UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
REVISIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO
DE PERNOS DE ANCLAJE
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
NICOLÁS ANDRÉS CHÁVEZ MERINO
PROFESOR GUÍA:
ALEJANDRO VERDUGO PALMA
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
RICARDO HERRERA MARDONES
MAXIMILIANO ASTROZA INOSTROZA
SANTIAGO DE CHILE
DICIEMBRE 2011
RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
POR: NICOLÁS CHÁVEZ M. FECHA: 24/01/2012
PROF. GUÍA: Sr. ALEJANDRO VERDUGO P. “REVISIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO DE PERNOS DE ANCLAJE”
A lo largo de los años en que se ha utilizado la norma NCh 2369 Of. 2003 “Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales” para diseñar estructuras industriales en nuestro país, han ocurrido varios terremotos, siendo el más reciente el ocurrido el 27 de febrero del 2010. Tras estos terremotos, se han observado daños en los anclajes de algunas estructuras de acero, lo cual motiva la realización de un estudio acerca de los criterios de diseño que actualmente dispone la norma. Temas como la conveniencia de diseñar anclajes con fluencia temprana, la seguridad en el reapretar tuercas de pernos que han fluido tras un sismo y la influencia del largo de los pernos de anclaje en la respuesta de las estructuras son temas que se analizan en este trabajo.
Para ello, y a diferencia de cómo son modelados los apoyos en la práctica usual (perfectamente empotrados o perfectamente rotulados), se modelaron dos estructuras (un marco rígido y uno arriostrado) con apoyos que incorporan la no linealidad asociada a la fluencia de los pernos de anclaje. Considerando cómo trabajan los anclajes en la realidad, estos apoyos rescatan el hecho de que los pernos, una vez que han fluido, no trabajan sino hasta que se supere su deformación remanente previa.
La modelación de los apoyos se construyó de tal manera que ésta quedara en función de parámetros de diseño fáciles de manejar, como la tensión de fluencia, largo y diámetro de los pernos de anclaje y la carga estática de las columnas de las estructuras. Con esto, se logra modificar tanto la resistencia como la rigidez de los apoyos. Para ver cómo la variación de estos parámetros afectaba la respuesta de ambas estructuras, los modelos de las estructuras fueron sometidos a registros de terremotos de distintas características, como lo son el terremoto de 1985 (estación de Llolleo) y el terremoto de Kobe de 1995 en Japón (estación Takarazuka).
En ambas estructuras resultó más favorable limitar la fluencia de los pernos de anclaje, cosa contraria a lo fomentado por la norma NCh 2369. Basado en lo anterior, se recomienda aumentar el nivel de resistencia de los pernos, confiando la disipación temprana de energía no sólo en el anclaje sino también en la estructura. Por otro lado, se observó que el largo de los pernos de anclaje no influye significativamente en los esfuerzos de las estructuras y que anclajes con pernos de un largo mayor consumían una menor parte de su capacidad de deformación, con lo que éstos quedaban más lejos de alcanzar su nivel de rotura. Además, se estimó que pernos que presentan deformaciones remanentes del orden de tres veces su diámetro
( )
3d han consumido una parte mayor de su capacidad de deformación y que probablemente se rompan al someterse a un siguiente sismo severo; el reapriete de las tuercas en estos casos puede ser una práctica insegura. Por último, en marcos arriostrados el uso de bajas cargas estáticas origina un aumento relevante de la carga axial por sismo, debido al “zapateo” excesivo en que incurre a estructura, por lo que se recomienda el uso de cargas estáticas “equilibradas” que compensen este fenómeno sin incrementar en demasía las cargas axiales en las columnas.AGRADECIMIENTOS:
Quisiera darles las gracias a todas las personas que con su ayuda y dedicación hicieron posible este trabajo.
Agradecer a mi profesor guía Alejandro Verdugo por la buena disponibilidad y paciencia que mostró conmigo para responder mis dudas y guiarme en el desarrollo de esta tesis.
En forma especial agradezco a Joaquín Acosta. Su ayuda fue vital en el desarrollo de esta memoria, ya que en forma desinteresada me instruyó en el uso del código de OpenSees, siguió mi avance y me aportó con valiosos consejos.
Muchas gracias a mis amigos y familia por haberme apoyado durante toda mi carrera y en especial a mi madre por toda su ayuda y cariño durante este proceso.
ÍNDICE DE CONTENIDOS:
RESUMEN ………... ii
AGRADECIMIENTOS ……….. iii
ÍNDICE DE CONTENIDOS ………... iv
ÍNDICE DE FIGURAS ………... ix
ÍNDICE DE TABLAS ………. xviii CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ……… 1.1. Introducción General ……… 1.2. Metodología ………... 1.3. Objetivos ……… 1-1 1-1 1-3 1-4 CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES ……… 2.1. Antecedentes generales ……… 2.2. Normas de diseño ……….. 2.2.1. NCh 2369 Of. 2003 ………... a) Materiales ……… b) Anclajes ……… 2.2.2. Specification for Steel Buildings, AISC 360-05 ………... a) Materiales ……… b) Pernos de anclaje ……… 2.2.3. Seismic Provisions for Steel Buildings, AISC 341-05 ………... a) Resistencia axial requerida en base de columnas ………. b) Resistencia al corte requerida en base de columnas ……… c) Resistencia al momento requerida en base de columnas ………. d) Combinaciones de carga ………. 2.2.4. Eurocódigo ……… 2.3. Guías y prácticas de diseño ……….. 2.3.1. AISC Steel Design Guide 1: Base plate and anchor rod design, 2nd edition ……… a) Materiales ……… 2-1 2-1 2-3 2-3 2-3 2-4 2-6 2-6 2-6 2-8 2-8 2-9 2-10 2-12 2-13 2-15 2-15 2-15
c) Diseño de pernos para cuando predominan momentos pequeños ………….. d) Diseño de pernos para cuando predominan momentos grandes ………….... 2.3.2. Práctica Japonesa ………... a) Rigidez rotacional y momento de diseño de la conexión en la base de la columna ……… b) Resistencia de la base de la columna y ductilidad de los pernos de anclaje .. 2.4. Artículos ……… a) Momento de fluencia, abMy ……….
b) Rigidez de flexión, Kb y Kbst ………
c) Momento resistente debido a la compresión, Mn ………..
2.5. Ensayos ……….. 2-16 2-17 2-19 2-19 2-20 2-23 2-23 2-23 2-24 2-26 CAPÍTULO 3: MODELACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS ………..
3.1. Descripción del modelo ……… 3.1.1. Diseño de la estructura ……….. 3.1.2. Modelación de los elementos ……… 3.1.3. Modelación de los apoyos ………. a) Marco rígido ……… b) Marco arriostrado ………... 3.1.4. Alcances del modelo ……….. 3.2. Variables a analizar ……….. 3.3. Análisis conceptual ………... 3.3.1. Marco rígido ……….. a) Caso Fy ………. b) Caso Nest ………... c) Caso Lp ………. d) Caso dp ……….. 3.3.2. Marco arriostrado ……….. a) Caso Fy ………. b) Caso Nest ………... c) Caso Lp ………. 3.4. Metodología ………... 3-1 3-1 3-2 3-2 3-4 3-5 3-6 3-7 3-9 3-10 3-10 3-10 3-11 3-11 3-12 3-13 3-13 3-13 3-14 3-15 CAPÍTULO 4: RESULTADOS ……….. 4.1. Registro Llolleo ………. 4-1 4-2
4.1.1. Marco rígido ………..
a) Caso Fy ……….
a.1) Apoyo ………... a.2) Pernos de anclaje ……… a.3) Estructura ………... b) Caso Nest ………... b.1) Apoyo ……….. b.2) Pernos de anclaje ……… b.3) Estructura ………... c) Caso Lp ………. c.1) Apoyo ………... c.2) Pernos de anclaje ……… c.3) Estructura ………... d) Caso dp ………. d.1) Apoyo ……….. d.2) Pernos de anclaje ……… d.3) Estructura ………... 4.1.2. Marco arriostrado ……….. a) Caso Fy ………. a.1) Apoyo ………... a.2) Pernos de anclaje ……… a.3) Estructura ………... b) Caso Nest ………... b.1) Apoyo ……….. b.2) Pernos de anclaje ……… b.3) Estructura ………... c) Caso Lp ………. c.1) Apoyo ………... c.2) Pernos de anclaje ……… c.3) Estructura ………... 4.2. Registro Kobe ……… 4.2.1. Marco rígido ……….. a) Caso Fy ………. a.1) Apoyo ………... 4-2 4-2 4-2 4-2 4-3 4-5 4-5 4-5 4-5 4-7 4-7 4-7 4-7 4-9 4-9 4-9 4-9 4-11 4-11 4-11 4-11 4-12 4-13 4-13 4-13 4-13 4-14 4-14 4-14 4-14 4-16 4-16 4-16 4-16
a.2) Pernos de anclaje ……… a.3) Estructura ………... b) Caso Nest ………... b.1) Apoyo ……….. b.2) Pernos de anclaje ……… b.3) Estructura ………... c) Caso Lp ………. c.1) Apoyo ……….. c.2) Pernos de anclaje ……… c.3) Estructura ………... d) Caso dp ……….. d.1) Apoyo ……….. d.2) Pernos de anclaje ……… d.3) Estructura ………... 4.2.2. Marco arriostrado ………... a) Caso Fy ………. a.1) Apoyo ……….. a.2) Pernos de anclaje ……… a.3) Estructura ………... b) Caso Nest ………... b.1) Apoyo ……….. b.2) Pernos de anclaje ……… b.3) Estructura ………... c) Caso Lp ………. c.1) Apoyo ……….. c.2) Pernos de anclaje ……… c.3) Estructura ………... 4-16 4-16 4-17 4-17 4-17 4-17 4-18 4-18 4-18 4-18 4-18 4-18 4-18 4-19 4-19 4-19 4-19 4-20 4-20 4-20 4-20 4-21 4-21 4-21 4-21 4-21 4-22 CAPÍTULO 5: COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ……….
5.1. Modelo no lineal de sistema de anclaje ………... 5.2. Fuerza de diseño de los pernos de anclaje ……….. 5.3. Longitud expuesta de los pernos de anclaje ………... 5.4. Acero de los pernos de anclaje ……… 5.5. Carga estática de la estructura ………
5-1 5-1 5-2 5-3 5-4 5-4
5.6. Recomendaciones para futuros estudios ……… 5-5 CAPÍTULO 6: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ………..……….. 6-1 ANEXO A: RESULTADOS PARA MARCO RÍGIDO CON REGISTRO LLOLLEO ..
A.1. Caso Fy ………...
A.2. Caso Nest ………...
A.3. Caso Lp ………... A.4. Caso dp ………... A-1 A-1 A-6 A-11 A-16 ANEXO B: RESULTADOS PARA MARCO ARRIOSTRADO CON REGISTRO
LLOLLEO ……… B.1. Caso Fy ………... B.2. Caso Nest ………... B.3. Caso Lp ………... B-1 B-1 B-5 B-9 ANEXO C: RESULTADOS PARA MARCO RÍGIDO CON REGISTRO KOBE ……..
C.1. Caso Fy ………... C.2. Caso Nest ………... C.3. Caso Lp ………... C.4. Caso dp ………... C-1 C-1 C-6 C-11 C-16 ANEXO D: RESULTADOS PARA MARCO ARRIOSTRADO CON REGISTRO
KOBE ……… D.1. Caso Fy ………... D.2. Caso Nest ………... D.3. Caso Lp ………... D-1 D-1 D-5 D-9
ÍNDICE DE FIGURAS:
Figura 1.1: Daños en pernos de anclaje tras terremoto del 2010 ………..…… 1-2 Figura 2.1: Configuración de una conexión de placa base expuesta ……….…... 2-1 Figura 2.2: Equilibrio de fuerzas en placa base ……….…... 2-2 Figura 2.3: Detalle de base de columnas ……….…. 2-5 Figura 2.4: Mecanismos de transferencia de corte en base de columnas ………..… 2-9 Figura 2.5: Ejemplos de bases rígidas para marcos rígidos ……….. 2-11 Figura 2.6: Componentes de una base de columna típica ………. 2-13 Figura 2.7: Anclaje de pernos en la fundación ... 2-14 Figura 2.8: Diagrama de fuerzas para caso momento grande ………... 2-18 Figura 2.9: Definición de distancias dt y dc ……….. 2-20 Figura 2.10: Largo efectivo del perno de anclaje ………... 2-20 Figura 2.11: Método de diseño de la conexión de base de columnas en práctica japonesa .. 2-21 Figura 2.12: Ruta histerética en relación momento – curvatura de base de columna ……... 2-25 Figura 2.13: Relación momento – curvatura de base de columna ………... 2-25 Figura 2.14: Tensiones de fluencia y última en probetas de acero ASTM A36 …………... 2-26 Figura 2.15: Deformación unitaria a la rotura en probetas de acero ASTM A36 …………. 2-26 Figura 3.1: Estructuras a modelar ……….... 3-1 Figura 3.2: Relación fuerza – desplazamiento de ambas diagonales ……….... 3-3 Figura 3.3: Relación fuerza – desplazamiento de una diagonal en cruz ………... 3-4 Figura 3.4: Relación momento – rotación de apoyo modelado para marco rígido ………... 3-6 Figura 3.5: Relación fuerza axial – deformación de apoyo modelado para marco
arriostrado ………...………….. 3-7 Figura 3.6: Esquema de rotación de placa base ……….... 3-8 Figura 3.7: Curva momento – rotación de base (Caso Fy) ……… 3-10 Figura 3.8: Curva momento – rotación de base (Caso Nest) ……….. 3-11 Figura 3.9: Curva momento – rotación de base (Caso Lp) ……… 3-12 Figura 3.10: Curva momento – rotación de base (Caso dp) ……….. 3-12 Figura 3.11: Curva fuerza – desplazamiento de base (Caso Fy) ………... 3-13 Figura 3.12: Curva fuerza – desplazamiento de base (Caso Nest) ………... 3-14 Figura 3.13: Curva fuerza – desplazamiento de base (Caso Lp) ………... 3-14 Figura 3.14: Registros utilizados ……….. 3-15 Figura A.1: Momento v/s giro de apoyo, Caso Fy ……….... A-1 Figura A.2: Momento v/s giro de apoyo, Caso Fy (Detalle) ………. A-1
Figura A.3: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ……… A-1 Figura A.4: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ……… A-1 Figura A.5: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy ……….. A-2 Figura A.6: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy (Detalle) …... A-2 Figura A.7: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ………... A-2 Figura A.8: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……….. A-2 Figura A.9: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……… A-3 Figura A.10: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Fy ………. A-3 Figura A.11: Corte de columnas v/s tiempo, Caso Fy ………... A-3 Figura A.12: Momento de columnas v/s tiempo, Caso Fy ……… A-3 Figura A.13: Corte de vigas v/s tiempo, Caso Fy ……….. A-4 Figura A.14: Momento de vigas v/s tiempo, Caso Fy ………... A-4 Figura A.15: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Fy ………. A-4 Figura A.16: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Fy ……… A-4 Figura A.17: Drift total v/s tiempo, Caso Fy ………. A-5 Figura A.18: Demanda de ductilidad en columnas, Caso Fy ……… A-5 Figura A.19: Demanda de ductilidad en vigas, Caso Fy ………... A-5 Figura A.20: Momento v/s giro de apoyo, Caso Nest ……… A-6 Figura A.21: Momento v/s giro de apoyo, Caso Nest (Detalle) ………. A-6 Figura A.22: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ……… A-6 Figura A.23: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ……… A-6 Figura A.24: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest ………….. A-7 Figura A.25: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest (Detalle) ... A-7 Figura A.26: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest …………... A-7 Figura A.27: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ………….. A-7 Figura A.28: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ……… A-8 Figura A.29: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Nest ………... A-8 Figura A.30: Corte de columnas v/s tiempo, Caso Nest ………. A-8 Figura A.31: Momento de columnas v/s tiempo, Caso Nest ……….. A-8 Figura A.32: Corte de vigas v/s tiempo, Caso Nest ……… A-9 Figura A.33: Momento de vigas v/s tiempo, Caso Nest ………. A-9 Figura A.34: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Nest ………... A-9 Figura A.35: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Nest ……….. A-9 Figura A.36: Drift total v/s tiempo, Caso Nest ………... A-10
Figura A.37: Demanda de ductilidad en columnas, Caso Nest ……….. A-10 Figura A.38: Demanda de ductilidad en vigas, Caso Nest ………. A-10 Figura A.39: Momento v/s giro de apoyo, Caso Lp ……….. A-11 Figura A.40: Momento v/s giro de apoyo, Caso Lp (Detalle) ………... A-11 Figura A.41: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……….. A-11 Figura A.42: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……….. A-11 Figura A.43: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp ……… A-12 Figura A.44: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp (Detalle) …. A-12 Figura A.45: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ………. A-12 Figura A.46: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……… A-12 Figura A.47: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……….. A-13 Figura A.48: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Lp ………. A-13 Figura A.49: Corte de columnas v/s tiempo, Caso Lp ………... A-13 Figura A.50: Momento de columnas v/s tiempo, Caso Lp ……… A-13 Figura A.51: Corte de vigas v/s tiempo, Caso Lp ……….. A-14 Figura A.52: Momento de vigas v/s tiempo, Caso Lp ………... A-14 Figura A.53: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Lp ………. A-14 Figura A.54: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Lp ……… A-14 Figura A.55: Drift total v/s tiempo, Caso Lp ………. A-15 Figura A.56: Demanda de ductilidad en columnas, Caso Lp ……… A-15 Figura A.57: Demanda de ductilidad en vigas, Caso Lp ………... A-15 Figura A.58: Momento v/s giro de apoyo, Caso dp ………... A-16 Figura A.59: Momento v/s giro de apoyo, Caso dp (Detalle) ………... A-16 Figura A.60: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso dp ……….. A-16 Figura A.61: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso dp ……….. A-16 Figura A.62: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso dp ……… A-17 Figura A.63: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso dp (Detalle) …. A-17 Figura A.64: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso dp ………. A-17 Figura A.65: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso dp ……… A-17 Figura A.66: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso dp ………... A-18 Figura A.67: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso dp ……….. A-18 Figura A.68: Corte de columnas v/s tiempo, Caso dp ………... A-18 Figura A.69: Momento de columnas v/s tiempo, Caso dp ……… A-18 Figura A.70: Corte de vigas v/s tiempo, Caso dp ……….. A-19
Figura A.71: Momento de vigas v/s tiempo, Caso dp ………... A-19 Figura A.72: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso dp ………. A-19 Figura A.73: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso dp ……… A-19 Figura A.74: Drift total v/s tiempo, Caso dp ………. A-20 Figura A.75: Demanda de ductilidad en columnas, Caso dp ………. A-20 Figura A.76: Demanda de ductilidad en vigas, Caso dp ………... A-20 Figura B.1: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Fy ………... B-1 Figura B.2: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Fy (Detalle) ………... B-1 Figura B.3: Deformación de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ………... B-1 Figura B.4: Fuerza axial de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ………... B-1 Figura B.5: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy ……….. B-2 Figura B.6: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy (Detalle) …... B-2 Figura B.7: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ………... B-2 Figura B.8: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……….. B-2 Figura B.9: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……… B-3 Figura B.10: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Fy B-3 Figura B.11: Carga axial de diagonales 1 – 3 v/s tiempo, Caso Fy ………... B-3 Figura B.12: Carga axial de diagonales 4 – 6 v/s tiempo, Caso Fy ………... B-3 Figura B.13: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Fy ………. B-4 Figura B.14: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Fy ………... B-4 Figura B.15: Drift total v/s tiempo, Caso Fy ………... B-4 Figura B.16: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Nest ………... B-5 Figura B.17: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Nest (Detalle) ………... B-5 Figura B.18: Deformación de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ………... B-5 Figura B.19: Fuerza axial de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ………... B-5 Figura B.20: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest ………….. B-6 Figura B.21: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest (Detalle) ... B-6 Figura B.22: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest …………... B-6 Figura B.23: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ………….. B-6 Figura B.24: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ………. B-7 Figura B.25: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Nest ………... B-7 Figura B.26: Carga axial de diagonales 1 – 3 v/s tiempo, Caso Nest ………. B-7 Figura B.27: Carga axial de diagonales 4 – 6 v/s tiempo, Caso Nest ………. B-7 Figura B.28: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Nest ………... B-8
Figura B.29: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Nest ………... B-8 Figura B.30: Drift total v/s tiempo, Caso Nest ………... B-8 Figura B.31: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Lp ………. B-9 Figura B.32: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Lp (Detalle) ………. B-9 Figura B.33: Deformación de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……… B-9 Figura B.34: Fuerza axial de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……….. B-9 Figura B.35: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp ……… B-10 Figura B.36: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp (Detalle) …. B-10 Figura B.37: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ………. B-10 Figura B.38: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……… B-10 Figura B.39: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ………... B-11 Figura B.40: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Lp ……….. B-11 Figura B.41: Carga axial de diagonales 1 – 3 v/s tiempo, Caso Lp ………... B-11 Figura B.42: Carga axial de diagonales 4 – 6 v/s tiempo, Caso Lp ………... B-11 Figura B.43: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Lp ………. B-12 Figura B.44: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Lp ……… B-12 Figura B.45: Drift total v/s tiempo, Caso Lp ………. B-12 Figura C.1: Momento v/s giro de apoyo, Caso Fy ……….... C-1 Figura C.2: Momento v/s giro de apoyo, Caso Fy (Detalle) ………. C-1 Figura C.3: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ……… C-1 Figura C.4: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ……… C-1 Figura C.5: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy ……….. C-2 Figura C.6: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy (Detalle) …... C-2 Figura C.7: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ………... C-2 Figura C.8: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……….. C-2 Figura C.9: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……… C-3 Figura C.10: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Fy ………. C-3 Figura C.11: Corte de columnas v/s tiempo, Caso Fy ………... C-3 Figura C.12: Momento de columnas v/s tiempo, Caso Fy ……… C-3 Figura C.13: Corte de vigas v/s tiempo, Caso Fy ……….. C-4 Figura C.14: Momento de vigas v/s tiempo, Caso Fy ………... C-4 Figura C.15: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Fy ………. C-4 Figura C.16: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Fy ……… C-4 Figura C.17: Drift total v/s tiempo, Caso Fy ………. C-5
Figura C.18: Demanda de ductilidad en columnas, Caso Fy ……… C-5 Figura C.19: Demanda de ductilidad en vigas, Caso Fy ………... C-5 Figura C.20: Momento v/s giro de apoyo, Caso Nest ……… C-6 Figura C.21: Momento v/s giro de apoyo, Caso Nest (Detalle) ………. C-6 Figura C.22: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ……… C-6 Figura C.23: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ……… C-6 Figura C.24: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest ………….. C-7 Figura C.25: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest (Detalle) ... C-7 Figura C.26: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest …………... C-7 Figura C.27: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ………….. C-7 Figura C.28: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ……… C-8 Figura C.29: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Nest ………... C-8 Figura C.30: Corte de columnas v/s tiempo, Caso Nest ………. C-8 Figura C.31: Momento de columnas v/s tiempo, Caso Nest ……….. C-8 Figura C.32: Corte de vigas v/s tiempo, Caso Nest ……… C-9 Figura C.33: Momento de vigas v/s tiempo, Caso Nest ………. C-9 Figura C.34: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Nest ………... C-9 Figura C.35: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Nest ……….. C-9 Figura C.36: Drift total v/s tiempo, Caso Nest ………... C-10 Figura C.37: Demanda de ductilidad en columnas, Caso Nest ……….. C-10 Figura C.38: Demanda de ductilidad en vigas, Caso Nest ………. C-10 Figura C.39: Momento v/s giro de apoyo, Caso Lp ……….. C-11 Figura C.40: Momento v/s giro de apoyo, Caso Lp (Detalle) ………... C-11 Figura C.41: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……….. C-11 Figura C.42: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……….. C-11 Figura C.43: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp ……… C-12 Figura C.44: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp (Detalle) …. C-12 Figura C.45: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ………. C-12 Figura C.46: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……… C-12 Figura C.47: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……….. C-13 Figura C.48: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Lp ………. C-13 Figura C.49: Corte de columnas v/s tiempo, Caso Lp ………... C-13 Figura C.50: Momento de columnas v/s tiempo, Caso Lp ……… C-13 Figura C.51: Corte de vigas v/s tiempo, Caso Lp ……….. C-14
Figura C.52: Momento de vigas v/s tiempo, Caso Lp ………... C-14 Figura C.53: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Lp ………. C-14 Figura C.54: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Lp ……… C-14 Figura C.55: Drift total v/s tiempo, Caso Lp ………. C-15 Figura C.56: Demanda de ductilidad en columnas, Caso Lp ……… C-15 Figura C.57: Demanda de ductilidad en vigas, Caso Lp ………... C-15 Figura C.58: Momento v/s giro de apoyo, Caso dp ………... C-16 Figura C.59: Momento v/s giro de apoyo, Caso dp (Detalle) ………... C-16 Figura C.60: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso dp ……….. C-16 Figura C.61: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso dp ……….. C-16 Figura C.62: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso dp ……… C-17 Figura C.63: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso dp (Detalle) …. C-17 Figura C.64: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso dp ………. C-17 Figura C.65: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso dp ……… C-17 Figura C.66: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso dp ………... C-18 Figura C.67: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso dp ……….. C-18 Figura C.68: Corte de columnas v/s tiempo, Caso dp ………... C-18 Figura C.69: Momento de columnas v/s tiempo, Caso dp ……… C-18 Figura C.70: Corte de vigas v/s tiempo, Caso dp ……….. C-19 Figura C.71: Momento de vigas v/s tiempo, Caso dp ………... C-19 Figura C.72: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso dp ………. C-19 Figura C.73: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso dp ……… C-19 Figura C.74: Drift total v/s tiempo, Caso dp ………. C-20 Figura C.75: Demanda de ductilidad en columnas, Caso dp ………. C-20 Figura C.76: Demanda de ductilidad en vigas, Caso dp ………... C-20 Figura D.1: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Fy ………...………... D-1 Figura D.2: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Fy (Detalle) ………... D-1 Figura D.3: Deformación de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ………... D-1 Figura D.4: Fuerza axial de apoyo v/s tiempo, Caso Fy ………...………... D-1 Figura D.5: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy ……….. D-2 Figura D.6: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Fy (Detalle) …... D-2 Figura D.7: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ………... D-2 Figura D.8: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……….. D-2 Figura D.9: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Fy ……… D-3
Figura D.10: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Fy D-3 Figura D.11: Carga axial de diagonales 1 – 3 v/s tiempo, Caso Fy ………...………... D-3 Figura D.12: Carga axial de diagonales 4 – 6 v/s tiempo, Caso Fy ………...………... D-3 Figura D.13: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Fy ………. D-4 Figura D.14: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Fy ………... D-4 Figura D.15: Drift total v/s tiempo, Caso Fy ………... D-4 Figura D.16: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Nest …………...………... D-5 Figura D.17: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Nest (Detalle) ………... D-5 Figura D.18: Deformación de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ………... D-5 Figura D.19: Fuerza axial de apoyo v/s tiempo, Caso Nest ………... D-5 Figura D.20: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest ………….. D-6 Figura D.21: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Nest (Detalle) ... D-6 Figura D.22: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest …………... D-6 Figura D.23: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest ………….. D-6 Figura D.24: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Nest …………...………. D-7 Figura D.25: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Nest ………... D-7 Figura D.26: Carga axial de diagonales 1 – 3 v/s tiempo, Caso Nest ………. D-7 Figura D.27: Carga axial de diagonales 4 – 6 v/s tiempo, Caso Nest ………. D-7 Figura D.28: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Nest ………... D-8 Figura D.29: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Nest ………... D-8 Figura D.30: Drift total v/s tiempo, Caso Nest ………... D-8 Figura D.31: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Lp …………...………. D-9 Figura D.32: Fuerza axial v/s deformación de apoyo, Caso Lp (Detalle) ………. D-9 Figura D.33: Deformación de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……… D-9 Figura D.34: Fuerza axial de apoyo v/s tiempo, Caso Lp ……….. D-9 Figura D.35: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp ……… D-10 Figura D.36: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso Lp (Detalle) …. D-10 Figura D.37: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ………. D-10 Figura D.38: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……… D-10 Figura D.39: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso Lp ……….. D-11 Figura D.40: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso Lp …………...……….. D-11 Figura D.41: Carga axial de diagonales 1 – 3 v/s tiempo, Caso Lp ………... D-11 Figura D.42: Carga axial de diagonales 4 – 6 v/s tiempo, Caso Lp ………... D-11 Figura D.43: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso Lp ………. D-12
Figura D.44: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso Lp ……… D-12 Figura D.45: Drift total v/s tiempo, Caso Lp ………. D-12
ÍNDICE DE TABLAS:
Tabla 2.1: Resumen disposiciones de la norma NCh 2369 con respecto a materiales ………. 2-3 Tabla 2.2: Resumen disposiciones de la norma NCh 2369 con respecto al anclaje …………. 2-4 Tabla 2.3: Diámetro de perforación de acuerdo al diámetro del perno de anclaje ………... 2-7 Tabla 2.4: Materiales para pernos de anclaje ………... 2-15 Tabla 2.5: Resultado de ensayos en probetas de acero ASTM A36 ... 2-26 Tabla 3.1: Resumen del diseño de estructura ………... 3-2 Tabla 3.2: Resumen de casos a analizar para marco rígido ……….. 3-16 Tabla 3.3: Resumen de casos a analizar para marco arriostrado ………... 3-16 Tabla 3.4: Valor de parámetros a modificar para cada caso y puntos que definen la curva
del comportamiento de la base para marco rígido …………..………. 3-17 Tabla 3.5: Valor de parámetros a modificar para cada caso y puntos que definen la curva
del comportamiento de la base para marco arriostrado ………..………. 3-17 Tabla 4.1: Valores máximos, mínimos e iniciales de carga axial en columnas, Caso Fy ……. 4-4 Tabla 4.2: Diferencias positivas y negativas con respecto a carga axial inicial, Caso Fy ... 4-4 Tabla 4.3: Valores máximos, mínimos e iniciales de carga axial en columnas, Caso Nest ... 4-6 Tabla 4.4: Diferencias positivas y negativas con respecto a carga axial inicial, Caso Nest ... 4-6 Tabla 4.5: Valores máximos, mínimos e iniciales de carga axial en columnas, Caso Lp ……. 4-8 Tabla 4.6: Diferencias positivas y negativas con respecto a carga axial inicial, Caso Lp ... 4-8 Tabla 4.7: Valores máximos, mínimos e iniciales de carga axial en columnas, Caso dp ……. 4-10 Tabla 4.8: Diferencias positivas y negativas con respecto a carga axial inicial, Caso dp …… 4-10 Tabla 4.9: Resumen de resultados para marco rígido – Registro Llolleo ……… 4-15 Tabla 4.10: Resumen resultados para marco arriostrado – Registro Llolleo ………... 4-15 Tabla 4.11: Resumen de resultados para marco rígido – Registro Kobe .……… 4-22 Tabla 4.12: Resumen resultados para marco arriostrado – Registro Kobe …...…………... 4-22 Tabla 4.13: Resumen de diferencias en la respuesta del marco rígido para el registro de
Kobe con respecto al registro de Llolleo ………... 4-23 Tabla 4.14: Resumen de diferencias en la respuesta del marco arriostrado para el registro
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1. Introducción general:
El terremoto que afectó la zona centro-sur del país el 27 de febrero del año 2010 no sólo causó daños en casas y edificios del sector inmobiliario, sino que también dañó a estructuras industriales. Un tipo de daño que se observó en algunas estructuras de acero fue en el sistema de anclaje (Figura 1.1), daño que también se ha visto en terremotos anteriores. Esto motiva la realización de un estudio acerca de los criterios de diseño que actualmente dispone la norma chilena NCh 2369 Of. 2003 “Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales” para el diseño de anclaje de estructuras.
Dentro de las disposiciones de esta norma, uno de los aspectos más importantes es el diseño de los anclajes. Sin ser un objetivo explícito del dimensionamiento, el diseño resulta generalmente en que los anclajes son los primeros elementos que disipan energía, al fluir el acero de los pernos. De esta forma, se reducen posibles daños en otros elementos estructurales.
Sin embargo, la mayoría de los estudios teóricos relacionados con el comportamiento dúctil de estructuras de acero no considera la disipación de energía en el anclaje de las columnas, asumiendo que la no linealidad se verifica en los elementos estructurales. Es por esto que resulta interesante estudiar qué tan beneficioso es tener anclajes con disipación temprana de energía (daño focalizado en la base) o limitar esta disipación y confiársela a los elementos estructurales (daño distribuido en la estructura).
Para poder disipar energía los pernos deben fluir, y como consecuencia quedan con una deformación permanente tras ser descargados. Quizás los pernos que se cortaron con el terremoto del Maule del 2010 ya habían quedado con deformaciones permanentes en sismos anteriores, habiéndose simplemente vuelto a apretar las tuercas que los sujetaban (práctica que la norma NCh 2369 recomienda), por lo que surge la duda de si pernos que ya han fluido en sismos anteriores, es decir, que ya han consumido parte de su capacidad de deformación plástica, son capaces de resistir un sismo importante nuevamente sin cortarse.
Para poder evaluar estas interrogantes, habrá que modelar apoyos de estructuras que teóricamente son perfectamente empotrados o rotulados (con los cuales se modelan y diseñan estructuras en la práctica), como apoyos parcialmente rígidos, con el objetivo de capturar la fluencia de los pernos de anclaje a medida que son traccionados como causa de las fuerzas sísmicas, es decir, habrá que incorporar la no linealidad en los apoyos. Para modelar estos apoyos, se tendrán que identificar las variables que juegan un papel importante en su rigidez, como por ejemplo las propiedades de los aceros con que están hechos los pernos, en particular su resistencia (la práctica actual promueve el uso de aceros de resistencia moderada) y/o su capacidad de deformarse antes de romperse, entre otros. Con esto, se podrá ver el efecto que tienen estas variables en la respuesta de la
estructura, y así poder evaluar si los criterios de diseño son adecuados o es conveniente modificarlos.
a)
b)
1.2. Metodología:
El presente informe se dividirá de la siguiente manera: • Capítulo 2: Antecedentes
• Capítulo 3: Modelación de las estructuras • Capítulo 4: Resultados
• Capítulo 5: Comentarios y conclusiones
En el Capítulo 2 se recopilarán los antecedentes que permitirán entender y poner en contexto el problema. Para esto, primero se explicará cómo funciona el sistema de anclaje en las columnas, identificando los diferentes elementos que la conforman. Luego, se detallarán las disposiciones relacionadas al tema que menciona la norma NCh 2369, al igual que otras normas internacionales. Por último, se mencionarán guías de diseño usualmente utilizadas para diseñar los anclajes de las columnas y otros estudios que serán ocupados para el desarrollo de este informe.
En el Capítulo 3 se construirán modelos de dos estructuras con anclajes con características no lineales, de tal forma de poder incorporar el tema de la fluencia de los pernos de anclaje. Una será un marco rígido y la otra una estructura arriostrada, las cuales serán dimensionadas de acuerdo a las disposiciones de la norma NCh 2369. Además, se explicarán los supuestos y limitaciones de ambos modelos. Por último, se identificarán las variables que se modificarán en el diseño del anclaje de las columnas, como por ejemplo la fluencia, cantidad, tamaño y largo de los pernos de anclaje, entre otros. De esta forma, se podrá ver cómo afecta a la respuesta de las estructuras una fluencia temprana o tardía de los pernos de anclaje, por ejemplo. Además, se someterán las estructuras con estas modificaciones a diferentes registros de terremotos y se verá qué influencia tienen en la respuesta de éstas.
En el Capítulo 4 se mostrarán los resultados obtenidos para cada modificación hecha en el sistema de anclaje. Los resultados que se mostrarán son por ejemplo la rotación y el momento en la base, desplazamiento en los pisos, demanda en elementos, entre otros. Finalmente, en el Capítulo 5 se discutirán los resultados obtenidos y a partir de éstos se harán las respectivas conclusiones. Como las estructuras se diseñarán de acuerdo a la norma NCh 2369, si se ve una respuesta deficiente en alguna de las estructuras, se podrá sugerir algún cambio en los criterios de diseño de la norma o, en caso contrario, se confirmará su buen uso.
1.3. Objetivos: Objetivos Generales:
- Estudiar el comportamiento de los anclajes de estructuras de acero ante terremotos.
Objetivos Específicos:
- Establecer un modelo de no linealidad para representar anclajes de columnas - Confirmar la conveniencia de diseñar anclajes con fluencia temprana que actúan
como fusibles de la estructura.
- Confirmar la validez de la recomendación de reapretar tuercas en pernos que han fluido por la acción del sismo o bien, limitar su aplicación.
- Establecer criterios de diseño complementarios o alternativos si las prácticas anteriormente indicadas no resultaran recomendables.
CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES
2.1. Antecedentes generales:
La configuración típica de una conexión entre una columna y su fundación consiste en una placa base de acero soportada por un mortero de nivelación (conocido como grout), y anclada a la fundación de hormigón armado (o a un pedestal generalmente) mediante pernos de anclaje (Figura 2.1). Esta configuración es diseñada para resistir flexión, corte y cargas axiales desarrolladas en la columna debido a cargas laterales y gravitacionales. La teoría que explica el cómo estas cargas son resistidas por la conexión en la base de la columna se explica a continuación.
Figura 2.1: Configuración de una conexión de placa base expuesta [3]
Las cargas axiales de las columnas son transmitidas a la placa base a través de su área neta efectiva, donde tanto el alma como las alas son efectivas. Dependiendo de la rigidez de la placa base, las tensiones desarrolladas bajo ésta pueden variar desde uniformes para placas bases gruesas a irregulares con concentraciones de tensiones bajo el alma y las alas de la columna para placas bases delgadas, donde sólo parte del área de la placa base transmite efectivamente compresión al hormigón de la fundación.
Por otro lado, a medida que cargas laterales debidas a la presión del viento o a terremotos aumentan, la zona sometida a compresión en el hormigón cambia, moviéndose desde el centro de la columna hacia el borde de la placa base, según la dirección de la carga aplicada. Para placas bases gruesas o rígidas, la placa base gira como cuerpo rígido, produciendo deformaciones y esfuerzos máximos en los bordes de la placa base (Figura 2.2.a). En cambio, para el caso de placas bases delgadas, debido a su deformación, las concentraciones de esfuerzos se ubican debajo de las alas de la columna que están en compresión (Figura 2.2.b). Al otro lado de la columna, la tracción en el ala induce fuerzas de tracción en los pernos de anclaje, fuerza necesaria para
mantener el equilibrio de fuerzas verticales y de momento en el caso de que se tengan excentricidades considerables.
a) Caso placa base rígida b) Caso placa base delgada
Figura 2.2: Equilibrio de fuerzas en placa base [3]
El momento en la columna es resistido por el par de fuerzas tracción – compresión, con un brazo de palanca igual a la distancia entre la resultante del esfuerzo a compresión en el hormigón y el eje medio de los pernos de anclaje traccionados.
La resistencia al corte y el equilibrio de fuerzas horizontales en la base de la columna puede ser proveído por una combinación de tres mecanismos: (1) fricción a lo largo del área de contacto entre el hormigón y la placa base; (2) flexión y corte en los pernos de anclaje; (3) aplastamiento de llaves de corte contra el hormigón, instaladas debajo de la placa base.
2.2. Normas de diseño:
En Chile no existe una norma que establezca una metodología de diseño del sistema de anclaje de las columnas en estructuras de acero. En la práctica, se ocupan normas y guías de diseño que complementan las disposiciones de la norma NCh 2369.
A continuación se presenta un resumen de las disposiciones relativas al diseño de los anclajes de columnas existente en algunas normas, tanto chilenas como extranjeras.
2.2.1. NCh 2369 Of. 2003 [8]:
En las Tablas 2.1 y 2.2 se resumen las disposiciones que da la norma NCh 2369 con respecto a los materiales a usar y al anclaje de las columnas.
a) Materiales:
Tabla 2.1: Resumen disposiciones de la norma NCh 2369 con respecto a materiales [8]
Artículo Disposición
8.2.1
El acero estructural debe cumplir con los siguientes requisitos:
- Tener en el ensayo de tracción una meseta pronunciada de ductilidad natural con un valor del límite de fluencia inferior a 0,85 de la resistencia a la rotura y alargamientos de rotura mínimos de 20% en la probeta de 50 mm.
- Soldabilidad garantizada según normas AWS.
- Tenacidad mínima de 27 Joules a 21 °C en ensayo de Charpy según ASTM A6. - Límite de fluencia no superior a 450 MPa.
8.2.2
Además de las condiciones especificadas en 8.2.1, los materiales deben cumplir alguna de las especificaciones siguientes:
- ASTM A 36, A 242, A 572 Gr. 42 y 50, A 588 Gr. 50, A 913 y A 992 para perfiles, planchas, barras, pernos corrientes y de anclaje.
- DIN 17 100, calidades St. 44.2, St. 44.3 y St. 52.3 para los mismos elementos. - NCh203 A 42-27ES, A 37-24ES y NCh1159 A 52-34ES para los mismos
elementos.
- ASTM A 500 Gr. B y C, A 501 y A 502 para tubos estructurales. - AWS 5 para soldaduras.
Se pueden usar materiales que cumplan otras especificaciones equivalentes a las anteriores y que sean aprobadas por los profesionales especialistas de cada proyecto.
Las especificaciones de los aceros y las soldaduras, las cuales están incluidas en las normas norteamericanas UBC 1997 e IBC 2000 (normas vigentes al momento de la redacción de la norma NCh 2369), tienen por objeto evitar las fallas por rotura frágil. Se basan en las numerosas investigaciones hechas después de los terremotos de Loma Prieta y Northridge [8].
b) Anclajes:
Tabla 2.2: Resumen disposiciones de la norma NCh 2369 con respecto al anclaje [8]
Artículo Disposición
8.6.1
Los apoyos de estructuras y equipos que transmiten esfuerzos sísmicos a las fundaciones u otro elemento de hormigón se deben anclar por medio de pernos de anclaje, placas de corte, barras de refuerzo u otros medios adecuados.
8.6.2
Los pernos de anclaje que quedan sometidos a tracción deben tener silla y vástago visible para permitir su inspección y reparación, y el hilo debe tener suficiente longitud para reapretar las tuercas. La longitud expuesta de los pernos no debe ser inferior a 250 mm ni a ocho veces su diámetro, ni el largo del hilo bajo la tuerca inferior a 75 mm (Figura 2.3).
Se pueden exceptuar de esta exigencia aquellos pernos de anclaje con capacidad suficiente para resistir combinaciones de cargas en las que las fuerzas sísmicas se amplifican en 0,5 R veces, pero no menos que 1,5 veces, con respecto al valor obtenido en el análisis sísmico.
8.6.3
Las placas bases de columnas y equipos en general deben estar provistas de placas de corte o topes sísmicos diseñados para transmitir el 100% del esfuerzo de corte basal.
Se exceptúan de estas exigencias los siguientes casos:
a) Apoyos con esfuerzo de corte inferior a 50 kN. En este caso se aceptará tomar el corte con los pernos, considerando que sólo dos de ellos son activos para ese fin y las correspondientes fórmulas de interacción corte-tracción.
b) Bases de estanques y equipos provistos de nueve o más pernos. En este caso se aceptará tomar el 100% del corte con los pernos, considerando activos un tercio del número total de pernos, y aplicando las correspondientes fórmulas de interacción corte-tracción con la tracción máxima y el corte así calculado.
En el caso de a) y b) los pernos deben estar embebidos en la fundación.
8.6.4 En el diseño de la placa de corte no se debe considerar la resistencia del mortero de nivelación. 8.6.5 El diseño de los elementos de anclaje al corte no debe contemplar el roce entre la placa base y
la fundación.
8.6.6 No se debe considerar la superposición de resistencia entre placas de corte y pernos de anclaje.
8.6.7
Cuando se dejen casillas en la fundación para la posterior instalación de pernos de anclaje, las paredes laterales de las casillas deben tener una inclinación mínima del 5% con respecto a la vertical, de modo que el área inferior sea mayor que la superior. Las casillas se deben rellenar con un mortero no susceptible a retracción.
8.6.8
El hormigón de las fundaciones se debe diseñar para resistir los esfuerzos verticales y horizontales transmitidos por los elementos metálicos de anclaje. La resistencia del hormigón y sus refuerzos debe ser tal que la eventual falla se produzca en los dispositivos metálicos de anclaje y no en el hormigón.
Figura 2.3: Detalle de base de columnas [8]
Los anclajes son considerados por la norma como un fusible sísmico, ya que son los primeros elementos de la estructura en disipar energía y en forma localizada.
Las disposiciones de 8.6.2, cuyo objeto es permitir la inspección y reparación rápida después de un terremoto se basan en la experiencia local, que toma en cuenta principalmente las fallas observadas en 1960 y evitadas en los terremotos posteriores. El uso de placas de corte o topes sísmicos indicado en 8.6.3 a 8.6.7, al igual que en el caso anterior, se basa en las fallas detectadas en 1960 y el exitoso comportamiento posterior de las recomendaciones citadas.
En 8.6.5 se excluye la consideración del rozamiento entre la placa base y la fundación, debido principalmente a la contracción de fragua de los morteros de nivelación. En casos especiales, principalmente de grandes equipos con muchos anclajes, se puede tomar en cuenta el rozamiento, especificando morteros no contraibles y pretensión de los pernos, siendo habitual considerar para el rozamiento únicamente la pretensión.
La recomendación 8.6.8 para evitar la falla de los anclajes debida al hormigón es una práctica habitual de protección contra las dificultades de obtener hormigones confiables y las incertidumbres de las teorías de cálculo de su resistencia.
2.2.2. Specification for Steel Buildings, AISC 360-05 [2]: a) Materiales:
Los aceros para los pernos de anclaje y barras con hilo que están permitidos son: - ASTM A36/A36M - ASTM A193/A193M - ASTM A354 - ASTM A449 - ASTM A572/A572M - ASTM A588/A588M - ASTM F1554
El acero tipo ASTM F1554 es el material preferido para pernos de anclaje.
Los hilos en los pernos de anclaje y barras con hilo se ajustará al Unified Standard Series del ASME B18.2.6 y tendrá tolerancias de Clase 2A.
b) Pernos de anclaje:
Los pernos de anclaje se deben diseñar con la sección J3 utilizando las fórmulas (2.1) – (2.3), de tal manera que resistan las cargas de la estructura que llegan a la base de las columnas. b n n F A R = ⋅ (2.1) u n F F = 750, ⋅ (2.2) 75 , 0 = φ (LRFD) Ω=2,00 (ASD) (2.3)
Donde Rn = Tracción de diseño del perno [N] n
F = Tracción nominal del perno [MPa]
b
A = Área nominal de perno sin hilo [mm2]
u
F = Tracción última del perno [MPa]
En general, la mayor tracción a la que los pernos de anclaje se deben diseñar es la producida por el momento en la base de la columna, aumentada por el levantamiento debido a la tendencia al volcamiento del edificio bajo cargas laterales.
Se permiten mayores perforaciones en la placa base para instalar los pernos de anclaje en la fundación según la Tabla 2.3 (Tablas 2.4 C-J9.1 y C-J9.1M de la norma AISC 360-05), siempre y cuando se provea resistencia al aplastamiento de las tuercas mediante arandelas. Estas mayores perforaciones no resultan perjudiciales para la integridad de la estructura cuando se usen arandelas adecuadas.
Tabla 2.3: Diámetro de perforación de acuerdo al diámetro del perno de anclaje [2]
DIÁMETRO [in] DIÁMETRO [mm]
Perno de anclaje Perforaciones de
perno de anclaje Perno de anclaje
Perforaciones de perno de anclaje 2 1 16 1 1 18 32 8 5 16 3 1 22 36 4 3 16 5 1 24 42 8 7 16 9 1 27 48 1 11316 30 51 4 1 1 2116 33 54 2 1 1 2516 36 60 4 3 1 234 39 63 2 ≥ db +114 42 74
El corte en la base de la columna es rara vez resistido por el aplastamiento de la placa base contra los pernos de anclaje. Incluso considerando el menor coeficiente de roce concebible, la fricción debida a las cargas verticales en la columna es por lo general más que suficiente para transferir y resistir el corte desde la columna a la fundación. La excepción se tiene en la base de marcos arriostrados y marcos momento resistentes, donde se pueden producir mayores esfuerzos de corte, los cuales se deberán transmitir a la fundación mediante llaves de corte.
Si se usan arandelas para resolver los esfuerzos de corte, la flexión de los pernos de anclaje se deberá considerar en el diseño, así como su distribución en la placa base con el objetivo de permitir que exista suficiente espacio entre las arandelas. Además, se deberá prestar atención al efecto de la tolerancia entre los pernos de anclaje y el borde de las perforaciones.
Es importante que la ubicación de los pernos de anclaje se coordine con la ubicación y el diseño de los refuerzos de las fundaciones, así como el diseño y tamaño de la placa base. Es recomendable que el sistema que le otorga anclaje a los pernos en su punta sea lo más pequeño posible para evitar interferencias con los refuerzos de la fundación. Una tuerca hexagonal de serie pesada o una cabeza forjada es adecuada para desarrollar el cono de corte en el hormigón.
2.2.3. Seismic Provisions for Steel Buildings, AISC 341-05 [1]: a) Resistencia axial requerida en base de columnas:
Se establece que la resistencia disponible de los pernos de anclaje debe ser determinada de acuerdo a la sección J3 del AISC 360-05.
Por otro lado, la resistencia disponible de los pernos que están embebidos en el concreto de la fundación se debe calcular de acuerdo al ACI 318, Apéndice D. No se detallarán estas disposiciones en el presente informe, porque para efectos del modelo del apoyo de la estructura que se pretende realizar, se asumirá que el hormigón es lo suficientemente fuerte como para resistir las cargas y anclar completamente los pernos.
Además, la resistencia axial requerida en la base de columnas, incluyendo su anclaje a la fundación, debe ser igual a la suma de las componentes verticales de las resistencias requeridas de los elementos de acero que se conectan a la base de la columna, como por ejemplo las diagonales para el caso de marcos arriostrados.
Esta resistencia requerida se calcula como sigue: cuando se cumplen las fórmulas (2.4a) o (2.4b), según corresponda, se deben cumplir los siguientes requisitos:
(1) La resistencia axial a la compresión y a la tracción requerida (sin considerar ningún momento aplicado) se debe determinar usando las combinaciones de carga estipuladas en el código de edificación aplicable incluyendo la carga sísmica amplificada.
(2) La resistencia axial a la compresión y a la tracción requerida debe ser menor a: a) La carga máxima transferida a la columna, considerando 1,1Ry (LRFD) ó
(1,1/1,5)Ry (ASD) veces las resistencias nominales de las vigas o
diagonales que se conectan a la columna, según corresponda.
Donde Ry = Razón entre la tensión de fluencia esperada y la mínima especificada1
b) El límite determinado a partir de la resistencia de la fundación al volcamiento. 4 , 0 > n c u P P φ φc =0,90 (LRFD) (2.4a) 4 , 0 > Ω n a c P P 67 , 1 = Ωc (ASD) (2.4b)
Donde Pn = Resistencia axial nominal de la columna [N]
u
P = Resistencia axial requerida en la columna usando combinaciones de carga (LRFD) [N]
a
P = Resistencia axial requerida en la columna usando combinaciones de carga (ASD) [N]
b) Resistencia al corte requerida en base de columnas:
Hay varios mecanismos posibles para que el corte se transmita desde la base de la columna a la fundación, como por ejemplo por fricción entre las superficies. Sin embargo, muchos códigos de estructuras dicen que la fricción no puede ser considerada cuando se diseña para resistir cargas sísmicas, por lo que se deben utilizar otros métodos de diseño, tales como llaves de corte, columnas embebidas o pernos de anclaje, tal como lo muestra la Figura 2.4.
Figura 2.4: Mecanismos de transferencia de corte en base de columnas [1]
Por otro lado, en la práctica chilena sólo se utilizan dos de estos mecanismos para resistir el corte: pernos de anclaje y llaves de corte. El resto de los mecanismos no se utilizan frecuentemente ya que contradicen algunas de las disposiciones de la norma NCh 2369.
• El soporte de los pernos de anclaje es adecuado para cargas pequeñas de corte. Los pernos son usualmente revisados para cargas combinadas de corte y tracción. Se usan en general perforaciones más grandes que el tamaño de los pernos y una arandela soldada puede ser necesaria para transmitir las fuerzas desde la placa
base a los pernos de anclaje. Cuando el corte es transmitido por los pernos de anclaje, éstos pueden verse sometidos a flexión.
• Las llaves de corte, por otro lado, deben considerarse para grandes cargas de corte. Si cargas de tracción y de volcamiento se encuentran presente, se deben proveer pernos de anclaje para poder resistir fuerzas de tracción.
c) Resistencia al momento requerida en base de columnas:
La resistencia al momento requerida en la base de columnas debe ser igual a la suma de las resistencias requeridas de los distintos elementos de acero que están conectados a ella. Esta resistencia debe ser al menos igual al mínimo valor entre:
a) 1,1RyFyZ (LRFD) ó
(
1,11,5)
RyFyZ (ASD), según corresponda.Donde Fy = Tensión de fluencia del acero [MPa]
Z = Módulo plástico [mm3]
b) El momento calculado usando las combinaciones de carga del código de edificación aplicable, incluyendo la carga sísmica amplificada.
Se espera que en los marcos rígidos dúctiles se desarrollen rótulas en la base de la columna. Para garantizar este mecanismo, el detalle de la base de la columna debe permitir su rotación sin que se vea afectada la resistencia requerida. Estas condiciones son similares a los requerimientos para conexiones viga – columna.
Las bases de columnas para marcos rígidos pueden ser de varios tipos, como por ejemplo bases rígidas, bases con una rigidez parcial, columnas largas y rotuladas en su base o columnas embebidas. Las que atañen más al tema de este informe son las dos primeras, las cuales se comentan a continuación:
(1) Las columnas pueden estar hechas con una base rígida que sea lo suficientemente
fuerte como para forzar la fluencia en la columna, la cual debe diseñarse siguiendo las guías de diseño para conexiones del tipo totalmente restringidas. Estas conexiones pueden utilizar placas bases gruesas, atiesadores o planchas para desarrollar la rótula en la columna. Una ilustración de distintos ejemplos de columnas con bases rígidas se muestran en la Figura 2.5, en donde las dos primeras corresponden a ejemplos de la práctica chilena.
(2) Una conexión que provea empotramiento parcial puede ser usada para que de
esta forma la base de la columna esté empotrada hasta cierto valor de momento, para que la base fluya antes que la columna desarrolle rótulas. En el diseño de una base con empotramiento parcial se pueden considerar los principios usados
se puede llevar a cabo mediante flexión de placas bases, flexión de perfiles ángulos o T, o con la fluencia de pernos de anclajes. Para este último caso, es necesario proveer pernos de anclaje con una adecuada capacidad de elongación para permitir la rotación requerida y suficiente longitud no restringida para que la fluencia ocurra.
Figura 2.5: Ejemplos de bases rígidas para marcos rígidos [1]
Por otro lado, la conexión de las bases para marcos rígidos como para marcos arriostrados puede considerase similar a una conexión viga – columna, por lo que se pueden aplicar las mismas consideraciones usadas para su diseño y detallamiento. Sin embargo, existen diferencias importantes que deben ser consideradas:
(1) Pernos de anclaje largos que están embebidos en el hormigón se estirarán mucho más que los pernos o soldaduras de las conexiones viga – columna. El estiramiento de estos pernos de anclaje puede contribuir en las deformaciones entrepiso, lo cual debe ser considerado.
(2) El hormigón o el grout soporta la placa base de la columna, el cual resiste mayores compresiones que las alas de la columna en una conexión viga – columna.
(3) Las conexiones en la base tienen significativamente más carga en la dirección longitudinal en el plano de las alas de la columna y menor carga transversal en el
plano del alma de la columna, en comparación con las conexiones viga – columna.
(4) El mecanismo de resistencia al corte que se genera por el roce entre la placa base y el grout u hormigón es diferente al mecanismo que se genera en las conexiones viga – columna.
(5) El dimensionamiento de las perforaciones para pernos de anclaje es distinto del dimensionamiento que deben tener las perforaciones de las conexiones viga – columna, debido a la mayor holgura necesaria para el montaje de las columnas. (6) El volcamiento y rotación a nivel de fundación puede ser un problema para el
diseño de conexiones de anclaje, sobre todo en fundaciones aisladas.
Por último, esta norma comenta que, a pesar de que la conexión de base de columnas es uno de los elementos más importantes en las estructuras de acero, su diseño sísmico no ha sido bien desarrollado, básicamente por el limitado número de estudios analíticos y experimentales que se han llevado a cabo a la fecha.
La mayoría de los estudios experimentales se han realizado en modelos a escala reducida representando tipos básicos de conexiones simulando una columna soldada a una placa base que a su vez está conectada a la fundación mediante pernos de anclaje. Los ensayos de modelos han sido sometidos a cargas axiales combinadas con ciclos de flexión para simular el comportamiento de la base de la columna en marcos rígidos.
Varios tipos de conexiones en base de columnas son usados en la actualidad. Se necesitan muchos trabajos de investigación para entender de mejor manera su comportamiento bajo cargas sísmicas y para formular procedimientos de diseño mejorados. Es por esto que la norma recomienda a los diseñadores tener prudencia y buen juicio en el diseño y detallamiento de la conexión de la base de columnas, para poder conseguir la resistencia, rigidez y ductilidad deseada en esta importante clase de conexiones.
d) Combinaciones de carga:
Por último, y a diferencia de la norma NCh 2369, esta norma establece que las cargas sísmicas horizontales se deben multiplicar por un factor de sobreresistencia Ω , 0
independiente de la combinación de carga usada. Cuando en la norma o código de edificación que se esté empleando no se defina este factor, sus valores se deben obtener a partir del ASCE-7.
2.2.4. Eurocódigo [11]:
El diseño de estructuras de acero se trata en el Eurocódigo 3. Para el tema de este informe, concierne la Parte 1-8, la cual ve el diseño de las uniones, y en particular la de las bases de las columnas. Sin embargo, el Eurocódigo 3 no considera la condición de cargas sísmicas, no así el Eurocódigo 8, el cual aborda estos temas pero no profundiza en el diseño de bases de columnas.
En el Eurocódigo 3 Parte 1-8, el diseño de la resistencia y rigidez de la conexión en la base de la columna está definido por un enfoque basado en componentes, en donde la conexión se considera como un ensamblaje de distintos componentes. Los componentes considerados son: (1) placa base a flexión, (2) hormigón de la fundación (pedestal) a compresión, (3) ala y alma de columna a compresión, y (4) pernos de anclaje a tracción y corte (Figura 2.6).
Figura 2.6: Componentes de una base de columna típica [9]
El Eurocódigo 3 modela los apoyos de la estructura teóricamente empotrados como apoyos con una rigidez rotacional, la cual se determina a partir de la flexibilidad de las distintas componentes mencionadas. Si bien este enfoque está muy bien desarrollado, las disposiciones correspondientes a la capacidad rotacional de las uniones que entrega esta norma son insuficientes para un análisis sísmico realista, donde la capacidad rotacional es muy importante [9]. De hecho, las disposiciones del Eurocódigo 3 no hacen referencia a condiciones de cargas sísmicas, y el Eurocódigo 8 (que sí lo hace) no se refiere al diseño de las bases de columnas [6].
