Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Estructural, Sísmica y Geotécnica / La presente investigación aborda el estudio de marcos arriostrados excéntricos (EBF) aplicada a la práctica Chilena usando únicamente enlaces (excentricidades) cortas; para ello se usa la metodología del FEMA P695 el cual provee una manera confiable de cuantificar el desempeño sísmico de un sistema estructural aplicando procedimientos no lineales. La investigación considera 9 modelos (arquetipos) que son marcos planos con distintas alturas (1,2,3,4,5,6,8,12,y 16 niveles); a su vez cada arquetipo considera la variabilidad de la demanda sísmica acuerdo a la NCh433, es decir, se tiene en cuenta las zonas sísmicas (I, II y III) y el tipo de suelo (A,B,C,D y E). De lo anterior se derivan 135 casos posibles de análisis, en donde luego del diseño de elementos y cumplir todos los requisitos de resistencia y servicio estipulados en las normas de AISC 360, AISC 341 y NCh433 se seleccionan 55 modelos que son sujetos a análisis no lineal. Para el desarrollo de los modelos no lineales se usa la plataforma OPENSEES tanto para el análisis no lineal estático (pushover) y dinámico incremental (IDA), asimismo, se hace especial énfasis en el comportamiento del enlace, para ello se usa el modelo de Radaman y Ghoborah que es calibrado a través de ensayos experimentales para el caso de enlaces cortos y materiales ASTM A36. De los resultados del análisis pushover se obtienen factores de sobreresistencia relativamente constantes en altura de Ω=3.5, excepto para arquetipos de 1,2 y 3 niveles donde los valores son: 5<Ω<15. Esto a su vez se evidenció en la variación del factor de modificación de respuesta, R, pues para arquetipos de hasta 8 niveles las estructuras poseen mayor capacidad de incursionar en el rango inelástico, presentando que lo expuesto en la NCh433 genera análisis conservadores (i.e., R*<R)); contrario a lo evidenciado en edificios superiores a esta altura, donde se observa que existe una sobrestimación de su capacidad (i.e., R*>R). Este comportamiento de los EBF fue corroborado en el análisis dinámico incremental, donde las razones de margen de colapso, CMR, alcanzadas también son ingentes (4<CMR<7) para modelos entre 1 y 3 pisos, contrario a modelos de 12 y 16 niveles en el cual los valores son cercanos a la unidad (CMR≅1). Estos resultados evidenciaron que los edificios altos diseñados con la NCh433 producen bajos CMR´s (i.e., probable riesgo de colapso) que aquellos de menor altura donde prevalece la sobresistencia; no obstante, se considera que el factor de modificación de respuesta estructural actual de la NCh433 es el adecuado pues cumple el criterio de aceptación definido por el FEMA P695. Por tanto, es posible que los EBF puedan ser restringidos hasta 10 niveles donde su desempeño está asegurado, sin embargo, para asegurar aquello se deben estudiar más casos en cuanto a configuración, cargas y materiales usados principalmente para EBF superiores a 10 niveles.

Ingeniera Civil

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 25/11/2020. / Ingeniero Civil

Ingeniero Civil / El presente trabajo de título tiene por objetivo identificar los principales modos de falla en perfiles armados XL sometidos a carga cíclica y su vinculación con propiedades geométricas y de comportamiento estructural. Parámetros estudiados son las fuerzas máximas de tracción y compresión, la degradación de la capacidad compresiva, la ductilidad y las fuerzas en las conexiones con la placa gusset y en la intersección de las diagonales. Adicionalmente, se comparan los efectos de utilizar dos espaciamientos de placas separadoras: cada un cuarto y un octavo del largo total del arriostramiento. Para proceder, se realiza un análisis no lineal de tipo pushover en el software de elementos finitos ANSYS Workbench 15. Se estudian en total 74 elementos, con secciones variando en altura de 80 a 400 mm, espesores de 4 a 16 mm y largos de 3 a 6 m. Como resultado, se establece una relación entre el modo de falla y el cociente entre la esbeltez y la compacidad de la sección transversal: perfiles con una relación de esbelteces mayor a 10 tienden a fallar por flexión; cuando la razón está comprendida entre 6 y 10 fallan por flexotorsión, mientras que para valores menores a 6 lo hacen por torsión. Se identifica que los perfiles con una relación de esbelteces menor a 4 no experimentan deformaciones laterales ni aparición de una rótula plástica, por lo cual presentan una alta ductilidad y prácticamente nula degradación en la capacidad compresiva. En cuanto a las fuerzas en las conexiones, los casos más desfavorables se vinculan con perfiles con falla flexotorsional y flexural, ya que las demandas tienden a ser crecientes con la relación de esbelteces para los ejes de las conexiones que concentran las fuerzas más críticas. Finalmente, se recomienda distanciar los interconectores a un cuarto del largo total, por cuanto se aumenta la capacidad de deformación inelástica y se disminuyen las fuerzas en las conexiones. Además, se sugiere evitar la implementación de perfiles con falla flexotorsional, ya que mostraron fallar prematuramente y además, producto de la forma de pandeo, suponen costos de reparación mayores.

Ingeniero Civil / Los arriostramientos convencionales de acero se pandean en compresión y se fracturan en pocos ciclos. Por dicho motivo se propone como elemento de protección sísmica, un arriostramiento de pandeo restringido que usa un material no tradicional para confinar el elemento de acero con el fin de evitar el pandeo. Este trabajo tiene como objetivo estudiar experimentalmente el comportamiento de un arriostramiento de pandeo restringido por un material no tradicional ante solicitaciones monotónicas y cíclicas. El ensayo consiste, básicamente, en imponer a los arriostramientos desplazamientos monotónicos o cíclicos, alternadamente de tracción y compresión, a niveles crecientes de amplitud hasta llegar a la falla del elemento. Además se verifican las propiedades dinámicas (módulo de corte G y amortiguamiento β) del elastómero utilizando una máquina para ensayar probetas a corte directo y las propiedades mecánicas del núcleo de acero. Se fabrican 4 probetas con distintas configuraciones del tubo exterior y de la interfaz entre el núcleo y el material confinante. La primera consta de un tubo cuadrado, una interfaz no adherida o unbonded; la segunda consta de un tubo cuadrado, una interfaz unbonded; la tercera consta de un tubo cuadrado, una interfaz adherida o bonded y la cuarta consta de un tubo exterior cuadrado con tapas en sus extremos, una interfaz unbonded. A la primera se le aplica una acción monotónicamente creciente y a las otras tres acciones cíclicas crecientes en magnitud. Se concluye que el nuevo material confinante restringe parcialmente el pandeo del núcleo de acero, los ciclos de histéresis presentan mayor capacidad en tracción que en compresión, en tracción se observa la fluencia del acero y los arriostramientos tienen capacidad de disipación de energía. Además, el peso del prototipo es menor que los arriostramientos rellenos con mortero de hormigón, lo que avala continuar con el estudio de estos prototipos. Esta investigación es financiada por el proyecto CA13I10026 del Programa IDeA Fondef Conicyt.

Ingeniero Civil / El presente trabajo de título tiene como objetivo estudiar los modos de falla predominantes en perfiles XL de acero estructural sometidos directamente a cargas monotónicas y cíclicas incrementales, con el fin de comprobar si se cumplen las relaciones entre la curva de pandeo y las relaciones geométricas de esbeltez encontradas en memorias anteriores. Para ello se llevan a cabo 6 experimentos en el Laboratorio de Estructuras del Departamento de Ingeniería Civil de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, donde se prueban 3 pares de perfiles XL diseñados en base a las normas de la AISC, conformados por ángulos de iguales dimensiones, soldados a placas gusset de iguales características, y con 3 conectores intermedios soldados ubicados en los cuartos de su longitud de pandeo, variando solo esta última medida entre los pares, nombrados como cortos , intermedios y largos . Durante los ensayos se utilizan LVDT s, inclinómetros y una celda de carga para registrar los desplazamientos de la sección transversal, el cambio de longitud de los especímenes, los movimientos del montaje experimental, y la fuerza de reacción provocada por la riostra. El resultado esperado era que los perfiles más cortos mostraran un pandeo torsional, que los de longitud intermedia tuvieran un pandeo flexo-torsional, y que los más largos exhibieran un pandeo de flexión pura. Sin embargo, los 6 perfiles XL manifiestan un pandeo de flexión en torno a su eje geométrico vertical, por lo que no se cumple la relación entre su esbeltez y el modo de falla encontrada en los estudios numéricos de elementos finitos. No obstante, hay que mencionar que los experimentos se diferenciaban de los modelos en las restricciones de desplazamiento y giro del conector central y en la esbeltez local de los ángulos. Por otro lado, todos los especímenes muestran una rótula plástica ubicada en el ala horizontal de un ángulo, entre el conector central y uno extremo, que separa la riostra en 2 tramos y permite la libre rotación de ambas partes en los desplazamientos a compresión, donde se propaga paulatinamente una grieta por fatiga de material, es decir, sin falla frágil, siendo este mecanismo el que produce la mayor disipación de energía. Además, la deformación fuera del plano durante la compresión es tan grande que se produce la fluencia del material en las fibras traccionadas por flexión, en el ángulo opuesto de la formación de la rótula, que luego se manifiesta como un pandeo en aquel punto al momento de enderezar el perfil. Finalmente, 4 de los perfiles superan la capacidad esperada a compresión, mientras que los perfiles cortos solo sobrepasan la nominal calculada con la fluencia experimental del acero componente. Asimismo, ningún espécimen fue capaz de superar la capacidad nominal a tracción dada por la fluencia del estudio de materiales.

Ingeniero Civil / Al ser Chile un país sísmico, es importante tener claridad sobre los sistemas más útiles al momento de resistir solicitaciones sísmicas. En este sentido cobran importancia los arriostramientos, y por consiguiente, los marcos arriostrados, que son sistemas muy útiles al momento de resistir cargas laterales, como las que provocan sismos y vientos, y disminuir los desplazamientos laterales que sufre una estructura, lo que es fundamental para evitar el daño a elementos estructurales y no estructurales. Sin embargo, el principal problema de los arriostramientos es que son muy propensos a sufrir pandeo ante cargas de compresión, fenómeno que disminuye su resistencia y genera una respuesta histerética asimétrica del elemento. El presente documento tiene como objetivo principal el crear una base de datos actualizada sobre los estudios referentes a arriostramientos convencionales a lo largo del mundo. Para esto, se recopilaron diversas publicaciones recientes (desde el 2008 hasta la fecha) con estudios experimentales y análisis numéricos sobre el tema para poder estudiar sus resultados y obtener conclusiones. Se puso especial énfasis en temas como los tipos de secciones que se utilizan en arriostramientos, los distintos tipos de marcos arriostrados que existen, el pandeo que sufren los elementos y los factores que influyen en dicho fenómeno, entre otros. Finalmente, se concluyó que el pandeo está influenciado, principalmente, por la razón de esbeltez y la razón ancho-espesor del arriostramiento: al aumentar estos parámetros, mayor es la probabilidad de que se sufra pandeo, aunque hay algunas excepciones al variar ambos parámetros en forma conjunta. Además, a nivel mundial, se usan mucho los perfiles tubulares circulares y rectangulares, aunque los doble T presentan una muy buena alternativa. Por su parte, los marcos arriostrados más utilizados debido a su rigidez son aquellos configurados en X, en V invertida y en V. Contrastando con las prácticas constructivas de Chile, se extrañan estudios sobre perfiles XL en arriostramientos, y se notó que las publicaciones carecen de ciertas prolijidades al momento de evaluar los tipos de marcos arriostrados, pues no se hace énfasis en los problemas que pueden generar en vigas y columnas algunos tipos de configuraciones.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / El sistema estructural de marcos arriostrados de varios niveles sin losa intermedia (MTBF) posee dos o más niveles arriostrados lateralmente en una estructura con altura única, las cuales están encargada de resistir la carga axial desbalanceada, la cual ocurre luego del pandeo a compresión de los arriostres, con ausencia de diafragmas en la dirección perpendicular. Estos son utilizados en edificaciones industriales de gran altura, en las cuales utilizar un solo arriostramiento genera secciones muy grandes. En general, se utiliza arriostramientos concéntricos de tipo X, chevron o V. Este trabajo de título tiene como objetivo principal evaluar el desempeño del sistema estructural MTBF utilizando arriostramientos excéntricos en sus niveles, caracterizando el modo de falla que presente, considerando las no linealidades del problema. Para la realización de esta investigación se consideró una estructura MTBF de dos niveles, compuesta por 5 vanos de 11,65 metros de alto con 10,48 metros de ancho, en los cuales el segundo y cuarto vano corresponden al sistema sismorresistente EBF, utilizando diafragma rígido solamente en el nivel superior, ubicada en un suelo de tipo 2 y zona sísmica III. Además, para las uniones de cada uno de los elementos se considera una conexión de tipo rígida y se utiliza la calidad de acero de ASTM A992 para todos los elementos. Esta estructura es diseñada en base a la norma NCh2369, considerando un diseño por capacidad para marcos EBF según lo estipulado en la norma AISC341 y verificando la resistencia de los perfiles según lo indicado en la norma AISC360. Posterior al diseño, se consideraron 4 modelos a estudiar; el primero sin imperfecciones en el enlace del nivel inferior, el segundo con una imperfección en los nodos del enlace de 2,8 milímetros en direcciones contrarias, el tercero con una imperfección en los nodos del enlace igual a 7,7 milímetros en la misma dirección y un cuarto modelo incorporando un diafragma rígido en el nivel intermedio. Estos fueron sometidos a un análisis no lineal estático y dinámico utilizando el programa SAP2000 v20.2. Los resultados obtenidos indican que se obtiene un desempeño sísmico aceptable en base a lo estipulado en el informe FEMA P695. Por lo tanto, las disposiciones de diseño para este sistema estructural, utilizando las normativas vigentes en la actualidad, cumplen con los requisitos establecidos para obtener un desempeño sísmico adecuado. Además, se cumple con el modo de falla esperado en todos los modelos, ya que la formación de rotulas plásticas solo se presenta en los enlaces de ambos niveles, los cuales corresponden al elemento fusible del sistema estructural, mientras que sus demás elementos presentan un comportamiento lineal durante todo el análisis.

Ingeniero Civil / En un país sísmico como Chile, donde se han registrado terremotos muy severos, el diseño de estructuras sismorresistentes es vital para asegurar la durabilidad de ellas. Un caso particular son las estructuras de acero destinadas a instalaciones industriales, cuyo diseño se basa en la norma chilena NCh2369 (INN, 2003), cuya redacción se basó en la experiencia y prácticas de importantes empresas de ingeniería del país debido a la inexistencia de una norma internacional de diseño sísmico que se refiriera a estos casos. Dada la incertidumbre que existe respecto al tema, y con el fin de aportar al entendimiento del comportamiento de este tipo de edificaciones, surge la idea de analizar un modelo estructural basado en un tipo de edificio ya existente, esperando que su comportamiento explique los motivos por los cuales las disposiciones de diseño establecidas en la norma cumplen con requisitos de rendimiento ante situaciones extremas. El objetivo general de este trabajo de título es determinar las razones del buen desempeño observado durante el terremoto del 27 de Febrero de 2010 en estructuras de marcos arriostrados concéntricos de acero, destinadas a la industria, construidas bajo las disposiciones de la norma NCh2369 (INN, 2003). Se realiza una evaluación de algunas disposiciones de diseño de la norma, en particular de parámetros como el factor de reducción R, donde existe mayor incerteza, con la intención de verificar la posible existencia de una sobre resistencia u ocurrencia de deformaciones inelásticas que hayan favorecido el desempeño sísmico de la estructura a estudiar. La respuesta del edificio se obtuvo llevando a cabo un análisis del modelo desarrollado en 2 etapas principales: análisis estático y estudio dinámico. Para el análisis estático se realizaron pruebas pushover sobre la estructura, y el estudio dinámico se hizo utilizando registros obtenidos durante el evento sísmico del 27 de Febrero de 2010, en conjunto con registros de otros sismos de importancia ocurridos en el país. Se encontró que el diseño de la estructura estudiada entregaba una mayor sobrerresistencia a ésta, mientras que la demanda de ductilidad se mantuvo en valores bajos tanto en las direcciones principales como en la estructura general. Incluso se verificó la no ocurrencia de deformaciones inelásticas bajo solicitaciones sísmicas de los registros utilizados. Además, esta alta sobrerresistencia se tradujo en un alto valor del factor R, con lo cual las estructuras diseñadas bajo las mismas especificaciones de diseño resultarían sobredimensionadas.