Riostras Restringidas al Pandeo Quaketek
Los Riostras Restringidas al Pandeo de Quaketek son producidas teniendo en cuenta un balance de calidad y costo. Son usadas para proveer a la estructura con protección sísmica mínima basada en ductilidad.
Que son las Riostras Restringidas al Pandeo?
Son elementos que entran en fluencia (ductilidad) en ambas, tensión y compresión a lo largo de su eje central (una dirección). El principio de trabajo es el mismo que el de cualquier riostra metálica, pero evita la falla abrupta por pandeo en compresión al proveer unos cuantos ciclos de carga y descarga adicionales antes de quebrarse. Este comportamiento dúctil cuasi proporcional en las dos direcciones es logrado al cubrir el núcleo metálico sacrificable (placa metálica, barra corrugada, etc. dependiendo del diseño) con una camisa de mortero o concreto en su longitud. A su vez el mortero es cubierto por una última camisa exterior metálica para que evitar que explote cuando se quiebra por la presión del núcleo metálico al pandearse. Aunque luce como un elemento de sección compuesta, una capa aislante es colocada entre el mortero/concreto y el núcleo metálico sacrificable para evitar este comportamiento. Así cuando la riostra es exigida en tensión, solo el núcleo sacrificable en acero debería trabajar para evitar rupturas en las conexiones y otros elementos de la estructura debido a la capacidad aumentada y no prevista de una no deseada sección compuesta.
Enfoque para el diseño de pórticos con Riostras Restringidas al Pandeo
Dependiendo de la filosofía para el diseño sismorresistente del código a usar, estas riostras pueden funcionar como el elemento sacrificial que focaliza el daño o, como el sistema estructural dúctil principal en una dirección principal. En códigos y normas sísmicas que favorecen el diseño por desempeño por encima del mínimo de salvamento de vidas, los pórticos con Riostras Restringidas al Pandeo son usadas en un enfoque de “control del daño” donde se convierten en el elemento sacrificial de la estructura con pórticos resistentes a momento. En esos casos, la estructura es protegida por la riostra como elemento de sacrificio y gracias a los pórticos de momento la estructura puede tener una rigidez post fluencia decente que garantizaría un nivel de daño moderado o bajo. Así, luego del sismo de diseño, idealmente, solo se debe incurrir en el gasto de desmontaje, alzado y montaje de las riostras en el edificio.
Por ejemplo, en Japón, la metodología de diseño usa las riostras como miembros sacrifícales para proteger el sistema primario, los pórticos (Kasai, Fu and Watanabe 1998). Códigos y normas sísmicas de este estilo tienden a usar factores de reducción y coeficientes de disipación de energía (e.g. R) relativamente conservadores. En contraste, otros estándares como el americano y aquellos lo usan como norma base, aplican una filosofía donde los Riostras Restringidas al Pandeo son el sistema estructural principal permitiendo altos valores de deformación lateral. En estructuras diseñadas de acuerdo con estos estándares, la rigidez lateral de post fluencia después del sismo es considerablemente más baja que cuando las riostras son requeridas a trabajar en paralelo dentro del límite elástico de los pórticos resistentes a momento principales (Applied Technology Council 2015). Consecuentemente, en estos tipos de códigos y normas es común encontrar valores de coeficientes de disipación de energía (e.g. R) mucho más agresivos, y el desempeño final, medido en el nivel de deformación lateral de la estructura, tiene a ser tan bajo como el de otros sistemas dúctiles prescritos en el estándar (Pórticos resistentes a momento, Muros de concreto, Pórticos arriostrados etc.). Para este caso, el ingeniero debe considerar los siguientes requerimientos mínimos para una implementación segura:
Requerimientos mínimos para el diseño sismorresistente de Pórticos con Riostras Restringidas al Pandeo
Las Riostras Restringidas al Pandeo son modeladas como si estuvieran conectados a un pin ideal, es decir una conexión rotulada perfecta con solo la traslación en el plano siendo restringida. Por lo tanto, una vez el ingeniero tiene una estimación de la máxima deformación lateral del piso (amplificada por factores descritos en los códigos y normas o a través de análisis no linear) puede usarla para estimar la rotación que ocurrirá en la riostra desde su ángulo diagonal inicial. Si la deformación lateral relativa (deriva) del entrepiso es cercana o mas grande que el 2% de la altura del piso, un especial cuidado en el diseño de la conexión debe ser tenido. Estos sistemas de riostras tienen a sufrir rupturas debido a fuerzas fuera del plano (Chien, et al 2018) y, por lo tanto, permitir una rotación sin restricciones es esencial. Por esta razón, conexiones con pines reales son preferidas a tales niveles de deformación. El ingeniero puede alternativamente revisar en detalle (número y arreglo de los pernos) y si la conexión pernada permite esta demanda de rotación en la configuración final de instalación.
Antes de quebrarse, un Riostra Restringida al Pandeo desarrolla una fuerza de respuesta ultima de rotura de al menos 2 veces su punto inicial de fluencia y tiende a variar entre tensión y compresión y según el radio entre la longitud, la fuerza nominal de fluencia, las propiedades del material y la deformación axial ejercida. Por lo tanto, esta verificación acerca de cuál es la real fuerza de respuesta es muy importante puesto que la transmisión de carga “Load-path” podría verse en riesgo. En otras palabras, esta revisión define la habilidad de la estructura de transmitir la fuerza desde una riostra ubicada en cualquier punto de la estructura hasta la cimentación.
Para que esta transmisión de carga exista, el daño solo debe estar presente en las riostras (y subsecuentemente en las vigas y en las columnas cuando han sido detalladas dúctiles) pero nunca en las conexiones o en la cimentación. En el caso de las conexiones, estas son de falla frágil, y en el caso de la cimentación, estás deben permanecer elásticas puesto que cuando se modela la estructura con un coeficiente de disipación de energía (e.g. R) se hace asumiendo una condición de base fija (empotrada) y para que esta condición se cumpla en la realidad, el factor de comportamiento sísmico usado para el diseño de la estructura debe ser ajustado en el momento que se diseñan los elementos de la estructura de cimentación (suelo y elementos estructurales de cimentación), de lo contrario la capacidad de disipación de energía de la estructura y su estabilidad ante cargas laterales puede ser peligrosamente sobre estimada puesto que sería en realidad menor a lo que el coeficiente representa. En esta filosofía de diseño donde se tienen en cuenta las capacidades reales de la estructura, la superestructura disipa la energía sísmica a través del daño mientras que la cimentación permanece esencialmente elástica (NBCC 2015). Hacer esta verificación de cortante ultimo para la cimentación es relativamente sencillo, e incluso algunos códigos y normas han incluido parámetros para un cálculo aproximado indirecto. El ingeniero puede tomar una de estas dos opciones:
A través de ensayos
El ingeniero debe requerir al fabricante un espécimen representativo de todas las riostras del proyecto, (e.g. promedio de todas las fuerzas de fluencia en el proyecto) y hasta el punto de deformación máximo que se observe en el análisis estructural. Aunque esto no represente una muestra completa de todo el proyecto, como se esperaría en otros dispositivos alto desempeño como el freno sísmico por ejemplo, si puede darle al ingeniero un grado adicional de confianza con respecto al máximo cortante a este para, mejorando un poco la precisión de sus cálculos.
Debe considerarse con esta opción que la mayoría de los fabricantes de Riostras Restringidas al Pandeo usualmente solo reenvían un reporte entregado por el molino, u otro vendedor, correspondiente a un ensayo a tensión de un pequeño cupón tomado de la lámina de donde, con suerte, el núcleo metálico sacrificable de las riostras ha sido cortado. En otras ocasiones se entregan reportes de ensayos de prototipo. En ambos casos, los reportes no necesariamente representan resultados de las riostras a instalar en el proyecto en cuestión. Esta práctica es común porque es el mínimo requerido por las normas técnicas, sin embargo, deja un margen de incertidumbre considerable para la estimación de la fuerza de respuesta última de las riostras y el cortante que producen. De la misma manera debe notarse que este nivel de incertidumbre es común en la practica para los sistemas estructurales prescritos en las normas técnicas pues también carecen de procesos de control de calidad específicos para el proyecto. Sin embargo, el ingeniero siempre puede requerir este tipo de ensayos debido a que es el responsable del proyecto y su estabilidad estructural y económica.
A través factores prescritos en las normas y códigos
Al final del día, el núcleo metálico sacrificable de un Riostra Restringida al Pandeo este hecho de acero, y las propiedades de este material son bastante bien entendidas. Por lo tanto, las normas técnicas ofrecen una guía lógica que los ingenieros pueden usar para estimar este valor de fuerza de respuesta ultima y que a su vez se traduce en la máxima fuerza cortante de diseño por sismo para las conexiones, columnas y cimentación. En la mayoría de las normas, existe un valor prescrito para la sobre resistencia (a veces identificado con Ω) para los pórticos con riostras, y usualmente es al menos 2.5 veces. Así, el ingeniero puede multiplicar la fuerza axial de la riostra y los respectivos cortantes de piso y en la base por 2.5 veces para encontrar las fuerzas de diseño para conexiones, columnas y cimentación respectivamente.
La mayoría de las normas técnicas que usan coeficientes de disipación de energía (e.g. R) agresivos imponen fuertes limitaciones a la altura máxima de este sistema estructural con Riostras Restringidas al Pandeo en un edificio, usualmente alrededor de 45m. Esto sucede por que es bien conocido que los sistemas ariostrados tienden a acumular deformación permanente dúctil a medida que aumenta la altura, y esto puede llevar a fallas debido a inestabilidad dinámica (Zieman 2010). Por otra parte, este problema puede ser mitigado al acompañar el sistema estructural arriostrado con pórticos de momento de Ductilidad Alta que puedan proveer con algo de rigidez lateral post fluencia reduciendo la acumulación excesiva de deformación dúctil permanente desbalanceada hacia un solo sentido.
El diseño de los Riostras Restringidas al Pandeo asume que para fuerzas de tensión esta debe trabajar como una placa de acero (núcleo sacrificable) y consecuentemente esa es la lógica usada para estimación de la capacidad ultima. Sería muy peligroso si, por condiciones de uso, ambientales, o pobre calidad en la fabricación, el mortero u otro material usado para la camisa que cubre el núcleo sacrificable se adhiriera tal que la riostra trabajara como una sección compuesta. Esto causaría que las fuerzas de respuesta y por ende la fuerza cortante estimada previamente en el análisis estructural fueran considerablemente mayores a las usadas para el diseño de conexiones, columnas y cimentación. Este peligroso comportamiento terminaría por romper la transmisión de carga “Load path” provocando una catastrófica falla de la estructura por inestabilidad lateral. Por lo tanto, el ingeniero debe requerir del fabricante algún tipo de garantía en este respecto, o requerir algún tipo de protocolo de ensayo para el proyecto tal que se descarte este peligro, o a falta de mayor información, asumir este escenario como el input para calcular la máxima capacidad la riostra y sus respectivos cortantes resultantes para el diseño de conexiones, columnas y cimentación.