universal solamente dio las deformaciones generales de cada espécimen y no había acceso de un equipo para medir en un punto específico.

La investigación no tiene un respaldo estadístico, por la razón que la cantidad de pruebas necesarias para obtener un respaldo está fuera del alcance, la cual limita la credibilidad de los resultados y las conclusiones de la investigación.

CAPÍTULO 2

Marco teórico

(MARCO SITUACIONAL Y CONCEPTUAL)

Marco situacional

En Costa Rica el diseño estructural de estructuras de acero está dirigido por el Código Sísmico de Costa Rica 2010, la cual presenta las condiciones para el análisis y diseño sísmico. Además, se obliga al diseñador a utilizar los códigos y normas del Instituto Americano para la Construcción de Acero (AISC), Sociedad Americano de Soldadura (AWS), Instituto Americano de Acero y Hierro (ANSI) y la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) para el diseño de estructuras de acero y la selección de materiales.

En el artículo 10.1.3.4.b, del Código Sísmico de Costa Rica 2010, se hace la aclaración sobre las soldaduras en conexiones críticas, "Todos las soldadura que sean clasificadas como soldaduras críticas por demanda, deben ser ejecutadas con material de aporte que cumpla con las propiedades mecánicas de la tabla 10.3" (Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica, 2010, p. 10/6). Conexiones entre arriostres verticales y horizontales se pueden definir como soldaduras críticas por demanda, las propiedades mecánicas de las soldaduras se presenta en la tabla #1.

Por experiencia propia del autor, la situación actual en Costa Rica es cuando se realizan las conexiones entre arriostres de barras de acero, el tipo de soldadura utilizado más

comúnmente es el E6013. Eso es por la razón de que las soldaduras de grado 70 para arriba se necesitan equipos especiales u operadores calificados para un cierto tipo de electrodo. Por ejemplo, el alambre grado 70 se utiliza con un proceso de MIG/MAG la cual no es posible utilizar en áreas abiertas, y el electrodo E7018 es uno más difícil de utilizar que el E6013 y normalmente solo es utilizado por soldadores calificados.

En la tabla 4.1 del Código Sísmico de Costa Rica 2010, se clasifica los centros educativos como edificaciones de ocupación especial. La cual significa que las estructuras de escuelas y colegios están diseñados según ciertos parámetros para asegurar el desempaño de la estructura durante un sismo. Sin embargo, como se muestra en las imágenes #2 y #3 es común encontrar conexiones en arriostres horizontales en los techos de escuelas públicas en Costa Rica, que pueden tener defectos que eventualmente generen fallas en la conexión antes de la barra.

En la imagen #2 se muestra una conexión de traslape en el arriostre horizontal, la cual es una conexión común en Costa Rica en arriostres horizontales. Con esta conexión se debe tener mucho cuidado, ya como se explica en el pape Horizontal Bracing de Steel Wise. "Como hay un desfase entre el centroide de los arriostres, el momento excéntrico puede reducir significativamente la resistencia del miembro".(Dowswell, Brice y Blain, 2010, p.2)

En Costa Rica existe varios distribuidores de productos de acero como Saret Costa Rica y Aceros Abonos Agro entre otros. Además, existe fabricantes de barras de acero como ArcelorMittal. Las barras de acero deformadas, lisas o cuadradas son limitadas en Costa Rica a los aceros ASTM A706 y ASTM A615. "Las varillas de acero de ArcelorMittal Costa Rica, son fabricadas a partir de materia prima de primera calidad y cumple con las normas AST A-615 y ASTM A-706."(Unidad Técnica AcelorMittal Costa Rica, s.f., p. 26). En la página de web de los productos de Aceros Abonos Agro se ofrecen barras deformadas de ASTM A-615 Grado 40 y ASTM A-706 Grado 60y en barra lisa y cuadrados solamente ofrecen ASTM A-615. Saret Costa Rica. Esta empresa únicamente vende barra deformada con acero ASTMA706.

Marco teórico del objetivo del estudio

Marcos Arriostrados con Barras de Acero:

Un marco arriostrado con barras de acero es un sistema de diseño y construcción de marcos de acero. Se clasifican los marcos arriostrados con barras de acero como un marco ordinario concéntricamente arriostrado (OCBF), por la razón de que su arriostres solamente trabaja en tensión y las cuales normalmente se colocan en forma X, como se muestra en la figura #3.

Este sistema de arrostramiento fue uno de los primeros utilizados en estructuras de acero, "Los pórticos con tensores en X fueron uno de los primeros sistemas con arrostramientos que se utilizaron y aún se usan en la actualidad para estructuras cuyo diseño está controlado por acciones de viento". (Crisafulli, 2009, p. 49). Las columnas están arriostradas por los arriostres verticales que cruzan el marco estructural amarrando los nudos, así restringiendo el movimiento de los marcos y distribuyendo las fuerzas laterales que hace las cimentaciones.

Figura #3: Marco de acero arrostrado con barras de acero Fuente: http://www.docstoc.com/

Los arriostres horizontales se colocan en los sistemas de entrepisos que no tienen la rigidez necesaria y en los techos para generar un diafragma semirrígido. El principio es cuando la estructura se desplaza por cargas laterales de viento o de sismo los arriostres horizontales restringe el movimiento del techo o entrepiso y distribuye las fuerzas laterales uniformemente hacia las columnas. Así como se explica en el papel Horizontal Bracing "En edificios comerciales diafragmas son utilizados en los entrepisos y techos para distribuir cargas en el plano horizontal de la estructural a los sistemas estructurales resistentes contra cargas laterales" (Dowswell, Brice y Blain, 2010, p. 1)

Diafragmas semirrígidos:

El Código Sísmico de Costa Rica 2010 obliga al diseñador revisar la rigidez de los entrepisos y estructuras de techo para clasificar el diafragma como rígido o flexible. Según el CSCR 2010, un diafragma se considera como rígido si "la deformación lateral máxima en su plano es menor o igual a dos veces el promedio de las derivas máximas y mínimas del mismo"(Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica,

2010, p. 4/14). Si el diafragma no cumple con esta condición es considerado como un diafragma flexible.

Sin embargo el CSCR 2010 también hace la aclaración que los diafragmas de pisos y techo deben ser diseñadas para "resistir fuerzas sísmicas resultantes del análisis en cada nivel" (Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica, 2010,

p. 4/15). La cual genera la necesidad al nivel de los techos en edificios comerciales o estructurales industriales de crear un diafragma con una condición semirrígida. Para obtener una condición semirrígida es necesario rigidizar el diafragma flexible para restringir su desplazamiento lateral.

La forma más común de realizar esta rigidización es con el uso de arriostres horizontales de barras de acero en diagonal, como se muestra en la imagen #4, estos arriostres horizontales generan una cercha plana al nivel de techo, y por lo general es aceptado como un diafragma semirrígido si la deformaciones son iguales o menores de la longitud en planta del diafragma divido entre 360.

Imagen #4: Rigidización de un diafragma flexible con arriostres horizontales

Fuente: Curso de mampostería Colegio de Civiles Costa Rica

2.2.3. Soldadura SMAW:

El proceso de soldadura con electrodo recubierto (SMAW) es un proceso de soldadura por arco en el que la fusión del metal se produce, producto del calor generado en el arco eléctrico que se crea entre el extremo del electrodo consumible recubierto y la superficie de los metales base que se van a unir. SMAW es uno de los procesos de soldadura más ampliamente usados, "La soldadura con electrodo revestido es la forma más común de la soldadura al arco" (http://www.lincolnelectric.com/), particularmente para costuras cortas de producción, trabajos de mantenimiento y reparación, y para trabajos de construcción en campo.

Imagen #5: E

Fuente: http://soldadura.org/

El calor generado funde la punta del electrodo y la superficie del metal base. De esta forma las pequeñas gotas de metal fundido que se forman sobre la punta del electrodo viajan a través de la columna del arco y junto con el metal base fundido forman el baño de soldadura, así como se muestra en la imagen #5. El electrodo se desplaza a una velocidad adecuada (velocidad de soldadura) fundiendo constantemente una porción del metal base y adicionando metal de aporte producto de su propia fusión. En la medida que el proceso desarrolla el baño metálico va solidificando y formando el metal de la costura. La protección del metal a elevada temperatura de la acción del oxígeno y el nitrógeno del aire se realiza a

través del revestimiento que cuando se combustiona genera gases y una escoria que cubre las gotas de metal y el baño de soldadura, creando una doble barrera protectora.

El tipo de electrodo utilizado es un factor muy importante en las propiedades de la soldadura. Por lo general se puede separar los electrodos en dos grupos, los de un revestimiento grueso y los de un revestimiento delgado. Los electrodos con revestimiento grueso normalmente se utilizan en soldadura estructurales, ya que como explicó McCormac, "las soldaduras con revestimientos gruesas son más fuertes, resistentes a la corrosión y más dúctiles que las soldaduras con un revestimiento delgado." (McCormac, 2012, p.474)

Tanto el electrodo recubierto como el metal base forman parte del circuito eléctrico de soldadura, que se muestra en la figura #4. Este circuito se inicia con la fuente de energía eléctrica, e incluye los cables conductores, el porta electrodo o tenaza, la conexión a tierra, la pieza por soldar y el electrodo recubierto. Uno de los cables que provienen de la fuente de energía se conecta a la porta electrodo y el otro a la conexión a tierra, que se fija a la pieza. Este circuito se cierra al hacer contacto el electrodo con la pieza.

Figura #4: Circuito de equipo de soldadura SMAW Fuente: http://www.tecnoficio.com/

Acero ASTM A706:

La norma ASTM A706 cubre la fabricación de barras de acero para el refuerzo de concreto estructural con propiedades mecánicas restrictivas y composición química con el fin de mejorar la capacidad de soldadura. "Esta especificación limita composición química y de carbono equivalente para mejorar la soldabilidad del material."(Comité Técnica

Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, ASTM A706, 2011, p. 1). La especificación cubre barras de dos grados de resistencia, grado 60 y grado 80, con eso la calificación designa el límite elástico del material, por ejemplo el grado 60 tiene un rendimiento mínimo de 60ksi (4200kg/cm²).

En adición de los requisitos químicos en la tabla #2, barras fabricadas bajo la norma ASTM A706 no debe tener un carbono equivalente (CE) más de 0,55%. Las barras producidas con esta especificación deben ser marcadas con la letra "W", como se muestra en la imagen #6, para indicar su compatibilidad con la soldadura, ya que en inglés la palabra para soldadura es "Weld".

Imagen #6: Barra de acero ASTM A706 con marcaciones

Fuente: Catálogo de Productos, ArcelorMittal

Acero ASTM A615:

La norma ASTM A615 cubre barras de acero de carbono, para el refuerzo de concreto estructural, las cuales se producen en forma deformada y lisa, como se muestra en la imagen

#7. Se producen en grados 40, 60, 75 y 80. Por ser barras de acero de carbono la norma hace la aclaración sobre su compatibilidad con la soldadura. "Soldadura del material en esta especificación debe ser con cautela ya que no hay disposiciones específicas incluidas para mejorar su capacidad de soldadura." (Comité Técnica Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, ASTM A615, 2011, p. 1)

La especificación solamente limita la cantidad de fósforo en su composición química como un máximo de 0,06%. En las barras deformadas de esta especificación se debe marcar con la letra "S" para indicar la norma de fabricación y hacer saber que para estas barras no es recomendable soldar

Imagen #7: Barras de acero ASTM A615

Fuente: Catálogo de Productos, ArcelorMittal

CAPÍTULO 3

Marco metodológico

Definición del enfoque metodológico y método de investigación

La investigación es de enfoque cuantitativo el cual permite realizar una investigación relativa al comportamiento real de los materiales utilizados en los ensayos.

El primer paso de la investigación es diseñar la bodega industrial para demostrar el papel importante de los arriostres verticales y horizontales en un sistema sismo resistente. La estructura de la bodega consistirá de marcos con capacidad de resistir momentos IMF y marcos arriostrados OCBF. Se diseñará la bodega según los requisitos del Código Sísmico de Costa Rica 2010, el AISC 360-10 y el AISC 341-10, las cargas de tracción encontrados en los arriostres de este diseño se utilizan para diseñar las conexiones experimentales de esta investigación.

Para el diseño de las conexiones entre los arriostres verticales y horizontales de barras de acero, las soldaduras se diseñarán según los procedimientos de los códigos AWS D1.1/D1.1M 2010, AWS D1.4/1.4M 2011y el AISC 360-10, para la conexión con rosca la capacidad del área efectiva de una rosca se diseñará según la ecuación del ANSI/ASME B.1.

Se diseñarán tres tipos de conexiones con soldadura con barra corrugada ASTM A706 grado 60, y tres conexiones con soldadura con barra liza ASTM A615 grado 40. Además se diseñará una conexión con rosca y una tuerca de unión con barra liza ASTM A615 grado 40, para cada tipo de conexión se fabricará tres especímenes las cuales fallarán bajo fuerzas de tracción.

El soldador que realiza las conexiones soldadas no será un soldador calificado por la razón de que la investigación quiere simular las condiciones reales en Costa Rica donde es normal que la persona que realice la soldadura en estos tipos de conexiones no es un operador calificado. Por la mínima razón los especímenes de las conexiones se soldarán con el electrodo E6013 utilizando el proceso de soldadura SMAW, la cual es el más común en las

construcciones de Costa Rica. Para la conexión con rosca, las roscas se realizarán en el taller de Metal Solutions en el Barrio San José de Curridabat.

Una vez fabricados los especímenes de cada tipo de conexión se fallarán en el laboratorio de metales en la Cuidad de Tecnología del Instituto Nacional de Aprendizaje (INA) en Alajuela, la cual es acreditado por la norma ASTM E8.

: Definición de variables: conceptual, operativa e instrumental

CAPÍTULO 4

Desarrollo de temas de investigación

: Sistema estructural de marcos de acero arriostrados con arriostres de barras de acero

El primer objetivo específico es investigar la función de los arriostres verticales y horizontales en un sistema estructural de marcos arriostrados y así demostrar la importancia de la investigación sobre las conexiones entre ellos. Para este fin se presenta un análisis estructural compuesto de un sistema estructural de marcos de acero con arriostres verticales de barras de acero entre las columnas en el sentido débil de la estructura y arriostres horizontales de barras de acero en el techo, como se muestra en la imagen #8.

: Análisis estructural de las fuerzas laterales de un sistema estructural de marcos de acero arriostrados con barras de acero:

Para investigar la función de los arriostres verticales y horizontales en una estructura de marcos arriostrados con barras de acero es necesario realizar un análisis para obtener las fuerzas laterales aplicadas sobre la estructura.

Imagen #8: Modelo de estructura compuesto de marcos de acero con sistema de arrostramiento de arriostres verticales y horizontales de barras de acero

Fuente: SAP 2000 V16, tomado el 12/09/15

En Costa Rica las fuerzas laterales más críticas provienen de los eventos sísmicos o de vientos altos. En los eventos sísmicos se transfieren energía sísmica a la estructura causando una fuerza de cortante en la base. Este movimiento lateral genera las fuerzas sísmicas en la superestructura, y para las cuales la estructura debe tener la resistencia y capacidad necesaria para mantenerse estable en el momento del sismo. En el caso de fuerzas laterales por vientos, el viento empuja contra el área transversal de la estructura por el frente y genera una fuerza de succión sobre el área transversal en la parte trasero de la estructura. Para entender bien estos conceptos, a continuación se presenta los procesos de un análisis símico por el método estático y un análisis de viento según los códigos del país.

: Proceso de análisis sísmico por el método estático

En Costa Rica el diseñador debe seguir los procedimientos de análisis del Código Sísmico de Costa Rica 2010. Los primeros pasos del análisis es definir los parámetros del

análisis según los primeros seis capítulos del dicho código. Estos parámetros incluyen la zona sísmica del país, tipo de suelo, aceleración pico efectivo del sitio, factor de importancia de la estructura, la sobre resistencia y la ductilidad global de la estructura.

Con la definición de estos factores se debe seguir los pasos del capítulo 7 del Código Sísmico de Costa Rica para obtener las fuerzas sísmicas. El primer paso es calcular el cortante en la base producido por sismo, se debe utilizar la ecuación 7-1 del CSCR 2010:

Ecuación 4.1.1

V = CS W

Fuente: CSCR 2010, Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica

W es el peso sísmico y CS es el coeficiente sísmico que se define en el capítulo 5 del CSCR 2010.

Ecuación 4.1.2

CS =

Fuente: CSCR 2010, Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica

Para calcular el FED inicial se debe estimar el periodo sísmico (T) de la bodega. En el capítulo 7 del CSCR 2010, sección 7.4.5 se define que T = 0.12N para marcos de acero.

El siguiente paso en el análisis sísmico por el método estático es calcular la distribución de fuerzas sísmicas por nivel. Se debe utilizar la ecuación 7-2 del CSCR 2010:

Ecuación 4.1.3

Fuente: CSCR 2010, Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica

Con el valor de la fuerza sísmica se debe calcular los desplazamientos elásticos de la estructura. Para eso es necesario calcular la rigidez de la estructura en los sentidos norte – sur y este – oeste. Los marcos IMF en la dirección norte – sur tienen la condición de una

articulación en la base en un empotramiento en el nudo con la viga, la cual genera una condición de rigidez definido por la siguiente ecuación:

Ecuación 4.1.4

Fuente: Dinámica de Estructuras, Anil K. Chopra

En la dirección oeste – este la rigidez de la estructura proviene de los arriostres verticales la cual se define por la siguiente ecuación:

Ecuación 4.1.5

Fuente: Dinámica de Estructuras, Anil K. Chopra

un sistema lineal la deformación resultante (u) es definido por la relación entre K y Fi:

Ecuación 4.1.6

Fuente: Dinámica de Estructuras, Anil K. Chopra

En la sección 7.4.6 del CSCR 2010 se obliga recalcular el periodo para redificar si la estimación de 0.12N fue correcta. Se utiliza la ecuación 7-3 para recalcular el periodo del primer modo de vibración:

Ecuación 4.1.7

Fuente: CSCR 2010, Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica

El último paso de la análisis sísmico por el método estático es la revisión del cumplimiento las derivas con la relación del desplazamiento inelástico ?i/Hi. El valor de ?i se calcula según la ecuación 7-8 del CSCR 2010:

Ecuación 4.1.8

Fuente: CSCR 2010, Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica

Las cuales debe cumplir con las valores de la tabla 7.2 del CSCR 2010.

: Proceso de análisis por viento

El análisis por viento está dirigido por el capítulo XX-Diseño de Estructuras de Construcción, Artículo XX.7 del Reglamento de Construcciones. La carga de viento está definido por la ecuación:

Ecuación 4.1.9

Fuente: Reglamento de construcciones de Costa Rica

Donde V es la velocidad del viento en km/h y q es la presión del viento contra una estructura en kg/m², sin embargo no existe datos por las velocidades críticas del viento en Costa Rica. Entonces se debe utilizar la tabla 2.3 del dicho código. La bodega en diseño para la investigación tiene una altura máxima de 11.5m y está en un campo abierto, así la presión básico de diseño por viento es 105kg/m².

La bodega se clasifica como una edificación ordinaria así el coeficiente de uso I es 1 según la sección 3.1 del código. Además la carga de viento genera una fuerza de empuje C al frente de la estructura y una fuerza de succión en la parte posterior de la estructura, en la sección 3.3 se define una fracción de q de 0.8 para la carga de empuje y 0.4 para la carga de succión.

La ecuación para calcular las cargas de viento se define en la sección 4.2, la cual es:

Ecuación 4.1.10

Fuente: Reglamento de construcciones de Costa Rica

: Análisis estructural sobre los arriostres verticales de la estructura:

El sentido este – oeste de la estructura es la dirección débil de las columnas. Para obtener la estabilidad necesaria se colocan arriostres verticales entre los marcos, se muestra la corte de la estructura en la imagen #9. Para revisar la forma en que los arriostres verticales afectan la estabilidad de la estructura y así sus conexiones, se presenta el análisis sísmico en el sentido este – oeste de la estructura.

Imagen #9: Modelo de marcos arrostrados con arriostres verticales de barras de acero

Fuente: SAP 2000 V16, tomado el 12/09/15

En este caso las fuerzas laterales en la dirección este – oeste son provocados por fuerzas sísmicas. El peso sísmico de la nave en la dirección este – oeste se presenta en la tabla #4

Los parámetros sísmicos para la nave en la dirección este – oeste son las siguientes:

• Zona sísmica: Zona III (Tabla 2.1 CSCR 2010)

• Tipo de sitio: Sitio S3 (Tabla 2.2 CSCR 2010)

• Aceración pica efectivo: 0.36 aef (Tabla 2.3 CSCR 2010)

• Factor de importancia: 1 (Tabla 4.1 CSCR 2010)

• Sobre resistencia: 2 SR (Capitulo 5 CSCR 2010)

• Ductilidad global en dirección este – oeste: 1.5? (Tabla 4.3 CSCR 2010)

• Arriostres verticales en forma X en barra #5

La ductilidad global en la dirección este – oeste es 1.5 la cual da un valor de FED de 1.77, con eso el valor de CS es:

Tabla #5: Calculo de fuerzas sísmicas dirección este – oeste