WO2018122792A1 - Arriostramiento con pandeo restringido, que permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados evitando el pandeo global en el elemento y disipa energía y uso - Google Patents

Arriostramiento con pandeo restringido, que permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados evitando el pandeo global en el elemento y disipa energía y uso Download PDF

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WO2018122792A1
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bracing
core
buckling
restricted
rubber
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Ricardo Antonio HERRERA MARDONES
Juan Felipe BELTRÁN MORALES
Marlena Inés MURILLO SEGURA
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Universidad De Chile
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    • E04B1/98—Protection against other undesired influences or dangers against vibrations or shocks; against mechanical destruction, e.g. by air-raids

Definitions

  • the present technology is related to the construction industry, more specifically with the construction systems of structures that use bracing.
  • a restricted buckling bracing (known by its acronym in English as BRB: Buckling Restrained Braces) is described, where the buckling restriction is through a confining material to avoid global and local bracing of the bracing, maintaining the necessary stiffness , so that the structure comprising said bracing supports the mechanical loads and forces.
  • BRB Buckling Restrained Braces
  • the present technology allows the rigidity required to avoid the global buckling of the bracing and dissipate the energy in case of earthquake.
  • the problem of buckling restriction is a technical problem that has developed in different applications of the prior art, for example, in the Chinese application CN10371 1214A, which belongs to the field of control of energy consumption and reduction of vibrations in construction structures, and in particular refers to a viscoelastic clamp of restricted buckling of assembly type comprising a steel plate for internal energy consumption, layers of viscoelastic material and jacket fastening components.
  • Each jacket fastener component is provided with intermediate openings along the longitudinal direction, the steel plate for internal energy consumption is inserted into the jacket fastener components, the layers of viscoelastic material are disposed between the fastener components of jacket and are made of high-attenuation rubber viscoelastic materials, the layers of viscoelastic material and the shirt fastening components are firmly attached, by adopting a bonding process between the rubber and the steel plate, and each component
  • the shirt clamp is provided with transverse reinforcement enhancements along the longitudinal direction.
  • the assembly-type viscoelastic buckling clamp integrates energy consumption technology into viscoelastic materials with energy dissipation in restricted buckling clamps and vibration reduction technology, thus having a
  • the Chinese application CN103122662A which is related to solving some problems present in the bracing.
  • This document belongs to the field of earthquake resistance and energy dissipation in earthquakes of engineering structures, and in particular refers to a restricted buckling clamp made of viscoelastic materials.
  • the restricted buckling clamp comprises core plates, an outer sleeve, viscoelastic materials, steel plates, bolt holes and non-bonding materials, wherein the outer sleeve is disposed on the periphery of the core plates.
  • the steel plates are arranged at the end portions of two ends of the outer sleeve.
  • the viscoelastic materials fill the part between the steel plates and the core plates, and the bolt holes are arranged on both sides of the core plates and are used for connection with an outer shell structure. Once a relative displacement occurs between the outer sleeve and the core plates, the viscoelastic materials begin to dissipate the energy, and therefore the defect that exists in the traditional restricted buckling clamps, which cannot dissipate energy under A small earthquake can be overcome. Under the same condition of great deformation, the buckling clamp restricted with viscoelastic materials has a greater capacity for energy dissipation than the traditional clamp, due to the use of viscoelastic materials, where the energy is dissipated in conjunction with the buckling clamp. restricted.
  • the buckling clamp restricted with viscoelastic materials is evident in the realization of conceptual earthquake resistance designs, since it has a simple construction, has low costs associated with the materials used and is convenient to build and replace.
  • the state of the art discloses the use of viscoelastic material for a bracing with restricted buckling.
  • the buckling restriction is exercised by the steel elements that surround the core (the lower and upper plates and the side profiles with stiffeners, see figure 5), and the viscoelastic material only fulfills the function of allowing sliding relative between the core and the restrictive steel elements.
  • the viscoelastic material is only at the ends of the brace, not along the entire core.
  • a brace with restricted buckling it is the steel core that is responsible for making the load transfer.
  • the confining material and the outer jacket are only to provide the buckling restriction. If the core adheres to the confining material, the brace becomes a composite element whose section consists of three different materials: the steel of the core, the confining material and the material of the jacket (usually also steel). This composite section is susceptible to buckling, because the confining material and the jacket are now transferring cargo and no longer acting as restrictors.
  • the confining material and the jacket must cover the entire length of the core, since buckling will occur in any area where the core is left exposed and will not dissipate energy. That is why, at the ends of the core, where it must be discovered to make the connection to the rest of the structure, it is reinforced with additional steel plates (called stiffeners) and that reinforcement is introduced into the confined area.
  • stiffeners additional steel plates
  • the first is usually achieved by coating the core with some other material that does not adhere to the concrete, where the simplest but least effective way is to put a layer of grease and the second is achieved by leaving a space between the reinforcements that go in the ends of the core and concrete, so that they never come into contact but this generates stress concentration points in the core exactly where the concrete ends as a confining material and starts the reinforcements located at the ends of the core where they are also located fixings
  • Both processes are complicated and make the manufacture of these elements more expensive and they also fail to provide structure and energy dissipation in the same configuration.
  • What the present technology proposes is to use an elastomeric material as a confining material, which is a softer and deformable material than concrete, and does not adhere naturally to steel, so it is not necessary to do anything special and, therefore, the manufacture of the element is simpler and cheaper.
  • the present technology allows the elastomeric material to be used as a confining material attached to the core, through heat treatment, and this improves the structure and energy dissipation properties, because the confining material is softer and deformable than concrete. .
  • the excess elastomer can be reused in the manufacture of another brace or other elements that use elastomers, so the losses are minimal, while, in the case of concrete, the excess material must be discarded, usually to sanitary landfills . If it is natural rubber, for example, this is a renewable resource, while all the materials used in the manufacture of concrete (cement, gravel, sand) are non-renewable, even the water that reacts with the cement, which neither It can recover. The issue of weight is also relevant, because the brace with elastomer is lighter compared to concrete, transport and assembly costs are reduced.
  • the present technology provides a bracing with restricted buckling by means of a confining material, where the confining material is an elastomer, which allows to reduce the sections of diagonal elements of bracing frames, thus reducing construction costs and eliminating manufacturing problems presented by the solutions. current.
  • the analytical solution of the instability problem in a perfect elastic medium is adapted to the problem under study, using a numerical model of finite elements, in order to determine said confining material, its properties and more appropriate geometry.
  • the set of elastomeric materials is a subset of viscoelastic materials, since this does not include a series of materials, such as wood.
  • the elastomeric material does not show any losses, unlike concrete. It can be reused again if there is a remainder in the amount incorporated in the element (refer to bracing), that is, it can be used again without losing its composition and structural quality, before entering the vulcanization process.
  • the weight of the proposed BRB is of the order of 30% lighter, since the density of the elastomers used in less than the density of the concrete, which makes it easier to handle, install, generates less static and dynamic load to the structure and you can have a saving in the transport and assembly of these prefabricated elements.
  • bracing of restricted buckling which are creep dissipators incorporated in the same bracing.
  • These bracings are basically composed of a ductile core designed to resist tensile and compressive stresses, avoiding global and local buckling, through the confinement of the core, through different confining materials.
  • bracing frames (known by its acronym in English as BRBF, buckling restrained braced trames), that is frames that incorporate diagonal elements restricted to buckling, which allows to reduce the section of the structural element and with it the weight of the structure, besides granting a good dissipation of energy, in combination with a high lateral rigidity.
  • BRBF buckling restrained braced trames
  • the bracing frame system is one of the most used to resist seismic actions, BRBFs are not yet as massive, since they present problems due to their high cost and complex manufacturing. This is why the present application aims to determine a restricted buckling bracing that uses a confining material that allows to solve manufacturing problems and costs.
  • the objective of the present invention is to inhibit bracing of bracing by means of a confining material whose required properties are determined from a numerical model of finite elements, in order to determine specific configurations and dimensions that allow restricting buckling in bracing, from a solution analytical of the buckling problem in an elastic medium, considering an infinite or semi infinite medium and a given column length.
  • the confining material corresponds to an elastomer, which has a defined density range.
  • Figure 1 Bracing with buckling restricted by elastomeric material.
  • Figure 3 Various configurations of cross sections of buckling elements restricted by elastomeric material.
  • Figure 4 Different possible configurations to use, changing the geometry of the core.
  • Figure 2 shows the different configurations of bracings that can be executed, which can be of the chevron type, in V, diagonal, diagonal zigzag or in X.
  • this is one of the following materials: natural rubber, polyisoprene, polybutadiene, styrene-butadiene rubber, butyl rubber, nitrile rubber, neoprene, ethylene-propylene rubber , ethylene-propylene-diene rubber, ethylene-vinyl acetate rubber, fluorinated rubber, acrylic rubber, chlorinated polyethylene, chlorosulphured polyethylene, polyamide and polyester copolymer (“pebax”), epichlorohydrin rubber, silicone rubber, polyurethane, rubber polysulfide (“thiokol”), wherein the elastomeric material has a density value ranging from 0.5 to 3g / cm 3 and more preferably between 0.87 to 1.86 g / cm 3
  • a viscoelastic material also includes other materials such as wood, which are not included in materials with elastomeric properties.
  • Figure 3 shows different sizes, geometries and configurations, usable by the present technology, also mentioning that there may be combinations between them (for example, an element composed of an outer jacket of circular section, inside which the core is in double T shape).
  • Figure 4 shows the different possible configurations to use, changing the geometry of the core.
  • External jacket thicknesses They can vary from 3 mm in nominal current thicknesses of: 3 - 4 - 5 - 6 - 8 mm and up to 22 mm maximum thickness.
  • - Core thicknesses They can vary from 1 mm in nominal current thicknesses of: 3 - 4 - 5 - 6 - 8 - 10 - 1 1 - 12 mm. In the case of core thicknesses, larger dimensions of "thick plates" could also be considered, which could also include the following thicknesses: 14 - 16 - 18 - 20 - 22 - 25 - 32 - 38 - 40 - 45 - 50 - 75 - 100 mm.
  • core / sleeve profile Referred to the perimeter, for the case of the steel jacket, it is considered a maximum of 2235 mm Whether a tube of circular, rectangular or square section.
  • tubular jacket profiles with a square section with an edge up to 550 mm (external measurement) and tubular circular sections with a diameter of up to 710 mm in diameter could be considered.
  • the greatest width would be 485 mm (considering the maximum dimension of a sectional tubular square and the maximum thickness of this tubular profile, as seen in Figure 5, to its left and indicated in the core thicknesses.
  • the greatest width would be 645 mm.
  • the maximum thickness to be considered of the outer jacket (tubular profile) is 22 mm and that of the plate (core) could reach up to 100 mm thick.
  • Thickness min Shirt Case relationship between maximum thicknesses:
  • the present technology discloses a bracing with restricted buckling (1), which gives structure and dissipates energy, which makes it possible to reduce the sections of diagonal elements of bracing frames, thus reducing construction costs without undue resistance.
  • mechanical comprising: a core (3);
  • said confining material (2) covers the core (3), and where, said confining material (2) is along the core (3) and is manufactured from an elastomeric material, which maintains a constant resistance in each cycle;
  • elastomeric material is used as a confining material (2), which allows an elastic deformation.
  • the confining material (2) is sliding with respect to the core (3), which is preferably made of steel.
  • the confining material (2) is adhered to the core (3), which is preferably made of steel.
  • the core (3) of the bracing (1) is rectangular or circular or "L" shaped or with a cross or square or triangular section, or any type of section, even polygonal.
  • outer jacket (4) is circular or square or rectangular or polygonal. In a preferred configuration, the outer jacket (4) is open at the ends, the confining material (2) being exposed.
  • the outer jacket (4) has at least one cover, not shown in the figures, on the at least one end, which is perforated to allow the core (3) to pass.
  • the outer jacket (4) has a cover at each of its ends, which are perforated to allow the core (3) to pass through, where the covers are preferably metallic and more preferably made of steel.
  • the thickness of the core (3) and the outer jacket (4) is between 0.1 to 50 and in another preferred configuration the ratio between the thickness of the core (3) and the outer jacket (4) is between 0.1 to 50
  • the fastening means are chosen from bolts, rivets, welding, pins, glue.
  • the present technology can be used in a bracing with restricted buckling (1), which allows to reduce the sections of diagonal elements of bracing frames, thus reducing construction costs without detriment to mechanical resistance and with energy dissipation capacity, which comprises : a core (3);
  • fastening means located at the ends of the core (3) wherein said confining material (2) covers the core (3)
  • said confining material (2) is along the core (3) and is manufactured from an elastomeric material, which maintains a constant resistance in each cycle;
  • neoprene was used to manufacture test specimens. Natural rubber may be another option.
  • the stiffness is related to the hardness of the material. From what has been seen with the test results, it would be convenient to use 60 ° ShA as a minimum hardness. And to the extent that it is superior, better bracing behavior can be anticipated.
  • the neoprene used meets the parameters mentioned by the manufacturer, a cutting module between 13 and 14 kgf / cm 2 and damping between 5% and 6% for a deformation of 100%. (The corresponding test was done to validate this data).

Abstract

Un arriostramiento con pandeo restringido (1 ), para la transferencia de fuerza a través del núcleo de acero, que da estructura y disipa energía, el cual permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados, disminuyendo así los costos de construcción sin desmedro de la resistencia mecánica y con ello evitando el pandeo global en el elemento a través de un material confinante (2), que comprende: un núcleo (3); un material confinante (2); unos medios de sujeción ubicados en los extremos del núcleo (3) en donde, dicho material confinante (2) cubre al núcleo (3), en donde, dicho material confinante (2) está a lo largo del núcleo (3) y es fabricado a partir de un material elastómero, que mantiene una resistencia constante en cada ciclo; y una camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2) y uso.

Description

ARRIOSTRAMIENTO CON PANDEO RESTRINGIDO, QUE PERMITE REDUCIR LAS SECCIONES DE ELEMENTOS DIAGONALES DE MARCOS ARRIOSTRADOS EVITANDO EL PANDEO GLOBAL EN EL ELEMENTO Y DISIPA ENERGÍA Y USO
MEMORIA DESCRIPTIVA CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente tecnología se relaciona con la industria de la construcción, más específicamente con los sistemas constructivos de estructuras que usan arriostramiento. Específicamente se describe un arriostramiento de pandeo restringido (conocidos por sus siglas en inglés como BRB: Buckling Restrained Braces), en donde la restricción del pandeo es a través de un material confinante para evitar el pandeo global y local del arriostramiento, manteniendo la rigidez necesaria, para que la estructura que comprende dicho arriostramiento soporte las cargas y esfuerzos mecánicos. La presente tecnología permite la rigidez requerida para evitar el pandeo global del arriostramiento y disipar la energía en caso de sismo.
ESTADO DEL ARTE El problema de restricción al pandeo, es un problema técnico que se ha desarrollado en diferentes solicitudes del estado de la técnica, por ejemplo, en la solicitud China CN10371 1214A, la cual pertenece al campo del control del consumo de energía y de reducción de vibraciones en estructuras de construcción, y en particular se refiere a una abrazadera viscoelástica de pandeo restringido de tipo ensamble que comprende una placa de acero para consumo de energía interno, capas de material viscoelástico y componentes de sujeción de camisa. Cada componente de sujeción de camisa se proporciona con aberturas intermedias a lo largo de la dirección longitudinal, la placa de acero para consumo de energía interno se inserta en los componentes de sujeción de camisa, las capas de material viscoelástico están dispuestas entre los componentes de sujeción de camisa y están hechas de materiales viscoelásticos de caucho de alta atenuación, las capas de material viscoelástico y los componentes de sujeción de camisa están firmemente unidos, mediante la adopción de un proceso de unión entre la goma y la placa de acero, y cada componente de sujeción de camisa está provisto de realces transversales de refuerzo a lo largo de la dirección longitudinal. La abrazadera viscoelástica de pandeo restringido de tipo ensamble integra tecnología de consumo de energía en materiales viscoelásticos con disipación de energía en abrazaderas de pandeo restringido y tecnología de reducción de vibraciones, teniendo de este modo, una
i alta capacidad de consumo de energía y cumpliendo con los requisitos de diseño y funcionalidad de las estructuras de los edificios.
Por otro lado, está la solicitud China CN103122662A, la cual está relacionada a solucionar algunos problemas presentes en el arriostramiento. Este documento pertenece al campo de la resistencia a los terremotos y al de disipación de energía en terremotos de estructuras de ingeniería, y en particular se refiere a una abrazadera de pandeo restringido hecha de materiales viscoelásticos. La abrazadera de pandeo restringido comprende placas de núcleo, un manguito exterior, los materiales viscoelásticos, placas de acero, orificios de perno y los materiales no enlazantes, en donde el manguito exterior está dispuesto en la periferia de las placas de núcleo. Las placas de acero están dispuestas en las partes extremas de dos extremos del manguito exterior. Los materiales viscoelásticos rellenan la parte entre las placas de acero y las placas de núcleo, y los orificios de perno están dispuestos en ambos lados de las placas de núcleo y se utilizan para la conexión con una estructura de armazón exterior. Una vez que se produce un desplazamiento relativo entre el manguito exterior y las placas de núcleo, los materiales viscoelásticos comienzan a disipar la energía, y por lo tanto el defecto que existe en las abrazaderas de pandeo restringido tradicionales, las cuales no pueden disipar energía bajo un pequeño terremoto, puede ser superado. Bajo la misma condición de gran deformación, la abrazadera de pandeo restringido con los materiales viscoelásticos tiene una mayor capacidad de disipación de energía que la tradicional abrazadera, debido al uso de materiales viscoelásticos, en donde la energía se disipa en conjunto con la abrazadera de pandeo restringido. La abrazadera de pandeo restringido con materiales viscoelásticos es evidente en la realización de diseños conceptuales de resistencia a los terremotos, ya que posee una construcción sencilla, tiene costos bajos asociados a los materiales utilizados y es conveniente para construir y reemplazar. Como se puede apreciar, el estado del arte divulga el uso de material viscoelástico para un arrostramiento con pandeo restringido. En la solicitud China CN10371 1214A la restricción al pandeo la ejercen los elementos de acero que rodean al núcleo (las planchas inferiores y superiores y los perfiles laterales con atiesadores, ver figura 5), y el material viscoelástico sólo cumple la función de permitir el deslizamiento relativo entre el núcleo y los elementos de acero restrictivos. En cuanto a la solicitud China CN103122662A, el material viscoelástico está sólo en los extremos de la riostra, no a lo largo de todo el núcleo. Lo que propone dicha solicitud es usar un BRB que no especifica cómo se realiza y agregar en los extremos parches de material viscoelástico para proveer algo de disipación de energía a bajas deformaciones. En una riostra con pandeo restringido, es el núcleo de acero el que se encarga de hacer la transferencia de carga. El material confinante y la camisa exterior están sólo para proveer la restricción al pandeo. Si el núcleo se adhiere al material confinante, la riostra pasa a ser un elemento compuesto cuya sección está formada por tres materiales distintos: el acero del núcleo, el material confinante y el material de la camisa (usualmente también acero). Esta sección compuesta es susceptible al pandeo, porque el material confinante y la camisa ahora están transfiriendo carga y ya no actúan como restrictores. El material confinante y la camisa deben cubrir la longitud completa del núcleo, ya que en cualquier zona en que se deje el núcleo descubierto se va a producir pandeo y no disipará energía. Es por eso que, en los extremos del núcleo, donde debe ir descubierto para hacer la conexión al resto de la estructura, éste es reforzado con planchas adicionales de acero (llamadas atiesadores) y ese refuerzo se introduce en la zona confinada.
Cuando se utiliza hormigón como material confinante, ocurren dos problemas: primero, el hormigón naturalmente se adhiere al acero, por lo que dificulta el procedimiento de fabricación al tener que integrar entre el núcleo y el hormigón elementos o materiales deslizantes, tales como grasa envueltas en camisas plásticas y segundo, si el refuerzo del núcleo que se introduce en la zona confinada entra en contacto con el hormigón, este último empieza a transferir carga y ya no actúa como material confinante, sino que actuaba como estructura única. Por lo tanto, el evitar que el hormigón se adhiera al acero y para evitar que el refuerzo del núcleo choque con el hormigón, complican y encarecen el proceso de fabricación y en caso de que la holgura entre el núcleo y el material confinante es demasiada, el material confinante queda suelto y pierde su utilidad de restringir el pandeo. En resumen, en la actualidad existen métodos o procesos para poder lograr estas dos cosas. Lo primero usualmente se logra recubriendo el núcleo con algún otro material que no se adhiera al hormigón, donde la forma más simple, pero menos efectiva, es poner una capa de grasa y lo segundo se logra dejando un espacio entre los refuerzos que van en los extremos del núcleo y el hormigón, de modo que nunca entren en contacto pero esto genera puntos de concentración de esfuerzo en el núcleo exactamente en donde termina el concreto como material confinante y empieza los refuerzos ubicados en los extremos del núcleo en donde se ubican también las fijaciones. Ambos procesos son complicados y encarecen la fabricación de estos elementos y tampoco logran dar estructura y dispar energía en una misma configuración.
Lo que propone la presente tecnología es utilizar un material elastómero como material confinante, el cual es un material más blando y deformable que el concreto, y no se adhiere naturalmente al acero, por lo que no es necesario hacer nada especial y, por lo tanto, la fabricación del elemento es más simple y económica. Es más, la presente tecnología permite usar el material elastomero como material confinante unido al núcleo, a través de tratamiento térmico, y esto mejora las propiedades de estructura y disipación de energía, debido a que el material confinante es más blando y deformable que el concreto.
Además, el elastomero sobrante se puede reutilizar en la fabricación de otra riostra o de otros elementos que usen elastómeros, por lo que las pérdidas son mínimas, mientras que, en el caso del hormigón, el material sobrante debe ser desechado, usualmente a rellenos sanitarios. Si se trata de caucho natural, por ejemplo, este es un recurso renovable, mientras que todos los materiales usados en la fabricación del hormigón (cemento, grava, arena) son no renovables, incluso el agua que reacciona con el cemento, la cual tampoco puede recuperarse. El tema del peso también es relevante, porque al ser más liviana la riostra con elastomero respecto a la de hormigón, se disminuyen los costos de transporte y montaje.
Existen múltiples patentes de BRB con hormigón o acero. La diferencia de la presente aplicación es el material confinante, el cual corresponde a un material elastomérico con valores de densidad definidos, en donde la transferencia de fuerza se hace a través del núcleo de acero y el elastomero sólo tiene la función de restringir el pandeo. Esto hace necesaria la presente tecnología para solucionar el problema en estudio, en donde la columna o arriostramiento presenta una restricción de pandeo a través del confinamiento del núcleo, dándole mayor resistencia mecánica a la estructura, sin aumentar significativamente el peso de la misma ni los costos de fabricación, ya que es una fabricación sencilla y de materiales económicos, y con ello evitando el pandeo global del arriostramiento.
SOLUCIÓN AL PROBLEMA TÉCNICO
Para subsanar el problema planteado, se presenta un sistema que permite obtener la rigidez necesaria del material confinante para evitar el pandeo global del arriostramiento. Esta solución permitió hacer evaluaciones de la factibilidad de conseguir un material elastomero que cumpla con la rigidez requerida para evitar el pandeo del elemento o núcleo, a través de la identificación del rango del elastómeros a utilizar en el modelo numérico y con ello se obtiene la solución analítica al problema de inestabilidad del arriostramiento con pandeo restringido, determinado por la rigidez necesaria del confinamiento, y con ello evitar el pandeo global en el elemento y a su vez disipar energía, en donde el material elastomérico posee características definidas en cuanto al valor de su densidad. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN
La presente tecnología proporciona un arriostramiento con pandeo restringido mediante un material confinante, en donde el material confinante es un elastómero, que permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados, disminuyendo así los costos de construcción y eliminando problemas de fabricación que presentan las soluciones actuales. Para ello se adapta la solución analítica del problema de inestabilidad en un medio elástico perfecto al problema en estudio, recurriendo a un modelo numérico de elementos finitos, a modo de determinar dicho material confinante, sus propiedades y geometría más adecuada. Cabe de mencionar que el conjunto de materiales elastomeros es un subconjunto de los materiales viscoelásticos, ya que este no incluye una serie de materiales, tales como la madera.
En cuanto a las ventajas comparativas de la presente invención con respecto a las actuales soluciones del área, se pueden mencionar las siguientes:
- Respecto al BRB tradicional (que está fabricado con hormigón como material confinante), el material elastomérico no presenta pérdidas, a diferencia del hormigón. Se puede volver a reutilizar en caso que quedara un remanente en la cantidad incorporada en el elemento (refiérase al arriostramiento), es decir se puede utilizar nuevamente sin perder su composición y calidad estructural, antes de entrar al proceso de vulcanización.
- En relación a la solución de arriostramiento (BRB) tradicional, el peso del BRB propuesto es del orden de 30% más liviano, ya que la densidad de los elastomeros usados en menor a la densidad del concreto, lo que lo hace más fácil de manipular, instalar, genera menor carga estática y dinámica a la estructura y se puede tener un ahorro en el transporte y montaje de estos elementos prefabricados.
- Una ventaja sobre la solución tradicional en este aspecto es que la resistencia está acotada, no se observa el fenómeno de endurecimiento isotrópico que en la solución tradicional incrementa la resistencia en cada ciclo. Esta característica es muy favorable desde el punto de vista sísmico, porque las fuerzas de diseño para el resto de la estructura están bien acotadas, pudiendo lograrse un diseño más económico de la estructura completa, entregando una mejor resistencia estructural a la vez que logra disipar energía en caso de viento o sismo. Los fuertes eventos sísmicos ocurridos en Chile, como en el resto del mundo, han incentivado el desarrollo de nuevas tecnologías en el área de la ingeniería sísmica, siendo ahora importante no tan solo el desempeño de la estructura frente a las vibraciones, sino también la protección de la vida humana, la estructura y sus contenidos durante un sismo. Entre estas nuevas tecnologías se pueden destacar el uso de disipadores de energía, siendo de los más usados los disipadores viscosos (donde la disipación de energía la produce un fluido pasando a través de orificios, que restringen el paso del mismo), viscoelásticos (disipación por deformación cortante), fricciónales (disipación debida a fricción seca entre dos superficies) y metálicos (disipación de energía gracias a la fluencia y comportamiento plástico de materiales metálicos). La gran ventaja de estos últimos es su comportamiento histerético estable tanto en compresión como en tracción, ya que son dispositivos especialmente diseñados para asegurar una respuesta dúctil. Sin embargo, una vez terminado el evento sísmico, el dispositivo queda con deformación remanente, la cual puede traducirse en desalineamiento en la estructura. Es por esto que deben ser puestos en lugares de fácil acceso para que una vez que hayan trabajado puedan ser remplazados.
La presente tecnología estudia arriostramientos de pandeo restringido, que son disipadores de fluencia incorporados en el mismo arriostramiento. Estos arriostramientos se componen básicamente de un núcleo dúctil diseñado para que resista esfuerzos de tracción y compresión, evitando el pandeo global y local, mediante el confinamiento del núcleo, a través de diferentes materiales confinantes.
Entre los usos de arriostramientos con pandeo restringido, están los marcos arriostrados (conocido por sus siglas en inglés como BRBF, buckling restrained braced trames), es decir marcos que incorporan elementos diagonales restringidos al pandeo, lo que permite reducir la sección del elemento estructural y con ello el peso de la estructura, además de otorgar una buena disipación de energía, en combinación con una elevada rigidez lateral. Sin embargo, a pesar de que el sistema de marcos arriostrados es uno de los más utilizados para resistir las acciones sísmicas, los BRBF aún no son tan masivos, ya que presentan problemas debido a su alto costo y compleja fabricación. Es por esto que la presente aplicación pretende determinar un arriostramiento de pandeo restringido que use un material confinante que permita resolver los problemas de fabricación y costos.
El objetivo de la presente invención es inhibir el pandeo de arriostramientos mediante un material confinante cuyas propiedades requeridas se determinan a partir de un modelo numérico de elementos finitos, para así determinar configuraciones específicas y dimensiones que permitan restringir el pandeo en arriostramientos, a partir de una solución analítica del problema de pandeo en un medio elástico, considerando un medio infinito o semi infinito y una longitud de columna dada.
El material confinante corresponde a un elastómero, el cual posee un rango de densidades definido. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 . Arriostramiento con pandeo restringido por material elastomérico.
Figura 2. Configuraciones de arriostramientos.
Figura 3. Varias configuraciones de secciones transversales de elementos de pandeo restringido por material elastomérico. Figura 4. Distintas configuraciones posibles a utilizar, cambiando la geometría del núcleo.
Figura 5. Arte previo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En la Figura 1 se muestra a nivel esquemático una de las posibles configuraciones del elemento de pandeo restringido (BRB), con el detalle de sus partes componentes.
En la Figura 2 se observan las distintas configuraciones de arriostramientos que se pueden ejecutar, los cuales pueden ser del tipo chevron, en V, diagonal, diagonal zigzag o en X.
Respecto al tipo de material elastomérico, el cual mantiene una resistencia constante en cada ciclo, este es uno de entre los siguientes materiales: caucho natural, poliisopreno, polibutadieno, caucho estireno-butadieno, caucho butilo, caucho nitrilo, neopreno, caucho etileno-propileno, caucho etileno-propileno-dieno, caucho etileno-acetato de vinilo, caucho fluorado, caucho acrílico, polietileno clorado, polietileno clorosulfurado, copolímero de poliamida y poliéster ("pebax"), caucho de epiclorhidrina, caucho de silicona, poliuretano, caucho de polisulfuro ("thiokol"), en donde el material elastomérico tiene un valor de densidad que va desde 0,5 a 3g/cm3 y más preferentemente entre 0,87 a 1 ,86 g/cm3
Cabe de recordar, que un material viscoelástico, incluye además otros materiales tales como madera, los que no están incluidos en los materiales con propiedades elastoméricas. En la Figura 3 se muestran distintos tamaños, geometrías y configuraciones, utilizables por la presente tecnología, mencionando también que pueden existir combinaciones entre ellas (por ejemplo, un elemento compuesto por una camisa exterior de sección circular, en cuyo interior, el núcleo sea en forma de doble T). En la Figura 4 se observan las distintas configuraciones posibles a utilizar, cambiando la geometría del núcleo.
En relación a los rangos dimensionales del arriostramiento, se pueden establecer los siguientes:
- Espesores camisa exterior: Pueden variar desde 3 mm en espesores nominales corrientes de: 3 - 4 - 5 - 6 - 8 mm y hasta 22 mm como espesor máximo.
- Espesores del núcleo: Pueden variar desde 1 mm en espesores nominales corrientes de: 3 - 4 - 5 - 6 - 8 - 10 - 1 1 - 12 mm. Para el caso de los espesores del núcleo, también se podrían considerar dimensiones mayores, de "planchas gruesas", lo que podría incluir también los siguientes espesores: 14 - 16 - 18 - 20 - 22 - 25 - 32 - 38 - 40 - 45 - 50 - 75 - 100 mm.
- Dimensiones relativas perfil núcleo/ camisa: Referidas al perímetro, para el caso de la camisa de acero, se considera como máximo 2235 mm Ya sea un tubo de sección circular, rectangular o cuadrada.
Con este dato podría considerarse perfiles de camisa tubulares de sección cuadrada de arista hasta 550 mm (medida exterior) y tubulares de sección circular de hasta 710 mm de diámetro exterior.
Para el caso del núcleo, tomando en cuenta la plancha - pletina (ver como referencia la Figura 3, a su izquierda), que es lo más simple de utilizar, el ancho mayor sería 485 mm (considerando la dimensión máxima de un tubular de sección cuadrada y el espesor máximo de este perfil tubular, como se ve en Figura 5, a su izquierda y se indica en los espesores del núcleo.
Para el caso del núcleo, tomando en cuenta la plancha - pletina (ver como referencia la Figura 3, abajo a su izquierda), pero con un tubular de sección circular, el ancho mayor sería 645 mm. En cuanto a espesores, el espesor máximo a considerar de la camisa exterior (perfil tubular) es de 22 mm y el de la pletina (núcleo) podría alcanzar hasta 100 mm de espesor.
Por lo que se obtendría entonces, las siguientes relaciones:
Caso: relación entre espesores mínimos:
Espesor min Núcleo
= 1
Espesor min Camisa Caso: relación entre espesores máximos:
Espesor máx Núcleo
= 4,5
Espesor máx Camisa
Caso: relación cruzada entre espesores:
Espesor min Núcleo
= 0,14
Espesor máx Camisa
Espesor máx Núcleo
= 33
Espesor min Camisa
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Como se muestras en las figuras, la presente tecnología divulga un arriostramiento con pandeo restringido (1 ), que da estructura y disipa energía, que permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados, disminuyendo así los costos de construcción sin desmedro de la resistencia mecánica, que comprende: un núcleo (3);
un material confinante (2);
unos medios de sujeción, no mostrados en las figuras, ubicados en los extremos del núcleo (3)
en donde dicho material confinante (2) cubre al núcleo (3), y en donde, dicho material confinante (2) está a lo largo del núcleo (3) y es fabricado a partir de un material elastómero, que mantiene una resistencia constante en cada ciclo; y
una camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2).
En donde se utiliza material elastómero como material confinante (2), lo que permite una deformación elástica. En una configuración preferente, el material confinante (2) está deslizante respecto del núcleo (3), el cual es preferentemente de acero.
En otra configuración preferente, el material confinante (2) está adherido al núcleo (3), el cual es preferentemente de acero. En otra configuración preferente, el núcleo (3) del arriostramiento (1 ) es de sección rectangular o circular o con forma de "L" o con forma de cruz o de sección cuadrada o triangular, o cualquier tipo de sección, incluso poligonal.
En donde la camisa exterior (4) es de sección circular o cuadrada o rectangular o poligonal. En una configuración preferente, la camisa exterior (4) está abierta en los extremos, quedando expuesto el material confinante (2).
En otra configuración preferente, la camisa exterior (4) tiene al menos una tapa, no mostrada en las figuras, en el al menos un extremo, la cual es perforada para dejar pasar el núcleo (3). En otra configuración preferente la camisa exterior (4) tiene una tapa en cada uno de sus extremos, la cuales son perforadas para dejar pasar el núcleo (3), en donde las tapas son preferentemente metálicas y más preferentemente de acero.
En una configuración preferente, el espesor del núcleo (3) y la camisa exterior (4) es entre 0,1 a 50 y en otra configuración preferente la relación entre el espesor del núcleo (3) y la camisa exterior (4) es entre 0,1 a 50.
Los medios de sujeción se escogen de pernos, remaches, soldadura, pasadores, pegamento.
La presente tecnología se puede usar en un arriostramiento con pandeo restringido (1 ), que permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados, disminuyendo así los costos de construcción sin desmedro de la resistencia mecánica y con capacidad de disipación de energía, que comprende: un núcleo (3);
un material confinante (2);
unos medios de sujeción ubicados en los extremos del núcleo (3) en donde dicho material confinante (2) cubre al núcleo (3), en donde
, dicho material confinante (2) está a lo largo del núcleo (3) y es fabricado a partir de un material elastómero, que mantiene una resistencia constante en cada ciclo; y
una camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2).
EJEMPLO DE APLICACIÓN
Se realizaron ensayos en laboratorio para comprobar la solución analítica obtenida en relación a las características del material elastomérico a utilizar en el arriostramiento. Con respecto a la resistencia en compresión, los prototipos fabricados alcanzan una resistencia menor en compresión que en tracción, convirtiéndose en arriostramientos de pandeo parcialmente restringido. Sin embargo, presentan ciclos de histéresis (deformación inelástica) estables, cumpliendo con el protocolo de carga establecido en la normativa para calificar el elemento para usos en estructuras sismo-resistentes.
Respecto al tipo de material elastomérico, se utilizó neopreno para la fabricación de las probetas para ensayo. El caucho natural puede ser otra opción.
En relación a la rigidez del material elastomérico utilizado en la fabricación de las probetas, este fue 70°ShA, color negro, de alto módulo de elasticidad y bajo coeficiente de amortiguamiento.
La rigidez está relacionada con la dureza del material. Por lo que se ha visto con los resultados de los ensayos, sería conveniente utilizar como dureza mínima 60°ShA. Y en la medida que sea superior, se puede prever un comportamiento mejor del arriostramiento.
El neopreno utilizado cumple con los parámetros mencionados por el fabricante, un módulo de corte entre 13 y 14 kgf/cm2 y amortiguamiento entre 5% y 6% para una deformación de 100%. (Se hizo el ensayo correspondiente para validar estos datos).

Claims

REIVINDICACIONES
Un arriostramiento con pandeo restringido (1 ), para la transferencia de fuerza a través del núcleo de acero, que da estructura y disipa energía, el cual permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados, disminuyendo así los costos de construcción sin desmedro de la resistencia mecánica y con ello evitando el pandeo global en el elemento a través de un material confinante (2), que comprende: un núcleo (3);
un material confinante (2);
unos medios de sujeción ubicados en los extremos del núcleo (3)
CARACTERIZADO porque dicho material confinante (2) cubre al núcleo (3), en donde
, dicho material confinante (2) está a lo largo del núcleo (3) y es fabricado a partir de un material elastómero, que mantiene una resistencia constante en cada ciclo; y
una camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2).
El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el material elastómero se escoge entre uno de los siguientes materiales: caucho natural, poliisopreno, polibutadieno, caucho estireno-butadieno, caucho butilo, caucho nitrilo, neopreno, caucho etileno-propileno, caucho etileno-propileno-dieno, caucho etileno-acetato de vinilo, caucho fluorado, caucho acrílico, polietileno clorado, polietileno clorosulfurado, copolímero de poliamida y poliéster, caucho de epiclorhidrina, caucho de silicona, poliuretano, caucho de polisulfuro.
El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es metálico.
El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de acero.
El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el material confinante (2) está adherido al núcleo (3).
El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el material confinante (2) está deslizante respecto del núcleo (3).
7. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de sección rectangular. 8. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de sección circular.
9. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de sección poligonal.
10. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de sección con forma de "L".
1 1 . El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de sección con forma de cruz.
12. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el núcleo (3) es de sección cuadrada. 13. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2) es metálica.
14. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2) es de acero.
15. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) es de sección circular.
16. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) es de sección cuadrada.
17. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) es de sección rectangular. 18. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) está abierta en los extremos.
19. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la camisa exterior (4) tiene al menos una tapa en el al menos un extremo, la cual es perforada. 20. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la al menos una tapa es metálica.
21 . El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la al menos una tapa es de acero.
22. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la relación entre el espesor del núcleo (3) y la camisa exterior (4) es entre 0, 1 a 50. 23. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la relación entre el espesor del núcleo (3) y la camisa exterior (4) es entre 0, 1 a 50.
24. El arriostramiento con pandeo restringido de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque los medios de sujeción se escogen de pernos, remaches, soldadura, pasadores, pegamento.
25. Uso de un arriostramiento con pandeo restringido (1 ), que da estructura y disipa energía, el cual permite reducir las secciones de elementos diagonales de marcos arriostrados, disminuyendo así los costos de construcción sin desmedro de la resistencia mecánica y con ello evitando el pandeo global en el elemento, que comprende: un núcleo (3); un material confinante (2); unos medios de sujeción ubicados en los extremos del núcleo (3)
CARACTERIZADO porque dicho material confinante (2) cubre al núcleo (3), en donde, dicho material confinante (2) está a lo largo del núcleo (3) y es fabricado a partir de un material elastómero, que mantiene una resistencia constante en cada ciclo; y una camisa exterior (4) que cubre al material confinante (2).
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