Estudio Experimental de Contravientos Restringidos...

DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE

MATERIALES ÁREA DE ESTRUCTURAS

Estudio Experimental de Contravientos Restringidos Contra

Pandeo: Desarrollo Conceptual y Detalles de Implementación

REPORTE UAM-A/DE-2004/01

Reporte UAM-A/DMAE-2009/04

Diciembre de 2009

Danny Arroyo Espinoza (Responsable)

Amador Terán Gilmore Eduardo Gama Estrada

José Juan Guerrero Correa

REPORTE ANUAL de la investigación patrocinada por la

Secretaría de Obras y Servicios del Gobierno del Distrito Federal

bajo el Convenio CT/12/09

Universidad Autónoma MetropolitanaEstudio Experimental de Contravientos Restringidos Contra Pandeo

1

ÍNDICE

1. Introducción………………………………………………………………………………………………….2

2. Dispositivo de carga para especímenes aislados………………………………………….……7

3. Programa experimental especímenes aislados…………………………………………………16

4. Resultados de especímenes aislados………………………………………………………………23

5. Análisis de resultados especímenes aislados……………………………………………………42

6. Programa experimental ensamblaje contraviento-marco………………………………….46

7. Conclusiones………………………………………………………………………………………………..49 Referencias………………………………………………………………………………………………….50


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1. Introducción

Al estudiar las razones por las cuales varios eventos sísmicos recientes han resultado en pérdidas económicas y humanas excesivas, la comunidad internacional de ingeniería sísmica ha empezado a entender con claridad que el nivel de daño (tanto estructural como no estructural) en una edificación sismorresistente, así como el daño en su contenido, depende de la deformación y/o movimiento excesivo de la misma.

La innovación en ingeniería sísmica puede entenderse a partir del planteamiento de sistemas estructurales que puedan controlar adecuadamente el nivel de daño en las estructuras a través de limitar su deformación durante las excitaciones sísmicas. Estudios recientes indican que las estructuras desplantadas en la Zona del Lago del D. F., particularmente aquellas cuyo periodo dominante de vibración se acerca al periodo dominante del terreno, pueden verse sujetas a demandas severas de deformación inelástica. Varios estudios analíticos muestran la preocupación de investigadores mexicanos alrededor de este tema (Terán 1998, Rodríguez y Ariztizabal 1999, Huerta y Reinoso 2002, Bojórquez y Ruiz 2004, Arroyo y Ordaz 2007, Terán y Bahena 2008, Terán y Espinoza 2008).

Se ha sugerido que una forma de proteger las estructuras del efecto de las demandas severas de deformación inelástica acumulada consiste en diseñarlas para que acomoden durante la excitación sísmica demandas máximas de deformación que sean del orden del 50% al 60% de su deformación última (Bertero 1997, Panagiotakos y Fardis 2001).

Dado que la resistencia lateral de una estructura sismorresistente es la propiedad mecánica que controla las demandas máximas y acumuladas de deformación inelástica, el diseño contra fatiga de bajo número de ciclos en la Zona del Lago del D.F. ha dado lugar a niveles de diseño de resistencia que resultan relativamente altos.

La aplicación de metodologías de diseño que consideren explícitamente las demandas acumuladas de deformación plástica ha dado lugar a estructuras muy robustas con un alto contenido de acero de refuerzo (Sánchez y Terán 2008, Terán y Simón 2008). El nivel de diseño que se requiere para garantizar la seguridad estructural de las construcciones bajo estas circunstancias resulta en soluciones estructurales caras. Una forma de aliviar este problemática consiste en desarrollar sistemas de disipación pasiva de energía para las estructuras ubicadas en la Zona del Lago de Ciudad de México.

Entre las razones por las cuales es conveniente añadir dispositivos disipadores de energía a las estructuras sismorresistentes, pueden mencionarse las siguientes: A) Disminuir las demandas de velocidad, aceleración y fuerza cortante de entrepiso; y B) Controlar las demandas inelásticas de desplazamiento en los elementos estructurales que soportan las cargas gravitacionales.


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El uso de sistemas disipadores de energía ha sido ampliamente estudiado en países que como Japón y los EE.UU lideran a nivel mundial la ingeniería sísmica. De hecho, el desarrollo de estos dispositivos ha sido tal que en Japón el 70% de los edificios con alturas de 60 metros o mayores poseen algún tipo de dispositivo de control de la respuesta sísmica (Wada et al. 2003).

A corto plazo es realista desarrollar e implantar en México sistemas pasivos de disipación de energía basados en la fluencia del material (Badillo 2000). Una condición que debe observar un dispositivo que disipa energía con base en fluencia es que su ciclo histerético sea altamente estable en presencia de deformaciones inelásticas importantes (tanto máximas como acumuladas).

Las pruebas experimentales llevadas a cabo en contravientos restringidos contra pandeo indican un comportamiento altamente estable ante la presencia de deformaciones ineláticas severas, tanto unidireccionales como cíclicas. En Japón se han desarrollado varios tipos de contravientos restringidos contra pandeo, y se cuenta con múltiples patentes (Watanabe et al. 1988, Uang y Nakashima 2003). De hecho, en ese país existen varias centenas de edificios cuyo sistema sismorresistente principal consiste en sistemas de contravientos restringidos contra pandeo. En Taiwán, Canadá y EE.UU. también ha habido desarrollos experimentales de importancia y se han construido decenas de edificios que utilizan este tipo de dispositivo (Tremblay et al. 1999, Clark et al. 2000, Black et al. 2002, Lopez et al. 2002, Ko et al. 2002, Mahin et al. 2004, Chen et al. 2004).

La idea detrás de un contraviento restringido contra pandeo consiste en fabricar un elemento estructural que trabaje a compresión sin que se pandee por efectos de esbeltez. Dado que los contravientos suelen trabajar adecuadamente a tensión, lo que se busca es un dispositivo capaz de disipar energía de manera estable en presencia de varias reversiones de carga.

La Figura 1 muestra esquemáticamente el concepto de contraviento restringido contra pandeo, e ilustra sus diferentes componentes: A) Una barra de acero que disipa energía a través de su extensión o contracción axial, B) Material confinante que restringe el pandeo del contraviento, y C) Camisa de acero que mantiene la integridad del material confinante y aporta mayor restricción contra pandeo. Bajo la acción de un sismo severo, se espera que sólo se desarrolle comportamiento inelástico el núcleo del contraviento (indicado en la figura).

Normalmente la barra de acero se aísla del mortero o concreto confinante; es decir, que se impide contacto en la interface entre ambos materiales. Esto se hace con el fin de evitar que la resistencia a compresión de la barra sea significativamente mayor que su resistencia a tensión.

Diferentes investigadores han desarrollado diversos tipos de contravientos restringidos contra pandeo; en general, se ha observado que estos elementos tienen un


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comportamiento satisfactorio (Uang 2003, Tremblay 2006). Se han reportado diferencias entre la resistencia a compresión y tensión del orden del 10% para demandas de ductilidad pequeñas y del orden del 30% para demandas de ductilidad grandes.

Figura 1.1 Configuración esquemática de un contraviento restringido contra pandeo (basado en Tremblay et al. 2006)

Entre los materiales antiadherentes que se han usado hasta el momento se tienen los siguientes (Uang y Nakashima 2003): pintura de asfalto, vinilos, cintas de espuma, caucho, silicón, teflón, y combinaciones de los materiales anteriores. El material desadherente debe: A) Evitar la fricción a través de aportar suficiente espacio para acomodar la expansión del área de la sección transversal de la barra de acero; B) Ser resistente al efecto de deslizamiento que se presente en el dispositivo por efectos de gravedad; C) Ser fácilmente adquirible; y D) Permitir su fácil colocación. En cuanto al material confinante, suele usarse concreto o mortero. Dicho material debe: A) Tener resistencia para soportar los esfuerzos que la barra induzca en él; y B) Contar con aditivos expansivos y/o estabilizadores de volumen y un proceso de curado adecuado.

Los estudios analíticos desarrollados en México por la Universidad Autónoma Metropolitana han dado lugar al planteamiento de una metodología de diseño sísmico para sistemas de contravientos restringidos contra pandeo (Terán y Virto 2008, Terán y Coeto 2008). Dicha metodología, basada en el control del daño estructural y no estructural, define, entre otras cosas, el tipo de acero con el cual deben fabricarse los contravientos para obtener un buen balance entre el desempeño estructural de la edificación para los estados límite de servicio y seguridad. Para ello la metodología plantea explícitamente el control del desplazamiento lateral de la edificación para las diferentes excitaciones sísmicas de diseño.

La aplicación de la metodología propuesta al diseño sísmico de edificios de baja y mediana altura ha conducido a sistemas estructurales ligeros que exhiben un desempeño razonablemente conservador (Terán 2008). Por ejemplo, el peso de dos edificios diseñados conforme a la metodología propuesta y reportados por Terán (2008) es mucho

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menor al que tendrían edificaciones similares estructuradas con sistemas estructurales tradicionales y diseñadas conforme al Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal.

Esto no solo implica grandes ahorros en cuanto a costos de materiales y construcción, sino que el daño estructural que pudieran exhibir las edificaciones diseñadas conforme a la metodología propuesta se repara sustituyendo exclusivamente los contravientos que hayan fluido durante la excitación sísmica (lo que implica ahorros importantes en cuanto a costo de reparación).

Como referencia a lo anterior, destacan los estudios de confiabilidad presentados por Montiel y Teran (2008). Estos investigadores evaluaron la confiabilidad de dos edificios de 24 pisos que exhiben la misma geometría; uno estructurado con un sistema de contravientos concéntricos dúctiles y marcos compuestos de acero y concreto (sistema estructural tradicional) y otro estructurado con marcos flexibles de acero rigidizados con un sistema de contravientos restringidos contra pandeo (sistema estructural innovador).

Mientras el primero se diseñó de acuerdo a la versión 2004 del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal, el segundo se diseñó a partir de la metodología propuesta. Ambos edificios se consideraron ubicados en la Zona del Lago del D.F. A partir de un formato basado en el uso de factores de demanda y de capacidad que consideró conceptos tales como factores y niveles de confianza, Montiel y Terán concluyen que la versión innovadora del edificio exhibe mayores niveles de confiabilidad que su contraparte tradicional; esto a pesar de que el sistema estructural innovador pesa menos de la mitad que el sistema estructural tradicional (la comparación no incluye el peso de las losas).

Aunque el uso en México de contravientos restringidos contra pandeo es posible y arrojaría ahorros importantes en términos del costo de las edificaciones sismorresistentes de acero y concreto reforzado, hasta el momento no se ha desarrollado un dispositivo nacional para fabricación a escala industrial. Esto es, cualquier proyecto estructural que aspire a usar contravientos restringidos contra pandeo tendría que pagar elevadas patentes a desarrolladores extranjeros. Por tanto, es conveniente que en México se complementen los estudios experimentales y analíticos que se han llevado a cabo hasta la fecha en la Universidad Autónoma Metropolitana, con el fin de hacer posible, en un horizonte de dos a tres años, la fabricación y uso en México de este tipo de dispositivos.

1.1 Objetivos

El objetivo de este proyecto es sentar las bases para fabricar en México a escala industrial contravientos restringidos contra pandeo. Para hacer esto posible, se considera que deben alcanzarse dos objetivos particulares:

A) Definir, a partir del estudio experimental de ensamblajes estructurales contraviento-marco, el detallado que debe utilizarse en las conexiones de dichos


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contravientos para garantizar un comportamiento estable ante demandas severas de energía. Esto es, aparte de exhibir comportamiento estable como elemento aislado, es necesario lograr que el contraviento restringido contra pandeo exhiba este tipo de comportamiento cuando forme parte de un ensamblaje estructural.

B) Corroborar, a partir del estudio experimental de un modelo a escala de una edificación de varios pisos, los planteamientos analíticos y experimentales desarrollados en la Universidad Autónoma Metropolitana. Para ello, se considera necesario plantear estudios en mesa vibradora de la respuesta dinámica no lineal de un modelo a escala 1:3 de una edificación rigidizada con un sistema de contravientos restringidos contra pandeo.

Las actividades planteadas como parte del estudio que aquí se presenta se enfocan a alcanzar la meta A).

El estudio experimental presentado se realizó en dos etapas. En la etapa inicial se estudio el comportamiento de contravientos aislados y en la segunda etapa se estudio el comportamiento de ensamblajes cotraviento-marco.

En particular, en la primera etapa se evaluó la estabilidad del ciclo histerético y la diferencia entre su resistencia a tensión y a compresión el comportamiento contravientos aislados con diferentes arreglos de núcleo y material antiadherente. En total se realizaron ensayes en 14 contravientos.

Los estudios relacionados con la segunda etapa están todavía en proceso. Se tiene diseñados el dispositivo de ensaye y los elementos a ensayar y se encuentran en proceso de fabricación. Sin embargo, debido a la disponibilidad de espacios en el Laboratorio de Estructuras del Instituto de Ingeniería de la UNAM los ensayes de los ensamblajes marco-contraviento se realizarán en marzo de 2010. En este reporte se describen las características de los especímenes y del ensamblaje marco-contraviento y el comportamiento esperado con base en un modelo analítico.


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2. Dispositivo de carga para elementos aislados

La fabricación del dispositivo de carga para realizar los estudios en los contravientos aislados se realizó en el Laboratorio de Estructuras de la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Azcapotzalco. Para realizar los ensayes el dispositivo de carga fue colocado en uno de los espacios del marco de reacción del laboratorio, como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1. Marco de Reacción y dispositivo de carga

Para su construcción se utilizaron placas y perfiles de acero estructural A-36, además de algunos recursos existentes en el laboratorio habilitados para su uso en dicho dispositivo.

Para los ensayes se usaron además otros elementos tales como cilindros hidráulicos, con los cuales son aplicadas las cargas al contraviento; celda de carga, la cual transmite información de las fuerzas aplicadas al sistema de adquisición; micrómetros o transductores, que son los lectores del desplazamiento externo con los que se controlará la prueba y un sistema de adquisición de datos. En las figuras 2.2 a 2.4 Se muestran dichos elementos.

Figura 2.2. Cilindro hidráulico


8

Figura 2.3. Celda de Carga

Figura 2.4.Equipo de adquisición de datos

Una característica importante que debe tener el dispositivo de carga es que durante la aplicación de la carga debe evitar en la medida de lo posible inducir excentricidades al elemento ensayado. Por lo tanto el contraviento, la celda de carga y el cilindro hidráulico deben permanecer alineados (como se muestra en la figuras 2.5 Y 2.6) durante toda la duración de la prueba.

Figura 2.5. Alineación del contraviento con el cilindro hidráulico y la celda

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9

Figura 2.6. Alineación del contraviento con el cilindro hidráulico y la celda

En las figuras 2.7 y 2.8 se muestran esquemas de los componentes del dispositivo de carga y el conjunto del dispositivo con el cilindro hidráulico, la celda de carga y el contraviento.

Figura 2.7. Piezas del dispositivo de carga

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10

Figura 2.8. Dispositivo de carga y contraviento

Los elementos del dispositivo de carga fueron diseñados para soportar los esfuerzos generados en ellos durante los ensayes sin sufrir deformaciones significativas que pudieran afectar las mediciones durante el ensaye. A continuación se presenta una breve descripción de los componentes del dispositivo de carga.

Soporte móvil (figura 2.9). Este elemento se fija al piso de reacción por medio de tornillos y su función es soportar al cilindro hidráulico. Dado que la resistencia por fricción de los tornillos no fue suficiente para evitar el deslizamiento del elemento se decidió fijarlo al piso de reacción mediante soldadura. Se le dio el nombre de soporte móvil debido a que puede ajustarse para acomodar contravientos de diferentes tamaños.

Figura 2.9. Soporte móvil

Conector de celda de carga (figura 2.10). Este elemento se utilizó para conectar la celda de carga al extremo del contraviento. Para mantener la alineación de todo el dispositivo de carga durante la prueba se decidió darle una forma de émbolo como se muestra en la figura 2.10


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Figura 2.16. Soporte fijo

Placas de protección. Estos elementos tienen como función proteger al personal de posibles movimientos imprevistos del contraviento durante los ensayes. En la figuras 2.17 y 2.18 se muestra un esquema de las placas de protección.

Figura 2.17. Placas de protección

Figura 2.18. Placas de protección

En las conexiones entre los extremos del contraviento y el soporte fijo y el conector de la celda de carga se utilizaron placas de acero A36 y tornillos A-325 de ½” de diámetro. Además, a las placas en los extremos del contraviento se les colocaron cartabones en la parte inferior para rigidizarlas.

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Mas detalles del dispositivo de carga, tales como una bitácora fotográfica e información del procedimiento constructivo del dispositivo se pueden encontrar en Santos (2008). Finalmente, en la figura 2.19 se muestra un esquema del dispositivo de carga colocado en el marco de reacción.

Figura 2.19. Dispositivo en marco de reacción

Para evaluar el comportamiento del dispositivo se realizaron pruebas colocando micrómetros electrónicos en distintas partes del dispositivo y en el contraviento. Se colocaron 2 micrómetros en los soportes del dispositivo como se muestra en las figuras 2.20 y 2.21 para registrar las deformaciones causadas por la aplicación de carga.

Figuras 2.20 y 2.21. Micrómetros en el dispositivo de carga

Para realizar el ensaye, se colocaron además dos micrómetros más como se muestra en la figura 2.22; uno de ellos registra la deformación del espécimen y el otro registra el movimiento del émbolo del cilindro hidráulico.


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Figura 2.22. Micrómetros en el dispositivo de carga

Se encontró que el dispositivo se comportó satisfactoriamente; mas detalles de las pruebas de carga se reportan en Santos (2008).


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3. Programa experimental especímenes aislados

A continuación se presentan los detalles del procedimiento constructivo y del diseño de los contravientos restringidos contra pandeo (CVD) estudiados.

En total se construyeron 14 especímenes. En las figuras 3.1 a 3.3 se muestran los arreglos utilizados en el presente estudio. Como se ha discutido anteriomente el CVD consta de 4 componentes: la camisa, el núcleo, el material confinante y el material antiadherente.

Para los elementos estudiados se usaron perfiles tubulares rectangulares de acero laminado como camisa, ángulos y tubos de acero laminado como núcleo, mortero como material confinante; y como material antiadherente pintura, silicón y goma.

Los CVD estudiados tienen una longitud de 2 metros; esta longitud fue adoptada para simular un sistema de contraventeo tipo chevron en una crujía de 7 m x 4 m, aproximadamente, a escala 1: 2.5. Se consideraron 2 tipos de núcleo como se muestran en la figura 3.1.

Ángulos Tubo

Figura 3.1 Arreglo interno de los contravientos aislados en estudio

Figura 3.2 Arreglo interno de los contravientos aislados en estudio

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Figura 3.3 Arreglo de contravientos aislados en estudio

Para el arreglo de ángulos durante los ensayes se observaron deformaciones excesivas debido a la concentración de esfuerzos en los extremos de los contravientos por el cambio de sección de los ángulos con la placa, por lo que se decidió reforzar dichos extremos con placa. En la figuras 3.4 y 3.5 se muestra un esquema del refuerzo del espécimen con las placas.

Figuras 3.4 y 3.5 Refuerzo en el extremo

En el diseño de la placa de refuerzo se propuso que el área de la zona extrema fuese entre 1.3 y 1.5 veces mayor que el área de los ángulos. Además, se redujo la sección en el centro en ambos ángulos al 90% de la sección de los ángulos.

Las áreas de los demás elementos del contraviento se calcularon con base en la capacidad del dispositivo de carga. En la tabla 3.1 se muestran las propiedades geométricas de ambos núcleos, así como su relación de esbeltez.

En la tabla 3.1 los momentos de inercia (I), radio de giro (r) y relación de esbeltez son respecto a los ejes principales de inercia.

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Tabla 3.1 Propiedades geométricas de la sección de contravientos aislados

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3 Tubo circular No 4.32 8.197 1.377 145.19

4 Tubo circular No 4.32 8.197 1.377 145.19

5 Ángulos No 3.024 3.54 1.082 184.85

6 Ángulos No 3.024 3.54 1.082 184.85

7 Ángulos Si 3.024 3.54 1.082 184.85

8 Tubo circular No 5.16 12.925 1.583 126.37

9 Ángulos Si 3.024 3.54 1.082 184.85

10 Tubo circular No 5.16 12.925 1.583 126.37

11 Tubo circular No 5.16 12.925 1.583 126.37

12 Tubo circular No 5.16 12.925 1.583 126.37

13 Tubo circular No 5.16 12.925 1.583 126.37

14 Ángulos Si 2.878 1.976 0.829 120.68

En las siguientes expresiones, se muestran los requisitos de la sección 6.2.3.2 de las NTC-EM (2004) para la relación de esbeltez máxima en contravientos que forman parte de estructuras con alta ductilidad.

Note que la mayoría de los CVD’s ensayados no cumplen con los requisitos de esbeltez marcadas en sección 6.2.3.2 de las NTC-EM (2004) para contravientos que forman parte de estructuras con alta ductilidad; sin embargo, dichos requisitos fueron establecidos para contravientos tradicionales, los cuales son susceptibles a pandeo. Por lo tanto, este requisito es no necesariamente aplicable a CVD’s ya que, como se mostrará en los resultados de los ensayes que se presentan más adelante, los CVD’s mostraron un comportamiento histerético estable.

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Tabla 3.2 Diferentes combinaciones de núcleos y materiales antiadherentes

Espécimen Núcleo Tipo de Acero Recubrimiento Antiadherente

1 Tubo circular A‐572 G‐50 Goma Pintura y grasa


3 Tubo circular A‐572 G‐50 Silicón Pintura y grasa

4 Tubo circular A‐572 G‐50 Silicón Grasa

5 Ángulos A‐36 Cinta de aislar Pintura y grasa

6 Ángulos A‐36 Cinta de aislar Pintura y grasa

7 Ángulos A‐36 Silicón Pintura y grasa








En la figura 3.13 Se muestra un esquema de la instrumentación externa utilizada en los ensayes. El detalle del funcionamiento de los micrómetros externos, se explica en Santos (2007).

Figura 3.11 Colocación de deformímetros eléctricos (Strain Gages)


22

Figura 3.12 Colocación de deformímetros eléctricos (Strain Gages)

Figura 3.13 Colocación de micrómetros externos

MMiiccrróómmeettrroo 22 MMiiccrróómmeettrroo 44 MMiiccrróómmeettrroo 11

MMiiccrróómmeettrroo 33


23

4. Resultados especímenes aislados

Los modelos fabricados se sometieron a series de ensayes de carga cíclica reversible. Los ensayes se controlaron por desplazamiento y se utilizaron 2 patrones.

El primer patrón de desplazamiento se muestra en la figura 4.1 y fue planteado para sujetar al núcleo a incrementos de deformación iguales a la mitad del desplazamiento de fluencia. Este patrón de desplazamientos tuvo como objetivo evaluar el comportamiento del dispositivo de carga así como de estudiar en detalle la diferencia entre la carga resistente a tensión y compresión producido por los diferentes arreglos usados y comportamiento de los diferentes núcleos considerados. Los especímenes 1 al 6 fueron sometidos a dicho patrón de carga.

Figura 4.1. Patrón de desplazamientos para los especímenes 1 a 6

El segundo patrón de desplazamientos fue el recomendado para CVD’s conforme a Uang y Nakashima (2003) y Sabelli (2001). La historia de desplazamientos se presenta en la tabla 4.1. En dicha tabla μ es la ductilidad de desplazamiento a la que es sometido el espécimen, esta historia de desplazamientos supone que durante la demanda de distorsión máxima en la estructura el contraviento estará sometido a una demanda de ductilidad de desplazamiento igual a 5.

Tabla 4.1. Segunda historia de desplazamientos de los CVD

6 ciclos μ = 1

4 ciclos μ = 2.5

4 ciclos μ = 5

2 ciclos μ = 7.5

Ciclos restantes hasta completar un ductilidad acumulada de 140 μ = 5

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Paso

Def

orm

ació

n U

nita

ria (m

m/m

m)

Contraviento


24

En las figuras 4.2 y 4.3 se muestran gráficas de la historia de desplazamientos utilizada para cada uno de los contravientos, esto es, se calculó su propia grafica dependiendo del esfuerzo de fluencia de cada acero y la longitud de cada uno de ellos. Los especímenes 7 al 12 y 14 fueron sometidos a dicho patrón de desplazamientos.

Figura 4.3. Patrón de desplazamientos para los especimenes 7, 9 y 14

Figura 4.2. Patrón de desplazamientos para los especímenes 8, 10, 11 y 12

• Resultados espécimen 1

En el espécimen 1 se utilizó el protocolo de carga que se muestra en la figura 4.1, pero se tuvieron problemas con el sistema de carga por lo que el ensaye del elemento tuvo que ser detenido, por lo tanto no se alcanzaron los niveles de fluencia esperados. Sin embargo hasta antes de que se detuviera la prueba en el CVD mostró un buen comportamiento debido a que claramente se observó el deslizamiento de la camisa respecto al núcleo del CVD.

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80 100 120

Def

orm

ació

n (m

m)

Paso

Patrón de desplazamientos

Patrón de desplazamientos

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120Paso

Def

orm

ació

n (m

m)


25

Para los ensayes siguientes, se colocaron soldaduras adicionales en el sistema de carga para evitar el deslizamiento de los apoyo durante las pruebas.

En la figura 4.4, se muestran las gráficas los datos obtenidos en el ensaye del espécimen 1. Estos resultados se muestran solo para documentar el ensaye, pues no se incluyeron en los cálculos presentados en el capitulo siguiente. (Para la localización de los deformímetros y del micrómetro, ver las figuras 3.11 y 3.12 para los deformímetros y 3.13 para el micrómetro del contraviento)

Figura 4.4. Diagramas de histéresis del espécimen 1

a) StrCenAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrCenMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c)StrExtAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) StrExtAb

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

e) Micrómetro CVD

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (K

g)


26

Las lecturas del micrómetro muestran claramente que existía deslizamiento que se presentó tornillos y especialmente, en el dispositivo de medición, se observa que es mayor la fuerza desarrollada a compresión que a tensión, sin embargo, en las figuras 4.5 y 4.6 se muestra como el núcleo deslizó de la camisa y el material confinante, por lo que las diferencias en las cargas de tensión y compresión se debe al mal comportamiento del sistema de carga.

Figura 4.5 y 4.6. Ensaye del espécimen 1


En el espécimen 2 se utilizó el protocolo de carga que se muestra en la figura 4.1, a diferencia del anterior, si se pudo llevar al espécimen a la falla. Se observa un comportamiento del estable del ciclo de histéresis y una resistencia a tensión y compresión similar, lo que indica que existió un desadeherencia del núcleo respecto a la camisa y al mortero. Los resultados claramente sugieren que los problemas presentados con el dispositivo de carga fueron corregidos satisfactoriamente. En la figura 4.7, se muestran las gráficas los datos obtenidos en el ensaye del espécimen.


27


Sólo se presentan los resultados de la instrumentación interna debido a que se tuvieron problemas con el micrómetro y las lecturas no fueron confiables. Sin embargo, se observó una ductilidad local cercana a 2.1 en la zona central del CVD y de 6 en el extremo del mismo.

El mecanismo de falla fue la fractura del núcleo en la zona cercana a la placa de conexión debido a la concentración de esfuerzos en dicha zona y a la posible mala calidad de la soldadura en la conexión.


Para este espécimen, se utilizó el protocolo de carga que se muestra en la figura 4.1, se observa un comportamiento estable del ciclo de histéresis mostrando una ductilidad cercana a 4. En la figura 4.7, se muestran las gráficas los datos obtenidos en el ensaye del espécimen donde se observa un salto en la ductilidad de 1 a una cercana a 4 en el centro y de 5 en el extremo.

También se observa que la prueba tuvo que ser detenida en compresión debido a que la camisa topó con la placa de conexión del soporte fijo ya que el núcleo fluyó demasiado y no permitió continuar deformando el CVD, por lo que se decidió parar la prueba aunque los datos obtenidos estaban dando resultados muy satisfactorios.

a) StrCenAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrCenMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrExtMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)


28



En el espécimen 4 se el protocolo de carga que se muestra en la figura 4.1, se observa un comportamiento del estable del ciclo de histéresis mostrando una ductilidad cercana a 2. Se observó además una resistencia similar a compresión y a tensión.

En la figura 4.9, se muestran las gráficas los datos obtenidos en el ensaye del espécimen. Cabe hacer mención de la medición del micrómetro del contraviento respecto a la carga, donde se muestran pequeños saltos debido al deslizamiento de los tornillos y el mecanismo de sujeción del micrómetro, pero en términos generales, se nota que tienen buen funcionamiento. El mecanismo de falla fue la fractura del núcleo en la zona cercana a la placa de conexión.

a) StrCenAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrCenMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrCenAb

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) StrExtAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)


29

Figura 4.9. Diagramas de histéresis del espécimen 4.


Se utilizó el protocolo de carga mostrado en la figura 4.1. Debido a la falla en la instrumentación interna, no se puede mostrar los resultados del ensaye más allá de ductilidades de uno, se piensa que pudieron haber fallado por el calor que se produce al soldar los ángulos a la placa de conexión.

a) StrCenAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

b) StrCenMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

c) StrCenAb

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

d) StrExtMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

e) Micrometro CVD

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-25

-15 -5 5 15 25 35

δ (mm)

P (K

g)


30

Hasta donde se pueden observar los resultados, se observa un comportamiento estable en cuanto a desadherencia, por lo que se puede pensar que al igual que los especímenes anteriores que estaban construidos con el arreglo de tubo, el de ángulos puede funcionar adecuadamente

En la figura 4.10, se muestran gráficas de los datos obtenidos en el ensaye del espécimen. El espécimen falló en el núcleo cerca de la placa de conexión por fractura, se piensa que fue debido a la fragilización del material debido al proceso de soldado. Con lo anterior, se puede decir que el CVD tuvo un mal comportamiento pero no debido al pandeo de núcleo por lo tanto los resultados de este espécimen no fueron procesados.


a) StrA1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrA4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrB1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) StrB2

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

e) StrB3

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

f) StrB4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)


31


En este espécimen, se utilizó por última ocasión el protocolo de carga que se muestra en la figura 4.1 ya que se demostró que el dispositivo de carga funciona adecuadamente ya que no se presentan deslizamientos significativos en los apoyos.

Aunque de similar forma que en el espécimen 5, la instrumentación interna no recopiló datos que se pudieran graficar para ductilidades mayores de 1, pero se observa un comportamiento similar a compresión y a tensión lo que indica que existe desadeherencia del núcleo respecto a la camisa y al mortero. En la figura 4.11, se muestran las gráficas los datos obtenidos en el ensaye del espécimen. No se pudo llevar a la falla al espécimen debido a que la camisa topó con la placa de conexión del apoyo fijo.

De igual manera, no se presentará el análisis de resultados en el capítulo siguiente, pero se muestran los resultados de dicha prueba.


a) StrA1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrA3

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000-0

.018

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrA4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) StrB1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

e) StrB4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

f) Micrómetro CVD

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (K

g)


32

En las figuras 4.12 y 4.13, se muestra como el núcleo desliza respecto a la caminsa, aunque se presentó un desconchamiento del mortero que confina al núcleo en los extremos del CVD y se muestra el choque de la camisa con la placa de conexión del apoyo fijo.



El espécimen 7, se utilizó el protocolo de carga mostrado en la figura 2, donde se utiliza el patrón recomendado para CVD’s. En la figura 4.14, se puede observar que el comportamiento del espécimen con refuerzo en el extremo trabajó adecuadamente mostrado por la amplitud del ciclo histerético. En la figura 4.14 f) se muestra el ciclo pero ahora representado con el micrómetro de medición de desplazamiento, se puede constatar que el dispositivo funciona satisfactoriamente hasta ductilidades locales de 6 con respecto a los desplazamientos de fluencia en el extremo y de 5 en el centro, y de 4 a nivel global, lo que provocó una fractura de la soldadura en el extremo del CVD pero ahora, a ductilidades altas en comparación con los especímenes anteriores.

En las figuras 4.15 se muestra la imagen del ensaye del espécimen 7, donde se aprecia la falla en la soldadura en el extremo, también hay evidencia de deslizamiento del núcleo respecto a la camisa.


33

Figura 4.14. Diagrama de histéresis del espécimen 7

a) StrA3

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

b) StrB3

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

c) StrB4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

d) StrD1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

e) Micrómetro CVD

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (K

g)


34

Figura 4.15. Ensaye del espécimen 7


En el espécimen 8, se utilizó el protocolo de carga mostrado en la figura 3, el cuál es típico para CVD’s. En la figura 4.16, se puede observar que el comportamiento del espécimen en los distintos puntos instrumentados, donde se observa la concentración de esfuerzos en el extremo que produjo la falla de la soldadura que se muestra en las figuras 4.17 y 4.18.

Se observa que el espécimen llegó a la fluencia, pero en el extremo fluyó con ductilidades cercanas a 6 lo que provocó la fractura de la soldadura.


35


a) StrExtMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrCenAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrCenMed

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) StrCenAb

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

e) Micrometro CVD

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (k

g)


36



El espécimen 9, se construyo con el arreglo de ángulos reforzado en el extremo, y se utilizó el patrón de carga mostrado en la figura 4.2, desgraciadamente los materiales utilizados para la instrumentación del espécimen no se comportaron como se esperaba, en la figura 4.19 sólo se presenta la gráfica carga contra desplazamiento donde se puede observar un comportamiento del ciclo histerético muy estable logrando alcanzar ductilidades cercanas a 7, pero los deformímetros no mostraron datos confiables para procesar, por lo que para resultados se trabajará con los desplazamientos obtenidos con el micrómetro con el que se controló la prueba.


Como el ciclo mostrado en la figura 4.19 del espécimen 9 es muy regular aún con los saltos de la línea debido al deslizamiento de los tornillos, se hizo un estudio profundo del comportamiento interno del espécimen, en las figuras 4.20, 4.21, 4.22 y 4.23 se observa como los ángulos fallaron a compresión en el centro del núcleo donde se presentó pandeo en modos superiores de las alas de los ángulos.

Micrómetro CVD

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (K

g)

3

•

En el 4.24, micróm

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

001

8

σ (K

g/cm

²)

37

Resultados

espécimen 1se puede o

metro con el

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

000

6

Figuras

Figuras

s espécimen

10, se utilizóobservar qul cual se con

Figura 4.24

a) StrCenMed

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

000

6

ε (mm/mm)

Estudio Expe

s 4.20 y 4.2

s 4.22 y 4.2

10

ó el protocoue el compntroló la prue

4. Diagrama

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

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0.01

4

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8

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23. Núcleo d

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0.01

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-20000

-15000

-10000

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10000

15000

20000

-35 30

P (k

g)


el espécime

el espécime

mostrado edel espécim

s del espécim

b) Micro

-30

-25

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-10


n 9

n 9

en la figura 3men en el

men 10.

ometro CVD

-5 0 5 10 15

δ (mm)


3. En la figuextremo y

20 25 30 35

anadeo

ura el


38

La falla se presento en el núcleo en el extremo del CVD cerca de la placa de conexión, exhibiendo una ductilidad global de 2.5, aunque en el centro se observa que solamente llegó a una deformación unitaria de fluencia.


El espécimen 11, se construyo con tubo de 1 ½” de diámetro con acero A-572 G-50, con silicón como material antiadherente recubierto con pintura, desafortunadamente no se contaron con lecturas confiables que presentar, por lo que no se presentan sus diagramas obtenidos ni se analizarán los resultados para el capitulo 5.


El espécimen 12, se construyo con tubo de 1 ½” de diámetro por lo que se utilizó el protocolo de carga que se muestra en la figura 3.

Se observa en las gráficas de la figura 4.25 que en el centro del espécimen no desarrolló la fluencia que se esperaba y que en el extremo, fluyo en gran cantidad especialmente cuando estuvo sometido a compresión llegando a ductilidades de locales de 5 y globales de 3, esto se pudo presentar debido al choque de la camisa con el apoyo.

El espécimen no se llevó a la falla ya que la camisa topó con la placa de conexión del apoyo fijo, por lo que para futuras pruebas, se redujo la longitud de la placa para que se pudieran alcanzar ductilidades mayores a las obtenidas.


39

Figura 4.25. Diagrama de histéresis del espécimen 12.


El espécimen 13, se ensayó solo a compresión para estudiar el comportamiento del elemento a ese tipo de carga, los resultados que se obtuvieron se muestran en la figura 4.26, donde se observa un buen comportamiento a nivel local del elemento, debido a que como no existió inversión de carga, no hubo deslizamiento de los tornillos.

En el extremo, se observan ductilidades del orden de 8 y en el centro de 1.5, por lo que para futuras investigaciones se propondría reforzar la zona extrema y/o reducir la zona central en un 90% como se hizo con el arreglo de ángulos.

a) StrCenAb

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

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-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)b) StrCenAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrExtAr

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) Micrómetro

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (K

g)


40

Figura 4.26. Diagrama esfuerzo-deformación del espécimen 13.


El espécimen 14, se ensayó con el protocolo de carga mostrado en la figura 2, los resultados que se obtuvieron se muestran en la figura 4.27, donde se observa que no fluyó, especialmente en el centro (strain gages “B”) donde se tenía la sección reducida de los ángulos en un 90% y se esperaba que fuera una zona de fluencia controlada.

a) StrCenMed

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

b) StrCenAr

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

c) StrCenAb

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

d) StrExtMed

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

e) StrExtAr

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

(Kg/

cm²)

f) Micrómetro CVD

0

5000

10000

15000

20000

0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (K

g)


41

Figura 4.27. Diagrama de histéresis del espécimen 14.

No se pudo llevar a la fluencia total o a la falla según el protocolo de carga antes mencionado ya que el dispositivo de carga sufrió daños acumulados durante las pruebas anteriores, por lo que ya no se realizó ninguna prueba adicional a esta última mencionada.

a) StrA1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

b) StrA2

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

c) StrA4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

d) StrB3

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

e) StrB4

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

f) StrC1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

g) StrC2

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

-0.0

18

-0.0

16

-0.0

14

-0.0

12

-0.0

1

-0.0

08

-0.0

06

-0.0

04

-0.0

02 0

0.00

2

0.00

4

0.00

6

0.00

8

0.01

0.01

2

0.01

4

0.01

6

0.01

8

ε (mm/mm)

σ (K

g/cm

²)

h) Micrómetro CVD

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

-35

-30

-25

-20

-15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

δ (mm)

P (k

g)


42

5. Análisis de resultados contravientos aislados

A continuación se presentan los datos del análisis de los CVD’s así como una descripción de los resultados de cada uno de los especímenes.

Para cada uno de ellos, se realizó un análisis del ciclo histerético comparando las cargas de tensión y compresión para evaluar el nivel de desadherencia a cada ductilidad asociada a los patrones de carga que se indicaron en el capítulo 4.

El nivel de desadherencia se cuantifica a través del parámetro η definido en la ecuación (5.1). Dicho parámetro mide la diferencia entre la carga de compresión y tensión en el contraviento para un nivel de desplazamiento dado.

100CP

×−

=

TP

TP

η (5.1)

donde PC y PT son las cargas de compresión y tensión respectivamente medidas a un nivel de deformación dado. Un valor de η cercano a cero implica un nivel de desadherencia adecuado mientras que un valor de η alto positivo indica que mortero está trabajando en conjunto con el núcleo y por lo tanto que la desadherencia no es adecuada. Como se discutió anteriormente en la literatura técnica se han reportado valores de η entre 10 y 30%.

En las gráficas mostradas, los valores de η se encontraran en el eje de las ordenadas mientras que para las abscisas, se utilizarán las amplitudes, esto es, las deformaciones unitarias asociadas al valor de η. En las figuras 5.1 a 5.8 se presenta la información obtenida de los ensayes realizados.

Figura 5.1. Variación de η con la deformación unitaria para el espécimen 2.

Para el espécimen 2, se observa un buen comportamiento en cuanto a desadherencia, las trayectorias de los strain gages son similares a lo largo de la amplitud, lo que muestra que

Especimen 2

-5

0

5

10

15

20

25

30

0

0.00

05

0.00

1

0.00

15

0.00

2

0.00

25

0.00

3

0.00

35

0.00

4

0.00

45

0.00

5

Amplitud (ε )

% (P

c-Pt

)/Pt

StrCenAr

StrCenMed

StrExtMed


43

el arreglo trabaja satisfactoriamente, dando valores de η orden del 15% para amplitudes pequeñas y del 5 al 10% para ductilidades del orden de dos, pero en promedio se observa un valor cercano a 5%.

El espécimen 3, exhibió buen comportamiento, se observó que valores de η para amplitudes pequeñas son mayores que en amplitudes grandes, lo que demuestra que al principio cuando todavía no fluye el espécimen, el mortero se encuentra todavía adherido al núcleo, pero una vez que fluyó, la desadherencia es mayor. Se obtuvieron valores η del orden del 8% para amplitudes pequeñas y del 2% para ductilidades del orden de dos, el promedio de η es de 3%.


En el espécimen 4, los valores de η para amplitudes pequeñas son mayores que en amplitudes grandes, como se muestra en la figura 5.3, en valores cercanos a la fluencia del núcleo se presentan los valores mayores de η (del orden del 10%) y cuando el CVD presenta una ductilidad de 1.5, un valor de 4%.


Especimen 3

-5

0

5

10

15

20

25

30

0

0.00

05

0.00

1

0.00

15

0.00

2

0.00

25

0.00

3

0.00

35

0.00

4

0.00

45

0.00

5

Amplitud (ε )

% (P

c-Pt

)/Pt

StrCenArStrCenMedStrCenAbStrExtAr

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0

0.00

05

0.00

1

0.00

15

0.00

2

0.00

25

0.00

3

0.00

35

0.00

4

0.00

45

0.00

5

% (P

c-Pt

)/Pt

Amplitud (ε)

Especimen 4

StrCenArStrCenMedStrCenAbStrExtAr


44

Los especímenes 5 y 6, presentaron un mal comportamiento por lo que no se presentaran sus respectivos diagramas.

Para el espécimen 7, se muestran valores de η del orden 20% en amplitudes pequeñas y del 10% para ductilidades de 1, lo que indica que el contraviento tuvo un buen comportamiento en cuanto a desadherencia.


El espécimen 9, muestra valores de η para amplitudes pequeñas del orden de 16% y para una amplitud de fluencia del 11%, indicando un buen comportamiento, pero la instrumentación interna no mostró resultados confiables más allá de ductilidades de fluencia.


El ciclo histerético mostrado en la figura 4.19, exhibe uno de los mejores comportamientos de los construidos en la presente investigación, logrando ductilidades del orden de 7 y modo de pandeo superior, la falla fue a compresión en el centro del contraviento en la zona de fluencia controlada donde se realizó una disminución del área en un 90% y

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0

0.00

05

0.00

1

0.00

15

0.00

2

0.00

25

0.00

3

0.00

35

0.00

4

0.00

45

0.00

5

Amplitud (ε )

% (P

c-Pt

)/Pt

StrA3StrB3StrB4StrD1

Especimen 7

-5

0

5

10

15

20

25

30

0

0.00

05

0.00

1

0.00

15

0.00

2

0.00

25

0.00

3

0.00

35

0.00

4

0.00

45

0.00

5

% (P

c-Pt

)/Pt

Amplitud (ε)

StrB1

StrB2

StrB4

StrC1

StrC2

Especimen 9


45

refuerzo en el extremo, por lo que es el detallado que se utilizará para la siguiente etapa experimental.


46

6. Programa experimental ensamblajes contraviento-marco

Con base en los resultados obtenidos de los ensayes de elemento aislados se planteó la segunda etapa de este proyecto de investigación. Se diseño un ensamblaje contraviento-marco para estudiar en detalle la interacción entre los CVD y los elementos que conforman a un marco de acero estructural. En particular en lo que se refiere a las placas de conexión entre los contravientos y el marco; el ensamblaje diseñado se muestra en la figura 6.1.

Figura 6.1 Ensamblaje contraviento-marco estudiado (cm)

El ensamblaje es similar al estudiado por Uriz y Mahin (2008) y trata de simular de forma realista el comportamiento de un marco de acero con contraventeo tipo chevron sujeto a cargas sísmicas. Como se muestra en la figura 6.1 el ensamblaje consta de 2 niveles, el nivel superior tiene como finalidad transmitir la carga lateral introducida por el actuador al nivel inferior, mientras que en el nivel inferior se colocan los especímenes de ensaye.

El nivel superior está formado por el cabezal de transmisión de carga que está fabricado con 2 secciones IR 152 x 13.6 y 2 contravientos en chevron, dichos contravientos tienen una sección formada por 2 canales CE 152 x 12.20 espalda con espalda. Los contravientos se conectan al marco mediante pernos de 3.2 cm de diámetro y placas de conexión de 2.22 cm de espesor. Los elementos del nivel superior fueron diseñados para permanecer elásticos durante los ensayes.

El nivel inferior está formado por un marco de acero estructura A50, los especímenes de ensaye (CVDs) y 2 bases de concreto reforzado. Las columnas del marco tienen una sección IR 152 x 18, las vigas tienen una sección IR 152 x 13.6 mientras que las bases de

350

190

50

120

135

375

Especímenes de ensaye

Cabezal de aplicación de carga

Aplicación de carga

Restrucción contra pandeo lateral

Restricción contrapandeo lateral

Base de concreto

Piso de reacción


47

concreto tienen unas dimensiones en planta de 1.20 m x 2.70 m y un espesor de 50 cm. Dichas bases se utilizan para fijar al ensamblaje al piso de reacción del laboratorio y para sujetar elementos que dan soporte lateral en ciertos puntos del marco. Cada contraviento se conecta al marco mediante pernos de acero A490 de 1.9 cm de diámetro y 2 placas de conexión de 0.95 cm de espesor.

Para el diseño de parte inferior del ensamblaje se busco que el marco permaneciera elástico y que sólo se desarrollara comportamiento no-lineal en los CVD’s. Sin embargo, dada las condiciones y capacidades del Laboratorio para ductilidades de entrepiso cercanas a 6 las columnas desarrollaran cierto comportamiento no-lineal.

La geometría de los especímenes a estudiar se muestra en la figura 6.2 y corresponde a la sección que dio mejores resultados en los ensayes de elementos aislados.

Figura 6.2 Geometría de los especímenes estudiados en la segunda etapa (cm)

En la figura 6.3 se muestran los resultados del análisis no-lineal ante carga monotónicamente creciente para el ensamblaje estudiado. Como referencia se muestra con círculos la distorsión de entrepiso en la que comienza la fluencia de los (CVD’s) y la distorsión en la que comienza el daño en la columna del ensamblaje.

12.5 10.5

3.5 1

56

6

Ángulo LI 5.1cm x 0.4765 cm

Placa conexión para el núcleo

agujeros para pernosde 1.91 cm de diámetro

Camisa para el contravientoHSS 20.32 cm x 20.32 cm x 0.4765 cm

12.5

Placa de refuerzo en extremos (t= 0.635 cm)

38.5

16

20.3

2

1.59


48

do

Figura 6.3 Curva analítica cortante basal – distorsión de entrepiso para el ensamblaje estudiado

Debido a que el Laboratorio de Estructuras de la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco no cuenta con las instalaciones adecuadas para realizar este tipo de ensaye se decidió realizar los ensayes en el Laboratorio del Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Sin embargo, debido a la disponibilidad del Laboratorio los ensayes en los ensamblajes no han comenzado. De acuerdo al programa de trabajo del Laboratorio del Instituto de Ingeniería los ensayes se realizarán durante el mes de marzo de 2010. Actualmente, los especímenes de ensaye y el ensamblase se encuentran en proceso de fabricación y se estima estarán finalizados en el mes de enero de 2010.

ISD0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025

V [ton]

0

20

40

60

80


49

7. Conclusiones

Los resultados de los ensayes en elementos aislados mostraron que el contraviento desarrollado exhibió un comportamiento histerético estable y una resistencia a compresión y a tensión similar, principalmente el elemento formado por un núcleo de doble ángulo con placas de refuerzo en el extremo. Dicho elemento desarrollo un modo de pandeo superior lo que indica la efectividad del material confinante. En general, todos los materiales antiadherentes condujeron a resultados satisfactorios.

Con base en los resultados reportados en este trabajo se considera que es factible la aplicación de los contravientos restringidos contra pandeo desarrollados a estructuras ubicadas en la zona del Lago del Distrito Federal.

Sin embargo, es necesario esperar los resultados de los ensayes en los ensamblajes contraviento-marco los cuales debido a disponibilidad del Laboratorio del Instituto de Ingeniería se realizarán durante marzo del 2010.


50

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