METROLOGÍA Y EL ACERO EN EDIFICIOS

Las mediciones cada vez deben ser más exactas y precisas, actualmente se están usando dispositivos de simulación de terremotos conocido como mesas vibratorias. Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de California en San Diego (UC San Diego) han identificados deficiencias en el rendimiento de estos tipos de columnas, y muchas se doblaron prematuramente según las simulaciones realizadas. Sobre la base de los resultados obtenidos y un análisis detallado de los datos de la prueba, los investigadores idearon nuevos límites para la esbeltez de la columna, descritos en un artículo publicado en el Journal of Structural Engineering (https://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29ST.1943-541X.0003036). El Instituto Estadounidense de Construcción de Acero (AISC), una organización de estándares, adoptó los límites propuestos en un borrador para comentarios públicos de la edición 2022 de AISC 341, un estándar que brinda orientación sobre el diseño de edificios de acero resistentes a terremotos.

Actualmente muchas de las disposiciones de diseño actuales se basan en pruebas de columna reducidas o en un número muy pequeño de pruebas a gran escala, pero las pruebas a gran escala que se realizó en estas simulaciones han permitido comenzar a cubrir brechas de conocimiento sobre el rendimiento de este tipo de columnas en condiciones de carga extremas. Los resultados han respaldado el desarrollo de una guía mejorada para nuevos edificios y podrían informar la toma de decisiones sobre la modificación de columnas en estructuras existentes.

A lo largo de la década de 1990, los ingenieros obtuvieron conocimientos sustanciales sobre la forma en que las estructuras responden a terremotos reales, como resultado los códigos de construcción comenzaron a imponer requisitos estrictos sobre el grado en que los edificios podían balancearse durante los terremotos, una medida conocida como desviación del piso. Antes de 1994, las almas de las columnas de acero a menudo eran relativamente poco profundas en edificios con marcos de acero. Pero desde entonces, los diseñadores de edificios han cumplido con los requisitos para deriva al seleccionar columnas con almas más largas o más profundas para aumentar su rigidez lateral.

Las columnas de acero en edificios de varios pisos, con secciones transversales en forma de “I”, son buenas para soportar las fuerzas hacia abajo creadas por el peso de los pisos y el techo que descansan sobre ellas. Pero un suelo en movimiento puede introducir fuerzas adicionales en todas las direcciones, lo que puede causar que las columnas se balanceen lateralmente, lo que contribuye a la deriva. De acuerdo con los estándares de construcción actuales, estas columnas profundas eran aceptables para usar siempre que las dimensiones de su alma no superaran ciertas relaciones de profundidad a ancho, conocidas como límite de esbeltez, destinadas a reducir el riesgo de que las columnas pierdan su capacidad de soportar peso. durante los terremotos. Sin embargo, algunos ingenieros no estaban seguros de cómo resistirían estas columnas los movimientos sísmicos reales.

Cuando se desarrollaron los límites de esbeltez hace décadas, los ingenieros no tenían la capacidad de probar el desempeño sísmico de columnas a gran escala como las que se usan actualmente en los edificios. En su lugar, basaron los límites en columnas de modelos a escala reducida, creando cierta incertidumbre sobre su efectividad en la realidad, pero desde entonces las pruebas a gran escala se han hecho posibles gracias a la disponibilidad de instalaciones muy potentes, conocidas como mesas vibratorias, diseñadas para someter componentes estructurales a gran escala a través del guante sísmico.

Para evaluar los límites de esbeltez reales, se realizó simulaciones en una de las mesas vibratorias del campus de la Universidad de California en San Diego, llamada instalación de prueba del dispositivo de modificación de respuesta sísmica (SRMD) de Caltrans. Los investigadores probaron 48 columnas profundas, donadas por AISC y la empresa Herrick Corporation un fabricante de acero, cada columna de 550 cm de largo y con redes de esbeltez variable. Usando el SRMD, recrearon los efectos de los terremotos (que pueden diferir mucho de un terremoto a otro) en las columnas.

La máquina simuló el peso de los edificios sobre las columnas aplicando compresión constante o fluctuante, la última representando las fuerzas que pulsan a través de la estructura cuando el edificio se balancea hacia adelante y hacia atrás. Al sacudir un extremo de la columna de un lado a otro con el sistema hidráulico del SRMD, el equipo simuló una variedad de movimientos laterales inducidos por terremotos, cuyo grado, en realidad, depende de la distancia del edificio a la línea de falla que emanan los movimientos sísmicos del suelo. El equipo midió la respuesta de cada columna durante la prueba, tomando nota de cualquier cambio permanente en su forma, además cubrieron las columnas con una capa de pintura blanca que comenzaba a descascararse a medida que el acero se doblaba, haciendo que la deformación permanente fuera más evidente visualmente. Probaron cada columna hasta que ya no pudo oponerse a las fuerzas ejercidas por la máquina, haciendo que algunas se pandearan cerca de sus extremos y otras se contorsionaran en toda su longitud.

Entre las columnas deformadas, recogieron un patrón revelador, se dieron cuenta de que a medida que las columnas se volvieron más robustas y menos delgadas, pueden pasar más fácilmente por todo el protocolo de carga sin perder una cantidad significativa de su capacidad para resistir los movimientos sísmicos. Sus hallazgos sugirieron que las pruebas anteriores a pequeña escala no mostraban una imagen completa del rendimiento de las columnas profundas y que las almas de las columnas que cumplen con los límites prescritos por los códigos actuales pueden ser aún demasiado delgadas.

Teniendo en cuenta los requisitos de deriva, los investigadores pudieron proponer nuevos límites de esbeltez con los datos de los experimentos a gran escala. Las columnas con almas dimensionadas de acuerdo con el nuevo límite podrían cumplir con los requisitos de deriva y estabilidad al mismo tiempo. Los investigadores presentaron los límites revisados ​​ante el AISC para su revisión, lo que resultó en que la organización incluyera los límites en un borrador de la edición 2022 de AISC 341. Los límites más estrictos en las almas de las columnas de acero podrían suavizar el golpe de los terremotos, salvando potencialmente a los edificios recién diseñados de daños innecesarios o colapso parcial.

En el futuro, los investigadores tienen como objetivo incorporar los límites en los estándares para evaluar edificios existentes, lo que permitirá a los ingenieros identificar columnas profundas que necesitan acciones correctivas, como la adición de un elemento llamado arriostramiento, el cual consiste en rigidizar o estabilizar la estructura impidiendo o limitando parcialmente los desplazamientos/deformaciones de la misma.

El documento técnico se encuentra disponible en el siguiente enlace https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2169.

 

 

Fecha: 
Jueves, 31 Marzo, 2022