Capítulo 3 Campaña de ensayos de laboratorio

Pórticos con diagonales en estructura metálica ligera UPC

ECSC Project: Seismic design of light gauge steel framed buildings 39

Capítulo 3 Campaña de ensayos de

laboratorio

3.1. Introducción Como ya se ha comentado anteriormente, esta campaña experimental se ha dividido en cinco grandes fases. Las dos primeras fueron objeto de otra tesina desarrollada por T.Morro en 2004. Las tres últimas, fase3, fase 4 y fase 5 son en las que centra esta tesina. Por lo tanto, la campaña experimental se ha dividido en tres grandes sub-capítulos, uno para cada fase. No obstante, dentro de cada fase, a excepción de la fase 5, se han ensayado dos tipos de especimenes en función de su material, procedencia y montaje: los especimenes finlandeses y los españoles, las diferencias entre ambos existen a todos los niveles y por ello se ha decidido subdividir cada sub-capítulo a su vez en función del origen del espécimen. A partir de ahí, en este apartado se describe todo lo que ha sido necesario y relevante para la realización de los mismos. 3.2. FASE 3 – Uniones Inferiores 3.2.1. Aspectos generales

La fase 3 corresponde al ensayo a tracción de los nudos o esquinas de los marcos

situados en la solera de los mismos. Con estos ensayos se intenta describir el comportamiento de esta unión en función de su geometría, distribución y número de los tornillos roscachapa y espesor de los elementos que lo componen u otras. 3.2.2. Uniones Finlandesas (Fase 3) 3.2.2.1. Definición de las piezas

Los especimenes realizados con perfilería Finlandesa correspondientes a los nudos de esquina inferiores fueros montados completamente en Finlandia y transportados hasta el laboratorio de Elasticidad y resistencia de Materiales, LERMA,



del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, ETSEIB, donde fueron ensayados.

Figura 3.1 Ensayo de un nudo inferior.

Figura 3.2 Sistema de sujeción a la banqueta de ensayo.



Los nudos esquina inferiores están compuestos por dos diagonales (diagonales), dos montantes (studs) y una traviesa (truck). Todos estos elementos se conectaron mediante tornillos autotaladrantes (screws) de 4.8 mm de diámetro, 12 tornillos de 12 mm de diámetro, un perfil en L (150x200x3) y un perfil en U (145x40x3). Todo el conjunto se conectó a la banqueta de ensayo mediante tornillos de anclaje de 24 y 20 mm de diámetro y placas de acero de 20 mm de espesor. La tabla 1 contiene las medidas geométricas nominales de los elementos de cada espécimen.

Screws, joint Screws, joint TestReference Stud Track Diagonal diagonal-stud clip-track Washer plate Monotonic Load-unloadLC1-1,LC1-2 2 pcs TC150x1.5 TU150x1.5 150x1.0 22pcs SL4-F Φ4.8 90x90x20 1 1

LC2 2 pcs TC150x1.0 TU150x1.5 100x1.0 15pcs SL4-F Φ4.8 90x90x20 1LC3-1,LC3-2, 2 pcs TC150x1.5 TU150x1.5 150x1.0 22pcs SL4-F Φ4.8 90x90x20 1 1

LC4 2 pcs TC150x1.5 TU150x1.5 150x1.5 22pcs SL4-F Φ4.8 90x90x20 14 2

En todos los ensayos: Ángulo de cierre: L150x200x3 (L=140), Perfil en U: U145x40x3 (L=220)Tornillos de anclaje Φ24Tornillería M12 8.8

Tabla 3.1. Dimensiones geométricas nominales de las uniones inferiores finlandesas.

La calidad del acero de los componentes de los nudos fue la misma que la usada

para los ensayos de los especimenes finlandeses ensayados en la fase 1, siendo acero S-350 GD+Z. En la tabla siguiente se recogen los valores nominales y experimentales medidos de este tipo de acero.

S-350 GD+Z 350 420 368-393 485-520

Steel fy,n (N/mm2) fu,n (N/mm2) fy,t (N/mm2) fu,t (N/mm2)

Tabla 3.2 Propiedades mecánicas del acero. 3.2.2.2. Procedimiento de ensayo 3.2.2.2.1 Preparación de las piezas

Solo fue necesario realizar una operación antes de ensayar los especimenes: medir las dimensiones principales de cada espécimen.

En la Figura 3.3 y en la tabla 3.3 se muestran las medidas tomadas.



Figura 3.3 Dimensiones medidas en las uniones inferiores. Reference bd1 bd2 td1 td2 tos tis tt fun (N/mm2) futph1 (N/mm2) futph3 (N/mm2)LC1-1 150.14 150.07 1.00 1.01 1.52 1.52 1.47 420.00 485-520LC1-2 150.25 150.11 1.01 1.00 1.50 1.52 1.49 420.00 485-520LC2 99.82 99.97 0.99 1.02 0.99 1.03 1.52 420.00 485-521LC3-1 150.13 150.71 1.01 1.02 1.52 1.51 1.49 420.00 485-522LC3-2 150.82 150.28 1.01 1.01 1.51 1.52 1.50 420.00 485-523LC4 150.08 150.82 1.50 1.51 1.51 1.52 1.46 420.00 485-524 Tabla 3.3 Dimensiones medidas en las uniones inferiores (mm) y tensiones últimas del acero. 3.2.2.1.1 Realización del ensayo

Las figuras 3.4 y 3.5 muestran el montaje necesario para la realización del ensayo (ver planos en el anejo 3).



Figura 3.4 Montaje de la Fase 3.

Figura 3.5 Montaje de la Fase 3.

Por un lado, el espécimen estaba conectado a un perfil en U (upper U-profile en la figura 3.4) mediante tornillos de anclaje de 24 mm de diámetro. Este perfil podía rotar, por lo que las diagonales, el ángulo de las cuales no era el mismo con el stud que con el truck, estaban siempre dispuestas verticalmente para poder ser cargadas a través de sus ejes en vertical. El perfil en U estaba sujeto a un tubo dispuesto horizontalmente de sección cuadrada a través de otro perfil en U auxiliar (lower U-profile). Este tubo



permitió conectar todo el montaje a la losa de hormigón inferior, que a su vez está embebida en el suelo del laboratorio.

Por otro lado, las diagonales están conectadas al cilindro hidráulico con la ayuda

de cuatro placas (dos para cada diagonal). Estas placas de acero han sido diseñadas para trabajar por fricción. El cilindro hidráulico cuelga a su vez de un marco hecho con perfiles de acero que también está anclado a la losa inferior de hormigón. Este ensayo permite cargar los especimenes con una fuerza de 200 kN.

El ensayo se controló a través de la fuerza, siendo los especimenes cargados a

una velocidad de 150 N/s. los ensayos duraron entre 10 y 15 minutos. Cada 0.5 segundos se medían y almacenaban la fuerza aplicada (F) y el incremento de longitud del nudo (d). A partir de estos datos se confeccionaron curvas F-d como la mostrada en la Figura 3.6 para cada espécimen. Tal y como se puede ver en estas gráficas los especimenes se solicitaron hasta rotura.

F - d Curve

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 5 10 15 20 25

d (mm)

F (N

)

Figura 3.6 Curva Fuerza desplazamiento obtenida para el nudo LC4.

En realidad, el desplazamiento se midió a ambos lados del nudo, es decir sobre

las dos diagonales. Las curvas F-d se han dibujado a parir de la media de esos dos valores.

También se ejecutaron ensayos de carga-descarga. Los especimenes se

descargaron dos veces casi por completo antes de cargarlos hasta rotura, tal y como se puede ver en la figura 3.7. El procedimiento seguido para el montaje y reparación de estos ensayos fue prácticamente el mismo al mencionado anteriormente: se usó el mismo montaje, el ensayo se controló también mediante la fuerza aplicada a la misma velocidad y la toma de datos se produjo a la misma frecuencia.



F - d Curve

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0 5 10 15 20

d (mm)

F (N

)

Figura 3.7 Curva Fuerza desplazamiento obtenida para el nudo LC1-2.

3.2.2.3. Resultados de los ensayos El objetivo de este apartado es describir el comportamiento de los nudos y los modos de fallo o rotura observados en los ensayos experimentales. La colección completa de resultados se puede consultar en el Anejo 6.

3.2.2.3.1 Ensayos Monotónicos Los nudos inferiores mostraron dos modos de fallo:

1. Punzonamiento de la conexión entre el truck y el stud (figuras 3.8 y 3.9).

2. Rotura por sección neta de la diagonal (Figura 3.12).

El primer modo de fallo se observó en los nudos LC1-1 y LC4. La figura 3.8 muestra como la placa de anclaje punzona el perfil en L usado para conectar el stud con el truck. Este punzonamiento causa el colapso final del nudo. Sin embargo, ocurrieron otros fenómenos antes del colapso final: pandeo local del track (figura 3.9 y 3.10) y distorsión en stud (Figura 3.11).



Figura 3.8 Fallo por punzonamiento en la unión entre truck y stud del espécimen LC4.

Figura 3.9 Fallo por punzonamiento en la unión entre truck y stud del espécimen LC4.



Figura 3.10 Pandeo local del truck del espécimen LC1-1.

Figura 3.11 Distorsión del stud del espécimen LC1-1.

Los nudos LC2 y LC3-1 experimentaron el segundo modo de fallo, rotura por

sección neta (net section failure, NSF). No obstante, previamente se pudieron observar los fenómenos de distorsión en el stud exterior y pandeo local del truck perforado (figuras 3.13 y 3.14). A más a más, también experimentó fallo de las conexiones laterales ente stud y truck justo antes o instantes después del fallo de la diagonal (figura 3.15).



Cabe destacar que ninguno de los fenómenos observados en las Fases 1 y 2 [1],

como la inclinación de los tornillos (tilting) o el aplastamiento de la chapa (bearing), han sido detectados en los ensayos correspondientes a los nudos inferiores con perfilería Finlandesa. Como ejemplo de ello, se muestra la figura 16, donde se muestra la rotura del espécimen LC2, y no se aprecia rastro alguno de los otros efectos mencionados.

Todas las curvas Fuerza-desplazamiento (F-d) obtenidas de los ensayos son bastante parecidas. Todas muestran una rama elástica lineal corta seguida de una plastificación gradual (figura 3.6). El sistema de medición de la carga no permitía representar correctamente la rama de rotura.

Figura 3.12 Rotura por sección neta de la diagonal del espécimen LC2.



Figura 3.13 Distorsión del perfil exterior que conforma el stud del espécimen LC2.

Figura 3.14 Pandeo local del alma del truck del espécimen LC3-1.



Figura 3.15 Fallo de la conexión lateral entre el stud y el truck del espécimen LC3-1.

Figura 3.16 Rotura por sección neta de la diagonal del espécimen LC2.

3.2.2.3.2 Ensayos de carga y descarga Los ensayos de carga y descarga se ejecutaron en los especimenes LC1-2 y LC3-2 (ver tabla 3.2). Los modos de fallo y los valores máximos de carga asolidos fueron los mismos que en los ensayos monotónicos (Figuras 3.17 y 3.18).



Este trabajo experimental ha permitido observar que todas las ramas de carga de la curvas F-d tienen siempre la misma inclinación que la rama inicial elástica (figura 3.7). Cabe destacar que el sistema de medición de carga utilizado no permitió tomar medidas fiables durante la rama de descarga. Por esta razón, sólo los valores de las ramas de carga de las curvas F-d son fiables, no los de descarga. Sin embargo, a partir de las curvas F-d obtenidas se puede deducir que las ramas de descarga deben ser bastante parecidas a las de carga, tal y como ocurrió en los ensayos de las fase 1 y 2, cuando se investigó las conexiones de tornillos convencionales y autotaladrantes.

Figura 3.17 Rotura por punzonamiento de la unión entre truck y stud del espécimen

LC1-2.

Figura 3.18 Rotura por sección neta de la diagonal del espécimen LC3-2



3.2.3. Uniones Españolas (Fase 3) 3.2.3.1. Definición de las piezas

En estos ensayos se ejecutaron las probetas correspondientes a las esquinas inferiores y fueron realizadas en España. Estas uniones de esquina estaban compuestas por dos diagonales, un montante (stud), una traviesa (track), dos cartelas rectangulares (gussets), dos sistemas de sujeción y alguna placa de refuerzo (ver los planos de montaje de los especimenes en el Anejo 4). Todos estos elementos se conectaron mediante tornillos autotaladrantes (screws) de 6,3 mm de diámetro. La totalidad de los especimenes se sujetó al dispositivo de ensayo mediante los dispositivos de sujeción; un par de escuadras sobre placas de 20 mm de espesor y tornillos de 20 ó 16 mm de diámetro.

Figura 3.19 Uno de los nudos inferiores, espécimen SLC-7.



Figura 3.19 Sistema de sujeción a la banqueta de ensayo.

La tabla 3.4 contiene los valores geométricos nominales de los nudos inferiores ensayados. Las nudos esquineros pueden dividirse en dos grupos, dependiendo del ancho de la diagonal: esquinas con diagonales estrechas (65 mm de ancho) y esquinas con diagonales anchas (100 mm de ancho). En cada grupo, se puede diferenciar dos subgrupos: especimenes con excentricidad en la conexión con la banqueta de ensayos y especimenes sin esta excentricidad (Figura 3.21).

Figura 3.20 Conexión excéntrica entre el espécimen y la banqueta de ensayos.



Figura 3.20 Ensayo del acero de las diagonales.

Tabla 3.4 Dimensiones geométricas nominales de las uniones inferiores.

Figura 3.21 Dibujo de los dos tipos de esquina inferior: a) con excentricidad en la conexión con la banqueta, b) sin excentricidad.

Los componentes de los nudos han sido diseñados con acero S-250 GD+Z (nominal fy = 250 N/mm2, nominal fu = 330 N/mm2).

track

stud

hold-down

plate

a) b)

trackhold-down

stud hold-down

MonotonicReference strap gusset Width strap Eccentricity tests

SLC-1 1 mm 1 mm 100 mm N 1SLC-2 1 mm 1.5 mm 100 mm N 1SLC-3 1 mm 1 mm 65 mm N 1SLC-4 1 mm 1.5 mm 65 mm N 1SLC-5 1 mm 1 mm 65 mm Y 1SLC-6 1 mm 1.5 mm 65 mm Y 1SLC-7 1 mm 1 mm 100 mm Y 1SLC-8 1 mm 1.5 mm 100 mm Y 1

8

Thickness



3.2.3.2. Procedimiento de ensayo 3.2.3.2.1 Preparación de las piezas

Las dimensiones principales de cada espécimen se tomaron antes del ensayo. La figura 6 y la tabla 2 muestran las medidas tomadas.

Figura 3.22 Dimensiones medidas en las uniones de las esquinas inferiores.

Tabla 3.5 Dimensiones medidas y tensión última del acero. 3.2.3.2.2 Realización del ensayo

Las figuras 3.23 y 3.24 muestran el montaje de ensayo, que es el mismo que el utilizado para las esquinas inferiores finlandesas.

A

A'

bd2

bd1

td1td2

A - A'

B

B'

gusset

B - B'

tg1

tg2

hold-down

Reference bd1 (mm) bd2 (mm) td1 (mm) td2 (mm) tg1 (mm) tg2 (mm) fun (N/mm2) futph0 (N/mm2) futph3 (N/mm2)

SLC-1 100.2 100.3 0.99 0.99 0.99 0.98 330 393 468

SLC-2 100.2 100.1 0.99 0.99 1.49 1.48 330 393 479

SLC-3 65.2 65.0 1.01 1.01 0.99 0.98 330 393 388

SLC-4 65.1 65.1 1.01 1.02 1.49 1.48 330 393 388

SLC-5 65.1 65.1 1.01 1.02 0.99 0.99 330 393 388

SLC-6 65.1 65.1 1.02 1.01 1.52 1.51 330 393 388

SLC-7 100.8 100.4 0.99 1.01 0.98 1.02 330 393 390

SLC-8 100.1 100.2 1.01 0.99 1.49 1.5 330 393 510

fun: nominal ultimate stress

fuph0: ultimate stress measured in phase 0




Figura 3.23 Montaje de ensayo para la Fase 3.

Por un lado, el espécimen está conectado a un perfil en U de acero (upper U-profile en la Figura 7) mediante tornillos de 22 o 16 mm de diámetro. Este perfil puede rotar por lo que las diagonales se cargan verticalmente a través de su eje. El perfil en U está sujeto a un tubo horizontal de sección cuadrada a través de un perfil en U auxiliar (lower U-profile). Este tubo permite conectar todo el montaje a losa de hormigón que está embebida en el suelo del laboratorio.

Por otro lado, las diagonales están conectadas al cilindro hidráulico mediante 4

placas rectangulares de acero de gran espesor (dos para cada diagonal). Estas placas han estado diseñadas para trabajar por fricción. El cilindro hidráulico está suspendido de un marco rígido que también está anclado en la losa inferior de hormigón. Este montaje permite cargar a los especimenes a través de sus diagonales con una fuerza de 200 kN.

2xØ20

L=600 mm

UPN200

#370x120x25

L=350 mmØ 20

bolt Ø 30

bolt Ø 30

SQUARE TUBE

UPN200

8xØ12 (12.9) / 40 mm

#550x125x10bolt Ø45

200x200x10

UPPER U-PROFILE

LOWER U-PROFILE

SPECIMEN

FRICTION PLATES

LOWER CORNER JOINT

F



Figura 3.24 Montaje Fase 3.

El ensayo se controló mediante la fuerza aplicada y los especimenes se cargaron a una velocidad de 150 N/s. Cada 0.5 segundos se medía y almacenaba la fuerza aplicada (F) y el incremento de longitud que sufría el espécimen. A partir de estos datos se realizaron curvas F-d como las que se muestran en la figura 9. tal y como se puede ver en estas gráficas, los especimenes se solicitaron hasta rotura.

Figura 3.25 Curva fuerza- desplazamiento obtenida para el espécimen SLC6.

En realidad, los desplazamientos se midieron a ambos lados del nudo (ver transductores en la Figura 7.24. Las curvas F-d se han dibujado usando el valor medio de las dos medidas.

F-d Curve

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 3 6 9 12 15

d ( )

F (N

)



3.2.3.3. Resultados de los ensayos

El propósito de esta sección es describir el comportamiento de los nudos y los modos de fallo observados en los ensayos experimentales. La colección completa de los resultados se puede consultar en el Anejo 6.

3.2.3.3.1 Resultados de los ensayos correspondientes a las esquinas inferiores con diagonales estrechas (65 mm).

Las esquinas han sido diseñadas con el fin de que el modo de fallo fuese por la sección neta de las diagonales traccionadas. Los resultado de todos los ensayos confirman las hipótesis utilizadas en la fase de diseño, tal y como se puede ver en la figura 3.26 para el espécimen SLC-5.

También es posible ver la inclinación de los tornillos (tilting) conectados con la

diagonal y la cartela. El fenómeno “tilting”, sin embargo, solo fue significante para aquellas esquinas cuyas diagonales y cartelas tuviesen idéntico espesor (Figura 3.27). El fenómeno de “aplastamiento de la chapa” (bearing), no se de una forma evidente en ningún espécimen.

Figura 3.26 Fallo de la sección neta, espécimen SLC-5.



Figura 3.27. Tilting de los autotaladrantes espécimen SLC-3

Tal y como se puede ver en la Tabla 3.5, la tensión última del acero de las diagonales fue superior que el valor nominal. Como consecuencia, la carga última experimental de los nudos-esquina fue superior que la carga diseñada. Estas fuerzas últimas se comparan en la Tabla 3.6 junto con otros valores relacionados con la carga de rotura. La fórmula aplicada para determinar estas cargas es:

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] ututcoatingscrewunRd,n f,td,bdfttd·nbdfAP ⋅−⋅−⋅=⋅−⋅φ−⋅=⋅= 0403622 (1)

donde n es el número de autotaladrantes por columna. Los valores de bd, td y fut se pueden consultar en la Tabla 2.

El efecto de la excentricidad en la conexión del espécimen a la banqueta de ensayo no fue significante. La carga última y el modo de fallo fueron similares en los especimenes que tenían excentricidad con los que no (Figuras 12 a 13).

Tabla 3.6 Cargas últimas experimentales y teóricas de los nudos-esquina inferiores con diagonal estrecha.

Reference bd1 (mm) bd2 (mm) td1 (mm) td2 (mm) Pun (kN) Puph0 (kN) Puph3 (kN) Put (kN)SLC-3 65.2 65.0 1.01 1.01 37.58 44.75 44.18 46.41SLC-4 65.1 65.1 1.01 1.02 37.64 44.83 44.26 44.86SLC-5 65.1 65.1 1.01 1.02 37.64 44.83 44.26 47.56SLC-6 65.1 65.1 1.02 1.01 37.66 44.85 44.28 45.93

Pun: strength of the strap calculated from fun. Puph3: strength of the strap calculated from fuph3.Puph0: strength of the strap calculated from fuph0. Put: experimental ultimate load.



Figura 3.28 Curva Fuerza-desplazamiento del espécimen SLC-3, sin excentricidad, y

espécimen SLC-5, con excentricidad.

Figura 3.29 Curva Fuerza-desplazamiento del espécimen SLC-4, sin excentricidad, y espécimen SLC-6, con excentricidad.

3.2.3.3.2 Resultados de los ensayos correspondientes a las esquinas inferiores con diagonales anchas (100 mm).

Después de ensayar el primer espécimen de nudo de esquina inferior español, SLC-1, se decidió, a la vista de los resultados, ensayar el acero de las diagonales. La razón reside en que los resultados obtenidos en este primer ensayo diferían demasiado

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 3 6 9 12 15

d (mm)

F (N

) SLC-6SLC-4

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 5 10 15 20 25

d (mm)

F (N

) SLC-5SLC-3



de lo esperado. Por ejemplo, la carga última experimental obtenida fue superior que el valor calculado en fase de diseño. En resumen, la tensión última del acero de la diagonal del espécimen SLC-1 resultó ser superior que el valor nominal, y también mayor que el valor obtenido en la fase 0 de la presente campaña (468 N/mm2, en lugar de 393 N/mm2).

A la vista de estos resultados, se creyó conveniente ensayar el acero de todas las

diagonales, tanto anchas como estrechas. Las tensiones últimas obtenidas se muestran en la tabla 2. Se puede ver que tres de los cuatro nudos con diagonales anchas tenían una tensión última en el acero de sus diagonales superior a su valor de diseño.

Este hecho provocó algunos cambios con respecto al comportamiento esperado

de los nudos. Los cambios se enumeran a continuación: 1. SLC-1 colapsó en la sección neta, pero para una carga superior a la de diseño, también se apreció fallo local en la cartela (Figuras 3.30 y 3.31). 2. SLC-2 colapsó en la sección neta, pero para una carga superior a la de diseño. 3. SLC-8 colapsó por punzonamiento (punching), pandeo local y flexión del track (Figura 16), colapsó en un nivel de carga superior que el que había sido calculado previamente. El espécimen SLC-7 fue el único que colapsó de la misma manera que estaba

previsto (Figura 3.33), así como del mismo que podía haberse predicho en función de los resultados de la Fase 0.

Los resultados experimentales y los valores calculados de todos los especimenes

se comparan en la Tabla 3.7. Las cargas últimas fueron determinadas aplicando la ecuación (1).

Por último, cabe destacar que en aquellos nudos con diagonales y cartelas del

mismo espesor se pudo observar la aparición del efecto “tilting”. (Figura 3.24). No se observó el fenómeno “bearing”. Tabla 3.7 Resultados experimentales y valores calculados de carga última para los nudos inferiores con diagonales anchas

Reference bd1 (mm) bd2 (mm) td1 (mm) td2 (mm) Pun (kN) Puph0 (kN) Puph3 (kN) Put (kN)SLC-1 100.2 100.3 0.99 0.99 58.88 70.12 83.50 86.38SLC-2 100.2 100.1 0.99 0.99 58.83 70.06 85.39 88.78SLC-7 100.8 100.4 0.99 1.01 59.23 70.54 70.00 69.98SLC-8 100.1 100.2 1.01 0.99 58.85 70.09 90.95 77.8




Figura 3.30 Fallo por sección neta, espécimen SLC-1.

Figura 3.31 . Fallo local en la cartela del espécimen SLC-1.



Figura 3.32 Punzonamiento, Flexión y pandeo local del track del espécimen SLC-8.

Figura 3.33 Fallo por sección neta del espécimen SLC-7.



Figura 3.34 “Tilting” de los autotaladrantes del espécimen SLC-7.



3.3. FASE 4 – Uniones Superiores 3.3.1. Aspectos generales La Fase 3 engloba todos los ensayos realizados para caracterizar el comportamiento de las uniones superiores de los marcos. Este Fase se divide en función de la procedencia del espécimen ya que tal como se verá más adelante la geometría y el comportamiento es muy diferente en función de dónde sean los especimenes. 3.3.2. UNIONES FINLANDESAS (Fase 4) 3.3.2.1. Definición de las piezas

Los especimenes fueron conformados en Finlandia y transportados hasta el laboratorio de la Facultad de industriales, donde se procedió del mismo modo que con los especimenes de las esquinas inferiores para la realización de los ensayos.

Los nudos superiores están compuestos de dos diagonales, dos montantes (studs)

y una o dos traviesas (tracks). Todos esos elementos se conectaron entre ellos mediante tornillos autotaladrantes de 4.8 y 6.3 mm de diámetro, tornillos convencionales de 12 mm de diámetro, un perfil en L (150x220x3 ó 250x220x3), y un perfil en U (145x40x3). La tabla 4 contiene las medidas geométricas nominales de los nudos superiores ensayados.

Screws, joint Screws, joint TestReference Stud Track Diagonal diagonal-stud clip-track Washer plate Monotonic Load-unload

UC1-1,UC1-2 2 pc TC150x1.5 TU150x1.5 150x1.0 22pcs SL4-F Φ4.8 10pcs SD6 F6.3 90x90x20 1 1UC2 2 pc TC150x1.0 TU150x1.5 100x1.0 15pcs SL4-F Φ4.8 10pcs SD6 F6.3 90x90x20 1

UC3-1,UC3-2, 2 pc TC150x1.5 2 pcTU150x1.5 150x1.0 22pcs SL4-F Φ4.8 14pcs SD6 F6.3 90x90x20 1 1UC4 2 pc TC150x1.5 2 pcTU150x1.5 150x1.5 22pcs SL4-F Φ4.8 18pcs SD6 F6.3 90x90x20 1UC5 2 pc TC150x1.5 2 pcTU150x1.5 150x1.0 22pcs SL4-F Φ4.8 90x90x20 1

5 2

En todos los ensayos: Ángulo de cierre: L150x220x3 (L=140), Perfil en U: U145x40x3 (L=220)Tornillería M12 8.8

Tabla 3.8. Dimensiones geométricas nominales de las uniones inferiores finlandesas.

Después de ensayar los tres primeros especimenes, se decidió reforzar los

especimenes el resto de especimenes ya que los resultados obtenidos hasta entonces eran muy diferentes que los que se esperaban, un ejemplo de ello fueros las bajísimas cargas de rotura.

Los nudos UC1-1, UC1-2, UC3-2 y UC4 se reforzaron con los elementos siguientes: - una placa de 1.5 mm de acero adosada a cada ala del stud,

- una placa de 1.5 mm de acero adosada a cada ala de los tracks, sólo para aquellos especimenes que tenían dos tracks.



- Un perfil adicional en el track, sólo en aquellos especimenes que tenían un sólo track.

A parte de estos elementos adicionales, las almas de los studs en contacto se conectaron con autotaladrantes de 6.3 mm de diámetro.

La calidad del acero correspondiente a cada uno de los elementos utilizados es la

misma que la usada en los nudos inferiores.

Figura 3.35 Refuerzo del espécimen UC4.

Figura 3.36 Refuerzo del espécimen UC1-2.



3.3.2.2. Procedimiento de ensayo

Los ensayos se ejecutaron aplicando el mismo prácticamente el procedimiento que en las uniones de las equinas inferiores. Las diferencias se centran fundamentalmente el utensilio utilizado para realizar el ensayo, que se explicará más adelante. 3.3.2.2.1 Preparación de las piezas

Las dimensiones principales de cada espécimen fueron medidas antes de su ensayo. La figura 20 y la Tabla 5 muestran las medidas tomadas.

Figura 3.37 Dimensiones tomadas en las uniones de esquina superiores.

Reference bd1 bd2 td1 td2 tos tis tt fun (N/mm2) futph1 (N/mm2

UC1-1 150.16 150.15 1.01 1.02 1.53 1.54 1.48 420.00 485-520UC1-2 150.11 150.21 0.98 0.98 1.51 1.52 1.48 420.00 485-520UC2 100.11 100.21 0.98 0.98 1.01 1.02 1.48 420.00 485-521UC3-1 150.13 150.65 1.00 1.00 1.53 1.52 1.47 420.00 485-522UC3-2 150.47 151.28 1.00 1.00 1.51 1.51 1.54 420.00 485-523UC4 150.37 150.46 1.50 1.50 1.52 1.52 1.46 420.00 485-524UC5 150.17 150.17 1.03 1.03 1.51 1.53 1.51 420.00 485-524

Tabla 3.9 Dimensiones tomadas en las uniones de esquina superiores.

3.3.2.2.2 Realización del ensayo

La figuras 3.38 y 3.39 muestran el montaje utilizado en el ensayo (ver los planos de montaje en el Apéndice 3).



Figura 3.38 Montaje de ensayo de la Fase 4.

Figura 3.39 Montaje de ensayo de la Fase 4.

Como se puede observar en las figuras 3.38 y 3.29, varios componentes de la fase 3 se han utilizado de nuevo en la fase 4: el tubo de sección cuadrada, el perfil inferior en U, las placas a través de las cuales se aplica la carga, y el marco conectado a la losa de hormigón. No obstante, se diseñó un nuevo mecanismo para sujetar el espécimen al tubo. Este consiste en dos perfiles en U conectados perpendicularmente en el interior de los cuales se alojaba la pieza a ensayar, confinada entre dos placas de acero ajustables mediante tornillos (top plates en la figura 3.28). Esta herramienta



permitió cargar los especimenes a través de la directriz de las diagonales verticalmente y prevenir el desplazamiento de los extremos del nudo.

Los ensayos se controlaron a través de la fuerza ejercida por el cilindro

hidráulico, el cual aplicaba la carga a una velocidad de 150 N/s, del mismo modo que las uniones inferiores.

Auxiliary grips

Figura 3.39 Horquillas auxiliares en la Fase4.

3.3.2.3. Resultados de los ensayos 3.3.2.3.1 Ensayos Monotónicos

Los nudos UC2 y UC3-1 se ensayaron en primer lugar. Los resultados obtenidos para estos especimenes están muy lejos de lo esperado: las cargas últimas fueron muy pequeñas y el fallo afectó al track y el stud, cuando estos especimenes fueron diseñados para romper por sección neta de la diagonal (tabla 3.10).

La figura 40 muestra como colapsó la unión UC2. El espécimen sufrió varias

inestabilidades, las más evidentes de las cuáles fueron: pandeo local del ala del stud superior (Figura 41), pandeo local de las alas del stud exterior (Figura 3.33) y pandeo local de las alas del track (Figura 3.42). El nudo UC3-1 colapsó de un modo similar (Figura 3.43).

En este tipo de ensayos se observó cierta tendencia al escape de los tramos

finales tanto del stud como del truck, principalmente mientras se desarrollaba el colapso final. Es por este motivo que en los ensayos posteriores se incorporaron en el montaje de ensayo las horquillas auxiliares de seguridad (Figura 3.39).



El nudo UC5, ensayado a continuación de los anteriores, mostró un modo de fallo muy similar aunque soportó una carga última ligeramente superior (Tabla 3.10). En este punto se decidió reforzar, de la forma ya mencionada en el apartado 3.3.2.1, los especimenes que todavía no se habían ensayados. Posteriormente se ensayaron los nudos UC1, UC3-2 y UC4, los resultados de los cuales se pueden ver en las gráficas 3.46 a 3.48.

A pesar de los refuerzos, el colapso de los nudos UC3-2 y UC4 continuaron afectando a los studs. Estos nudos fallaron debido al pandeo local del alma del stud interior (Figuras 3.47 y 3.48). Las cargas últimas, sin embargo, mayores. Por otro lado, el nudo reforzado UC1 colapso de la manera y bajo la carga esperada: rotura por sección neta de la diagonal a una fuerza de 123500 N (ver Figura 3.46 y Tabla 3.10).

Se debe mencionar que los especimenes ensayados con grapas auxiliares experimentaron pandeo local en la chapa de las secciones extremas (ver Figura 3.49).

Las curvas F-d obtenidas en estos ensayos presentan un comportamiento inicial

lineal y una plastificación gradual hasta el colapso (Figura 3.50).

Referencia Modo de Fallo Carga última Experimental (N)

Carga última Calculada (N)

UC1-1 Rotura por Seccón neta de la diagonal 123350 126000

UC1-2 Rotura por Seccón neta de la diagonal 122160 126000

UC2 Pandeo local del truck y el stud 55040 84000

UC3-1 Pandeo local del truck y el stud 72600 126000

UC3-2 Pandeo local del stud 109520 126000

UC4 Pandeo local del stud 118950 189000

UC5 Pandeo local del stud 98906 126000 Tabla 3.10 Resultados de los ensayos de la Fase 3. 4.



Figura 3.40 Colapso del espécimen UC2.

Figura 3.41 Pandeo local del alma del stud interior del espécimen UC2.



Figura 3.42 Pandeo local de las alas del stud exterior del espécimen UC2.

Figura 3.43 Pandeo local de las alas del track del espécimen UC2.



Figura 3.44 Colapso del espécimen UC3-1.

Figura 3.45 Colapso del espécimen UC5.



Figura 3.46 Rotura por sección neta de la diagonal del espécimen UC1-1.

Figura 3.47 Pandeo local del alma del stud interior del espécimen UC3-2 reforzado.



Figura 3.48 Pandeo local del alma del stud interior del espécimen UC4 reforzado.

Figura 3.49 Pandeo local de la chapa en contacto con las grapas auxiliares.



F - d Curve

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 5 10 15

d (mm)

F (N

)

Figura 3.50 Curva F-d obtenida para el espécimen UC1-1.

3.3.2.3.2 Ensayos de carga y descarga

Estaba programado realizar dos ensayos de este tipo: UC1-1 y UC3-2. Sin embargo, sólo se ensayo de este modo el espécimen UC1-2, ya que el UC3-2 se ensayó de modo monotónico con el fin de investigar los efectos motivados por el reforzamiento de los especimenes.

Los resultados de los ensayos de carga-descarga muestras dos ramas de carga

con idéntica pendiente. No obstante, cabe destacar que la pendiente de estas ramas de carga en ligeramente superior a la recta de carga inicial.



Figura 3.51 Rotura por Sección Neta de la diagonal en el espécimen UC1-2.

F - d Curve

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 2 4 6 8 10

d (mm)

F (N

)

Figura 3.52 Curva F-d obtenida para el espécimen UC1-2.



3.3.3. UNIONES ESPAÑOLAS (Fase 4) 3.3.3.1. Definición de las piezas

Los ensayos diseñados para los nudos de esquina superiores con perfilería española son muy similares a los descritos en el apartado anterior para los inferiores.

Los nudos superiores estaban compuestos por dos diagonales, un stud, un track,

dos cartelas rectangulares y varias placas de refuerzo (ver los planos de los especimenes en el Anejo 4). Todos estos elementos se conectaron entre ellos mediante tornillos autotaladrantes de 6.3 mm de diámetro.

La Tabla 3.12 contiene los valores geométricos nominales de los nudos de

esquina superiores ensayados. Hubo básicamente dos tipos de nudos de esquina superiores: nudos con diagonales estrechas y nudos con diagonales anchas.

Tabla 3.12. Dimensiones geométricas nominales de los nudos de esquina superiores.

Los componentes de los nudos fueron diseñados con acero S-250 GD+Z (nominal fy = 250 N/mm2, nominal fu = 330 N/mm2). 3.3.3.2. Procedimiento de ensayo

Los ensayos se ejecutaron aplicando el mismo procedimiento usado en los nudos inferiores. Hubo unas pequeñas diferencias que en la preparación del ensayo que se comentan en los apartados siguientes. 3.3.3.2.1 Preparación de las piezas

Las medidas de los especimenes se tomaron antes de ser ensayadas (Figura 3.53 y Tabla 3.13).

MonotonicReference strap gusset Width strap tests

SUC-1 1 mm 1 mm 65 mm 1SUC-2 1 mm 1.5 mm 65 mm 1SUC-3 1 mm 1 mm 100 mm 1SUC-4 1 mm 1.5 mm 100 mm 1

4

Thickness



Figura 3.53 Dimensiones medidas en los nudos de esquina superior. Tabla 3.13 Medidas tomadas y tensión última del acero.

3.3.3.2.2 Realización del ensayo

Como se puede ver en las figuras 3.54 y 3.55, varios de los componentes del montaje de la fase 3 se usó de nuevo en la fase 4: el tubo cuadrado, el perfil en U inferior, las placas a través de las cuales se aplica la carga, y el marco de acero conectado a la losa de hormigón. Se diseñó un nuevo mecanismo para sujetar el espécimen al tubo, consiste básicamente de de dos perfiles en U conectados perpendicularmente. Donde se ha de alojar el espécimen se colocaron dos placas de acero (top plates en la Figura 3.54) con el fin de confinar los nudos. Este mecanismo permite cargar los especimenes verticalmente a través de las diagonales y restringir el movimiento de los extremos del truck y el stud.

A

A'

gusset

tg1

tg2

td1

bd1

A - A'

B - B'

td2 bd2

B'

B

Reference bd1 (mm) bd2 (mm) td1 (mm) td2 (mm) tg1 (mm) tg2 (mm) fun (N/mm2) futph0 (N/mm2) futph4 (N/mm2)

SUC-1 65.1 65.1 1.01 1.01 0.99 0.99 330 393 388

SUC-2 65.1 65.1 1.01 1 1.49 1.47 330 393 388

SUC-3 101.3 101.1 1 0.99 0.99 0.99 330 393 348

SUC-4 101.3 101.8 1.01 1 1.5 1.51 330 393 348

fun: nominal ultimate stress







bolt Ø 30

120x120x12

#250x140x20

L=350 mmØ 20 #370x120x25

UPN200

SQUARE TUBE200x200x10

UPN200

LOWER U-PROFILE

#550x125x10FRICTION PLATES

bolt Ø45

8xØ12 (12.9) / 40 mm

SPECIMENUPPER CORNER JOINT

U-PROFILES

TOP PLATES

F



Del mismo modo que en los ensayos finlandeses, se decidió usar dos horquillas adicionales para impedir el movimiento transversal entre el final del stud o el track y las “top plates” (Figura 3.56).

Los ensayos se controlaron mediante la fuerza aplicada y los especimenes se

cargaron a una velocidad de 150 N/s.

Figura 3.56 Auxiliary grips in phase 4 tests. 3.3.3.3. Resultados de los ensayos 3.3.3.3.1 Resultados de los ensayos de los nudos superiores con diagonales estrechas.

Los nudos superiores españoles habían sido diseñados para que la diagonal se rompiera según su sección neta. Se ha de recordar que tanto el truck como el stud habían sido reforzados con placas de acero adicionales (figura 3.57), con el fin de asegurar que el colapso afectase solo a la diagonal.

Este diseño funcionó bastante bien. El modo de rotura “fallo por sección neta”

(net section failure, NSF) fue el modo de colapso en los dos ensayos ejecutados (Figura 3.58). Se pudo observar también “tilting” de los autotaladrantes de la conexión entre la diagonal y la cartela. Por otro lado, este fenómeno no fue tan evidente como en los especimenes ensayados en la Fase 3 o en otra fase anterior [1]. No hubo “bearing” en ninguna unión.

Tabla 3.14 Cargas últimas experimentales y calculadas de los nudos superiores con diagonales estrechas.

Reference bd1 (mm) bd2 (mm) td1 (mm) td2 (mm) Pun (kN) Puph0 (kN) Puph4 (kN) Put (kN)SUC-1 65.1 65.1 1.01 1.01 37.64 44.82 44.25 46.57SUC-2 65.1 65.1 1.01 1 37.25 44.36 43.80 46.95




Figura 3.57 Refuerzo del espécimen SUC-1 después de ser ensayado.

Figura 3.58 Fallo por sección neta de la diagonal del espécimen SUC-2.



Figura 3.59 Curva fuerza-desplazamiento de los especimenes SUC-1 (tg=1 mm)

y SUC-2 (tg=1,5 mm).

Los valores de carga última obtenidos experimentalmente fueron muy parecidos a los calculados a través de la ecuación definida para el fallo por sección neta (1). De todas formas, este hecho se debe tomar con cautela, ya que si se esta buscando una buena predicción de estas cargas experimentales, la ecuación (1) de aplicarse usando los valores últimos de tensión en las diagonales. En este caso, el acero ensayado en la fase 0 es similar es la fase 4, por lo tanto se puede usar cualquiera de las tensiones últimas correspondientes. La tabla 3.15 contiene los valores de fuerza calculados.

Finalmente, se observó que el espesor de la cartela no afecta a los

resultados del ensayo, más allá de un incremento de la rigidez de la unión, tal y como se puede ver en la Figura 3.59. El efecto de este parámetro es el mismo que en los nudos inferiores.

3.3.3.3.2 Resultados de los ensayos de los nudos superiores con diagonales anchas (100 mm).

Los nudos superiores con diagonales anchas no colapsaron del modo que se había prediseñado. No se dio la rotura por sección neta. A pesar de los refuerzos, la resistencia del stud y el truck no fue suficientemente grande para soportar la compresión que ejercía la diagonal. Este elemento fue demasiado resistente, lo que provocó el fallo por pandeo local de los elementos comprimidos (Figura 3.60 y 3.61).

Sin embargo, los valores de carga última obtenidos experimentalmente

están muy cerca de los valores calculados para la rotura por sección neta (ver Tabla 3.15). Por esta razón, se cree que las diagonales estaban muy próximas al colapso cuando finalizó el ensayo.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 3 6 9 12 15

d (mm)

F (N

) SUC-1SUC-2



A parte del modo de rotura, el comportamiento de los especimenes fue similar al comportamiento de los otros nudos ensayados. Hubo un ligero aumento del fenómeno “tilting” respecto a los nudos de diagonales estrechas y ni rastro de “bearing”.

Tabla 3.15 Cargas últimas experimentales y calculadas de los nudos superiores con diagonales anchas.

Figura 3.60 Colapso del espécimen SUC-3.

Reference bd1 (mm) bd2 (mm) td1 (mm) td2 (mm) Pun (kN) Puph0 (kN) Puph4 (kN) Put (kN)SUC-3 101.3 101.1 1 0.99 59.46 70.81 62.70 61.74SUC-4 101.3 101.8 1.01 1 60.51 72.06 63.81 69.54




Figura 3.61 Colapso del espécimen SUC-4.



3.4. FASE 5 – Marco Completo 3.4.1. Introducción

Los ensayos se realizaron con dos especimenes idénticos de la mitad de altura que los paneles convencionales (Figura 3.62).

Figura 3.62 Phase 5 specimen.

Se optó por la reducción del modelo para evitar el colapso por inestabilidad de los montantes comprimidos. Los ensayos se realizaron con el fin de investigar el comportamiento cíclico del marco y la capacidad disipativa de las diagonales. Por esta razón era necesario asegurarse que ningún componente del marco colapsara antes que las diagonales plastificasen (ver Eurocódigo 8 [9,10]) Construir paneles a cortante con elementos cortos facilita evitar el fallo por inestabilidad global.

El hecho que los especimenes fuesen pequeños también facilita su ensayo.

Los componentes principales de los paneles a cortante son 2 traviesas (tracks), 2 montantes (studs) y 4 diagonales (diagonal strap). Las traviesas y los montantes están compuestos por dos perfiles:

-Traviesas (track): U-108-38 y C-102-40-14, espesor t = 2 mm. -Montantes (stud): U-108-39 y C-102-40-14, espesor t = 2 mm. Cada una de las dos cruces de arriostramiento de cada panel esta

compuesta por dos diagonales de 65mm de ancho y 0,8 mm de espesor. Están conectadas al marco mediante cartelas de 210 x 140 de 1,5 mm de espesor. Para conectar todo el conjunto se usaron tornillos autotaladrantes (screws) φ 6,3 mm.

En el Anejo 4 se incluyen dibujos detallados de los especimenes.

644

mm

1079 mm

STUD C 102-40-14 (t=2mm) ++ U 108-39 (t=2mm)

+ U 108-39 (t=2mm) C 102-40-14 (t=2mm) +STUD

UPPER TRACKC 102-40-14 (t=2mm) ++ U 108-39 (t=2mm)

LOWER TRACKU 108-39 (t=2mm)

DIAGONAL STRAP1040x65 (t=0.8 mm)

GUSSET210x140 (t=1.5 mm)



La anchura y espesor de la diagonal fueron pequeños a fin de que su capacidad disipativa por plastificación pudiera originarse en niveles bajos de carga. Por otro lado, los perfiles elegidos para el marco tienen una alta resistencia al colapso de la chapa con el fin de prever un fallo prematuro. Los cálculos realizados para el diseño de los paneles están contenidos en el Anejo 5.

Por la misma razón, la calidad del acero de las diagonales es inferior a la

calidad del acero de los miembros del marco: -Acero de las diagonales: S250GD+Z (nominal fy = 250 N/mm2, nominal fu = 330 N/mm2). -Acero de tracks, studs and gussets: S320GD+Z (nominal fy = 320 N/mm2, nominal fu = 390 N/mm2). Un acero de menor calidad en las diagonales aumenta su ductilidad, hecho

que otorga mayor capacidad disipativa (ver [4]).

3.4.2. Proceso de ensayo 3.4.2.1. Preparación de las piezas

Las principales dimensiones de los perfiles que componen los especimenes así como las propiedades mecánicas de los aceros se midieron antes de los ensayos.

La dimensiones medidas se muestran es la figura 3.63, y la Tabla 3.16

contiene loa valores obtenidos.

Figura 3.63 Dimensiones tomadas.

td

b d

tm

tg

tm



Tabla 3.16 Principales valores de las dimensiones geométricas medidas.

Las propiedades mecánicas del acero de las diagonales traccionadas se midieron mediante ensayos de tensión. La figura 3.65 muestra una de las curvas fuerzas-desplazamiento obtenidas, y la tabla 3.17 contiene los valores obtenidos.

En esta tabla se puede ver que el límite elástico medido es inferior al

nominal. Este hecho fue positivo para el ensayo porque implica que las diagonales plastificarían antes de lo previsto. La tensión última medida también difirió de la teórica. En este caso, el valor experimental fue mayor, hecho que también actuó a favor del ensayo ya que se incrementó aún más el ratio fu/fy, y consecuentemente, la ductilidad de la diagonal.

Figura 3.64 especimenes después del ensayo.

Espesor (mm) Ancho (mm)

Diagonales (td, bd) 0,79 64,17

Cartelas (tg) 1,50 -

Perfiles (tm) 2,00 -



0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2mm

N

Figura 3.65 Curva Fuerza-desplazamiento obtenida del ensayo a tensión del acero de una

diagonal (Espécimen 1). Tabla 3.17 Valores de las propiedades medidas de los materials. Los 4 ensayos se llevaron a cabo extrayendo una parte de las diagonales originales que no fueron usadas para el ensayo completo. 3.4.2.2. Realización del ensayo

En las Figuras 3.66 y 3.67 se muestran los elementos necesarios para la realización del ensayo. (Ver en Anejo 4 los esquemas usados para conformar todos los componentes que aquí se muestran).

b t SO Lo Lf ΔL Fy Fu fy fu

No. Specimen (mm) (mm) (mm2) (mm) (mm) (%) (N) (N) (N/mm2) (N/mm2)

1 Diagonal 19.93 0.8 15.94 80 109 36.25 3542 5820 222 365

2 Diagonal 20 0.8 16.00 80 111 38.75 3610 5846 226 365

3 Diagonal 20.01 0.8 16.01 80 111 38.75 3600 5872 225 3674 Diagonal 19.7 0.8 15.76 80 109 36.25 3515 5747 223 365



Figura 3.66 Fase 5, preparación del ensayo.

Figura 3.67 Fase 5, preparación del ensayo.

El espécimen se ensambló horizontalmente en el marco de ensayo con el fin de ser cargado en dirección horizontal. Se escogió aplicar la carga en esta dirección porque se reduce el nivel de carga necesario para plastificar las diagonales, ya que la componente de la fuerza horizontal es mayor que si se ensayase en posición vertical. Si la fuerza requerida es menor, es más fácil prevenir el fallo de otros miembros del espécimen.

Tal y como se puede observar en las figuras 3.66 a 3.67, el espécimen se

atornilló al marco de ensayo mediante dos placas de anclaje y cuatro pasadores. El marco de ensayo está formado por 4 barras HEB160 y dos cables de arriostramiento

HEB160

HEB160

BRACINGS H

EB1

60

HE

B16

0

BRACINGS

HYDRAULIC CYLINDER

DISPLACEMENT TRANSDUCER

d

F

LOAD CELL

HOLD-DOWN DEVICEANCHOR PLATE

SPECIMEN

LOAD PLATE 1LOAD PLATE 2



para impedir el desplazamiento relativo entre las barras superior e inferior del marco de carga. La fuerza se aplicó a través de dos placas de carga (load plates 1 en la figura 3-66), la cual se sujeto al montante (truck) superior mediante 6 tornillos de 12mm de diámetro. Estas placas estaban conectadas al cilindro con la ayuda de dos placas auxiliares más (load plates 2). Estas placas se unían mediante tornillos a las placas 1 y por otro lado sujetas mediante abrazaderas al final del cilindro.

Para la aplicación de la carga se usó un cilindro hidráulico de 100kN. Una

membrana alojada en el final del cilindro permitió medir la fuerza aplicada. También se midieron dos medidas del desplazamiento: el desplazamiento del cilindro y el desplazamiento del montante superior, el cual se midió mediante un transductor de desplazamiento externo. Todas las mediciones se almacenaron en el ordenador.

Figura 3.67 espécimen numero 1. 3.4.2.3. Procedimiento de carga

Este ensayo se controló mediante desplazamientos. Los desplazamientos impuestos se muestran en la Figura 3.68. Se diseñaron 5 ciclos el pico de los cuales se fue incrementando en 15mm desde ±15 mm a ±75 mm. La ley de desplazamientos se eligió de esta manera con tal de que las diagonales se plastificasen desde el primer ciclo de carga (ver cálculos en Anejo 5). El desplazamiento máximo desplazamiento estaba limitado por el recorrido del cilindro, 160mm.

La velocidad de aplicación de la carga fue constante en todos los ciclos, 0.2

mm/s. La toma de datos también se realizo cada 0.2 s.



Figura 3.68 Desplazamientos impuestos. 3.4.3. Resultados de los ensayos

Los fenómenos observados durante los ensayos se describen a continuación. Desde el principio, las diagonales comprimidas pandearon (Figura 3.69). Fue

debido a pandeo por flexión en dos o tres medias ondas sinusoidales (Figura 3.70).

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80

t (min)

d (m

m)



Figura 3.69 Pandeo de la diagonal desde el principio del primer ciclo de carga.

Figura 3.70 Pandeo de las diagonales en 2 y 3 medias ondas sinusoidales.

Las diagonales plastificaron desde el primer ciclo de carga, tal y como había sido calculado. Este hecho se puede observar en las figuras 3.76 y 3.77, donde se muestran las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas del ensayo; o en la figura 3.71, la cual muestra la deformación plástica de las diagonales en el final del primer ciclo.

Figura 3.71 Plastificación de las diagonales después del primer ciclo complete de carga.



Figura 3.73 Pandeo local de la cartela de la esquina superior.

A medida que la amplitud de los desplazamientos se fue incrementando se observaron otros fenómenos. Desde el segundo ciclo, se podía observar el pandeo local de las cartelas de las esquinas superiores. El movimiento horizontal del truck superior provocó un decrecimiento del ángulo entre el truck y el stud en una de las esquinas superiores, y un decrecimiento del mismo ángulo en la otra esquina (Figura 3.73). En la esquina cuyo ángulo decrecía, la cartela estaba sometida a compresión y consecuentemente pandeaba. Esta plastificación local no se observó en las esquinas inferiores, ya que los sistemas de sujeción al marco impedían la variación del ángulo entre track y stud.

En la otra esquina, donde el ángulo aumentaba, se dio la plastificación local de

las alas del perfil que conformaban el stud (Figura 3.74). La unión entre track y stud es una unión semi-rígida y, consecuentemente, el movimiento horizontal del track causa flexión en el stud. Esta flexión provocó el pandeo local de la parte comprimida de las alas del perfil que conforma el stud.

De un modo similar, los studs de las esquinas inferiores también sufrieron

pandeo local. Estos nudos eran incluso más rígidos ya que habían sido reforzados con los mecanismos de sujeción. En este caso. El momento flector provocó pandeo local de las alas y el alma. (Figura 3.75).

Finalmente se debe destacar que, a pesar de los fenómenos destacados, la resistencia de los nudos fue suficientemente grande para permitir el desarrollo de la disipación por parte de las diagonales.

Durante el ensayo no se observó ningún fenómeno de tilting ni bearing [2].



Figura 3.74 Configuración característica de la deformada.

Figura 3.75 Pandeo local de las alas del stud de la esquina superior.



Figura 3.76 Inestabilidades locales en el stud de la esquina inferior.

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Capítulo 3 Campaña de ensayos de laboratorio